Introduction

Un apercu de la reglementation des boilers, avec une evaluation des types de combustibles et des comparaisons.

Ce bloc de la salle des boilers de la boucle vapeur et condensat se concentrera sur la conception et le contenu de la salle des boilers, et les applications qui s’y trouvent. Une salle des boilers bien concue, exploitee et entretenue est le coeur d’une installation vapeur efficace.

Cependant, un certain nombre d’obstacles peuvent empecher cet ideal. La salle des boilers et son contenu sont parfois consideres comme peu plus qu’un inconvenient necessaire et, meme dans l’environnement conscient de l’energie d’aujourd’hui, la mesure precise du debit de vapeur et l’allocation correcte des couts aux differents utilisateurs n’est pas universelle. Cela peut signifier que les ameliorations d’efficacite et les projets d’economie lies a la salle des boilers peuvent etre difficiles a justifier aupres de l’utilisateur final. Dans de nombreux cas, la salle des boilers et la disponibilite de vapeur sont de la responsabilite du directeur technique, par consequent les problemes d’efficacite sont considers comme les siens. Il est important de rappeler que le boiler a vapeur est un recipient sous pression contenant de l’eau bouillante et de la vapeur a plus de 100°C, et sa conception et son fonctionnement sont couverts par un certain nombre de normes et de reglementations complexes.

Pour les raisons enumerees ci-dessus, l’utilisateur doit confirmer la legislation nationale, locale et en vigueur.

L’objectif de ce module est de fournir au concepteur, a l’operateur et au technicien de maintenance de la salle des boilers un apercu des considerations necessaires au developpement du boiler et de son equipement associe. Les boilers a vapeur modernes sont disponibles dans toutes les tailles pour s’adapter aux grandes et petites applications. En general, lorsqu’un seul boiler ne suffit pas pour satisfaire la demande, il devient economiquement viable d’installer l’equipement de boiler dans un emplacement centralise, car les couts d’installation et d’exploitation peuvent etre significativement inferieurs a ceux d’une installation decentralisee. Par exemple, la centralisation offre les avantages suivants par rapport a l’utilisation de boilers disperses plus petits :

• Plus de choix de combustibles et de tarifs.
• Des boilers identiques sont frequemment utilises dans les salles de boilers centralisees, reduisant les pieces de rechange, les stocks et les couts.
• La recuperation de chaleur est facile a mettre en oeuvre pour de meilleurs rendements.
• Une reduction de la supervision manuelle libere la main-d’oeuvre pour d’autres taches sur le site.
• Dimensionnement economique de l’equipement de boiler pour s’adapteer a la demande diversifiee.
• Les emissions d’echappement sont plus facilement surveillees et controlees.
• Les protocoles de securite et d’efficacite sont plus facilement surveilles et controles.

Combustibles pour boilers

Les trois types de combustibles les plus couramment utilises dans les boilers a vapeur sont le charbon, le petrole et le gaz. Cependant, les dechets industriels ou commerciaux sont egalement utilises dans certains boilers, ainsi que l’electricite pour les boilers a electrodes. Charbon Le charbon est le terme generique donne a une famille de combustibles solides a haute teneur en carbone. Il existe plusieurs types de charbon au sein de cette famille, chacun correspondant aux etapes de formation du charbon et a la teneur en carbone. Ces etapes sont :

• Tourbe.
• Lignite ou charbons bruns.
• Bitumineux.
• Semi-bitumineux.
• Anthracite. Les types bitumineux et anthracite ont tendance a etre utilises comme combustible de boiler. Au Royaume-Uni, l’utilisation de charbon en morceaux pour alimenter les boilers a corps est en declin. Il y a un certain nombre de raisons a cela, notamment : Disponibilite et cout - De nombreuses veines de charbon etant epuisees, de plus petites quantites de charbon sont produites au Royaume-Uni qu’autrefois, et son declin doit etre attendu. Vitesse de reponse aux variations de charge - Avec le charbon en morceaux, il y a un delai substantiel entre :
• L’apparition de la demande de chaleur.
• L’alimentation en charbon dans le boiler.
• L’allumage du charbon.
• La generation de vapeur pour satisfaire la demande. Pour surmonter ce delai, les boilers concus pour le chauffage au charbon doivent contenir plus d’eau a la temperature de saturation pour constituer la reserve d’energie necessaire pour couvrir ce delai. Cela signifie a son tour que les boilers sont plus grands, et donc plus chers a l’achat, et occupent plus d’espace de fabrication de produits. Cendres - Des cendres sont produites lorsque le charbon est brule. Les cendres peuvent etre difficiles a retirer, necessitant generalement une intervention manuelle et une reduction de la quantite de vapeur disponible pendant que l’evacuation des cendres a lieu. Les cendres doivent ensuite etre eliminees, ce qui en soi peut etre couteux. Equipement d’alimentation - Un certain nombre de dispositions differentes existent, y compris les grilles avanceuses, les sprinklers et les grilles a chaines. Le theme commun est qu’ils ont tous besoin d’un entretien substantiel. Emissions - Le charbon contient en moyenne 1,5 % de soufre (S) en poids, mais ce niveau peut atteindre 3 % selon l’endroit ou le charbon a ete extrait. Pendant le processus de combustion :
• Le soufre se combinera avec l’oxygene (O2) de l’air pour former SO2 ou SO3.
• L’hydrogene (H) du combustible se combinera avec l’oxygene (O2) de l’air pour former de l’eau (H2O). Apres le processus de combustion, le SO3 se combinera avec l’eau (H2O) pour produire de l’acide sulfurique (H2SO4), qui peut se condenser dans la cheminee en causant de la corrosion si les temperatures correctes de la cheminee ne sont pas maintenues. Alternativement, il est entraine dans l’atmosphere avec les gaz de combustion. Cet acide sulfurique est ramene a la terre par la pluie, causant :
• Des dommages a la structure des batiments.
• Des degats aux plantes et a la vegetation. Les cendres produites par le charbon sont legeres et une proportion sera inevitablement entrainee avec les gaz d’echappement, dans la cheminee et expulsee comme matiere particulaire dans l’environnement. Le charbon, cependant, est toujours utilise pour alimenter bon nombre des tres grands boilers a tubes d’eau que l’on trouve dans les centrales electriques. En raison de l’echelle de ces operations, il devient economique de developper des solutions aux problemes mentionnes ci-dessus, et il peut y avoir egalement une pression gouvernementale pour utiliser des combustibles produits localement, pour la securite nationale de l’approvisionnement electrique.
• Le charbon utilise dans les centrales electriques est moulu en une poudre tres fine, generalement appelee ‘combustible pulverise’, et generalement abrege en ‘pf’.
• La petite taille des particules de pf signifie que son rapport surface/volume est considerablement augmente, rendant la combustion tres rapide et surmontant le probleme de taux de reponse rencontre lors de l’utilisation de charbon en morceaux.
• La petite taille des particules signifie egalement que le pf coule tres facilement, presque comme un liquide, et est introduit dans le foyer du boiler par des bruleurs, eliminant les grilles avanceuses utilisees avec le charbon en morceaux.
• Pour ameliorer davantage la flexibilite et le rapport de modulation du boiler, il peut y avoir plus de 30 bruleurs de pf autour des murs et du toit du boiler, chacun pouvant etre controle independamment pour augmenter ou diminuer la chaleur dans une zone particuliere du foyer. Par exemple, pour controler la temperature de la vapeur sortant du superheater. En ce qui concerne la qualite des gaz rejetes dans l’atmosphere :
• Les gaz du boiler seront diriges a travers un precipitateur electrostatique ou des plaques chargees electriquement attirent les cendres et autres particules, les eliminant du flux de gaz.
• Les matieres soufrees seront eliminees dans un laveur de gaz.
• L’emission finale dans l’environnement est de haute qualite. Environ 8 kg de vapeur peuvent etre produits a partir de la combustion de 1 kg de charbon. Petrole Le petrole pour combustible de boiler est fabrique a partir du residu produit du petrole brut apres qu’il a ete distille pour produire des huiles plus legeres comme l’essence, le petrole, le kerosene, le diesel ou le gas-oil. Diverses qualites sont disponibles, chacune etant adaptee a differentes puissances de boiler ; les qualites sont les suivantes :
• Classe D - Diesel ou gas-oil.
• Classe E - Fuel oil leger.
• Classe F - Fuel oil moyen.
• Classe G - Fuel oil lourd. Le petrole a commence a concurrencer le charbon comme combustible de boiler prefere au Royaume-Uni dans les annees 1950. Cela est arrive en partie grace au parrainage par le ministere du Combustible et de l’Energie de recherches sur l’amelioration de l’equipement de boiler. Les avantages du petrole par rapport au charbon comprennent :
• Un temps de reponse plus court entre la demande et la quantite de vapeur requise produite.
• Cela signifiait que moins d’energie devait etre stockee dans l’eau du boiler. Le boiler pouvait donc etre plus petit, rayonnant moins de chaleur vers l’environnement, avec une amelioration consequente de l’efficacite.
• La taille plus petite signifiait egalement que le boiler occupait moins d’espace de production.
• Les grilles mecaniques ont ete eliminees, reduisant la charge de maintenance.
• Le petrole ne contient que des traces de cendres, eliminant pratiquement le probleme de la manutention et de l’elimination des cendres.
• Les difficultes rencontrees avec la reception, le stockage et la manutention du charbon ont ete eliminees. Environ 15 kg de vapeur peuvent etre produits a partir de 1 kg de petrole, ou 14 kg de vapeur a partir de 1 litre de petrole. Gaz Le gaz est une forme de combustible de boiler facile a bruler, avec tres peu d’air en exces. Les combustibles gazeux sont disponibles sous deux formes differentes :
• Gaz naturel - C’est un gaz qui a ete produit (naturellement) sous terre. Il est utilise dans son etat naturel (sauf pour l’elimination des impuretes) et contient une forte proportion de methane.
• Gaz de petrole liquefies (GPL) - Ce sont des gaz produits du raffinage du petrole et ensuite stockes sous pression a l’etat liquide jusqu’a utilisation. Les formes les plus courantes de GPL sont le propane et le butane. A la fin des annees 1960, la disponibilite du gaz naturel (comme celui de la mer du Nord) a conduit a de nouveaux developpements dans les boilers. Les avantages du chauffage au gaz par rapport au chauffage au petrole comprennent :
• Le stockage du combustible n’est pas un probleme ; le gaz est achemine directement dans la salle des boilers.
• Seules des traces de soufre sont presentes dans le gaz naturel, ce qui signifie que la quantite d’acide sulfurique dans les gaz de combustion est pratiquement nulle. Environ 42 kg de vapeur peuvent etre produits a partir de 1 Therm de gaz (equivalent a 105,5 MJ) pour un boiler a 10 bar g, avec une efficacite operationnelle globale de 80 %. Dechets comme combustible primaire Il y a deux aspects a cela : Dechets - Ici, les dechets sont brules pour produire de la chaleur, qui est utilisee pour generer de la vapeur. Les motifs peuvent inclurer l’elimination sure et correcte de materiaux dangereux. Un hopital serait un bon exemple :
• Dans ces circonstances, il se peut que la combustion correcte et complete des dechets soit difficile, necessitant des bruleurs sophistiques, le controle des rapports d’air et la surveillance des emissions, en particulier des matieres en suspension. Le cout de cette elimination peut etre eleve, et seule une partie du cout est recuperee en utilisant la chaleur produite pour generer de la vapeur. Cependant, l’economie globale du schema, en tenant compte du cout d’elimination des dechets par d’autres moyens, peut etre attrayante.
• L’utilisation de dechets comme combustible peut impliquer l’utilisation economique des dechets combustibles d’un processus. Les exemples comprennent l’ecorce retiree du bois dans les usines de papier, les tiges (bagasse) dans les usines de canne a sucre et parfois meme la litiere d’un poulailler. Le processus de combustion sera a nouveau assez sophistique, mais l’economie globale du cout d’elimination des dechets et de la production de vapeur pour d’autres applications sur le site peut rendre ces schemas attrayants. Chaleur perdue - ici, les gaz chauds d’un processus, comme un four de fusion, peuvent etre diriges a travers un boiler dans le but d’ameliorer l’efficacite de l’installation. Les systemes de ce type varient dans leur degre de sophistication selon la demande de vapeur dans l’installation. S’il n’y a pas de demande de processus pour la vapeur, la vapeur peut etre surchauffee puis utilisee pour la production d’electricite. Ce type de technologie devient populaire dans les installations de cogeneration (CHP) :
• Une turbine a gaz entraine un alternateur pour produire de l’electricite.
• Les gaz d’echappement chauds (generalement 500 °C) de la turbine sont diriges vers un boiler, qui produit de la vapeur saturee pour utilisation dans l’installation. De tres hauts rendements sont disponibles avec ce type d’installation. D’autres avantages peuvent inclure soit la securite de l’approvisionnement electrique sur le site, soit la possibilite de vendre l’electricite a prime au fournisseur national d’electricite.

Securite d’approvisionnement

Quelles sont les consequences de ne pas avoir de vapeur disponible pour l’installation ? Le gaz, par exemple, peut etre disponible a des tarifs avantageux, a condition qu’un approvisionnement interruptible puisse etre accepte. Cela signifie que la compagnie gaziere fournira du combustible tant qu’elle aura un excedent. Cependant, si la demande de combustible approche les limites de l’offre, peut-etre en raison de variations saisonnieres, l’approvisionnement peut etre coupe, peut-etre a tres court preavis. En alternative, les utilisateurs de boilers peuvent choisir de specifier des bruleurs a double combustible qui peuvent etre alimentes au gaz lorsqu’il est disponible au tarif inferieur, mais avoir la possibilite de passer au chauffage au petrole lorsque le gaz n’est pas disponible. La fonctionnalite a double combustible est evidemment une option de capital plus chere, et la probabilite que le gaz ne soit pas disponible peut etre faible. Cependant, le cout de l’arret de l’installation du a l’indisponibilite de la vapeur est generalement significativement superieur au cout supplementaire.

Stockage du combustible

Ce n’est pas un probleme lors de l’utilisation d’une alimentation en gaz de reseau, sauf lorsqu’un systeme a double combustible est utilise. Cependant, cela devient progressivement un probleme si du gaz en bouteille, des huiles legeres, des huiles lourdes et des combustibles solides sont utilises. Les problemes comprennent :

• Combien stocker, et ou.
• Comment stocker en toute securite des materiaux hautement combustibles.
• Combien coute le maintien de la temperature des huiles lourdes pour qu’elles aient une viscosite adaptee a l’equipement.
• Comment mesurer avec precision le taux d’utilisation du combustible.
• Provision pour les pertes de stockage.

Conception du boiler

Le fabricant du boiler doit etre conscient du combustible a utiliser lors de la conception d’un boiler. C’est parce que differents combustibles produisent differentes temperatures de flamme et caracteristiques de combustion. Par exemple :

• Le petrole produit une flamme lumineuse, et une grande proportion de la chaleur est transferee par rayonnement a l’interieur du foyer.
• Le gaz produit une flamme bleue transparente, et une proportion inferieure de chaleur est transferee par rayonnement a l’interieur du foyer. Sur un boiler concu uniquement pour l’utilisation au petrole, un changement de combustible vers le gaz peut entrainer des gaz a temperature plus elevee entrant dans le premier passage de tubes de foyer, causant des contraintes thermiques supplementaires et conduisant a une defaillance precoce du boiler.

Types de boilers

Les objectifs d’un boiler sont :

• De liberer l’energie du combustible aussi efficacement que possible.
• De transferer l’energie liberee a l’eau, et de generer de la vapeur aussi efficacement que possible.
• De separer la vapeur de l’eau prete pour l’exportation vers l’installation, ou l’energie peut etre transferee au processus aussi efficacement que possible. Un certain nombre de types de boilers differents ont ete developpés pour s’adapter aux diverses applications de vapeur.