Efficacité énergétique et traitement de l eau :

Efficacité énergétique et traitement de l eau : une solution innovante pour vos générateurs de vapeur efficiency for industry

Sommaire 1. Les différents moyens d amélioration du rendement des chaudières 2. Principe du traitement Cetamine 3. Résultats de l étude de l Université de Rostock 4. Résultats chiffrés sur site industriel 5. Outil de calcul des économies réalisables en chaufferie

Pistes pour l amélioration du rendement Amélioration de la combustion: brûleur, économiseur Augmentation de la récupération des condensats Récupération de l enthalpie et de la chaleur sensible des purges Augmentation du facteur de concentration en chaudière: amélioration de la qualité de l eau d appoint Amélioration de l échange themique en chaudière: traitement d eau performant

Certificats d économie d énergie Arrêté du 22 décembre 2014 définissant les opérations standardisées d économies d énergie UT 104: économiseur sur chaudière gaz ou GPL UT 105: brûleur micro-modulant UT 125: traitement d eau performant puissance thermique nominale < 20 MW osmose inverse ou déminéralisation sur résines conductivité eau d appoint < 50 µs/cm

Certificat d économie d énergie UT 125 Facteurs à prendre en compte UT 125: traitement d eau performant osmose inverse ou déminéralisation sur résines conductivité eau d appoint < 50 µs/cm Intérêt de l osmose comme prétraitement des chaudières vapeur % purge / vaporisation Impact du conditionnement sur la conductivité de l eau alimentaire Traitement minéral / traitement tout organique

Le traitement Cetamine

Le principe du traitement Cetamine Composition des Cetamine Polyamines filmantes R-[NH-( CH2 )3-]n-NH2 Action anticorrosion par formation d un film, Anti-tartre Propriétés tensio-actives Amines alcalinisantes Dispersant Réducteur d oxygène DEHA Plusieurs actions principales Contrôle du ph Protection anticorrosion de la bâche, de la chaudière et des condensats Dispersion des sels incrustants

Bénéfices liés au traitement Cetamine Simplicité 1 seul réactif multifonction Très faible influence sur la conductivité Réduction des purges Économies d eau et d énergie Dosage proportionnel à l eau d appoint Diminution de la consommation de réactifs Innocuité et manipulation DL 0 > 2000 mg / kg Gamme Cetamine G sans cyclohexylamine Absence de sulfites allergènes Absence de manipulation par les opérateurs

Etude de l influence du traitement organique sur le coefficient d échange thermique d un générateur de vapeur réalisée par l université de Rostock

Objectif de l étude Etude de l influence des amines filmantes sur le transfert de chaleur d une surface métallique vers l eau en ébullition 1. Détermination de la durée de la formation d une couche d oxydes sur des tubes en acier dans le cadre de différents traitements 2. Vérification de l impact des amines filmantes sur le développement de la couche d oxydes et sur les propriétés des surfaces de chauffe 3. Etude de l influence des amines filmantes sur les surfaces de chauffe après changement d un traitement classique à un traitement amines

Equipement Determination du coefficient de transmission de chaleur: ébullition statique d une eau traitée 1. Imposition d un courant électrique au tube test (4) à l aide d un générateur de courant 2. Mesure de la température de peau interne du tube (5) 3. Mesure de la température de la vapeur saturée (2) 4. Détermination de la température extérieure du tube par calcul 5. Calcul du flux thermique 6. Détermination du coefficient de transmission de chaleur (k) en fonction de - flux thermique, - température extérieure du tube - température de la vapeur saturée ~

Tube soumis à un flux thermique

Chaudière à tubes de fumées

k coefficient de transfert thermique Coefficient global de transmission de la chaleur: Assomption: surface plane 1/ 1/ 1/ radial temperature trend (not to scale)

Programmes de traitement testés Traitement classique servant de référence Na 3 PO 4 (10,0 ph 10,5) Conditionnement organique Cetamine V 211 mélange d amine filmante et d amines alcalinisantes concentration normale: 0.5 à 1.0 ppm d amine filmante résiduelle Détermination de k durant l ébullition statique en fonction de la durée de traitement et du flux thermique appliqué Etude de la couche d oxydes générée sur un tube neuf à p s = 15 bar

Comportement typique du coefficient de transfert thermique. Flux thermique: q ~ 105 kw/m² Modélisation: ; κ := constante de temps τ 99

Temps nécessaire à la formation d une couche d oxydes stabilisée p s = 15 bar: PO 4 type de traitement *durée de traitement nécessaire 95 h V 211 PO 4 V 211 79 h 430 h

Influence des amines filmantes sur k amélioration de k pendant un traitement amines, sur un tube neuf, à p s = 15 bar Démarrage du traitement (τ = 0) Coefficient de transfert thermique k W/(m²K) V 211 0 PO 4,0 Flux thermique habituel Dans les chaudières tubes de fumées Flux thermique W/m²

Influence des amines filmantes sur k amélioration de k pendant un traitement amines, sur un tube neuf, à p s = 15 bar État stationnaire(τ = ) Coefficient de transfert thermique k W/(m²K) Flux thermique habituel Dans les chaudières tubes de fumées Flux thermique W/m²

Influence des amines filmantes sur k Augmentation de k pendant un traitement amines après changement d un traitement Phosphate classique, à p s = 15 bar Coefficient de transfert thermique k W/(m²K) PO 4 V 211 PO 4 stationnaire (τ = ) Flux thermique W/m²

Influence des amines filmantes sur k Augmentation de k pendant un traitement amines après changement d un traitement Phosphate classique, à p s = 15 bar Coefficient de transfert thermique k W/(m²K) PO 4 V 211 0 Démarrage du traitement(τ = 0) Augmentation immédiate de k après passage à un traitement amine due à la diminution de la tension de surface: activation de sites additionnels de nucléation Flux thermique W/m²

Impact de V211 sur des surfaces métalliques nues Effet de surface de Cetamine V211 - Plus grand nombre de bulles à la surface à flux constant - Fréquence des bulles augmentée, diamètre des bulles plus petit Traitement Na 3 PO 4 : ph = 10.3 Traitement V211: [AF] = 4 ppm

Influence de Cetamine V 211 sur l ébullition statique, résumé Augmentation significative du coefficient k: V211 / PO 4 k = 90 à 150 % (sur des tubes neufs) PO 4 V 211 : k = 50 à 80 % (après changement de traitement) La différence est plus importante pour des flux thermiques appliqués faibles à moyens en raison d une nucléation plus rapide et plus intense

Influence du traitement sur l état de surface PO 4 V 211 100 µm

Conclusion de l étude théorique Influence significative des amines filmantes (Cetamine V 211) sur le coefficient de transfert thermique / traitement classique Na 3 PO 4 Amélioration de l état de surface des tubes traités à l aide d amines filmantes: homogénéité et épaisseur de la couche d oxydes Economies substantielles possibles liées à l augmentation du coefficient global de transfert thermique

Economies théoriques potentielles: chaudières à tubes de fumées Dans ces chaudières, le coefficient dominant est celui du transfert de la phase gaz vers la surface intérieure du tube. Côté eau, le 3ème parcours est la zone où l amélioration attendue est la plus sensible (flux thermique moindre) augmentation du coefficient global de transfert thermique meilleur refroidissement des fumées diminution des pertes amélioration théorique estimée du rendement global de la chaudière pouvant aller jusqu à 0,5 %

Application industrielle et résultats chiffrés

Production de vapeur Exploitant: COFELY Chaufferie industrielle dans une usine de fabrication de mélaminé 105000 tonnes / an Pression de service 21 à 23 bars Surchauffe 260 C 70 % de retours Chaudières 2 Stein 16,5 t/h type CFS à tubes de fumées 1 Stein 33 t/h à tubes d eau sur cogénération 1 incinérateur 8 t/h Traitement Cetamine V 211 + Ferrolix 8340

Production de vapeur 29

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Production de vapeur 31

Constatations Forte augmentation des retours de condensats due: Forte augmentation du ph Maintien d une conductivité correcte Amélioration de la qualité de la passivation des échangeurs vapeur constatée par le client final utilisateur Diminution du taux de purge liée à: Augmentation du pourcentage de retours Augmentation du taux de concentration Diminution de la consommation de gaz liée à: Diminution de la consommation de vapeur en réchauffage de bâche Diminution des purges Meilleure répartition de la charge sur les 2 chaudières Amélioration de l échange thermique en chaudière

Premiers résultats par données exploitant 2009 2010 Différence ou calcul % Vapeur (T/an) 105317 107106 + 1789 1,70% Eau adoucie (m3/an) 41157 25455-15702 - 38,15% Retours condensats (m3/an) 72391 84418 + 12027 + 16,61 % Vapeur réchauffage bâche (T/an) - 1436 Heures arrêt production de vapeur 45 29 16-35,6 % Kg vapeur 260 C/ Nm3 (TF 1 + TF 2) 12,10 12,30 0,20 + 1,65 % Taux concentration moyen 5 9,2 % Purge /vaporisation 7,8 2,6-66 % Économie gaz liée à la purge 0,88 % Meilleure répartition de la charge 0,43 % Amélioration échange thermique 0,34 %

Inspection

Conclusion et perspectives Economies constatées supérieures aux études théoriques Amélioration de la gestion de la répartition de la charge des chaudières et diminution des pertes par les parois Amélioration de la gestion des purges Amélioration de la qualité des retours donc diminution des consommations d eau et de vapeur de dégazage Amélioration de l échange thermique Développement d un outil de calcul des économies Perspectives Intégrer ces résultats dans les logiciels de gestion de l énergie développés par les bureaux d étude Lancer une étude similaire sur les chaudières à tubes d eau à circulation naturelle

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Normes eau de chaudière à tubes de fumées EN 12953-10 Paramètre Pression de service (bars) Valeurs Cond. Trait Préc. / Eau en chaudière à vapeur Conductivité de l eau d alimentation > 30 µs/cm Valeurs moyennes enregistrées 0,5 à 20 > 20 21 à 23 Apparence - Claire, absence de mousse stable Valeurs mesurées dans les condensats / Conductivité à 25 C (µs/cm) 7 à 114 Moy. 20 < 6000 (1) < 5300 à 23 bars 2000 à 5830 Moyenne 3300 16 à 46 Moyenne 26 Valeur du ph à 25 C 5,1 à 9 Moy. 6,6 10,5 à 12 10,5 à 11,8 11,5 à 12,1 Moyenne 11,8 TAC ( f) / 5 à 75 (1) 5 à 50 (*) 46 à 142 Moyenne 99 9,51 à 10,18 Moy. 9,75 Silice SiO 2 (mg/l) < 130 / - Phosphate PO 4 (mg/l) < 30 < 30 / -