Brûleur micro-modulant

Les besoins de vapeur des industriels sont très dépendants de la production. Or, on constate depuis quelques années que ces besoins de production sont très variables. De ce fait, les chaudières sont sollicitées sur une large plage de fonctionnement. Les fabricants de brûleurs ont donc développé des brûleurs capables de fonctionner sur une large plage de modulation, tout en maintenant les performances énergétiques et environnementales : les brûleurs micro-modulants.

Lors de faibles demandes de vapeur, les brûleurs classiques enchainent des cycles d’arrêt/redémarrage fréquents, ce qui a pour conséquence une perte de rendement parfois non négligeable ainsi qu’une usure prématurée de la chaudière.

Si les brûleurs modulants classiques ne peuvent descendre en dessous d’un taux de modulation (plage de variation de la puissance du brûleur entre son nominal et son minimum technique) de 1 à 3, les brûleurs micro-modulants permettent une plage étendue, de 1 à 5 pour des puissances inférieures à 2 MW, et généralement de 1 à 8 pour les autres. Certains fabricants proposent également des équipements avec des taux de modulation de 1 à 12, voire plus.

Les brûleurs micro modulants sont équipés d’une came électronique ou numérique et d’une régulation de la teneur en oxygène des produits de combustion,

En fonction de la valeur de l’écart entre la mesure et la consigne de pression de vapeur, le régulateur, via la came, ajuste les débits d’air et de gaz, au moyen des organes de régulation (volet d’air, vanne de gaz et, bien souvent, un variateur de fréquence sur le ventilateur d’air). La sonde d’oxygène, placée dans le conduit de fumées, permet d’optimiser ce réglage.

Ainsi, les brûleurs micro-modulants permettent un fonctionnement optimal sur toute la plage de fonctionnement du brûleur, même à de faibles taux de charge, tant en matière de stabilité de flamme que d’hygiène de combustion (limitation de l’excès d’air et des émissions polluantes).

Optimisation de la consommation d’énergie

• Fonctionnement à faibles taux de charge : Lorsque les besoins diminuent, le brûleur reste en fonctionnement, limitant les pertes énergétiques, et une usure prématurée de la chaudière.
• Optimisation de la combustion : La régulation d’oxygène permet de maintenir un excès d’air minimum, sans production de CO. De ce fait, les rendements de combustion atteints sont à des niveaux supérieurs à ceux des brûleurs modulants traditionnels.

Respect des valeurs limites d’émission d’oxydes d’azote (NOx)

Les fabricants veillent à ce que l’élargissement de la plage de modulation soit compatible avec une réduction des émissions de NOx, ceci afin de respecter les valeurs limites d’émissions imposées par la réglementation environnementale.

Equipement éligible au dispositif des Certificats d’Economie d’Energie

Financement possible d’une partie de l’équipement grâce aux CEE, sous réserves d’éligibilité de la solution et du site. Jusqu’à une puissance de chaudière de 20 MW, la mise en place d’un brûleur micro-modulant permet de bénéficier des Certificats d’Economie d’Energie (voir ci-après).

Comme tout équipement thermique, le bon dimensionnement du brûleur est primordial. Il doit être le résultat d’une étude spécifique, qui devra tenir compte des caractéristiques de l’installation et de l’établissement :

• Caractéristiques de la chaudière à équiper : puissance, dimensions du foyer…
• Besoins de vapeur : débit maximal et minimal, courbes de charges…
• Modes de fonctionnement du site
• Obligations réglementaires : rendements, rejets atmosphériques, émissions sonores…

Pour les applications industrielles, les brûleurs micromodulants sont disponibles à partir de puissances de l’ordre de 500 kW jusqu’à plusieurs MW.

Installation

• Installation sur chaudière existante : La mise en place d’un brûleur micro modulant sur une chaudière existante est d’autant plus intéressant que le taux de charge moyen est faible (inférieur à 40%). L’adaptation pourra éventuellement nécessiter une modification de la jonction brûleur/corps de chauffe et des composants de l’armoire électrique.
• Installation sur chaudière neuve : ​​​​​L’installation sur chaudière neuve est aujourd’hui quasiment systématique. Les fabricants et équipementiers annoncent des ventes de plus de 90% du marché en installation neuve pour des chaudières d’une puissance supérieure à 10 t/h.

Maintenance

Par rapport à un brûleur modulant standard, un brûleur micro-modulant ne nécessite pas de maintenance particulière.

Seul le temps de réglage de la combustion peut être légèrement plus long lors des visites périodiques.

Etabli à partir de données « fabricant », le graphique suivant présente le coût moyen d’investissement, hors pose, pour des brûleurs équipant des chaudières vapeur de 5 à 20 t/h.

Ces coûts sont donnés pour un brûleur livré avec sa rampe gaz.

Dans le cas d’un remplacement de brûleur existant, le coût d’installation est difficile à estimer tant il dépend des caractéristiques de la chaudière et des équipements présents en chaufferie (armoire électrique notamment).

La fiche IND-UT-105 relative à l’installation d’un brûleur micro-modulant sur chaudière industrielle précise les conditions nécessaires pour prétendre au dispositif des CEE :

• Puissance chaudière < 20 MW
• Mise en place par un professionnel
• Plage de modulation minimale
  • De 1 à 5 par came électronique pour une chaudière de puissance utile nominale ≤ 2 MW
  • De 1 à 8 par came électronique pour une chaudière de puissance utile nominale > 2 MW

Les CEE sont calculés selon le mode de fonctionnement du site comme indiqué dans le tableau suivant :

Ainsi, pour une chaudière vapeur de 10 MW (environ 13,5 t/h), implantée sur un site fonctionnant en mode 3 x 8h avec arrêt week-end, le nombre de kWh cumac est 10 000 kW x 1 600 = 16 GWh cumac.

Pour estimer le montant financier correspondant, il suffit de multiplier cette valeur par le prix moyen des CEE. En mars 2019, le prix moyen étant de 7,67 €/MWh cumac, le montant récupérable était estimé à 122 k€. Cette aide financière permet d’avoir un retour sur investissement intéressant.

Réglementation

Installations Classées pour la Protection de l’Environnement

Si la puissance de l’installation est supérieure ou égale à 1 MW, celle-ci est soumise à la réglementation des installations classées pour la protection de l’environnement (ICPE), et notamment l’un des arrêtés du 3 août 2018 relatifs aux rubriques 2910 et 3110. Ces arrêtés fixent notamment les valeurs limites d’émissions de polluants à ne pas dépasser pour les appareils de combustion.

Pour les installations fonctionnant au gaz naturel, les arrêtés sont les suivants :

• Arrêté du 3 août 2018 relatif aux prescriptions générales applicables aux installations classées pour la protection de l'environnement soumises à déclaration au titre de la rubrique 2910
• Arrêté du 3 août 2018 relatif aux prescriptions générales applicables aux installations relevant du régime de l'enregistrement au titre de rubrique 2910 de la nomenclature des installations classées pour la protection de l'environnement
• Arrêté du 3 août 2018 relatif aux installations de combustion d'une puissance thermique nominale totale inférieure à 50 MW soumises à autorisation au titre des rubriques 2910, 2931 ou 3110
• Arrêté du 3 août 2018 relatif aux installations de combustion d'une puissance thermique nominale totale supérieure ou égale à 50 MW soumises à autorisation au titre de la rubrique 3110

Dans le cas où le site dispose d’un arrêté préfectoral d’autorisation d’exploiter, celui-ci reprend généralement les prescriptions de l’arrêté concerné.

Efficacité énergétique

Le Code de l’Environnement (Article R224-20 à 224-41.3) impose à tout exploitant d’une chaudière d’une puissance nominale utile supérieure à 400 kW et inférieure à 20 MW, de procéder à une mesure périodique du rendement caractéristique et des émissions de polluants.

La mesure du rendement est à réaliser à chaque remise en route de la chaudière, et à minima tous les trois mois. Elle devra être supérieure ou égale à la valeur limite définie à l’article R224-23.

De plus, le Code de l’Environnement impose un contrôle de l’efficacité énergétique de la chaudière par un organisme accrédité tous les deux ans. L’objet de ce contrôle est de :

• Mesurer le rendement caractéristique et vérifier le respect de la valeur limite
• Contrôler la présence et le bon fonctionnement des appareils de contrôle imposés à l’article R224-26
• Mesurer les émissions d’oxydes d’azote

Pour plus d’informations :

• Code de l’Environnement – Article R224-20 à 41-3
• Arrêté du 02/10/09 relatif au contrôle des chaudières dont la puissance nominale est supérieure à 400 kilowatts et inférieure à 20 mégawatts

Normes

• Norme NF EN 676 relative aux brûleurs à air soufflé pour combustibles gazeux
• Norme NF EN 298 : Systèmes automatiques de commande pour brûleurs et appareils utilisant des combustibles gazeux ou liquides
• Normes NF EN 12953-7 relatives aux exigences pour les équipements de chauffe pour combustibles gazeux et liquides

Le brûleur micro-modulant est une technologie mature, préconisée depuis plusieurs années dans tous les secteurs industriels consommateurs de vapeur. Il est proposé dans les catalogues de la majorité des fabricants et fournisseurs de brûleurs. En voici une liste non exhaustive :

• BABCOCK WANSON
• CUENOD - ELCO
• DREIZLER
• FIVES PILLARD
• FRANCE THERMIQUE
• RIELLO
• SAACKE
• WEISHAUPT

Retrouvez sur le site de GRDF des exemples de réalisations de solutions thermiques performantes fonctionnant au gaz naturel.

Voici 2 exemples d'installation avec brûleur micro-modulant.