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Conduite des installations de combustion

Les combustibles sont une source majeure d'énergie primaire utilisée dans les industries de procédé en raison de:
  • leur coût
  • leur disponibilité
  • leur capacité à générer des températures élevées
L'incinération est aussi un moyen efficace pour éliminer des substances nocives, dangereuses ou simplement indésirables.

Mais toute combustion, si elle est mal maîtrisée, peut dégénérer et présenter des dangers pour le personnel ou l'environnement.

Les types d'installations de combustion

Les générateurs de vapeur

La chambre de combustion contient un faisceau de tubes à l'intérieur desquels circule l'eau à chauffer (chaudières à tubes d'eau) ou les fumées de combustion (chaudières à tubes de fumée).
La pression coté vapeur peut être importante et une source de danger particulière. Une réglementation spécifique s'applique à ces équipements.

Les fours

Ils permettent de chauffer directement des fluides sans passer par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur (vapeur ou autres). Ils sont généralement destinés à atteindre des températures élevées inaccessibles par les fluides caloporteurs. Si le fluide procédé est lui-même combustible, la rupture d'un tube procédé  présente un risque particulier.

Les moteurs et turbines

Leur fonction spécifique est la production d'un travail mécanique. Les turbines gaz de combustion des turbines peuvent alimenter d'autres installations pour l'utilisation de la chaleur contenue.

Les incinérateurs

Destinés à l'élimination de déchets solides, liquides ou gazeux, ils produisent une chaleur qui peut être valorisée. Cependant, le pouvoir calorifique de ces résidus pouvant être insuffisant pour assurer à lui seul leur destruction complète et propre, un combustible d'appoint est souvent nécessaire.

Les risques liés au combustible

Les installations de combustion mettent en oeuvre les trois éléments du classique triangle du feu:
  • le combustible
  • le comburant
  • la source d'ignition
Les conditions sont donc réunies pour que, par accident, on puisse passer d'une combustion maîtrisée à un incendie ou une explosion dévastateur.

Fuite à l'extérieur de l'installation

Une fuite à l'extérieur peut être provoquée par une rupture ou une perte d'étanchéité de la canalisation d'alimentation en combustible ou d'un des éléments la composant.
Une fuite de gaz créera un nuage explosif qui pourra rencontrer rapidement une source d'ignition au voisinage de l'installation de combustion elle-même.

Fuite à l'intérieur de la chambre de combustion

Une fuite de combustible à l'intérieur de la chambre de combustion peut être due à un manque d'étanchéité des vannes d'isolement; les conséquences dépendront de l'état de la chambre de combustion:
  • une fuite de gaz dans une chambre de combustion froide créera une zone explosive confinée; en cas d'ignition une explosion aux effets dévastateurs pourrait se produire; ce scénario est particulièrement redouté au démarrage d'une installation.
  • une fuite de combustible liquide dans une chambre de combustion en fonctionnement pourra créer une nappe de liquide enflammée pouvant s'écouler à l'extérieur par des ouïes de ventilation; ce scénario peut être dû à un manque d'isolement d'un brûleur à l'arrêt.
Pour garantir qu'aucun combustible ne pourra pénétrer la chambre de combustion, l'isolement sera constitué d'une double vanne d'isolement et d'une purge intermédiaire (montage dit "double block and bleed")

Démarrage en sécurité

Le démarrage d'un appareil de combustion est une opération à risque surtout lorsque le combustible est gazeux:
  • de l'air peut être présent dans les circuits d'alimentation du combustible créant un mélange explosif lors de l'admission du combustible
  • une atmosphère explosive peut être présente dans la chambre de combustion lorsque les pilotes (veilleuses) des brûleurs sont allumés
  • le gaz alimentant les pilotes peut être de qualité ou de pression fluctuante empêchant un fonctionnement continu fiable; tant que la température de la chambre de combustion est basse (en fait inférieure à la température d'auto inflammation du combustible; la valeur de 760°C est proposée par certains codes), les pilotes sont indispensables
Pour un démarrage en sécurité:
  • le circuit d'alimentation en combustible gaz doit être purgé de l'air présent par une atmosphère inerte (azote, CO2, ...) avant d'être rempli du combustible.
  • la chambre de combustion doit être ventilée avant l'allumage des pilotes, et si possible la teneur en gaz combustible doit être vérifiée.
  • les pilotes doivent être alimentés en combustible de qualité fiable

Ventilation de la chambre de combustion

Une fuite de combustible gazeux au travers d'une vanne d'isolement défectueuse peut créer une atmosphère explosive dans la chambre de combustion, provoquant une explosion violente et destructrice lors de l'allumage des brûleurs ou de leurs pilotes. Pour éviter cette situation, tout allumage doit être précédé d'une phase de ventilation de la chambre de combustion, dans le but d'éliminer toute atmosphère dangereuse; cette phase de ventilation doit permettre de renouveler quatre à cinq fois l'atmosphère de la chambre de combustion.
Si un ventilateur est utilisé, il suffit de respecter un temps calculé sur la base du débit véhiculé par le ventilateur et le volume de la chambre.
Si le tirage de l'air est naturel, il faudra analyser l'air intérieur de la chambre de combustion pour s'assurer que la teneur en gaz combustible est inférieure à 25% de la LIE.
Si le gaz combustible est plus lourd que l'air, il faudra veiller à ce qu'une poche de gaz ne subsiste pas en partie basse de la chambre.
Après ventilation, l'allumage du brûleur ou son pilote peut démarrer; la phase d'allumage doit être d'une durée limitée (souvent 5 à 10 secondes); durant cette phase, l'action du détecteur de flamme est neutralisée et du combustible est introduit, sans garantie qu'il sera brûlé; un retard à l'allumage conduira à une accumulation de gaz dans la chambre.

Si l'allumage n'est pas effectif à l'issue du temps autorisé, la ventilation de la chambre de combustion doit être renouvelée.

Si le brûleur (et/ou son pilote) s'éteint alors que la chambre de combustion est encore froide, c'est-à-dire à une température inférieure à la valeur d'auto-inflammation du combustible (fixée à 750°C par EN 746), la ventilation de la chambre doit être renouvelée avant un nouvel allumage.

Arrêt en sécurité

Une installation de combustion à l'arrêt et refroidie peu devenir dangereuse si le combustible est admis par accident dans la chambre de combustion. Pour éviter cela, les alimentations en combustible doivent être interdites grâce à:
  • pose de platines pleines ou manoeuvre d'obturateurs à lunettes sur les alimentations des brûleurs et des pilotes
  • montage de vannes d'arrêts selon le principe du "double block and bleed" (deux vannes d'arrêt en série, avec purge de l'espace entre les deux vannes fermées)
Pour un arrêt de longue durée, le circuit d'alimentation en combustible doit être purgé pour éviter le risque d'une fuite accidentelle vers l'atmosphère.

Surveillance de la conduite

Les températures des fluides procédé

L'objectif premier d'une installation de combustion étant souvent le chauffage d'un fluide, les températures des fluides procédé sont généralement les premier paramètres contrôlés. Une température excessive peut provoquer une dérive inacceptable du procédé (emballement de réaction par exemple) ou dégrader le fluide chauffé. Une température trop basse peut limiter un rendement ou modifier une propriété physique (augmentation de viscosité par exemple).
Cependant dans certaines situations, la température n'est pas un paramètre pertinent; si une vaporisation du fluide est attendue, sa température ne reflètera pas forcément son état; un débit de vapeur ou une pression pourront être mieux adaptés.
De nombreux autres paramètres sont également à surveiller, spécifiques des installations de combustion.

Le débit de combustible

Le débit de combustible est le paramètre clé pour régler la puissance de chauffage de l'installation.
Le brûleur agit comme un orifice dont la section de passage et la pression aval sont fixes; il suffit souvent d'ajuster la pression d'alimentation du combustible en amont du brûleur pour ajuster le débit.

La relation entre pression et débit du combustible n'est pas linéaire; le débit varie comme la racine carré de la pression.

Les combustibles gazeux peuvent avoir des variations de composition qui affectent grandement leur pouvoir calorifique et la capacité des brûleurs (variations de masse volumique). Pour maintenir un fonctionnement stable de l'équipement de combustion, il est important de contrôler l'indice de Wobbe du combustible gazeux; L'indice de Wobbe est le rapport de son pouvoir calorifique volumique sur la racine carrée de sa densité par rapport à l'air. Un analyseur dédié (Wobbemètre) peut fournir cette information. Une diminution de l'indice de Wobbe doit être compensée par une augmentation de la pression d'alimentation du combustible.

Le brûleur de combustible gazeux doit fonctionner dans une plage de débit préconisée par le constructeur; le débit de gaz est directement lié à la pression du combustible en amont du brûleur:

  • une pression trop basse ne permet pas un fonctionnement stable du brûleur
  • une pression trop élevée soulève la flamme qui peut finalement s'éteindre; on dira qu'elle est soufflée
Pour assurer que le brûleur est exploité à l'intérieur de sa plage de fonctionnement préconisée, des détecteurs de pression haute et basse du combustible sont installés sur l'alimentation des brûleurs. Ceux-ci doivent interrompre l'alimentation en combustible en cas de détection d'une pression anormale.

Si l'équipement de combustion comprend plusieurs brûleurs en opération, il est possible de satisfaire les situations de faibles charges thermiques en arrêtant totalement un ou plusieurs d'entre eux pour permettre aux autres de fonctionner dans leur plage opératoire optimale.

Le débit d'air de combustion

Le débit d'air de combustion est un paramètre important pour maîtriser:
  • la qualité de la combustion et l'émission de polluants (CO et imbrûlés) dans les fumées
  • le rendement de la combustion:
    • trop peu d'air: la combustion sera incomplète
    • trop d'air: la perte de chaleur avec les fumées sera excessive
  • la pression dans la chambre de combustion
    • une pression supérieure à la pression atmosphérique peut permettre aux gaz chauds de s'échapper et créer une zone dangereuse autour de l'équipement

Mais un défaut d'air de combustion peut aussi conduire à une situation dangereuse; une combustion incomplète produira une proportion importante de monoxyde de carbone dans l'atmosphère de la chambre de combustion. Or en plus d'être polluant et toxique, le CO est également un combustible dont la limite inférieure d'explosivité se situe à 12,5%.

Le débit d'air sera ajusté au moyen de ventelles disposées sur l'admission d'air ou sur la sortie des fumées

La qualité de la pulvérisation

Les combustibles liquides doivent être pulvérisés dans la chambre de combustion pour être correctement mélangés à l'air. Cette pulvérisation est obtenue par différents moyens:
  • pressurisation du combustible entre 7 et 10 bars et passage au travers d'une buse (gicleur) pour les liquides peu visqueux et de caractéristique constante
  • dispersion par une coupelle rotative pour les liquides visqueux et de caractéristiques variables
  • injection conjointe de vapeur ou d'air comprimé
La qualité de la pulvérisation dépend de la pression du combustible, de sa viscosité et du débit d'air ou de vapeur de pulvérisation. Les liquides trop visqueux peuvent être réchauffés pour les fluidifier avant d'alimenter le gicleur.
La plage de fonctionnement optimale des brûleurs est réduite et dépend de la technologie de pulvérisation utilisée. Pour une plus grande flexibilité dans la conduite de l'équipement de combustion, il est utile de multiplier les brûleurs disponibles, dont certains peuvent être mis en service pour les fortes charges seulement.

Les températures de voûte

Dans un four, c'est la température des gaz de combustion à la sortie de la zone de radiation:
  • une température trop basse pénalisera probablement la capacité du four
  • une température trop élevée indiquera une proportion importante de transfert de chaleur en zone de convection ou/et une perte de chaleur plus importante dans les fumées
La température de voûte peut être utilisée comme indicateur de la température de la chambre de combustion dans les séquences de sécurité.

Les températures de peau de tube

Les équipements de combustion sont capables de générer des températures très élevées. Le matériau du tube véhiculant le fluide à chauffer n'est souvent pas capable de résister à la température des gaz chauds. Heureusement, il est continuellement refroidi par le fluide à chauffer. La température du tube, en fonctionnement normal, est intermédiaire entre celle des gaz de combustion et celle du fluide à chauffer. Cet équilibre est précaire et peut être dégradé par différents facteurs; la température du tube peut augmenter en raison de:
  • diminution du débit de fluide à chauffer 
  • encrassement du coté du fluide à chauffer
  • vaporisation non souhaitée ou plus généralement diminution de la conductivité thermique du fluide à chauffer
  • trop grande proximité de la flamme
Une augmentation excessive de la température du tube peut conduire à diverses dégradations:
  • corrosion, carburation ou modifications cristallographiques du matériau
  • fluage du tube
  • éclatement du tube si la pression intérieure est forte
La température de quelques tubes test peut être mesurée en continu au moyen de thermocouples fixés sur le tube.
Des mesures ponctuelles au moyen d'une caméra infra-rouge peuvent être menées si une ouverture est disponible.

Le fonctionnement des pilotes des brûleurs

Les pilotes des brûleurs sont des flammes permanentes entretenues quelque soit le régime de fonctionnement du brûleur lui-même; on les nomme également veilleuses.
Les pilotes des brûleurs sont un organe de sécurité de l'installation de combustion; ils assurent que tout combustible alimentant le brûleur sera automatiquement allumé, empêchant ainsi toute accumulation dangereuse dans la chambre de combustion.
Si le combustible principal des brûleurs provient d'une source peu fiable, les pilotes des brûleurs seront eux, de préférence, alimentés avec un combustible de composition sûre et toujours disponible.
Des détecteurs de flamme peuvent être requis pour garantir que le pilote est toujours opérationnel.

Les détecteurs de flamme

Ils sont destinés à vérifier qu'une flamme est présente sur chaque brûleur alimenté en combustible. La flamme d'un brûleur peut s'éteindre à cause de:
  • une interruption temporaire du combustible
  • un débit excessif de combustible qui "souffle" la flamme
Alimenter en combustible un brûleur éteint peut conduire à une situation dangereuse.

Les détecteurs de flamme peuvent faire appel à trois technologies:

  • à électrode d'ionisation; détecte un courant électrique s'établissant entre l'électrode et le brûleur relié à la terre, grâce à l'ionisation des gaz de combustion.
  • scanner UV; mesure une émission par la flamme d'un rayonnement autour de 300 nm de longueur d'onde.
  • une mesure de température (sur les petites unités seulement)
Si la température de la chambre de combustion est supérieure à 750 °C, un détecteur de flamme n'est pas nécessaire ou son action peut être neutralisée.
Si la température de la chambre de combustion est inférieure à 750 °C, l'alimentation en combustible doit être interrompue si la flamme n'est pas détectée. Le temps de réaction du détecteur de flamme doit être cours (généralement < 4 s)

La pression de la chambre de combustion

La chambre de combustion est souvent opérée à une pression proche de la pression atmosphérique; cette pression est générée par:
  • un tirage naturel
  • ou bien un ventilateur d'extraction couplé à un ventilateur insufflant l'air de combustion
Si la chambre de combustion n'est pas conçue parfaitement étanche, une légère surpression peut produire une fuite vers l'extérieur des gaz de combustion chauds, et est une source de danger; une légère dépression devra impérativement être maintenue.

Contrôle des performances

La qualité de la conduite d'une installation de combustion se mesure principalement à son rendement thermique.
Le rendement thermique est affecté par:
  • l'excès d'air de combustion
  • la température des fumées rejetées

Excès d'air de combustion

L'air de combustion est composée de 1/5 d'oxygène et 4/5 d'azote; l'oxygène est indispensable à la combustion au contraire de l'azote; l'azote sera rejeté avec les fumées en entraînant une partie de la chaleur produite par le combustible qui sera ainsi perdue. Cette perte est proportionnelle à la quantité de gaz rejeté; le minimum sera le mieux; ce minimum correspond à l'utilisation de la quantité d'air juste nécessaire pour brûler complètement (et proprement) le combustible. En pratique un léger excès d'air est nécessaire, mais celui-ci doit être soigneusement contrôlé; ceci est assuré par la mesure de l'oxygène dans les fumées et si possible du CO (monoxyde de carbone) témoin d'une combustion incomplète.

Température des fumées

La chaleur perdue dans la fumée élève sa température. Différents équipements sont généralement en place pour limiter cette perte; le plus souvent ce sont des échangeurs de chaleur destinés à refroidir les fumées pour:
  • préchauffer de l'eau alimentaire
  • préchauffer l'air de combustion
Certains paramètres limitent leur efficacité:
  • l'encrassement de la surface d'échange
  • la température du fluide destiné à refroidir les fumées
  • parfois la nécessité d'éviter une condensation des fumées

Contrôle des rejets atmosphériques

Pour permettre les contrôles des émissions de gaz et de poussières et faciliter la mise en place des appareils nécessaires à ce contrôle, les cheminées ou conduits d'évacuation devront être pourvus de dispositifs obturables commodément accessibles, à un emplacement permettant des mesures représentatives des émissions à l'atmosphère.

Réglementation

La directive 2015/2193 (dite Directive MCP pour Medium Combustion Plant) publiée le 25 novembre 2015 fixe les limites d’émissions de certains polluants dans l’atmosphère provenant des « installations de combustion moyennes » (de 1 à 50 MW).

La transposition en droit français de cette directive s’est concrétisée par la parution d’un décret et de 5 arrêtés en date du 3 août 2018 visant notamment les installations de combustion classée sous la rubrique ICPE 2910. Cette nouvelle réglementation est applicable aux installations mises en service à compter du 20 décembre 2018:
  • les installations de puissance thermique <1MW ne sont pas soumises
  • entre 1 et 20MW, elles sont soumises à déclaration et contrôle périodique au titre de la rubrique ICPE 2910
  • entre 20 et 50MW, elles sont soumises à enregistrement

Rubriques ICPE impliquées

2910: Combustion, à l'exclusion des installations visées par les rubriques:
  • 2770: Installation de traitement thermique de déchets dangereux
  • 2771: Installation de traitement thermique de déchets non dangereux
  • 2971: Installation de production de chaleur ou d'électricité à partir de déchets non dangereux
  • 2931: Ateliers d'essais sur banc de moteurs
2910A: Lorsque sont consommés exclusivement, seuls ou en mélange:
  • du gaz naturel
  • des gaz de pétrole liquéfiés
  • du biométhane
  • du fioul domestique
  • du charbon
  • des fiouls lourds
  • de la biomasse telle que définie au a ou au b (i) ou au b (iv) de la définition de biomasse
  • des produits connexes de scierie et des chutes du travail mécanique du bois brut relevant du b (v) de la définition de la biomasse
  • de la biomasse issue de déchets au sens de l'article L. 541-4-3 du code de l'environnement
  • du biogaz provenant d'installations classées sous la rubrique 2781-1,
2910B: Lorsque sont consommés seuls ou en mélange des produits différents de ceux visés en A, ou de la biomasse telle que définie au b (ii) ou au b (iii) ou au b (v) de la définition de biomasse

Prescriptions

Les prescriptions portent, entre autres, sur:
  • Ventilation
  • Installations électriques
  • Mise à la terre des équipements
  • Rétention des aires et locaux de travail
  • Cuvettes de rétention
  • Isolement du réseau de collecte des eaux de ruissellement
  • Alimentation en combustible
  • Contrôle de la combustion
  • Détection de gaz — détection d'incendie
  • Consignes d'exploitation
  • Conduite des installations
  • Localisation des risques
  • Matériels utilisables en atmosphères explosibles
  • Consignes de sécurité
  • Prélèvement et consommation d'eau
  • Collecte et rejet d'eau usée
  • Prévention des pollutions accidentelles
  • Épandage
  • Captage et épuration des rejets à l'atmosphère
  • Valeurs limites et conditions de rejet
    • Hauteur des cheminées
    • Vitesse d'éjection des gaz
    • Valeurs limites d'émission
    • Odeurs
    • Conformité aux VLE
  • Récupération – recyclage – élimination des déchets
  • Valeurs limites de bruit et vibrations

Normes de sécurité des système de combustion

Les dangers inhérents aux installations de combustion justifient que des organisations nationales ou internationales rassemblent le savoir faire et les bonnes pratiques reconnues pour les mettre à la disposition de tous; les normes le plus fréquemment citées sont listées ici; cette liste n'est pas exhaustive et d'autres normes peuvent être citées par des réglementations locales.

EN 746-2: Prescriptions de sécurité concernant la combustion et la manutention des combustibles
ISO 13577: Fours industriels et équipements associés - Sécurité
NFPA 85: Boiler and combustion systems hazards code
NFPA 86: Standard for ovens and furnaces
NFPA 87: Recommended practice for fluid heaters
API 556: Instrumentation, control, and protective systems for gas fired heaters
API 560 / ISO 13705: Réchauffeurs à brûleurs pour usage général dans les raffineries
IEC 61511: Systèmes instrumentés de sécurité pour le domaine de la production par processus


Principe de régulation d'une alimentation en gaz combustible

Voici un exemple typique de régulation de l'alimentation en gaz d'un four de procédé.
Schéma de procédé typique d'une alimentation en gaz combustible
La température du fluide à chauffer est régulée en agissant sur le débit de combustible alimentant le brûleur.
Cependant la pression en amont du brûleur, doit être maintenue entre deux valeurs limites haute et basse; deux blocs régulateur assurent cette fonction; le bloc PC1 a pour point de consigne la valeur mini de pression tandis que le bloc PC2 a pour point de consigne la valeur maxi.
Le bloc PC1 demande la fermeture de la vanne de combustible (sortie ->0%) si la pression est supérieure à la valeur mini tandis que le bloc PC2 en demande l'ouverture (sortie ->100%) si la pression est inférieure à la pression maxi.
Les blocs calculateurs (PY) comparent les signaux de commande de la vanne de réglage issus du bloc de régulation de débit (FC) et des blocs de régulation de pression (PC1 et PC2):
  • tant que la pression nécessaire est supérieure à la valeur minimum requise, et inférieure à la valeur maximum, le signal provenant du régulateur de débit sera supérieur à celui du régulateur PC1 et inférieur à celui de PC2, donc prioritaire pour commander la vanne
  • si la pression est proche de la valeur minimum requise, le régulateur PC1 demandera l'ouverture de la vanne jusqu'à devenir prioritaire sur le signal du régulateur de débit.
  • si la pression est proche de la valeur maximum, le régulateur PC2 demandera la fermeture de la vanne jusqu'à devenir prioritaire.
Des alarmes de pression haute et basse permettent de prévenir l'opérateur du risque de défaillance de la régulation. En effet si la vanne de combustible est commandée par les régulateurs de pression, la température du fluide à chauffer ne sera plus contrôlée.
Enfin pour prévenir les conséquences d'un dépassement des valeurs limites de pression acceptables, une détection (PSL et PSH) et action de sécurité totalement indépendante des équipements de conduite, permet de stopper l'alimentation en combustible et donc d'arrêter l'équipement en sécurité; c'est le rôle des vannes de sectionnement dans un montage dit en "double block and bleed": deux vannes en série et une purge du fluide entre les deux; ce montage interdit l'alimentation de l'équipement même en cas de manque d'étanchéité des vannes d'arrêt.


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