Pertes à la cheminée pour les carburants diesel à faible teneur en soufre

Le calcul des pertes à la cheminée des chaudières qui fonctionnent au carburant diesel à faible teneur en soufre comporte six étapes et est fondé sur l'application suivante :

Tableau 1 - Les valeurs de l'analyse ultime pour le carburant diesel à faible teneur en soufre, livre/livre de combustible

Carbone (C)	0,8665
Hydrogène (H2)	0,1330
Azote (N2)	Négligeable
Oxygène (O2)	Négligeable
Soufre (S)	0,0005
Cendres	Négligeable

Pouvoir calorifique supérieur (PCS) 19 600 Btu/lb

Hypothèses :

1. La perte attribuable au monoxyde de carbone (CO) présent dans les gaz de carneau est négligeable. Les concentrations de CO dans les gaz de carneau devraient normalement être inférieures à 50 ppm par volume. Une concentration de 350 ppm de CO constitue presque une infraction aux ligne directrices du CCME en matière d'émission et représente une perte d'efficacité d'environ 0,035 % de la consommation de combustible.
2. La perte attribuable aux hydrocarbures imbrûlés dans les gaz de carneau est négligeable. Ils devraient normalement être inférieurs à 50 ppm par volume. Une concentration de 100 ppm représenterait une perte d'efficacité d'environ 0,3 % de la consommation de combustible.

Étape 1. Calculer et convertir les mesures

Calculer de la capacité nominale maximale de la chaudière. Ces renseignements figurent sur la plaque signalétique.

• Les unités des chaudières à vapeur sont les lb/h
• Pour les générateurs d'eau surchauffée, les unités sont des millions de Btu/h. 1 lb de vapeur = 1 000 Btu. Cette valeur approximative est suffisamment précise pour la présente analyse.

Mesurer :

• température des gaz de carneau (TGC) °F ou °C
• température de l'air de combustion (TAC) °F ou °C
• O₂ dans les gaz de carneau, % par volume

Les mesures de la température de gaz de carneau et de sa composition doivent être représentatives. Une stratification peut se produire dans la conduite de gaz, particulièrement à faibles charges. Il est préférable d'effectuer un échantillonnage à divers endroits dans la conduite de gaz.

Convertir en
°F: °F = [(°C x 1,8) + 32] si la TGC et la TAC sont mesurées en °C.

Des analyseurs de gaz de carneau installés en permanence (en ligne) sont presque toujours dotés d'un piège à humidité afin d'assurer la condensation de la vapeur d'eau et de la retirer de l'échantillonnage en amont de la cellule de l'analyseur. Par conséquent, l'échantillon est analysé à l'état de gaz sec. Parfois, des analyseurs de gaz de carneau portatifs sont utilisés afin d'obtenir une mesure sans l'aide de piège à humidité. Puis, l'échantillon est analysé à l'état de gaz humide et le résultat doit être converti à l'état de gaz sec.

Convertir à l'état de gaz sec à l'aide de la formule suivante pour le carburant diesel à faible teneur en soufre :

O_2sec = O_2humide x (1,139 - 0,007O_2humide ), %

Calculer le CO₂ , % par volume, gaz sec. Lors de la combustion d'un carburant, la quantité de CO₂ dans les gaz de carneau est liée à la quantité de O₂ dans les gaz de carneau. Pour le carburant diesel à faible teneur en soufre, cette relation est définie par l'équation suivante :

CO_2sec, % par volume, = 15,324-(0,734xO_2sec)

Certains analyseurs portatifs indiquent une valeur pour le CO₂ dans les gaz de carneau, qui peut-être fondée sur un calcul utilisant la mesure d'oxygène. Il est important de s'assurer que les valeurs de O₂ et CO₂ utilisées dans les calculs ultérieurs sont des valeurs de gaz sec.

Déterminer de l'unité de sortie réelle au moment de l'essai. L'affichage du panneau de contrôle comporte habituellement cette option. Elle peut être affichée en lb/h de vapeur ou en millions de Btu/h. Effectuer la conversion en pourcentage de la capacité nominale maximale.

Étape 2. Calculer les gaz de carneau (GC), livre/livre de combustible

Pour le carburant diesel à faible teneur en soufre qui contient 0,2 % de soufre et qui émet une quantité négligeable de CO et d'hydrocarbures, la formule de l'ASME pour le GC se résume à la suivante :

GC, lb/lb comb. = ( 11CO2sec + 8O2sec + 7N2 ) x C + 0,375S
				3CO2sec

Où

• O_2sec provient de l'étape 1
• CO_2sec provient de l'étape 1
• N₂ = 100 - O_2sec - CO_2sec
• C en combustible, = 0,8665, de l'analyse ultime
• S en combustible, = 0,0005, de l'analyse ultime

Étape 3. Calculer l'excès d'air

La valeur de l'excès d'air n'est pas nécessaire au calcul des pertes à la cheminée, mais elle représente le paramètre le plus utilisé pour calculer le rendement des brûleurs. Par conséquent, il est utile de calculer l'excès d'air afin de connaître la quantité de O₂ dans les gaz de carneau.

La formule de l'ASME pour le calcul de l'excès d'air (EA), % par volume, lorsque la quantité de CO est négligeable est la suivante :

EA, % par volume, =				100 x O2sec
				0.2682 N2 - O2sec

Pour le carburant diesel à faible teneur en soufre de la composition donnée, le tableau ci-dessous donne la relation entre la composition de l'excès d'air et celle des gaz de carneau.

Tableau 2 - relation entre la composition de l'excès d'air et celle des gaz de carneau pour le carburant diesel à faible teneur en soufre

O2sec, %	CO2sec , %	N2sec , %	Excès dl'air, %
1,0	14,6	84,4	4,6
1,5	14,2	84,3	7,1
2,0	13,8	84,2	9,7
2,5	13,5	84,0	12,5
3,0	13,1	83,9	15,4
3,5	12,8	83,7	18,5
4,0	12,4	83,6	21,7
4,5	12,0	83,5	25,2
5,0	11,6	83,4	28,8
5,5	11,3	83,2	32,7
6,0	10,9	83,1	36,8
6,5	10,6	82,9	41,3
7,0	10,2	82,8	46,0
7,5	9,8	82,7	51,1
8,0	9,5	82,5	56,6

Étape 4. Calculer la perte de gaz de carneau (PGC ), % de la consommation de combustible

La formule de l'ASME pour la PGC, % de la consommation de combustible, est la suivante :

PGC , % de consommation de combustible,
= [GC x Cp x (TGC - TAC)] x				100
				PCS

où :

• GC, de l'étape 2
• C_p, la chaleur spécifique des gaz de carneau, = 0,24
• TGC et TAC, °F, de l'étape 1
• PCS, de l'analyse ultime, = 19 600 Btu/lb

Par conséquent, pour le carburants diesel à faible teneur en soufre,
P_GC, % de la consommation de combustible, = 0,00122 x GC x (TGC - TAC)

Commentaire sur la perte des gaz de carneau

La perte des gaz de carneau (PGC) peut être réduite en diminuant la quantité de gaz de carneau (GC) et en réduisant la différence entre la température des gaz de carneau et (TGC) et la température de l'air de combustion (TAC).

Les GC peuvent être réduits en diminuant l'excès d'air, jusqu'à un certain point seulement; un excès d'air insuffisant entraîne une augmentation des émissions de CO et des hydrocarbures et peut même provoquer l'explosion des chaudières. La capacité du brûleur à mélanger le combustible et l'air et à contrôler les deux fluides permet de déterminer les limites minimales d'excès d'air. Des brûleurs efficaces dotés de bons contrôles devraient pouvoir fonctionner avec un excès d'air d'environ 10 % à charge maximale, et peut-être 30 % d'excès d'air avec 20 % de la charge maximale.

La diminution de l'excès d'air a un effet modéré sur la réduction de la valeur de GC. Cette question peut être étudiée en remplaçant différentes valeurs pour CO₂, O₂ et N₂ dans la formule de GC. Il est nécessaire de conserver la bonne relation dans la composition. Par conséquent, utiliser les valeurs du tableau à l'étape 3, ou interpoler les valeurs.

Alors que la réduction de l'excès d'air ne réduit que peu le GC, l'effet de la réduction de la PGC est plus grand, puisque la diminution des GC permet également de réduire la température des gaz de carneau (TGC). Le volume réduit de gaz de carneau circulant sur la même surface d'échange thermique entraîne une réduction de la température finale, mais la réduction de la TGC n'est pas facile à prédire. La meilleure façon de la déterminer est d'effectuer des essais.

La TGC peut également être réduite en exposant une plus grande surface d'échange thermique au gaz de carneau, comme un économiseur, lequel réchauffe l'eau d'adduction, ou un réchauffeur d'air qui réchauffe l'aire de combustion. On peut supposer une valeur réduite de la TGC, calculer ses effets sur la PGC, et déterminer par la suite si l'amélioration de l'efficacité et l'économie de combustible justifient les coûts d'un échangeur thermique supplémentaire.

Il est à noter que lorsqu'un réchauffeur d'air est utilisé, la température de l'air de combustion (TAC) est mesurée à l'endroit où l'air entre dans le réchauffeur d'air et non aux brûleurs.

Lorsque l’on ajoute une surface d’échange thermique, il est important que la TGC finale demeure au-dessus du point de rosée afin d’éviter la condensation, à moins que l’échangeur thermique soit conçu pour en tenir compte. Les échangeurs thermiques de gaz de condensation offrent des gains en efficacité appréciables, mais ils ne sont pas traités dans le présent document.

Lors de la combustion de carbourants contenant du soufre, des petites quantités d'acide sulfurique peuvent se former, ce qui augmente la température de condensation, comparativement au point de rosée qui prévaudrait si seulement des vapeurs d'eau étaient présentes. Si la température des gaz de carneau est réduite, même localement, à ce « point de rosée d'acide », il peut y avoir corrosion des échangeurs de chaleur en métal. Par conséquent, si la température des gaz de carneau est supérieure au point de rosée de l'acide, mais si certaines parties des échangeurs de chaleur ne le sont pas, il est fort probable que la condensation de l'acide se produise. Les facteurs ayant une incidence sur le point de rosée de l'acide ne sont pas traités dans le présent document, mais il est utile de fonctionner avec un minimum d'excès d'air. Pour le mazout qui contient 0,05 % de soufre, la température minimale sécuritaire des gaz de carneau est d'environ 200 °F.

Étape 5. Calculer la perte attribuable à l’humidité provenant de la combustion de l’hydrogène (PH)‚ % de la consommation de combustible

La formule de l'ASME pour le calcul de la P_H , % de la consommation de combustible, est la suivante :

PH , % de la consommation de combustible
= 9H2 x [(enthalpie de la vapeur à 1 psi et TGC)	- (enthalpie du liquide à TAC)] x	100
		PCS

Où :	H2 dans le combustible, = 0,133, de l'analyse ultime Enthalpie de la vapeur à 1 psia et TGC (hg, Btu/lb) Enthalpie du liquide à TAC (hf , Btu/lb) TGC et TAC, °F, de l'étape 1 PCS, provenant de l'analyse ultime, = 19 600 Btu/lb

La valeur de hg peut être calculée comme suit : h_g, Btu/lb = 1 055 + (0,467 x TGC)

La valeur de hf peut être calculée comme suit : h_f, Btu/lb = TAC - 32

Par conséquent, pour le carburants diesel à faible teneur en soufre, la formule de l'ASME est la suivante :

P_H, % de la consommation de combustible = 0,00611 x (h_g - h_f)

Commentaire sur la perte attribuable à l'humidité provenant de la combustion de l'hydrogène

Au cours du processus de combustion, le contenu en hydrogène du combustible est converti en H₂O, lequel quitte normalement la cheminée à l'état de vapeur d'eau, transportant la chaleur nécessaire pour effectuer la conversion du liquide en vapeur. Pour un combustible d'une composition donnée, la valeur de P_H devrait représenter environ 7 à 8 % de la consommation de combustible.

Une grande partie de cette perte peut être récupérée en utilisant des échangeurs thermiques de gaz de condensation, mais comme cela a déjà été mentionné, ce sujet n'est pas abordé dans le présent document.

Dans les systèmes conventionnels, si l'on veut réduire la P_H, il faut réduire la TGC tout en demeurant plus élevée que le point de rosée afin d'éviter la condensation. Afin d'éviter la corrosion dans les échangeurs de chaleur lors de l'émission de combustibles qui contiennent du soufre, il est important que ces sections des échangeurs de chaleur soient exposées aux gaz de carneau au-dessus du point de rosée de l'acide. Comme il a déjà été mentionné, pour le combustible en question, cette température est d'environ 200 °F.

Étape 6. Calculer les pertes à la cheminée (Pc ), % de la consommation de combustible

P_C, % de la consommation de combustible = PGC + P_H

Où :	PGC de l'étape 4
	PH de l'étape 5

Commentaire sur les pertes à la cheminée

Les pertes à la cheminée peuvent être réduites en réduisant l'excès d'air, ce qui réduit la quantité de gaz de carneau qui est chauffé à la température des gaz d'échappement (TGC) et en réduisant la température des gaz d'échappement. Pour réaliser cette dernière opération, accroître la surface d'échange thermique, comme des économiseurs et des réchauffeurs d'air, en tenant compte des contraintes expliquées précédemment. La première option peut être réalisée en améliorant le rendement du brûleur en améliorant la conception du brûleur ou ses commandes de combustion précises. Dans les centrales thermiques qui possèdent plus d'une installation de production, des gains peuvent être réalisés en ajustant le nombre d'installation en fonctionnement afin de s'assurer que celles qui fonctionnent sont à un niveau près de l'efficacité maximale, qui est habituellement environ 75 % de la capacité nominale.