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1 - DÉVELOPPEMENT DE LA COMBUSTION EN LIT FLUIDISÉ

2 - PRINCIPE DE BASE

3 - DESCRIPTION TECHNIQUE D’UNE CENTRALE DE PREMIÈRE GÉNÉRATION

4 - DESCRIPTION TECHNIQUE D’UNE CENTRALE DE DEUXIÈME GÉNÉRATION

5 - PERFORMANCES ÉNERGÉTIQUES

6 - PERFORMANCES EN MATIÈRE D’ENVIRONNEMENT

| Réf : B8925 v1

Principe de base
Centrales à lit fluidisé sous pression

Auteur(s) : Lucien TUA

Date de publication : 10 janv. 1997

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  • Lucien TUA : Ingénieur à la division Environnement de CNIM - Chargé du développement de la technique PCFB

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INTRODUCTION

La technique de fluidisation est une technique très ancienne qui trouve ses premières applications dans l’industrie chimique et pétrochimique. Elle fut utilisée en Allemagne dès les années 20, dans les premiers gazéifieurs Winkler. Elle consiste à mettre un produit granuleux ou pulvérulent en suspension dans un gaz, cela afin d’améliorer le contact gaz/solides et favoriser la cinétique des réactions chimiques et du transfert thermique.

Ce n’est qu’au début des années 70 que l’on commença à s’intéresser à cette technique pour la combustion et à développer son application pour la génération de vapeur à partir de combustibles solides. Les vitesses de fluidisation utilisées étaient alors relativement faibles (1 à 2 m/s) et juste suffisantes pour mettre les particules de combustible en mouvement sans qu’il y ait entraînement. Ce mode de fluidisation a donné naissance à la première génération de foyers à lit fluidisé, appelés lits fluidisés denses (bubbling bed). Les premières réalisations industrielles de ce type ont permis de confirmer l’efficacité de la fluidisation pour la combustion du charbon. Mais simultanément elles ont mis en évidence un certain nombre de contraintes d’exploitation inhérentes au mode de fluidisation (problèmes de maintien du niveau du lit lors des variations de charge, d’alimentation et de distribution de combustible, de flexibilité vis-à-vis des variations des caractéristiques des combustibles, etc.).

Pour résoudre ces problèmes, les programmes de recherche s’orientèrent alors vers l’augmentation de la vitesse de fluidisation. Vers la fin des années 70, le concept du lit fluidisé circulant fit son apparition. Après une longue période de développement et de mise au point sur des unités pilotes, les premières réalisations de taille industrielle ont été construites dans les pays nordiques pour brûler de la tourbe.

Ce n’est que quelques années plus tard, sous la poussée de réglementations environnementales de plus en plus contraignantes, que la technique de fluidisation a été mise à profit pour la réduction in situ des polluants gazeux tels que les oxydes de soufre et les oxydes d’azote. La réduction des émissions d’oxydes de soufre est obtenue par injection de calcaire (ou dolomie) dans le lit. Les réactions de calcination du carbonate de calcium et de sulfatation sont favorisées par un contrôle efficace de la température de combustion à une valeur voisine de 850 oC. La réduction des oxydes d’azote est quant à elle favorisée par une température de combustion relativement basse (faible production de « NOx thermique »), et par une combustion étagée (réduction de la production de « NOx combustible »).

Depuis cette période la technique du lit fluidisé circulant s’est considérablement développée. Aujourd’hui, elle est reconnue par les producteurs d’électricité comme l’une des filières de combustion propre du charbon les plus performantes et les plus fiables. Tous constructeurs confondus, elle représente une part importante du marché mondial des chaudières à charbon. Ses domaines d’application sont variés :

  • génération d’eau surchauffée pour réseau de chauffage ;

  • génération de vapeur BP/MP pour procédés ;

  • cogénération chaleur/électricité ;

  • génération pure d’électricité (centrales thermiques).

De nombreux constructeurs sont en mesure de proposer des chaudières à lit fluidisé circulant atmosphérique de grande capacité (voir [doc. B 8 925]).

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-b8925


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2. Principe de base

2.1 Centrales de première génération

Les installations à cycles à lit fluidisé sous pression sont des installations où le foyer à lit fluidisé joue le rôle de foyer externe de la turbine à gaz. La combustion du charbon est effectuée sous pression. L’air comburant n’est plus fourni par un ventilateur comme en mode atmosphérique, mais par le compresseur de la turbine à gaz. Cet air est ensuite introduit dans le foyer à lit fluidisé qui est également alimenté en combustible. La combustion s’effectue sous une pression de plusieurs bars. Pour résister à ce niveau de pression, le foyer à lit fluidisé est installé dans une enceinte pressurisée. Le gaz produit par la combustion est ensuite détendu dans la turbine de la turbine à gaz. L’énergie mécanique ainsi produite est partiellement utilisée pour entraîner le compresseur ; le surplus est converti en énergie électrique par l’alternateur situé en bout d’arbre (figure 5).

Le réglage de la température du gaz à l’admission de la turbine n’est plus assuré par mélange avec de l’air, comme dans le foyer adiabatique d’une turbine à combustion conventionnelle, mais par échange thermique dans le foyer à lit fluidisé. Cette température d’admission est donc imposée par les paramètres de fonctionnement du foyer à lit fluidisé. La vapeur générée par la chaudière à lit fluidisé alimente une turbine à vapeur à condensation et soutirages. La chaleur sensible des gaz détendus, s’échappant de la turbine à gaz, est récupérée dans une unité de récupération située en aval. Ce cycle comporte donc, comme dans tout cycle combiné, deux sources de génération d’électricité : le générateur de la turbine à gaz et le générateur de la turbine à vapeur.

HAUT DE PAGE

2.2 Centrales de deuxième génération

Une particularité du cycle décrit au paragraphe 2.1 est de présenter une limitation...

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