chaudières spécial classe 3

• Chapitre 2 traite des conceptions spéciales de chaudières.

Objectifs d'apprentissage

• Décrire les conceptions types, les composantes et les stratégies de marche des appareils suivants :
  • Chaudières à injection de vapeur à circulation forcée
  • Chaudières à lits fluidisés
  • Générateurs de vapeur de récupération de chaleur
  • Chaudières de récupération de liqueur noire des usines de pâtes
  • Chaudières utilisées dans l'élimination des déchets
  • Chaudières de récupération des chaleurs perdues à biomasse

Chaudières à injection de vapeur

• Une application particulière de la conception de la chaudière à circulation forcée est la chaudière à injection de vapeur.
• Sont utilisées pour injecter de la vapeur dans les puits de pétrole afin d'augmenter la récupération de l'huile.
• L'injection de vapeur est plus coûteuse que l'injection d'eau, mais elle s'avère beaucoup plus efficace.
• L'injection de vapeur sert à augmenter la récupération de l'huile des puits partiellement épuisés.
• L'opération convient à la récupération d'huiles brutes à haute viscosité (lourdes).
• L'utilisation de la vapeur permet d'admettre une quantité maximale de chaleur et une quantité minimale de fluide injecté.
• La récupération d'huile est proportionnelle à la température atteinte au fond du puits.
• La température optimale est de 178 °C (température de saturation pour de la vapeur à 950 kPa).

Caractéristiques des chaudières à injection de vapeur

• Sont décrites comme des réchauffeurs de champ de pétrole; particulièrement conçues pour l'utilisation dans les opérations de récupération d'huile secondaire à vapeur ou à eau chaude.
• Sont des générateurs de vapeur à circulation forcée avec un serpentin à une seule passe ou à circulation forcée.
• Les générateurs sont conçus pour produire de la vapeur d'une qualité de 75 % à 80 %, selon la concentration de solides dans l'eau d'alimentation.
• La vapeur produite contient 20 % d'humidité pour garder les sels dissous dans l'eau de chaudière et pour empêcher les dépôts.
• L'effluent de vapeur, un mélange de vapeur-eau, est injecté dans le puits avant toute séparation préalable de phase.
• La chaudière n'a pas de ballon de vapeur, ce qui simplifie les commandes.
• Les productions de ces chaudières varient entre 5 millions kJ/h à 50 millions kJ/h dans les tailles normales et jusqu'à 125 millions kJ/h dans des cas particuliers, avec des pressions de service atteignant 20 000 kPa.
• Installées sur des patins ou des camions pour assurer leur mobilité dans les tailles plus petites.
• Les unités plus grandes sont construites sur un châssis ou un bâti ce qui facilite le déplacement.
• La construction interne de l'unité est illustrée à la figure 4.
• L'enceinte de la chambre de combustion est fabriquée de tubes comme paroi à membrane.
• La paroi rend la chambre de combustion étanche aux gaz et auto-stable.
• Aucun matériau réfractaire n'est nécessaire.
• L'ouverture du brûleur est située dans la paroi avant de la chambre de combustion.
• Ces chaudières sont munies de ventilateurs à tirage forcé.
• Peuvent brûler tout combustible liquide ou gazeux comme de l'huile combustible ou du gaz naturel.

Chaudières à lits fluidisés

• La combustion du charbon est appelée combustion à lits-fluidisés :
  • Il y a une série de modules, chacun contenant un lit de matière granulaire inerte, comme des cendres ou de la pierre concassée.
  • Le charbon broyé de 1,6 mm à 6 mm est injecté dans le lit par un jet d'air.
  • L'air de combustion est introduit sous le lit et il est soufflé dans tout le lit.
  • L'air de combustion soulève le lit et le charbon broyé de la grille de support et le lit devient fluidisé.
  • Brûleur externe assure l'allumage initial du lit.

Avantages de la combustion à lit fluidisé

• Le coût moindre pour les chaudières en raison du transfert de chaleur efficace et de l'élimination de l'équipement de pulvérisation
• Une réduction des émissions de SO2.
• Si on utilise du calcaire broyé dans le lit, il se combine au soufre dans le combustible et réduit le SO2 dans les gaz de combustion
• Peuvent brûler des combustibles à bas pouvoir calorifique de manière acceptable pour l'environnement.
• Résultat d'un mélange turbulent dans les lits de combustible et il en résulte un bon transfert de chaleur.

Types de chaudières à lit fluidisé

• Lit fluidisé à bulles
• Lit fluidisé circulant
• La chaudière à lit fluidisé à bulles est illustrée à la figure 7.
• Les particules dans le lit sont gardées en suspension par un débit ascendant d'air et de gaz combustibles
• Le lit est dans un état fluide et facile à voir.
• Ce mélange d'air et de combustible entraîne la combustion complète du combustible.
• La température du lit se situe entre 815 °C et 875 °C.
• Selon le type de combustible utilisé, on peut ajouter une surface de transfert de chaleur qui gardera la température du lit plus bas.
• Installée sous la forme de faisceaux tubulaires dans lesquels circule de l'eau.
• Un inconvénient de ces faisceaux est qu'ils sont soumis à de hauts taux d'érosion.

Chaudière à lit fluidisé circulant

• Utilise plus d'air de fluidisation vers le lit qu'une chaudière à lit fluidisé à bulles et on ne peut y observer un niveau de lit distinct.
• L'air de fluidisation fait monter le combustible et la matière du let les fait circuler dans une zone de combustion.
• Sont acheminés au collecteur du cyclone chaud d'où les solides recueillis sont retournés au lit.
• La circulation continue de solides dans la chaudière donne au combustible un plus grand temps de résidence. Il en résulte une combustion du combustible très efficace. Les cendres sont enlevées du fond de la zone de combustion.
• Comme il n'y a pas de zone distincte de lit, l'élimination de la cendre contrôle la qualité ou la densité du lit et non la profondeur, comme c'est le cas pour une chaudière à lit fluidisé à bulles.

Générateurs de vapeur à récupération de chaleur

• Gagne en popularité principalement en raison des coûts plus élevés des combustibles, du besoin de balayer de la chaleur des procédés industriels et des préoccupations en matière d'environnement.
• Dans la production de puissance, les chaleurs perdues d'une turbine à gaz peuvent alimenter de la vapeur pour commander une turbine à vapeur.
• Ces cycles combinés poussent le rendement global du cycle de puissance à près de 50 %.

Production de puissance à cycle combiné

• Consiste en un turbogénérateur à gaz, un générateur de vapeur à récupération de chaleur et un turbogénérateur à vapeur avec systèmes de condenseur et d'auxiliaires.
• Le générateur de vapeur à récupération de chaleur est conçu pour alimenter de la vapeur à basse pression pour la désaération et le chauffage de l'eau d'alimentation.
• Cette vapeur remplace la vapeur d'extraction utilisée pour chauffer l'eau d'alimentation dans les cycles de centrales thermiques conventionnelles.

Cogénération

• Sont semblables aux cycles combinés.
• Le système de récupération de chaleur sert à produire de la vapeur pour les besoins du procédé ou pour le chauffage des locaux.
• Toute vapeur additionnelle sert à produire de la puissance.
• L'utilisation totale de l'énergie de tels systèmes atteint presque les 80 %.

Générateur de vapeur à récupération de chaleur

• Est parfois appelé chaudière de récupération des chaleurs perdues ou chaudière à gaz d'échappement de turbine.
• L'application principale est la production de vapeur à l'aide de gaz d'échappement de la turbine à gaz comme source de chaleur.
• Les conceptions varient selon l'application.
• L'écoulement de gaz est horizontal ou vertical selon l'espace de plancher disponible; le type horizontal est le plus courant.
• La circulation du générateur est forcée ou naturelle.
• La plupart des générateurs à écoulement horizontal de gaz ont une circulation naturelle et d'autres sont à circulation forcée.
• Certains ont des tubes à alliage élevé et peuvent fonctionner sans écoulement d'eau dans les tubes.

Industrie des pâtes et papier

• En Amérique du Nord, l'industrie des pâtes et papier est au quatrième rang des plus grands consommateurs d'énergie et au troisième rang pour les achats d'énergie.
• Est un cogénérateur d'électricité de premier plan.
• La moitié de la vapeur et de l'électricité consommée par cette industrie est produite à partir de combustibles produits dans le procédé des pâtes et papier.
• La principale source de combustible est la lessive usée ainsi que le bois et l'écorce.
• La valeur calorifique de la lessive usée constitue une source fiable de combustible pour la production de vapeur et d'électricité.

Procédé kraft

• Plus de 80 % du papier produit en Amérique du Nord est fabriqué à l'aide du procédé Kraft.
• Ce procédé utilise le sulfate de soude (NaSO2) comme produit chimique d'appoint.
• Le procédé commence par l'alimentation de copeaux de bois dans un lessiveur.
• Les copeaux sont cuits sous pression dans une solution aqueuse chauffée à la vapeur d'hydroxyde de soude (NaOH) et de sulfure de soude (Na2S).
• La solution est connue sous le nom de liqueur blanche ou de liqueur de cuisson.
• Après la cuisson, la pâte est séparée ou lavée de la liqueur qui est appelée à cette étape liqueur noire faible.
• Elle contient une concentration de 13 % à 17 % de matières solides.
• La liqueur noire faible est concentrée dans des évaporateurs pour produire la liqueur noire forte utilisée comme combustible.
• Les gaz de combustion de la chaudière sont normalement utilisés comme source de chaleur pour les évaporateurs.

Combustion de la liqueur noire

• L'air de combustion est habituellement alimenté à plusieurs niveaux dans un foyer de chaudière de récupération (primaire, secondaire et tertiaire).
• Cela permet l'optimisation des zones de foyer : la zone réductrice du foyer inférieur, la zone de séchage du centre du foyer et la zone d'achèvement de la combustion du foyer supérieur.
• La liqueur noire est vaporisée dans le foyer sous forme de grosses gouttelettes qui tombent au plancher dans un état sec partiellement brûlé qui forme un lit de produit de carbonisation.
• Le lit consiste en carbone et soude inorganique et il est habituellement entre un et deux mètres de profondeur.
• Les gouttelettes de liqueur doivent être suffisamment grosses pour minimiser l'entraînement dans les gaz de combustions et petites pour tomber presque sèches sur le lit.
• Le four de récupération doit donc favoriser la combustion de la liqueur noire en parallèle avec la réduction des composés de soude.

Risques de la combustion de la liqueur noire

• Une explosion violente se produit si de l'eau vient en contact avec le salin en fusion.
  • Il s'agit d'une réaction physique qui est le résultat de gaz qui se dilatent rapidement produisant une réaction de type onde de choc.
  • Des fuites de tubes provoquent une explosion dangereuse sur le lit de salin.
  • Plusieurs chaudières sont munies d'un système de vidange d'urgence pour en cas de fuite de tube.
• S'il la liqueur noire est trop faible, il en résulte une explosion.
• Des concentrations supérieures à 58 % sont sécurité.
• Le four à liqueur noire est conçu avec une résistance de structure accrue en cas d'explosion.