Modele de projet_ver_1.5

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chaudière a vapeur dans le centrale thermique

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Modele de projet_ver_1.5

  1. 1. 1 Etude de la Chaudière lit fluidisé circulant à vapeur/thermique/biomasse à Alteo Ltd Date : 24/06/2015 Fait par : Mons. Bhoyrow Prashan Destiné à : Mons. Kisto UNIVERSITÉ DES MASCAREIGNES (UDM) Département GEII
  2. 2. 2
  3. 3. 3 Sommaire REMERCIEMENTS :................................................................................................................8 Liste des tableaux.......................................................................................................................9 Introduction:.............................................................................................................................10 Recherche théorique ; ..............................................................................................................11 Objectifs :.................................................................................................................................11 Qu'est ce que la vapeur ?..........................................................................................................11 Réalisons l'expérience de la bouilloire : ..................................................................................11 Que se passe-t-il :.....................................................................................................................11 Quels sont les avantages de la vapeur ?...................................................................................12 Pourquoi utilise-t-on la vapeur: ...............................................................................................12 La vapeur a-t-elle de l’avenir ? ................................................................................................13 Conclusion de la vapeur...........................................................................................................13 Circuit d'eau et de vapeur.........................................................................................................13 Première transformation...........................................................................................................13 Deuxième transformation.........................................................................................................13 Troisième transformation.........................................................................................................14 Quatrième transformation........................................................................................................14 Circuit d'eau de refroidissement ..............................................................................................14 Cycle thermodynamique d’une centrale thermique à vapeur ..................................................14 Diagramme de Mollier.............................................................................................................14 Définition de la combustion.....................................................................................................15 Détermination du rendement de la turbine...............................................................................18 Détermination du rendement isentropique de la turbine HP....................................................18 Enthalpie de l'eau :...................................................................................................................19
  4. 4. 4 Que se passe-t-il ensuite?.........................................................................................................20 Enthalpie de vaporisation ou chaleur latente. ..........................................................................20 Enthalpie de la vapeur saturée. ................................................................................................20 Pression de la vapeur ...............................................................................................................20 Récapitulatif:............................................................................................................................20 La circulation et la séparation eau-vapeur. ..............................................................................21 Principe de la circulation naturelle. .........................................................................................21 Le productible d'un projet de chaudière biomasse...................................................................22 Les principales caractéristiques sont :......................................................................................22 La composition chimique élémentaire du combustible de la masse anhydre et humide ; .......22 Le taux d'humidité ; .................................................................................................................22 Le taux de cendres et de valeurs volatiles ;..............................................................................22 La granulométrie ;....................................................................................................................22 La résistance mécanique ;........................................................................................................22 La masse volumique ; ..............................................................................................................22 Le pouvoir calorifique..............................................................................................................22 Comment les caractéristiques de la biomasse influencent-elles le productible d'une chaudière ?................................................................................................................................................22 Comment les caractéristiques de la biomasse peuvent-elles être connues ?............................23 Les caractéristiques physico-chimiques sont des propriétés intrinsèques du combustible......23 Chaudière 1P (180 bar)............................................................................................................30 Chaudière 2P (180 bar et 15 bar).............................................................................................31 Le cycle TGV...........................................................................................................................35 La cogénération........................................................................................................................36 Le repowering..........................................................................................................................37 Compétitivité des fabricants de chaudière ...............................................................................38 1. Minimiser les surfaces d’échange........................................................................................38
  5. 5. 5 Choisir les matériaux les mieux adaptés aux gammes de températures et de pressions rencontrées ...............................................................................................................................39 3. Choisir au mieux les marges de sécurité..............................................................................39 L'eau de la chaudière: But et maintien des caractéristiques chimiques des eaux. ...................39 Corrosion des parties en acier..................................................................................................40 Corrosion des parties en alliage cuivreux ................................................................................40 Formation de dépôts à la surface des tubes vaporisateurs et des plaques tubulaires. ..............40 Primage. ...................................................................................................................................40 Terminologie et unités. ............................................................................................................41 Le pH (potentiel hydrogène)....................................................................................................41 La dureté (titre hydrotimétrique TH) .......................................................................................41 Eau alimentaire. .......................................................................................................................41 Dureté.......................................................................................................................................41 Oxygène dissous ......................................................................................................................41 Fer et cuivre .............................................................................................................................42 Eau de la chaudière..................................................................................................................42 Alcalinité..................................................................................................................................42 Phosphate.................................................................................................................................42 Salinité totale ...........................................................................................................................43 Soude libre ...............................................................................................................................43 Silice ........................................................................................................................................43 Taux de purge de déconcentration ...........................................................................................43 Contrôle des caractéristiques des eaux ....................................................................................44 Fréquence des contrôles...........................................................................................................44 Contrôle à effectuer..................................................................................................................44 Prélèvement des échantillons d'eau..........................................................................................44 Caractéristiques de l'eau alimentaire et de l'eau de chaudière .................................................44
  6. 6. 6 Formation de couches de protection ........................................................................................45 Film de magnétite ....................................................................................................................46 Dans le cas des eaux très pures et exemptes d'oxygène...........................................................46 Le dégazage thermique ............................................................................................................46 Eau dégazée .............................................................................................................................47 le dégazage...............................................................................................................................47 Loi de HENRY ........................................................................................................................47 Loi de DALTON......................................................................................................................47 Principe ....................................................................................................................................47 a) Préchauffage et dispersion,..................................................................................................47 La combustion et le rendement................................................................................................48 Le combustible.........................................................................................................................49 Composition physique .............................................................................................................49 Composition chimique.............................................................................................................49 La consommation.....................................................................................................................53 Notion de réglage de l'air comburant.......................................................................................59 Notion de perte et de rendement ..............................................................................................60 L'énergie d'activation ...............................................................................................................60 Types de combustion : .............................................................................................................60 Produits de combustion:...........................................................................................................61 Les résidus gazeux ou fumées: ................................................................................................61 Estimation de la quantité de particules solides en suspension dans les fumées: .....................62 Combustion neutre ou stoechiométrique: ................................................................................63 Calcul des caractéristiques de la combustion neutre du combustible:.....................................64 Etude de Chaudière Alteo ltd..................................................................................................69 FCB « fluidized bed combustion boiler«.................................................................................69 Etude dans quel type de Chaudière..........................................................................................76
  7. 7. 7 Cogénération............................................................................................................................77 Recommandation .....................................................................................................................79 La maintenance........................................................................................................................80 Ramonage ................................................................................................................................80 Récupérateurs:..........................................................................................................................80 Travail des pompes. .................................................................................................................81 Travail de la pompe alimentaire 𝑾𝑷𝒂. ...................................................................................81 Simulation du fonctionnement.................................................................................................81 Conclusion ...............................................................................................................................87 Référence .................................................................................................................................89 Annexe I.................................................................................................................................112 Annexe II ...............................................................................................................................112 Annexe III..............................................................................................................................112 Annexe IV..............................................................................................................................112
  8. 8. 8 REMERCIEMENTS : Avant tout développement sur cette expérience professionnelle, il apparaît opportun de commencer ce rapport de stage et de projet par des remerciements, à ceux qui m’ont beaucoup appris au cours de ce stage, et même à ceux qui ont eu la gentillesse de faire de ce stage un moment très profitable. Aussi, je remercie Mr Arvind Makoona, mon maître de stage qui m’a formé et accompagné tout au long de cette expérience professionnelle avec beaucoup de patience et de pédagogie. Enfin, je remercie l’ensemble des employés pour les conseils qu’ils ont pu me prodiguer au cours de ces deux mois. Je tiens tout d’abord à exprimer ma gratitude à l’ensemble des personnes qui m’ont permis d’effectuer ce stage. Sans leur soutien ce rapport n’aurait pas pu voir le jour. Je souhaite particulièrement remercier certaines personnes : Mr Jimmy Francoise, Mr Rajiv Rawoah, Mr Didier Bernard, Mr J.M Hurrydoss, Mr Stephane Bonnefemme, Mr Sendy Arnallon, Mr Youvraj Hurrydoss, Mr Avinash Ramkissoon, et Ashvin Caulachand. Un grand merci à Monsieur Julien Fayolle, Ingénieur responsable du département instrumentation, et à Monsieur Alan Brunette, responsable du même département. En effet je les remercie pour l’excellent accueil qu’ils m’ont réservé mais aussi pour leurs conseils et leur sympathie tout au long de ce période de stage. Sans oublier, je voudrai remercier Monsieur Mangesh Kumar Demkah, Mr Eric Henriette, et Mr D. Rughoo chef du département électrique à l’université et aussi un merci très respectueux à Monsieur Kisto, tuteur de rapport de stage, de sa patience et ses conseils précieux. Un grand merci à ma famille qui m’a toujours soutenue tout le long de mon parcours.
  9. 9. 9 Liste des tableaux Figure 1 chaleur massique de l'eau (liquide)........................................................................................ 12 Figure 2 massique................................................................................................................................. 12 Figure 3 Diagramme de Mollier............................................................................................................ 15 Figure 4 Schéma de circuit air .............................................................................................................. 15 Figure 5 Schéma synaptique dé la centrale thermique ......................................................................... 16 Figure 6 Schema synatique de la centrale............................................................................................. 16 Figure 7 Resultats recapitulatifs de l'enthapie ...................................................................................... 17 Figure 8 Diagramme Ts- centrale thermique........................................................................................ 18 Figure 9 caracteristiques de la turbine HP............................................................................................ 19 Figure 10 diagramme d'un chaudiere.................................................................................................... 23 Figure 11 Exemple de cycle TGV à un seul niveau de pression .......................................................... 24 Figure 12 Chaudière à circulation naturelle.......................................................................................... 25 Figure 13 Évolution de la densité de l’eau liquide et vapeur avec la pression de saturation................ 26 Figure 14 Chaudière à circulation forcée sans ballon de démarrage .................................................... 27 Figure 15 Chaudière à circulation assistée ........................................................................................... 27 Figure 16 Chaudière à circulation forcée avec ballon de démarrage.................................................... 28 Figure 17 Évolution des températures dans une chaudière à contre-courant........................................ 29 Figure 18 Chaudière à 1 niveau de pression......................................................................................... 31 Figure 19 Chaudière à 2 niveaux de pression....................................................................................... 32 Figure 20 Évolution de la température de l'eau dans la chaudière en fonction de la pression.............. 33 Figure 21 Géométrie de la chaudière de récupération.......................................................................... 34 Figure 22 cycle combiné....................................................................................................................... 35 Figure 23 production combinée chaleur-force...................................................................................... 36 Figure 24 cogénération......................................................................................................................... 36 Figure 25 repowering............................................................................................................................ 37 Figure 26 évaluer la consommation...................................................................................................... 54 Figure 27 évaluer la consommation deuxieme methode ...................................................................... 57 Figure 28 tableau de combustible......................................................................................................... 67 Figure 29 tableau masse volumique des fumees humides et sechedans les conditions normales. ....... 68 Figure 30 surchauffeur.......................................................................................................................... 72 Figure 31 Réservoir inférieur................................................................................................................ 74 Figure 32 schema de la centrale thermique pour les production d'energie........................................... 78 Figure 33 circuit eau- vapeur................................................................................................................ 82 Figure 34 schema variation de vitresse................................................................................................. 84 Figure 35 paramétrage de vitesse ......................................................................................................... 86
  10. 10. 10 Introduction: La production de vapeur occupe une place essentielle dans les entreprises sucrières car la vapeur est un moyen facile de transporter de très grandes quantités d’énergie. L'énergie de la vapeur est utilisée dans tout le processus de transformation, de fabrication dans les entreprises agricole alimentaires comme la Compagnie Sucrière. Cependant les centrales industrielles de production de vapeur peuvent être relativement complexes. Les étudier très en détail (schéma, constitution et calcul des divers constitutifs, régulation, traitement des eaux combustibles etc.) sortirait du cadre de ce présent exposé. En conséquence, nous nous limiterons ici à l'étude du rendement de la chaudière proprement dit et de tous les paramètres pouvant influés sur ce dernier. Ainsi nous adoptons la démarche suivante à savoir. Nous décrierons la structure elle-même et de la nécessité de produire de la vapeur en premier lieu ensuite nous détaillerons les éléments constitutifs de la chaudière en deuxième lieu en troisième lieu, nous parlerons de la vapeur en expliquant les différentes énergies mises en jeu quatrièmement; nous expliquerons le phénomène de la séparation eau-vapeur au niveau de la chaudière dans la cinquième, partie de ce document, nous parlerons de l'eau de la chaudière et de ses caractéristiques optimales en plus une étude de la combustion et du rendement sera effectué et sans oublier de mentionner les recommandations et le récupérateur de chaleur en dernier lieu. Nous expliquerons aussi de la Recherche théorique et comparaison de nouveau type de chaudière à vapeur. Ce mémoire étudie le pilotage en temps réel de la centrale thermique d’Alteo ltd pour l’amélioration du rendement et de la consommation spécifique suivant la variation de la température, la pression et implicitement de l’enthalpie. L’obtention du bon rendement est à partir de la bonne température et pression dans des points critiques du cycle de production, suivant le besoin thermique pour produire de l’électricité fournie au réseau. Donc, pour mieux cerner le sujet on a utilisé le générateur de système expert G2 dont le but consiste à générer une base de connaissances.
  11. 11. 11 Recherche théorique ; Alteo est une entreprise innovante spécialisée dans le diagnostic énergétique, la conception et la mise en œuvre d’installations visant à réduire les consommations thermiques des procédés industriels. Dans le cadre d’une méthode de gestion de l’énergie responsable et en amélioration continue, Alteo souhaite proposer à ses clients un outil permettant de simuler différents scénarii de conduite de leur chaîne énergétique, en fonction de différents paramètres ajustables ou fatals, et d’en adopter le meilleur. La mission consiste à identifier les différents équipements énergétiques essentiels, de proposer une modélisation standardisée de leur fonctionnement afin de pouvoir les appliquer facilement pour toutes les usines. Ainsi par liaison de ces modèles d’équipements énergétiques, un modèle de résolution pourra être appliqué afin de simuler un régime de fonctionnement en fonction des paramètres du jour. L’étude pourra aboutir sur la recherche d’une méthode d’optimisation automatique de la gestion énergétique pour une chaudière à vapeur. Objectifs :  Identifier les équipements thermiques usuels des industries types diagnostiquées par l’entreprise Alteo.  Caractériser chacun de ces équipements : Technologies, Principes de fonctionnement, Formules régissant le fonctionnement.  Les avantages et les inconvenances d’une chaudière a vapeur et sont fonctionnement.  Les sécurités d’une chaudière.  Les types de capteur et fonctions.  Les valves automatiques et les valves manuelles.  Importance Qu'est ce que la vapeur ? Réalisons l'expérience de la bouilloire : Une bouilloire contenant de l'eau est chauffée jusqu'à ce que l'eau commence à bouillir: le couvercle commence à se soulever puis retomber d'une façon répétée s'il n'est pas en bonne place et la vapeur s'échappe par le bec. Que se passe-t-il : Une transmission de chaleur s'effectue entre la source de chaleur et l'eau entraînant une augmentation de la température de l'eau. On dira en ce moment que l'enthalpie (énergie totale) de l'eau augmente et ce, jusqu'à ce que l'eau commence à bouillir Nous parlerons « d'eau saturée »à ce stade si l'eau ne peut plus absorber de I'ênergie sans changer d'état Nous parlons à ce moment là « d'enthalpie spécifique ... de l'eau saturée» (hr~ (nous y reviendrons plus tard). Si nous continuons à chauffer l'eau la transmission de chaleur se poursuit et on assiste à un changement d'état de cette dernière qui se transforme en vapeur d'eau communément appelée. « vapeur », En laissant suffisamment de temps la bouilloire sur la source de chaleur, toute l'eau sera convertie en vapeur. On parlera « d'enthalpie spécifique de vaporisation» (hfg)' Donc on constate que l'énergie totale nécessaire à amener l'eau en vapeur est hg = b, + h rg.
  12. 12. 12 Quels sont les avantages de la vapeur ? La vapeur est développée et utilisée depuis plus de 150 ans, les chaudières à vapeur sont simples à installer, la température de sortie est facile à maîtriser (suivant la pression) et très stable. De très nombreux combustibles peuvent être utilisés comme par exemple dans une scierie les déchets de bois, dans les pays produisant de la canne à sucre on peut utiliser les chutes etc. , donc suivant le milieu (type d’industrie ou pays), le combustible pour la vapeur est facile à trouver. Chaudière Atlantique Thermique (échelle 1/5e) Pour éviter les effets de corrosion et ainsi éviter une explosion, l’eau doit d’abord subir un traitement spécifique : elle doit être déminéralisée. Après son passage dans le moteur, elle peut être récupérée dans un condenseur (qui refroidit la vapeur) . D’après Atlantique Thermique, la durée de vie d’une chaudière à vapeur est de 30 ans environ, et requiert peu d’entretien : une vérification visuelle tous les ans, et un démontage total tout les 10 ans. Pourquoi utilise-t-on la vapeur: La chaleur massique (symbole c) qu'il convient d'appeler capacité thermique massique est déterminée par la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un degré la température de l'unité de masse d'une substance. La chaleur massique de l'eau (liquide) est de 4,186 kJ/kgOC. C'est-à-dire à dire qu'il faut une enthalpie de 4,186 kJ pour relever de 1°C, 1 kg d'eau. Figure 1 chaleur massique de l'eau (liquide) La quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d'un kg d'eau de 1°C est de 4, 186kJ. Nous voyons de l'importance de la chaleur massique pour le calcul de l'enthalpie. Pour l'économiseur. Figure 2 massique
  13. 13. 13 La vapeur a-t-elle de l’avenir ? Oui bien sûr, même si la vapeur n’a plus les mêmes utilités qu’à ses débuts (pour une locomotive par exemple), elle sera toujours d’actualité dans les entreprises qui l’utilisent déjà, et en projet pour d’autres : car, si on choisit bien son combustible, la vapeur est une énergie propre et durable. Pour ce qui est des chaudières à vapeur, les projets sont des chaudières à meilleur rendement, avec encore plus de variétés de combustibles, et aussi de taille plus importante. Dans un monde où le pétrole va se faire rare, plusieurs chercheurs vont se replonger dans l’étude de système à vapeur, et les manifestations telles que le Forum « A toute vapeur ! » vont faire prendre conscience au grand public que la vapeur n’est pas une technologie obsolète qui n’est bonne qu’à faire avancer les locomotives du début du siècle dernier. Conclusion de la vapeur. Pour conclure nous pouvons dire que la vapeur reste une matière très importante au fonctionnement de l'industrie dans les Landes. Son utilisation étant indispensable, nous avons les différents moyens, qui sont en cours de développement, rendant sa génération plus respectueuse de l'environnement. Circuit d'eau et de vapeur C'est le circuit principal et tous les autres gravitent autour de lui, et sont à son service. Première transformation L'eau arrivant du condenseur et celle d’appoint ou après condensation se déverse dans la bâche alimentaire, elle est comprimée successivement par les pompes; basse pression et haute pression et est réchauffée par les réchauffeurs Basse et Haute Pression 𝑹𝑩𝑷 et 𝑹𝑯𝑷 au moyen de la vapeur de soutirage, elle passe enfin à l'économiseur où les gaz de combustion élèvent encore sa température. Avant son introduction dans la chaudière au début de la transformation, l'eau était à 33℃ et une pression absolue de 0.05 𝑏𝑎𝑟 à la fin elle sera de 282℃ et 160 𝑏𝑎𝑟 environ. Deuxième transformation Elle s'effectue dans la chaudière, l'eau chaude comprimée arrive au réservoir supérieur, elle parcourt les parois tubulaires qui tapissent la chambre de combustion à travers ces tubes, les gaz de combustion qui ont une température de 1300℃ fournissent à l'eau d'abord un complément de chaleur de vaporisation. À la partie supérieure de réservoir où recueille de la vapeur saturée humide, celle-ci est divisée par trois faisceaux tubulaires en série. La vapeur se sèche dans le premier ; La surchauffe s'effectue dans les faisceaux suivants. Pendant cette transformation, la pression ne change pas, tandis que la température atteint son maximum a savoir 540℃.
  14. 14. 14 Troisième transformation La vapeur surchauffée arrive à la partie Haute Pression 𝑯𝑷 où elle se détend jusqu’à 40 𝑏𝑎𝑟 et où elle se refroidi jusqu’à 357℃, elle fournit donc un travail moteur puis elle retourne dans le foyer où elle circule dans les faisceaux de resurchauffe. La pression ne varie pas mais la température atteint pour la deuxième fois son maximum soit 540℃, la vapeur revient à la turbine pour se détendre et se refroidir dans le corps Moyenne Pression 𝑴𝑷 ensuite Basse Pression 𝑩𝑷 en fournissant à nouveau un travail moteur. Quatrième transformation Elle s'effectue dans le condenseur, la condensation de la vapeur sous vide à 0.05 𝑏𝑎𝑟 à une température de 33℃ environ. L'eau recueillie est froide, elle recommence le cycle. Circuit d'eau de refroidissement Pour condenser la vapeur il faut la refroidir et abaisser sa pression, ces deux opérations s'effectuent dans le condenseur, le refroidissement est assuré par de l'eau froide circulant dans un circuit indépendant du circuit eau – vapeur. Cycle thermodynamique d’une centrale thermique à vapeur Un cycle est définit lorsqu'on connaît les caractéristiques de l'eau et de sa vapeur (pression, température, enthalpie, humidité, titre, entropie,..) en tous points. On peut donc représenter un cycle par des diagrammes à deux coordonnées dont le plus courant est le diagramme température entropie (T-S) [Andr1][Rolf]. La centrale de CAP- DJINET présente une surchauffe avant le corps 𝑯𝑷 de la turbine et une resurchauffe entre la turbine 𝑯𝑷 et 𝑴𝑷 avec six (06) soutirages dont 1 dans le corps 𝑯𝑷, 2 dans le corps 𝑴𝑷 et 3 dans le corps 𝑩𝑷. Cette installation fonctionne suivant le cycle de Rankine-Hirn ou bien Rankine à resurchauffe, avec soutirage pour le réchauffement d'eau d'alimentation. Diagramme de Mollier Le diagramme de Mollier nous permet de présenter la chute d'enthalpie et déduire le rendement et la puissance d'une turbine. Le point représentatif 𝑀1(𝐹𝑖𝑔.2), de l'état de la vapeur à l'entrée de la turbine est défini sur le diagramme de Mollier par l'intersection de l'isobare 𝑷, et de l'isotherme 𝑻 (de la source chaude). Le point représentatif 𝑀2 de l'état de vapeur à la sortie de la turbine est situé sur l'isobare 𝑷 et l'isotherme 𝑻 (de la source froide). Une détente caractérisée par entropie constante, la chute d'enthalpie dans la turbine qui est représentée par le segment [𝑀1 𝑀2] sur le diagramme de Mollier est mise à disposition et serait entièrement transformée en énergie mécanique, et aux pertes non thermodynamiques (fuites, frottement mécaniques). En fait il y a une dégradation de l'énergie thermique dans la turbine, l'entropie du fluide croit, et la position, 𝑀2̀ correspond à une énergie effectivement transformée (𝑀1 𝑀2̀).
  15. 15. 15 Figure 3 Diagramme de Mollier Définition de la combustion La combustion est l’oxydation des éléments inflammables du combustible par l’oxygène de l’air qui porte le nom de comburant. C’est une réaction exothermique, c’est-à-dire provoque un dégagement de chaleur. La combustion est dite complète lorsque tous les éléments inflammables ont été oxydés. Dans ce cas toute la chaleur qui a été obtenue représente le pouvoir calorifique (nombre de kilocalorie par kilogramme qu’ils sont capables de fournir en brulant du combustible (gaz naturel, fuel-oil) par (𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔) de combustible. Figure 4 Schéma de circuit air 1. Ballon de la chaudière 10. La vapeur entrante à la turbine HP. 2. Colonne de descente. 11. La vapeur entrante à la turbine MP. 3. Tube d’écrans. 12. La vapeur sortante de la turbine HP. 4. Evaporateur. 13. Soutirage de la turbine MP. 5. Gaine d’air pour les bruleurs. 14. La gaine d’aspiration. 6. Ventilateur de soufflage. 15. Fumées sortantes de la cheminée. 7. Préchauffeur de vapeur. A. Les resurchauffeurs. 8. Ventilateur de recyclage. B. Les surchauffeurs. 9. Le réchauffeur d’air rotatif. C. Le générateur de vapeur.
  16. 16. 16 Figure 5 Schéma synaptique dé la centrale thermique Figure 6 Schema synatique de la centrale
  17. 17. 17 Figure 7 Resultats recapitulatifs de l'enthapie
  18. 18. 18 Le diagramme T-S est le type de diagramme le plus utilisé, généralement, pour analyser le transfert d’énergie du cycle d’un système. Et ceci pour la seule raison que le travail fourni ou bien reçu dans le système, et la quantité de chaleur reçue ou cédée peuvent être visualisé dans ce diagramme.[Doe] Figure 8 Diagramme Ts- centrale thermique Détermination du rendement de la turbine La turbine est une machine à une ligne d’arbre composée de corps 𝑯𝑷 (Haute Pression), 𝑴𝑷 (moyenne Pression), et 𝑩𝑷 (Basse Pression) qui servent à convertir un courant de vapeur (énergie thermique) provenant du générateur de vapeur en énergie mécanique qui sert à tourner l’arbre et à entrainer l’alternateur. Ces corps sont By-passés et permettent un conditionnement de la vapeur. Détermination du rendement isentropique de la turbine HP Le rendement isentropique de détente est en général de l’ordre de 85% il dépend évidemment de la qualité de la vapeur détendue : vapeur sèche ou vapeur humide avec une quantité de liquide plus ou moins importante. Pour un titre en vapeur faible en sortie de turbine (75% à 80% par exemple), les irréversibilités seront plus importantes, donc le rendement isentropique sera plus faible, que pour un titre plus élevé. On note également que plus les pertes de charge sont importantes, plus le rendement diminue. Ceci s’explique par la diminution de la chute enthalpique aux bornes de la turbine et d’une chute relativement moindre aux bornes du générateur de vapeur.
  19. 19. 19 Figure 9 caracteristiques de la turbine HP Enthalpie de l'eau : L'enthalpie de l'eau est l'augmentation de l'énergie totale obtenue par transmission de chaleur qui entraîne l'élévation de la température. Lors de la mise en route de la chaudière, l'eau possède déjà une enthalpie initiale appelée« enthalpie de l'~al.l ». En réalité, on appelle «enthalpie de l'eau saturée» (hg) la somme de l'enthalpie initiale et de l'augmentation de l'enthalpie sous l'effet de la transmission de chaleur li jusqu'au moment de l'ébullition (où l'eau est appelée « eau saturée »). hl =hi+'/ enthalpie avec hi =enthalpie initiale de l'eau Prenons un exemple:Supposons que la température de l'eau dans la chaudière avant d'être chauffée est de 10°C et que l'eau commence à bouillir à 100°C. Alors l'élévation de température été dl 90°C. Ce qui entraîne que : L'augmentation de l'enthalpie est de: 90 * 4.l86kJ= 376,740kJ pour élever la température de 100e à loooe. Si la chaudière contient 19.000kg d'eau (IO.OOOlitres), l'augmentation de l'enthalpie nécessaire pour la porter comme l'ébullition uoo-c: sera de : 10.000*376,740=376740kJ. Notons bien que cette augmentation de l'enthalpie n'est pas l'enthalpie de la vapeur saturée mais simplement l'augmentation d'enthalpie obtenue en élevant la température de 100e à 100oe. L'enthalpie de l'eau saturée a une température de 1000e et de 4l9kJ par kg d'eau (table de vapeur) Pour 10.000kg d'eau saturée, on aura 4.l90.000kJ. Ainsi l'économie de combustible passe d'abord pour augmenter la température de l'eau alimentaire qui doit être à Pour notre exemple: si l'eau était à 400e alors nous aurrons besoin de : 60(différence de température)*1000(masse)*4,186kJ=2.6l1.650kJ pour porter 1000kJ d'eau à l'ébullition par rapport au 100e nous aurions utilisé 1.255.500 de mours. Franchissons maintenant un autre etape. Nous sommes au moment où l'eau de la chaudière est en ébullition (eau saturée).
  20. 20. 20 Que se passe-t-il ensuite? Enthalpie de vaporisation ou chaleur latente. Sous la pression atmosphérique, l'eau boue à loooe tout en continuant de recevoir de l'énergie. De même à 10 bars, l'eau bouillante reçoit de l'énergie à une température constante de l79,9°e. Dans les deux cas, l'énergie emmagasinée ne prend pas la forme d'énergie sensible mais sert uniquement à transformer l'eau en vapeur. C'est ce qu'on appelle la chaleur latente de vaporisation ou enthalpie de vaporisation. L'enthalpie qui transforme un liquide en vapeur sans changement de température est appelée « enthalpie de vaporisation ». Enthalpie de la vapeur saturée. 1kg de vapeur produit dans une chaudière contient donc deux types d'énergie calorifique : l'enthalpie de l'eau saturée absorbée pour atteindre sa température d'ébullition et l'enthalpie de vaporisation nécessaire au changement d'état (liquide vapeur). Enthalpie de la vapeur saturée = enthalpie de l'eau saturée + enthalpie de vaporisation. Pression de la vapeur La pression atmosphérique est estimée à 1,01325 bar absolu. Revenons à la vapeur qui s'échappe du bec de la bouilloire (et du bec imaginaire de notre chaudière). Elle est en contact avec l'atmosphère d'où à une pression de 1,01325 bar absolu de même que la température qui est à la température de l'eau saturée (en ébullition) ~ 100°C. Récapitulatif: pression à l'intérieur et à l'extérieur de la chaudière = 1,013 bar absolu pression de la vapeur 1,013 bar absolu temps de l'eau saturée dans la chaudière = 100°C. temps de la vapeur = 100°C Cet exemple nous permet d'expliquer ce qui se passe à la pression atmosphérique mais en réalité la chaudière est une enceinte fermée. Donc en produisant de la vapeur, celle-ci doit être stockée et comprimée ce qui entraîne une augmentation de la pression. Cette augmentation de la pression exercée par la vapeur et l'effet de cette pression toujours croissante sur la surfacesont suivis de certaines conséquences. Pabs =Prel + Patm. Pabs : pression absolue; Prel : pression relative ou effective ou manométrique Patm : pression atmosphérique.
  21. 21. 21 La circulation et la séparation eau-vapeur. Conditions dans lesquelles doit s'effectuer la circulation de l'eau a- A toutes les allures de vaporisation, que la chaudière soit à circulation naturelle, ou forcée, il doit circuler dans les différents tubes chauffés une quantité d'eau suffisante pour maintenir le tube à une température voisine de celle de saturation. La vitesse de circulation doit, en outre, être suffisante (surtout dans -Ies tubes inclinés) pour arracher les bulles de vapeur qui se forment le long des parois. b- Les produits chimiques ajoutés à l'eau doivent se distribuer uniformément dans les différents tubes PO~Ir léviter la formation de boues ou de dépôts dans certains tubes. c- La température des différents tubes vaporisateurs doit rester uniforme durant les régimes perturbés (mise en marche, arrêt) pour éviter que prennent naissance des tensions d'origine thermique, qui pourraient devenir dangereuses dans les grandes unités. Nous rappelons encore une fois que notre chaudière est à circulation naturelle. Principe de la circulation naturelle. La circulation naturelle est causée par la différence entre la densité de l'omulsion li d'eau et de vapeur (différence hydrostatique) existant dans un tube chauffé, et celle de l'eau à température de saturation se trouvant dans les tubes de retour ou d'alimentation. Elle permet: • De transporter la chaleur entre le point où elle est apportée à l'émulsion et le point où la vapeur est extraite par séparation eau-vapeur, • De refroidir suffisamment le tube. Photographies FP bois et description de leur activité vapeur Dans nos recherches sur la vapeur, dans le Lot et Garonne, nous avons trouvé peu d’applications de la vapeur. Nous savons que la vapeur a été et est encore utilisée dans l’industrie alimentaire (conserverie et séchage de pruneaux), mais nous n’avons pas trouvé d’interlocuteur à ce sujet.
  22. 22. 22 Le productible d'un projet de chaudière biomasse La quantité effective de chaleur ou d'électricité générée par une centrale fonctionnant sur le principe de la combustion de biomasse dépend certes de la technologie retenue (rendement, débit minimal et maximal en combustible, etc.) et des conditions d'exploitation (débit en combustible, taux de disponibilité, arrêts, opérations de maintenance, etc.), mais plus simplement des caractéristiques physico-chimiques du combustible consommé. Les principales caractéristiques sont : La composition chimique élémentaire du combustible de la masse anhydre et humide ; Le taux d'humidité ; Le taux de cendres et de valeurs volatiles ; La granulométrie ; La résistance mécanique ; La masse volumique ; Le pouvoir calorifique. Comment les caractéristiques de la biomasse influencent-elles le productible d'une chaudière ? Dans le cadre de l'évaluation du potentiel énergétique d'un combustible, et en première approche, la puissance électrique d'une centrale de production d'électricité ou la puissance thermique d'une chaudière fonctionnant à partir de la biomasse peut s'écrire : Formule-Productible-Biomasse Cette formule reflète les principaux facteurs ayant un impact sur la puissance électrique ou thermique La technologie : rendement (η en %) ; Les conditions d'exploitation : débit (Q) ; Les caractéristiques du combustible : masse volumique de la bagasse (ρ), pouvoir calorifique inférieur (PCI).
  23. 23. 23 Ces caractéristiques dépendent bien évidemment des conditions de température et de pression, mais également des autres caractéristiques physico-chimiques, comme le taux d'humidité. Comment les caractéristiques de la biomasse peuvent-elles être connues ? Les caractéristiques physico-chimiques sont des propriétés intrinsèques du combustible. La nature du combustible (bagasse par exemple), n'est pas la seule à intervenir. On observe une grande variation des propriétés en fonction du taux d'humidité, du taux de cendres, de l'essence, de la granulométrie, etc. Certains modèles et base de données fournissent des propriétés statistiques moyennes, qui sont utiles si on ne dispose pas d'échantillon. Pour un échantillon de bois donné, en revanche, ces caractéristiques peuvent être testées, déterminées et certifiées par de tests en laboratoire d'analyse. Ces tests sont soumis à des normes et des procédures précises, définies par la règlementation ou par la profession, notamment sous l'impulsion de l'ADEME, qu'il convient de respecter. Ainsi, à titre d'exemple, le PCI peut être déterminé par calcul théorique, par lecture directe sur un abaque ou par combustion dans une bombe calorimétrique. Il existe deux grands groupes de chaudières : les chaudières de récupération qui permettent de valoriser l’énergie thermique d’un fluide chaud qui doit être refroidi et les chaudières à combustion, dans lesquelles un combustible est brûlé de manière à transférer l’énergie nécessaire. Les chaudières à combustion sont conçues en fonction des caractéristiques du fluide caloporteur ou du fluide à vaporiser, ainsi que de celles du combustible à brûler. Les chaudières de récupération ont, elles aussi, des caractéristiques très variées, dictées par les processus industriels auxquelles elles sont associées. Elles produisent soit de la vapeur de chauffe, utilisée en d’autres points de l’installation qui nécessitent un apport de chaleur, soit de la vapeur énergétique, dont la détente dans des turbines permet d’entraîner certaines machines, telles que des compresseurs, des pompes ou alors des alternateurs connectés à un transformateur pour la production Figure 10 diagramme d'un chaudiere
  24. 24. 24 d’électricité. Nous étudierons plus particulièrement les chaudières de récupération dans un cycle combiné couramment appelé cycle TGV (turbine gaz/vapeur), illustré à la figure I-1. La chaleur contenue dans l’échappement de la turbine à gaz (560°C-640°C) est utilisée par un cycle thermodynamique mettant en œuvre une turbine à vapeur. Ce type de centrale présente un rendement net actuellement proche de 55%. La technologie TGV constitue un excellent moyen de production de l’électricité et est amenée à jouer un rôle important dans les années futures. Les chaudières de récupération peuvent être horizontales ou verticales. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux chaudières verticales construites par la société CMI (Seraing Belgique) puisqu’elles vont servir au développement des différents exemples de ce travail. : Exemple de cycle TGV à un seul niveau de pression Figure 11 Exemple de cycle TGV à un seul niveau de pression
  25. 25. 25 Dans ces chaudières l’eau est réchauffée puis vaporisée et surchauffée dans des tubes horizontaux. Même s’il est possible de concevoir des cycles thermodynamiques basés sur différents fluides, les chaudières classiques utilisent exclusivement de l’eau liquide qu’elles réchauffent jusqu’à la température de saturation puis qu’elles vaporisent sous forme de vapeur saturée. Très généralement, elles surchauffent ensuite cette vapeur, c’est-à-dire qu’elles en élèvent la température au-dessus de sa température de saturation. La vapeur ainsi produite peut également constituer un fluide caloporteur ; elle est alors générée à une pression telle que sa température de condensation corresponde au niveau de température requis par les organes d’utilisations ; on ne la surchauffe que légèrement, uniquement pour limiter les condensations parasites dans les conduites de transport et de distribution. Mais, plus généralement, cette vapeur est utilisée comme fluide énergétique, dans un cycle fermé de production d’énergie. Dans ce cas, on cherche à optimiser les pressions et à obtenir les températures de surchauffe les plus élevées possibles dans un contexte économique et technique raisonnable. Les rendements des cycles énergétiques auxquels elles sont associées sont, en effet, des fonctions de ces deux paramètres. 2 Les chaudières à circulation naturelle Dans les chaudières à circulation naturelle, la circulation du fluide dans l’évaporateur est assurée par la différence de densité entre l’eau qui descend du ballon et le mélange eau vapeur qui remonte vers le ballon (voir Figure I-2). La circulation naturelle est d’autant meilleure que la différence de hauteur entre le ballon et les tubes est grande. Dans le ballon, il y a séparation des phases : la phase vapeur est envoyée vers une éventuelle surchauffe tandis que l’eau à la base du ballon est renvoyée vers l’évaporateur. La chaudière à un niveau de pression peut donc être divisée en trois zones bien distinctes : L’économiseur : l’eau liquide est réchauffée jusqu’à la température d’approche qui se situe à quelques degrés sous la saturation. Cette différence de température est une sécurité pour ne pas avoir de vaporisation à l’intérieur de tubes ; L’évaporateur : l’eau reprise à la base du ballon est partiellement vaporisée puis renvoyée dans le ballon ; Le surchauffeur : la vapeur est soutirée en haut du ballon et est surchauffée jusqu’à la température de consigne. Généralement, la température à la sortie du : Chaudière à circulation naturelle Figure 12 Chaudière à circulation naturelle Pompe d’alimentation ballon Econo Evapo Surchauffeur
  26. 26. 26 surchauffeur est régulée par une désurchauffe, ce qui permet un contrôle plus facile en cas de modification des conditions de fonctionnement de la source de fluide chaud (par exemple une turbine à gaz). La différence de densité entre les phases vapeur et liquide à saturation décroît quand la pression augmente (voir Figure I-3). C’est pourquoi on ne rencontre pas de chaudière à circulation naturelle à très haute pression (rarement au-delà de 145 bar). Évolution de la densité de l’eau liquide et vapeur avec la pression de saturation Figure 13 Évolution de la densité de l’eau liquide et vapeur avec la pression de saturation Densité (kg/m³) du point de saturation 1000 Densité vapeur 900 Densité liquide 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 50 100 150 200 250 Pression (bar) Les chaudières à circulation naturelle n’ayant pas de pompe de circulation à l’évaporateur, présentent l’avantage d’une faible consommation électrique et de coûts de maintenance limités.
  27. 27. 27 3 Les chaudières à circulation assistée Lorsque la pression de la vapeur augmente, le tirage naturel dans les tubes de l’évaporateur devient insuffisant. Une pompe de circulation est alors introduite dans la boucle de vaporisation pour vaincre les pertes de charge du mélange eau vapeur à déplacer (voir Chaudière à circulation forcée sans ballon de démarrage Figure 14 Chaudière à circulation forcée sans ballon de démarrage Pompe d’alimentation Econo Evapo Surchauffeur C’est un schéma couramment rencontré pour des pressions comprises entre 100 et 180 bar. Pour des pressions supérieures, on rencontrera des chaudières à circulation forcée. Chaudière à circulation assistée Figure 15 Chaudière à circulation assistée Pompe d’alimentation ballon Econo Evapo Pompe de circulation Surchauffeur
  28. 28. 28 4Les chaudières à circulation forcée Les chaudières les plus modernes peuvent être à vaporisation totale (once -through boiler en anglais): elles ne comportent théoriquement plus de réservoir matérialisant la séparation eau vapeur (voir Figure ) et sont constituées d’un grand nombre de tubes parallèles à l’intérieur desquels l’eau se réchauffe, se vaporise, et se surchauffe en un seul passage. Une chaudière à circulation forcée diffère d’une chaudière classique, à circulation naturelle ou assistée, de par le nombre d’éléments qui la composent. En effet, une chaudière classique comprend un économiseur, un vaporiseur avec ballon de séparation et un surchauffeur. Dans une chaudière à circulation forcée, on ne peut plus faire la différence entre l’économiseur et le vaporiseur, et s’il subsiste un ballon de séparation, non seulement sa taille est fortement réduite, mais en plus, son utilité est principalement limitée à la phase de démarrage de la chaudière, pendant laquelle l’eau soutirée à la base du ballon est renvoyée vers le dégazeur, le surchauffeur n’étant opérationnel que lorsque le débit de vapeur sortant du ballon est suffisant (voir Figure ). Chaudière à circulation forcée avec ballon de démarrage Figure 16 Chaudière à circulation forcée avec ballon de démarrage Pompe d’alimentation Econo Evapo ballon de démarrage Surchauffeur
  29. 29. 29 5 Les chaudières dans un cycle TGV Dans un cycle combiné, les chaudières de récupération doivent être conçues de manière à satisfaire à plusieurs objectifs : réduire les irréversibilités de transfert de chaleur, accroître l’efficacité du transfert de chaleur, minimiser la perte par enthalpie restante des fumées rejetées à la cheminée, permettre le réglage de la température de sortie de la vapeur surchauffée à l’entrée de la turbine à vapeur, pouvoir être rapidement démarrée pour ne pas perturber le cycle combiné, présenter une perte de charge limitée côté fumée pour limiter la contre-pression à l’échappement de la turbine à gaz, ce qui en réduirait le rendement. Afin de rencontrer ces objectifs, certaines méthodes sont systématiquement utilisées : déterminer les niveaux de pression et organiser la circulation générale de façon à minimiser la différence de température entre les fumées et l’eau/vapeur à réchauffer, adopter pour chaque échangeur la circulation à contre-courant, utiliser un réchauffeur d’air lorsque le cycle le permet (pas de TG) Considérons une chaudière de récupération composée d’un économiseur, d’un évaporateur et d’un surchauffeur. Si l’eau et les fumées circulent à contre-courant, la différence minimum de température entre les fumées et l’eau définira le point de pincement du procédé. Deux points de pincement apparaissent dans une chaudière de récupération à simple pression (voir Figure I-7): un point de pincement à la sortie du surchauffeur (F1, E1) et un point de pincement à l’évaporateur (F3, E3). Le point de pincement définit la limite de récupération correspondant à l’énergie maximum récupérable dans les fumées. La connaissance des enthalpies des fumées aux points F1 et F3 permet de déterminer l’énergie disponible tandis que les enthalpies de l’eau aux points E1 et E4 permettent de déterminer le débit de vapeur pouvant être généré dans cette chaudière. Évolution des températures dans une chaudière à contre-courant Figure 17 Évolution des températures dans une chaudière à contre-courant 700 Température (°C) F1 600 pincement1 500 E1 F2 400 F3 pincement 2 E2 E3 300 E4 F4 200 100 Surchauffeur Evaporateur Econo E5 0 Variation d’enthalpie
  30. 30. 30 Débitvapeur = Débit fumée (( H F 1− −H F 3 )) − pertesH E 1 H E 4 Par définition, l’échange de chaleur est réversible lorsque les courbes de température se superposent. En pratique, c’est impossible car même en imaginant des surfaces d’échange infinies, il subsisterait un palier pour la vaporisation de l’eau. On peut visualiser les irréversibilités du procédé en représentant l’évolution de la variation d’enthalpie en fonction du facteur de Carnot ( T −T 0 ) T (voir Figure I-8 et Figure I-9). Sur ce diagramme, l’aire comprise entre une courbe et l’horizontale à T0 (15°C) représente l’exergie disponible. L’aire comprise entre la courbe de refroidissement de la fumée et la courbe d’échauffement de l’eau représente l’exergie perdue par échange irréversible. Les poches d’irréversibilité peuvent être réduites en effectuant la vaporisation à différents niveaux de pression. Le nombre de niveaux de pression restera cependant souvent limité à 3 pour garder une structure économiquement rentable. A titre indicatif, nous allons évaluer les pertes exergétiques dans une chaudière à un seul niveau de pression (180 bar) et les comparer aux pertes dans une chaudière à deux niveaux de pressions (15 bar et 180 bar). La composition des fumées est la suivante : Les données thermodynamiques sont calculées à partir du modèle IAPWS (Wagner W. 1998) pour l’eau et PTC4 (ANSI/ASME 1981) pour les fumées. Chaudière 1P (180 bar) Pour pouvoir produire 1 kg de vapeur HP surchauffée à 540°C, en acceptant un point de pincement de 18°C à l’évaporateur il faut 6.69 kg de fumées à 600°C. Ces fumées ressortent à la cheminée à 151°C. Les profils de température sont représentés à la Figure I-8. Eau(180 bar) T (°C) état H(kJ/kg) S (kJ/K/kg) 15 liquide 80.05 0.22146 357 liquide 1732 3.85221 357 vapeur 2509 5.10579 540 vapeur 3389.5 6.3733 Fumée T (°C) H(kJ/kg) S (kJ/K/kg) 151 128.37 0.58875 600 622.76 1.3688 En fixant T0=288.15 K, on calcule : L’énergie perdue par la fumée : E1 = H − T0 S =1804.8 kJ L’énergie reçue par l’eau : On en déduit la perte d’énergie due à l’irréversibilité de l’échange E = E1 − E2 = 268 kJ, soit 14.8% d’E1 E2 =1536.8 kJ
  31. 31. 31 Chaudière à 1 niveau de pression Figure 18 Chaudière à 1 niveau de pression 700 0.8 600 0.7 FacteurdeCarnot 0.6 Température(C) 500 0.5 400 0.4 300 0.3 200 0.2 100 0.1 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Variation enthalpie (kW) Variation d'enthalpie (kW) L’analyse de la Figure I-8 (facteur de Carnot en ordonnée) montre qu’on pourrait réduire les pertes en insérant la production d’une nouvelle quantité de vapeur sous la température de saturation de la vapeur HP. Cette vapeur doit donc être à une pression inférieure et peut être surchauffée jusque T<Tsat,HP . Chaudière 2P (180 bar et 15 bar) L’ajout d’un second niveau de pression permet de diminuer la température des fumées à la cheminée à 100°C (la température à la cheminée ne peut pas être trop basse pour éviter tout risque de condensation acide, source de dégradation dans la cheminée). On voit qu’un second point de pincement apparaît au vaporiseur BP. Eau(15 bar) T (°C) état H(kJ/kg) S (kJ/K/kg) 15 liquide 64.41 0.22424 198 liquide 844.71 2.31466 198 vapeur 2790.99 6.443 330 vapeur 3104.39 7.03233 Fumée T (°C) H(kJ/kg) S (kJ/K/kg) 100 76.46 0.45039 600 622.76 1.3688 En gardant une production de vapeur HP de 1kg ainsi qu’une quantité de fumée de 6.69 kg, on peut produire 0.114 kg de vapeur BP supplémentaire. En fixant toujours T0=288.15 K, on peut calculer l’exergie: pour la fumée : E1 = H − T0 S =1885.4 kJ pour l’eau : E2 =1536.8 kJ (HP) + 123.2 kJ (BP) = 1660 kJ On en déduit la perte d’exergie due à l’irréversibilité de l’échange
  32. 32. 32 E = E1 − E2 = 225.4 kJ, soit 11.95% de E1 Chaudière à 2 niveaux de pression Figure 19 Chaudière à 2 niveaux de pression 700 0.8 600 0.7 Température(°C) 500 Facteurde Carnot 0.6 0.5 400 0.4 300 0.3 200 0.2 100 0.1 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Variation d'enthalpie (kW) Variation d'enthalpie (kW)
  33. 33. 33 Évolution de la température de l'eau dans la chaudière en fonction de la pression Figure 20 Évolution de la température de l'eau dans la chaudière en fonction de la pression Température eau 300 bar eau 240 bar eau 180 bar Fumée Variation d'enthalpie En ajoutant un niveau de pression on a donc réduit les pertes d’irréversibilité de presque 3%. On peut également réduire les irréversibilités dans une chaudière de récupération en produisant de la vapeur supercritique (P > 220.64 bar). Le palier de vaporisation s’atténue et on constate une meilleure concordance entre les courbes des fluides chauds et froids. En pratique, ce sont les irréversibilités de l’ensemble du cycle TGV qu’il faudra réduire, en ce compris les irréversibilités dues à la détente de la vapeur dans les turbines. Cela se fera notamment en ajoutant une resurchauffe de la vapeur à la sortie de la turbine haute pression. 6 Géométrie d’une chaudière de récupération verticale La chaudière verticale, quelle que soit sa configuration, est constituée de plusieurs échangeurs de chaleur. Ces échangeurs comprennent un collecteur d’entrée, une série de tubes (le plus souvent ailettés pour augmenter l’échange thermique) et un collecteur de sortie. On définira complètement un élément de chaudière en donnant (voir figure): la direction d’écoulement de l’eau par rapport aux fumées : co-courant ou contre-courant. Pour être exact, il faudrait parler de courant croisé puisque les fumées s’écoulent perpendiculairement aux tubes. On parlera cependant de contre-courant lorsque les fumées rencontrent d’abord les tubes issus du collecteur de sortie (CS) de l’élément et de co- courant lorsqu’elles rencontrent d’abord le collecteur d’entrée (CE); le nombre de nappes de tubes (nrow), une nappe étant l’ensemble des tubes situés dans un même plan et disposés perpendiculairement à la direction des fumées; le nombre de tubes dans une nappe (nelem); l’arrangement des tubes : en file ou en quinconce ;
  34. 34. 34 Géométrie de la chaudière de récupération Figure 21 Géométrie de la chaudière de récupération Arrangement en ligne, 4 nappes Arrangement en quinconce, 4 nappes PL ntp PT CE 1 nappe 1 nappe nelem=5 P L nelem=5 Ecoulement npass PT ntp CE 1 contre- 4 0.5 courant CS CS CS co- CS 2 2 1 courant CE CE CE contre- CE 4 courant 1 2 CS CS f u m é e f u m é e le nombre de passes de tubes (npass), le nombre de passes indique dans combien de nappes le fluide froid circule lors de son passage d’un collecteur à l’autre; le nombre de tubes en parallèle (ntp), c’est-à-dire le nombre de tubes faisant partie de la même passe et situés dans le même plan vertical. Il faut remarquer que le calcul du nombre de tubes en parallèle n’est pas identique selon l’arrangement des tubes dans le faisceau. = nrow Si les tubes sont en ligne, on a logiquement ntp npass Si les tubes sont en quinconce, on a ntp = 1 2 * npass nrow C’est pourquoi quand il y a autant de rangées que de passes, le nombre de tubes en parallèle est de 0.5 lorsque les tubes sont arrangés en quinconce. l’écartement des tubes dans le sens de l’écoulement des fumées, défini comme le pas longitudinal (PL) ; l’écartement des tubes dans le sens perpendiculaire à l’écoulement des fumées, défini comme le pas transversal (PT) ; le diamètre, l’épaisseur et la longueur des tubes ainsi que le type de métal utilisé ; le nombre d’ailettes par mètre de tube ainsi que le type, le diamètre et l’épaisseur de celles-ci.
  35. 35. 35 7 Utilisation industrielle Le cycle TGV Aujourd’hui, les nouvelles centrales pour la production d’électricité sont fréquemment de type TGV (cycle combiné ou centrale turbine gaz/vapeur). Ce sont des cycles qui, comme leur nom l’indique, combinent une turbine gaz avec une turbine à vapeur (à condensation). La température élevée des fumées à la sortie de la turbine à gaz permet de vaporiser et surchauffer l’eau entrant dans le cycle vapeur. La chaudière de récupération constitue physiquement l’interface entre la turbine à gaz et la turbine à vapeur. Chaque chaudière est unique. Elle est directement tributaire des performances et contraintes de le TAG, ainsi que du cycle vapeur choisi par les concepteurs de la centrale. Le choix final est fait en évaluant le rapport coût/bénéfice des différentes possibilités. La solution à trois niveaux de pression est plus intéressante du point de vue énergétique mais représente un investissement supplémentaire par rapport à celle à deux niveaux de pression étant donné la présence d’un évaporateur supplémentaire qui est un appareil assez coûteux. Il y a donc un compromis à trouver. Figure 22 cycle combiné Le rendement d’une centrale classique est compris entre 38% et 45% selon la taille de l’installation et le nombre de soutirages vapeur. Le rendement des turbines à gaz, qui influence directement la rentabilité de la production d’électricité, se situe entre 35% et 40%, l’émission de CO2 étant moins de la moitié de l’émission d’une centrale à charbon classique de puissance équivalente. Dans une centrale TGV, les rendements des turbines gaz et vapeur ne sont pas aussi élevés que dans les cycles simples, mais leur combinaison donne tout de même un rendement d’environ 55 %. La baisse du rendement du cycle vapeur est due à la moins bonne qualité de la vapeur (produite dans une chaudière de récupération à la place d’un générateur de vapeur où les fumées sont plus chaudes) ainsi qu’à la simplification du cycle vapeur (suppression de nombreux soutirages intermédiaires lors de la détente de la vapeur) Quant à la baisse du rendement de la turbine à gaz, elle est due à la haute température des gaz en fin de détente, nécessaire pour assurer un échange thermique suffisant dans la chaudière de récupération et à la contrepression induite par la chaudière.
  36. 36. 36 Dans la chaudière de récupération d’un cycle combiné, l’échange de chaleur se fait principalement par convection, contrairement au transfert de chaleur dans un générateur de vapeur de centrale thermique classique qui se fait non seulement par convection mais surtout par rayonnement. La cogénération La cogénération consiste à produire de la vapeur nécessaire à un processus industriel en utilisant les gaz d’échappement d’une turbine ou d’un moteur à gaz, en lieu et place d’une chaudière classique comme on en rencontre sur la plupart des sites industriels. Dans son principe, une cogénération au gaz est un cycle combiné (TGV) où on a supprimé la turbine à vapeur (voir Figure). Exemple de production combinée chaleur-force CHAUDIERE de récupération DEGAZEUR pompes alimentaires TAG FUMEE TAV Applications A CONTRE-PRESSION industrielles Chauffage urbain Figure 23 production combinée chaleur-force La cogénération a du sens sur le plan énergétique uniquement si la chaleur produite est utilisée à bon escient. Si on ne valorise pas la chaleur produite par une installation de cogénération, on obtient une unité de production d’électricité avec un rendement inférieur à celui des centrales TGV actuelles. En cogénération, la chaudière de récupération est l’interface entre la turbine à gaz et le Figure 24 cogénération CHAUDIERE de récupération DEGAZEUR pompes alimentaires TAG FUMEE Applications industrielles
  37. 37. 37 consommateur de chaleur. Un cycle combiné dont on soutire une partie de la vapeur de la turbine à vapeur peut aussi être considéré comme de la cogénération, on parlera également de production combinée chaleur-force. Dans ce cas, la turbine à vapeur sera à contre -pression car la vapeur à la sortie de la turbine n’est pas condensée mais déviée vers un réseau vapeur en vue d’application thermique industrielle ou urbaine (chauffage urbain) (voir Figure I -13). Auparavant, on pouvait également rencontrer ces unités de chauffage urbain sans TAG (par exemple dans l’unité qui était exploitée par INTERVAPEUR à Verviers) Le repowering Le repowering se présente comme une manière efficace d’améliorer les performances d’une centrale classique existante (cycle à vapeur seul) en y greffant un cycle gaz. On obtient donc un cycle combiné (TGV) dont le rendement est bien plus élevé que le rendement d’une centrale classique tout en profitant des installations existantes (turbine à vapeur, condenseur, tour de refroidissement,…). Le coût du repowering est donc modéré comparé au coût d’une installation TGV neuve. Lors d’un repowering, la chaudière à combustion est remplacée par une chaudière de récupération puisqu’il s’agit d’utiliser l’enthalpie disponible à la sortie de la turbine à gaz en lieu et place du générateur de vapeur. Figure 25 repowering Exemple de repowering CHAUDIERE à combustion (générateur de vapeur) DEGAZEUR pompes alimentaires CYCLE VAPEUR TAV A CONDENSATION CHAUDIERE de récupération CONDENSEUR pompes TAG d'extraction FUMEE Certains schémas envisagent d’utiliser l’effluent d’une TAG comme comburant préchauffé pour une chaudière à combustion classique, qui devient alors une unité de postcombustion. Cette alternative ne permet plus d’utiliser de préchauffeur d’air. Elle se complète bien par une installation de chauffage urbain, où la chaleur à bas potentiel qui serait utilisée par le préchauffeur d’air classique, peut être employée pour le production d’eau chaude.
  38. 38. 38 8 Capacités du marché Deux paramètres importants interviennent dans le marché des chaudières de récupération : la consommation électrique augmente ; les accords de Kyoto, qui engagent les pays signataires à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre. Puisque la consommation électrique croît, le parc électrique va devoir être agrandi. En Belgique, il va peut-être falloir remplacer les centrales nucléaires qui devraient être progressivement arrêtées à l’horizon 2015. Pour des raisons essentiellement économiques, les cycles présentant les meilleurs rendements seront choisis. Il s’agit des cycles TGV pour la production centralisée d’électricité tandis que la cogénération apparaît comme une solution alternative économiquement intéressante à la production centralisée, pourvu bien entendu qu’existent des besoins de chaleur à proximité. La production d’électricité à partir des énergies renouvelables serait écologiquement plus intéressante, mais elles ne peuvent en aucun cas assurer la production de base de l’électricité en Belgique. Afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre, les centrales thermiques classiques au charbon, grandes productrices de ce type de gaz, devront être adaptées. La dépollution poussée des fumées est une solution fort coûteuse. Le repowering ou le remplacement des centrales par des TGV pourraient être envisagé, mais ces solutions impliquent une modification du combustible, ce qui n’est pas toujours possible. La centrale IGCC est une centrale à cycle combiné qui, au lieu de brûler du gaz naturel, brûle du gaz de synthèse (CO + H2). Celui-ci est obtenu à partir de la gazéification du charbon. Le gaz brut issu du gazéifieur est composé d’un certain nombre de constituants polluants qui doivent être éliminés avant l’admission du gaz dans la turbine à gaz. L’IGCC permet donc de garder le charbon comme combustible tout réduisant fortement la pollution atmosphérique. Quelle que soit la technologie choisie, une chaudière de récupération sera nécessaire à l’arrière de la turbine à gaz. C’est dans ce contexte que le sujet de cette thèse a été choisi. Une meilleure maîtrise de la modélisation interne des chaudières (maîtrise du processus de dimensionnement des surfaces d’échange pour des échanges thermiques non- standards : circulation forcée, super critique, etc) est nécessaire. Elle permet une meilleure prédiction des performances de la chaudière ainsi qu’une meilleure prédiction des données mécaniques de conception (Pdesign, Tdesign). La chaudière pourra ainsi profiter de façon optimale de l’enthalpie des fumées de la turbine à gaz pour produire de la vapeur de bonne « qualité » pour le cycle à vapeur. Cela optimisera également le rendement global du cycle. Compétitivité des fabricants de chaudière Pour qu’une chaudière soit compétitive elle doit, au risque de formuler une lapalissade, coûter le moins cher possible tout en assurant le service exigé. Réduire les coûts doit se faire à toutes les étapes de la conception de la chaudière. 1. Minimiser les surfaces d’échange La surface d’échange nécessaire est calculée lors du dimensionnement de la chaudière. Cette surface doit être minimale sans pénaliser le rendement de la turbine à gaz (en augmentant la perte de charge côté fumée), tout en générant les débits de vapeur requis et en assurant une température de surchauffe de la vapeur optimale (correspondant à la température optimale d’entrée dans la turbine à vapeur).
  39. 39. 39 Choisir les matériaux les mieux adaptés aux gammes de températures et de pressions rencontrées Des modèles de simulation sont utilisés pour déterminer les conditions opératoires dans la chaudière de récupération et déterminer les points chauds. Les matériaux sont choisis en tenant compte du résultat de ces modèles dans toutes les situations envisagées par le client (différentes allures). 3. Choisir au mieux les marges de sécurité Lorsqu’une nouvelle chaudière est livrée, son fonctionnement à charge nominale (correspondant généralement au rendement maximum de la turbine à gaz) ainsi qu’à diverses charges partielles doit être garanti. Le fabricant va prendre des « marges » de sécurité sur la construction de la chaudière de manière à toujours être certain que les performances garanties seront respectées. Pour maîtriser le coût de fabrication d’une chaudière de récupération, il est donc nécessaire de calculer de manière la plus précise possible les conditions opératoires en tout point de la chaudière. Plus le modèle représentant la chaudière de récupération sera précis, plus les marges pourront être choisies petites et plus la compétitivité du fabricant sera grande L'eau de la chaudière: But et maintien des caractéristiques chimiques des eaux. Cet exposé s'applique au générateur de vapeur à circulation naturelle et à tube de fumées dont la pression de fonctionnement est inférieure à 50 bars, dans le cas où l'eau d'appoint est déminéralisée. Afin d'éviter toute confusion, nous rappelons les termes suivants: Eau brute Eau disponible avant traitement Eau d'appoint Eau généralement traitée, apportée au circuit d'eau alimentaire en compensation des pertes de vapeur et des purges. Eau de chaudière Eau circulant à l'intérieur du générateur. Eau alimentaire Eau entrant dans la chaudière constituée généralement par un mélange d'eau d'appoint et de retour. Retours. Vapeur condensée retournée dans le circuit d'eau d'alimentation. L'expérience a montré qu'il était nécessaire de maintenir à une valeur convenable les caractéristiques chimiques de l'eau des différents circuits afin d'éviter les phénomènes suivants:
  40. 40. 40 Corrosion des parties en acier et en alliage cuivreux. Formation de dépôt sur la surface des tubes vaporisateur et sur les plaques tubulaires. Primage. Corrosion des parties en acier Les principaux facteurs susceptibles d'entraîner des corrosions sont: Présence d'oxygène dissous dans l'eau alimentaire. PH insuffisant de l'eau de chaudière Présence de soude libre en quantité trop importante dans l'eau de chaudière. Présence de dureté et de matières en suspension à quantité trop importante qui sont susceptible de former des dépôts à la surface des tubes vaporisateurs et sur les plaques tubulaires. Corrosion des parties en alliage cuivreux Les corrosions des alliages cuivreux ont lieu, par suite de la présence simultanée d'oxygène dissous et d'ammoniaque en quantité trop importante. Remarque évidemment valable car l'installation comporte des échangeurs et des réchauffeurs d'eau cupro-alliage. L'ammoniaque n'est nocive que pour les aciers. Formation de dépôts à la surface des tubes vaporisateurs et des plaques tubulaires. La présence de dureté et matière en suspension en quantité trop importante dans l'eau alimentaire, ainsi que les produits de corrosion des tubes vaporisateurs, peuvent provoquer la formation des dépôts sur les surfaces d'échange. Ces dépôts risquent d'occasionner une surchauffe importante du métal et de donner lieu à des éclatements. Ils peuvent engendrer des corrosions très graves dont les évolutions sont parfois très rapide. Primage. Le primage d'un générateur est favorisé par une salinité et une alcalinité importante de l'eau de chaudière. Lorsque l'eau d'appoint est déminéralisée, il n'y a normalement pas à craindre que la salinité de l'eau de chaudière soit suffisamment élevée pour être à l'origine d'un primage éventuel du générateur. Toutefois, afin de limiter le teneur en sels de la vapeur, à la suite même de très faible entraînement d'eau de chaudière, on a intérêt à limiter la salinité de l'eau de chaudière à une valeur relativement basse.
  41. 41. 41 Terminologie et unités. Le pH (potentiel hydrogène) Le pH d'une solution est égal par définition au logarithme de la concentration ionique de l'ion H+. Le pH indique le caractère acide ou basique d'une eau. Une eau, par exemple l'eau déminéralisée avant conditionnement à un pH très voisin de 7, une eau acide a un pH inférieur à 7 et basique supérieur à 7. La dureté (titre hydrotimétrique TH) Elle exprime la teneur d'une eau en sels de calcium et de magnésium. Eau alimentaire. Afin de limiter les corrosions du circuit alimentaire, il est utile de relever le pH à une valeur supérieure à 9,0 tout en restant inférieur à 9,3 en présence de cuproalliages dans le circuit. Un pH de 9,0 mini est également favorable vis-à-vis des phénomène d'érosions et corrosions des pompes aliment aires en acier ou fonte. Le pH peut être maintenu à la valeur convenable, soit à l'aide d'un conditionnement au phosphate tri sodique. Dans le cas où l'eau alimentaire est conditionnée à l'ammoniaque, la vapeur sera aussi conditionnée. Dans le cas où le pH est relevé à l'aide de phosphate, l'eau alimentaire ne pourra plus servir pour une désurchauffe par injection. Dureté La dureté étant responsable de la formation de tartre au sein du générateur, il convient de limiter celle-ci à une valeur suffisamment basse. Les chaînes de déminéralisation actuelles permettent sans difficultés d'obtenir les valeurs indiquées. La dureté provient généralement de la pollution du circuit, mais aussi d'une défectuosité du poste de déminéralisation. Dans les installations comportant des condenseurs refroidis à l'eau brute, la pollution du circuit par la dureté est fréquemment due à une fuite de ces derniers. Oxygène dissous L'oxygène dissous est générateur de corrosions localisées par aération différentielle qui peuvent croître très rapidement. Pour éviter ces corrosions, il convient d'éliminer, par voie thermique, l'oxygène dissous dans l'eau alimentaire. Il est recommandé de compléter le dégazage thermique par maintien d'un excès d'hydrazine, à l'entrée de la chaudière, 0,050 à 0,20 mg/l exprimé en N2H4. L'hydrazine sera injectée suivant les installations, au puits des condenseurs, à la bâche dégazante ou au niveau des pompes alimentaires. Il est recommandé d'utiliser de l'hydrazine catalysée. Lorsque la vapeur est susceptible d'entrer en contact avec des produits destinés à l'alimentation, l'hydrazine ne peut être utilisée . Jusqu'à 50 bars, on pourra utiliser le sulfate de sodium catalysé en remplacement, sachant que le sulfite apporte de la salinité en chaudière alors que l'hydrazine n'apporte aucune salinité. Entre 50 et 60 bars, le sulfite de sodium catalysé peut encore être utilisé mais sa
  42. 42. 42 concentration en chaudière devra être réduite et bien suivie. Le sulfite de sodium est généralement injecté en bâche. On pourra également utiliser des réducteurs d'oxygène proposés par les traiteurs d'eau. Ces produits doivent présenter une DL 50 élevée. On suivra les recommandations du fournisseur de ces produits quant aux doses à injecter et à maintenir dans l'eau d'alimentation et en chaudière. Fer et cuivre Afin d'éviter l'accumulation en chaudière d'oxydes métalliques qui risquent de former des dépôts poreux, et par suite, de donner lieu à ces phénomènes de corrosion sous dépôts, il convient de veiller à ce que la teneur en oxydes de l'eau alimentaire ne dépasse pas le maximum indiqué. Mis à part les quelques premiers jours de mis en route de l'installation, ces valeurs sont normalement respectées sans difficultés particulières. Lorsque la teneur en cuivre de l'eau se maintient à un niveau élevé, cela est l'indice qu'un matériau alliage cuivreux subit une corrosion due à la présence simultanée, en quantité trop importante, d'ammoniaque et d'oxygène. Eau de la chaudière Le pH, tel qu'indiqué dans le tableau de recommandations, est obtenu par addition d'un phosphate plus ou moins alcalin en fonction de la qualité de l'eau à traiter: phosphate tri sodique, di sodique, mono sodique ou tripolyphosphate de sodium. Un pH anormal peut être dû à une dose trop forte ou trop faible de phosphate, ou bien encore à l'utilisation d'un phosphate non adapté à l'eau à traiter (par exemple traitement par du phosphate trisodique d'une eau déminéralisée contenant une petite quantité de soude libre). D'autres causes: la pollution par exemple, peut être à l'origine de pH anormaux. Alcalinité L'alcalinité correspond a~ phosphate et à la soude libre, présents en chaudière. Un TAC insuffisant indique un défaut de conditionnement en phosphate, un TAC trop élevé indique, soit une teneur trop grande en soude libre, soit un conditionnement en phosphate tri sodique trop important. Phosphate La présence de phosphates permet de maintenir dans l'eau une alcalinité suffisante afin d'éviter les phénomènes de corrosion dus à la présence de soude caustique, et de précipiter sous formes non incrustante la dureté pouvant être introduite en chaudière. Le conditionnement de l'eau de chaudière en phosphate peut être obtenu, soit de façon continue soit de façon discontinue, les injections peuvent se faire dans la bâche sous dégazeur mais d'une façon générale, il est recommandé d'injecter le phosphate dans le réservoir eau vapeur du générateur. En effet l'injection dans la bâche a pour effet d'encrasser l'économiseur en cas d'entrée de dureté dans le circuit et le nettoyage chimique des économiseurs est parfois plus délicat que celui d'un générateur.
  43. 43. 43 Salinité totale La salinité totale correspond normalement à la somme P04Na3 + NaOH + Si02 plus les sels provenant 'des impuretés de l'eau déminéralisée ou de pollution. Lorsque l'eau déminéralisée est de bonne qualité et que le l'eau du circuit n'est pas polluée, un taux de purge ne dépassant pas 1% de la vaporisation est suffisant pour limiter les sels dissous à la valeur maximale admissible. Soude libre La soude libre peut être responsable de phénomène de corrosion, aussi doit-elle être limitée à une valeur suffisamment faible. Elle provient généralement de fuites ioniques de la chaîne de déminéralisation. La teneur en soude libre doit être maintenue à une valeur inférieure à la limite indiquée par l'utilisation d'un phosphate adéquat (comme indiqué plus haut) ou à l'aide de la purge continue. Silice La concentration en silice est limitée de façon à éviter la formation d'incrustations silicatées par réaction avec la dureté résiduelle de l'eau d'appoint. Mais l'eau de chaudière doit être suffisamment alcaline pour que la silice présente puisse être maintenue en solution. Cette condition est réalisée si la concentration en ·Si02 ne dépasse pas une certaine valeur, variable en fonction de la pression. Par ailleurs, la silice à la propriété d'être soluble dans la vapeur à haute pression. Dans les installations comprenant une turbine, la silice à tendance à se déposer sur les aubages lors de la détente de la vapeur. Taux de purge de déconcentration Une purge est nécessaire pour limiter la concentration de l'eau de chaudière. Sa valeur est fonction de la composition chimique de l'eau d'appoint, de la proportion de vapeur condensée dans l'eau d'alimentation et des caractéristiques admissible en chaudière. En désignant par: Le facteur de concentration dans l'eau de chaudière, du constituant de l'eau d'appoint qui sert à calculer la purge (constituant dont la valeur maximale admissible est la plus rapidement atteinte par suite de la concentration en chaudière), R le pourcentage de vapeur condensé retournant à la bâche alimentaire, l~ taux de purge de déconcentration P est donné par la formule: P et R sont exprimés en % de la vaporisation.
  44. 44. 44 Contrôle des caractéristiques des eaux Fréquence des contrôles Les contrôles doivent être effectués à une fréquence suffisante pour permettre de déceler en temps voulu une dégradation de la qualité de l'eau. La fréquence des contrôles dépend donc en grande partie de la fiabilité de la qualité des eaux. Les fréquences des contrôles que nous indiquons en annexe, dans le tableau des contrôles à effectuer sont, en conséquence, données à titre indicatif. Contrôle à effectuer Les contrôles que nous préconisons sont indiqués dans le tableau (annexe); '.- Prélèvement des échantillons d'eau Les échantillons d'eau dégazée et d'eau de chaudière doivent être prélevés aprèsrefroidissement à travers un réfrigérant en acier inoxydable (nuance 3ü4L ou mieux 316L).Les échantillons pour analyses manuelles devront être prélevés en flacons plastiques soigneusement rincés avec l'eau à analyser. 1) 2 fois par semaine en période de démarrage ou de redémarrage. 2) Cette mesure est une confirmation de la mesure de conductivité et réciproquement. La mesure directe consiste à effectuer l'extrait sec de 100ml d'eau mais la relation entre salinité et conductivité dépend de la nature des sels. Un recoupement est possible, en première approximation par addition des conductivités des différentes espèces en concentration des principales espèces chimiques susceptibles d'être rencontrées en chaudière: Na3P04 : 3,0~S/cm par mg/l de Na3P04 NaOH : 5,4 ~S/cm par mg/l de Na0H NaCl : 2 ,0~S/cm par mg/l de NaCl NH3 : 5,0~S/cm pour 1 mg/l de NH3 Caractéristiques de l'eau alimentaire et de l'eau de chaudière Les caractéristiques optimales de l'eau d'alimentation et de l'eau de chaudière sont celles définies ci- dessous:
  45. 45. 45 Le pH sera maintenu à l'aide d'ammoniaque, éventuellement à l'aide de phosphate tri sodique. Le dosage d'ammoniaque sera ajusté de façon à maintenir dans les condensats un pH mini de 8,0. Formation de couches de protection La corrosion peut être limitée par la formation, spontanée ou provoquée de couches de protection. Ces couches sont dites naturelles quand elles résultent de l'action des composants de l'eau et de la température. Par contre, l'intervention d'agents extérieurs tels que des produits inhibiteurs provoquent dans certaines conditions la formation artificielle d'une couche protectrice, mettant en jeu, selon le cas des processus d'inhibition ou de passivation contrôlée.
  46. 46. 46 Film de magnétite L'existence de températures supérieures à 100°C favorise indépendamment de la présence d'oxygène, la transformation du fer et de l'hydroxyde ferreux en magnétite Fe304, produit de degré d'oxydation intermédiaire. Cette réaction débute à 100°C et est achevée à 200°C. La magnétite forme une couche trés résistante, mais susceptible de se redissoudre en présence d'acier ou de concentration locale de soude caustique. Dans le cas des eaux très pures et exemptes d'oxygène au-dessous de 200°C à 250°C: il est nécessaire de maintenir un pH d'autant plus élevé que la température est plus faible au-dessus de 200°C à 250°C: le maintien de la corrosion ne dépend plus du pH, ceci du moins au-dessus de la neutralité. Le dégazage thermique En l'absence d'oxygène, le fer , mis en contact avec l'eau, est d'abord attaqué avec formation d'hydrate ferreux soluble; un état d'équilibre qui stoppe l'attaque est ensuite atteint assez rapidement. En présence d'oxygène, l'hydrate ferreux s'oxyde en hydrate ferrique insoluble et, comme: il n'y a plus de possibilité d'atteindre un état d'équilibre, l'attaque du fer se poursuit continuellement. Dans les chaudières, il se produit en outre un phénomène électrochimique, expliqué par EVANS, sous l'appellation de couple d'aération différentielle. Une pile locale s'établit entre les parties du métal en contact avec l'eau, lorsque cette dernière présente des teneurs en oxygène dissous différentes, rendues possibles par exemple s'il se manifeste la présence d'une bulle de vapeur. L'hydroxyde ferreux, résultant de l'attaque, se transforme en hydroxyde ferrique, qui précipite en consommant de l'oxygène. A l'endroit où se dépose l'oxyde ferrique se situe l'anode de la pile et la corrosion se développe par piqûre. Même à la cathode, l'oxygène joue le rôle néfaste en se combinant avec l'hydrogène naissant pour empêcher la polarisation de la pile. Le gaz carbonique accélère les attaques par l'oxygène. De plus, sa présence dans la vapeur entraîne l'abaissement du pH des condensats qui corrodent alors le métal à la manière d'un acide dilué.
  47. 47. 47 Eau dégazée C'est une eau dont les g, dissous ont été éliminés jusqu'à une teneur limite de : 0,007 à 0,03 mg/l pour l'oxygène 0,05 à 1 mgl1 pour le gaz carbonique, suivant la teneur en bicarbonate de l'eau à dégazer. le dégazage Le dégazage thermique est régi principalement par deux lois : Loi de HENRY Lorsqu'un gaz est en contact avec un liquide qui le dissout, il s'établit un rapport constant, pour une même température, entre le volume du gaz dissous mesuré à la pression finale de l'atmosphère gazeuse, et le volume du dissolvant. Ce rapport est appelé coefficient de solubilité. Loi de DALTON ou des pressions partielles Dans une enceinte fermée contenant plusieurs gaz parfaits, chacun se comporte comme s'il occupait à lui seul tout le volume de l'enceinte et comme s'il était à une pression partielle égale au produit de la pression totale régnant dans l'enceinte, par le rapport du nombre de molécules de ce gaz au nombre total de molécules gazeuses contenues dans l'enceinte. Pour les opérations de dégazage, on pourra admettre que les gaz réels se comportent comme des gaz parfaits. Le rapport multiplicateur sera encore égal à la concentration en volume du gaz considéré. Il faut donc, en théorie, pour éliminer les gaz dissous dans l'eau, annuler leur pression partielle au-dessus de cette eau, par exemple, en réchauffant celle-ci dans une enceinte de façon à élever la pression de vapeur saturante et à la porter le plus prés possible de la pression totale. Principe a) Préchauffage et dispersion, L'eau à dégazer est préchauffée par récupération des calories disponibles dans la chaufferie, puis elle est dispersée, à la partie supérieure de l'enceinte de dégazage, en une infinité de fines gouttelettes de façon à la faire chuter uniformément sur toute la section. Ainsi, les gaz à éliminer n'auront pas à traverser de couche épaisse d'eau pour être expulsés.
  48. 48. 48 b) Réchauffage et balayage, L'eau est portée dans l'enceinte à une température souvent comprise entre 102 et 105°C, au fur et à mesure de son arrivée, par un apport de vapeur proportionnel introduit à la base de l'enceinte. Ainsi, l'eau tombant en pluie est balayée par un contre courant ascensionnel de vapeur. c) Expulsion des gaz et condensation Sous l'effet de la pression, souvent comprise entre 0,1 et 0,3 bar, le mélange gaz vapeur est poussé vers l'atmosphère à travers un orifice situé à la partie supérieure de l'enceinte. Avant expulsion, ce mélange est refroidi par l'eau à dégazer pour séparer la vapeur de gaz incondensables. La vapeur condensée redissout une faible partie des gaz expulsés et retourne à la partie supérieure de l'enceinte de dégazage. d) Rebouillage et stockage Avant de sortir de l'enceinte, l'eau déjà dégazée, entre en ébullition au contact de la paroi du rebouilleur alimenté par la vapeur de rechauffage. Elle tombe enfin dans la bâche de stockage maintenu en équilibre de pression avec l'enceinte de dégazage. La combustion et le rendement. Définitions -La combustion est une réaction chimique accompagnée d'un dégagement de chaleur (exothermique). Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voir une explosion (déflagration ou détonation). La combustion ne peut avoir lieu que lorsqu'on est en présence à la fois: d'un combustible, d'un carburant et d'une énergie d'activation en quantité suivante. L'énergie d'activation permet déporter le combustible à une température suffisamment enlevée pour obtenir son inflammation. Cette température dépend du combustible: la bagasse, bien que nous ne connaissons pas son énergie d'activation, on peut dire qu'elle est largement dépassé car les températures au niveau du foyer sont de l'ordre de + lOOO°C. le rendement d'une installation est le rapport de la puissance thermique utile délivrée p,ar le système sur la puissance thermique qui lui est apportée. Evaluer le rendement est l'une des taches les plus ardues auxquelles les spécialistes (les thermiciens) sont confrontés. Ce qui fait que les constructeurs donnent des formules assez simples pour les praticiens, plutôt approximatives et loin de la réalité dans la plupart des cas. C'est pourquoi nous allons combiner l'étude de la combustion par celle du rendement. Car en réalité c'est le rendement de la combustion qui nous intéresse vraiment.
  49. 49. 49 Le combustible Les combustibles sont composés d'un mélange de différents constituants actifs ou inertes, en proportion variables. Les principaux constituants actifs d'un combustible dégageant de la chaleur au cours de leur combustion sont: Le combustible utilisé est la bagasse. La bagasse est le résidu obtenu après broyage et extraction du jus de la canne à sucre. En moyenne une tonne de canne- donne 250kg de bagasse bien que les qualités de cannes ne sont pas identiques. Avec l'apparition du SHREDD~R, la préparation de la canne s'est nettement améliorée. Lorsqu'une batterie de moulins équipée d'un Shredder écrase la quantité de cannes pour laquelle elle a été réglée, comme cela se fait à la CSS, la bagasse arrive en chaudière avec une moyenne à 49% d'humidité et une « granulométrie» régulière. Lorsqu'on sait que 1% d'humidité représente environ 5ükcal soient 2ü9.3kj, plus la bagasse sera « sèche» plus le pouvoir calorifique sera élevé. Composition physique La composition physique de la bagasse varie dans d'assez étroites limites. Son caractère le plus important du point de vue de la formation de vapeur est son humidité. En dehors de l'eau, la bagasse contient : de la fibre, formée surtout de cellulose et constituant le ligueux de la bagasse. De matières en solution dans l'eau (cette eau provenant évidemment de l'imbibition et du jus), formés de sucre et d'impuretés. Ces matières dissoutes sont en petite quantité, de l'ordre de 2 à 4%. Composition chimique La composition moyenne standard sur sec est: C= 47% H = 6,5% =44% Divers = 2,5% La teneur moyenne en cendres est d'environ égale à 2%.
  50. 50. 50 Cependant l'analyse de référence effectuée sur la bagasse à la sortie des moulins donne d'autres valeurs. Nous utilisons ces valeurs puisque la bagasse utilisée provient directement des moulins sauf si : les moulins sont en arrêt la bagasse venant des moulins est trop humide. Dans ce cas on utilise en apport l'excèdent au niveau de la cour à bagasse. En moyenne on a sur humide: Teneur en eau 50% PCI 1850kcalJkg Analyse de référence : C'est à partir de la composition élémentaire du combustible que l'on calcule le pouvoir comburivore, le pouvoir fumigène, la teneur en CO2 d'une part. D'autre part les compositions des combustibles solides comme la bagasse différente en fonction de plusieurs paramètres (origines, condition de formation, variété, etc. Pour cette raison, l'analyse est difficile. On a généralement deux types d'analyses disponibles. On peut définir et déterminer teneur en eau, matières volatiles, teneur en carbone fixe , teneur en cendre. • Teneur en eau On chauffe une masse m de bagasse à IOOce sous vide. L'eau s'évapore et une masse ml de bagasse sèche reste.
  51. 51. 51 • Indice de matières volatiles On chauffe la bagasse sec à haute température et sans air (pyrogénation). De matières volatiles se dégagent et il reste un résidu solide, dit le coke, de masse m2 .On définit  Teneur en cendre On brule le coke en présence d'oxygène; il reste un résidu incombustible de masse m3 : les cendres .On définit • Teneur en carbone Finalement on peut définir la -Analyse chimique élémentaire: On brûle complètement un échantillon de bagasse sec en présence d'oxygène .On mesure les pourcentages de COz' H zO' °2 , N; dans les fumées et l'on en déduit les pourcentages massiques des composants C,R,O,N, en cendre dans le combustible. On doit remarquer que: • La teneur en carbone fixe déterminée par l'analyse immédiate est inférieure à celle par l'analyse chimique car les matières volatiles contiennent du carbone • L'oxygène du combustible est lié à l'hydrogène sous une forme d'eau appelée eau de constitution, dans ce cas, le pourcentage d'hydrogène disponible pour la combustion sera seulement H - 0/8 . • Les cendres sont des matières minérales qui affaiblissent la qualité du combustible en abaissant la température de combustion, d'un autre coté, à haute température, ils se décomposent et sont fusibles. Ce qui peut changer leur effet sur le rendement de combustion. Par ailleurs une approximation des pouvoirs calorifiques inferieur et supérieur est faite à partir des relations suivantes que nous utiliserons plutard.

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