Condensation sulfurique des fumées

Les fumées de combustion sont principalement composées de CO₂, de vapeur d'eau, d'azote de l'air, et d'oxygène provenant d'un excès d'air de combustion.

Des composés supplémentaires peuvent être présents en fonction des impuretés présentes dans le combustible. On peut trouver des oxydes d'azote, des acides halogénés (HCl, HBr, HF) si des composés halogénés sont présents dans le combustible, des oxydes soufre (SO₂, SO₃) si du soufre est présent dans le combustible.

Si les fumées sont suffisamment refroidies pour condenser une partie de l'humidité présente, les acides pourront se dissoudre dans l'eau liquide formant des solutions acides corrosives.

Si la présence de CO₂ ou d'acides halogénés modifie peu la température à laquelle des condensats apparaissent (point de rosée), il n'en est pas de même si des composés soufrés sont présents.

Les oxydes de soufre

Le soufre présent dans le combustible, quelque soit sa nature et ses combinaisons, sera transformé en oxydes de soufre au cours de la combustion.

S + O₂ → SO₂

1% de soufre dans le combustible conduira à 500 ppm de SO₂ dans les fumées.

Une faible proportion de SO₂ sera convertie en SO₃.

SO₂ + ½O₂ ⇄ SO₃

Cette conversion est favorisée par:

• la température de la flamme
• l'excès d'air de combustion
• la présence d'oxydes métalliques pouvant catalyser cette réaction

Le passage des fumées sur un système catalytique de réduction des oxydes d'azote, peut augmenter la proportion de SO₃.

La concentration de SO₃ dans les fumées est de l'ordre de 1 à 10 ppm, trop faible pour être mesurée au moyen d'un détecteur continu. Elle est donc estimée à partir de la concentration en SO₂ qui elle, est mesurable.

On constate que 0,5 à 3% des oxydes de soufre sont sous forme de SO₃.

Le SO₂ réagit faiblement avec l'eau, mais le SO₃ est quasi intégralement transformé en acide sulfurique en présence d'humidité même gazeuse.

SO₃ + H₂O ⇄ H₂SO₄

Point de rosée acide

Le point de rosée de l'eau ou point de rosée humide des fumées, en l'absence de composés soufrés, est de l'ordre de 45 °C. Celui-ci varie légèrement en fonction de la nature du combustible (son rapport C/H), et de l'excès d'air de combustion.

En présence de composés soufrés, le point de rosée acide des fumées peut être supérieur à 140°C pour un combustible ayant une teneur en soufre de 5%. Le condensat est alors de l'acide sulfurique.

A noter que pour qu'il y ait condensation, il n'est pas nécessaire que la masse totale des fumées soit à une température inférieure au point de rosée, mais il suffit que les fumées soient en contact avec une surface dont la température de peau est inférieure à la température de rosée. Tout comme l'air humide d'une pièce chauffée peut créer une condensation sur la vitre  d'une fenêtre en hiver.

Conséquences des condensations sulfuriques

Les condensats d'acide sulfurique sont extrêmement corrosifs pour les éléments métalliques ainsi que pour les bétons.

Les échangeurs récupérateurs d'énergie ou économiseurs, qui ont pour fonction de préchauffer un fluide froid en refroidissant les fumées, sont particulièrement exposés.

Il est courant d'utiliser des tubes en verre (verre pyrex) pour réaliser ces surfaces d'échange.

Les fumerons

Les condensats se rassemblent en gouttelettes sur les surfaces froides, qui se détachent lorsqu'elle deviennent trop grosses ou lors de changements de débit de fumées.

Lors de leur formation ces gouttelettes captent également des suies présentes dans les fumées, de sorte que lorsqu'elles se détachent, c'est un agglomérat d'acide sulfurique et de suies qui est entraîné par le flux. On les nomme souvent "fumerons".

Ces fumerons peuvent être entraînés hors de la cheminée, et retomber alentour. Leur caractère extrêmement corrosif et salissant les rends extrêmement visibles et dommageable pour le voisinage.

Prévention des corrosions acides des fumées

Les échangeurs récupérateurs de chaleur sur les fumées ou économiseurs, sont essentiels pour optimiser le rendement énergétique des fours et générateurs de vapeur. On estime généralement qu'une baisse de 20°C de la température des fumées rejetées augmente de 1% le rendement énergétique de l'équipement de combustion. Les économiseurs, qui ont pour fonction de préchauffer un fluide froid en refroidissant les fumées, sont particulièrement exposés aux condensations acides.

Pour éviter leur corrosion, ils peuvent être réalisés avec:

• des tubes en verre pyrex. Ils sont fragiles et sensibles aux vibrations.
• des tubes métalliques revêtus d'un film polymère. L'étanchéité du film polymère est parfois difficile à assurer.
• des tubes en matière plastique totalement insensible à la corrosion par l'acide sulfurique.
  

Les conditions opératoires peuvent aussi être choisies et surveillées pour éviter toute condensation. Rappelons que c'est la température de surface de l'échangeur qu'il faut surveiller et non la température des fumées elles-mêmes.

Température des surfaces d'échange thermique

Le transfert thermique entre un fluide et une surface s'exprime par une relation de Fourrier:

Q = h_c × S_c × (T_c − T_s) = h_f × S_f × (T_s − T_f)

avec:
Q: quantité de chaleur transférée [kJ/s]
h_c, h_f : coefficient de transfert thermique coté chaud et coté froid [kJ/s/m²/°C]
S_c, S_f : surface d'échange coté chaud et coté froid [m²]
T_c, T_f, T_s: températures du fluide chaud, du fluide froid et de la surface [°C]

La résistance à la conduction de la chaleur dans l'épaisseur de la paroi est ici négligée et les surfaces coté chaud et froid sont supposées à la même température. Ainsi la température de surface peut être exprimée par:

T_s = (h_c × S_c × T_c + h_f × S_f × T_f) ⁄ (h_c × S_c + h_f × S_f)

Cette relation permet de conclure que la température de surface sera:

• plus proche de celle du fluide dont le coefficient de transfert sera le plus élevé
• plus proche de celle du fluide exposé à la surface la plus élevée

Le coefficient de transfert thermique des fumées étant généralement le plus faible, pour maintenir une température de surface élevée, deux stratégies sont suivies:

1. maintenir une température du fluide froid (le fluide chauffé par les fumées) aussi élevée que possible et jamais inférieure au point de rosée des fumées
   
2. augmenter la surface d'échange coté fumée, avec des surfaces ailettés

Exemple

Un économiseur, sur les fumées à une température de 300°C d'un générateur de vapeur, est utilisé pour préchauffer de l'eau à 100°C. Les coefficients de transfert thermique sont de 5000 W/m²/°C coté eau, et de 100 W/m²/°C coté fumée.

Pour des tubes lisses (même surface des deux cotés, S_c = S_f), la température de surface sera:

T_s = (100 × 300 + 5000 × 100 ⁄ (100 + 5000) = 104°C

Pour des tubes ailettés coté fumées (S_c = 20 × S_f), la température de surface sera:

T_s = (100 × 20 × S_f × 300 + 5000 × S_f × 100) ⁄ (100 × 20 × S_f + 5000 × S_f) = 157°C

Contrôle de la température du fluide froid

Sur les générateurs de vapeur par combustion, une des méthodes habituelles pour récupérer le maximum de chaleur contenue dans les fumées consiste à préchauffer l'eau d'alimentation du générateur. L'échangeur eau/fumée pour faire cela est souvent nommé "économiseur".

Le coefficient de transfert coté eau (5000 à 7500 W/m²/°C) est très supérieur à celui coté fumées (80 à 100 W/m²/°C). La température de surface de l'échangeur sera très proche de la température de l'eau. Pour éviter une condensation acide coté fumée, il convent d'ajuster la température de l'eau.

Exemples d'arrangements permettant de contrôler la température de l'eau d'un économiseur