Une analyse des gaz continue en amont, pour une bonne régulation

Dans toutes les usines où se trouvent brûleurs, fours ou incinérateurs, les industriels sont confrontés à la difficulté d’une régulation optimisée des gaz de combustion. Ni les méthodes d’analyse à l’émission, ni les techniques par prélèvements en amont ne la permettent.
Quelques solutions d’analyse existent pourtant qui assurent un contrôle en amont et en continu des caractéristiques des gaz de combustion. Cette technologie répond de surcroît très bien aux besoins découlant de l’utilisation de gaz de récupération, aux caractéristiques hautement variables, et d’usage de plus en plus répandu.

Dans les industries lourdes (sidérurgie, raffineries, verreries, etc.), les gaz de récupération, comme ceux issus de turbines, du fioul de raffinerie ou de hauts fourneaux (“Blast-Furnace Gas” ou BFG), les gaz de cokerie (“Coke-Oven Gas” ou COG), le biogaz…, sont de plus en plus souvent réutilisés pour alimenter les brûleurs, les fours industriels, les turbines à gaz et les incinérateurs. En plus d’éviter une mise au rebut, la valorisation de ces gaz de récupération apporte en effet aux industriels une réduction des besoins énergétiques, des moyens pour limiter les rejets dans l’environnement et, par conséquent, les coûts. Sur le papier, vouloir réutiliser les gaz de cokerie ou le biogaz, par exemple, est une excellente idée, mais la situation n’est pas aussi évidente sur le terrain.

Ces gaz combustibles ont un inconvénient majeur : leurs caractéristiques ne sont pas du tout constantes et il est très difficile, voire impossible, d’avoir seulement une idée de ce qu’ils sont à un instant donné. Les variations de la composition de ces gaz dépendent en effet des sources ’approvisionnement, des procédés d’extraction, pour les gaz de raffinage, et des procédés de récupération, pour les gaz de procédés. Il en est de même aujourd’hui pour le gaz naturel dont les origines et les sources sont diverses et variées, d’où des caractéristiques non constantes. De nombreux industriels sont également amenés à “mélanger” en même temps ou d’une manière alternative le gaz naturel avec des gaz de récupération sur leurs procédés pour des raisons contractuelles, afin d’éviter des pointes de consommation, ou de valorisation. La variabilité des caractéristiques d’un gaz est telle qu’il en devient souvent très difficile de garantir les meilleures conditions d’efficacité (stabilité de la combustion) et de sécurité. En plus du non-respect des consignes de réglage de combustion, la mauvaise combustion générée aura elle-même des incidences sur le rendement de chauffage, par exemple. Les conséquences seront d’autant plus importantes que la température est élevée. D’autres facteurs seront concernés : la capacité de production, ce qui est une conséquence des variations de rendement, la qualité des produits chauffés, si ceux-ci peuvent réagir du point de vue physico-chimique avec des produits de combustion (oxydation, gazage, coloration…), les émissions de polluants, notamment le monoxyde de carbone (CO) et les composés imbrûlés, et la longévité du matériel mis en oeuvre.

Des méthodes qui ne sont plus adaptées

Il appartient donc à chaque industriel d’analyser les contraintes propres à son installation pour être en mesure de chiffrer l’intérêt technico-économique d’une régulation de la combustion, élément essentiel à l’amélioration de la qualité de production. Quelle que soit la combustion, le rapport air/gaz doit être défini exactement. En pratique, le contrôle de ce ratio est généralement obtenu via l’analyse des produits de combustion.
L’une des possibilités est la mesure des concentrations en dioxygène (O2) ou en CO dans les fumées après combustion. Si cette méthode était auparavant suffisante, elle ne l’est plus aujourd’hui avec l’utilisation des gaz de récupération pour les combustions. Le temps entre la mesure de concentration en O2 ou en CO en aval et l’ajustement de l’arrivée d’air en amont devient trop grand par rapport à la durée entre deux variations des caractéristiques du gaz combustible. S’il y a un trop gros excès d’air, on s’éloigne de la combustion désirée, qu’elle soit stoechiométrique ou, dans certaines applications, oxydante ou réductrice. Il faut garder à l’esprit que, en régulation de combustion, on ne peut qu’appauvrir un gaz en lui ajoutant de l’air, mais en aucun cas l’enrichir.

Trois caractéristiques pour un gaz combustible

Il existe une méthode alternative que l’on peut mettre en oeuvre avant la combustion, pour réduire les délais d’ajustement trop longs des mesures à l’émission. Il ne s’agit plus d’appareils de process, mais d’une méthode faisant intervenir un prélèvement d’échantillons et une analyse chromatographique en laboratoire. Le chromatographe permet d’obtenir la décomposition du gaz combustible et donc de connaître sa composition exacte. A partir d’une matrice de calcul, les utilisateurs remontent ensuite aux caractéristiques principales du gaz. Ils sont alors en mesure de maintenir les conditions de combustion recherchées les plus constantes possibles, sachant que les mesures sont ponctuelles et discontinues. Pour caractériser un gaz de récupération ou autre et, par extension, pour maîtriser une combustion, trois paramètres sont utilisés. Il s’agit de l’indice de comburité (B) que l’on désigne également par l’acronyme CARI (pour Combustion Air Requirement Index), de l’indice de Wobbe (W) et du pouvoir calorifique supérieur ou inférieur (PCS/PCI).

Intéressons-nous en premier lieu à l’indice de comburité. La valeur B (sans unité) d’un gaz de combustion est égale au rapport entre l’air stoechiométrique et la racine carrée de sa densité par rapport à l’air (densité relative). Rappelons que l’air stoechiométrique correspond au volume d’air nécessaire et suffisant pour brûler complètement 1 Nm3 d’un
gaz combustible (en fait, la quantité d’air pour une combustion idéale) et que la densité relative est la densité d’un gaz par rapport à celle de l’air dans les mêmes conditions. Comme le taux d’aération est inversement proportionnel à l’indice de comburité, à pression de distribution constante, cet indice est alors utilisé pour contrôler le rapport air/gaz dans un brûleur
et pour maintenir le réglage de combustion, à savoir le taux d’aération (grandeur de consigne implicite des systèmes de régulation de combustion).
L’indice de Wobbe, lui, est défini comme le rapport entre le pouvoir calorifique supérieur et la racine carrée de sa densité relative. La valeur W est alors exprimée dans les unités d’énergie suivantes : kilowattheure par normo mètre cube(1) (kWh/Nm3), mégajoule par normo mètre cube (MJ/Nm3)… L’indice de Wobbe est le premier indicateur de l’interchangeabilité entre deux gaz combustibles. La puissance mise en jeu sur un équipement de chauffe, alimenté à la même pression avec différents combustibles gazeux, varie en effet comme l’indice de Wobbe. Il en résulte qu’alimenter un même brûleur à la même pression avec deux gaz de même indice de Wobbe permet de conserver la puissance mise en jeu. L’indice de Wobbe est ainsi utilisé pour contrôler l’énergie donnée aux brûleurs. A noter que le rapport entre l’indice de Wobbe et celui de comburité, ces deux paramètres dépendant de la densité, est peu différent pour ’ensemble des gaz naturels et des gaz de pétrole liquéfiés ; on peut alors confondre leurs variations.
Quant aux valeurs de PCS et PCI, le pouvoir calorifique d’un matériau combustible est l’enthalpie de réaction de combustion par unité de masse(2). En d’autres termes, il s’agit de l’énergie dégagée sous forme de chaleur par une réaction de combustion complète par l’oxygène, dans les conditions normales de température et de pression. Le pouvoir calorifique s’exprime en général en kilojoule par kilogramme (kJ/kg), mais on rencontre également d’autres unités : kilojoule par mole (kJ/mol), kilojoule par litre (kJ/l), kilowattheure par normo mètre cube (kWh/ Nm3).

Une technologie éprouvée

Pour compléter ces définitions, ajoutons que le pouvoir calorifique supérieur (PCS) est l’énergie thermique libérée par la réaction de
combustion d’un kilogramme de combustible. Cette énergie comprend la chaleur sensible et la chaleur latente de vaporisation de l’eau, généralement produite par la combustion. En ce qui concerne le pouvoir calorifique inférieur (PCI), c’est l’énergie thermique libérée par la réaction de combustion d’un kilogramme de combustible sous forme de chaleur sensible, à l’exclusion de l’énergie de vaporisation (chaleur latente) de l’eau présente en fin de réaction. En pratique, les valeurs de PCS et de PCI sont utilisées pour contrôler la température de la flamme du brûleur (l’énergie apportée à la combustion). Comme on l’a vu précédemment avec l’analyse chromatographique, obtenir les valeurs pour les indices de comburité, de Wobbe et de pouvoirs calorifiques est toujours possible… à condition d’accepter des “temps de réponse” très longs entre une mesure et l’éventuelle modification de la régulation. L’idéal serait de pouvoir disposer d’emblée d’un gaz combustible avec des caractéristiques constantes. Cela signifierait d’être en mesure d’analyser en continu les caractéristiques du gaz pour autoriser une vraie régulation, à savoir injecter de l’air dans le gaz pour maintenir la valeur à la consigne selon les valeurs mesurées.
Le concept technologique développé par la société française Tecora permet de maintenir, en aval du système d’analyse et de régulation, un gaz avec un indice de comburité constant. Il compense en fait les variations de la qualité du gaz entrant dans un site et les effets dus aux éventuelles différences de débit et de pression dudit gaz. Sur certains sites, il sera plus judicieux de maintenir l’indice B à une valeur constante en aval de l’usine. Pour injecter dans le gaz combustible une quantité d’air calculée, afin de, rappelons-le, maintenir constant l’indice de comburité du gaz lorsque celui-ci varie, un échantillon est prélevé dans la canalisation pour être analysé. Le principe mis en oeuvre est une combustion catalytique d’un mélange d’une quantité très faible de gaz (débit de 0,8 l/min avec une pression de 1,5 à 3 bar relatifs) et d’un flux d’air continu (environ 2 l/min avec une pression minimale de 3 à 6 bar relatifs). Une sonde d’oxygène assure la mesure de dioxygène résiduel restant après la combustion, paramètre servant à déterminer l’indice de comburité. Comme la quantité de gaz analysé est très faible, le temps de réponse du système est très court.

Une méthode d’analyse autorisant une vraie régulation

Un automate intégré compare ensuite la valeur instantanée de l’indice B obtenue à celle de la consigne fixée au préalable. La différence entre les deux valeurs génère la commande d’une vanne pour l’injection de la quantité d’air dans le gaz combustible nécessaire à la régulation de l’indice de comburité. La position de la vanne est ainsi ajustée en continu de manière à rester toujours au point de consigne. Il peut être nécessaire de mettre en place une deuxième boucle de régulation pour tenir compte du débit de gaz utilisé sur le site. Un compteur à gaz est alors inséré dans la canalisation de gaz et l’information, transmise à l’analyseur. Cette technique d’analyse rend possible non seulement une régulation précise de la qualité des gaz de combustion pour l’ensemble d’une usine, mais aussi une prise en compte des variations de consommation de gaz et la possibilité de ne pas modifier les systèmes de régulation existants. Parmi les autres avantages, on peut également citer un étalonnage automatique en deux points, aucune formation spécifique requise contrairement à un chromatographe, une maintenance réduite au minimum, etc. Hormis certaines précautions à prendre selon le type de gaz, comme prévoir une ligne chauffée, afin d’éviter toute condensation ou gel, et/ou un système d’échantillonnage doté d’un dépoussiérage, d’une déshumidification, d’une platine de lavage pour les goudrons, les deux seuls consommables sont le catalyseur et la sonde d’oxygène… et encore si sa durée de vie est dégradée à cause de la nature agressive du gaz.

Pour toute informations sur ces solutions contactez nos équipes.

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