Optimisation de la facture énergétique par l'amélioration du système de production d'énergie de la raffinerie Samir de Mohammedia (Morocco)

II-1-2. Origines et causes du phénomène

Afin de bien visualiser le problème, nous avons profité à l'arrêt d'une chaudière pour examiner ses éléments, et voir les conséquences de la corrosion.

Nous remarquons :

· La présence de dépôts sur les parois des tubes à la partie inférieure

· une quantité très importante d'amas de dépôt

· Accumulation des suies sur les parois externes du ballon inférieur et qui mesurent un mètre en hauteur.

· Percement (fuite d'eau) du tube à la partie inférieur.

· Tubes de la zone de passage de fumées recouverts de dépôts, de suies.

·

	Projet de Fin d'Etudes

Les brOleurs sont recouverts d'amas de dépôts et le réfractaire est recouvert d'imbrulés de fuel

· Nous avons observé la dégradation de matériau au niveau :

ü des parties inférieures cintrées des tubes du faisceau convection.

ü Les tubes des surchauffeurs.

ü La paroi externe du ballon inférieur.

ü Les tubes et les ailettes de l'économiseur de la chaudière.

ü Certaines parties du casing de la chaudière.

Le schéma suivant représente les différents éléments concernés par la dégradation

Figure 6.5 : Dégradation des éléments concernés

D'après ces observations, on peut conclure que l'ensemble des percements de ces tubes est localisé aux parties cintrées inférieures au voisinage du ballon inférieur, suite à une corrosion externe très accélérée par cratères et qui est favorisée par :

ü Accumulation de dépôt riche en composés soufrés à ces endroits, provenant de la combustion du fuel à teneur élevée en soufre. Touts les conditions favorables telles que la

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température, le taux d'oxygène et d'humidité, lors des arréts, permettant la formation d'acide sulfurique, responsable de la corrosion.

v' Défaillance et inefficacité du nettoyage chimique pour éliminer les dépôts persistants aux parties inférieures.

v' Inefficacité du drainage et de neutralisation, lors des nettoyages chimiques, favorisant la rétention des produits corrosifs piégés entre les tubes et le réfractaire.

v' Arrêts prolongés des chaudières à des températures inférieures au point de rosée eau/acide, ce qui accélère la corrosion.

Les produits dus à la réaction de combustion au niveau de la chaudière sont les principales causes de dégradations considérées.

? formation du SO3

Les difficultés d'exploitation par encrassement et corrosion à haute et basse température ont pour origine la formation de SO3 à partir du soufre contenu dans le combustible.

En brûlant, le soufre du combustible (fuel lourd) donne naissance à de l'anhydride sulfureux (SO2). Mis en présence de l'oxygène de l'air en excès, dans le cas de combustion oxydante ou oxydo-réductrice, et de catalyseurs de conversion tels que le vanadium, le fer ou le nickel, une partie du SO2 formé se transforme en anhydride sulfurique (SO3).

Dans certaines conditions de température de peau du métal et d'hygrométrie, le SO3 se condense et forme de l'acide sulfurique (H2SO4).

La combustion du S donne :

S + O2 ? SO2

La présence d'excès d'air donne ensuite l'équilibre :

SO2 + 1/2 O2 ? SO3

Les quatre chaudières fonctionnent en excès d'Oxygène.

Pour visualiser le rôle de l'excès d'air dan la formation de SO3, on a fait un essai de la diminution de %O2 et on a rencontré un fort dégagement de fumées noir à cause de la combustion non complète, ces fumées noire indiquent la présence de monoxyde de carbone. Raison pour laquelle on travail toujours avec un excès d'aire dans les chaudières. Mais cet excès d'air favorise la formation des éléments corrosifs.

La figure suivante présente le Taux d'oxygène pour la chaudière A :

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01/12/2009 01/01/2010 01/02/2010 01/03/2010 01/04/2010

10

8

4

0

6

2

%O2 L'aspect

Figure 6.6 : 6K1112O7 SRKrFIEtI:JHOP PJqgiSRKrIII: FII:KOiqUB

D'après les courbes ci-dessus on remarque que le Taux d'O2 est très élevé, donc on est en présence d'un excès d'air important qui influence négativement sur l'état des matériaux des chaudières.

Cet impact est d'autant plus important que les températures de fumées dépassent 950°C

ü une température de flamme élevée donne de l'oxygène atomique très réactif.

ü la présence de S et O2 donne SO3 en fonction de la température

ü la présence d'oxygène augmente la probabilité de transformations de l'oxyde de vanadium V2O3 en pentoxyde de vanadium _V2O5 qui est plus oxydant et agit comme catalyseur de la transformation SO2 en SO3.

tt> Formation de l'acide sulfurique

L'acide sulfurique prend naissance à partir de SO3 et de la vapeur d'eau produite par la combustion du fuel.

111E+11E11E? SO2
111211ll EO ?HES11+

Le point de rosée des fumées varie en fonction du pourcentage de SO3 contenant dans les fumées,

Le mélange "eau-acide" se condense sur les parties froides dès que la température atteint le point de rosée acide entre 100^° et 150°C. Aux moments des arre^sts des chaudières la température peut atteindre des valeurs très inférieures à 100°C. Donc la formation de H2SO4 liquide et l'ionisation par l'eau (humidité) est fortement probable.

La figure suivante présente cette évolution

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Figure 6.7 : Variation du point de rosée en fonction du pourcentage de SO3

NB : la dégradation des surchauffeurs suit la même procédure que les tubes partie inférieur, avec le même mécanisme réactionnel, mêmes causes et les mêmes conséquences.

t;. ' pJUIIINIKIIIIe l'EWV IsHr

L'économiseur est un échangeur de chaleur à circulation d'eau inverse par rapport à celle des gaz de combustion. L'échange de la chaleur se réalise par convection.

L'économiseur est généralement placé avant le réchauffeur d'air, dans le circuit des fumées.

Figure 6.8 : Economiseur en bon état et Economiseur encrassé

Les Fumées condensées à l'interface des Tubes et les ailettes de l'économiseur sont causées par la Température d'eau à l'entrée de l'économiseur inférieur à la procédure définie par le constructeur (et très bas par rapport au point de rosé des fumées). Pour justifier ce phénomène on a fait un suivi de la température de l'eau, à l'entrée de l'économiseur

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140

120

100

80

40

60

20

0

T^° EAU Aspect

T°C EAU ENTREE ECONOMISEUR

Figure 6.9 : Suivi de la température entrée économiseur pour les quatre chaudières

D'après le suivi de la température de l'eau d'entrée économiseur pour les quatre chaudières on remarque que la température d'eau est très faible ce qui veut dire qu'il y a une forte condensation des fumées à ce niveau. la cause principale de cette chute de Température est due à l'état de dégazeur (partie de dégazage physique, le matériau des chicanes dégradé) .

L'attaque de H2SO4 a le mécanisme suivant :

1 -- En se condensant l'acide sulfurique attaque l'acier :

H2SO4 + Fe ? Fe SO4 + H2 (sulfate ferreux)

2 - En présence d'oxygène une autre réaction se poursuit :

2Fe SO4 +O2 + H2SO4 ?Fe2(SO4)3 + H2O

3 -- Le sulfate ferrique formé peut réagir sur le fer pour revenir à l'état ferreux : Fe2 _(SO4)3 + Fe? 3FeSO4

q> Influence de la température de fumées sur le rendement de la chaudière f

Pour étudier l'influence de la température des fumées sur le rendement de la chaudière, on a calculé ce rendement pour différentes températures de sortie des fumées ainsi que le pourcentage de CO2 dégagé, ci-dessous les résultats obtenus :

Le rendement de la chaudière est calculé par la formule suivante :

Avec :

Tf : Température de fumées

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Ta : Température ambiante

k : coefficient dépend du type de combustible (pour le fuel k= 0,6)

Tableau 6.5 : suivie du rendement de la chaudière.

Mois	Température de fumée	% CO2	Rendement
08/2009	198°C	7,8%	86%
09/2009	250°C	8,7%	84%
10/2009	355°C	8%	75%
11/2009	355°C	8%	75%
12/2009	365°C	8,7%	75%

Interprétation

Un bon rendement signifie que la quantité d'énergie consommée par la chaudière, est utilisée
de façon optimale. Il est obtenu grâce à une isolation renforcée des parois de la chaudière qui
limite les déperditions thermiques. Le brûleur est aussi mieux réglé pour optimiser l'énergie

de la combustion. La chaudière possède par estimation un rendement de 80 %, 10 % ? H H H

représentent les fumées qui s'échappent dans la cheminée. Pour obtenir un rendement

1 2

R ? ?

important il faut récupérer le maximum de calories contenues dans les fumées et de baisser

Ra PCI

? Ra PCI

?

par la même occasion les polluants émis. Raison pour laquelle on a pensé à installer un échangeur avant l'économiseur, l'étude est détaillée dans le paragraphe suivant

II-2.Dimensionnement d'un échangeur de préchauffage de l'eau de chaudières ? Pourquoi installer un tel échangeur ?

On prend le cas de la chaudière C, mois 09/2009 début d'encrassement de l'économiseur Le moi 10/2009 :

Température de fumée = 355°C, CO2= 8% R= 75%

Sachant que le rendement de la chaudière est liée par son ratio par la formule suivante :

H1: Enthalpie de la vapeur à 405°C et 42 bar = 770 Kcal/Kg

H2: Enthalpie de Fuel =120 Kcal/Kg

PCI(Fuel) : pouvoir calorifique inferieur 9600 Kcal/Kg

Ra : Ratio, c'est la quantité de fuel consommée pour produire 1 Tonne de vapeur

(Ra de constructeur = 75Kg de fuel / 1T de vapeur haut pression). Notre cas

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Ra _calculé - Ra constructeur = 15 Kg (surconsommation de fuel)

Sachant que : Production Moyenne de VH= 40T/h

1 an = 8000 heures de marche

Production annuel de VH = 320000 TVH La surconsommation de 15Kg pour 1 TVH

Donc Surconsommation de fuel = 4800 T Fuel /an

Avec un prix de 4014 Dh /1T fuel

Au début d'encrassement la surconsommation de fuel est monnayée à :

19.267.200,00 DH/an

Ces résultats sont obtenus d'après la consommation du mois 10 juste trois mois après le premier démarrage de l'économiseur après la maintenance, et vis-à-vis les conditions de fonctionnement de l'économiseur les pertes seront plus importantes.

? Principe

Cette solution consiste à un préchauffage de l'eau à l'entrée économiseur avec une partie de l'eau chaude sortie économiseur à condition que le nettoyage se fait auparavant.

Le principe est le suivant : une partie de l'eau chaude 60% sortant de l'économiseur est recyclée pour être utilisé dans le préchauffage de l'eau sortant du dégazeur et entrant à l'économiseur, les 40% (220°C) restent au niveau de la conduite d'alimentation du ballon supérieur avant d'être mélangé avec l'eau qui sort de l'échangeur à une température de 155 °C. Le mélange (182°C) alimente directement la chaudière.

Pour appliquer cette solution, le nettoyage de l'économiseur auparavant est une condition nécessaire qui doit être satisfaite, cela permet de bien récupérer les calories des fumées pour le chauffage de l'eau avant sortie économiseur et pour arriver aux températures cité ci-dessus.

Autrement dit en gardant la température d'entrée économiseur à 150°C, c.-à-d supérieure au point de rosé des fumées avec le bon fonctionnement du système de ramonage, l'encrassement de l'économiseur est réduit pour une longue durée.