Bases de la chaudière à vapeur

Principes de base de la chaudière à vapeur

Une chaudière à vapeur est un récipient fermé où l'eau est chauffée dans des conditions contrôlées pour la convertir en vapeur. La chaudière est essentiellement un échangeur de chaleur où la chaleur est transférée à l'eau. Il est aussi parfois appelé générateur de vapeur. L'énergie thermique pour le chauffage de l'eau est fournie soit par un combustible (Gaz, liquide ou solide) soit par l'énergie résiduelle disponible à partir de divers procédés industriels. Parfois, l'énergie solaire est également utilisée pour la production de vapeur. La vapeur produite dans une chaudière peut être à basse pression, moyenne pression ou haute pression. Dans un contexte industriel, la vapeur produite est utilisée comme vapeur de procédé dans divers procédés industriels ou pour entraîner des turbines pour la production d'électricité. Chaque chaudière est conçue pour transférer le plus d'énergie thermique possible à l'eau contenue dans la chaudière. L'énergie thermique est transférée par conduction, convection et rayonnement. Le pourcentage relatif de chacun dépend du type de chaudière, de la surface de transfert de chaleur conçue et des combustibles qui alimentent la combustion.

Il existe principalement deux types de chaudières. Ce sont des chaudières à tubes de fumée et des chaudières à tubes d'eau.

La chaudière à tubes de fumée se compose d'un certain nombre de tubes à travers lesquels les gaz chauds passent. Ces tubes de gaz chauds sont immergés dans l'eau, dans une enceinte fermée. Dans cette chaudière, un récipient fermé ou coque contient de l'eau, à travers laquelle passent des tubes de gaz chauds. Ces tubes à gaz chauds chauffent l'eau et convertissent l'eau en vapeur et la vapeur reste dans le même récipient. Les chaudières à tubes de fumée sont généralement utilisées pour des capacités de vapeur relativement faibles et des pressions de vapeur faibles à moyennes. Ces chaudières sont compactes, de construction emballée et moins chères.

La chaudière à tubes d'eau est une sorte de chaudière où l'eau est chauffée à l'intérieur des tubes et les gaz chauds les entourent. C'est juste en face de la chaudière à tubes de fumée. Dans cette chaudière, l'eau d'alimentation de la chaudière s'écoule à travers les tubes et pénètre dans le tambour de la chaudière. L'eau en circulation est chauffée par les gaz de combustion et convertie en vapeur dans l'espace vapeur du tambour. Cette chaudière est utilisée lorsque la demande de vapeur ainsi que les exigences de pression de vapeur sont élevées, comme dans le cas d'une chaudière nécessaire pour répondre aux besoins en vapeur des processus industriels ainsi que pour la production d'électricité. Les caractéristiques des chaudières à tubes d'eau comprennent (i) des dispositions de tirage forcé, induit et équilibré contribuant à améliorer l'efficacité de la combustion (ii) une moindre tolérance à la qualité de l'eau, d'où la nécessité d'une usine de traitement de l'eau, et (iii) des niveaux d'efficacité thermique plus élevés.

Composants d'un système de chaudière

Les principaux composants d'un système de chaudière sont l'usine de traitement de l'eau, les chauffe-eau d'alimentation de la chaudière, les dégazeurs, la pompe d'alimentation, l'économiseur, le surchauffeur, l'attemperator, le système de vapeur, le condenseur et la pompe à condensat. De plus, il existe des ensembles de commandes pour surveiller le débit d'eau et de vapeur, le débit de carburant, le débit d'air et les ajouts de traitement chimique. Le schéma du diagramme de flux de l'installation de la chaudière est illustré à la Fig 1

                                                              Fig 1 Schéma de principe de l'installation de la chaudière

En gros, un système de chaudière se compose d'un système d'eau d'alimentation, d'un système de vapeur et d'un système de carburant. Le système d'eau d'alimentation fournit de l'eau traitée à la chaudière et la régule automatiquement pour répondre à la demande de vapeur. Le système de vapeur recueille et contrôle la vapeur produite dans la chaudière. La vapeur est dirigée à travers un système de tuyauterie jusqu'au point d'utilisation. Le système de carburant comprend tous les équipements utilisés pour fournir du carburant afin de générer la chaleur nécessaire. L'équipement nécessaire dépend du type de combustible utilisé.

Système d'eau d'alimentation

L'eau d'alimentation est l'eau fournie à la chaudière qui est transformée en vapeur. Les deux sources d'eau d'alimentation sont le condensat ou la vapeur condensée renvoyée par le procédé et l'eau d'appoint qui est l'eau traitée de la station d'épuration. Les principaux composants du système d'eau d'alimentation sont indiqués ci-dessous.

Chauffe-eau d'alimentation - L'efficacité de la chaudière est améliorée par l'extraction de la chaleur résiduelle de la vapeur usée pour préchauffer l'eau d'alimentation de la chaudière. Les réchauffeurs sont des échangeurs de chaleur de type calandre et tube avec l'eau d'alimentation côté tube et la vapeur côté calandre. Le condensat est renvoyé vers le réservoir de stockage de condensat ou le puits chaud de condensat.

Désaérateurs - L'eau d'alimentation contient souvent de l'oxygène dissous à des niveaux inacceptables, qui provient de fuites d'air provenant du condenseur, des joints des pompes ou du condensat lui-même. L'oxygène est éliminé mécaniquement dans un désaérateur. Le désaérateur fonctionne sur le principe que l'oxygène est de moins en moins soluble à mesure que la température augmente. Cela se fait en faisant passer de la vapeur dans l'eau d'alimentation.

Économiseurs - Les économiseurs sont la dernière étape du système d'eau d'alimentation. Ils sont conçus pour extraire la valeur calorifique des gaz d'échappement pour chauffer la vapeur et améliorer l'efficacité de la chaudière. Ce sont de simples échangeurs de chaleur à tube à ailettes. Un économiseur d'eau d'alimentation réduit les besoins en carburant en transférant la chaleur des gaz de combustion à l'eau entrante.

Système vapeur

Le système de vapeur se compose de tambours de vapeur et de boue, de tubes de chaudière, de surchauffeurs, d'attempérateurs et de systèmes de condensat.

Tambours à vapeur et à boue - Le tambour à vapeur est le tambour supérieur d'une chaudière à tubes d'eau où se produit la séparation de l'eau et de la vapeur. Le tambour à vapeur contient des éléments internes pour l'entrée d'eau d'alimentation, l'injection de produits chimiques, l'élimination de la purge, le contrôle de niveau et la séparation de l'eau de vapeur. L'eau d'alimentation pénètre dans le tambour à vapeur à partir de l'économiseur. La vapeur s'écoule du haut du tambour à travers des séparateurs de vapeur. La sortie de vapeur part normalement de ce tambour vers un tambour inférieur par un ensemble de tubes de montée et de descente. Le tambour inférieur, appelé tambour à boue, est un réservoir situé au bas de la chaudière qui égalise la distribution de l'eau vers les tubes générateurs et collecte les solides tels que les sels formés à partir de la dureté et de la silice.

Tubes de chaudière - Les tubes de chaudière sont fabriqués en acier au carbone à haute résistance. Les tubes sont soudés pour former une paroi continue de tube. Habituellement, plus d'un banc de tubes est utilisé. Les tubes sont les plus susceptibles de tomber en panne en raison de problèmes d'écoulement ou de problèmes de dépôt de corrosion.

Surchauffeur - La vapeur qui sort de la chaudière est saturée car elle est en équilibre avec l'eau à la pression et à la température de la chaudière. Le but du surchauffeur est d'éliminer toute l'humidité de la vapeur en élevant la température de la vapeur au-dessus de son point de saturation. Le surchauffeur ajoute de l'énergie à la vapeur de sortie de la chaudière. L'énergie ajoutée augmente la température et la teneur en chaleur de la vapeur au-dessus du point de saturation. La vapeur surchauffée a un volume spécifique plus important.

Attemperators – Les attemperators contrôlent le degré de surchauffe. L'attempération est le processus de désurchauffe partielle de la vapeur par injection contrôlée d'eau dans le flux de vapeur surchauffée. Habituellement, l'eau d'alimentation de la chaudière est utilisée pour la températion.

Systèmes de condensat - Le condensat de divers systèmes d'échangeurs de chaleur est renvoyé à la chaudière dans le cadre de l'eau d'alimentation. Cependant, les condensats doivent être étroitement surveillés pour le pH et la pénétration d'oxygène et un traitement approprié des condensats doit être appliqué.

Système de carburant

Les systèmes d'alimentation en combustible jouent un rôle essentiel dans les performances des chaudières. Leurs principales fonctions comprennent le transfert du combustible dans la chaudière et la distribution du combustible dans la chaudière pour favoriser une combustion uniforme et complète. Le type de carburant influence les caractéristiques opérationnelles d'un système de carburant. Le système d'alimentation en combustible constitue le composant le plus important d'un système de chaudière. Les combustibles doivent être préparés pour la combustion et transportés vers la chaudière. Le système de combustion doit assurer la stabilité de la flamme sur une large plage de débits en créant une condition favorable à l'allumage du combustible et en établissant des conditions aérodynamiques qui assurent un bon mélange entre l'air primaire de combustion et le combustible. Les brûleurs sont les éléments centraux d'un système de combustion efficace.

Efficacité de la chaudière à vapeur

Dans la chaudière à vapeur, certaines pertes d'énergie se produisent, notamment une combustion incomplète, une perte de rayonnement provenant du mur d'enceinte de la chaudière à vapeur, de la chaleur transportée par les gaz d'échappement, etc. L'efficacité de la chaudière à vapeur donne une indication de ces pertes. L'efficacité de la chaudière à vapeur est le pourcentage de la chaleur totale exportée par la vapeur de sortie sur la chaleur totale fournie par le combustible, comme indiqué ci-dessous.

L'efficacité de la chaudière à vapeur comprend l'efficacité thermique, l'efficacité de la combustion et l'efficacité du combustible à la vapeur. L'efficacité de la chaudière à vapeur dépend de nombreux facteurs, notamment la taille de la chaudière, le type de chaudière, la conception de la chaudière, etc.

Classification des chaudières à vapeur

Sur la base de leur conception et de leur construction, les chaudières à vapeur sont principalement classées comme suit.

Chaudière à combustible pulvérisé - La plupart des centrales électriques au charbon et des chaudières à tubes d'eau industrielles utilisent du charbon pulvérisé. Cette technologie est bien développée et représente plus de 90 % de la capacité au charbon. Le charbon est broyé en une poudre fine, de sorte que moins de 2 % soit +300 microns (?m) et 70-75 % soit inférieur à 75 microns pour un charbon bitumineux. Le charbon pulvérisé est soufflé avec une partie de l'air de combustion dans la chaudière à travers une série de buses de brûleur. De l'air secondaire et tertiaire peut également être ajouté. La combustion a lieu à des températures de 1 300 à 1 700 °C, en fonction principalement de la qualité du charbon. Le temps de séjour des particules dans la chaudière est généralement de 2 à 5 secondes, et les particules doivent être suffisamment petites pour qu'une combustion complète ait eu lieu pendant ce temps. Ce système présente de nombreux avantages tels que la capacité de tirer différentes qualités de charbon, des réponses rapides aux changements de charge, l'utilisation de températures d'air de préchauffage élevées, etc.

Chaudière à combustion à lit fluidisé - Dans la chaudière à combustion à lit fluidisé (FBC), le système de combustion est conçu sur la base d'une combustion à lit fluidisé. Il présente des avantages significatifs par rapport au système de combustion conventionnel et offre de multiples avantages tels que la conception compacte de la chaudière, la flexibilité du combustible, une efficacité de combustion plus élevée et une réduction des émissions de polluants nocifs tels que les SOx et les NOx. Les combustibles brûlés dans ces chaudières comprennent le charbon, les déchets de lavage, la balle de riz, la bagasse et d'autres déchets agricoles.

Dans ces chaudières, la combustion en lit fluidisé (FBC) a lieu à environ 840 à 950 °C. Étant donné que cette température est bien inférieure à la température de fusion des cendres, la fusion des cendres et les problèmes associés sont évités. La température de combustion inférieure est obtenue en raison du coefficient élevé de transfert de chaleur dû au mélange rapide dans le lit fluidisé et à l'extraction efficace de la chaleur du lit à travers les tubes de transfert de chaleur dans le lit et les parois du lit. La vitesse du gaz est maintenue entre la vitesse minimale de fluidisation et la vitesse d'entraînement des particules. Cela garantit un fonctionnement stable du lit et évite l'entraînement de particules dans le flux de gaz. Il existe trois types de chaudières à lit fluidisé. Il s'agit (i) d'une chaudière à combustion à lit fluidisé atmosphérique (AFBC), (ii) d'une chaudière à combustion à lit fluidisé circulant atmosphérique (CFBC) et (iii) d'une chaudière à combustion à lit fluidisé sous pression (PFBC).

Chaudière à combustion à lit fluidisé atmosphérique - Dans ce type de chaudière, le charbon est broyé à une taille de 1 à 10 mm en fonction du rang de charbon, du type de combustible alimenté dans la chambre de combustion. L'air atmosphérique, qui sert à la fois d'air de fluidisation et d'air de combustion, est refoulé sous pression, après avoir été préchauffé par les gaz d'échappement. Les tubes dans le lit transportant de l'eau agissent généralement comme évaporateur. Les produits gazeux de la combustion traversent les sections de surchauffeur de la chaudière et passent devant l'économiseur, les dépoussiéreurs et le préchauffeur d'air avant d'être rejetés dans l'atmosphère.

Chaudières à combustion à lit fluidisé circulant atmosphérique - Dans un système à circulation, les paramètres du lit sont maintenus de manière à favoriser l'élutriation des solides du lit. L'élutriation est le processus dans lequel de fines particules sont évacuées d'un lit fluidisé en raison du débit de fluide traversant le lit. Les particules sont soulevées dans une phase relativement diluée dans une colonne montante de solides, et un déversoir avec un cyclone fournit un chemin de retour pour les solides. Il n'y a pas de tubes de génération de vapeur immergés dans le lit. La génération et la surchauffe de la vapeur ont lieu dans la section de convection, les murs d'eau et à la sortie de la colonne montante. Les chaudières CFBC sont généralement plus économiques que les chaudières AFBC pour les applications industrielles nécessitant plus de 75 à 100 tonnes/h de vapeur.

Chaudière à combustion à lit fluidisé sous pression - Dans cette chaudière, un compresseur fournit l'air à tirage forcé et la chambre de combustion est un récipient sous pression. Le taux de dégagement de chaleur dans le lit est proportionnel à la pression du lit et, par conséquent, un lit profond est utilisé pour extraire une grande quantité de chaleur. Cela améliore l'efficacité de la combustion et l'absorption du dioxyde de soufre dans le lit. La vapeur est générée dans les deux faisceaux de tubes, un dans le lit et un au-dessus. Les gaz de combustion chauds entraînent une turbine à gaz génératrice d'électricité. Le système PFBC peut être utilisé pour la cogénération (vapeur et électricité) ou la production d'électricité à cycle combiné. Le fonctionnement en cycle combiné (turbine à gaz &turbine à vapeur) améliore le rendement global de conversion de 5 à 8 %.

Chaudière de récupération de chaleur - Partout où la chaleur perdue est disponible à des températures moyennes ou élevées, une chaudière de récupération de chaleur est installée pour produire de la vapeur de manière économique. La vapeur peut être déchargée dans un groupe électrogène à turbine à vapeur et de l'énergie produite à partir de celle-ci. Il est largement utilisé dans la récupération de chaleur des gaz d'échappement.