Pistes d’économies en chaufferies vapeur industrielles

Par Florian JACQUEMART, Responsable efficacité énergétique GRDF - CEGIBAT - Mai 2021

Introduction

Les chaudières vapeurs sont très répandues dans l’industrie, quel que soit le secteur d’activité concerné (agro-alimentaire, métaux, chimie, papeterie, etc.). Ainsi la consommation énergétique due à la production de vapeur pèse près de 50% de la consommation totale de gaz dans l’industrie.

Dans un contexte où l’ambition de neutralité carbone est prédominante, il est nécessaire de promouvoir les solutions permettant d’augmenter l’efficacité énergétique des chaufferies. Elles permettent de répondre aux enjeux de réduction de la facture énergétique et de l’empreinte environnementale de l’industrie.

Suivi énergétique – Plan de comptage

La première action à mettre en place dans une chaufferie pour économiser l’énergie est de la compter et de suivre l’évolution de sa consommation.

Avantages du plan de comptage :

  • Connaître la répartition des besoins de vapeur des différents postes utilisateurs
  • Vérifier la bonne adéquation entre les puissances des chaudières et les besoins de vapeur à fournir,
  • Suivi des ratios énergétiques et de production de façon à appréhender la performance des équipements (chaudière, brûleur, …)
  • Disposer de données chiffrées et actualisées pour le dimensionnement des équipements à mettre en place (remplacement d’une chaudière ou d’un brûleur, mise en place d’un économiseur, …)
  • Détection des dérives de consommations et mise en place des actions correctives

Paramètres à mesurer et à suivre, a minima, dans une chaufferie vapeur

  • Consommation de gaz : mise en place d’un compteur de gaz en amont de chaque chaudière,
  • Consommation d’eau d’appoint
  • Débit de vapeur en sortie de chaudière : en fonction des usages, cette mesure peut être complétée par une mesure spécifique en amont de chaque poste d’utilisation de la vapeur (ou groupe de postes). Cela permet de détecter les fuites.

Contrôle du bon fonctionnement des équipements en chaufferie

Optimisation du rendement de combustion

Le rendement de combustion d’une chaudière dépend :

  • de l’écart de température entre l’air aspiré et la température des fumées
  • du débit de fumées rejeté (et d’air comburant aspiré)
  • de la teneur en constituants de fumées (CO2, O2, CO, …).

La formule suivante, valable pour des températures de fumées n’excédant pas 300°C, permet de déterminer le rendement de combustion (Rc) :

température fumées formule rendement combustion

Dans cette expression, n représente le facteur d’air de la combustion (ou taux d’aération). Il est calculé à partir de la teneur en oxygène des produits de combustion (voir ci-après).

Mesures périodiques ou en continu avec action sur les réglages du brûleur

Mesure périodique du rendement de combustion

Le contrôle périodique du bon réglage des paramètres de la combustion en fonction de la charge de la chaudière est alors l’occasion pour l’industriel de vérifier l’efficacité de son équipement thermique.

Remarques : La plupart des analyseurs portatifs de combustion donnent directement une valeur calculée du rendement de combustion, à partir de la teneur en O2 et de la température des fumées.

Valeurs usuelles pour une chaudière fonctionnant au gaz :

  • Excès d’air :
    Un bon réglage est de l’ordre de 10 à 15% d’excès d’air (soit une teneur en oxygène de 2,1 à 3% sur fumées sèches) à pleine charge et de l’ordre de 20% au minimum technique.
  • Température des fumées :
    La température des fumées doit être de l’ordre de 50°C au-dessus de la température de la vapeur.
  • Rendement de combustion :
    Il est de l’ordre de 90 %/PCI pour une chaudière qui n’est pas équipée d’un économiseur, et 95%/PCI quand c’est le cas.

Mesure en continu de la teneur en oxygène

La teneur en O2 est mesurée en continu au moyen d’une sonde placée dans le conduit de fumées. L’information est transmise à un régulateur qui va agir sur les organes de pilotage des débits d’air et de gaz, de façon à maintenir l’excès d’air à une valeur optimale en fonction de la charge du brûleur.

Récupération de chaleur sur les fumées

Pour optimiser le rendement énergétique des chaudières, il est possible de valoriser l’énergie résiduelle contenue dans les fumées de combustion.

Pour cela, 2 équipements existent et permettent de réaliser des économies significatives sur la consommation annuelle de gaz naturel : les économiseurs et les condenseurs de fumées.

  • Economiseur

Les économiseurs sont des échangeurs fumée/eau qui récupèrent une partie de la chaleur sensible contenue dans les fumées pour préchauffer l’eau d’alimentation du générateur.

Généralement, ces dispositifs permettent de réaliser 4% à 6% d’économies sur la consommation annuelle de gaz naturel, par rapport à une chaudière qui en serait dépourvue.

économiseur échangeur fumée eau

Ces équipements sont éligibles au dispositif CEE (Fiche IND-UT-104).

Pour plus de renseignements sur ce type d’équipement, voir fiche CEGIBAT « Economiseur ».

  • Condenseur

La différence principale avec l’économiseur est l’utilisation de la chaleur latente de condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées. Cela signifie que la température d’eau en entrée du dispositif doit être inférieure à la température de rosée des fumées, soit 50°C.

Deux usages sont possibles :

1 - Préchauffage de l’eau d’appoint de la bâche alimentaire.

Quand les besoins en eau d’appoint sont importants (taux de retour de condensats < 40 %), le condenseur peut servir à préchauffer cette eau d’appoint avant son injection dans la bâche alimentaire.
Cette solution permet d’atteindre des rendements jusqu’à 105% sur PCI.

2- Préchauffage d’eau servant sur un procédé annexe de l’usine.

Quand le taux de retour de condensats est important, le condenseur peut être utilisé pour le préchauffage de l’eau des autres procédés du site.
Bien évidemment, une telle solution doit être dimensionnée en fonction des besoins d’eau et de leur simultanéité avec le fonctionnement de la chaudière.

condenseur fumées Babcock Wanson

Condenseur sur fumées – Source Babcock Wanson

Ces équipements sont éligibles au dispositif CEE (Fiche IND-UT-130).

Pour plus de renseignements sur ce type d’équipement, voir fiche CEGIBAT « Condenseur ».

Préchauffage de l'air de combustion

Préchauffer l’air alimentant le brûleur permet d’accroître l’efficacité énergétique. Pour cela, on utilise la chaleur disponible à proximité du brûleur.

  • Prélever de l'air chaud en hauteur dans la chaufferie

L’idée est d’aller prélever l’air chaud en partie haute de la chaufferie et de le conduire vers l’aspiration du brûleur.

Généralement, les gains en température sont de l’ordre de 10°C. Cela correspond à une économie annuelle de l’ordre de 0.5% sur la consommation de gaz naturel pour un investissement négligeable.

air chaud prélèvement chaufferie

Gaine de prélèvement d’air comburant chaud en partie haute du local chaufferie d’HEXCEL REINFORCEMENT - Source CETIAT

  • Récupération sur les fumées

La chaleur résiduelle contenue dans les fumées peut également servir au préchauffage de l’air comburant via un échangeur.

Un delta de 50°C sur la température d’air comburant permet un gain de l’ordre de 2,5% sur le rendement de combustion.

récupération fumées GRDF WEPA

Echangeur Air/Fumées en aval d’un économiseur - Site WEPA - Source GRDF

Limiter les fuites et déperditions thermiques sur le réseau de vapeur

optinergie boucle vapeur distribution production eau

Source OPTINERGIE

Isolation des équipements et des réseaux

Deux fiches CEE permettent d’avoir une aide pour l’isolation des éléments constitutifs d’une installation vapeur :

  • La fiche CEE n° IND-UT-121 pour l’isolation des points singuliers d’un réseau (robinets, vannes, filtres, purgeurs, etc.)
  • La fiche CEE n° IND-UT-131 pour l’isolation thermique des parois planes ou cylindriques sur des installations industrielles

Fuites de vapeur

Des inspections régulières du réseau de vapeur permettent de détecter et de résoudre les problèmes de fuites. Lorsqu’elles sont importantes, l’identification est facile car visible à l’œil nu (condensation sur les conduites, isolants mouillés, vapeur visible).

Lorsqu’elles sont plus petites, il existe de nombreuses technologies pour les détecter.
On peut notamment citer les détecteurs et caméras ultrasons qui permettent d’identifier rapidement les faibles points de fuite d’un réseau.

Purgeurs

Les purgeurs de vapeur sont des organes essentiels d’un réseau de vapeur. Leur rôle est de séparer les phases liquide et vapeur présentes dans le réseau, souvent situés en point bas du réseau et en aval des échangeurs.

Ils sont indispensables tant pour la pérennité du réseau, des organes de sécurité et de la régulation, que pour l’efficacité du transfert thermique dans les échangeurs des procédés.

La méthode la plus pratique pour vérifier ces organes est l’utilisation de la caméra thermique.

Récupération des condensats

Les condensats issus des purgeurs sont à la même pression et à la même température que la vapeur en amont. Ils contiennent donc un contenu énergétique non négligeable et, autant que faire se peut, il est judicieux d’étudier les façons d’utiliser cette chaleur fatale.

  • Retour des condensats en bâche alimentaire

La première solution consiste à renvoyer les condensats vers la bâche alimentaire de la chaufferie.

Cela réduira la quantité d’appoint d’eau à injecter dans la bâche, avec les produits de traitement qui vont avec, mais aussi l’appoint de chaleur nécessaire au maintien en température de celle-ci.

  • Rentrage sous pression des condensats en chaudière

Dans les cas où le taux de retours de condensats en chaufferie est important, il peut être intéressant de les injecter directement dans la chaudière. Dans ce cas, ils sont stockés dans une bâche spécifique, placée à côté de la bâche alimentaire. L’appoint d’eau en chaudière se fera alors prioritairement à partir de la bâche de condensats.

condensat réinjection chaudière principe

Schéma de principe et skid de la récupération des condensats pour réinjection en chaudière - Source CETIAT

Optimisation des purges de chaudière

Pour la durabilité des chaudières, il est nécessaire de mesurer périodiquement et de maîtriser les caractéristiques de l’eau (TH, TA, TAC, pH, conductivité, …).

Malgré le traitement physico chimique effectué en amont, il est nécessaire de « purger » une partie de l’eau contenue dans le corps de chauffe pour extraire les sels et les boues (ou sédiments).

  • Régulation automatique de la purge de surface

Concernant la purge de surface, le réglage de celle-ci peut se faire « manuellement » ou de manière automatique.

La mise en place d’une régulation automatique permet d’ajuster en continu le débit de purge nécessaire, quelles que soient les variations de la qualité d’eau et de respecter la valeur de conductivité normalisée et/ou celle préconisée par le fabricant de la chaudière.

régulation automatique purge grdf

Régulation automatique de la purge continue - Source GRDF

Les normes NF EN 12952-12 et NF EN 12953-10 définissent les caractéristiques chimiques de l'eau d'alimentation et de l'eau en chaudière, nécessaires pour assurer un fonctionnement sans risques. Elles donnent également les moyens de vérifier ces caractéristiques.
La NF EN 12952-12 est relative aux chaudières à tubes d’eau, et la NF EN 12953-10 aux chaudières à tubes de fumées.

  • Mise en place d’un osmoseur

L’osmose inverse permet de produire une eau faiblement chargée en sels.

Cette technologie s’applique sur de l’eau préalablement adoucie.

La mise en place d’un traitement de ce type en amont de la chaudière permet de réduire de manière significative le taux de purge et par suite, la consommation d’eau et d’énergie de la chaufferie.

Pour un taux de purges passant de 15 à moins de 3%, les gains énergétiques sont de l’ordre de 3% sur la chaufferie.

La mise en place d’un osmoseur est éligible au dispositif CEE (voir fiche n° IND-UT-125).

production vapeur ADEME

Source ADEME

Réglementations et normes

Réglementations

- Code l’Environnement – Articles R224-20 et suivants : ici

- Arrêté du 2 octobre 2009 modifié relatif au contrôle des chaudières dont la puissance nominale est supérieure à 400 kilowatts et inférieure à 20 mégawatts : ici

Normes

- NF EN 12 952-12 - Chaudières à tubes d'eau et installations auxiliaires - Partie 12 : Exigences relatives à la qualité de l'eau d'alimentation et de l'eau en chaudière

- NF EN 12953-10 - Chaudières à tubes de fumée - Partie 10 : Exigences relatives à la qualité de l'eau d'alimentation et de l'eau en chaudière

Fiches standards Certificats Economies d’Energie applicables en chaufferie

  • Système de variation électronique de vitesse sur un moteur asynchrone - Fiche IND-UT-102
  • Économiseur sur les effluents gazeux d’une chaudière de production de vapeur - Fiche IND-UT-104
  • Brûleur micro-modulant sur chaudière industrielle - Fiche IND-UT-105
  • Isolation de points singuliers d’un réseau - Fiche IND-UT-121
  • Traitement d’eau performant sur chaudière de production de vapeur - Fiche IND UT 125
  • Condenseur sur les effluents gazeux d’une chaudière de production de vapeur - Fiche IND-UT-130
  • Isolation thermique des parois planes ou cylindriques sur des installations industrielles - Fiche IND-UT-131

Sources Bibliographiques

Comptage :

Le Comptage de l'énergie - Amélioration de la performance énergétique dans l'industrie - Lien

CEGIBAT

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