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.
