Chaudière à chaleur résiduelle industrielle

Les principales caractéristiques des chaudières à chaleur résiduelle du secteur industriel sont leur adaptabilité et leur grande tolérance aux conditions de fonctionnement. La chaleur résiduelle de la production industrielle (comme la fusion de l'acier, des produits chimiques, du ciment et des métaux non ferreux) provient de sources complexes, avec de grandes fluctuations de température (allant des gaz de combustion à basse température à 200°C aux scories à haute température à plus de 1000°C). Les gaz de combustion contiennent souvent de la poussière et des gaz corrosifs (tels que des sulfures et des oxydes d’azote). Ces chaudières nécessitent donc des conceptions ciblées. Par exemple, les chaudières à chaleur résiduelle pour les machines de frittage de l’industrie sidérurgique utilisent souvent des structures murales de type membrane pour améliorer la résistance à l’usure. L'industrie chimique, quant à elle, se concentre sur les revêtements anticorrosion et les dispositifs de purification et de prétraitement des gaz de combustion pour prévenir la corrosion par point de rosée acide. En outre, l’utilisation de la chaleur résiduelle industrielle doit être intégrée aux processus de production. Les chaudières offrent une capacité flexible (allant de quelques tonnes à des centaines de tonnes de capacité d'évaporation) et sont souvent conçues comme des systèmes montés sur patins ou modulaires pour faciliter l'intégration avec les lignes de production existantes, en donnant la priorité aux besoins en vapeur ou aux besoins de production d'électricité de l'usine, réduisant ainsi la consommation d'énergie industrielle.

Les chaudières à chaleur résiduelle du secteur de l'électricité, centrées sur « une coordination efficace et un rendement stable », sont principalement utilisées dans les systèmes de turbines à gaz à cycle combiné (CCGT) ou dans les systèmes de désulfuration et de dénitrification dans les centrales électriques au charbon. Les gaz de combustion à haute température (environ 500-600°C) émis par les turbines à gaz sont relativement propres. Les chaudières utilisent souvent une conception de « réchauffage à triple pression » ou de « multipression » pour maximiser la chaleur des gaz de combustion, générant de la vapeur avec des paramètres variables pour entraîner les turbines à vapeur pour la production d'électricité. Dans l’ensemble, l’efficacité du cycle combiné peut atteindre plus de 60 %. En outre, le secteur de l’électricité impose des exigences extrêmement élevées en matière de stabilité opérationnelle des chaudières, nécessitant un démarrage et un arrêt rapides, ainsi qu’une régulation de charge variable pour s’adapter aux fluctuations de charge du réseau. De plus, des normes environnementales strictes sont respectées, les températures des gaz de combustion étant maintenues en dessous de 100°C. Certains intègrent également des économiseurs basse pression pour récupérer davantage la chaleur perdue et améliorer l’efficacité globale de la centrale électrique.

Les chaudières à chaleur résiduelle de ce secteur mettent l’accent sur la résistance à la pollution et la compatibilité environnementale. Lors de l’incinération des déchets, les gaz de combustion contiennent des composants corrosifs tels que le chlore et le soufre, ainsi que des cendres volantes. Par conséquent, les chaudières doivent être construites avec des matériaux résistants à la corrosion (tels que l’acier ND) et conçues avec des structures de surface chauffantes spécialisées (telles que des tubes à ailettes en spirale) pour réduire l’accumulation de cendres et la corrosion. Des dispositifs de dépoussiérage et de désacidification à haut rendement doivent également être installés pour garantir que les émissions de gaz de combustion répondent aux normes. Dans le secteur des énergies renouvelables (telles que la production d’électricité à partir de biomasse et la production d’électricité thermique photovoltaïque/solaire), la chaleur résiduelle provient souvent des gaz de combustion de biomasse (qui contiennent des métaux alcalins et sont sujets à la cokéfaction) ou de la chaleur résiduelle à basse température des systèmes solaires thermiques. La conception des fours de chaudière doit être optimisée pour s’adapter aux caractéristiques du combustible. Par exemple, les chaudières à chaleur résiduelle de biomasse peuvent intégrer des dispositifs de décokage, tandis que les chaudières de production d'énergie thermique photovoltaïque/solaire se concentrent sur la récupération efficace de la chaleur résiduelle à basse température (comme les conceptions de vapeur à faible paramètre adaptées au cycle organique de Rankine (ORC)). Ces chaudières équilibrent la protection de l’environnement avec les spécificités de l’utilisation des énergies renouvelables, contribuant ainsi à atteindre le double objectif d’« utilisation des ressources en déchets » et de « complémentation des énergies propres »

Ce modèle le plus populaire récupère la chaleur résiduelle des gaz de cheminée évacués par la cheminée arrière des chaudières (ex. : chaudières à charbon, au gaz et à biomasse). La température des gaz de cheminée se situe généralement entre 120 et 400°C, et le fluide caloporteur est l'eau d'alimentation de la chaudière. L'objectif principal est de réduire la température des gaz de cheminée et d'améliorer l'efficacité thermique de la chaudière.   La conception doit s'adapter aux fluctuations de débit et de température des gaz de cheminée de la chaudière. Il est généralement installé en série avec un préchauffeur d'air (l'économiseur étant placé après le préchauffeur d'air pour récupérer la chaleur des gaz de cheminée plus froids). Sa structure est généralement de type tubulaire serpentine ou à ailettes spiralées. Les matériaux utilisés comprennent l'acier au carbone, l'acier ND ou l'acier résistant à la chaleur, selon la composition des gaz de cheminée.   Les économiseurs pour gaz de cheminée arrière de la chaudière sont largement utilisés dans les chaudières à charbon, au mazout, au gaz et à chaleur résiduelle. Lorsque les gaz de combustion à haute température générés par la combustion pénètrent dans le conduit arrière, ils contiennent encore une quantité significative de chaleur exploitable. L'économiseur transfère la chaleur des gaz de cheminée à l'eau d'alimentation froide entrée dans la chaudière via des faisceaux de tubes ou des tubes à ailettes, réduisant ainsi la température des gaz de cheminée, augmentant la température de l'eau d'alimentation, diminuant la charge thermique de la combustion du carburant et améliorant l'efficacité de la chaudière.   Les économiseurs pour gaz d'échappement de chaudière sont des équipements de économie d'énergie indispensables dans les systèmes de chaudière. En récupérant efficacement la chaleur résiduelle des gaz d'échappement, en préchauffant l'eau d'alimentation de la chaudière et en réduisant la consommation de carburant, ils améliorent non seulement l'efficacité thermique de la chaudière, mais également réduisent les émissions de polluants environnementaux, devenant ainsi un outil clé pour atteindre l'économie d'énergie, la réduction de consommation et la production verte.

Récupérer la chaleur résiduelle des gaz d'échappement des fours industriels (tels que les fours à céramique, les fours à verre et les fours métallurgiques) implique des fluctuations importantes de température des gaz de cheminée (la température des gaz d'échappement des fours à céramique peut atteindre 500-600°C, celle des fours à verre 400-500°C), et ces gaz peuvent contenir de la poussière (ex. : poussière d'argile dans les fours à céramique) et des médias corrosifs (ex. : sulfures dans les fours métallurgiques).   La conception modulaire nécessite d'améliorer les caractéristiques de « résistance à haute température et anti-encrassement » : des matériaux résistants à haute température (ex. : 12Cr1MoVG, Incoloy 800H) doivent être utilisés, les espacements entre les tubes doivent être accrus pour éviter l'encrassement par la poussière, et des dispositifs de dépoussiérage à vapeur haute pression doivent être installés. Outre l'eau d'alimentation de la chaudière, le fluide caloporteur peut également être utilisé pour chauffer l'eau de processus (ex. : eau de cuisine de pâte dans les usines de céramique), réalisant ainsi l'« utilisation en cascade de la chaleur résiduelle ».

Récupère la chaleur résiduelle des gaz d'échappement des équipements de processus chimiques et pétrochimiques, tels que les gaz de cheminée des réchauffeurs des unités atmosphériques et à vide des raffineries et des tournes de synthèse méthanol à partir du charbon. La température des gaz de cheminée se situe entre 250 et 400°C, et ils contiennent des médias inflammables, explosifs ou corrosifs tels que H₂S, Cl⁻ et CO.   Le module doit répondre aux exigences d'antidéflagration, de résistance à la corrosion et d'adaptation aux conditions de fonctionnement variables. Il utilise un collecteur scellé (pour éviter la fuite de gaz combustibles) fabriqué en acier 316L ou en alliage à base de nickel. Il intègre également des capteurs de surveillance de température, de pression et de concentration de gaz combustibles. Lors des fluctuations de charge du processus (ex. : lorsque la charge d'une raffinerie passe de 80 % à 100 %), il peut ajuster le débit d'eau d'alimentation pour maintenir un échange thermique stable et prévenir la surchauffe ou la surpression.

Les tubes à ailettes en spirale sont des composants d'échange thermique très efficaces formés en usinant ou en enroulant des ailettes en spirale autour de la surface extérieure d'un tube de base (généralement un tube métallique rond). Ils sont largement utilisés dans les chaudières, les échangeurs de chaleur, les climatiseurs, les équipements de réfrigération et d’autres applications nécessitant un transfert de chaleur amélioré. Leur concept de conception principal est d’augmenter la zone de transfert de chaleur, améliorant ainsi l’efficacité de l’échange de chaleur entre le fluide (généralement du gaz ou du liquide à l’extérieur du tube) et le milieu à l’intérieur du tube. Les tubes à ailettes en spirale sont largement utilisés dans les chaudières, la pétrochimie, la métallurgie, la production d'électricité et les systèmes de récupération de chaleur résiduelle, et constituent un composant essentiel des équipements d'échange de chaleur industriels. Les ailettes en spirale augmentent considérablement la surface du tube, améliorant ainsi la capacité de transfert de chaleur côté gaz de combustion ou côté fluide. Tout en conservant la même capacité de transfert de chaleur, ils peuvent réduire considérablement le volume de l'échangeur de chaleur. Les ailettes et le tube de base peuvent être fabriqués à l'aide de procédés de soudage haute fréquence, d'extrusion intégrale ou d'enroulement, ce qui permet d'obtenir une liaison étanche, d'excellentes performances de transfert de chaleur et une forte durabilité. Les épaisseurs des ailettes varient de 0,8 à 2 mm, offrant une résistance mécanique élevée et la capacité de résister à l'érosion des gaz de combustion et à un fonctionnement prolongé à haute température. Des matériaux résistants à la corrosion tels que l'acier inoxydable et l'acier allié peuvent être sélectionnés selon les besoins pour s'adapter à des conditions de fonctionnement acides ou à forte humidité. Améliore l'efficacité thermique des chaudières et des unités de récupération de chaleur résiduelle, réduisant ainsi la consommation de carburant et les coûts d'exploitation. Cette technologie permet de réaliser d’importantes économies d’énergie dans les centrales électriques et d’utiliser la chaleur résiduelle industrielle. La hauteur, le pas et l'épaisseur des ailettes peuvent être personnalisés de manière flexible pour s'adapter à différents débits, températures et conditions de milieu.

Les tubes thermiques sont des composants qui utilisent les changements de phase (évaporation et condensation) d'un fluide de travail pour obtenir un transfert de chaleur efficace. Ils présentent de fortes capacités de transfert de chaleur, des gradients de température minimes et une structure compacte, ce qui les rend largement utilisés dans les domaines de l'énergie, de la chimie, de l'électronique, de l'aérospatiale et d'autres domaines. Dans les systèmes de chaudières des centrales électriques, les caloducs, en tant que composants de transfert de chaleur hautement efficaces, exploitent leur « supraconductivité » et leur conception structurelle flexible pour répondre efficacement aux problèmes des équipements d'échange de chaleur traditionnels en matière de récupération de chaleur résiduelle, de protection contre la corrosion à basse température et d'optimisation de la surface de chauffage. Ils sont devenus une technologie clé pour améliorer l’efficacité thermique des chaudières et réduire la consommation d’énergie. Les matériaux des coques et des tubes comprennent l'acier au carbone, l'acier inoxydable, le cuivre et l'alliage d'aluminium, en fonction des conditions de fonctionnement et des exigences du support. Les milieux de travail comprennent l’eau, l’ammoniac, le méthanol et les alliages sodium-potassium, s’adaptant à différentes plages de température (transfert de chaleur à basse, moyenne et haute température). Les caloducs sont généralement évacués et remplis d’une petite quantité de fluide de travail. La chaleur est absorbée à une extrémité du caloduc et le fluide évaporé est rapidement transféré à l’autre extrémité, libérant de la chaleur et se condensant à nouveau, formant ainsi un cycle de transfert de chaleur à changement de phase. Ils peuvent transférer de grandes quantités de chaleur même avec un faible gradient de température, et leur conductivité thermique est plus de dix fois supérieure à celle de métaux comme le cuivre et l’aluminium. Les caloducs assurent une répartition uniforme de la température le long de la direction axiale, évitant ainsi efficacement les contraintes thermiques dans les équipements causées par de grandes différences de température. La chaleur peut être transférée sur un long tuyau, ce qui permet un « transfert de chaleur à longue distance » dans l’espace. Des choix flexibles de matériaux de coque et de tube et de matériaux de fluide de travail sont disponibles pour répondre aux besoins des environnements à haute température, basse température, corrosifs ou spéciaux.

Le tube à ailettes de type H est un élément de transfert de chaleur amélioré et très efficace. Nommé d'après sa section transversale en forme d'ailette en H, il est également communément appelé « tube à double ailette » ou « tube à ailettes plates » Sa conception structurelle unique améliore l’efficacité du transfert de chaleur tout en résolvant efficacement les problèmes d’accumulation de poussière et de haute résistance des tubes à ailettes traditionnels. Il est largement utilisé dans les chaudières de centrales électriques, les chaudières à chaleur résiduelle, les échangeurs de chaleur industriels et d'autres applications où des gaz de combustion chargés de poussière sont présents ou où un fonctionnement à faible résistance est requis. Les ailettes de type H divisent le flux de gaz de combustion, améliorant ainsi la turbulence des gaz de combustion, réduisant la résistance au transfert de chaleur du film d'air et améliorant le coefficient de transfert de chaleur global. Par rapport aux tubes traditionnels à ailettes en spirale, la surface de chauffage peut être augmentée de 1,5–2 fois. Les ailettes de type H offrent une faible résistance et une forte résistance à l'accumulation de poussière, créant des canaux parallèles entre les ailettes pour une faible résistance à l'écoulement des gaz de combustion. Leur structure géométrique unique ralentit le dépôt de poussière, offre des capacités d’autonettoyage et réduit le risque de colmatage. Les ailettes sont soudées au tube de base par soudage haute fréquence pour une liaison sécurisée et non détachable. Les matériaux optionnels tels que l'acier ND et l'acier inoxydable sont résistants à l'usure, au soufre et aux ions chlorure, prolongeant ainsi leur durée de vie. L'épaisseur de la paroi du tube est de ≥3 mm, capable de résister à des pressions et des températures élevées, ce qui le rend largement utilisé pour la récupération de chaleur résiduelle des gaz de combustion à haute température. L'épaisseur modérée des ailettes (0,3–0,4 mm) garantit une efficacité de transfert de chaleur tout en conservant une excellente résistance mécanique. Sa durée de vie est nettement plus longue que celle des tubes à ailettes traditionnels dans des conditions de fonctionnement difficiles.