Causes typiques des problèmes de scorification et d'encrassement dans les chaudières

La scorification et l'encrassement des chaudières, et le fonctionnement fréquent des souffleurs de suie qui en résulte, sont quelques-uns des principaux facteurs d'exploitation et de maintenance qui peuvent affecter négativement la fiabilité et l'efficacité des centrales électriques.

Les scories et l'encrassement des chaudières sont parmi les causes les plus courantes de maux de tête liés à l'entretien dans les centrales électriques au charbon. Bien que vous ne puissiez pas éliminer totalement le problème, le fait de suivre des pratiques d'utilisation et d'entretien appropriées peut réduire considérablement le temps et les problèmes nécessaires pour y remédier.

Passons en revue ce qu'est la scorification avant d'aborder les causes et les corrections de la scorification et de l'encrassement.

Les scories sont des cendres fondues et des sous-produits incombustibles qui restent après la combustion du charbon. Lorsque le matériau refroidit à une certaine température, il peut coller aux composants du four, tels que les parois d'eau, ce qui s'appelle le laitier.

Une chaudière alimentée au charbon pulvérisé est conçue avec une grande cavité de four qui peut tolérer des scories en phase liquide sur les parois d'eau. La sortie du four, cependant, doit être à une température suffisamment basse pour que le laitier soit refroidi en dessous de sa température de ramollissement.

Une température typique de fusion des cendres de combustible bitumineux est déterminée à l'aide de la norme D1857 de l'American Society for Testing and Materials (ASTM). Pour effectuer le test, un cône de cendres est placé dans un four de laboratoire et le four est chauffé lentement. La température du four est notée en quatre points lorsque le cône de cendres se déforme.

La température du premier point - lorsque le point du cône de cendres s'émousse - est appelée «température de déformation initiale». Au fur et à mesure que le four est chauffé, la température à laquelle la cendre devient molle et la hauteur (H) du cône est égale à la largeur (W), est enregistrée. Cette valeur est appelée "température de ramollissement". Le chauffage se poursuit, entraînant un affaissement supplémentaire du cône de cendres jusqu'à H = 1/2 W. Cette température est appelée « température hémisphérique ». Enfin, lorsque le cône de cendres devient liquide, la température est notée et appelée « température du fluide » des cendres.

Les laboratoires modernes utilisent des fours plus avancés que lorsque la méthode a été développée pour la première fois, mais le rapport des températures de fusion des cendres est toujours complété en utilisant les quatre mêmes niveaux de fusion des cendres : déformation initiale, ramollissement, hémisphérique et fluide.

Le but de l'essai en laboratoire est de déterminer l'état approximatif de la cendre lorsqu'elle se trouve dans diverses parties d'un four de chaudière. Pour la scorification et l'encrassement, le problème le plus important est d'avoir les gaz du four ou "produits de combustion" sortant du four à une température telle que la cendre ne soit pas trop collante. Une bonne approximation est d'avoir les gaz de sortie du four environ 100F à 150F plus froids que la température de ramollissement des cendres.

J'ai vu des fours où les gaz de sortie du four sont au-dessus de la température du fluide, et il est possible de faire fonctionner une chaudière avec des cendres en phase liquide traversant le surchauffeur et le réchauffeur, mais ce n'est pas conseillé pour des raisons de corrosion des cendres de charbon et de la nécessité d'un soufflage de suie rétractable long et quasi continu pour atténuer les dépôts de cendres.

« L'encrassement » se réfère typiquement aux dépôts qui se produisent dans le passage de convection après que les gaz sortent du four. L'encrassement est généralement attribué aux cendres et aux accumulations de cendres qui se forment sur les bords d'attaque des tubes du surchauffeur et du réchauffeur (Figure 1), en particulier les jambes de sortie, qui sont au-dessus de la température de surface du métal de 1 000F. Les dépôts sont délogés par soufflage de suie.

Lorsque les longs souffleurs de suie rétractables sont utilisés pour éliminer les dépôts de cendres, les particules de cendres s'entraînent dans le flux de gaz de combustion et créent des cendres, ce qui peut bloquer les voies d'écoulement du catalyseur de réduction catalytique sélective (SCR), boucher les paniers du réchauffeur d'air et créer un pont sur les tubes de la chaudière dans le passage de convection. Habituellement, les zones de la chaudière qui sont désignées comme étant sensibles aux scories vont de la ceinture du brûleur à la sortie du four.

La chaleur circule du plus chaud au plus froid et, par conséquent, pour produire de la vapeur surchauffée de 1 000F à 1 100F et des sorties de vapeur réchauffée, la température des gaz de sortie du four (FEGT) doit être supérieure à environ 1 500F à l'entrée de gaz du réchauffeur pour entraîner le flux de chaleur dans le réchauffeur et le surchauffeur pour créer les températures de vapeur souhaitées. Par conséquent, le point idéal pour le FEGT d'une chaudière à charbon pulvérisé devrait être d'environ 2 150F à 2 250F pour atteindre les températures de vapeur souhaitées sans scories. En dessous de 2 150F, il devient difficile d'atteindre des températures de vapeur de conception. Au-dessus de 2 250 F sur une base de gaz en vrac, il devient proche de la température de fusion des cendres dans certains combustibles.

Les carburants avec des températures de fusion des cendres extrêmement élevées sont considérés comme étant "compatibles avec les chaudières" et indulgents. Les combustibles avec des températures de fusion des cendres plus basses nécessitent un réglage de combustion plus précis et un soufflage de suie accru pour atténuer les dépôts de scories.

Jetons un coup d'œil à l'analyse de fusion de cendres de charbon D1857 présentée dans le tableau 1 à titre d'exemple. Compte tenu des températures ASTM D1857 de l'analyse de fusion des cendres, l'état des cendres peut être estimé dans le four et à la sortie du four, si les températures sont connues.

Dans cet exemple, l'analyse des cendres de charbon montre une température de fluide dans une "atmosphère réductrice" de 2,410F. Ainsi, s'il existe des voies de produits de combustion qui sont riches en carburant et qui brûlent encore activement, alors il s'agit en fait d'une "atmosphère réductrice" pour la voie particulière de produits de combustion riches en carburant. En pratique, cela pourrait résulter d'un brûleur qui est lourd en carburant et pauvre en air. Les produits de combustion de ce seul brûleur peuvent, en fait, obstruer la sortie du four.

Certains carburants sont plus impitoyables que d'autres. La teneur en fer des cendres de charbon est un facteur énorme. La cendre qui a jusqu'à 15% à 20% de teneur en fer aura une température de liquide de cendre dans une atmosphère réductrice jusqu'à 500F inférieure à la même cendre dans une atmosphère oxydante. Les opérations actuelles des usines avec une forte limite réglementaire sur les NOx ont tendance à conduire les opérateurs à opérer à de faibles niveaux d'excès d'oxygène. Cette pratique, combinée à des déséquilibres de carburant et d'air, peut entraîner des conditions dans lesquelles les voies de gaz de combustion peuvent avoir zéro oxygène libre et, par conséquent, fonctionnent techniquement dans une atmosphère réductrice.

Alors, comment créer une atmosphère réductrice ou une combustion secondaire à la sortie du four ? Voici six des causes les plus courantes de scorification et d'encrassement des chaudières selon notre expérience :

■ Faible excès d'oxygène dans le four

■ Stratifications extrêmes des voies de fumées FEGT

■ Débits d'air primaires élevés

■ Endommagement du brûleur et état/tolérances mécaniques déficients

■ Mauvaise performance du pulvérisateur de charbon

■ Propriétés et chimie incohérentes du carburant

La cause n° 1 de la scorification du four est la faible teneur en oxygène du four. La plupart des chaudières sont conçues pour 115 % à 120 % d'air de combustion théorique. Ceci est généralement exprimé en 15% à 20% d'excès d'air. Pour les fournaises au charbon, les niveaux d'oxygène seraient de 3 % à 3,8 %. Notez l'emplacement des analyseurs d'oxygène à la sortie de l'économiseur sur la figure 2. Cet emplacement est souvent sujet à des niveaux d'oxygène supérieurs à la teneur réelle en oxygène du four, en raison d'une fuite d'air entre le four et l'entrée des gaz de combustion du réchauffeur d'air.

Il est extrêmement important d'appliquer l'attention nécessaire pour optimiser les "entrées" de la ceinture du brûleur du four, car la combustion doit être complétée à l'intérieur de la cavité du four. Il est d'une importance absolue de fournir un débit d'air de combustion suffisant au combustible avant que les produits de combustion ne sortent du four. L'une des causes les plus courantes de scorification et d'encrassement est la combustion secondaire au niveau du four supérieur. La cause la plus fréquente de combustion secondaire est un excès d'oxygène insuffisant dans la ceinture du brûleur.

Pourquoi est-ce si courant ? Il y a deux raisons. Premièrement, la plupart des chaudières américaines ont un certain âge et les réglages de la chaudière ont permis aux fuites d'air d'augmenter au fil des ans. Étant donné que les analyseurs d'oxygène sont généralement situés à la sortie de l'économiseur, l'excès d'oxygène mesuré à la sortie de l'économiseur comprend tout air ambiant qui s'est infiltré dans le réglage de la chaudière après que la combustion aurait dû être terminée. Ce manque d'oxygène libre en excès au niveau du four provoque l'étirement de la combustion active et sa poursuite active dans la section du surchauffeur. La température des gaz de combustion, due à une telle combustion secondaire, peut et a été mesurée bien au-dessus de 1 000 F au-dessus de l'optimum.

Le deuxième facteur est que lorsque la cendre de charbon a une teneur en fer supérieure à environ 10 %, la température de fusion de la cendre est plus faible dans une atmosphère réductrice. En d'autres termes, non seulement la combustion secondaire élève le FEGT, mais aussi, si la cendre de charbon contient des quantités importantes de fer, la température de fusion peut être considérablement plus basse en raison de la chimie des cendres. C'est-à-dire que les cendres fondront à une température beaucoup plus basse dans une atmosphère réductrice par rapport à ce que serait la température de fusion dans une atmosphère oxydante. Comme indiqué précédemment, la température de fusion des cendres peut être réduite jusqu'à 500F.

Ces deux facteurs combinés sont particulièrement graves pour les usines de l'est des États-Unis qui brûlent des combustibles bitumineux. La teneur en fer des cendres n'a pas été un facteur important avec les combustibles du bassin Powder River, mais la combustion secondaire affecte toutes les chaudières et tous les combustibles.

Le temps de séjour limité des grandes chaudières utilitaires exige que les apports de combustible et d'air du four soient optimisés (Figure 3). Si elles ne sont pas correctement contrôlées, les incohérences carburant/air peuvent contribuer aux problèmes de scories et d'encrassement dus à la combustion secondaire et aux FEGT élevés. Optimiser les entrées de combustible et d'air dans le four et s'assurer que la sortie du four est une atmosphère oxydante sont les premières étapes pour réduire le laitier du four.

L'optimisation de l'apport de carburant consiste à s'assurer que :

■ La finesse du charbon répond aux directives suivantes : Au moins 75 % passent un tamis de 200 mesh et moins de 0,2 % restent sur un tamis de 50 mesh avec des échantillons de finesse de charbon représentatifs et éliminés de manière isocinétique.

■ La distribution du charbon à chaque brûleur doit être équilibrée à plus ou moins 10 %.

L'optimisation de l'air de combustion consiste à s'assurer que :

■ Les débits d'air primaires sont optimisés et les rapports air/carburant sont reproductibles.

■ Le débit d'air secondaire mesuré et régulé est uniformément distribué aux différents brûleurs.

■ Le débit d'air de surcombustion mesuré et contrôlé est optimisé.

Le FEGT et l'excès d'oxygène peuvent être mesurés à l'aide d'une sonde à thermocouple à grande vitesse (HVT) refroidie à l'eau. Les mesures par sonde HVT doivent être d'au moins 3 % d'excès d'oxygène avec des températures maximales d'environ 100 °F à 150 °F en dessous de la température de fusion des cendres. C'est lorsque le FEGT s'approche de la température de fusion des cendres que la scorification se produit.

Souvent, les données les plus utiles obtenues à l'aide d'une sonde HVT refroidie à l'eau sont la sortie du four, les niveaux d'excès d'oxygène et les profils. Tous les points du four supérieur doivent être oxydants et de préférence supérieurs à 3 % d'oxygène en excès.

Le mot "scorification" est généralement utilisé pour décrire la scorification dans le four, tandis que l'encrassement est généralement utilisé pour décrire les cendres ou les cendres qui se sont transportées dans le passage de convection et ont créé des obstructions d'écoulement en raison du dépôt. Comme indiqué précédemment, l'encrassement du conduit de convection, du SCR et du réchauffeur d'air est le résultat d'accumulations de cendres sur les bords d'attaque des tubes du surchauffeur et du réchauffeur qui sont éliminées par une longue opération de soufflage de suie rétractable.

La minimisation des scories et de l'encrassement commence par l'optimisation des performances de combustion de la courroie du brûleur. Ceci est nécessaire car il n'y a qu'environ 1 ou 2 secondes de temps de séjour entre le haut de la bande du brûleur et l'entrée des fumées du surchauffeur. À la sortie du four, l'espacement des tubes du surchauffeur et du réchauffeur se rapproche de plus en plus, ce qui entraîne un rétrécissement des voies d'écoulement des gaz.

Le FEGT typique est d'environ 2 150F à 2 250F, en supposant que les conditions préalables à une combustion optimale de la courroie du brûleur sont présentes pour les entrées. Dans le surchauffeur illustré à la figure 4, les températures maximales des gaz de combustion du four étaient bien supérieures à la température de fusion de l'acier inoxydable alliage 310 (environ 2 780 °F). Les températures maximales de combustion secondaire active étaient vraiment d'environ 1 000 F au-dessus du FEGT avec des entrées de ceinture de brûleur optimisées. Une fois optimisé, le FEGT était un uniforme de 1 950F à 2 100F sur toute la largeur de la chaudière. Avant l'optimisation, des températures de 2 850F à 3 100F étaient présentes. Ces extrêmes ont été documentés dans de nombreux cas.

La cause de la température élevée dans ce cas était triple. Premièrement, les vitesses de l'air primaire étaient élevées, ce qui entraînait le combustible profondément dans le four, loin de l'air secondaire fourni aux brûleurs. Deuxièmement, la courroie du brûleur souffrait d'un manque d'air de combustion en raison d'un débit d'air de surcombustion trop élevé et dépassant 20 % du débit d'air total, avec seulement environ 115 % du débit d'air théorique total vers la chaudière. En d'autres termes, la ceinture du brûleur était profondément étagée à des niveaux d'oxygène en excès sous-stoechiométriques. Troisièmement, la finesse et la distribution du carburant n'ont pas été optimisées. Les températures des gaz de combustion étaient supérieures à 3 000 F à l'entrée côté gaz du surchauffeur. À cette température, l'état des cendres était fluide et il n'a fallu que quelques quarts de travail pour scories complètement la sortie du four.

Il est courant de trouver entre 0,5% et 1% de remontée d'oxygène du four vers les fumées d'entrée de l'aérotherme. Pourquoi? Eh bien, pour une raison, la chaudière moyenne alimentée au charbon pulvérisé de 500 MW a plus de 30 ans. Par conséquent, le potentiel d'infiltration d'air est accru en raison de l'âge seul, même lorsque des réparations d'entretien diligentes et approfondies sont pratiquées. Le seul excès d'oxygène qui compte du point de vue de la scorification et de l'encrassement est l'excès d'oxygène présent à la sortie du four. Gardez à l'esprit que le temps de séjour disponible du haut à la courroie du brûleur peut être inférieur à 1,5 seconde.

Un débit d'air primaire élevé, en particulier sur les chaudières murales, contribue à un mauvais équilibre du combustible, à une faible finesse du combustible et à des longueurs de flamme plus longues. L'air primaire est essentiellement de l'air de transport et fournit 15 à 25 % de l'air total pour la combustion. Par conséquent, lorsque le débit d'air primaire est très élevé, les particules de combustible « dépassent » l'air secondaire et entraînent des flammes plus longues qu'optimales (Figure 5).

Un débit d'air primaire élevé sur presque tous les brûleurs modernes à faible NOx entraînera le combustible profondément dans le four, dépassant ainsi le débit d'air secondaire. En conséquence, des zones riches en combustible peuvent se former dans le four supérieur, entraînant une combustion secondaire, des températures élevées et des zones d'atmosphère réductrice localisée, qui contribuent toutes à la formation de scories et d'encrassement.

L'un des 13 éléments essentiels d'une combustion optimale est la tolérance du brûleur à plus ou moins un quart de pouce. Les photographies présentées à la figure 6 offrent quelques exemples de brûleurs tels que trouvés.

La plupart des dommages aux brûleurs résultent de la surchauffe des brûleurs inactifs due à la chaleur rayonnante du four. Une façon de surveiller la surchauffe du brûleur consiste à fixer des thermocouples aux buses du brûleur et à fournir de l'air de refroidissement à travers les buses du brûleur pour rester en dessous de 800F lorsqu'il est hors service. (Le refroidissement du brûleur est un sujet pour un autre jour.)

La cause la plus fréquente des déséquilibres extrêmes du combustible à la sortie du four est la performance du pulvérisateur de charbon. Une mauvaise finesse de carburant contribue presque toujours à un mauvais équilibre du carburant. Au mieux, l'équilibre du carburant pulvérisé sera de l'ordre de plus ou moins 5 % à 15 % d'écart.

Lorsque les classificateurs ne sont pas réglés sur la meilleure finesse (généralement pour substituer plus de débit de pulvérisateur de charbon à une finesse réduite), la finesse peut se détériorer à moins de 70 % en passant 200 mesh. Parallèlement à la finesse réduite, il y aura un bilan de carburant moins uniforme. Une mauvaise finesse de carburant entraîne presque toujours une mauvaise distribution du carburant. Il n'est pas rare de trouver des écarts de carburant de plus ou moins 25 % lorsque les pulvérisateurs ne sont pas optimisés.

Les pulvérisateurs de charbon sont le cœur d'une chaudière alimentée au charbon pulvérisé. Environ 75% des opportunités d'amélioration du réglage concernent les broyeurs à charbon, le flux d'air primaire et l'équilibrage des conduites de carburant. La figure 7 montre les points importants pour obtenir une combustion optimale avec un minimum de scories et d'encrassement.

Pour des articles supplémentaires sur des sujets connexes, de l'analyse du carburant au contrôle du pulvérisateur, recherchez powermag.com. ■

—Richard F. (Dick) Storm, PE est consultant senior pour Storm Technologies Inc. et un contributeur de longue date de POWER. Le personnel de Storm Technologies a contribué à cet article.

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