Chaudière à vapeur à lit fluidisé

Quel est le principe de fonctionnement des chaudières à lit fluidisé ?

Le principe de fonctionnement d’une chaudière à vapeur à lit fluidisé repose essentiellement sur une méthode de combustion avancée, permettant la combustion de particules de combustibles solides en suspension dans une chambre. Pour fournir l’oxygène nécessaire à la combustion, des jets d’air sont soufflés à travers un lit de matériaux particulaires comme le sable et le calcaire, créant un lit fluidisé bouillonnant. Ce processus favorise un mélange rapide et complet des gaz et des solides, une transmission rapide de la chaleur, et des réactions chimiques efficaces dans le lit. Les chaudières à lit fluidisé peuvent brûler une grande variété de combustibles solides de faible qualité comme le charbon, le bois et la biomasse avec une haute efficacité, sans nécessiter de préparation coûteuse du combustible comme la pulvérisation du charbon. De plus, les modèles de nouvelle génération de ces chaudières sont plus compacts que les fours conventionnels équivalents, offrant ainsi des avantages importants en termes de coût et de flexibilité. Elles réduisent également les émissions de soufre sous forme de SO₂. Le calcaire est utilisé pendant la combustion pour capter le soufre, ce qui permet une meilleure transmission de chaleur vers les dispositifs (généralement des tubes d’eau) utilisés pour récupérer l’énergie thermique. La chaleur dégagée entre directement en contact avec les tubes et est transmise par conduction, ce qui augmente le rendement global.

Avantages des chaudières à lit fluidisé

Le calcaire est utilisé pendant la combustion pour capter le soufre, ce qui permet un transfert de chaleur plus efficace vers les appareils utilisés pour récupérer l’énergie (généralement des tubes d’eau). Les résidus chauffés, en contact direct avec les tubes (chauffage par conduction), augmentent l’efficacité. Comme cela permet une combustion à plus basse température dans les centrales à charbon, les émissions de NO₂ sont réduites. Toutefois, la combustion à basse température peut également entraîner une augmentation des émissions d’hydrocarbures. Les unités commerciales de chaudières à lit fluidisé fonctionnent avec une grande efficacité, coûtent moins cher que les chaudières traditionnelles et présentent de faibles niveaux d’émissions de SO₂ et de NO₂. Cela en fait l’une des chaudières à vapeur les plus appréciées.

Inconvénients des chaudières à lit fluidisé

Cependant, il existe des inconvénients comme l’érosion des tubes à l’intérieur de la chaudière, une distribution inégale de la température due à l’obstruction des entrées d’air du lit, et des durées de démarrage pouvant atteindre jusqu’à 48 heures dans certains cas.

• Les systèmes à lit fluidisé fonctionnent à une température de combustion plus basse de 750 °C, tandis que les chaudières classiques fonctionnent à 850 °C.
• Le frittage (fusion des cendres) est réduit dans les chaudières à lit fluidisé.
• Moindre production de NO₂ due à la température réduite.
• Moindre production de SO₂ grâce à la rétention par le calcaire.
• Dix fois plus de transfert thermique que d’autres procédés de combustion, grâce aux particules en combustion, offrant un meilleur rendement.
• Moins d’espace requis grâce au coefficient élevé de transfert thermique par convection.
• Une combustion isotherme du lit peut survenir car la température reste constante dans les zones active et libre.

Quels sont les types de chaudières ?

Les chaudières à vapeur à lit fluidisé sont principalement classées en deux groupes : les systèmes atmosphériques et les systèmes pressurisés. Les systèmes pressurisés sont ensuite divisés en deux sous-groupes : les chaudières à lit fluidisé bouillonnant et les chaudières à lit fluidisé circulant.

Chaudière à lit fluidisé atmosphérique

Les chaudières à vapeur à lit fluidisé atmosphérique utilisent du calcaire ou de la dolomite pour capter le soufre libéré lors de la combustion du charbon. Les jets d’air suspendent le mélange de sorbant et de charbon en combustion, le transformant en particules incandescentes circulant comme un fluide. Ces chaudières fonctionnent à pression atmosphérique.

Chaudière à lit fluidisé pressurisé

La chaudière à lit fluidisé pressurisé utilise des sorbants et des jets d’air pour suspendre le mélange de sorbant et de charbon en combustion. Toutefois, ces systèmes fonctionnent à haute pression et génèrent un flux de gaz sous haute pression à des températures pouvant actionner une turbine à gaz. La vapeur produite à partir de la chaleur du lit fluidisé est envoyée à une turbine à vapeur, créant un système à cycle combiné très efficace.

Chaudière à lit fluidisé pressurisé avancée

Le système avancé de chaudière à lit fluidisé pressurisé de nouvelle génération augmente la température d’allumage de la turbine à gaz en utilisant du gaz naturel en plus de l’air appauvri provenant du foyer à lit fluidisé. Ce système utilise du gaz naturel, qui est généralement plus coûteux que le charbon. Dans les systèmes avancés de deuxième génération, un carboniseur pressurisé est inclus pour convertir le charbon en gaz combustible et en coke. La chaudière à lit fluidisé pressurisé brûle le charbon pour produire de la vapeur pour la turbine à vapeur et pour chauffer l’air de combustion. Le gaz combustible issu du carboniseur est brûlé dans un brûleur de surchauffe connecté à la turbine à gaz et chauffe les gaz jusqu’à la température nominale d’allumage. La chaleur des gaz d’échappement de la turbine à gaz est récupérée pour produire de la vapeur utilisée dans une turbine à vapeur conventionnelle, ce qui améliore le rendement du système à cycle combiné. Ces systèmes sont également appelés chaudières à lit fluidisé pressurisé circulant avancé. Un système à lit fluidisé pressurisé circulant fonctionne entièrement au charbon. La gazéification comprend un gazéifieur partiel à lit fluidisé circulant pressurisé qui alimente en gaz de synthèse le brûleur de surchauffe de la turbine à gaz. Les gaz d’échappement de la turbine à gaz fournissent l’air de combustion pour un foyer à lit fluidisé circulant atmosphérique qui brûle le charbon issu du gazéifieur partiel.