Les chauffages à combustion sont parmi les actifs les plus importants de l'industrie lourde, servant de source principale de chaleur de procédé pour des opérations allant de la distillation du pétrole brut à la synthèse chimique et à la production d'électricité. Malgré leur omniprésence, les chauffages à combustion sont souvent les moins bien compris dans une usine, de nombreux ingénieurs se concentrant sur l'équipement ou les colonnes rotatifs.

Qu'est - ce que les chauffe - chaleur?

Un chauffage au feu, aussi connu sous le nom de chauffage au procédé ou four à combustion directe, est un dispositif qui brûle du combustible (généralement du gaz naturel, du gaz de raffinerie, du mazout ou des flux riches en hydrogène) pour produire de la chaleur. La chaleur est transférée à un fluide de procédé qui traverse des tubes à l'intérieur du chauffage. Le fluide de procédé peut être en phase liquide, gazeuse ou mixte, et est chauffé à une température de sortie spécifiée pour le traitement en aval.

Le principe fondamental de fonctionnement est simple : le carburant et l'air sont mélangés et enflammés dans une chambre de combustion. Les gaz de combustion chauds qui en résultent passent sur les tubes contenant le fluide de procédé, produisant la chaleur principalement par rayonnement et convection. Les gaz de combustion refroidis sortent ensuite par une cheminée.

Composants de base d'un chauffe-eau

La compréhension de l'anatomie d'un chauffage à combustion est essentielle pour le dépannage et l'évaluation des performances. Chaque chauffage à combustion, quel que soit le type, se compose des composants principaux suivants:

Section des radiations

La section radiante est la partie la plus chaude du chauffage, où les brûleurs sont situés et où la combustion se produit. Le transfert de chaleur dans cette section est dominé par le rayonnement des murs de flamme et réfractaires vers les tubes. Les tubes de la section radieuse sont généralement disposés dans une bobine hélicoïdale, une serpentine verticale ou un motif aplati horizontal pour maximiser l'exposition de surface.

Section des convulsions

Située au-dessus ou en aval de la section radiante, la section convection utilise des tubes à alésage pour récupérer la chaleur des gaz de combustion après avoir refroidi sous la zone radieuse. Cette section représente généralement 30 à 60 % du volume total de chaleur. Les sections de convection sont conçues avec des surfaces étendues (fins) pour améliorer le transfert de chaleur du côté gazeux, qui a un coefficient de transfert de chaleur beaucoup plus faible que le côté process.

Brûleurs

Les brûleurs modernes comprennent des conceptions à faible NOx qui mettent en scène la combustion ou recirculation de gaz de combustion pour réduire les températures de pointe des flammes. Les types de brûleurs comprennent le tirant d'eau naturel (reliant sur le tirant d'eau de la cheminée), le tirant d'eau forcé (avec ventilateur) et le tirant d'eau induit. Chaque type affecte le retournement du chauffage, le contrôle du rapport air-carburant et les émissions.

Système de gaz de cheminée et de fumée

La cheminée fournit le projet nécessaire pour expulser les produits de combustion. Elle abrite également des clapets, des analyseurs d'oxygène et parfois des systèmes de réduction catalytique sélective (SCR) pour la réduction des NOx. Dans les chauffe-air naturels, la hauteur de la cheminée est essentielle pour un jet adéquat; dans les chauffe-air forcé, le ventilateur fournit la hausse de la pression.

Types de chauffe-feu

Les chauffages au feu sont classés par mécanisme de transfert de chaleur (direct par rapport à indirect), géométrie (vertical cylindrique, boîte, cabine) et disposition du tube (hélicoïdal, serpentine, tube en U).

Chauffe-glace directe

Dans un chauffage à combustion directe, le fluide de procédé traverse des tubes exposés directement à la flamme de combustion et aux gaz de combustion. La flamme rayonne l'énergie des tubes et les gaz de combustion passent sur eux. Cette conception est très efficace parce qu'il n'y a pas de surface intermédiaire d'échange de chaleur, mais elle nécessite un contrôle attentif pour éviter la surchauffe locale (points chauds) et la défaillance du tube qui en résulte.

Projet forcé c. Projet naturel

Les chauffe-air à combustion directe peuvent être des courants d'air naturels, où l'air est attiré dans le brûleur par la pression négative créée par la cheminée, ou des courants d'air forcés, où un ventilateur pousse l'air dans le brûleur. Les chauffe-air forcé offrent un meilleur contrôle sur l'excès d'air et peuvent atteindre une plus grande efficacité énergétique, mais ils nécessitent plus d'investissement en capital et d'entretien.

Chauffe-glace cylindrique verticale

L'une des configurations les plus courantes des raffineries, le chauffage cylindrique vertical a une section radiante cylindrique avec des tubes disposés verticalement le long du mur. Les brûleurs sont situés au bas. Cette conception assure une distribution de chaleur uniforme et une petite empreinte. Les sections de convection sont souvent logées dans une boîte rectangulaire séparée au-dessus de la section radieuse.

Chauffe-glace indirecte

Les appareils de chauffage à combustion indirecte utilisent un échangeur de chaleur pour séparer les gaz de combustion du fluide de procédé. Les appareils de chauffage à combustion avec un faisceau de tubes immergés dans un bain (p. ex., les chauffe-huile chaude) ou des appareils de chauffage où le fluide de procédé circule à travers une bobine qui n'est pas directement exposée à la flamme mais est chauffé par un fluide de transfert de chaleur qui est lui-même chauffé par combustion.

Chauffe-méninges

Aussi appelés chauffe-boîtes, les chauffe-armoires ont une section radiante rectangulaire avec des tubes horizontaux disposés en plusieurs passages. Les brûleurs sont situés sur un ou les deux côtés. Les chauffe-armoires sont souvent utilisés dans des tâches plus petites (1–50 MM Btu/h) et peuvent être conçus pour des services à haute température ou corrosifs. Ils offrent un accès plus facile pour le nettoyage et l'entretien des tubes que les chauffe-air cylindriques verticaux.

Chauffe-huile hélicoïdale

Ces appareils sont souvent utilisés dans les réformateurs à méthane de vapeur et les fours à craquage d'éthylène. La bobine hélicoïdale offre un très long trajet dans un espace compact, permettant des taux élevés de transfert de chaleur et un temps de séjour contrôlé.

U-Tube et épingles à cheveux

Ces appareils utilisent des faisceaux de tubes en U ou en épingles à cheveux qui sont amovibles. Ils sont souvent utilisés dans des applications nécessitant un nettoyage fréquent, comme des processus avec des fluides encrassants. L'arrangement en U-tube permet d'extraire le faisceau de tubes pour l'entretien sans perturber la coque du chauffage.

Applications industrielles des chauffe-eau

Les chauffages au feu sont présents dans pratiquement toutes les industries qui nécessitent une chaleur de procédé supérieure à 300°F. Ci-dessous sont quelques-unes des applications les plus courantes, avec des exemples de types de chauffage typiques utilisés.

  • Refining: Distillation atmosphérique d'huile brute, distillation sous vide, reformage catalytique, hydrotraitement, chauffages à coke et chauffages à viscosité. Ces services utilisent souvent des chauffages verticaux cylindriques ou à cabine. Les chauffages à brut sont parmi les plus importants, avec des droits supérieurs à 300 MM Btu/h.
  • Pétrochimie: Craquage à la vapeur (fours à l'éthylène), reformage du méthane de vapeur (production d'hydrogène), chauffages à gaz à synthèse d'ammoniac et de méthanol. Ces services à haute température et à haute performance utilisent des fours à bobines hélicoïdales ou verticaux avec brûleurs multiples.
  • Production d'énergie:[ Chauffe-eau pour installations à cycle combiné, générateurs de vapeur de récupération de chaleur (HRSG) avec brûleurs de conduits, et chauffe-huile thermique de la centrale.
  • Huile et gaz Production:[ Chauffages à déshydratation au gaz (réchauds glycols), chauffages à canalisation pour gaz de puits et traitement de chauffage pour le dessalement du pétrole brut, qui utilisent souvent des dispositifs de combustion indirecte en raison de la présence d'eau ou de composants corrosifs.
  • Traitement chimique :[ Chauffe-vent pour préchauffage du réacteur, chauffe-fluides thermiques (huile chaude) et vaporisateurs pour produits chimiques spéciaux.
  • Aliments et boissons :[ Raffinage, séchage et déshydratation de l'huile comestible. Les chauffe-airs à combustion indirecte avec fluides de transfert de chaleur sont préférés pour éviter la contamination du produit.
  • Pulp & Paper:[ Chaudières de récupération de liqueur noire (bien que différentes, elles comprennent des éléments de chauffage au feu), des chauffe-kiln de chaux et des chauffe-pièces de séchage.

Stratégies d'amélioration de l'efficacité

L'amélioration de l'efficacité du chauffage au feu est l'un des moyens les plus rentables de réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre. Une amélioration de 1 % de l'efficacité peut se traduire par des économies annuelles importantes pour une grande raffinerie.

Optimisation de la combustion

La mesure d'efficacité la plus efficace est la maîtrise de l'excès d'air. Les chauffe-airs classiques fonctionnent avec 10 à 20 % d'excès d'air, mais avec des contrôles modernes, 3 à 5 % est réalisable pour les carburants gazeux. La réduction de l'excès d'air réduit le volume de gaz de combustion, qui entraîne une chaleur raisonnable dans la cheminée. Installer des analyseurs d'oxygène continu dans la cheminée et resserrer le rapport air-carburant en conséquence. Les brûleurs à faible NOx peuvent réduire davantage les besoins en excès d'air tout en réduisant les émissions de NOx. La recirculation des gaz de combustion (FGR) et la combustion échelonnée améliorent également l'efficacité en réduisant la température de la flamme et en réduisant la formation de NOx thermiques.

Intégration de la récupération de chaleur

La récupération de chaleur dans les gaz de combustion est la deuxième stratégie la plus efficace.

  • Économiseurs: La chaleur de gaz est utilisée pour préchauffer le fluide de procédé avant qu'il ne pénètre dans le chauffage, ce qui réduit la charge du chauffage pour la même température de sortie.
  • Préchauffeurs d'air:[ La chaleur de combustion préchauffe l'air de combustion. Cela peut augmenter l'efficacité du chauffage de 5 à 10 % parce que l'air pénètre dans le brûleur à une température plus élevée, réduisant le carburant nécessaire pour atteindre la température de la flamme.
  • Chaudières thermiques à vapeur:[ Si la température des gaz de combustion est encore élevée après la préchauffage, une chaudière à chaleur usée peut produire de la vapeur pour d'autres usages.

L'ajout d'un préchauffeur d'air est souvent le plus efficace, mais il faut en faire une conception soignée pour éviter la condensation et la corrosion des composés de soufre dans les gaz de combustion. Pour les combustibles contenant du soufre, la température des gaz de combustion à la sortie du préchauffeur doit être maintenue au-dessus du point de rosée acide (habituellement 300–350 °F).

Réduction de l'isolation et des pertes de chaleur

Les appareils de chauffage à feu perdent de la chaleur à travers les parois réfractaires et les boîtiers en acier. La sélection et la surveillance de l'état de l'isolation sont essentielles. Les revêtements en fibre céramique offrent une masse thermique plus faible et de meilleures propriétés isolantes que les réfractaires moulés traditionnels, réduisant ainsi la perte de chaleur et accélérant le démarrage.

Atténuation du fauchage des tubes

L'encrassement interne du tube (échelle, coke ou accumulation de polymères) réduit le transfert de chaleur et augmente la température du tube, raccourcit la durée de vie du tube et exige des vitesses de cuisson plus élevées. L'encrassement externe sur les nageoires de section de convection peut également nuire aux performances.Mettre en œuvre des techniques de nettoyage en ligne telles que soufflage de suie[ pour les sections de convection et nettoyage chimique[ pour les services de nettoyage à haute teneur en soufre.

Systèmes de contrôle avancés

Les appareils modernes de chauffage au feu bénéficient d'un contrôle avancé des processus (APC) qui optimise les points de réglage de la combustion en temps réel. Le contrôle prédictif du modèle (MPC) peut équilibrer plusieurs objectifs : réduire la consommation de carburant, maintenir la température de sortie dans des limites étroites et respecter les contraintes d'émissions. Le contrôle du tirant d'eau[ assure également que le chauffage fonctionne à une pression optimale, ne tirant pas trop d'air par fuites.

Conformité environnementale et réglementaire

Aux États-Unis, la Clean Air Act et la Rule du secteur de la raffinerie de l'EPA imposent des limites d'émission, ce qui exige souvent une surveillance continue.De nombreuses installations s'engagent à atteindre des objectifs zéro net, ce qui signifie que les appareils de chauffage alimentés doivent soit améliorer radicalement leur efficacité, soit être remplacés par des appareils de chauffage électrique lorsque c'est possible. Les appareils de chauffage existants sont couramment équipés de dispositifs de mise à niveau à faible teneur en NOx et de réduction catalytique sélective (SCR)[. Les solutions de remplacement des émissions de gaz à effet de serre, comme les appareils de chauffage à chauffage électrique, sont en train de se développer, mais ils nécessitent une décarbonation importante de la grille pour être bénéfiques pour l'environnement.

Pratiques exemplaires en matière de maintenance et de fiabilité

La fiabilité du chauffage par chauffage est directement liée aux pratiques d'entretien. Les défaillances des tubes dues au fluage, à l'oxydation ou à la sulfuration sont parmi les causes les plus courantes d'arrêts imprévus.

  • Surveillance de l'épaisseur du tube:[ Essais par ultrasons pendant les virages pour vérifier la perte d'échelle interne et de métal.
  • Inspection du burner:[ Vérifier l'imperméabilisation de la flamme, les dommages causés à l'extrémité du brûleur et la bonne distribution de l'air.
  • Choisissez des fissures, des éraflures ou des isolations manquantes qui pourraient causer des pertes de chaleur ou des points chauds sur le boîtier.
  • Entretien des amortisseurs et des amortisseurs :[ S'assurer que les amortisseurs se déplacent librement et que les joints sont intacts pour contrôler le tirant d'eau.
  • Systèmes de sécurité:[ Détection des flammes d'essai, vannes d'arrêt des gaz de carburant et cycles de purge selon les normes NFPA 85, 86 et 87.

Un jumeau numérique du chauffage à combustion peut être extrêmement utile pour prédire la durée de vie du tube et planifier l'entretien lorsqu'il est combiné avec les données de processus et les inspections historiques.

Tendances futures de la technologie des chauffe- chaleur

L'industrie du chauffage au feu subit des changements importants sous l'effet des pressions de décarbonisation. On étudie actuellement la combustion d'hydrogène pour les raffineries et les usines chimiques; l'hydrogène présente des caractéristiques de combustion différentes (vitesse de flamme plus élevée, densité plus faible, température de flamme adiabatique plus élevée) qui nécessitent une refonte du brûleur et des matériaux qui résistent à l'embrasement de l'hydrogène. Les chauffages tout-électriques jusqu'à 1 MW sont disponibles sur le marché pour de petites tâches; des unités plus grandes sont en cours de développement. Les chauffages modulaires construits dans des usines et assemblés sur place réduisent les coûts de construction et le calendrier. La numérisation permet l'entretien prédictif, l'optimisation de l'efficacité en temps réel et le fonctionnement à distance.

Une autre tendance émergente est l'intégration des chauffages à combustion avec le captage, l'utilisation et le stockage du carbone (CCUS)[. Les chauffages à combustion produisent du gaz de combustion contenant du CO2, qui peut être capté par l'épuration des amines si le chauffage est réaménagé avec une unité de captage dédiée. Toutefois, le coût et la pénalité énergétique demeurent élevés. La combustion d'oxygène – utilisant de l'oxygène au lieu de l'air – produit un gaz de combustion riche en CO2 qui peut être directement comprimé et stocké.

Conclusion

Les appareils de chauffage à feu sont indispensables dans les processus industriels qui exigent des températures élevées. Leur conception, leur fonctionnement et leur entretien affectent directement la rentabilité, la sécurité et l'empreinte environnementale des installations. En comprenant les différents types de dispositifs, directs ou indirects, de courants naturels ou de courants d'air forcés, verticaux ou de armoires, les ingénieurs peuvent prendre des décisions éclairées lors de nouvelles installations ou de rénovations.

Pour plus de détails sur les normes API pour les chauffages au feu, voir API Std 560 (Hydratants pour le Service général de raffinerie)[ et les lignes directrices de l'EPA sur la surveillance des émissions de chauffage au feu[