Rendement de chaudière et combustion

Un aperçu large du processus de combustion, y compris les types et commandes de brûleurs, ainsi que la production et les pertes de chaleur.

Ce module est destiné à donner un aperçu très large du processus de combustion, qui est un composant essentiel du rendement global de la chaudière. Les lecteurs souhaitant des connaissances plus approfondies sont orientés vers des ouvrages spécialisés et les fabricants de brûleurs. Le rendement de la chaudière rapporte simplement l’énergie produite à l’énergie fournie, généralement en pourcentage : La ‘chaleur exportée dans la vapeur’ et la ‘chaleur fournie par le combustible’ sont traitées plus en détail dans les deux sections suivantes.

Chaleur fournie par le combustible

Pouvoir calorifique Cette valeur peut être exprimée de deux manières : pouvoir calorifique ‘brut’ ou ‘net’. Pouvoir calorifique brut C’est le total théorique de l’énergie dans le combustible. Cependant, tous les combustibles courants contiennent de l’hydrogène, qui brûle avec l’oxygène pour former de l’eau, qui monte dans la cheminée sous forme de vapeur. Le pouvoir calorifique brut du combustible inclut l’énergie utilisée pour évaporer cette eau. Les fumées des installations de chaudières à vapeur ne sont pas condensées, par conséquent la quantité réelle de chaleur disponible pour l’installation de chaudière est réduite. Un contrôle précis de la quantité d’air est essentiel au rendement de la chaudière :

Trop d’air refroidira le four et emportera la chaleur utile.
Pas assez d’air et la combustion sera incomplète, le combustible non brûlé sera entraîné et de la fumée peut être produite. Pouvoir calorifique net C’est le pouvoir calorifique du combustible, excluant l’énergie dans la vapeur évacuée vers la cheminée, et c’est le chiffre généralement utilisé pour calculer les rendements de chaudière. En termes généraux : Un contrôle précis de la quantité d’air est essentiel au rendement de la chaudière :
Trop d’air refroidira le four et emportera la chaleur utile.
Pas assez d’air et la combustion sera incomplète, le combustible non brûlé sera entraîné et de la fumée peut être produite. En pratique, cependant, il existe un certain nombre de difficultés pour atteindre une combustion parfaite (stoechiométrique) :
Les conditions autour du brûleur ne seront pas parfaites, et il est impossible d’assurer l’ajustement complet des molécules de carbone, d’hydrogène et d’oxygène.
Certaines molécules d’oxygène se combineront avec des molécules d’azote pour former des oxydes d’azote (NOx). Pour assurer une combustion complète, une quantité d’ ‘air en excès’ doit être fournie. Cela a un effet sur le rendement de la chaudière. Le contrôle du rapport mélange air/combustible sur de nombreuses installations de chaudières plus petites existantes est en ‘boucle ouverte’. C’est-à-dire que le brûleur aura une série de cames et de leviers qui ont été calibrés pour fournir des quantités spécifiques d’air pour un taux de tirage particulier. Évidemment, étant des éléments mécaniques, ceux-ci s’useront et nécessiteront parfois un calibrage. Ils doivent donc être régulièrement entretenus et calibrés. Sur les installations plus grandes, des systèmes en ‘boucle fermée’ peuvent être installés qui utilisent des capteurs d’oxygène dans la cheminée pour commander les registres d’air de combustion. Les fuites d’air dans la chambre de combustion de la chaudière auront un effet négatif sur le contrôle précis de la combustion.

Législation

Actuellement, il existe un engagement mondial en faveur d’un programme sur le changement climatique, et 160 pays ont signé l’accord de Kyoto de 1997. Ces pays ont convenu de prendre des actions positives et individuelles pour :

Réduire l’émission de gaz nocifs dans l’atmosphère - Bien que le dioxyde de carbone (CO2) soit le moins puissant des gaz couverts par l’accord, c’est de loin le plus courant et représente environ 80% du total des émissions de gaz à réduire.
Réaliser des réductions annuelles quantifiables du combustible utilisé - Cela peut prendre la forme de l’utilisation de sources d’énergie alternatives non polluantes ou de l’utilisation plus efficace des mêmes combustibles. Au Royaume-Uni, l’engagement est appelé La stratégie nationale de qualité de l'air du Royaume-Uni, et cela a un effet via un certain nombre de lois et de réglementations. D’autres pays auront des stratégies similaires.

Technologie

La pression de la législation concernant la pollution, et des utilisateurs de chaudières concernant l’économie, plus la puissance du microprocesseur ont considérablement fait progresser la conception des chambres de combustion et des brûleurs. Les chaudières modernes avec les derniers brûleurs peuvent avoir :

Des fumées recyclées pour assurer une combustion optimale, avec un minimum d’air en excès.
Des systèmes de commande électronique sophistiqués qui surveillent tous les composants des fumées et effectuent des ajustements des débits de combustible et d’air pour maintenir les conditions dans des paramètres spécifiés.
Des taux de modulation considérablement améliorés (le rapport entre les taux de tirage maximum et minimum) qui permettent de satisfaire les paramètres d’efficacité et d’émissions sur une plus grande plage de fonctionnement.

Pertes de chaleur

Après avoir discuté de la combustion dans le four de la chaudière, et en particulier de l’importance des rapports d’air corrects en ce qui concerne la combustion complète et efficace, il reste à examiner d’autres sources potentielles de perte de chaleur et d’inefficacité. Pertes de chaleur dans les fumées C’est probablement la plus grande source unique de perte de chaleur, et l’ingénieur de maintenance peut réduire une grande partie de cette perte. Les pertes sont attribuables à la température des gaz quittant le four. Plus les gaz dans la cheminée sont chauds, moins la chaudière est efficace. Les gaz peuvent être trop chauds pour l’une des deux raisons suivantes :

Le brûleur produit plus de chaleur que nécessaire pour une charge spécifique de la chaudière : Cela signifie que les mécanismes du ou des brûleurs et des registres nécessitent une maintenance et un recalibrage.
Les surfaces de transfert de chaleur dans la chaudière ne fonctionnent pas correctement, et la chaleur n’est pas transférée à l’eau : Cela signifie que les surfaces de transfert de chaleur sont contaminées et nécessitent un nettoyage. Une certaine prudence est nécessaire ici - Trop de refroidissement des fumées peut entraîner des chutes de température en dessous du ‘point de rosée’ et le potentiel de corrosion est augmenté par la formation de : Acide nitrique (de l’azote dans l’air utilisé pour la combustion). Acide sulfurique (si le combustible a une teneur en soufre). Eau. Pertes par rayonnement Parce que la chaudière est plus chaude que son environnement, une partie de la chaleur sera transférée aux alentours. Un isolant endommagé ou mal installé augmentera considérablement les pertes de chaleur potentielles. Une chaudière à enveloppe ou à tubes d’eau raisonnablement bien isolée de 5 MW ou plus perdra entre 0,3 et 0,5% de son énergie vers les alentours. Cela peut ne pas sembler une grande quantité, mais il faut se rappeler que cela représente 0,3 à 0,5% de la pleine charge nominale de la chaudière, et cette perte restera constante, même si la chaudière n’exporte pas de vapeur à l’installation et est simplement en veille. Cela indique que pour fonctionner plus efficacement, une installation de chaudière devrait être exploitée vers sa capacité maximale. Cela, à son tour, peut nécessiter une coopération étroite entre le personnel de la salle de chaudière et les départements de production.

Modulation du brûleur

Une fonction importante des brûleurs est la modulation. Celle-ci est généralement exprimée sous forme de rapport et est basée sur le taux de tirage maximum divisé par le taux de tirage minimum contrôlable. Le taux de modulation n’est pas simplement une question de forcer des quantités différentes de combustible dans une chaudière, il est de plus en plus important d’un point de vue économique et législatif que le brûleur fournisse une combustion efficace et correcte, et satisfasse des réglementations d’émissions de plus en plus strictes sur toute sa plage de fonctionnement. Comme cela a déjà été mentionné, le charbon en tant que combustible de chaudière tend à être limité à des applications spécialisées telles que les chaudières à tubes d’eau dans les centrales électriques.

Brûleurs à fioul

La capacité de brûler du fioul efficacement nécessite un rapport surface/volume du combustible élevé. L’expérience a montré que les particules d’huile dans la gamme 20 à 40 μm sont les plus efficaces. Les particules :

Plus grandes que 40 μm tendent à être entraînées à travers la flamme sans terminer le processus de combustion.
Plus petites que 20 μm peuvent voyager si vite qu’elles sont entraînées à travers la flamme sans brûler du tout. Un aspect très important de la combustion du fioul est la viscosité. La viscosité de l’huile varie avec la température : plus l’huile est chaude, plus elle coule facilement. En effet, la plupart des gens savent que les fiouls lourds doivent être chauffés pour s’écouler librement. Ce qui est moins évident, c’est qu’une variation de température, et donc de viscosité, aura un effet sur la taille des particules d’huile produites à la buse du brûleur. Pour cette raison, la température doit être contrôlée avec précision pour donner des conditions constantes à la buse. Brûleurs à jet de pression Un brûleur à jet de pression est simplement un orifice à l’extrémité d’un tube sous pression. Typiquement, la pression du fioul est dans la plage de 7 à 15 bar. Dans la plage de fonctionnement, la chute de pression substantielle créée sur l’orifice lorsque le combustible est déchargé dans le four entraîne l’atomisation du combustible. Mettre un pouce sur l’extrémité d’un tuyau de jardin crée le même effet. La variation de la pression du fioul juste avant l’orifice (buse) contrôle le débit de combustible du brûleur. Si le débit de combustible est réduit à 50%, l’énergie pour l’atomisation est réduite à 25%. Cela signifie que la modulation disponible est limitée à environ 2:1 pour une buse particulière. Pour surmonter cette limitation, les brûleurs à jet de pression sont fournis avec une gamme de buses interchangeables pour s’adapter aux différentes charges de chaudière. Avantages des brûleurs à jet de pression :
Coût relativement faible.
Simples à entretenir. Inconvénients des brûleurs à jet de pression :
Si les caractéristiques de fonctionnement de l’installation varient considérablement au cours d’une journée, la chaudière devra être mise hors ligne pour changer la buse.
Facilement bloqués par les débris. Cela signifie que des filtres à mailles fines bien entretenus sont essentiels.

Brûleur à coupelle rotative

Le fioul est fourni le long d’un tube central et se décharge sur la surface intérieure d’un cône en rotation rapide. À mesure que le fioul se déplace le long de la coupelle (en raison de l’absence de force centripète), le film d’huile devient progressivement plus mince à mesure que la circonférence du capuchon augmente. Finalement, le fioul est déchargé du bord du cône sous forme de fine pulvérisation. Parce que l’atomisation est produite par la coupelle rotative, plutôt que par une quelconque fonction du fioul (par exemple la pression), le taux de modulation est bien supérieur à celui du brûleur à jet de pression. Avantages des brûleurs à coupelle rotative :

Robustes.
Bon taux de modulation.
La viscosité du combustible est moins critique. Inconvénients des brûleurs à coupelle rotative :
Plus coûteux à acheter et à entretenir.

Brûleurs à gaz

Actuellement, le gaz est probablement le combustible le plus couramment utilisé au Royaume-Uni. Étant un gaz, l’atomisation n’est pas un problème, et un mélange approprié du gaz avec la quantité appropriée d’air est tout ce qui est nécessaire pour la combustion. Deux types de brûleurs à gaz sont en usage : ‘basse pression’ et ‘haute pression’. Brûleur basse pression Ceux-ci fonctionnent à basse pression, généralement entre 2,5 et 10 mbar. Le brûleur est un simple dispositif Venturi avec le gaz introduit dans la zone du goulot, et l’air de combustion aspiré depuis l’extérieur. La production est limitée à environ 1 MW. Brûleur haute pression Ceux-ci fonctionnent à des pressions plus élevées, généralement entre 12 et 175 mbar, et peuvent inclure un certain nombre de buses pour produire une forme de flamme particulière.

Brûleurs mixtes

Le tarif gaz attractif ‘interruptible’ signifie que c’est le choix de la grande majorité des organisations au Royaume-Uni. Cependant, beaucoup de ces organisations ont besoin de continuer à fonctionner si l’alimentation en gaz est interrompue. La disposition habituelle est d’avoir une alimentation en fioul disponible sur le site, et de l’utiliser pour alimenter la chaudière lorsque le gaz n’est pas disponible. Cela a conduit au développement de brûleurs ‘mixtes’. Ces brûleurs sont conçus avec le gaz comme combustible principal, mais ont une installation supplémentaire pour brûler du fioul. Le préavis donné par la compagnie gazière que l’alimentation va être interrompue peut être court, donc le passage à la combustion au fioul se fait aussi rapidement que possible, la procédure habituelle étant :

Isoler la conduite d’alimentation en gaz.
Ouvrir la conduite d’alimentation en huile et mettre en marche la pompe à combustible.
Sur le panneau de commande du brûleur, sélectionner ‘combustion fioul’. (Cela changera les réglages d’air pour le combustible différent).
Purger et rallumer la chaudière. Cette opération peut être réalisée en un temps assez court. Dans certaines organisations, le changement peut être effectué dans le cadre d’un exercice périodique pour s’assurer que les opérateurs sont familiarisés avec la procédure, et que tout l’équipement nécessaire est disponible. Cependant, parce que le fioul est seulement en ‘veille’, et probablement utilisé seulement pour de courtes périodes, l’installation de combustion au fioul peut être basique. Sur les installations plus sophistiquées, avec des installations de chaudière à haut rendement, le ou les brûleurs à gaz peuvent être retirés et des brûleurs à fioul substitués.

Systèmes de commande des brûleurs

Le lecteur doit savoir que le système de commande du brûleur ne peut pas être vu de manière isolée. Le brûleur, le système de commande du brûleur et le système de régulation de niveau doivent être compatibles et fonctionner de manière complémentaire pour satisfaire les demandes de vapeur de l’installation de manière efficace. Les paragraphes suivants décrivent brièvement les systèmes de commande de brûleur de base. Système de commande tout ou rien C’est le système de commande le plus simple, et cela signifie que le brûleur fonctionne à pleine puissance ou est éteint. Le principal inconvénient de ce type de commande est que la chaudière est soumise à des chocs thermiques importants et souvent fréquents chaque fois que la chaudière s’allume. Son utilisation doit donc être limitée aux petites chaudières jusqu’à 500 kg/h. Avantages d’un système de commande tout ou rien :

Simple.
Le moins coûteux. Inconvénients d’un système de commande tout ou rien :
Si une grande charge arrive sur la chaudière juste après l’arrêt du brûleur, la quantité de vapeur disponible est réduite. Dans les pires cas, cela peut entraîner l’entraînement d’eau et le verrouillage de la chaudière.
Cyclage thermique. Système de commande haut/bas/arrêt C’est un système légèrement plus complexe où le brûleur a deux taux de tirage. Le brûleur fonctionne d’abord au taux de tirage inférieur puis passe au tirage maximum au besoin, surmontant ainsi le pire du choc thermique. Le brûleur peut également revenir en position feu bas à charges réduites, limitant à nouveau les contraintes thermiques dans la chaudière. Ce type de système est généralement installé sur des chaudières d’une production allant jusqu’à 5 000 kg/h. Avantages d’une commande haut/bas/arrêt :
La chaudière est mieux à même de répondre aux grandes charges car la position ‘feu bas’ assurera qu’il y a plus d’énergie stockée dans la chaudière.
Si la grande charge est appliquée lorsque le brûleur est en ‘feu bas’, il peut répondre immédiatement en augmentant le taux de tirage vers ‘feu haut’, par exemple le cycle de purge peut être omis. Inconvénients d’un système de commande haut/bas/arrêt :
Plus complexe que la commande tout ou rien.
Plus coûteux que la commande tout ou rien. Système de commande modulante Une commande de brûleur modulante modifiera le taux de tirage pour correspondre à la charge de la chaudière sur tout le taux de modulation. Chaque fois que le brûleur s’arrête et redémarre, le système doit être purgé en soufflant de l’air froid à travers les passages de la chaudière. Cela gaspille de l’énergie et réduit l’efficacité. La modulation complète signifie cependant que la chaudière continue de fonctionner sur toute la plage pour maximiser l’efficacité thermique et minimiser les contraintes thermiques. Ce type de commande peut être installé sur des chaudières de toute taille, mais doit toujours être installé sur les chaudières de plus de 10 000 kg/h. Avantages d’un système de commande modulante : La chaudière est encore plus capable de tolérer des charges grandes et fluctuantes. C’est parce que :
La pression de la chaudière est maintenue au sommet de sa bande de commande, et le niveau d’énergie stockée est à son maximum.
Si plus d’énergie est nécessaire à court terme, le système de commande peut répondre immédiatement en augmentant le taux de tirage, sans pause pour un cycle de purge. Inconvénients d’un système de commande modulante :
Le plus coûteux.
Le plus complexe.
Des brûleurs avec une capacité de modulation élevée sont nécessaires.