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Chaudières de récupération par Michel PHILIPPE Ingénieur de l'École Bréguet de Paris Ingénieur en Chef du Département Matériels Thermiques Industriels à la société Stein-Industrie

1. Prés Présen enta tati tion on géné généra rale le.................. ...................................... ........................................ ....................................... ................... 1.1 Chaudi Chaudières ères avec ou sans sans combus combustio tion n ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 1.2 Types de chaud chaudièr ières es de récupéra récupératio tion n ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 1.2.1 Chaudières à circulation naturelle... naturelle..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 1.2.2 Chaudières à circulation contrôlée... contrôlée..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

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2. Chaudiè Chaudières res de récupé récupérat ration ion sans sans comb combust ustion ion.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 2.1 Classi Classifica ficatio tion n par type type d'ind d'indust ustrie rie... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 2.1.1 Métallurgie Métallurgie..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ....... 2.1.2 2.1.2 Chimie. Chimie..... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... 2.1.3 Pétrole. Pétrole. Pétrochimie Pétrochimie ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 2.2 Exemple Exemple de chaudière chaudière de récupératio récupération n sans combus combustion, tion, derrière un four à soufre...... soufre........... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... .. 2.2.1 Données Données du problème... problème...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 2.2.2 Solution Solution choisie .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ........ ...

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4 4 4 6 7

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9 9 10

3. 3.1 3.2 3.3

Chau Chaudiè dière ress à déch déchet etss sol solid ides es... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... Problèmes Problèmes liés liés à l'utilisat l'utilisation ion des déchets déchets solide solidess comme combus combustible tibless Choix Cho ix du du ssystè ystème me de de combu combusti stion on... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. Exemple Exemple de chaudiè chaudière re brûlant brûlant des des déchets déchets de bois et écorces écorces................ 3.3.1 Données Données du problème..... problème.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ........ ... 3.3.2 Solutions Solutions choisies. choisies...... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... 3.4 Inciné Incinérati ration on des des ordur ordures es ménag ménagères ères... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 3.4.1 Caractéristiques des ordures ménagères.. ménagères .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 3.4.2 Procédés Procédés de destruction. destruction..... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ..... 3.4.3 Principe de conception conception d'un incinérateur d'ordures ménagères ... 3.4.4 Cas de la chaudière de récupération installée à la suite d'un incinérateur..... incinérateur .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .........

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11 11 12 12 12 15 16 16 17 17

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4. Chaudiè Chaudières res à déch déchets ets liquid liquides es ou gazeux gazeux.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 4.1 4.1 Conc Concep epti tion on de de la chau chaudi dière ère..... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........ ... 4.2 Exempl Exemplee d'une d'une chaudiè chaudière re sur gaz gaz de vapocra vapocraque queur ur .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 4.2.1 Données Données du problème..... problème.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ........ ... 4.2.2 Solutions Solutions choisies. choisies...... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... 4.3 Unité Unité de récu récupéra pératio tion n de liqu liqueur eur noir noire. e.... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 4.3.1 Fonction de l'unité de récupération dans dans une usine de pâte à papier...... papier.......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... .. 4.3.2 Choix de la chaudière en fonction du procédé chimique utilisé .... 4.3.3 Exemple d'une unité de de récupération d'une usine Kraft. Kraft .................

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5. Chaudiè Chaudières res de de récupé récupérat ration ion derr derrièr ière e turbine turbiness à gaz ... ...... ...... ....... ...... ....... ..... 5.1 Principes Principes généraux généraux de conceptio conception n des chaudi chaudières ères de récupération récupération à tubes d'eau...... d'eau........... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ....... 5.1.1 Circulation Circulation d'eau.... d'eau......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ........ ... 5.1.2 Circulation Circulation des gaz .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... ........ ... 5.1.3 Utilisatio Utilisation n de la vapeur .......... ............... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 5.2 5.2 Post Post-c -com ombu bust stio ion n .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 5.2.1 Caractéristiques de fonctionnement... fonctionnement ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 5.2.2 Caractéristiques de construction... construction...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....

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CHAUDIÈRES DE RÉCUPÉRATION __________________________________________________________________________________________________________

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n a recherché, de tout temps, à détruire les déchets qui sont la conséquence des activités humaines : activités agricoles, artisanales ou industrielles. Dans un passé encore relativement récent, on cherchait soit à se débarrasser de produits encombrants, soit à régénérer les produits rejetés pour les utiliser à nouveau. Au cours des dernières décennies, on a pu constater une évolution relativement lente vers la récupération thermique des déchets. Cette évolution a été souvent freinée par des considérations techniques ou financières, mais elle a été beaucoup plus rapide depuis la Seconde Guerre mondiale, et cela pour plusieurs raisons.  L’activité industrielle, grande productrice de déchets, s’est accrue et diversifiée.  Les pouvoirs publics se sont inquiétés des problèmes d’environnement concernant la pollution et ont fait paraître, à cet effet, des décrets incitant ou imposant des limites de rejets. Cette pollution peut concerner l’atmosphère, l’eau de surface, les eaux sou- terraines. Pour chacun de ces cas de pollution, des lois, décrets ou contrats avec la pro- fession concernée ont vu le jour. Nous citerons comme exemple la loi du 2 août 1961 relative aux rejets de particules solides à l’atmosphère et les décrets d’application correspondants des 17 septembre 1963 et 13 mai 1974 ainsi que les arrêtés ministériels des 5 février et 20 juin 1975.  Le coût de l’énergie s’étant accru d’une manière brutale particulièrement depuis 1973, l’aspect récupération d’énergie est devenu prépondérant dans les décisions d’investissement d’investissement étant donné que l’aspect économique était profondé- ment modifié. Les pouvoirs publics ont, par ailleurs, accéléré cette évolution en imposant à tout générateur thermique des rendements minimaux. Nous citerons encore en exemple le décret du 13 mai 1974 et l’arrêté ministériel du 5 février 1975. Enfin, dans le cas d’un nouvel investissement, des encouragements et incitations financières, sous forme de subventions et de prêts bonifiés, sont pro- posés aux investisseurs en cas de diminution de consommation énergétique. Une Agence pour les économies d’énergie a même été créée, dans le cadre du ministère de l’Industrie et de la Recherche, pour juger les différents cas pro- posés et répartir ainsi les subventions. Ces incitations financières en vigueur à l’heure actuelle sont définies par décrets et valables pour des périodes indiquées aux décrets. Le domaine des chaudières de récupération ne touche que deux secteurs de l’économie d’énergie : — la récupération thermique , qui consiste à récupérer l'énergie sensible ou latente contenue dans un gaz, un liquide ou un solide dans un générateur de vapeur, d'eau ou de fluide thermique avec ou sans combustion ; — la régénération thermique , qui consiste, par échange de chaleur, à régé- nérer un produit de manière qu'on puisse le réutiliser soit comme combustible, soit comme corps entrant dans une fabrication. Sur le plan général, la chaudière de récupération, que nous traiterons dans le présent article, n’est qu’un moyen d’arriver à économiser le combustible noble parmi d’autres. Mais nous pourrions citer, sans que la liste soit limitative, d’autres domaines qui permettent d’arriver au même résultat et qui ont reçu des applications industrielles avec succès, tels que : — la gazéifi gazéificatio cation n ; — le compos compostag tagee ; — la pyro pyrolys lysee ; — le dépoussiér dépoussiérage. age.

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n a recherché, de tout temps, à détruire les déchets qui sont la conséquence des activités humaines : activités agricoles, artisanales ou industrielles. Dans un passé encore relativement récent, on cherchait soit à se débarrasser de produits encombrants, soit à régénérer les produits rejetés pour les utiliser à nouveau. Au cours des dernières décennies, on a pu constater une évolution relativement lente vers la récupération thermique des déchets. Cette évolution a été souvent freinée par des considérations techniques ou financières, mais elle a été beaucoup plus rapide depuis la Seconde Guerre mondiale, et cela pour plusieurs raisons.  L’activité industrielle, grande productrice de déchets, s’est accrue et diversifiée.  Les pouvoirs publics se sont inquiétés des problèmes d’environnement concernant la pollution et ont fait paraître, à cet effet, des décrets incitant ou imposant des limites de rejets. Cette pollution peut concerner l’atmosphère, l’eau de surface, les eaux sou- terraines. Pour chacun de ces cas de pollution, des lois, décrets ou contrats avec la pro- fession concernée ont vu le jour. Nous citerons comme exemple la loi du 2 août 1961 relative aux rejets de particules solides à l’atmosphère et les décrets d’application correspondants des 17 septembre 1963 et 13 mai 1974 ainsi que les arrêtés ministériels des 5 février et 20 juin 1975.  Le coût de l’énergie s’étant accru d’une manière brutale particulièrement depuis 1973, l’aspect récupération d’énergie est devenu prépondérant dans les décisions d’investissement d’investissement étant donné que l’aspect économique était profondé- ment modifié. Les pouvoirs publics ont, par ailleurs, accéléré cette évolution en imposant à tout générateur thermique des rendements minimaux. Nous citerons encore en exemple le décret du 13 mai 1974 et l’arrêté ministériel du 5 février 1975. Enfin, dans le cas d’un nouvel investissement, des encouragements et incitations financières, sous forme de subventions et de prêts bonifiés, sont pro- posés aux investisseurs en cas de diminution de consommation énergétique. Une Agence pour les économies d’énergie a même été créée, dans le cadre du ministère de l’Industrie et de la Recherche, pour juger les différents cas pro- posés et répartir ainsi les subventions. Ces incitations financières en vigueur à l’heure actuelle sont définies par décrets et valables pour des périodes indiquées aux décrets. Le domaine des chaudières de récupération ne touche que deux secteurs de l’économie d’énergie : — la récupération thermique , qui consiste à récupérer l'énergie sensible ou latente contenue dans un gaz, un liquide ou un solide dans un générateur de vapeur, d'eau ou de fluide thermique avec ou sans combustion ; — la régénération thermique , qui consiste, par échange de chaleur, à régé- nérer un produit de manière qu'on puisse le réutiliser soit comme combustible, soit comme corps entrant dans une fabrication. Sur le plan général, la chaudière de récupération, que nous traiterons dans le présent article, n’est qu’un moyen d’arriver à économiser le combustible noble parmi d’autres. Mais nous pourrions citer, sans que la liste soit limitative, d’autres domaines qui permettent d’arriver au même résultat et qui ont reçu des applications industrielles avec succès, tels que : — la gazéifi gazéificatio cation n ; — le compos compostag tagee ; — la pyro pyrolys lysee ; — le dépoussiér dépoussiérage. age.

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_________________________________________________________________________________________________________ CHAUDIÈRES DE RÉCUPÉRATION

1. Pré Présen senta tatio tion n géné général rale e Une chaudière de centrale thermique est généralement conçue pour fournir la vapeur nécessaire à la production d’énergie électrique avec le meilleur rendement possible. Une chaudière de récupération est conçue pour répondre à plusieurs critères de choix dont l’importance varie d’un cas à l’autre. Ces critères sont les suivants : — rendement : comme pour une chaudière conventionnelle, on doit rechercher à produire la vapeur avec une perte thermique le plus faible possible ; — fiabilité : si l’installation est incluse dans la chaîne de fabrication d’un produit, ce critère devient primordial ce qui est souvent le cas ; — simplicité de conduite : très souvent la chaudière n’est pas conduite par un spécialiste mais par une équipe exploitant la chaîne de production ; il est donc nécessaire que les manœuvres soient, dans toute la mesure du possible, simples et peu nombreuses ; — bonne adaptation à l'ensemble industriel : concevoir ce type de matériel nécessite de la part du technicien, en plus de ses qualités de thermicien, une bonne connaissance de l’ensemble dans lequel sera intégrée la chaudière ; il devra donc acquérir des notions en métallurgie, chimie, papeterie, etc., et dans bien d’autres secteurs industriels. Voyons, par ordre chronologique, les décisions que doit prendre le constructeur de chaudières pour résoudre un problème de récupération thermique.

1.1 Chaudières Chaudières avec avec ou sans combustion combustion Il sera nécessaire de connaître la nature du produit (solide, liquide ou gazeux) à traiter. Si l’analyse de ce produit n’est pas précisée dans l’appel d’offres, le constructeur devra effectuer une analyse chimique de manière à connaître : — le pouvoir pouvoir calorifique calorifique du produit produit ; — la nature des agents éventuelleme éventuellement nt corrosifs corrosifs ; — la teneur et la nature des poussière poussièress ou déchets abrasifs. abrasifs. Il devra, de plus, connaître les besoins en vapeur de l’industriel : — si le produit à récupérer présente un pouvoir calorifique indiscutable (> 4 000 J/ kg), le constructeur proposera une combustion de ce produit pour récupérer cette énergie sous forme de vapeur vive ; — si le produit à récupérer est à faible pouvoir calorifique (< 4 000 J/kg), ou n’est pas disponible d’une manière permanente, une étude économique sera au préalable réalisée pour juger de l’intérêt d’une combustion ; — si le produit à récupérer n'a aucun élément combustible, la chaudière sera proposée en récupération pure, sauf dans le cas où il est nécessaire d’incinérer un composant présent dans ce produit (cas de gaz malodorants). En réalité, le fait de choisir ou non la combustion détermine souvent le niveau de l’investissement : — dans le premier cas il s’agit s’agit d’une chaudière chaudière complète complète et souvent plus onéreuse qu’une chaudière conventionnelle ; — dans le deuxième cas il ne s’agit que d’une suite d’échangeurs disposés généralement en série dans un carneau ; le constructeur n’ayant pas l’obligation d’une géométrie particulière liée à la combustion peut, de plus, choisir une implantation économique.

1.2 Types de chaudières de récupération Une première remarque s’impose lorsqu’on les compare aux chaudières de puissance. En règle générale, le niveau de pression de la vapeur n’est pas très élevé (presque toujours inférieur à 70 bar).

Par ailleurs, la densité de flux thermique et le niveau de température des gaz sont assez nettement inférieurs à ceux atteints dans les chaudières de puissance. Ces deux considérations conduisent à remarquer qu’il n’existe pratiquement pas de chaudières de récupération à circulation forcée. Le constructeur interrogé a donc le choix entre la circulation naturelle et la circulation assistée aussi appelée contrôlée .

1.2.1 Chaudières à circulation circulation naturelle naturelle Compte tenu des remarques préliminaires indiquées, le constructeur, dans la mesure du possible, emploiera ce mode de circulation étant donné qu’il conduit au plus faible investissement. Cependant, compte tenu des faibles hauteurs de ces chaudières par rapport aux chaudières conventionnelles (sauf cas des chaudières de récupération de liqueur noire), la vitesse de la circulation sera faible. Le constructeur devra prendre des précautions, soit en utilisant des tubes de gros diamètre, soit en augmentant la hauteur de la chaudière, soit en installant un dispositif de séparation de l’eau et de la vapeur à faible perte de charge. Les systèmes de séparation par turboséparateurs, utilisés couramment dans les chaudières de grande puissance, sont très souvent remplacés par des systèmes à chicanes fixes. Ces derniers sont tout à fait adaptés, compte tenu du faible niveau de pression atteint.

1.2.2 Chaudières à circulation circulation contrôlée contrôlée Le principe de ce type de chaudière et son développement par Combustion Engineering aux États-Unis, sont particulièrement bien adaptés aux chaudières de récupération lorsque la circulation naturelle est jugée insuffisante. Elle peut l’être pour deux raisons différentes : — par suite d’une implantation imposée, compte tenu de de la place disponible et ne permettant pas à la chaudière une hauteur géométrique suffisante ; — par suite des conditions conditions particulières de fonctionnement fonctionnement nécessitant une circulation assistée ; c’est par exemple le cas d’installations à démarrage rapide dans lesquelles des débits importants de gaz chauds sont envoyés dans le système presque instantanément. Cas particulier de la chaudière type La Mont Il s’agit d’une chaudière dans laquelle l’eau saturée est mise en mouvement par une ou plusieurs pompes de circulation. Ce système est intermédiaire entre la circulation forcée et la circulation contrôlée se rapprochant, toutefois, plus de ce dernier. Comme la chaudière à circulation naturelle ou contrôlée, elle comporte un réservoir d’eau dans lequel s’effectue la séparation eau-vapeur. Le principe de fonctionnement de la chaudière La Mont est le suivant (figure 1). Une pompe de circulation placée en charge, sous le réservoir, envoie l’eau dans les parties vaporisantes à rayonnement et convection. Cette pompe est calculée pour permettre la circulation d’une quantité d’eau très supérieure à la quantité de vapeur produite. Ce débit sera déterminé pour que la teneur en vapeur de l’émulsion, à la sortie des vaporisateurs, ne dépasse pas une certaine limite que se fixe le constructeur. Comme pour la circulation contrôlée, tous les tubes ne recevant pas la même quantité de chaleur, d’autant que certains sont soumis au rayonnement et d’autres à la convection pure, on interpose dans les collecteurs d’alimentation un diaphragme à chaque tube. Ce diaphragme doit, par sa propre perte de charge, permettre de laisser passer, dans chaque tube, la quantité d’eau désirée. 


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On peut ainsi soit équilibrer la circulation pour que tous les tubes soient parcourus par un fluide circulant à la même vitesse, soit favoriser des circuits par rapport à d’autres, pour des questions de répartitions calorifiques différentes au démarrage de celles qui existent en régime normal. Ainsi, il est courant que le constructeur prévoie, pour un tube recevant un fort rayonnement de flamme ou de gaz chauds, des débits ou vitesses d’eau saturée supérieurs à ceux qui existent dans un tube uniquement soumis à la convection. Cette souplesse, que l’on retrouve d’ailleurs pour les chaudières à circulation contrôlée, est très importante pour les chaudières de récupération qui sont quelquefois composées d’échangeurs placés en série dans un flux gazeux dont les conditions thermiques sont très différentes d’un appareil à l’autre. Alors que dans une chaudière à circulation contrôlée le diaphragme est un orifice calibré, dans le cas de la chaudière La Mont le diaphragme est constitué d’une tuyère calibrée montée en aval d’une crépine constituée d’un cylindre percé de trous de petit diamètre (figure 2).

L’ensemble est installé dans le collecteur d’alimentation des vaporisateurs (distributeur) avec son trou et bouchon de visite pour mise en place de ces diaphragmes et crépines. Le but de la crépine est d’arrêter, avant la tuyère, les particules solides entraînées par l’eau de la chaudière. Compte tenu des qualités d’eau actuellement obtenues dans ces installations, ces particules ne peuvent exister que pendant le premier démarrage de l’installation.

2. Chaudières de récupération sans combustion Très fréquemment dans l’industrie, on trouve disponible, dans le cycle de fabrication, des gaz chauds qui peuvent être soit réutilisés, soit rejetés à l’atmosphère. Si le niveau de température est élevé, il est nécessaire de les traiter avant de les rejeter ou de les utiliser. Deux cas se posent : — les gaz sont finalement rejetés ; ils peuvent alors être refroidis, si la quantité est faible, par dilution à l’air froid ou par vaporisation d’eau et, si la quantité à rejeter est importante, par refroidissement préalable dans une chaudière de récupération ; — les gaz sont utilisés ; il est alors nécessaire de les amener à un niveau de température compatible avec le procédé de fabrication ou, éventuellement, pour dépoussiérage avant utilisation. Là encore deux solutions sont possibles : dilution à l’air ou refroidissement à l’eau et refroidissement dans une chaudière de récupération.

2.1 Classification par type d'industrie Nous n’avons pas la prétention de répertorier toutes les chaudières de récupération pouvant exister, mais nous essaierons, dans ce paragraphe, de décrire les chaudières de récupération le plus couramment utilisées et pouvant donner une image générale de ce type de matériel.

2.1.1 Métallurgie Figure 1 – Chaudière à circulation contrôlée La Mont : principe

Dans ce secteur de l’industrie ce problème est assez fréquent car, très souvent, l’élaboration du métal conduit à la production d’une grande quantité de gaz fortement chargés en poussières. 2.1.1.1 Aciérie Jusqu’au milieu du XX e siècle l’acier a été produit dans des convertisseurs ou fours électriques qui produisaient une quantité intermittente de gaz assez peu chargés en poussières. Cas des convertisseurs à l'oxygène Aujourd’hui l’acier est très souvent produit par des convertisseurs à l’oxygène qui donnent un acier de meilleure qualité. Dans un convertisseur à l’oxygène, la réaction est infiniment plus intense et les températures des gaz s’échappant du convertisseur peuvent atteindre 1 600 à 2 000 oC. Dans ces conditions une partie du fer est sublimée et entraînée par les gaz s’échappant du convertisseur. Par ailleurs, ces convertisseurs permettent de traiter, par coulée, des quantités de fer considérablement plus importantes qu’avec le convertisseur Bessemer. Les deux facteurs, poussières entraînées et importance du convertisseur, obligent l’aciériste à dépoussiérer les gaz de manière à accroître l’économie du système et à éviter les rejets polluants importants à l’atmosphère. Mais il n’est pas question de traiter des gaz à un tel niveau de température, on installe donc, en général, une chaîne de récupération, telle celle représentée sur la figure 3. 

Figure 2 – Tuyère calibrée à l'entrée d'un tube vaporiseur

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Figure 3 – Système de récupération derrière un convertisseur à l'oxygène : schéma de fonctionnement

Un premier refroidissement (de 1 600 à 900 oC environ) a lieu dans la hotte coiffant le convertisseur. Le refroidissement final est effectué dans une tour refroidie à l’eau avant d’effectuer le dépoussiérage à une température d’environ 300 à 400 oC. Sans entrer dans le détail des particularités techniques, de la hotte refroidie, nous mentionnerons, pour illustrer la nécessité pour le chaudiériste d’une parfaite connaissance du procédé, le problème de l’intermittence du phénomène (figure 4). En effet, une coulée se déroule sur une durée d’environ 1 h, mais le soufflage produisant les gaz chauds ne dure que 20 min environ. De plus, ce soufflage n’est pas constant pendant ces 20 min et le démarrage est extrêmement rapide. Cela a plusieurs conséquences sur la chaudière de récupération : — pour pouvoir utiliser la vapeur produite, il est nécessaire d’avoir une installation comportant plusieurs convertisseurs et, de plus, une possibilité d’accumulation de vapeur ou d’eau importante ; — pour que la chaudière fonctionne sans dommages, il est nécessaire de l’équiper d’une circulation d’eau, cela évite, au démarrage du convertisseur, une mise en route brutale, ce qui entraînerait des chocs thermiques et mécaniques dommageables. Nota : nous citons les hottes sur convertisseurs, dans ce paragraphe des chaudières de récupération sans combustion, mais nous nous devons préciser qu'il existe des installations (§ 4.1) dans lesquelles le CO contenu dans les gaz est brûlé dans la hotte, ce qui augmente la chaleur récupérée.

Cas des fours Martin Un assez grand nombre de fours Martin, de moyenne ou forte puissance, sont équipés de chaudières de récupération. 

Figure 4 – Hotte Stein-Industrie sur convertisseur à l'oxygène de 25 t/h

Le chaudiériste doit encore, dans ce cas, faire preuve d’originalité dans la conception du matériel pour éviter les écueils dus aux conditions de fonctionnement particulières de ces installations, à savoir : — la forte température des gaz ; — la faible vitesse de gaz provoquant l’encrassement ; — l’isolement de la chaudière pour nettoyage périodique.


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Les solutions à ces problèmes existent, et la majeure partie des installations comporte des chaudières généralement à tubes de fumées compte tenu des faibles puissances mises en jeu. 2.1.1.2 Usines productrices de cuivre Le cuivre est généralement produit dans un four électrique travaillant à très haute température (1 300 à 1 400 oC). Le four produit un gaz très chargé en poussières qu’il est nécessaire de traiter avant rejet à l’atmosphère. Ce gaz est envoyé dans une chaudière de récupération comprenant un foyer (sans combustion) destiné à le décanter pour récupérer les poussières dans une trémie, les refroidir pour qu’elles en sortent à une température telle que les suies soient moins collantes ; les gaz traversent ensuite une série d’échangeurs travaillant en convection. La nature très collante des poussières de ces gaz conduit à une conception particulière avec ramoneurs d’écrans de foyer et échangeurs à pas très large, de manière à éviter les colmatages.

2.1.2 Chimie Le nombre de chaudières de récupération est, dans cette industrie, très important étant donné la diversité des produits et la taille des usines. La vapeur produite est envoyée sur le réseau de l’usine. Nous ne citerons que quelques exemples parmi les plus importants. 2.1.2.1 Chaudière de récupération derrière four à soufre Ce soufre a plusieurs origines dont les plus connues sont les suivantes : — extraction du gaz naturel (Lacq par exemple) ; — extraction de minéraux (pyrites) ; — fabrication de produits chimiques dérivés du pétrole (pétrochimie).

Suivant l’origine de ce soufre, les qualités et la conception de la chaudière peuvent être très différentes. Dans le cas du soufre naturel, ou de procédé, seuls les problèmes de nettoyage sont importants ; on pourra utiliser des tubes lisses ou éventuellement à ailettes. De nos jours les quantités d’acide sulfurique nécessaires, pour l’élaboration des engrais chimiques agricoles, ont largement augmenté. Cet acide sulfurique est produit par un convertisseur utilisant des fumées de SO2 provenant d’un four dans lequel est brûlé le soufre. La description d’une chaudière de ce type sera étudiée au paragraphe 2.2. Il s’agit, dans ce cas, d’une chaudière installée sur unité de production d’acide sulfurique produit à partir de pyrite. Dans le cas de soufre provenant de pyrites, les problèmes à régler concernent l’encrassement et l’érosion. Il sera nécessaire d’en tenir compte particulièrement par un choix judicieux des vitesses de gaz chauds dans les échangeurs. 2.1.2.2 Chaudières de récupération sur gaz nitreux Les problèmes liés à la récupération sur gaz nitreux sont de divers ordres : corrosion, encrassement, encombrement (figure 5). Pour les résoudre, suivant les caractéristiques, le chaudiériste choisira entre la chaudière à tubes de fumée (petites puissances), la chaudière à circulation naturelle et la chaudière à circulation forcée. Le problème d’encrassement est, à l’heure actuelle, résolu par des dispositions de surfaces d’échange appropriées. Le problème d’encombrement est également résolu : — soit par l’utilisation des tubes à ailettes qui diminue les dimensions des différents échangeurs ; — soit par l’utilisation de chaudières à circulation forcée qui, en outre, présentent des avantages évidents lors des phases de démarrage rapide.

Figure 5 – Chaudière Fives-Cail-Babcock de récupération sur gaz nitreux (usine Kuhlmann de La Madeleine-lez-Lille)

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2.1.2.3 Chaudières de récupération pour unité de synthèse d'ammoniac Ce problème est très particulier étant donné qu’il s’agit de refroidir des gaz à très forte pression (pouvant atteindre 300 bar) par de l’eau d’un niveau de pression inférieur (figure 6). Dans ces conditions la chaudière se présente sous la forme d’un échangeur avec gaz pouvant être à l’intérieur des tubes. Compte tenu des niveaux de pression les problèmes d’étanchéité et de dilatation sont extrêmement difficiles à résoudre et le constructeur devra, par un calcul mécanique très poussé, tenir compte de ces effets conjugués.

2.1.3 Pétrole. Pétrochimie Le principe même du craquage du pétrole étant fondé sur les échanges de chaleur, les besoins en source chaude, dans les raffineries ou usines pétrochimiques, sont considérables. Il s’ensuit un développement important des réseaux de vapeur à haute, moyenne et basse pressions qui favorisent l’implantation de chaudières de récupération. Dans certains cas, cette récupération se produit avec combustion de gaz CO, résidus lourds tels que goudron, tar, etc. Dans d’autres cas, il s’agit de refroidir des gaz soit pour récupérer la chaleur, soit pour conditionner le produit dans le but d’une utilisation ultérieure. Nous ne pouvons évidemment pas citer tous les cas que l’on peut trouver dans ces usines, mais essayons de les classer en fonction de leur provenance.

Figure 6 – Chaudière Fives-Cail-Babcock de récupération sur unité de synthèse d'ammoniac de 1 000 t/ j (usine SEIF de Nangis)


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2.1.3.1 Four de craquage. Vapocraqueur ou craqueur catalytique Dans tous les cas il s’agit de refroidir les gaz provenant d’un craqueur avant de les rejeter à l’atmosphère. Dans le cas d’un vapocraqueur les seuls problèmes à résoudre, par les chaudiéristes, sont : — la faible perte de charge disponible, souvent uniquement la dépression due à la cheminée ; cela impose des vitesses de fumées faibles et généralement l’utilisation de tubes à ailettes puisque le problème de l’encrassement n’existe pas ; — les incidents de fonctionnement (reverse-flow ou over-flow ) du vapocraqueur ou les marches transitoires ; dans les deux cas la quantité et la température des gaz croissent brutalement et généralement pendant de courtes périodes ; — les démarrages au cours desquels les variations d’allure sont importantes. Tous ces problèmes peuvent être résolus en choisissant la circulation contrôlée, voire forcée et, en tout état de cause, un surdimensionnement des appareils. Dans le cas du craqueur catalytique, on retrouve les mêmes problèmes. En outre, le catalyseur étant entraîné par les gaz qui sont souvent érosifs, il est nécessaire de choisir des vitesses de gaz assez faibles. Pour les petites unités on peut également choisir les chaudières à tubes de fumées qui, sans présenter les mêmes avantages que les chaudières à tubes d’eau, sont plus économiques. 2.1.3.2 Four de reformage Ces fours de traitement des produits pétroliers sont habituellement chauffés au fuel-oil ou au gaz de procédé. Les fumées s’échappant de la partie procédé de ces fours étant à trop haute température pour être rejetées directement à l’atmosphère, elles peuvent être refroidies dans des zones de convection formant générateur de vapeur ou réchauffeur de fluide thermique. Toutefois, le niveau de température des fumées à l’entrée de ces récupérateurs n’est pas suffisant pour surchauffer la vapeur à la température nécessaire au réseau haute pression de l’usine, il est donc nécessaire de surchauffer cette vapeur dans des appareils indépendants (figure 7). La sélection du matériel dans ces différents cas s’établit sur les critères suivants : — fiabilité : la chaudière faisant partie du procédé, sa fiabilité est primordiale ; ce matériel sera donc calculé avec de larges coefficients de sécurité ; — adaptation au système : elle impose plusieurs contraintes : • des fourchettes de fonctionnement et donc de calcul serrées, • une implantation tenant compte de l’espace disponible entre les différentes unités. Pour cette dernière raison, les échangeurs seront aussi compacts que possible. Étant donné que les fumées sont habituellement propres le tube à ailettes peut être utilisé. 2.1.3.3 Chaîne de récupération Dans les unités pétrochimiques modernes, la complexité est telle que, très souvent, il est nécessaire de dimensionner une chaudière de récupération à usages multiples, alors appelée chaîne, dans laquelle le fluide chauffant, provenant d’un ou plusieurs fours, traverse une série d’échangeurs à l’intérieur desquels circulent plusieurs fluides différents (figure 8). Les problèmes les plus importants à résoudre sont les mêmes que ceux des chaudières de récupération sur four de reformage. L’amplitude des dilatations très variables entre les échangeurs implique un système de suspension particulièrement adapté. Outre ce problème, le constructeur devra être attentif aux variations de température des produits chauffés en fonction de l’allure, à la

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Figure 7 – Surchauffeur de vapeur Naptachimie-Lavera



corrosion dans les zones à basse température, à la perte de charge sur les fumées. Il est à noter également que toute déviation sur les conditions de fonctionnement d’un appareil aura un effet direct sur le fonctionnement de l’appareil aval. Compte tenu de la complexité du système de récupération, une coopération étroite doit s’établir entre le constructeur et le client, ou son ingénieur-conseil, pour que soit retenue la solution la mieux adaptée à l’ensemble du problème.

2.2 Exemple de chaudière de récupération sans combustion, derrière un four à soufre Nous avons choisi, pour illustrer ce domaine d’application de la technique de construction des chaudières, une installation de récupération, sans combustion, derrière un four à soufre. Dans cet exemple, la chaudière est placée entre un four à pyrite et l’ensemble convertisseur produisant de l’acide sulfurique.

2.2.1 Données du problème Il faudra faire avec le client l’inventaire de toutes les caractéristiques particulières du produit à récupérer en ayant toujours à l’esprit les écueils à éviter : corrosion, encrassement, complexité. Cette étape de la conception est extrêmement importante car elle va décider, jusque dans le détail, de la technique à adopter. Le client, qui a généralement la meilleure connaissance du produit et souvent l’expérience, devra participer à cette conception.

Dans l’exemple choisi, ce travail de recherche, de réflexion et de concertation avec le client a permis de recueillir les données suivantes : le four qui est en amont de la chaudière brûle des pyrites contenant une grande proportion de soufre et délivre, à l'entrée de la chaudière, un gaz contenant environ : • 13 % de SO2 • moins de 1 % de SO3 • 78 % de N2 • 8 % de O2 sa température est d’environ 1 100oC. Ce gaz contient, en outre, des particules en suspension, non collantes, dans les zones de température de 1 100 à 400 oC, mais érosives. Ce gaz ne contient pas d’eau pour éviter d’avoir formation d’acide sulfurique. Le procédé de fabrication de l’acide sulfurique impose que les gaz, à l’entrée du convertisseur, soient à une température réglée d’environ 450 oC dans une fourchette assez serrée. L’eau arrivant à basse température est préalablement chauffée jusqu’à la température de saturation avec une proportion de vapeur saturée non négligeable dans un économiseur spécial, en tubes d’acier avec manchon en fonte pour éviter les corrosions à basse température. Cet économiseur, placé en aval des convertisseurs, permet de récupérer une partie de la chaleur sensible contenue dans les gaz. La chaudière située entre le four et le convertisseur est, compte tenu de l’espace disponible, placée immédiatement après le four dans lequel s’effectue la combustion, et reçoit ainsi un rayonnement de chaleur important. Tout le système du côté des fumées est pressurisé. La fabrication de l’acide sulfurique impose, dans ce cas, une pression très importante, environ 20 000 Pa ; de manière à éviter une dépense supplémentaire d’énergie, il est demandé au système de ne pas avoir une perte de charge totale de plus de 500 Pa.

Figure 8 – Chaîne de récupération


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2.2.2 Solution choisie 2.2.2.1 Surface d'échange Dans l’énoncé des données, deux caractéristiques sont prédominantes pour le choix de surface : — le gaz est chargé en poussières érosives ; — la chaudière de récupération reçoit la chaleur de rayonnement du four. La première caractéristique a conduit à prévoir des échangeurs démontables, étant entendu que cette opération ne se ferait que tous les ans environ. Pour limiter les risques d’érosion, de bouchage, et pour ne pas dépasser les pertes de charge permises sur les fumées, le choix s’est porté sur des petits tubes de 31,8 et 38 mm de diamètre, sans ailettes et non quinconcés (article Échangeurs de chaleur [B 2 345] de ce traité). Les échangeurs composés de plusieurs boucles et de plusieurs éléments identiques en parallèle sont pendus à un plafond porteur, de manière à être démontables sans difficulté. Pour tenir compte du rayonnement du four, un échangeur à fluide froid (vaporisateur) est placé en tête de la chaudière. La température des gaz, à la sortie de la chaudière, étant d’environ 380 oC, et la température de la vapeur surchauffée (375 oC), le surchauffeur de vapeur a été placé dans une zone de gaz plus chauds.

Le choix final est : vaporisateur B , surchauffeur C , vaporisateur D (figure 9). 2.2.2.2 Circulation Le niveau de pression de 50 bar environ permet de choisir la circulation naturelle. C’est la solution couramment adoptée. Cependant, la solution avec deux ballons et un faisceau de tubes ne permet pas un démontage rapide. La solution de la circulation contrôlée qui permet une grande souplesse dans le découpage des échangeurs et une conception avec échangeurs pendus a été choisie. Finalement, le circuit est celui représenté sur la figure 10. Le réservoir de la chaudière a été placé sur une charpente d’une hauteur d’environ 6 m pour permettre à la pompe de circulation, travaillant en eau saturée, d’avoir une charge suffisante. Des diaphragmes, d’une conception semblable à celle utilisée pour les chaudières de grandes centrales à circulation contrôlée, ont été placés dans les collecteurs distributeurs de chacun des vaporisateurs. Leur perte de charge a été calculée : — pour assurer une bonne stabilité de circulation dans tous les éléments en parallèle sur les circuits eau-vapeur, à toutes les allures de fonctionnement de la chaudière ; — pour assurer une répartition des débits dans les faisceaux vaporisateurs B et D favorisant le faisceau B soumis au rayonnement du four et des gaz chauds à l’entrée.

Figure 9 – Chaudière de récupération Stein-Industrie (usine Péchiney Saint-Gobain de Grand-Quevilly II)

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Le constructeur a choisi une enveloppe à section rectangulaire pour qu’elle soit adaptée aux faisceaux. Cette enveloppe métallique étanche a été ceinturée de fers, comme dans une chaudière pressurisée moderne, pour reprendre les effets de la pression interne. À l’intérieur de cette enveloppe métallique le constructeur a prévu une fumisterie isolante et à l’extérieur un calorifugeage. Les épaisseurs des fumisteries intérieures et calorifugeages extérieurs variables sur toute la longueur de la chaudière ont été calculées pour que la température de la tôle soit toujours largement supérieure à la température de condensation des fumées (220 oC), et inférieure à la température de 350 oC au-delà de laquelle se seraient posés des problèmes de fluage et de dilatation. Enfin, des longerons ont été placés aux quatre angles de la chaudière calorifugée extérieurement. Les deux longerons inférieurs permettent de transmettre la dilatation à toute la chaudière et sur toute sa longueur. En effet, le four à soufre étant un point fixe, les gaz sortant de ce four à 1 100 oC, compte tenu de leurs caractéristiques, rendent l’utilisation de joints de dilatation extrêmement délicate. La chaudière de récupération doit se dilater entièrement. Ces longerons en outre reprennent le poids de la chaudière ; ils reposent sur des massifs en béton par l’intermédiaire de plaques et rouleaux donnant une résistance au frottement le plus faible possible.

3. Chaudières à déchets solides

Figure 10 – Chaudière de récupération de la figure 9 : schéma de circulation

Une pompe de circulation travaillant à la pression de 50 bar a été déterminée de manière à obtenir des vitesses d’eau, dans les tubes des faisceaux vaporisateurs, compatibles avec la bonne tenue de tous les tubes. Cette pompe de circulation crée une pression différentielle faible d’environ 2 bar représentant les pertes de charge d’un circuit, c’est-à-dire, tuyauterie réservoir-pompe, tuyauterie pompevaporisateur, diaphragme, faisceau vaporisateur, tuyauterie vaporisateur-réservoir et enfin séparateur dans le réservoir. Le réservoir, comme dans les grandes chaudières de centrales à circulation contrôlée, a été équipé d’un habillage standard avec turboséparateurs et sécheur. L’eau d’alimentation, comme indiqué ci-dessus, passe à travers un économiseur qui est vaporisant. La quantité de vapeur produite par cet économiseur, et arrivant au réservoir avec l’eau, étant importante, le constructeur a décidé de traiter cette arrivée comme un dégagement d’un faisceau vaporisateur. Un turboséparateur spécial a été affecté à la séparation eau-vapeur de cette arrivée. 2.2.2.3 Étanchéité. Dilatation Les fumées provenant d’un four, brûlant du soufre, contiennent une grande quantité de SO 2 et quelques traces de SO3 . Bien que la combustion soit effectuée avec de l’air sec, il faut éviter, dans la chaudière de récupération, que l’enveloppe ne soit portée à une température telle que des condensations existent. On aurait alors une corrosion sulfurique très rapide. En outre, la pression des fumées est d’environ 20 000 Pa, ce qui est considérable.

La variété et la qualité des déchets solides, contenant des parties combustibles en proportion variable, sont très importantes. Il suffit de réfléchir à l’environnement quotidien pour s’en persuader : ordures ménagères, bois, déchets agricoles, etc. Il s’agit donc d’un problème très important et qui pourtant n’a pas été abordé d’une manière systématique dans les dernières décennies.

3.1 Problèmes liés à l'utilisation des déchets solides comme combustibles Si l’on cherche à classer les déchets, on peut trouver trois origines différentes : — déchets agricoles : bois, céréales, bagasse, etc. ; — déchets domestiques : ordures ménagères (ces déchets seront traités au paragraphe 3.4 compte tenu de leur importance) ; — déchets industriels : plastiques, chiffons, caoutchoucs, peintures, etc. À titre d'exemple nous donnons une liste des déchets le plus couramment utilisés, donc les meilleurs combustibles. Pouvoir calorifique des produits tels que brûlés (kJ/kg) — bagasse........................................ 11 700 — écorces......................................... 10 900 — déchets de bois et sciures .......... 8 400 — gangue de grains de café . ........... 13 400 — coque de noix............................... 18 000 — balle de riz.................................... 13 800 — balle de blé................................... 18 800 — ordures ménagères ...................... 5 000 à 8 400 — déchets industriels....................... 12 500 à 33 400


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Dans tous les cas l’utilisation de ces produits comme combustibles est délicate ; cela tient à plusieurs raisons : — aspect physique hétérogène ; — teneur en eau importante ; — pouvoir calorifique souvent faible ; — produit comprenant fréquemment des composants néfastes, soit du point de vue de la corrosion, soit du point de vue de l’érosion ou du collage. Toutes ces raisons font que les chaudières à déchets solides sont rarement identiques ; leur conception doit prendre en compte les différents critères indiqués ci-avant. De plus, le coût d’investissement est incomparablement plus élevé que celui d’une chaudière équivalente à combustibles liquides ou gazeux. C’est la raison première pour laquelle, jusqu’à ce jour, assez peu d’installations de ce type sont en exploitation. Cependant, l’accroissement des coûts de combustibles classiques devrait développer rapidement l’utilisation de ces déchets solides. Bien que ce problème déborde quelque peu du cadre du sujet traité, il paraît nécessaire de signaler que l’utilisation des déchets solides peut, dans le cadre de la meilleure utilisation de l’énergie disponible, trouver des solutions qui se rapprochent du sujet traité. En effet, depuis longtemps on sait produire du charbon de bois ou gazéifier des végétaux. Cette voie fait aujourd’hui l’objet d’un certain nombre de travaux de recherche. Si le gazogène est un appareil bien connu, il est toutefois très limité en taille et la recherche actuelle, dans ce domaine, va vers les unités de gazéification de grande taille. Cela permettrait de distribuer ce gaz dans des réseaux alimentant plusieurs appareils de combustion. On peut également songer à utiliser directement ces gaz de gazogènes dans une turbine à gaz ou un moteur dual fuel-gaz.

3.2 Choix du système de combustion Les systèmes de combustion utilisés à ce jour pour brûler les déchets solides sont les suivants : — grille mécanique ; — grille fixe (figure 11) ; — projeteur et grille (figure 12) ; — brûleur à produit pulvérisé ; — lit fluidisé ; — foyer auxiliaire. Pour la description des différents types de systèmes de combustion, le lecteur pourra se reporter aux articles Équipements de combustion pour combustibles solides [B 117] [B 117,1] [B 117,4] [B 117,5] [B 117,6] [B 117,9] dans ce traité. Remarque 1 Le brûleur à produit pulvérisé a été très peu utilisé jusqu’à ce jour du fait de plusieurs difficultés : — puissance de broyage importante ; — difficultés pour broyer les fibres végétales ; — envolées de produit importantes. Remarque 2 Le lit fluidisé actuellement utilisé ou en cours d’expérimentation, pour des combustibles homogènes tels que le charbon, n’a pas encore d’application pour les déchets solides, compte tenu de la nature physique hétérogène du produit. Il est cependant cité comme une solution possible et des installations pilotes sont en cours d’étude ou d’essais.

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Remarque 3 La combustion du déchet s’effectue dans un foyer auxiliaire non refroidi, séparé de la chaudière de récupération. Le combustible est injecté dans ce four soit par projection, soit par vis. Il est brûlé à haute température après mélange avec l’air de combustion à haute pression pour assurer un bon mélange. Les gaz de combustion très chauds (1 000 à 1 20 0 oC) sont introduits dans la chaudière de récupération qui se compose d’un foyer et d’une série d’échangeurs. Cette solution, souvent adoptée pour les petites installations, est limitée par la taille des foyers, à l’heure actuelle, à environ 20t/h de vapeur produite pour des raisons de technologie de construction et des considérations économiques. Il faut noter que cette solution avec foyer non refroidi offre l’avantage de permettre une combustion stable même avec des combustibles énergétiquement pauvres.

3.3 Exemple de chaudière brûlant des déchets de bois et écorces Une chaudière brûlant dans une papeterie des déchets de bois et écorces (figure 13) illustre ce paragraphe. Cet exemple est tout à fait représentatif des problèmes posés et les solutions adoptées, détaillées ci-après, sont presque entièrement valables pour tous les déchets forestiers ou agricoles. Cette chaudière est destinée à produire de la vapeur moyenne et basse pression nécessaire à la fabrication du papier et utilise comme combustible de base les écorces séparées du bois, dans l’usine même, avec en appoint du gaz naturel. De plus, les pressions et températures de vapeur choisies permettent de produire une partie de l’énergie électrique nécessaire à l’usine dans une turbine à contre-pression.

3.3.1 Données du problème La papeterie approvisionne son usine à partir de bois de pin non écorcé. Elle dispose d’un parc à bois dans lequel les écorces sont enlevées dans des tambours écorceurs et le bois déchiqueté en morceaux dans des broyeurs spéciaux. La granulométrie de ces écorces est la suivante : — inférieure à 100 mm : 100 % ; — inférieure à 50 mm : 95 % ; — inférieure à 12,5 mm : 50 %. La quantité des écorces disponibles est de 32 t/h, avec un pouvoir calorifique sur sec de 16 700 kJ/kg, ce qui avec un rendement d’environ 85 % et une humidité du bois moyenne de 50 % permet de produire 90 t/h de vapeur à 80 bar et 460 oC. La quantité de vapeur moyenne et basse pression nécessaire à l’usine en marche maximale est de 150 t/h ; le complément doit donc être fourni par un combustible auxiliaire, dans ce cas le gaz naturel. À partir de ces données de base, le processus de conception est le même que dans le cas du paragraphe 2. Il débute, pour connaître les problèmes, par une série d’échange d’idées avec le client qui a permis de mettre en évidence un certain nombre de données, les plus importantes étant : — la teneur en silice du combustible très élevée, le bois étant traîné sur le sol, le sable et la terre sont incrustés en grande quantité dans l’écorce ; — la teneur en eau varie avec les saisons et peut atteindre dans certains cas 55 % ; — la quantité des cendres est très faible et de plus celles-ci sont légères ; — la demande en vapeur de l’usine est à peu près constante mais il existe des à-coups provoqués par les machines à papier.



Figure 11 – Chaudière Riley à grille fixe de la Société d'exploitation d'usines métallurgiques (SEUM) à grille fixe


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Figure 12 – Grille mécanique et projeteur

Figure 13 – Chaudière Stein-Industrie pour chauffe mixte : écorces, gaz de Lacq et fuel-oil lourd (usine de la Cellulose du Pin à Facture)

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3.3.2 Solutions choisies 3.3.2.1 Équipement de combustion Compte tenu de la quantité d’écorces à brûler, quatre projeteurs mécaniques associés à une grille mécanique ont été retenus. Une attention toute particulière est portée à l’alimentation de ces projeteurs (figure 14). Il est en effet primordial d’alimenter d’une façon continue la grille sur toute sa largeur. Il faut donc répartir en quantité et granulométrie les écorces sur les quatres projeteurs. Les écorces sont transportées du parc à bois à la chaufferie par système pneumatique débouchant dans une trémie cyclone A. Au pied de la trémie, une goulotte fait tomber le produit sur un transporteur vibrant cloisonné en autant de couloirs que de projeteurs, chaque couloir aboutissant sur une descente vers les projeteurs. Chacun des projeteurs est constitué d’une roue, équipée de quatre palettes, entraînée par un moteur électrique et variateur de vitesse. Ce dispositif doit permettre de régler, en fonction de la granulométrie réelle, la longueur du jet dans le foyer. La grille mécanique est du type rétro , c’est-à-dire que le tapis se déplace de l’arrière vers l’avant de la chaudière puisque les projeteurs situés sur la façade avant envoient le combustible sur la partie arrière de la grille.

Figure 14 – Alimentation d'une chaudière à écorces

Cette grille est composée de barreaux en fonte montés sur un armaturage s’enroulant sur deux arbres, l’arbre situé à l’avant étant l’arbre moteur. Cette disposition permet de remplacer les barreaux, sans arrêter la grille, étant donné qu’ils ne participent pas à la traction. La quantité de cendres de ce combustible étant faible, la grille n’est que partiellement recouverte en marche normale et le tapis subit le rayonnement des flammes et gaz chauds. Pour éviter qu’ils ne soient brûlés, les barreaux ont été profilés spécialement (nervurés), afin qu’ils soient mieux refroidis par l’air primaire de combustion sous la grille. Quatre brûleurs à gaz naturel ont été placés dans des registres d’air secondaire, assez haut dans la chambre, disposés tangentiellement. Le niveau choisi permet, d’une part, de limiter la température et le rayonnement sur la grille, lors de la marche au gaz seul (l’air sous grille étant laissé partiellement ouvert) et, d’autre part, d’obtenir une température de vapeur surchauffée satisfaisante. 3.3.2.2 Air de combustion Le gaz naturel étant injecté indépendamment des écorces, la distribution d’air de combustion, pour les deux combustibles, est séparée (figure 15).

Figure 15 – Distribution de l'air de combustion d'une chaudière à déchets cellulosiques


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L’air de combustion des écorces est injecté pour la plus grande partie (environ 80 %) sous la grille à une pression de 500 à 1 000 Pa de manière à obtenir une bonne répartition et éviter que les particules fines ne passent à travers les tapis de grille. Le caisson d’air sous la grille est de plus cloisonné, de manière à ajuster la répartition de cet air aux endroits où il est nécessaire. Les 20 % restants sont injectés au-dessus de la grille par des buses disposées sur les quatre faces. La pression de soufflage, assurée par un surpresseur, est d’environ 3 000 Pa. Cet air a deux rôles : — achever la combustion des envolées ou autres produits de distillation ; — arrêter la plus grande partie possible des envolées. Cela est obtenu en créant une turbulence importante par la grande vitesse d’éjection et la disposition particulière des buses. L’air de combustion du gaz est injecté dans quatre caissons où sont placés les brûleurs eux-mêmes pour obtenir une combustion tangentielle. 3.3.2.3 Chaudière de récupération Il s’agit d’une chaudière conventionnelle moderne à murs soudés dont les caractéristiques particulières, dues au combustible, sont les suivantes : — volume du foyer très grand pour que soit achevée la combustion des écorces, et compte tenu des exigences particulières citées du gaz naturel (§ 3.3.2.1) ; — vitesse de fumées dans les échangeurs très faible pour éviter tout risque d’érosion dû à la haute teneur en silice dans les écorces (entre 5 et 10 % en masse) ; — trémies disposées dans les parties basses des carneaux de fumée pour récupérer les envolées ; — dépoussiéreur mécanique convenant très bien pour ce combustible qui donne des envolées d’une granulométrie importante. 3.3.2.4 Réinjection des suies Le rendement thermique imposé, associé à la quantité de silice importante, a conduit à installer un système de récupération des suies de manière à évacuer la silice et réinjecter dans la partie basse du foyer le carbone imbrûlé. Les trémies sous faisceau et économiseur ont été reliées par une gaine à un éjecteur à vapeur qui permet de réinjecter directement les suies recueillies. Les trémies sous dépoussiéreurs, équipées de descentes avec écluseurs rotatifs, débouchent sur un tamis vibrant. Les fins passant à travers le tamis sont constitués principalement de carbone et sont réinjectés au foyer par éjecteur de vapeur. Les gros (silice) sont récupérés dans une trémie et envoyés à la décharge. 3.3.2.5 Réglage du débit de vapeur L’inertie du système de combustion sur la grille ne permet pas de faire des variations de débit calorifique rapides. En fait cette régulation s’effectue sur le gaz naturel, qui est brûlé en complément, les écorces étant brûlées au fil de la production du parc à bois. Dans la réalité, le débit de gaz brûlé étant beaucoup plus faible que prévu, le débit de vapeur a été contrôlé de deux manières différentes : — pour les variations lentes de la consommation de l’usine, on ajuste la quantité d’écorces envoyées à la chaudière à partir d’une trémie de stockage ; — pour les variations rapides (30 à 50 t/h de vapeur instantanément), une mise à l’atmosphère sur le réseau basse pression est nécessaire.

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3.4 Incinération des ordures ménagères Parmi les déchets solides, les ordures ménagères représentent un cas particulier pour deux raisons : — la nature très hétérogène et le faible pouvoir calorifique ; — l’importance de ce déchet présent en tout lieu et en quantité de plus en plus grande, au fur et à mesure de l’accroissement du niveau de vie de la population. Par définition, les ordures ménagères sont les résidus de l’activité des ménages. Dans la réalité, en France, on regroupe sous cette appellation : — les déchets provenant des habitations particulières, des collectivités, à l’exception, toutefois, des objets très encombrants ; — une partie des déchets provenant du nettoiement de la voie publique, des places et des marchés ; — une partie des déchets provenant des centres hospitaliers, hormis les déchets anatomiques, contaminants et contaminés ; — dans les limites fixées par les arrêtés municipaux ou préfectoraux, les déchets provenant des établissements industriels et commerciaux assimilables aux déchets ménagers.

3.4.1 Caractéristiques des ordures ménagères Tant en ce qui concerne la quantité que la qualité des ordures, le mode de vie de la population est un facteur important. À l’heure actuelle, en France, les quantités varient, suivant les régions, de 0,6 à 1 kg d’ordures ménagères par habitant et par jour. Le pouvoir calorifique inférieur moyen est de 6 000 à 6 500 kJ/kg. Il est : — pour les zones rurales de 5 000kJ/ kg ; — pour les zones urbaines de 6 500 kJ/ kg ; — pour la ville de Paris de 8 000 à 8 300 kJ/ kg. Aux États-Unis, le pouvoir calorifique inférieur moyen est de 9 000 kJ/kg. Ces différences s’expliquent à la lecture du tableau 1 donnant la composition en poids, sur sec, des ordures. (0)

Tableau 1 – Composition (en poids) sur sec, des ordures Matériaux

Papiers et cartons ........... Végétaux et matières putrescibles ..................... Métaux ............................. Verre................................. Chiffons, caoutchouc ...... Plastique .......................... Éléments fins................... Divers............................... Totaux ..............................

France en 1978 (%)

États-Unis France en 1990 en 1978 (estimation) (%) (%)

35

43

50

25 4 5 3 4 18 6 100

15 9 9 4 8 12

13 5 7 6 9 10

100

100

Il s’agit, bien entendu, de valeurs moyennes qui varient avec le mode et le niveau de vie des habitants. Il faut noter, de plus, que pour une même installation le pouvoir calorifique va rie au cours de l’année d’une manière importante. L’humidité, en particulier, peut varier de 20 à 50 % et la teneur en végétaux d’une valeur voisine de zéro en hiver est très importante au printemps dans les zones urbaines à basse densité de population (taille des gazons).



Le pouvoir calorifique, en conséquence, subit des fluctuations annuelles importantes, par exemple de 5 000 à 8 000 kJ/kg, dont il faudra tenir compte pour la définition de l’incinérateur.

3.4.2 Procédés de destruction Plusieurs solutions peuvent être envisagées pour détruire ces déchets. — Broyage : ce procédé consiste à broyer les ordures pour en réduire le volume. Il n’y a pas de récupération, le produit broyé étant envoyé dans une décharge. — Compostage : ce procédé consiste à transformer en humus les matières fermentescibles contenues dans les ordures ménagères ; comme indiqué ci-dessus, elles se prêtent de moins en moins au compostage puisque les matières fermentescibles sont remplacées en partie par des emballages ; les matières non compostables dépassent déjà, actuellement, 50 %. Les installations françaises de ce type comprennent, en plus de la chaîne de fermentation, un incinérateur permettant de détruire tous les autres produits. — Incinération : c’est dans l’état actuel de la technique la seule méthode permettant une élimination hygiénique et parfaitement contrôlable des ordures ménagères. Cette solution permet, en outre, par adjonction d’un récupérateur de chaleur, d’utiliser les déchets pour produire de l’énergie électrique, de l’eau chaude, ou de la vapeur à basse pression pour le chauffage urbain ou les industries locales. Le tableau 2 donne l’importance en France de chacune des voies du traitement des ordures ménagères. Pour être complets, nous devons mentionner les nouveaux procédés en cours de développement ou d’expérimentation. Les événements de ces dernières années concernant le pétrole ont rendu impérative la recherche d’économie d’énergie dans tous les domaines et en particulier pour les ordures ménagères qui représentent un combustible disponible en quantité d’autant plus importante que s’accroissent les besoins et la consommation de la population. Des différentes voies suivies par les chercheurs on retiendra essentiellement : — la production de combustible solide stockable et transportable ; — la pyrolyse des déchets ; — la fermentation méthanique. La production de combustible solide stockable et transportable consiste, après avoir extrait les composants indésirables (ferraille, pierres, etc.), à homogénéiser puis à comprimer les ordures pour former des granulés d’un produit dont la valeur énergétique est accrue et le volume réduit. Ce combustible, ordures ménagères, ainsi transformé, devrait pouvoir être stocké, transporté aisément et brûlé dans une chaudière à combustibles solides classique. La pyrolyse des déchets consiste en une décomposition thermique du produit à l’abri de l’oxygène de l’air. Cette transformation permet d’obtenir des gaz combustibles H 2 , CH4 , CO, des composés

organiques solides ou liquides, ainsi que des résidus solides combustibles et de la vapeur d’eau. Les combustibles ainsi produits peuvent dégager de la chaleur pour réaliser la pyrolyse, d’une part, et produire de l’énergie, d’autre part. Suivant les variantes, l’énergie finalement récupérée peut être estimée de 40 à 70 % du contenu énergétique des déchets. De nombreuses variantes sont actuellement à l’étude. Aucune, à notre connaissance, n’a abouti, jusqu’à présent, à une installation industrielle fiable. La fermentation méthanique des déchets, en l’absence d’oxygène, provoque un dégagement de méthane. On favorise ce dégagement en préparant les ordures (broyage) et en les enfermant dans une enceinte dans laquelle on maintient un taux d’humidité important. Les problèmes technologiques posés par ce type d’installation sont actuellement encore loin d’être résolus.

3.4.3 Principe de conception d'un incinérateur d'ordures ménagères Compte tenu du caractère très variable du combustible à traiter, la conception d’un incinérateur est sensiblement différente de celle des chaudières de récupération qui sont présentées dans le présent article. La combustion a lieu sur une ou plusieurs grilles, mais l’hétérogénéité du combustible demande une disposition des grilles assurant une dislocation et une aération périodique de la couche en combustion. Elle nécessite en outre une répartition de l’air de combustion, sous le tapis, le plus homogène possible pour éviter les imbrûlés. Par ailleurs, le fait que le pouvoir calorifique du produit soit variable dans le temps apporte un certain nombre de contraintes : — le système de combustion devra être étudié pour détruire, sans fuel de soutien, le produit le plus mauvais, c’est-à-dire à pouvoir calorifique le plus bas et teneur en humidité la plus importante ; dans certains cas cela impose d’installer soit un système de réchauffage de l’air de combustion, soit un recyclage de gaz chauds ; — la chambre de combustion devra être constituée de réfractaires jouant le rôle de chambre chaude pour faciliter l’inflammation des produits et faisant volant thermique en cas de variation rapide des caractéristiques du combustible. Enfin, la conception de la partie froide de l’incinérateur devra tenir compte du fait que le combustible dégage des composés sulfureux et chlorés dans des quantités telles qu’il y a risque de corrosion, phénomène dont on reparlera au paragraphe 3.4.4.2. 3.4.3.1 Systèmes de combustion Nous passerons rapidement en revue les principaux systèmes couramment rencontrés sur le marché. Nota : le lecteur pourra se reporter aux articles Équipements de combustion pour combustibles solides [B 117] [B 117,1] [B 117,4] [B 117,5] [B 117,6] [B 117,9] dans ce traité.

(0)

Tableau 2 – Traitement des ordures ménagères en France (en 1979) Capacité traitée (t/j)

Capacité traitée (%)

12 9

Fraction population desservie (échelon national) 6 5

3 160 2 309

12 9

12 27 40 100

6 14 21 52

3 100 7 146 10 705 26 420

12 27 40 100

Population desservie

Type de traitement

Nombre d’unités

(habitants)

(%)

Broyage ............................................................... Compostage........................................................ Traitement mixte ou compostage + incinération ................................ Incinération sans récupération de chaleur ....... Incinération avec récupération de chaleur ....... Total.....................................................................

107 54

3 377 000 2 538 000

40 152 28 381

3 151 500 7 511 000 11 026 000 27 603 500


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Foyer rotatif La grille et le foyer lui-même sont confondus puisque les ordures introduites dans une enceinte cylindrique inclinée brûlent directement sur le réfractaire tapissant ce cylindre. L’air de combustion est introduit soit à travers la paroi, soit axialement. Ce type de four n’est plus aujourd’hui utilisé que pour les déchets industriels. Il ne peut traiter, du fait du mauvais mélange combustible-comburant, que des déchets dont le pouvoir calorifique inférieur est supérieur à 8 300 kJ/kg. Il faut donc un soutien de combustible auxiliaire important avec les ordures ménagères. 

3.4.3.2 Foyer Compte tenu du pouvoir calorifique relativement faible, de la forte teneur en humidité et du caractère hétérogène du combustible, il est nécessaire d’installer au-dessus du système de combustion choisi un foyer chaud, c’est-à-dire tapissé de pièces réfractaires pour rendre stable la combustion des déchets. Le choix du volume de ce foyer est fondé sur plusieurs critères : — pouvoir calorifique du combustible ; — débit des déchets brûlés ; — température de sortie du foyer.

Grille mécanique à tapis mobile La surface de combustion est réalisée par plusieurs grilles mécaniques inclinées ou horizontales, à tapis mobile, disposées en escalier (figure 16). En principe ce système nécessite au moins trois grilles en cascade. Pour obtenir une combustion complète, il est nécessaire de disloquer et retourner les déchets. Cette action s’effectue lors de la chute du combustible d’une grille sur la suivante. 

Grilles à rouleaux Un certain nombre de cylindres sont disposés dans le foyer en cascade (figure 17). Les déchets sont introduits sur le premier cylindre qui tourne. Ils chutent sur le deuxième et ainsi de suite. L’air de combustion envoyé dans des caissons situés sous la surface de combustion est distribué au travers des cylindres. 

Grilles à poussoirs La surface de combustion de l’incinérateur est constituée d’une ou de plusieurs grilles inclinées (figure 18) sur lesquelles on sèche et on brûle les déchets. Ce système de grille offre l’avantage d’avoir des foyers moins hauts que sur les systèmes précédents. En revanche, il présente l’inconvénient de nécessiter une pression d’air soufflé plus élevée et une usure par frottement des pièces de la grille en mouvement. 

Grilles à bras oscillants (ou rotatifs) Appelée également grille à gradins basculants, il s’agit, comme pour le système précédent, d’une grille unique inclinée (figure 19). 

Figure 16 – Incinération des ordures ménagères avec grilles mécaniques à tapis mobiles

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Figure 17 – Incinération des ordures ménagères avec grilles à rouleaux

Figure 18 – Incinération des ordures ménagères avec grille à poussoirs à mouvement de recul



— recyclage d’une partie des fumées ; — échangeur air-vapeur ou eau, dans le cas d’une installation disposant d’un fluide chaud.

3.4.4 Cas de la chaudière de récupération installée à la suite d'un incinérateur

Figure 19 – Incinération des ordures ménagères avec grille mécanique à gradins basculants

Un foyer trop grand rend les démarrages des installations, à partir de l’état froid, délicats. Un foyer trop petit amènera l’installation à fonctionner à une température trop forte, ce qui conduira à des risques de dépôts de cendres qui, à ces températures, pourraient être collantes. De plus, le temps de séjour dans le foyer risquant d’être trop faible, les produits malodorants ne seront pas totalement incinérés. Suivant les caractéristiques des déchets, la température, sortie foyer, doit être de 800 à 1 000 oC. 3.4.3.3 Air de combustion La combustion des déchets sur la grille se produit en trois temps : — séchage dans la partie amont qui peut être important en certaines périodes de l’année si les végétaux sont abondants ; — combustion dans le milieu du four lorsque le produit est suffisamment sec ; — extinction dans la partie aval qui permet de brûler en totalité les produits à vitesse de combustion lente, tandis que l’ensemble des scories se refroidit avant de tomber dans le puits à mâchefers. Circuit d'air La répartition de l’air introduit dans le foyer est un élément primordial pour la combustion complète des déchets. D’une manière générale, il se décompose en deux circuits d’air principaux : — l’air primaire introduit sous la grille, ou les grilles, par l’intermédiaire d’un caisson répartissant cet air soufflé à travers les barreaux sur toute la surface de chauffe ; ce caisson est généralement cloisonné pour former des compartiments permettant, au moyen de dispositif à commande manuelle, de répartir l’air ; cette répartition doit tenir compte des zones de combustion (§ 3.4.3.2) ; — l’air secondaire injecté au-dessus de la grille permet, dans la partie la plus étroite du foyer, de créer une turbulence ; cette turbulence a deux buts : achever la combustion des matières volatiles et limiter le plus possible les envolées de poussières. 

Réchauffage de l'air Très fréquemment, et surtout lorsque le pouvoir calorifique des déchets est inférieur à 5 000 kJ/kg, les constructeurs prévoient un réchauffage de l’air pour améliorer la stabilité de la combustion. Plusieurs systèmes sont utilisés : — échangeurs air-fumées sur le circuit des gaz, avant rejet à l’atmosphère ; 

Au paragraphe précédent nous n’avons abordé que le problème lié à l’incinération proprement dite des déchets. En fait, deux cas, comme le montre le tableau 2, peuvent se produire : il y a récupération de chaleur ou non. Dans le cas où il n’y a pas récupération de chaleur, les gaz de sortie du foyer sont refroidis : — par voie humide, au moyen d’eau pulvérisée ; — par voie sèche, par mélange d’air froid dans les fumées ; — par un système mixte utilisant ensemble les deux procédés. Dans le cas où il y a récupération de chaleur, les gaz de sortie du foyer traversent une série d’échangeurs dans lesquels ils sont refroidis. Plusieurs possibilités sont offertes : — production de vapeur basse pression délivrée à des industriels ou à un réseau de chauffage urbain ; — production de vapeur à moyenne pression, détendue partiellement dans une turbine à contre-pression, permettant de fournir l’énergie électrique nécessaire à l’usine ; la vapeur à l’échappement de la turbine à basse pression peut être utilisée comme dans le cas précédent ; — production de vapeur à caractéristiques plus élevées (pression et température), détendue dans une turbine à condensation, pour produire exclusivement de l’énergie électrique ; — production d’eau surchauffée délivrée dans un réseau de chauffage urbain. Sans entrer dans les détails économiques du système, il faut noter qu’une telle récupération n’est rentable que si l’installation a une taille suffisante permettant d’avoir un approvisionnement continu et si la chaleur produite peut être commercialisée. Compte tenu de l’accroissement du coût de l’énergie, ce seuil baisse actuellement d’une façon considérable. Ce phénomène est accéléré par le système, mis en place par le gouvernement, pour aider financièrement les investissements conduisant à une économie de combustible. Un rapport de l’Agence pour les économies d’énergie, se fondant sur les conditions économiques de 1975 et prenant en compte les subventions accordées aux investisseurs, montre que le seuil de rentabilité est atteint dans les cas suivants : — pour deux fours de 4 t/ h de déchets, si environ 50 % de la chaleur produite est vendue ; — pour deux fours de 8 t/ h de déchets, si environ 30 % de la chaleur produite est vendue ; — pour trois fours de 8 t/ h de déchets, si environ 25 % de la chaleur produite est vendue. Dans les conditions économiques actuelles on peut penser que ces seuils sont largement plus bas. La récupération est faite généralement par une chaudière qui vient coiffer l’incinérateur. 3.4.4.1 Description des chaudières La chambre de combustion est réalisée soit en réfractaire (figure 20), soit en tubes d’eau vaporisateurs (figure 21) ; des précautions sont alors à prendre pour tenir compte des problèmes de corrosions dans la partie basse de la chambre qui seront abordés au paragraphe 3.4.4.2. Au sommet du foyer sont installés les surchauffeurs de vapeur, qui peuvent être du type pendentif ou horizontal ; ceux-ci se trouvent dans les gaz à une température maximale de 800 à 850 oC.


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Figure 20 – Chaudière Stein-Industrie de l’usine d'incinération d'ordures ménagères de Sarcelles

À la suite des surchauffeurs il est généralement prévu un vaporisateur constitué soit d’un faisceau de tubes dudgeonnés à deux réservoirs, soit un échangeur constitué par des tubes inclinés débouchant dans un réservoir. En aval de cet échangeur, sur les fumées, on installe un économiseur qui réchauffe l’eau d’alimentation. Les gaz ont alors une température suffisamment basse pour pouvoir être évacués à l’atmosphère après être passés dans un dépoussiéreur électrostatique. Le système étant en dépression, un ventilateur de tirage est nécessaire. 3.4.4.2 Problèmes techniques particuliers  Encrassement La température de ramollissement des cendres est très basse, du fait de la nature très différente des corps chimiques en présence. Il s’ensuit un problème d’encrassement extrêmement sévère dans toutes les parties chaudes. Ces problèmes ont été résolus de la manière suivante : — pour le foyer, en tapissant les murs de produits réfractaires spéciaux évitant les accrochages ; — pour les surchauffeurs, en disposant dans les gaz chauds des appareils à panneaux plans présentant peu d’aspérités et en choisissant des vitesses de gaz faibles. Par ailleurs, le système de ramonage doit être étudié très sérieusement, tant en ce qui concerne le nombre de ramoneurs nécessaires que leur emplacement le plus judicieux. Corrosion Il s’agit du problème le plus grave rencontré sur ces installations. S’il est à peu près maîtrisé de nos jours, par les techniques que nous exposerons plus loin, il a coûté dans le passé extrêmement 

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cher aux pionniers, particulièrement en Europe occidentale, les autres pays, y compris les États-Unis, ayant développé ces techniques beaucoup plus tard. Deux types de corrosions existaient et ont fait l’objet de recherches et d’une littérature abondante : la corrosion réductooxydante et la corrosion chlorhydrique. La corrosion réducto-oxydante se situe juste au-dessus des grilles dans la zone de combustion et sur les installations avec écrans, jusqu’au bas du foyer. Les corrosions dans cette zone étaient très rapides, provoquées par le fait que le combustible étant hétérogène la même zone pouvait être alternativement oxydante et réductrice. En atmosphère réductrice la couche protectrice de magnétite était détruite et se reconstituait en prélevant le fer du tube en atmosphère oxydante. La solution a consisté à supprimer, sur toutes les nouvelles chaudières, les écrans dans cette zone limitée à quelques mètres au-dessus du plan de grille. La corrosion chlorhydrique se situe au niveau de la partie basse des surchauffeurs, partie située dans les gaz les plus chauds. Le chlore provenant des plastiques brûlés, quelquefois, en grande quantité. Cette corrosion commence à partir d’une température du métal de 420 oC environ et devient très importante lorsqu’elle atteint 500 oC. Elle dépend très fortement de la vitesse des gaz à travers l’échangeur et de l’encrassement. Pour l’éviter, une seule solution existe, celle de limiter la température de surchauffe et les risques d’encrassement. Pour diminuer cette corrosion, il convient de réduire les vitesses de gaz et de protéger le métal en le métallisant ou en le recouvrant dans les parties les plus exposées d’un bouclier métallique ou réfractaire. Enfin la disposition en panneaux plans évitant le contact direct entre les particules de poussières et le métal est très favorable.



Tableau 3 – Pouvoir calorifique inférieur des déchets industriels

Type de déchets

Pouvoir calorifique inférieur (tel que brûlé) (kJ/kg)

Déchets liquides : — goudrons ou hydrocarbures lourds provenant de la distillation du pétrole .............................. 42 000 — huiles de vidanges............................................ 27 000 — solvants ou déchets de peintures ................... 21 000 — liqueur provenant de la cuisson du bois dans les usines de pâte à papier............................... 10 000 Déchets gazeux : — sous-produits divers de l’industrie chimique (en particulier chimie organique) .................... 25 000 à 50 000 — gaz de haut fourneau ....................................... 2 700 ou 4 600 — gaz de cokerie ................................................... 44 000 — gaz résiduaires de craquage de pétrole.......... 1 700

Il existe, en outre, un assez grand nombre de gaz non répertoriés qui sont incinérés avec, éventuellement, récupération d’énergie. Ce sont des gaz dangereux ou malodorants qu’il est nécessaire d’éliminer sans considération d’économie du système.

4.1 Conception de la chaudière

Figure 21 – Chaudière de récupération Carosso sur foyer d'incinération des ordures ménagères

4. Chaudières à déchets liquides ou gazeux Parmi les déchets industriels traités dans le présent article, plusieurs sont combustibles et dans certaines limites peuvent ainsi créer de l’énergie par combustion. Il est donc naturel de chercher à récupérer cette énergie disponible sous forme de chaleurs latente et sensible. Seule une étude complète prenant en compte les aspects techniques, économiques, voire sociaux du problème, apporte les éléments et permet de tirer des conclusions dans chacun des cas soumis. Cependant, le premier critère à prendre en compte est celui de l’énergie disponible ; il est représenté par le pouvoir calorifique et la température du déchet. Ces caractéristiques étant connues, il sera possible de décider, en fonction des quantités de déchets disponibles, de l’opportunité à réaliser ou non l’investissement. Dans l’état actuel du développement industriel les déchets le plus couramment récupérés sont donnés dans le tableau 3.

Pour tous les déchets mentionnés sur le tableau 3, la solution avec chaudière conventionnelle est acceptable. Celle-ci est, pour le cas qui nous intéresse, à tubes d’eau mais peut être aussi à tubes de fumées pour les petits débits. Cependant, il existe deux catégories de déchets pour lesquels cette conception n’est pas valable : les gaz d’aciérie de conversion à l’oxygène et les liqueurs de papeterie. Ce dernier sujet, très particulier, fera l’objet du paragraphe 4.3. Le premier, c’est-à-dire le gaz d’aciérie de conversion à l’oxygène, est récupéré avant dépoussiérage dans une chaudière appelée hotte sur convertisseur (§ 2.1.1.1). Dans le cas où l’on veut brûler le gaz CO, contenu à raison de 25 % environ dans les gaz s’échappant du convertisseur, la hotte a une conception légèrement différente. D’une façon générale, pour tous les autres déchets liquides ou gazeux, la chaudière est d’une conception classique mais dimensionnée pour tenir compte des caractéristiques particulières du combustible. Mode de chauffe Qu’ils soient liquides ou gazeux, les produits sont tous brûlés en suspension, par des brûleurs situés sur la façade de la chaudière ou installés aux quatre angles. Dans tous les cas, les produits étant soit à bas pouvoir calorifique, soit fortement chargés en particules incombustibles, le mélange air de combustion-combustible doit être particulièrement efficace. Lorsqu’il s’agit de brûleurs en façade, on utilise un registre créant une forte turbulence ou une injection d’air latérale venant s’insérer dans le combustible. Lorsqu’il s’agit de brûleurs d’angle, la chauffe tangentielle crée un tourbillon dans le centre du foyer favorisant ce mélange. L’effet de tourbillon est créé en injectant l’air de combustion à grande vitesse. 


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Dans presque tous les cas la performance de telles chaudières est directement liée à la qualité de la combustion. Volume de foyer Les combustibles étant, la plupart du temps, difficiles à brûler, le foyer est d’une dimension largement supérieure à celui d’une chaudière à combustible conventionnel, cela pour deux raisons : — le combustible contient des composants à vitesse d’inflammation lente ; — le pouvoir calorifique du combustible est faible car constitué en grande partie par des gaz inertes. Il est quelquefois nécessaire, pour améliorer la stabilité de la combustion, d’avoir recours à un avant-foyer ou de masquer une partie des surfaces froides d’écran par un béton réfractaire réfléchissant (chrome-ore ou béton de chrome) pour élever la température de la zone de combustion. 

Échangeurs Ils sont calculés pour tenir compte des caractéristiques particulières des fumées de combustion : — dans certains cas (liqueurs noires, gaz résiduaires de craquage de pétrole), il sera nécessaire d’avoir des surfaces très aérées (encrassement) et un équipement de nettoyage par ramonage à la vapeur particulièrement efficace ; — dans d’autres cas, pour favoriser l’inflammation des produits, un réchauffeur d’air très largement dimensionné délivrera l’air de combustion à des températures pouvant atteindre plus de 200 oC (cas des hydrocarbures lourds). 

Dépoussiérage Compte tenu des nouvelles exigences de la réglementation en France, il est souvent nécessaire d’installer, en aval de ces chaudières, un système de dépoussiérage efficace. Cela est surtout courant pour les déchets liquides du fait de leur forte teneur en cendres et sédiments ou en composés incombustibles (asphaltène). 

4.2 Exemple d'une chaudière sur gaz de vapocraqueur L’exemple choisi, similaire à celui représenté (figure 22), représentatif de ces chaudières brûlant des déchets liquides ou gazeux, est celui d’une chaudière de récupération utilisant la chaleur latente et sensible d’un gaz provenant d’un craquage catalytique. Cette chaudière est couramment appelée chaudière à CO car elle brûle le CO, seule partie combustible du gaz.

4.2.1 Données du problème La raffinerie ayant un craqueur dispose d’environ 105 000 kg/h d’un gaz dont la composition est la suivante (en %) : O2 ......................... 0,85 CO......................... 8,45 CO2 ....................... 8,45 H2O....................... 13,70 N2 ......................... 68,55

Figure 22 – Chaudière Stein-Industrie type VU-60 de la Compagnie de raffinage Shell Berre à Pauillac

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Ce gaz est délivré à une température de 650 oC et une pression maximale de 12 000 Pa (1 200 mm H 2O). Il contient en outre, en suspension, une quantité non négligeable et variable de catalyseur s’apparentant physiquement à la silice, c’est-à-dire très érosif. Il est délivré à cette température à la cheminée du craqueur. Il devra être brûlé et refroidi jusqu’à environ 220 oC dans une chaudière produisant de la vapeur à 475 oC et 70 bar. Cette vapeur devra être délivrée par un déversoir sur le réseau de l’usine, la pression de ce réseau étant réglée par des chaudières existantes alimentées à partir de fuel-oil et de gaz de raffinerie. Ces deux combustibles seront disponibles pour allumer, soutenir et produire un complément de vapeur sur la chaudière offerte. Dans le cas d’incident soit en chaudière, soit sur le craquage catalytique, le CO devra être dirigé vers une cheminée de secours. La fourniture comprendra cette cheminée ainsi que le système permettant d’isoler la chaudière et d’évacuer le CO à l’atmosphère.

4.2.2 Solutions choisies 4.2.2.1 Équipement de combustion La technique choisie est celle de la chauffe tangentielle pour sa plus grande efficacité dans le mélange combustible-comburant (articles Équipements de combustion pour combustibles solides [B 117] [B 117,1] [B 117,4] [B 117,5] [B 117,6] [B 117,9] dans ce traité). 4.2.2.2 Chaudière de récupération Compte tenu du très faible pouvoir calorifique du combustible, dû à la grande quantité de gaz inertes, la partie des écrans située au niveau des brûleurs a été recouverte de béton réfractaire chrome-ore maintenu en place par des picots (studs ) métalliques soudés aux tubes d’écran. Le volume du foyer est très important. Il est déterminé pour qu’à l’entrée dans les surchauffeurs de vapeur la combustion soit achevée. Vu la part importante de la récupération de chaleur, un très grand faisceau vaporisateur est prévu avec, à la sortie, un économiseur largement dimensionné. Ces deux appareils sont déterminés pour que les vitesses de gaz ne soient pas trop élevées pour éviter les phénomènes d’érosion dus à la présence de catalyseur dans les gaz. Étant donné le volume des gaz et les risques d’érosion, la chaudière est à foyer pressurisé, ce qui évite la pré sence d’un ventilateur de tirage. Il en résulte un gain substantiel d’énergie consommée et la suppression des travaux d’entretien sur un tel appareil. Le foyer étant pressurisé, la chaudière est constituée par des écrans soudés la rendant parfaitement étanche, de telle sorte que toute fuite de gaz vers l’extérieur est exclue. 4.2.2.3 Circuit du CO Le gaz arrivant du craqueur est séparé en deux gaines aboutissant à deux vannes indépendantes (figure 23). Compte tenu de la température des gaz, de leur caractère érosif et de leur volume important, le constructeur a choisi le système de gardes hydrauliques. La garde hydraulique inférieure délivre le gaz à la chaudière. La garde hydraulique supérieure délivre le gaz à la cheminée de secours. Les gardes hydrauliques ont été conçues en tôle d’acier doux garnies intérieurement de béton réfractaire et isolant recouvert d’Hextil pour les maintenir en place. Cette conception a été adoptée pour tenir compte, indépendamment de la nature et de la température des gaz, du choc thermique important se produisant à chaque manœuvre, lorsque l’eau est introduite dans la cuve de la garde hydraulique.

Figure 23 – Vanne hydraulique

Les gaines des circuits de CO ont été réalisées en acier inoxydable dont les caractéristiques tiennent compte de la nature et de la température du gaz. 4.2.2.4 Système de régulation, automatisme et sécurité L’intégration d’une telle chaudière dans une raffinerie doit être complète. Cela signifie, en particulier, qu’elle doit être conduite avec un nombre d’interventions limitées, qu’elle doit avoir une grande fiabilité et qu’elle doit tenir compte de tous les incidents survenant sur les circuits en amont de cette chaudière. Dans la conception des boucles de régulations, du système de sécurité et de l’automatisme, cette caractéristique se traduit par : — la reprise de la charge automatique, à partir du fuel-oil, ou gaz de raffinerie, en cas de passage du CO de la chaudière vers la cheminée de secours ;


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— un double entraînement du ventilateur de soufflage avec reprise automatique d’une machine d’entraînement par l’autre, en cas d’incident ; — le passage automatique du gaz CO de la chaudière vers la cheminée de secours en cas de mauvais fonctionnement sur le circuit amont, cas du reverse-flow ou over-flow ; — l’isolement total de la chaudière du circuit de CO en cas de visite de la chaudière, le vapocraqueur continuant à fonctionner.

4.3 Unité de récupération de liqueur noire Ces chaudières font l’objet d’un paragraphe particulier, du fait de leur complexité particulière et du nombre d’applications dans l’industrie du papier.

4.3.1 Fonction de l'unité de récupération dans une usine de pâte à papier Sans entrer dans le détail, pour faciliter la compréhension du sujet, nous donnerons quelques explications sommaires sur la fabrication de la pâte. Le produit servant à fabriquer le papier est le bois ou les plantes annuelles (alfa, bagasse, paille, roseau, bambou, etc.). Il se compose de cellulose ou d’hemicellulose, de lignine, d’eau et d’une faible proportion de matières minérales. La fabrication de la pâte à papier par voie chimique consiste principalement à séparer, dans un lessiveur, la cellulose des autres constituants. Cette opération se fait à chaud et sous pression (figure 24).

Figure 24 – Circuit de la préparation du bois et de récupération d'une usine de pâte à papier au sulfate

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Le bois en copeaux est introduit dans le lessiveur avec un agent chimique appelé lessive. Plusieurs procédés existent, chacun utilisant une lessive particulière ; nous citerons les principaux qui sont : — le procédé au sulfate de sodium ou procédé Kraft ; — les procédés aux bisulfites de sodium, calcium, magnésium, ammonium ; — les procédés semi-chimiques aux sulfites neutres de sodium, d’ammonium, à la soude ou à la chaux.

— trémies de grandes dimensions pour récupérer les poussières ; — appareil terminal qui est généralement un réchauffeur d’air ; — dépoussiéreur largement dimensionné, étant donné la grande quantité de poussières permettant de récupérer la base (ammoniac). Les problèmes rencontrés sont surtout liés à l’encrassement des surfaces d’échange. Les poussières sont, en effet, très collantes.

Nota : dans le monde, les pâtes chimiques ou semi-chimiques interviennent pour environ 80 % de la production totale de pâte à papier. Les pâtes chimiques ou semi-chimiques sont obtenues pour environ 73 % par le procédé au sulfate, 18 % par le procédé au bisulfite et 9 % par le procédé semi-chimique.

4.3.2.2 Procédé au bisulfite de calcium Le coût de la base étant faible, les matières minérales ne sont généralement pas récupérées. Les liqueurs provenant de ce procédé sont habituellement agressives et entartrantes. Les concentrations sont donc basses ; on les brûle en général, en mélange avec un combustible auxiliaire tel que le fuel-oil, dans des brûleurs spéciaux. De la même façon que pour les procédés à base d’ammonium, la chaudière est conventionnelle mais très aérée et équipée d’un dispositif de nettoyage important.

Dans tous les cas, après dissolution, on sépare : — d’une part, la cellulose qui est directement transformée en papier ; — d’autre part, la lessive qui est stockée dans un réservoir J . Cette lessive, appelée liqueur, contient : — de 80 à 90 % d’eau ; — des matières organiques dissoutes lors de la cuisson, qui sont combustibles ; — des matières minérales, c’est-à-dire les produits de la lessive qui ont réagi lors de la dissolution du bois. Dans le passé et quelquefois de nos jours, dans les pays en voie de développement, et pour les petites unités, ces liqueurs sont rejetées, en l’état, dans un cours d’eau qu’elles polluent. Dans les grandes usines modernes, la liqueur est envoyée dans un atelier d’évaporation, pour chasser la plus grande partie de l’eau contenue dans cette liqueur et obtenir un produit suffisamment concentré (entre 40 et 70 % de produit sec) pour qu’il puisse brûler dans une chaudière sans le soutien permanent d’un combustible auxiliaire. Dans tous les cas, les matières organiques composées de carbone, hydrogène, soufre et oxygène, sont brûlées et la chaleur produite est utilisée dans une chaudière de récupération pour produire de la vapeur. Les matières minérales sont perdues dans le cas où la base utilisée est le calcium. Elles sont récupérées dans le cas du procédé aux bisulfites de sodium, d’ammonium et magnésium et à la soude. Elles sont à la fois récupérées et régénérées dans le cas du procédé au sulfate. De nos jours le procédé de plus en plus utilisé, compte tenu de la qualité du papier et du coût d’exploitation faible, est le procédé Kraft, c’est-à-dire au sulfate (§ 5). Il présente, cependant, l’inconvénient d’être la cause de pollution atmosphérique due à la formation de composés volatils malodorants. C’est la raison pour laquelle on cherche à remplacer dans ce procédé le sulfure de sodium par un composé organique supprimant cet inconvénient. Nous citerons les procédés soude-anthraquinone qui, à l’heure actuelle, semblent donner de bons résultats.

4.3.2 Choix de la chaudière en fonction du procédé chimique utilisé La définition et le choix d’une chaudière de récupération sont toujours affaire de spécialiste car ils nécessitent une connaissance très poussée des nombreux problèmes : corrosion, réactions chimiques et encrassement. 4.3.2.1 Procédé au mono ou bisulfite d'ammonium La liqueur concentrée à environ 50 % de matières sèches est envoyée dans un foyer non refroidi, généralement cylindrique, à axe horizontal. Les matières organiques brûlent et les matières minérales s’évaporent. Les fumées ainsi produites sont envoyées dans une chaudière de conception classique qui présente, toutefois, les particularités suivantes : — pas entre tubes très grand dans la zone de gaz à haute température pour éviter les bouchages ;

4.3.2.3 Procédé au bisulfite de magnésium dit magnéfite Il se rapproche du procédé à l’ammonium (§ 4.3.2.1), c’est-à-dire que la base est récupérée dans les trémies et le dépoussiéreur. La chaudière doit être très aérée et bien ramonée. Les liqueurs, comme dans le cas du procédé au calcium (§ 4.3.2.2), sont très souvent agressives et des précautions sont prises au niveau des circuits de liqueur noire et de la chaudière pour éviter les corrosions. 4.3.2.4 Mono ou bisulfite de sodium et soude La liqueur est injectée dans le foyer par des brûleurs spéciaux. Dans ce foyer les matières organiques sont brûlées pour générer la vapeur et les matières minérales sont récupérées dans le fond de la chaudière et s’écoulent sous forme liquide à l’aide d’un dispositif de coulée spécial dans un bac. Comme pour toutes les liqueurs au bisulfite, les problèmes sont liés aux corrosions chimiques et aux encrassements, ce qui nécessite une protection des surfaces d’échange et une conception très aérée des divers appareils.

4.3.3 Exemple d'une unité de récupération d'une usine Kraft 4.3.3.1 Notion chimique du procédé Kraft Dans ce procédé, l’agent chimique, qui dans le lessiveur dissout le bois, est la soude NaOH et le sulfure de sodium Na 2S. L’action combinée du sulfure mélangé en faible quantité à la soude accélère la réaction et permet d’obtenir la dissolution sans destruction des fibres de cellulose, ce qui confère à ce papier ses qualités mécaniques. La liqueur recueillie à la sortie du blow tank (figure 24), après séparation de la cellulose, a la composition approximative suivante : H2O ................................... 85 % matières minérales......... 7,5 % matières organiques....... 7,5 % Les matières minérales sont constituées de : Na2SO4 ............................. 25 % Na2CO3 ............................. 75 % Les matières organiques sont constituées de : carbone, hydrogène, soufre et oxygène. Ces liqueurs, dites noires, sont envoyées dans des concentrateurs pour être portées à environ 60 à 70 % de matières sèches, niveau auquel elles sont brûlées dans les chaudières.


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4.3.3.2 Rôle de l'unité de récupération de liqueur noire Nous préférons utiliser le terme unité de récupération de liqueur noire à celui de chaudière de récupération, car il s’agit bien d’une installation complexe dans laquelle est incluse la chaudière au sens propre du terme. Cette unité a plusieurs aspects dont les principaux sont les suivants. Récupération thermique : les matières organiques brûlées dans le foyer, par des brûleurs spéciaux, dégagent une énergie thermique transformée en vapeur dans la chaudière. 

Récupération chimique : les matières minérales tombent, sous forme liquide, dans le foyer dont le fond plat est appelé sole. Les sulfates contenus dans la liqueur sont réduits, à la température ambiante de 1 000 oC environ, en sulfures par la réaction : 

Na2SO4 + chaleur → Na2S + 2 O 2 Cette réaction est très endothermique, la combustion des matières organiques fournissant la chaleur nécessaire. Pour permettre cette réaction il faut qu’elle se passe en milieu réducteur, ce qui conduit à injecter l’air de combustion à plusieurs niveaux de la chaudière. Incinération des composés sulfureux réduits : dans la liqueur noire, et après combustion dans la zone réductrice, une partie du soufre contenu se combine pour donner du H 2S et des mercaptans, composés organiques réduits de soufre et d’hydrogène. Ces produits, malodorants, doivent être incinérés dans la partie haute de la chambre de combustion en atmosphère oxydante, pour être décomposés et donner SO 2 et H 2O. Cette incinération nécessite le maintien à haute température pendant un te mps suffisant, ce qui est réalisé dans ces chaudières. 

4.3.3.3 Conception d'une unité de récupération de liqueur noire 4.3.3.3.1 Données du problème Dans le procédé Kraft la production d’une tonne de pâte à papier donne une quantité de liqueur équivalente à environ 1,5 t de matières sèches. La liqueur est délivrée à une concentration se situant entre 45 et 65 % de matières sèches et celles-ci ont un pouvoir calorifique supérieur de 12 000 à 15 000 kJ/kg pour une minéralisation de 40 à 55 %. Pour compenser les pertes en soufre et en sodium, se produisant dans le cycle de fabrication de la pâte, il sera ajouté, en amont de l’unité de récupération, une certaine quantité de Na 2SO4 dans les matières sèches dépendant de la conception mais, en général, voisine de 0,04 kg/kg matières sèches. La chaudière (figures 25 et 26) doit produire de la vapeur surchauffée dont les caractéristiques de pression et de température sont celles requises pour actionner une turbine à contre-pression afin d’alimenter l’usine en vapeur à moyenne et basse pressions. Le rendement chimique de l’unité mesuré par la proportion de sulfates réduits en sulfures exprimée en Na 2O par le rapport pondéral : Na2 S ---------------------------------------------- × 100 Na 2 S + Na 2 SO 4 est en général supérieur à 92 %. L’unité enfin doit être équipée d’un dépoussiérage permettant de respecter les règlements locaux en vigueur sur les rejets à l’atmosphère. Dans sa conception le constructeur doit rechercher le meilleur rendement compatible avec les corrosions et en particulier réduire les pertes chimiques et thermiques du mieux possible.

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Le problème ainsi posé est résolu en prenant les dispositions particulières décrites dans les paragraphes 4.3.3.3.2, 4.3.3.3.3 et 4.3.3.3.4. 4.3.3.3.2 Foyer De section à peu près carrée, il est étroit et très haut, entre 20 et 50 m suivant le débit de liqueur à brûler. Il comprend deux zones de combustion : — une zone dite primaire , dans la partie basse du foyer ; — une zone dite secondaire , dans la partie haute. La liqueur est injectée par un dispositif spécial entre les deux niveaux d’air. Elle est, dans la conception Combustion Engineering, épandue par plusieurs injecteurs (4 à 16) sur toute la surface du foyer. Le combustible sèche en suspension par un échange à la convection avec les gaz chauds ascendants, les matières sèches tombant ainsi sur une sole plate pour y brûler. Dans la conception Tomlinson (Babcock and Wilcox), la liqueur noire est projetée par un ou plusieurs brûleurs à partir de la face avant sur la face arrière, où elle sèche sur les tubes de cet écran et s’écoule sur une sole légèrement inclinée pour y brûler. Des orifices nombreux sont placés juste au-dessus de la sole pour amener l’air de combustion de la liqueur. La quantité d’air introduite est contrôlée pour que l’atmosphère, dans cette zone, soit toujours réductrice, ce qui provoque la réduction chimique des sulfates en sulfures. Un certain nombre de réactions chimiques complexes se produisent, en plus de la réduction dans cette zone ; il s’en dégage principalement : CO, N 2 , H 2 , H 2S et mercaptans, le tout chargé en poussières de sulfate et carbonate de soude entraîné par le courant gazeux ascendant. Ces gaz, dont une partie est combustible, sont alors brûlés dans une zone située à la partie haute du foyer qui est : — soit un étage d’injection d’air tangentiel créant une forte turbulence dans le système Combustion Engineering ; — soit deux étages (secondaire et tertiaire) frontaux dans le système Tomlinson . Dans les deux cas, le but est de transformer tout le CO en CO 2 , H2 , H 2S et les mercaptans en SO2 et H 2O. La forte turbulence crée, tout en facilitant le mélange air de combustion et gaz combustible, un barrage aux envolées de poussières. 4.3.3.3.3 Écrans Dans les chaudières modernes, les écrans sont constitués de tubes soudés entre eux formant parois étanches aux fumées. Cette disposition offre un avantage considérable d’entretien étant donné la quantité d’envolées qui provoque sur la partie basse des écrans un ruissellement constant de sels minéraux fondus. Dans la zone de combustion réductrice, les réactions chimiques occasionnent des risques de corrosion qui peuvent entraîner des pertes de métal sévères dans certaines conditions : — pressions élevées (> 80 bar) ; — sulfidité (teneur en soufre) importante. Lorsque ces conditions sont réunies, il est nécessaire de protéger les écrans. Ces protections peuvent être : — la métallisation (chrome et alumine) ; — la mise en place de picots (studage ), qui favorise un dépôt recouvrant le métal en permanence ; — les blocs Bailey, pièces réfractaires accrochées aux tubes. Toutes ces protections ne sont pas définitives, car elles peuvent partiellement disparaître en cours d’exploitation. Compte tenu des dangers de réactions violentes combinées de caléfaction et d’eau sur le sulfure de sodium, on a été amené à construire, depuis la dernière décennie, des bas de chambre en



Figure 25 – Chaudière Stein-Industrie de récupération de liqueur noire (usine Voest Alpine pour Cellucam-Edea au Cameroun)

tubes composés constitués d’acier doux à l’extérieur et d’acier inoxydable à l’intérieur. On évite ainsi la corrosion externe sur l’acier doux par les sels de sodium et la corrosion interne sur l’acier inoxydable par l’eau déminéralisée (présence intempestive de chlore). Cette technique qui offre toutes les garanties se révèle, malheureusement, d’un coût très élevé et ne peut être appliquée que dans les cas où le danger de corrosion existe réellement. Toutefois, ce risque n’étant pas nul, toute la chambre de combustion est constituée de tubes beaucoup plus épais que nécessaire. Ils sont, en outre, vérifiés par contrôle non destructif sur toute leur surface avant mise en œuvre. Toutes les soudures de raboutage sont contrôlées.

4.3.3.3.4 Échangeurs Les gaz sortent de la chambre de combustion à environ 900 oC ; à cette température les poussières sont extrêmement collantes. Les surfaces d’échange doivent être planes et les pas entre les appareils très larges (> 300 mm). En général, un faisceau coup de feu des surchauffeurs est placé juste en amont des éléments des surchauffeurs ; il est constitué de panneaux plans. Les appareils situés en aval dans des gaz dont les températures sont inférieures à 650 oC sont à des pas plus serrés. Ce sont les faisceaux vaporisateurs et les économiseurs.


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Figure 26 – Chaudière Fives-Cail-Babcock pour SPIE-CRC aux Philippines

Pour tous ces échangeurs, sur le circuit des fumées, un système de ramonage très sophistiqué est prévu, complété sur les installations de conception ancienne surtout par un lancing manuel (soufflage à l’air comprimé). Enfin, quelquefois, l’unité est complétée, avant le dépoussiéreur, par un surconcentrateur de liqueur noire. La liqueur noire est en général concentrée à partir de 15 à 20 % de matières sèches dans un évaporateur multiple effet à tubes ou plaques. Cette concentration ne présente pas de difficulté jusqu’à 45 ou 50 %, mais peut devenir très délicate dans ces appareils pour certains types de bois ou fibres végétales ; on l’effectue alors dans un échangeur fumée-liqueur qui est un évaporateur-cyclone ou un évaporateur-cascade.

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L’évaporateur-cyclone est un appareil dans lequel la liqueur est pulvérisée dans les fumées. L’évaporateur-cascade est un tambour composé de deux flasques circulaires reliées entre elles par des tubes entretoisés. Le rotor trempe dans un bain de liqueur. En tournant il remonte, par adhérence, la liqueur noire dans le circuit de fumée. Il est d’une conception robuste et consomme peu d’énergie. Les concentrations obtenues peuvent être de l’ordre de 63 à 70 % suivant la viscosité de la liqueur utilisée. 4.3.3.3.5 Appareils annexes Nous n’entrerons pas dans le détail des appareils annexes qui sont nombreux mais les citerons par catégories.



Appareils à liqueur noire : — réservoir journalier de sulfate d’appoint ; — système d’alimentation en sulfate d’appoint incluant le contrôle du débit avec vis ou bande peseuse et tamis ; — réservoir de mélange des sels d’appoint dans la liqueur concentrée ; — réchauffeurs de liqueur noire pour amener celle-ci à la température recherchée au brûleur ; — pompes à liqueur noire avec contrôle par variateur ou vannes ; — système de récupération des suies (carbonate et sulfate de sodium) sous électrofiltres et trémies avec réservoir de mélange à la liqueur noire (cette récupération peut être humide par caniveaux, ou sèche par bandes transporteuses). 

Récupération du salin : le salin fondu dans le bas du foyer, composé de carbonate et de sulfure de sodium, s’écoule par des goulottes refroidies à l’eau. Le salin tombe dans un bac appelé dissolveur dans lequel il est mélangé avec l’eau pour former la liqueur verte . Cette liqueur verte est extraite du dissolveur au moyen d’une pompe et dirigée vers l’atelier de caustification pour être reconstituée en lessive active. Du dissolveur, qui reçoit les sels fondus à environ 800 oC, des buées s’échappent, par la cheminée d’évent, entraînant une quantité importante de produits chimiques. Sur les installations modernes cette cheminée d’évent comporte, pour récupérer ces produits chimiques, des récupérateurs du type à tamis ou des scru- bbers (laveurs de buées) pour récupération chimique et thermique. 

Distribution d'air : un système unique ou double de distribution d’air primaire et secondaire est fourni avec contrôle des débits de chacun des circuits. L’alimentation, aux différents points d’injection du foyer, est réglée et contrôlée de manière à répartir l’air (en débit et en vitesse) pour avoir une combustion complète en même temps qu’un rendement chimique élevé. 

5. Chaudières de récupération derrière turbines à gaz Les unités de production d’énergie électrique utilisant les turbines à gaz couplées à des alternateurs sont de développement industriel relativement récent. Elles sont installées : — soit pour des unités de production d’électricité de pointe ; — soit dans des pays en voie de développement qui disposent de combustibles compatibles avec ces turbines à gaz. En effet, ce matériel ne peut être alimenté qu’avec un combustible gazeux ou liquide. Dans la pratique il s’agit de gaz naturel ou de fueloil liquide de bonne qualité. Des développements récents sont en cours pour utiliser également des fuels lourds. Les turbines à gaz offrent, par rapport aux centrales thermiques classiques de même puissance, l’avantage de pouvoir être très compactes, préfabriquées presque entièrement en ateliers. De ce fait, leur coût est relativement plus faible. Pour des raisons technologiques (limitation de la température des ailettes de la turbine), les excès d’air de combustion sont très importants (200 à 400 %). De plus, la température des gaz d’échappement de ces machines est élevée, généralement de l’ordre de 500 oC. Ces deux caractéristiques font que le rendement global des turbines à gaz reste très faible, habituellement inférieur à 30 %. Le moyen le plus simple d’améliorer ce rendement consiste à récupérer la chaleur sensible contenue dans ces gaz en installant, en aval, une chaudière de récupération dans laquelle celle-ci est cédée à un fluide.

Les fluides le plus couramment utilisés sont : l’eau sous forme d’eau surchauffée ou de vapeur ou certains fluides thermiques. Dans ces conditions, en admettant une chaudière de récupération vapeur associée à une turbine vapeur, le rendement énergétique de l’ensemble peut atteindre environ 43 à 45 %.

5.1 Principes généraux de conception des chaudières de récupération à tubes d'eau Comme pour les chaudières de récupération que nous avons décrites dans les paragraphes précédents, certaines peuvent être conçues en chaudières à tubes de fumées et spécialement les chaudières de faible puissance. Pour les unités de dimensions importantes, la chaudière de récupération est généralement une chaudière à tubes d’eau (figure 27). Les conditions de fonctionnement de ces chaudières sont très particulières. Le niveau énergétique du fluide chaud est relativement faible puisque les gaz d’échappement de la turbine sont à environ 500 oC. Le volume des fumées est important puisque l’excès d’air est compris entre 200 et 400 %. La chaudière travaillera uniquement par échange convection et les tubes pourront être munis d’ailettes pour augmenter l’échange thermique. La température des fumées à la sortie de la chaudière de récupération est d’environ 200 oC ; cette température est choisie pour des raisons essentiellement économiques.

5.1.1 Circulation d'eau Deux modes de circulation sont habituellement choisis pour ces chaudières : la circulation naturelle ou la circulation contrôlée. 5.1.1.1 Chaudière à circulation naturelle La chaudière comprend un ou plusieurs faisceaux vaporisateurs constitués de tubes dudgeonnés entre deux ballons avec les appareils annexes tels que surchauffeurs et économiseurs. Elle est d’une construction simple, généralement d’un coût peu élevé. Elle présente cependant l’inconvénient de ne pas pouvoir assurer, lors des démarrages de la turbine à gaz, une circulation d’eau suffisante ; or, le cycle de montée en température d’une turbine à gaz est très rapide. 5.1.1.2 Chaudière à circulation contrôlée La chaudière comprend des faisceaux vaporisateurs, des surchauffeurs et économiseurs tels que ceux représentés sur la figure 27. Un réservoir, placé au-dessus de la chaudière, reçoit l’eau venant de l’économiseur et, par des tubes de descente d’eau et des pompes de circulation, alimente les faisceaux vaporisateurs en assurant une vitesse de circulation indépendante du régime de fonctionnement de l’appareil. Cette technique bien que d’un coût supérieur à la précédente offre l’avantage de permettre des variations de charge extrêmement rapides et, en particulier, de ne pas souffrir lors du démarrage de la turbine à partir de l’état froid.

5.1.2 Circulation des gaz Les gaz, à l’échappement de la turbine, sont à faible surpression. Étant donné leur volume important, il est souhaitable de ne pas installer, en aval de la chaudière, un ventilateur de tirage.


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