Comment les échangeurs en PTFE sont-ils utilisés pour préchauffer l’air de combustion avec des gaz de combustion acides ?

Les gaz d'échappement d'une chaudière ou d'un four sont un mélange de gaz chauds saturés de vapeur d'eau-avec des produits chimiques acides produits par le soufre, le chlore et les produits de combustion. Si ce gaz est simplement libéré dans la cheminée, sa chaleur sensible et l'énergie latente de la vapeur d'eau sont perdues. Cette chaleur corrosive de faible qualité peut être récupérée en toute sécurité et transférée dans le flux d'air de combustion entrant au moyen d'un échangeur de chaleur en PTFE, installé dans l'extrémité froide du système de combustion. L'échangeur de chaleur améliore l'efficacité thermique et résiste aux condensats nocifs qui endommagent les équipements métalliques conventionnels.

Le système actuel de gaz de combustion de l'air de combustion avec échangeur PTFE fonctionne dans l'une des conditions les plus agressives du traitement thermique industriel. L'échangeur est placé à l'endroit le plus agressif de la cheminée où tombent les pluies acides.

Pourquoi les gaz de combustion acides tuent les échangeurs conventionnels
À mesure que les gaz de combustion refroidissent, la vapeur d’eau se condense hors des gaz d’échappement.

Génération de point de rosée acide
Les gaz de combustion contiennent généralement :

Dioxyde de soufre (SO2)

Trioxyde de soufre SO3

Chlorure d'hydrogène HCl

Vapeur d'eau

Lorsque la température descend en dessous du point de rosée acide, ces produits chimiques se mélangent à l'humidité condensée pour générer des liquides hautement corrosifs tels que :

Acide sulfurique;

* Acide chlorhydrique

Le point de rosée acide précis est déterminé par :

Soufre de carburant

Pollution au chlore

Concentration d'humidité

Excès d'air pour la combustion

La composition des gaz de cheminée

Dans de nombreux systèmes, cette zone de condensat dégrade rapidement les échangeurs de chaleur en acier au carbone et même en acier inoxydable.

Le problème de la corrosion-à l'extrémité froide
Les condensats acides attaquent la surface des tubes dans les économiseurs métalliques conventionnels, provoquant une « corrosion à l'extrémité froide ».

Les modes de défaillance typiques sont :

Corrosion par piqûres

Amincissement général des murs

Fissuration par corrosion sous contrainte (SCC)

Attaque et dépôts de sulfates

Une fois la condensation commencée, le taux de corrosion augmente rapidement.

Gestion de la condensation acide avec un échangeur PTFE
Le PTFE offre une réponse fondamentalement différente dans la mesure où il est chimiquement inerte vis-à-vis des condensats acides.

Structure de tubes en PTFE
Pour une conception typique :

Flux de gaz de combustion chauds à travers le côté de la calandre

L'air de combustion froid chasse les tubes en PTFE.

À mesure que les gaz de combustion refroidissent en dessous du point de rosée acide, l'humidité acide se condense directement à l'extérieur des tubes en PTFE.

Ce n’est pas le cas des surfaces métalliques, où le PTFE n’est absolument pas affecté.

Résistance aux acides chlorhydrique et sulfurique
Le PTFE présente une très forte résistance à :

Condensat d'acide sulfurique

Gouttelettes d'acide chlorhydrique

Humidité chargée en chlorure-

Dépôts de sulfate acide

L'immunité chimique de l'échangeur assure son fonctionnement continu dans la zone de condensation, où les échangeurs métalliques se dégradent rapidement.

Récupération de chaleur latente des gaz de combustion
Ce n'est pas seulement la récupération sensible de la chaleur, mais aussi la condensation de la chaleur latente qui apportent la plus grande amélioration de l'efficacité.

La condensation comme source d'énergie

La libération de grandes quantités de chaleur latente

Cette chaleur est transférée via la paroi du tube PTFE dans le flux d'air de combustion entrant.

La conductivité thermique du PTFE est plutôt faible par rapport aux métaux mais l'échangeur compense :

Grande surface de transfert de chaleur

tube à paroi mince

Mécanismes de transfert de chaleur par condensation

Préchauffage de l'air de combustion
L'air de combustion est ensuite préchauffé et pénètre dans le système de brûleur à une température plus élevée.

Cela réduit le carburant nécessaire pour réaliser :

Température de flamme cible

Température du four

Production de vapeur dans une chaudière

Les économies de carburant peuvent être telles qu’elles améliorent l’efficacité thermique globale de plusieurs points de pourcentage.

Avantages des surfaces hydrophobes
Un autre avantage opérationnel important du PTFE est que.

Drainage des condensats
La surface lisse et antiadhésive en PTFE-favorise l'humidité acide pour :

Gouttelettes

Bien égoutter.

Éviter l'accumulation de film

Cela minimise la production de grandes couches de fluide isolant qui autrement réduiraient l'efficacité du transfert de chaleur.

Et le résultat :

Performance thermique améliorée

Moins d'encrassement.

Entretien moins fréquent

Limites de température et conception du système
Cependant, les limites thermiques du PTFE doivent encore être correctement respectées.

Température maximale continue
Les limites du PTFE concernent généralement :

Température de service continu 110 degrés

Ainsi, la position de l'échangeur doit être à un point où la température des fumées est déjà inférieure à cette limite ou a été abaissée en dessous de ce point.

Stratégies de pré-refroidissement
Voici quelques méthodes courantes :

Mélange d'air de dilution

Refroidissement des gaz en amont

Phases de récupération de chaleur en cours-processus

Contrôle de dérivation des gaz d'échappement

Un bon contrôle thermique protège les tubes PTFE de la surchauffe et de la distorsion mécanique.

Gestion des condensats
Le traitement des condensats acides est un aspect important de la conception du système.

Conception du système de drainage
L'échangeur sera composé de :

Zones de collecte en pente

Drains résistants à la corrosion

Élimination continue des condensats

L’accumulation de condensat peut entraver le transfert de chaleur et favoriser l’encrassement.

Conditions requises pour la neutralisation
Le liquide acide collecté est généralement :

Neutralisé avant élimination

Les systèmes d'eaux usées ont été traités

Surveillance de la conformité du pH

Le condensat peut contenir des composants concentrés d'acide sulfurique et chlorhydrique et ne peut en général pas être libéré sans traitement.

Système de notes
Exigences de nettoyage du côté de la coque-
Avec le temps, une accumulation de particules-de suie, de cendres ou de résidus de combustion peut se produire du côté de la coque de l'échangeur.

Pour maintenir les performances, les systèmes contiennent généralement les éléments suivants :

Souffleurs de suie

Systèmes de pulvérisation de lavage à l'eau

Lavage chimique périodiquement

Ouvertures d'inspection accessibles

Le PTFE étant chimiquement inerte, des processus de nettoyage rigoureux peuvent être utilisés sans endommager les surfaces des tubes.

Avantages par rapport aux économiseurs métalliques
Les échangeurs PTFE offrent divers avantages opérationnels dans le service de récupération d'acide.

Résistant à la corrosion
Le PTFE ne dépend pas : contrairement aux systèmes métalliques :

Films d'oxyde de passivation

Inhibiteurs de corrosion

revêtements de protection sacrificiels

Le PTFE n'est pas un problème pour la corrosion-de la partie froide qui ronge les économiseurs métalliques.

Fiabilité à long terme
Les échangeurs PTFE peuvent offrir :

Durée de vie prolongée

Performance thermique en régime permanent

Dépenses d'entretien réduites

Risque réduit de fuite d'acide

en particulier dans les flux d'échappement contenant du soufre- ou du chlorure-.

Utilisation industrielle
Les systèmes de récupération de chaleur des gaz de combustion en PTFE sont de plus en plus utilisés dans :

Incinérateur de déchets

Chaudières au Fioul Soufre

Réchauffeurs pour procédés chimiques

Systèmes de combustion de biomasse

Fours pour le traitement des métaux

Ces applications produisent généralement des flux d’échappement de condensats acides agressifs qui sont incompatibles avec les équipements classiques de récupération de chaleur métallique.

Conclusion:
L'échangeur de chaleur en PTFE offre une option robuste et résistante à la corrosion pour récupérer la chaleur perdue des flux de gaz de combustion acides. L'échangeur permet la condensation directe de l'humidité sur des tubes en PTFE chimiquement inertes avec collecte de chaleur sensible et latente, et une résistance sûre aux agressions de l'acide sulfurique et chlorhydrique.

L'énergie récupérée est fournie à l'air de combustion entrant, réduisant ainsi la consommation de carburant et augmentant l'efficacité thermique globale. Bien entendu, les exigences de conception telles qu'un bon drainage des condensats, un nettoyage périodique du côté de la coque et une gestion prudente de la température restent importantes, d'autant plus que le PTFE est limité à une utilisation continue en dessous d'environ 110 degrés.

Dans des conditions de cheminée corrosives où les économiseurs conventionnels sont sujets aux assauts acides des extrémités froides, la technologie PTFE convertit un processus de condensation dommageable en une source bénéfique d'énergie récupérable. La voie vers une réduction de la consommation de carburant et des émissions de carbone s’appuie de plus en plus sur des matériaux capables de résister aux aspects les plus chimiquement agressifs du secteur des procédés thermiques.