Contrôle de la combustion dans une chaudière à gaz naturel : rapport air-combustible, excès d’air et analyse de la combustion
Le contrôle de la combustion est l'aspect le plus souvent négligé du fonctionnement des chaudières à gaz. La plupart fonctionnent avec un excès d'air, ce qui entraîne un gaspillage de combustible et une baisse de rendement. Un brûleur bien réglé, avec un rapport air-combustible optimal, permet de réaliser des économies de combustible de 5 à 15 % et de réduire les émissions de CO de 20 à 50 %. Le réglage est simple, mais il exige une grande attention aux détails et des vérifications régulières. Voici la méthode que j'utilise pour contrôler le fonctionnement d'une chaudière à gaz.
Principes de base de la chimie de la combustion
Le gaz naturel est principalement composé de méthane (CH4) et de plus petites quantités d'éthane, de propane et de gaz inertes. La réaction de combustion complète avec de l'oxygène pur est la suivante :
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
En pratique, l'air de combustion est un mélange d'oxygène (21 %) et d'azote (79 %). Le rapport air-combustible stœchiométrique pour le gaz naturel est de 9,5 à 10,5 mètres cubes d'air par mètre cube de gaz, selon la composition de ce dernier. Dans un four, ce rapport est toujours supérieur à la stœchiométrie, car un léger excès d'air est nécessaire pour assurer une combustion complète.
L'excès d'air correspond à la quantité d'air fournie au-delà de la quantité stœchiométrique. Il est exprimé en pourcentage de la quantité stœchiométrique. Par exemple, un excès d'air de 10 % signifie que le rapport air/carburant réel est 1,10 fois supérieur au rapport stœchiométrique.
Pourquoi l'excès d'air est important
Un léger excès d'air est nécessaire pour assurer une combustion complète. En cas de manque d'air, la combustion est incomplète et les gaz d'échappement contiennent du CO et des hydrocarbures imbrûlés. Le CO et les hydrocarbures imbrûlés représentent un gaspillage de carburant et constituent un problème de réglementation.
Un excès d'air absorbe la chaleur de la flamme et l'évacue par l'échappement. La température des gaz d'échappement augmente et le rendement du carburant diminue. L'excès d'air optimal est la valeur minimale permettant une combustion complète avec de faibles émissions de CO.
Pour les brûleurs à gaz naturel, l'excès d'air optimal est de 5 à 10 % pour les brûleurs à haute vitesse et de 10 à 20 % pour les brûleurs atmosphériques à basse vitesse. Les émissions de CO doivent être inférieures à 50 ppm (corrigées à 3 % d'O₂) dans des conditions optimales.
Comment l'excès d'air affecte l'efficacité
Le lien entre l'excès d'air et le rendement est significatif. Passer d'un excès d'air de 20 % à 10 % améliore le rendement énergétique de 3 à 5 %. De 10 % à 5 %, l'amélioration est encore de 1 à 2 %. En dessous de 5 % d'excès d'air, les émissions de CO augmentent rapidement et le risque de combustion incomplète devient un problème de sécurité et de qualité.
Sur une chaudière à gaz de 5 MW fonctionnant 6 000 heures par an, une amélioration de 5 % de son rendement permet d'économiser 250 kW de combustible, soit 1,5 million de kWh de gaz naturel par an. À 0,40 USD le mètre cube, cela représente une économie de combustible de 150 000 à 200 000 USD par an.
Procédure d'analyse de combustion
L'analyse de combustion est réalisée à l'aide d'un analyseur de gaz de combustion portable. Cet analyseur mesure les concentrations d'O₂, de CO, de CO₂, de NO, de NO₂ et la température des gaz d'échappement. L'analyse dure de 30 à 60 minutes par brûleur et la procédure est la suivante :
Démarrez le four et amenez-le à sa température de fonctionnement.
2. Insérez la sonde dans le flux de gaz d'échappement près du brûleur.
3. Enregistrez la composition des gaz de combustion au débit de combustion actuel.
4. Ajustez le rapport air-carburant pour amener l'O2 à la valeur cible.
5. Vérifiez que le CO est inférieur à la limite (généralement 50 ppm corrigé à 3 % d'O2).
6. Répétez l'opération pour chaque cadence de tir dans la plage de fonctionnement.
Pour un brûleur à récupération de chaleur à haute vitesse, la teneur cible en O₂ est de 3 à 5 % (soit un excès d'air de 15 à 25 %). Pour un brûleur à faibles émissions de NOx avec recirculation des gaz de combustion (FGR), la teneur cible en O₂ est de 5 à 8 %. La teneur en CO doit être inférieure à 50 ppm pour une teneur cible en O₂ donnée.
Si le taux de CO dépasse 50 ppm à l'O2 cible, le brûleur nécessite une intervention. Les causes les plus fréquentes d'un taux de CO élevé sont : des orifices de combustion usés (remplacer le brûleur), des orifices de combustion encrassés (nettoyer le brûleur) et un rapport air/combustible incorrect (recalibrer le régulateur de rapport).
Problèmes de combustion courants
Problème 1 : L’excès d’air est trop important. Ce problème se manifeste par une forte concentration d’oxygène dans les gaz d’échappement (supérieure à 5 % pour un brûleur à haute vitesse), une température d’échappement élevée et un faible rendement énergétique. La cause est généralement un mauvais réglage du rapport air/combustible, une fuite au niveau du clapet d’admission d’air ou un brûleur mal aligné. La solution consiste à ajuster le rapport air/combustible, à réparer le clapet d’admission d’air ou à réaligner le brûleur.
Problème n° 2 : Taux de CO trop élevé. Ce problème se manifeste par un taux de CO supérieur à 50 ppm dans les gaz d’échappement, de la fumée et éventuellement de la suie sur la cartouche de combustion. La cause est généralement un rapport air/combustible insuffisant (manque d’air), un brûleur usé ou une entrée d’air obstruée. Pour y remédier, il faut augmenter l’arrivée d’air, remplacer le brûleur ou nettoyer l’entrée d’air.
Problème 3 : Taux de NOx trop élevé. Le symptôme est une concentration de NO supérieure à 100 ppm dans les gaz d’échappement. La cause est généralement un régime de combustion élevé avec un débit de gaz de combustion insuffisant, un brûleur mal aligné ou un réglage d’excès d’air trop important. La solution consiste à installer ou à régler le débit de gaz de combustion, à réaligner le brûleur ou à réduire l’excès d’air.
Problème 4 : Allumage irrégulier. Les symptômes sont une température de four fluctuante, une teneur en O₂ fluctuante dans les gaz d’échappement et un chauffage inégal. La cause est généralement un régulateur de dosage usé, un clapet d’air défectueux ou une pression de gaz fluctuante. La solution consiste à remplacer le régulateur, à réparer le clapet ou à installer un régulateur de pression de gaz.
Systèmes de contrôle du rapport air-carburant
Les systèmes de contrôle modernes des chaudières à gaz utilisent un régulateur à rapport air/combustible limité pour maintenir ce rapport optimal sur toute la plage de fonctionnement. Ce régulateur verrouille les vannes d'air et de gaz de sorte que l'air soit toujours légèrement en avance (ou en retard, selon le type de brûleur) par rapport au gaz. Ceci empêche le brûleur de fonctionner avec un mélange pauvre lors d'une augmentation de la puissance ou avec un mélange riche lors d'une diminution.
Le régulateur de rapport air/carburant utilise un débitmètre de carburant (ou un signal de pression de gaz) et un débitmètre d'air pour calculer le rapport air/carburant réel. Ce rapport est comparé à la valeur cible, et le volet d'admission d'air est modulé pour maintenir cette valeur. Le régulateur dispose également d'une entrée de correction provenant de l'analyseur d'oxygène, qui compense les dérives à long terme du rapport air/carburant.
Un régulateur de rapport air/carburant bien réglé maintient ce rapport à 2 % de la valeur cible sur toute la plage de tir. Un régulateur mal réglé peut dériver de 10 à 20 %, entraînant des pertes d'efficacité et des émissions polluantes.
Réglage annuel de la combustion
MONTE INTELLIGENCE recommande une révision annuelle du système de combustion pour toutes les installations de chaudières à gaz. Cette révision, effectuée par un technicien, comprend : l’analyse de la combustion de chaque brûleur à trois puissances (faible, moyenne et élevée), le calibrage du régulateur de rapport de combustion, l’inspection de l’allumeur et de la sonde de flamme, ainsi que la vérification du registre d’air et de la vanne de gaz. La révision dure de un à deux jours par chaudière et permet généralement de réaliser des économies d’énergie de 3 à 8 % sur les douze mois suivants.
Le coût de la révision est amorti en 1 à 3 mois grâce aux économies de combustible. La révision permet également d'identifier les problèmes de brûleur et de commande susceptibles d'entraîner des arrêts imprévus s'ils ne sont pas corrigés.
Contactez MONTE INTELLIGENCE pour en savoir plus sur le réglage de la combustion.
Pour les acheteurs intéressés par une mise au point du système de combustion de leur fournaise à gaz existante, le service d'ingénierie de MONTE INTELLIGENCE peut planifier une visite et fournir un rapport écrit contenant les résultats des tests et les ajustements recommandés. Visitezwww.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html Pour connaître les spécifications du produit, veuillez contacter helenxu@cnlymonte.com. Pour toute demande d'intervention, veuillez envoyer un courriel à helenxu@cnlymonte.com en indiquant dans l'objet « Réglage de la combustion » et en précisant le type de votre fournaise, le modèle de votre brûleur et le prix actuel du combustible.
