Introduction à la récupération du condensat

Introduction aux raisons de la récupération et du retour du condensat, incluant les coûts énergétiques, les frais d’eau, les restrictions sur les eaux usées et les coûts de traitement de l’eau. Inclut des exemples de calculs pour les économies potentielles.

Introduction à la récupération du condensat

La vapeur est généralement produite pour l’une des deux raisons suivantes :

• Pour produire de l’électricité, par exemple dans les centrales électriques ou les centrales de cogénération.
• Pour fournir de la chaleur pour le chauffage et les systèmes de processus. Lorsqu’un kilogramme de vapeur se condense complètement, un kilogramme de condensat est formé à la même pression et température (Figure 14.1.1). Un système de vapeur efficace réutilisera ce condensat. Ne pas récupérer et réutiliser le condensat n’a aucun sens financier, technique ou environnemental.

La vapeur saturée utilisée pour le chauffage cède sa chaleur latente (enthalpie d’évaporation), qui représente une grande proportion de la chaleur totale qu’elle contient. Le reste de la chaleur dans la vapeur est retenu dans le condensat sous forme de chaleur sensible (enthalpie de l’eau) (Figure 14.1.2).

En plus de son contenu thermique, le condensat est essentiellement de l’eau distillée, ce qui est idéal pour une utilisation comme eau d’alimentation de chaudière. Un système de vapeur efficace collectera ce condensat et le renverra soit vers un déaérateur, soit vers un réservoir d’eau d’alimentation de chaudière, ou l’utilisera dans un autre processus. Ce n’est qu’en cas de risque réel de contamination que le condensat ne doit pas être renvoyé à la chaudière. Même alors, il peut être possible de collecter le condensat et de l’utiliser comme eau de processus chaude ou de le faire passer à travers un échangeur de chaleur où son contenu thermique peut être récupéré avant de rejeter la masse d’eau à l’égout.

Le condensat est déchargé des équipements et installations de vapeur à travers les steam traps d’une pression plus élevée vers une pression plus basse. À la suite de cette chute de pression, une partie du condensat se ré-évaporera en « flash steam ». La proportion de vapeur qui se « détendra » de cette manière est déterminée par la quantité de chaleur qui peut être contenue dans la vapeur et le condensat. Une quantité de flash steam de 10% à 15% en masse est typique (voir Module 2.2). Cependant, le pourcentage de changement volumétrique peut être considérablement plus important. Le condensat à 7 bar g perdra environ 13% de sa masse lors de la détente à la pression atmosphérique, mais la vapeur produite nécessitera un espace environ 200 fois plus grand que le condensat dont elle a été formée. Cela peut avoir pour effet d’étrangler les conduites de décharge de traps sous-dimensionnées, et doit être pris en compte lors du dimensionnement de ces conduites. Exemple 14.1.1 Calcul de la quantité de flash steam à partir du condensat Le condensat chaud à 7 bar g a un contenu thermique d’environ 721 kJ/kg. Lorsqu’il est libéré à la pression atmosphérique (0 bar g), chaque kilogramme d’eau ne peut retenir qu’environ 419 kJ de chaleur. L’énergie excédentaire dans chaque kilogramme de condensat est donc de 721 - 419 = 302 kJ. Cette énergie excédentaire est disponible pour évaporer une partie du condensat en vapeur, la quantité évaporée étant déterminée par la proportion de chaleur excédentaire par rapport à la quantité de chaleur nécessaire pour évaporer l’eau à la pression inférieure, qui dans cet exemple est l’enthalpie d’évaporation à la pression atmosphérique, 2258 kJ/kg.

Le sujet du flash steam est examiné plus en profondeur dans le Module 2.2, « Qu’est-ce que la vapeur ? ». Un graphique simple (Figure 14.1.3) est utilisé dans ce module pour calculer la proportion de flash steam. Exemple : Proportion de flash steam en utilisant la Figure 14.1.3 : Pression sur le trap = 4 bar g Pression du flash steam = 0 bar g % Flash steam = 10% La quantité de flash steam dans la conduite est le facteur le plus important lors du dimensionnement des conduites de décharge des traps.

La vapeur produite dans une chaudière par le processus d’ajout de chaleur à l’eau est souvent appelée vapeur vive (live steam). Les termes vapeur vive et flash steam ne sont utilisés que pour différencier leur origine. Que la vapeur soit produite dans une chaudière ou par le processus naturel de détente, elle a exactement le même potentiel de cession de chaleur, et chacune est utilisée avec succès à cette fin. Le flash steam généré à partir du condensat peut contenir jusqu’à la moitié de l’énergie totale du condensat. Un système de vapeur efficace récupérera et utilisera le flash steam. Le condensat et le flash steam rejetés signifient plus d’eau de complément, plus de combustible, et des coûts de fonctionnement accrus.

Ce module examinera deux domaines essentiels : la gestion du condensat et la récupération du flash steam. Certains domaines de problèmes apparents seront décrits et des solutions pratiques proposées. Note : Le terme « trap » est utilisé pour désigner un dispositif de purge de vapeur, qui peut être un steam trap, un piège-pompe, ou une combinaison pompe et trap. La capacité de tout trap à laisser passer le condensat repose sur la différence de pression à ses bornes, tandis qu’un piège-pompe ou une combinaison pompe-trap pourra laisser passer le condensat indépendamment des différences de pression opérationnelles (sous réserve des pressions nominales de conception).

Retour du condensat

Un système efficace de récupération du condensat, collectant le condensat chaud depuis les équipements utilisant la vapeur et le renvoyant vers le système d’alimentation de la chaudière, peut s’amortir en une période remarquablement courte. La Figure 14.1.4 montre un circuit simple de vapeur et de condensat, avec le condensat retournant au réservoir d’eau d’alimentation de la chaudière.

Pourquoi renvoyer le condensat et le réutiliser ?

Raisons financières Le condensat est une ressource précieuse et même la récupération de petites quantités est souvent économiquement justifiable. La décharge d’un seul steam trap vaut souvent la peine d’être récupérée. Le condensat non récupéré doit être remplacé dans la chaufferie par de l’eau froide de complément avec des coûts supplémentaires de traitement de l’eau et de combustible pour chauffer l’eau à partir d’une température plus basse. Frais d’eau Tout condensat non renvoyé doit être remplacé par de l’eau de complément, entraînant des frais d’eau supplémentaires de la part du fournisseur d’eau local. Restrictions sur les eaux usées Au Royaume-Uni par exemple, l’eau au-dessus de 43°C ne peut pas être renvoyée à l’égout public par la loi, car elle est préjudiciable à l’environnement et peut endommager les tuyaux en grès. Le condensat au-dessus de cette température doit être refroidi avant d’être déchargé, ce qui peut entraîner des coûts énergétiques supplémentaires. Des restrictions similaires s’appliquent dans la plupart des pays, et des frais d’eaux usées et des amendes peuvent être imposés par les fournisseurs d’eau en cas de non-conformité. Maximiser la production de la chaudière L’eau d’alimentation de chaudière plus froide réduira le taux de production de vapeur de la chaudière. Plus la température de l’eau d’alimentation est basse, plus la chaleur, et donc le combustible nécessaire pour chauffer l’eau, laisse moins de chaleur pour produire de la vapeur. Qualité de l’eau d’alimentation de chaudière Le condensat est de l’eau distillée, qui ne contient presque aucune matière dissoute totale (TDS). Les chaudières doivent être purgées pour réduire leur concentration de matières dissoutes dans l’eau de chaudière. Renvoyer plus de condensat au réservoir d’alimentation réduit le besoin de purge et réduit ainsi l’énergie perdue par la chaudière. Pourquoi renvoyer le condensat et le réutiliser ?

• Résumé des raisons de la récupération du condensat :
• Les frais d’eau sont réduits.
• Les frais d’eaux usées et les éventuels coûts de refroidissement sont réduits.
• Les coûts de combustible sont réduits.
• Plus de vapeur peut être produite par la chaudière.
• La purge de chaudière est réduite - moins d’énergie est perdue par la chaudière.
• Le traitement chimique de l’eau brute de complément est réduit. La Figure 14.1.5 compare la quantité d’énergie dans un kilogramme de vapeur et de condensat à la même pression. Le pourcentage d’énergie dans le condensat par rapport à celui dans la vapeur peut varier de 18% à 1 bar g à 30% à 14 bar g ; il est clair que le condensat liquide vaut la peine d’être récupéré.

L’exemple suivant (Exemple 14.1.2) démontre la valeur financière du renvoi du condensat. Exemple 14.1.2 Une chaudière produit : 10000 kg/h de vapeur 24 heures/jour, 7 jours/semaine et 50 semaines/an (8400 heures/an). L’eau brute de complément est à 10°C. Actuellement, tout le condensat est rejeté à 90°C. Le coût de l’eau brute est de 0,61 £/m3, et les frais d’eaux usées sont de 0,45 £/m3. La chaudière a un rendement de 85%, et utilise du gaz sur un tarif interruptible facturé à 0,01 £/kWh (2,77 £/GJ). La vapeur produite dans une chaudière par le processus d’ajout de chaleur à l’eau est souvent appelée vapeur vive. Les termes vapeur vive et flash steam ne sont utilisés que pour différencier leur origine. Que la vapeur soit produite dans une chaudière ou par le processus naturel de détente, elle a exactement le même potentiel de cession de chaleur, et chacune est utilisée avec succès à cette fin. Le flash steam généré à partir du condensat peut contenir jusqu’à la moitié de l’énergie totale du condensat. Un système de vapeur efficace récupérera et utilisera le flash steam. Le condensat et le flash steam rejetés signifient plus d’eau de complément, plus de combustible, et des coûts de fonctionnement accrus. Ce module examinera deux domaines essentiels : la gestion du condensat et la récupération du flash steam. Certains domaines de problèmes apparents seront décrits et des solutions pratiques proposées. Note : Le terme « trap » est utilisé pour désigner un dispositif de purge de vapeur, qui peut être un steam trap, un piège-pompe, ou une combinaison pompe et trap. La capacité de tout trap à laisser passer le condensat repose sur la différence de pression à ses bornes, tandis qu’un piège-pompe ou une combinaison pompe-trap pourra laisser passer le condensat indépendamment des différences de pression opérationnelles (sous réserve des pressions nominales de conception). Retour du condensat Un système efficace de récupération du condensat, collectant le condensat chaud depuis les équipements utilisant la vapeur et le renvoyant vers le système d’alimentation de la chaudière, peut s’amortir en une période remarquablement courte. La Figure 14.1.4 montre un circuit simple de vapeur et de condensat, avec le condensat retournant au réservoir d’eau d’alimentation de la chaudière.

Déterminer la valeur annuelle du renvoi du condensat

Partie 1 - Déterminer le coût du combustible Chaque kilogramme de condensat non renvoyé au réservoir d’eau d’alimentation de la chaudière doit être remplacé par 1 kg d’eau froide de complément (10°C) qui doit être chauffée à la température du condensat de 90°C. (ΔT = 80°C). Calculer la chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 kg d’eau froide de complément de 80°C, en utilisant l’Équation 2.1.4.

m est l’unité ; ΔT est la différence entre l’eau froide de complément et la température du condensat renvoyé ; cp est la chaleur spécifique de l’eau à 4,19 kJ/kg °C. 1 kg x 4,19 kJ/kg °C x 80°C = 335 kJ/kg En basant les calculs sur un taux d’évaporation moyen de 10000 kg/h, pour une installation en fonctionnement 8 400 h/an, l’énergie nécessaire pour remplacer la chaleur dans l’eau de complément est : 10 000 kg/h x 335 kJ/kg x 8 400 h/an = 28 140 GJ/an Si le rendement moyen de la chaudière est de 85%, l’énergie fournie pour chauffer l’eau de complément est :

Avec un coût du combustible de 2,77 £/GJ, la valeur de l’énergie dans le condensat est :

Coût annuel du combustible = 33 106 GJ/an x 2,77 £/GJ = 91 704 £ Partie 2 - Déterminer le coût de l’eau L’eau est vendue par volume, et la densité de l’eau à la température ambiante normale est d’environ 1000 kg/m3. La quantité totale d’eau nécessaire en un an pour remplacer le condensat non renvoyé est donc :

Si le coût de l’eau est de 0,61 £ par m³, le coût annuel de l’eau est :

Coût annuel de l’eau = 84000 m3/an x 0,61 £/m3 = 51 240 £ Partie 3 - Déterminer le coût des eaux usées Le condensat qui n’a pas été récupéré aurait dû être rejeté, et peut également être facturé par l’autorité des eaux. La quantité totale d’eau rejetée en un an est également de 84000 m³. Si le coût des eaux usées est de 0,45 £ par m³, le coût annuel des eaux usées est : Coût annuel des eaux usées = 84000 m3/an x 0,45 £/m3 = 37 800 £ Partie 4 - Valeur totale du condensat La valeur annuelle totale de 10 000 kg/h de condensat perdu est montrée dans le Tableau 14.1.1 :

Tableau 14.1.1 La valeur potentielle du renvoi du condensat dans l’Exemple 14.1.2

Sur cette base, il s’ensuit que pour chaque 1% de condensat renvoyé par 10 000 kg/h évaporés comme dans l’Exemple 14.1.2, une économie de 1% de chacune des valeurs montrées dans le Tableau 14.1.1 serait possible. Exemple 14.1.3 Si l’on décidait d’investir 50 000 £ dans un projet pour renvoyer 80% du condensat dans une installation similaire à l’Exemple 14.1.2, mais où le taux d’évaporation total n’est que de 5 000 kg/h, les économies et le délai de remboursement simple seraient :

Cet exemple de calcul n’inclut pas de valeur pour les économies dues au contrôle correct du TDS et à la réduction de la purge, qui réduiront davantage les pertes d’eau et les coûts chimiques de la chaudière. Ceux-ci peuvent varier considérablement d’un endroit à l’autre, mais doivent toujours être considérés dans l’analyse finale. Il est clair que lors de l’évaluation de la gestion du condensat pour un projet spécifique, de telles économies doivent être déterminées et incluses.

Le contrôle du TDS et le traitement de l’eau ont déjà été discutés dans le Bloc 3. Les routines décrites dans les Exemples 14.1.2 et 14.1.3 peuvent être développées pour former la base d’un calcul à parcours obligatoire pour attribuer une valeur monétaire aux projets visant à améliorer la récupération du condensat. L’Équation 14.1.1 peut être utilisée pour calculer les économies de combustible par an :

Les économies sur les coûts de l’eau peuvent être déterminées en utilisant l’Équation 14.1.2 :

Les économies sur les coûts des eaux usées peuvent être déterminées en utilisant l’Équation 14.1.3 :

Exemple 14.1.4 Un projet majeur de gestion du condensat coûtant 70 000 £ s’attend à récupérer 35% supplémentaires du condensat produit dans une installation. Le taux de production de vapeur moyen de la chaudière est de 15000 kg/h, et l’installation fonctionne pendant 8000 h/an. Le combustible utilisé est du gaz sur un tarif ferme de 0,011 £/kWh, et le rendement de la chaudière est estimé à 80%. La température de l’eau de complément est de 10°C et les conduites de retour du condensat isolées garantissent que le condensat reviendra à la chaufferie à 95°C. Considérons que le coût de l’eau est de 0,70 £/m3 et que le coût total des eaux usées est de 0,45 £/m3. Déterminer la période de remboursement du projet. Partie 1 - Déterminer les économies de combustible Utiliser l’Équation 14.1.1 :

Partie 2 - Déterminer les économies d’eau et d’eaux usées

Utiliser l’Équation 14.1.2 pour calculer les économies sur les coûts de l’eau/an :

Partie 3 - Déterminer la période de remboursement