Traitement de l’énergie et des déchets

C’est là que la biomasse est introduite dans la chambre de combustion. Les risques incluent l’action thermique (jusqu’à 750 °C), une forte humidité, la gazéification initiale, une atmosphère réductrice et une température modérément basse. Les revêtements adaptés comprennent les briques, les éléments préfabriqués ou les bétons réfractaires. Un système à deux ou trois couches est généralement appliqué : une couche de travail et une ou deux couches isolantes. On utilise surtout des briques à forte teneur en chamotte (45 %+ Al₂O₃), dotées d’une grande résistance mécanique et d’une faible teneur en oxyde de fer.

Cette zone longe la grille de la chaudière. Elle est exposée à des températures très élevées, à des chocs thermiques et à de fortes différences de température du bas vers le haut (200 à 1200 °C). L’abrasion mécanique causée par le déplacement du combustible est un facteur de risque majeur. On y utilise généralement un revêtement à deux couches; les solutions recommandées sont des éléments en béton renforcé préfabriqués et une couche isolante de protection.

La voûte intermédiaire sépare la zone de combustion de la zone d’oxydation finale. Elle permet une combustion complète de la biomasse dans la zone inférieure et oriente le flux des fumées vers la sortie de la chaudière. Elle sépare aussi deux zones thermiques : ~850 °C en dessous et >1200 °C au-dessus. La zone inférieure est plus agressive chimiquement. En raison de ces différences de température, on recommande des produits à base d’andalousite, résistants aux chocs thermiques et à l’abrasion provoquée par le flux gazeux.

Cette zone est soumise à des températures élevées, dépassant souvent le point de ramollissement des cendres. L’atmosphère y est oxydante, favorisant une combustion complète. Des buses d’air secondaire peuvent y être installées pour intensifier le brassage des gaz. La température est d’environ 900 °C au-dessus de la grille et atteint environ 1100 °C après les buses, avec des pics possibles jusqu’à 1400 °C si la biomasse est sèche. Le revêtement peut être constitué de briques cuites ou de bétons réfractaires coulés. Il doit résister aux températures élevées, à l’environnement oxydant et à l’impact des buses.

La zone d’oxydation finale, souvent prolongée par une voûte intermédiaire, est dédiée à la finition de la combustion à très haute température. L’atmosphère reste oxydante pour permettre l’élimination complète des résidus de combustible. On y utilise des produits similaires à ceux de la zone de combustion: briques cuites ou bétons réfractaires coulés. Le profil du revêtement (forme et épaisseur) doit être adapté à la plage de température 950–1200 °C pour garantir la continuité du processus.

Cette zone présente des températures plus basses (650–850 °C) que les zones précédentes, mais une usure mécanique élevée due au frottement causé par le mouvement des matériaux. On y observe également l’oxydation de carbonates résiduels, ce qui influence le comportement du revêtement. Le choix des matériaux vise donc à maximiser la résistance à l’abrasion tout en maintenant la stabilité chimique à ces températures intermédiaire.

À ce stade, la chaleur est transférée de la chambre vers la chaudière de récupération. La sortie de la chambre et l’entrée de la chaudière doivent être de dimensions compatibles pour maintenir le débit et limiter les pertes de charge. On privilégie les revêtements en béton réfractaire pour leur facilité de mise en œuvre. Les températures atteignent encore 1200 °C ; les bétons à haute teneur en alumine (projetés ou préfabriqués) conviennent bien.

La voûte d’allumage est l’un des éléments clés du bon fonctionnement de la chaudière. Elle a pour rôle d’absorber la chaleur de la flamme et de la transférer à la grille située en dessous, afin de sécher et d’enflammer le combustible. Elle est exposée aux produits issus de la gazéification et à l’atmosphère réductrice, ainsi qu’à des montées rapides en température lors du démarrage (jusqu’à 1100 °C). Elle peut être construite à partir d’éléments suspendus, coulée en coffrage ou assemblée à partir de segments préfabriqués. Une voûte défaillante oblige les opérateurs à maintenir la flamme sous l’élément, ce qui nuit à la durée de vie du matériau, à la propreté des fumées et à la performance de la chaudière.

Les boîtes de dérivation de tubes d’écran (trappes d’accès, hublots, capteurs de pression et de température, etc.) doivent être « étanchéifiées » à l’aide de matériaux réfractaires. On utilise généralement des bétons classifiés pour des températures d’au moins 1350 °C.

Les parois de chaudière (avec revêtement lourd) sont exposées à des conditions différentes selon leur emplacement. Dans la chambre de combustion, la température peut atteindre 1100 °C – bien plus que dans le deuxième passage. Ces parois empêchent les fumées de s’échapper et l’air extérieur d’entrer (la chaudière fonctionne en dépression), ce qui préserverait l’efficacité. Elles sont exposées aux fumées, au rayonnement de la flamme et aux dépôts de mâchefer (en cas de combustion sous-optimale).

Cette zone est soumise à des variations thermiques importantes ainsi qu’à l’abrasion causée par le déplacement du combustible. On privilégie ici les briques cuites, plus rarement les éléments en béton préfabriqué. La conception doit prendre en compte les fluctuations de température et l’abrasion, ce qui impose souvent l’emploi de systèmes multicouches. Le revêtement doit présenter une forte résistance mécanique et aux chocs thermiques. En cas de « soufflage localisé », la température peut ponctuellement atteindre 1600 °C.

Le fond à buses est la zone où l’air préchauffé (~220 °C) est injecté par de multiples buses pour fluidiser le lit. L’espace entre les buses est coulé avec du béton réfractaire. L’air est dirigé vers le bas, ce qui entraîne une érosion. Une marche est souvent présente à la jonction avec les parois. Les températures dans cette zone sont relativement basses (~600 °C).

Ces parois sont en contact direct avec le lit fluidisé. On y trouve des brûleurs d’allumage, des entrées de combustible et de sorbant, des retours de matériaux depuis les séparateurs, des trappes d’accès, etc. Le rôle principal du revêtement est de protéger les éléments sous pression de l’abrasion causée par le lit. Les températures ne dépassent pas 900 °C. Aux discontinuités de l’écran, l’épaisseur du béton réfractaire peut être importante, tandis que sur l’écran lui-même, elle se limite généralement à 50–80 mm au-dessus des sommets des tubes. Un réseau dense de fissures peut s’y former – une densité d’ancrage suffisante est essentielle pour garantir la durabilité du revêtement.

Ces conduits relient les séparateurs (dans les chaudières à lit fluidisé circulant – CFB) ou la chambre de combustion (dans les chaudières à lit fluidisé bouillonnant – BFB) à la partie convective de la chaudière. Ils transportent des fumées relativement propres, peu érosives, à des températures comprises entre 850 et 950 °C.

Ces conduits relient la chambre de combustion aux séparateurs dans les chaudières CFB. Ils véhiculent des fumées fortement chargées en particules, très érosives. L’effet d’érosion est accentué par les changements de section qui accélèrent les gaz. Ces conduits peuvent être soit écranés, soit isolés. Dans les conduits écranés, le plafond est généralement projeté (gunitage), le sol est coulé, et les parois peuvent être projetées, coulées ou composées d’éléments préfabriqués. Le revêtement est alors mince. Pour les revêtements minces, on utilise des bétons autonivelants comme PCOCAST BNAB Fl ou MULCAST BN80M Fl. Dans les zones plus épaisses (ex. compensateurs), on préfère des bétons vibrés comme PCOCAST BMAB160 ou PCOCAST BN160AZS – ce dernier pour les conditions les plus exigeantes.

Les cyclones chauds (dans les chaudières CFB) orientent les fumées pré-nettoyées vers la section convective de la chaudière. L’atmosphère y est fortement réductrice et les températures varient entre 850 et 950 °C. Dans les cyclones écranés, le plafond est généralement projeté, tandis que les parois peuvent être coulées, compactées avec des masses plastiques ou fabriquées à partir d’éléments préfabriqués. Le revêtement y est mince. Dans les cyclones isolés, le plafond est également projeté, mais les parois peuvent être maçonnées avec des briques en coin, coulées ou préfabriquées. La couche de travail est plus épaisse, et l’isolation a pour rôle de limiter les pertes de chaleur et de réduire la température du blindage extérieur.

C’est la zone principale où s’effectuent la gazéification et la combustion partielle des déchets. Grâce à la rotation, le revêtement se réchauffe lorsqu’il passe en partie supérieure et transfère ensuite la chaleur au matériau en basculant sur lui. Les exigences envers le revêtement dépendent du procédé: agressivité chimique et température. On utilise généralement un revêtement monocouche composé de briques en coin à haute teneur en alumine, souvent à base d’andalousite ou de corindon. Les zones autour des trappes ou des brûleurs sont revêtues de bétons réfractaires classés pour plus de 1600 °C.

Ces sections servent à accumuler les carbonates et les cendres pour finaliser les processus de gazéification et de combustion avant la sortie du four. Le revêtement réfractaire est composé de briques cuites à haute teneur en alumine (andalousite ou corindon) dans la couche de travail, et de briques chamottées et isolantes dans les couches de protection.

L’avant du four assure l’alimentation du four en matériau ou combustible. Selon le type de procédé (co-courant ou contre-courant), cette zone peut accueillir un brûleur et des buses d’air. La plaque frontale est soumise à des conditions thermiques très variables, à de forts gradients de température et à l’impact des gaz issus de l’évaporation et de la gazéification des déchets. Elle est réalisée à partir de matériaux monolithiques, principalement des bétons coulés à haute teneur en alumine ou des éléments préfabriqués.

C’est une zone clé où les gaz montent vers les étapes suivantes tandis que les fractions plus lourdes – comme les scories, les cendres et les résidus non brûlés – retombent. Les conditions de fonctionnement sont caractérisées par une température modérée (généralement <950 °C) et une atmosphère légèrement oxydante. L’érosion mécanique y est intense à cause du mouvement des matériaux et de la chute des particules lourdes en provenance du cylindre.

C’est la zone de postcombustion des carbonates – résidus solides et carbonés issus de la gazéification et de la combustion. La température n’y dépasse pas 950 °C. Bien que les conditions mécaniques soient sévères (contact intensif avec les solides et flux d’air dynamique), l’environnement chimique est moins agressif – la plupart des composés volatils étant déjà éliminés en amont. Les bétons les plus utilisés sont MULCAST BN50MZr et PCOCAST BNAK160, ce dernier étant recommandé pour les applications exigeant une haute résistance à l’usure et une bonne stabilité dimensionnelle.

C’est ici que l’oxydation s’intensifie. La température est généralement maintenue en dessous de 1000 °C afin d’éviter l’encrassement du revêtement en cas de déficit d’oxygène. Les gaz y sont mélangés avec de l’air tertiaire, ce qui provoque des hausses rapides de température. Les revêtements doivent être constitués de briques ABRAL enrichies en carbure de silicium (SiC) ou de bétons spéciaux BNSiC, reconnus pour leur excellente résistance thermique et chimique, même en atmosphère oxydante à haute température.

Cette zone assure la dernière étape du processus d’oxydation des gaz issus de la combustion des déchets. Elle prolonge le temps de séjour des fumées à haute température et permet leur mélange complet avec l’air secondaire ou tertiaire afin de brûler les composants combustibles résiduels. Les températures peuvent dépasser 1050 °C. Comme dans la zone de combustion, on utilise les briques ABRAL et les bétons BNSiC.

Ces cloisons jouent un rôle essentiel dans la phase finale du processus de combustion. Elles prolongent le temps de séjour des gaz dans les conditions oxydantes et favorisent leur mélange avec l’air secondaire ou tertiaire. Les températures peuvent également dépasser 1050 °C. Des brûleurs à gaz auxiliaires sont souvent activés pour maintenir le profil thermique requis. Compte tenu de ces conditions, on utilise des briques réfractaires à haute teneur en carbure de silicium (SiC), assurant une excellente durabilité thermique et chimique.