Conceptions spéciales de chaudières PDF

Conceptions spéciales de chaudières Chapitre 2 FL par francois lajoie-levesque Objectifs d'apprentissage Vous pourrez particulièrement accomplir les tâches qui suivent : Décrire les conceptions types, les composantes et les stratégies de marche des appareils suivants : les chaudières à inje...

Conceptions spéciales de chaudières Chapitre 2 FL par francois lajoie-levesque Objectifs d'apprentissage Vous pourrez particulièrement accomplir les tâches qui suivent : Décrire les conceptions types, les composantes et les stratégies de marche des appareils suivants : les chaudières à injection de vapeur à circulation forcée; les chaudières à lits fluidisés; les générateurs de vapeur de récupération de chaleur; les chaudières de récupération de liqueur noire des usines de pâtes; les chaudières utilisées dans l'élimination des déchets; et les 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. Cette chaudière est utilisée pour injecter de la vapeur dans les puits de pétrole afin d'augmenter la récupération de l'huile. L'huile peut être récupérée par d'autres méthodes comme l'injection d'eau. L'injection de vapeur est plus coûteuse que l'injection d'eau mais elle s'avère beaucoup plus efficace. L'injection de vapeur est une méthode employée pour augmenter la récupération de l'huile des puits partiellement épuisés. L'opération convient particulièrement bien à la récupération d'huiles brutes à haute viscosité (lourdes). L'utilisation de la vapeur permet d'admettre dans le puits une quantité maximale de chaleur et une quantité minimale de fluide injecté. Elle permet également de garder à un minimum la quantité de fluide qui doit être pompé plus tard; quantité signifie non seulement la masse de vapeur (eau après la condensation), mais également le volume de vapeur injecté. La récupération d'huile est proportionnelle à la température atteinte au fond du puits. La température optimale est de 178 °C (soit la température de saturation pour de la vapeur à 950 kPa) et cette température est plus facile à atteindre avec une alimentation en vapeur à haute température. Caractéristiques des chaudières à injection de vapeur Ces chaudières sont souvent décrites comme des réchauffeurs de champ de pétrole; elles sont particulièrement conçues pour l'utilisation dans les opérations de récupération d'huile secondaire à vapeur ou à eau chaude. Ce 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. Pour garder les sels dissous dans l'eau de chaudière et pour empêcher les dépôts sur les tubes, la vapeur produite contient 20 % d'humidité. Les sels restent dissous dans la portion d'eau du mélange de vapeur et d'eau. L'effluent de vapeur, qui consiste en 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. Dans les tailles plus petites, les chaudières sont installées sur des patins ou des camions pour assurer leur mobilité. Les unités plus grandes sont habituellement construites sur un châssis ou un bâti ce qui facilite le déplacement de la chaudière. Construction des chaudières à injection de vapeur 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 avec ce type de construction. Chaque section de la chaudière est construite de manière à ce que la chaudière puisse être complètement vidangée. L'ouverture du brûleur est située dans la paroi avant de la chambre de combustion. Ces chaudières sont habituellement munies de ventilateurs à tirage forcé et elles peuvent brûler tout combustible liquide ou gazeux comme de l'huile combustible ou du gaz naturel. Chaudières à lits fluidisés Une méthode de combustion du charbon est appelée combustion à lits-fluidisés. Dans ce type de chaudière, 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. Un brûleur externe assure l'allumage initial du lit. Avantages de la combustion à lit fluidisé Les avantages de cette méthode de combustion sont : 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. Les chaudières à lits fluidisés peuvent brûler des combustibles à bas pouvoir calorifique de manière acceptable pour l'environnement. C'est le 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 Il existe deux types de chaudières à lit fluidisé soit : 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 il est à un niveau particulier 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. Cette surface est 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 Une 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 lit et les fait circuler dans une zone de combustion. De là, ils 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 dans une chaudière à lit fluidisé circulant, 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 Le concept de l'utilisation d'énergie perdue pour produire de la vapeur 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. De tels cycles combinés poussent le rendement global du cycle de puissance à près de 50 %. Production de puissance à cycle combiné Un système simple de 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 des systèmes de condenseur et d'auxiliaires. Ce type de cycle est illustré aux figures 12 et 13 et plusieurs configurations plus complexes sont possibles. Par exemple, 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 Les cycles de cogénération sont semblables aux cycles combinés. Dans la cogénération, 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. Le cycle de cogénération est illustré à la figure 15. L'utilisation totale de l'énergie de tels systèmes atteint presque les 80 %. Générateur de vapeur à récupération de chaleur Le 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 de ces chaudières est la production de vapeur à l'aide de gaz d'échappement de la turbine à gaz comme source de chaleur. Les conceptions des générateurs de vapeur de récupération de chaleur 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 de ces 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. Elle est aussi un cogénérateur d'électricité de premier plan. Environ 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; c'est ce qu'on appelle également la réduction en pâte, comme à la figure 20. 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. Normalement cela se fait à trois hauteurs du foyer soit 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 combustion et elles doivent être suffisamment 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 Il se produit une explosion violente si de l'eau vient en contact avec le salin en fusion. Il ne s'agit pas d'une réaction chimique, mais bien d'une réaction physique qui est le résultat de gaz qui se dilatent très rapidement et violemment. Ils produisent une réaction du type onde de choc. Des fuites de tubes sur le lit de salin provoquent une explosion dangereuse. Plusieurs chaudières sont munies d'un système de vidange d'urgence pour vidanger la chaudière juste au-dessus du plancher du four en cas de fuite de tube du four. Si la liqueur noire est trop faible, il en résulte une explosion. Des concentrations supérieures à 58 % sont considérées sécuritaires pour la chauffe dans le four. Le four à liqueur noire est conçu avec une résistance de structure accrue en cas d'explosion.