Comprendre la mesure de l'oxygène dans les flux de gaz de combustion

L'examen de la quantité totale d'O2 dans le flux de gaz peut être trompeur car la quantité d'O2 en excès stoechiométrique est la mesure la plus importante.

Les processus de combustion automatisés sont partout autour de nous, des appareils résidentiels et des systèmes CVC aux grandes chaudières industrielles, aux appareils de chauffage et aux centrales électriques. Malgré toutes les différences d'échelle et d'objectif, l'élément commun que tous essaient d'atteindre est un rendement élevé grâce à un contrôle efficace de la combustion. Le coût du carburant est un facteur majeur, d'où l'accent mis sur l'efficacité, mais les considérations de sécurité et d'émissions sont également au premier plan, en particulier ces dernières pour les applications industrielles. Le type de combustion dont il est question dans cet article est une réaction chimique entre le carburant et l'oxygène (O2) et est donc soumis à des facteurs stœchiométriques de base. Le nombre correct de molécules d'O2 doit être disponible pour réagir avec le nombre correspondant de molécules de carburant. En pratique, la plupart des chambres de combustion utilisent de l'air atmosphérique, avec un débit d'air mesuré pour contrôler l'alimentation en O2. Le déséquilibre du débit d'air dans les deux sens est problématique. S'il n'y a pas suffisamment d'air (en dessous de l'exigence stoechiométrique ou combustion riche en carburant), le carburant non brûlé sort de la cheminée. Cela gaspille du carburant, crée des émissions et des polluants atmosphériques dangereux. Cela crée également un problème de sécurité potentiel si suffisamment de carburant se mélange ensuite avec de l'O2 et s'enflamme. Pour compliquer encore les choses, dans le monde réel, la combustion est rarement complète à cent pour cent. Il y a généralement une certaine quantité de combustible non brûlé dans les gaz de combustion, bien que des traces n'aient pas d'effet significatif sur les niveaux d'O2 total par rapport à l'excès. Cependant, des niveaux importants de combustible non brûlé sont probables à un moment donné de la durée de vie d'une installation et sont plus courants qu'on ne le pense. Ceci est inévitable même dans les brûleurs les plus efficaces. Plus d'informations sur ce que cela signifie dans un instant. S'il y a trop d'air (au-dessus de l'exigence stoechiométrique, entraînant une combustion pauvre en carburant), l'efficacité est réduite en raison du gaspillage d'énergie pour chauffer le volume d'air inutile. Ceci est inévitable dans une certaine mesure puisqu'environ 80% de l'air est de l'azote, mais l'excès d'air est moins problématique pour l'efficacité et plus sûr pour le fonctionnement, bien que les émissions d'oxydes d'azote (NOx) puissent augmenter avec l'augmentation de l'excès d'air. Pour la plupart des chambres de combustion, il existe un excès d'air idéal pour obtenir une bonne combustion, de faibles émissions et un rendement élevé. L'excès d'air et l'excès de carburant réduisent tous deux l'efficacité, mais l'excès d'air ne réduit pas l'efficacité autant que le même volume de carburant en excès.

Quiconque a travaillé avec une cuisinière ou un appareil de chauffage à gaz à l'ancienne peut voir le processus de mélange fonctionner en ajustant l'entrée d'air du brûleur pour obtenir une flamme parfaitement bleue. Mais la question se pose, quelle est la manière la plus pratique d'optimiser la combustion à grande échelle pour la sécurité, l'efficacité et les émissions ? La réponse la plus courante consiste à mesurer et à contrôler la quantité d'O2 restant dans l'échappement des gaz de combustion, mais qu'est-ce qui est idéal ? Comme nous venons de le mentionner, la combustion n'est souvent pas parfaitement complète, de sorte qu'une partie du carburant non brûlé et de l'O2 sortent de la cheminée, même si le mélange d'air et de carburant entrant dans le brûleur est parfait. Le sujet de préoccupation est la quantité d'O2 supérieure à ce qui est nécessaire pour brûler la quantité de carburant, mais l'examen de la teneur totale en O2 dans le flux de gaz de combustion peut être trompeur si les opérateurs ne comprennent pas parfaitement ce que représente la mesure. Le défi consiste à déterminer quelle quantité d'O2 dans les gaz de combustion dépasse la quantité stoechiométrique. Les opérateurs veulent normalement une certaine quantité d'excès d'O2 car il n'est pas souhaitable de réduire le débit d'air en dessous de la quantité stoechiométrique (Figure 1), mais la quantité exacte dépend du carburant et du système de combustion. Se tromper du côté pauvre en carburant dans la plupart des situations est plus souhaitable que de rouler riche en carburant.

Pour les installations industrielles, il existe un large éventail de stratégies de contrôle. Au minimum, il y aura un instrument surveillant le débit de carburant. Le débit d'air sera mesuré, ou au moins contrôlé, pour correspondre au débit de carburant. Ce type de système peut être mis en œuvre à l'aide d'une formule (volume d'air par unité de combustible) pour un calcul approximatif, mais la variabilité de la demande en oxygène de différentes sources de combustible et la précision des mesures du débit de combustible et d'air entraînent également la nécessité de surveiller la teneur réelle en O2 des gaz de combustion. Il existe deux techniques couramment appliquées pour la mesure de l'O2 dans les gaz de combustion : un analyseur à diode laser accordable (TDL) et un analyseur à capteur de zircone. Un analyseur TDL utilise deux composants de détection (Figure 2), une source laser et un détecteur.

Les commandes des chaudières, des appareils de chauffage à feu et d'autres processus de combustion sont conçues pour réguler l'air de combustion afin d'assurer un fonctionnement avec un excès d'air suffisant, mais pas trop. Les capteurs au zirconium mesurent l'excès d'O2, et non l'O2 total, qui est directement lié à l'excès d'air. D'autres technologies, telles que le TDL, mesurent l'O2 total, ce qui ne fournit pas une mesure directe de l'excès d'air en présence de carburant non brûlé. L'O2 total n'est égal à l'excès d'O2 que lorsque la combustion est complète à 100 % et qu'il n'existe aucun combustible non brûlé. Bien qu'une opération ne soit jamais destinée à fonctionner avec du carburant non brûlé, le risque demeure et se produit dans une certaine mesure dans pratiquement toutes les applications. Lors de l'utilisation d'un analyseur TDL, sa mesure d'O2 total peut donc amener les opérateurs ou les contrôleurs automatisés à conduire dans des conditions dangereuses riches en carburant. Un capteur au zirconium simple et durable résout ce problème en ne mesurant que l'excès d'O2, permettant aux opérateurs de contrôler les processus de combustion tout en maintenant des conditions sûres et optimales.

Neil Widmer est responsable du développement commercial de la combustion chez Emerson. Il a 30 ans d'expérience dans l'industrie de la combustion et de l'énergie thermique. Neil possède 13 brevets américains, 2 publications évaluées par des pairs et a rédigé de nombreux articles et présentations. Il est titulaire d'un diplôme BSME de l'Université de Californie-Davis. Jesse Sumstad est chef de produit mondial pour l'activité solutions de mesure d'Emerson. Il gère le portefeuille d'instruments d'analyse de la combustion, qui comprend des analyseurs d'oxygène in situ, des transmetteurs d'oxygène et de combustible extractifs et des accessoires. Jesse est titulaire d'un baccalauréat ès sciences en génie industriel de l'Université de l'Iowa et d'un MBA de l'Université de St. Thomas.

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