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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 126 − 1 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. Présentation générale............................................................................. B 126 - 3 1.1 Chaudières avec ou sans combustion ....................................................... — 3 1.2 Types de chaudières de récupération........................................................ — 3 1.2.1 Chaudières à circulation naturelle..................................................... — 3 1.2.2 Chaudières à circulation contrôlée.................................................... — 3 2. Chaudières de récupération sans combustion ................................ — 4 2.1 Classiﬁcation par type d'industrie.............................................................. — 4 2.1.1 Métallurgie .......................................................................................... — 4 2.1.2 Chimie.................................................................................................. — 6 2.1.3 Pétrole. Pétrochimie ........................................................................... — 7 2.2 Exemple de chaudière de récupération sans combustion, derrière un four à soufre................................................................................................. — 9 2.2.1 Données du problème........................................................................ — 9 2.2.2 Solution choisie .................................................................................. — 10 3. Chaudières à déchets solides............................................................... — 11 3.1 Problèmes liés à l'utilisation des déchets solides comme combustibles — 11 3.2 Choix du système de combustion.............................................................. — 12 3.3 Exemple de chaudière brûlant des déchets de bois et écorces............... — 12 3.3.1 Données du problème........................................................................ — 12 3.3.2 Solutions choisies............................................................................... — 15 3.4 Incinération des ordures ménagères ......................................................... — 16 3.4.1 Caractéristiques des ordures ménagères......................................... — 16 3.4.2 Procédés de destruction..................................................................... — 17 3.4.3 Principe de conception d'un incinérateur d'ordures ménagères ... — 17 3.4.4 Cas de la chaudière de récupération installée à la suite d'un incinérateur................................................................................. — 19 4. Chaudières à déchets liquides ou gazeux......................................... — 21 4.1 Conception de la chaudière ........................................................................ — 21 4.2 Exemple d'une chaudière sur gaz de vapocraqueur ................................ — 22 4.2.1 Données du problème........................................................................ — 22 4.2.2 Solutions choisies............................................................................... — 23 4.3 Unité de récupération de liqueur noire...................................................... — 24 4.3.1 Fonction de l'unité de récupération dans une usine de pâte à papier................................................................................................ — 24 4.3.2 Choix de la chaudière en fonction du procédé chimique utilisé .... — 25 4.3.3 Exemple d'une unité de récupération d'une usine Kraft................. — 25 5. Chaudières de récupération derrière turbines à gaz ..................... — 29 5.1 Principes généraux de conception des chaudières de récupération à tubes d'eau................................................................................................ — 29 5.1.1 Circulation d'eau................................................................................. — 29 5.1.2 Circulation des gaz ............................................................................. — 29 5.1.3 Utilisation de la vapeur ...................................................................... — 30 5.2 Post-combustion.......................................................................................... — 30 5.2.1 Caractéristiques de fonctionnement................................................. — 30 5.2.2 Caractéristiques de construction....................................................... — 30 CHAUDIÈRES DE RÉCUPÉRATION __________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 126 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique 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 relative- ment 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 plu- sieurs raisons. I L’activité industrielle, grande productrice de déchets, s’est accrue et diversiﬁée. I 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. I 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 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 incita- tions 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 gazéification ; — le compostage ; — la pyrolyse ; — le dépoussiérage. O _________________________________________________________________________________________________________ CHAUDIÈRES DE RÉCUPÉRATION Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 126 − 3 1. Présentation générale Une chaudière de centrale thermique est généralement conçue pour fournir la vapeur nécessaire à la production d’énergie élec- trique avec le meilleur rendement possible. Une chaudière de récupération est conçue pour répondre à plu- sieurs 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 fabrica- tion 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 qua- lités 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 avec ou sans 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 calorifique du produit ; — la nature des agents éventuellement corrosifs ; — la teneur et la nature des poussières ou déchets 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 d’une chaudière 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 chau- dières 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, uploads/Industriel/ chaudieres-de-recuperation-michel-philippe.pdf