Technologies et concepts de brûleurs : rencontrer les émissions

1er septembre 2022 | Par Jonathan Stoeger

Pour atteindre des objectifs de durabilité audacieux, de nouvelles technologies de brûleur et de nouvelles configurations de contrôle sont en cours de développement pour aider à réduire considérablement les émissions de NOx

De nombreuses entreprises leaders du secteur ont fixé des objectifs de durabilité audacieux en matière de réduction des émissions et d'efficacité énergétique, motivés par des facteurs tels que le changement climatique, l'Accord de Paris et diverses réglementations nationales, étatiques et locales.

Aux États-Unis, la Californie a toujours montré la voie en matière de réduction des émissions. Il a été le premier État à imposer une norme d'émission de 30 parties par million (ppm) pour les oxydes d'azote (NOx), qui a ensuite diminué à 15 ppm de NOx, puis à seulement 9 ppm de NOx. Désormais, certains comtés de Californie imposent une exigence de 2 ppm de NOx sur les grandes chaudières industrielles à tubes d'eau (IWT). D'autres États emboîteront le pas avec des exigences d'émissions de NOx de 30 ppm ou même moins.

L'industrie des chaudières continue d'introduire des technologies et des solutions avancées qui réduisent à la fois les émissions de NOx et de CO (Figure 1). Aujourd'hui, il existe différentes technologies de combustion et différents styles de combustion, en fonction de l'application, du combustible et de la taille de combustion, qui sont disponibles pour les combustibles traditionnels et renouvelables. Ces nouvelles offres, associées à des systèmes de contrôle avancés, garantissent une plage de variation élevée, un rapport carburant/air constant et une répétabilité de la combustion.

FIGURE 1. Des exigences de réduction des émissions de NOx et de CO sont à venir et les technologies de brûleur évoluent pour aider à atteindre ces objectifs

Le refus est un concept qu'il est important de comprendre. En ce qui concerne les systèmes de chaudières, il s'agit d'un rapport qui identifie les paramètres de feu élevé et de feu bas d'un système. Par exemple, un brûleur de 100 millions de Btu/h avec une plage de variation de 10:1 atteindra un feu élevé à 100 millions de Btu/h et un feu bas à 10 millions de Btu/h. Le principal avantage d'une plage de variation élevée pour un système de chaudière est la réduction des cycles, ce qui réduit la consommation d'énergie et le stress thermique d'une chaudière.

En réduisant le cycle, moins de carburant est nécessaire et moins d'émissions s'échappent dans l'atmosphère. La rangeabilité dépend fortement de la conception du brûleur. De nombreux systèmes de brûleurs à plage de variation élevée nécessitent un système de contrôle avancé - généralement, ceux-ci impliquent soit un positionnement parallèle, soit des systèmes entièrement dosés.

Le type de NOx qui est le plus réduit avec la technologie des brûleurs est le NOx thermique. Ceci peut être réalisé en abaissant la température de la flamme ou en éliminant les NOx rapides, dont certains peuvent être réduits en optimisant le mélange combustible-air dans le brûleur. Il existe différents types de technologies de brûleurs et de systèmes de combustion qui peuvent être mis en œuvre aujourd'hui, et chacun a ses propres caractéristiques pour réduire les NOx et augmenter l'efficacité. Ces méthodes incluent les suivantes :

L'étagement du combustible injecte une partie du combustible principal pour se mélanger aux gaz de combustion dans le four avant l'allumage (Figure 2). Ainsi, il dilue le carburant avec des gaz, principalement N2 et H2O. L'étagement du combustible de cette manière l'amène à s'enflammer de la flamme principale et le volume diminue la quantité de transfert de chaleur rayonnante du four. Ce transfert de chaleur radiante aide à refroidir la flamme. La combustion de ces deux effets réduit la température de la flamme, diminuant ainsi la formation de NOx.

FIGURE 2. L'étagement du combustible avec des inducteurs de gaz de combustion consiste à injecter une partie du combustible principal dans le four avant l'allumage, ce qui sert à diluer le combustible avec des gaz, abaissant efficacement la température de la flamme et inhibant la production de NOx

Derrière le processus, certains des injecteurs de gaz sur le côté extérieur de la tête de combustion (ou partie perforée de la tête) ont une seule grande grille, appelée injecteurs étagés. Ces injecteurs dirigent les jets de carburant à l'extérieur de la flamme principale de combustion.

Des orifices d'injection plus grands produisent des jets plus gros qui se déplacent plus loin dans le four lui-même. Mélanger plus lentement avant d'allumer la flamme principale produit une plus grande enveloppe de flamme qui aide à augmenter le transfert de chaleur rayonnante. Plus de transfert de chaleur de la chaudière au four et dans la flamme elle-même produit plus de chaleur et augmente les émissions de NOx.

L'étagement du carburant à lui seul peut réduire les NOx d'environ 20 à 25 %. Par exemple, pour un type de brûleur non contrôlé standard de 100 ppm de NOx avec étagement du combustible en place, les émissions de NOx peuvent être réduites à 75-80 ppm.

La recirculation induite des gaz de combustion (FGR) est l'une des méthodes les plus courantes et les plus efficaces pour réduire les NOx thermiques (Figure 3). Le procédé prend des fumées froides et inertes et les mélange avec de l'air de combustion pour augmenter le débit massique à travers le front de flamme, réduisant ainsi la température et la formation de NOx thermiques.

FIGURE 3. Une chaudière à tube de fumée typique avec recirculation des gaz de combustion (FGR) est illustrée, où le flux de gaz chaud recirculé est dévié avant d'atteindre l'économiseur

La figure 3 montre comment les fumées sont extraites avant d'atteindre l'économiseur. Sur un petit tube à feu avec des températures plus élevées, les gaz de combustion recirculés seront extraits et mélangés à l'air. De là, avec le ventilateur, il sera introduit et mélangé au carburant dans le processus de combustion. Cela minimisera la température de la flamme pour réduire les NOx thermiques et les émissions du brûleur.

Cette technique est aujourd'hui utilisée dans de nombreux moteurs à combustion. Il peut être appelé recyclage des gaz d'échappement (EGR). Fondamentalement, c'est une solution simple. En ajoutant un peu d'eau, le système se refroidit. Cela peut être comparé à l'introduction de gaz de combustion dans le système pour aider à refroidir la flamme et à maintenir les émissions de NOx à un faible niveau.

Pour les chaudières de plus grande capacité, telles que les IWT, le FGR sera généralement retiré après l'économiseur. Sur les chaudières plus grandes, il est préférable d'avoir des températures légèrement plus froides pour le FGR.

Les NOx peuvent être réduits de 90 % lorsqu'ils sont utilisés avec d'autres technologies de brûleur. Avec la technologie interne, 9 à 10 ppm de NOx sont réalisables en combinant plusieurs technologies. Aujourd'hui, même 5 ppm de NOx sont réalisables dans certaines circonstances.

La méthode de l'excès d'air élevé augmente le débit massique de l'excès d'air pour refroidir la flamme, similaire à la solution FGR. Pour être efficace, il est nécessaire de contrôler la position du front de flamme. De plus, il est très important dans cette méthode que le mélange carburant-air soit prémélangé avant l'allumage du brûleur. Sinon, la flamme montera et s'écoulera dans un état riche en combustible. Une fois que cela se produit, le brûleur se met en déplacement et la température de la flamme recommence à augmenter, contrecarrant les avantages du prémélange.

Étant donné que le mélange de carburant et d'air doit être prémélangé et qu'un contrôle de la position de la flamme est nécessaire, une stratégie d'excès d'air élevé ne peut être utilisée qu'avec certains types de brûleurs.

En utilisant ce type de technologie, les NOx peuvent être réduits à 7,5–9 ppm. L'un des principaux avantages d'un excès d'air élevé est d'obtenir de faibles émissions sans utiliser de RGF.

La dernière des technologies de combustion est la combustion en deux étapes, dont il existe deux types : l'injection de carburant en deux étapes et l'injection d'air en deux étapes. Les processus sont quelque peu similaires, la principale différence étant que l'injection de carburant en deux étapes utilise une combustion à prémélange pauvre dans la première étape, et dans l'injection d'air en deux étapes, la première étape implique une combustion très riche en carburant.

La première étape de la méthode d'injection de carburant consiste en un transfert d'air et de chaleur en excès élevé (Figure 4). Tout l'air de combustion passe par le brûleur alors que seule une partie de l'air de combustion passe par le brûleur, ce qui entraîne une combustion très pauvre.

FIGURE 4. La première étape de la méthode d'injection de carburant implique un transfert d'air et de chaleur en excès élevé

Dans la deuxième étape du processus de combustion, des carburants supplémentaires sont injectés dans les produits de combustion. Pour que cela soit efficace, une certaine quantité de chaleur doit être éliminée avant la première étape et avant de soumettre la deuxième étape au carburant. La chaleur peut généralement être évacuée par un échangeur de chaleur rayonnant vers les parois du four.

Lors de la première étape, la combustion ramenée à température de flamme entre l'échangeur de chaleur est insuffisante. Le FGR peut être ajouté à la première étape de combustion pour réduire la température de la flamme elle-même. Le carburant injecté dans la deuxième étape peut être étagé pour le mélanger avec les gaz du four et la station de carburant de la deuxième étape d'injection de carburant, ce qui est commun pour ce système.

La chaudière monobloc typique utilisant un système d'injection de carburant en deux étapes atteint environ 30 ppm de NOx sans FGR. Si le FGR est ajouté au processus d'injection en deux étapes, les NOx peuvent être réduits à 9-10 ppm.

L'application de la méthode d'injection d'air en deux étapes à de très grands fours, tels que des chaudières érigées sur place, nécessite deux systèmes de combustion en raison du volume nécessaire.

Dans la méthode d'injection d'air (Figure 5), la première étape est une combustion très riche, ou ce qu'on appelle sous-stoechiométrique. Dans ce type de combustion, il n'y aura qu'une combustion partielle dans la première étape.

FIGURE 5. La méthode d'injection d'air commence par une combustion sous-stoechiométrique

Dans la deuxième étape, le reste de l'air de combustion est introduit, et généralement le transfert de chaleur entre les deux étapes d'injection n'est pas suffisant pour réduire la température. Par conséquent, le FGR doit être introduit dans la deuxième étape d'injection avec de l'air.

La deuxième étape de combustion est responsable de la majeure partie de la production thermique de NOx, il est donc important de contrôler la température de la flamme. Sur le terrain, cela est souvent appelé air de surchauffe sur les chaudières érigées sur place. En utilisant la méthode d'injection d'air en deux étapes, les NOx peuvent être réduits à 30 ppm. Avec l'huile numéro 6 (une huile résiduelle à haute teneur en Btu), les NOx peuvent être réduits à 140 ppm, alors qu'ils seraient normalement d'environ 375 ppm.

Pour utiliser ces technologies ou processus de combustion, des contrôles avancés, tels que des systèmes de positionnement parallèle ou des systèmes entièrement dosés, sont nécessaires. Les options supplémentaires incluent les variateurs de vitesse (VSD) et les systèmes de réglage du débit d'air de compensation O 2 (décrits dans la section suivante). Ces systèmes fournissent un contrôle précis, nécessaire pour contrôler le rapport carburant-air et obtenir un bon mélange avec les technologies de mise à feu.

Positionnement parallèle. Fondamentalement, le positionnement parallèle est un système de contrôle qui optimise le rapport combustible/air du brûleur. L'utilisation d'un système de positionnement parallèle au lieu d'une position standard à point unique présente de nombreux avantages.

Le positionnement parallèle permet un contrôle précis du rapport carburant-air car il y a un actionneur directement couplé à la vanne de régulation, qu'il s'agisse du registre d'air, de la vanne de dosage de gaz ou de la vanne FGR pour assurer la répétabilité. À tous les points du processus de combustion, cela va toujours se répéter.

Le positionnement parallèle utilise des servos dédiés qui sont des actionneurs à haute résolution, et chacun des carburants ou de l'air a son propre servo dédié. Le volet d'air a son propre servo dédié. La soupape de commande de gaz a son propre servo dédié, et si FGR est présent, il y a un servo sur la soupape FGR qui contrôlera la quantité de recirculation. Chaque actionneur est également équipé d'un signal de retour pour améliorer la sécurité. Si un actionneur n'atteint pas sa position, il signale une alarme et s'arrête.

Chacun d'eux peut avoir sa propre courbe distincte qui sera appliquée. La courbe air-carburant pour le positionnement parallèle est une fonction logicielle. De ce fait, il est possible de modifier une courbe voire d'avoir plusieurs courbes des combustibles pour répondre aux exigences des différentes technologies de brûleurs. De plus, comme il s'agit d'une fonction logicielle, il est possible d'ajouter un entraînement à fréquence variable (VFD), une dérivation VFD et des systèmes de compensation O2.

Comme des actionneurs à haute résolution sont utilisés, il y a une bonne combustion tout au long du processus de modulation du brûleur. Et, un grand avantage est qu'il y a moins de perte d'hystérésis. De ce fait, attendez-vous à des économies de carburant d'environ 2 à 3 %. Ces économies de carburant signifient que moins de carburant est brûlé, ce qui se traduit par moins d'émissions dans l'atmosphère.

En utilisant un contrôle avancé avec une technologie de combustion plus récente, les émissions de NOx peuvent être réduites à 9 ppm ou, dans certains cas, aussi bas que 5 ppm.

Systèmes entièrement mesurés. Un système entièrement mesuré est la méthode préférée utilisée pour s'adapter aux changements de pression ou de température de l'air et du carburant dans un système de contrôle du taux d'allumage. Passer d'un système de positionnement parallèle revient à passer à un système entièrement mesuré avec des capacités de limitation croisée (Figure 6).

FIGURE 6. Ce système de contrôle entièrement mesuré comprend des capacités de limitation croisée et des actionneurs de dispositifs individuels

Semblable à un système de positionnement parallèle, un système entièrement mesuré utilise des actionneurs de dispositifs individuels. La principale différence opérationnelle est qu'un système de positionnement parallèle utilise la position des dispositifs de contrôle de l'air et du carburant comme indications du bon débit, et un système entièrement mesuré utilise des capteurs de débit pour surveiller le débit réel d'air et de gaz. De plus, pendant qu'il surveille, un système entièrement mesuré ajustera les dispositifs de contrôle selon les besoins pour obtenir le débit souhaité.

Un système entièrement mesuré est utilisé pour créer les points de consigne d'air et de carburant par rapport auxquels les débits respectifs sont préparés pour créer les signaux d'air de position de contrôle de débit. L'utilisation d'un système de compensation O2 est fortement recommandée avec ce type de système.

Un système entièrement dosé avec un contrôle d'allumage à limitation croisée a la plus grande efficacité et le meilleur contrôle des émissions de tous les systèmes utilisés aujourd'hui, car il est livré avec des compteurs d'air et de carburant permettant l'indication et la totalisation du débit.

De plus, un système entièrement mesuré offre un potentiel de compensation de pression et de température. Il est également compatible avec les applications à brûleurs multiples et les carburants alternatifs. Il peut effectuer des tirs simultanés avec différents types de combustibles de manière sûre, efficace et fiable. Les réglementations fédérales et locales exigent souvent des totalisateurs de carburant, et ce système de mesure du carburant les inclut.

Garniture O2. La garniture O2 est une option qui maintient l'excès d'air à un niveau souhaité dans un système de combustion. Il compense les petites variations du rapport carburant-air causées par les conditions de fonctionnement. Les variations incluent les changements de pression atmosphérique, les changements de température ou simplement l'usure mécanique du brûleur et des composants eux-mêmes.

N'oubliez pas qu'une chose à propos de la combustion du brûleur est que tout ce qui peut avoir un impact sur le débit d'air ou de carburant aura un impact sur les performances du brûleur, ce qui a un impact négatif sur les émissions.

L'option de garniture O2 nécessite un capteur O2 qui est installé dans la sortie des gaz de combustion, dans la cheminée de la chaudière. Il donne un signal de retour au système de contrôle de la combustion.

Le système maintient la combustion O2 optimale pour atteindre les objectifs de NOx avec une bonne combustion complète. C'est à la fois un facteur de performance et un facteur de sécurité. Avoir une garniture O2 empêche la combustion de devenir trop riche ou de tomber en dessous de 1% O2. Sur certains brûleurs, il est essentiel de ne pas dépasser 8 à 9 % d'O2 pendant la combustion.

La garniture O2 est également un moyen très efficace d'identifier un problème potentiel. Si les niveaux d'O2 commencent à augmenter, les systèmes de trim O2 le révéleront.

Les avantages supplémentaires de la garniture O2 sont l'efficacité et la fiabilité. Fondamentalement, le contrôle assure la cohérence de l'O2 des gaz de combustion, une meilleure combustion et des corrections carburant-air en conjonction avec les changements de température de l'air, ce qui entraîne des économies de carburant d'environ 2 à 3 %.

VSD. Une autre option consiste à installer un variateur de vitesse (VSD) sur le ventilateur qui améliore la capacité de contrôler l'air de combustion, surtout si le ventilateur est surdimensionné. Avec un meilleur contrôle de l'air, il y a plus de contrôle du rapport carburant-air, ce qui se traduit par une combustion meilleure, plus précise et plus efficace. Et, ce faisant, des émissions de NOx faibles et ultra-faibles peuvent être atteintes.

Un système de réduction catalytique sélective (SCR) peut aider à réduire les émissions de NOx jusqu'à 94 %. Par exemple, si une installation possède un brûleur non contrôlé avec 100 ppm de NOx, un système SCR peut réduire les émissions à 6 ppm de NOx. Un autre avantage des systèmes SCR est qu'en utilisant certaines des technologies de brûleur ci-dessus, moins de catalyseur est nécessaire.

Sur un brûleur de 30 ppm, 5 à 6 ppm de NOx sont réalisables avec SCR, tout en utilisant moins de catalyseur. Cette solution fonctionne avec n'importe quel carburant si la température des gaz de combustion se situe dans la plage de 400 à 700 °F. Dans cette gamme de température, le catalyseur présente son plus haut niveau d'activité. Le lit de catalyseur peut être conçu pour des débits d'échappement petits à très grands de millions de colonnes par heure, et l'injection d'ammoniac peut être modifiée pour s'adapter à divers carburants pour des applications à plusieurs carburants et à allumage simultané.

Notez qu'il existe quelques limitations avec SCR. La première est que le flux de gaz de combustion ne peut pas contenir trop de matières particulaires. Sinon, le catalyseur se bouchera rapidement. Il existe différents emplacements de catalyseur qui peuvent être utilisés pour atténuer ce problème. De plus, le catalyseur peut être désactivé en présence de certaines substances, telles que des poisons de catalyseur.

De plus, l'ammoniac étant une base, la concentration en acide des fumées doit être surveillée de près sur ce type de système. En dessous du point de rosée acide, l'ammoniac se combinera avec un acide pour former un sel, qui peut boucher le catalyseur lui-même. La figure 7 illustre le fonctionnement d'un système SCR pour réduire les émissions et les NOx.

FIGURE 7. Un système de réduction catalytique sélective (SCR) est utilisé pour réduire davantage les émissions en aval des processus de combustion

Dans un système SCR, la réaction à l'ammoniac avec les NOx se produira naturellement à des températures élevées, autour de 1 600 °F. Cette réaction décompose les NOx, NO et NO2 en eau et azote gazeux inoffensifs.

L'introduction d'ammoniac dans le système de chaudière ajoute une nouvelle émission qui doit être contenue - le glissement d'ammoniac. Il s'agit de l'ammoniac n'ayant pas réagi qui se retrouve dans le système SCR.

Les limites de glissement de l'ammoniac dans la cheminée se situent généralement entre 2 et 10 ppm. En raison de la limite de glissement, le débit d'ammoniac doit être contrôlé avec précision pour correspondre au débit de NOx. Cette fonction est contrôlée par un régulateur de débit d'ammoniac. De plus, pour minimiser le glissement d'ammoniac, le modèle d'injection d'ammoniac doit correspondre à celui du modèle de distribution de NOx.

Cette fonction de l'ammoniac fait partie de la grille d'injection d'ammoniac. Au fur et à mesure que les gaz d'échappement s'écoulent, le contrôle du débit d'ammoniac surveille la quantité d'ammoniac entrant dans la zone de la grille d'injection d'ammoniac. À l'intérieur, il se mélange aux gaz d'échappement, traverse et sort du catalyseur. Encore une fois, avec SCR, N2 et H2O sont les sous-produits.

L'industrie des chaudières continuera à s'efforcer de réduire les émissions de NOx. Outre la réduction des émissions de NOx, l'accent est mis sur la réduction de l'empreinte carbone.

Dans un avenir proche, recherchez des technologies à mettre en œuvre dans ces cycles de combustion pour non seulement réduire les émissions de NOx, mais également pour réduire la quantité de carbone émise par le processus de combustion. Les systèmes de capture du carbone et d'autres technologies gagnent en popularité.

Une autre priorité pour notre industrie est l'efficacité énergétique. Les équipements à haut rendement utilisent mieux la chaleur, ce qui réduit naturellement la quantité de carburant nécessaire à brûler et, par conséquent, les émissions (Figure 8).

FIGURE 8. Le remplacement d'un ancien brûleur (A) par un nouveau brûleur à faible NOx (B) a permis à cette usine de réduire les émissions de NOx de 90 à 24 ppm. De plus, le cycle et l'excès d'air ont été réduits, augmentant l'efficacité globale et réduisant la consommation de carburant de 10 %.

Enfin, l'accent est également mis sur les carburants techniques et renouvelables, en particulier du côté de l'hydronique. Les carburants renouvelables ont moins de sous-produits d'émissions, ce qui aide aujourd'hui de nombreuses entreprises à atteindre leurs objectifs de développement durable. ■

1. Atteindre l'équilibre en combustion, Chem. Eng., août 2022, p. 14–17.

2. Nouvelles façons d'obtenir un meilleur contrôle des émissions, Chem. Eng., janvier 2021, p. 12–15.

3. Techniques à faible coût pour la réduction des NOx, Chem. Eng., mai 2020, pp. 30–36.

4. Équipement et technologie de combustion fermés, chimie. Eng., janvier 2018, p. 46–49.

Jonathan Stoeger est responsable des ventes internes et des applications pour le groupe Burner Systems de Cleaver-Brooks (221 Law St; Thomasville, GA 31792; Courriel : [email protected]; Site Web : www.cleaverbrooks.com). Il travaille chez Cleaver-Brooks depuis 17 ans et a siégé au comité du code CSD-1 de l'ASME (contrôles et dispositifs de sécurité pour les chaudières à allumage automatique) et est actuellement membre suppléant du comité. Stoeger est titulaire d'un diplôme en génie mécanique de l'Université du Wisconsin-Platteville.