Brevet FR2494814A1 — publié le 19820528

PROCEDE DE NETTOYAGE DES SUeFACEîS D'UNE3 YNST.ALLATION,ENCRAS- SEES PAR DES DEPOTS RESULTANT DE LA CEIBUSTI0N DE MATIERES CARBONEES La présente invention est relative à un procédé de nettoyage des surfaces d'une installation, encrassées par des dépôts incrustants ou non, résultant de la combustion de matières carbonées, applicable sans avoir à arrêter le processus de combustion. L'homme de l'art sait que toute opération de combustion mettant en oeu- vre des matières carbonées, qu'elles soient à l'état gazeux, liquide ou solide, s'accompagne généralement, d'une part, de l'émission de gaz plus ou moins chauds, d'autre part, de la formation de produits miné- raux non combustibles et de produits carbonés imbrulés. Ces produits sont plus ou moins entraînés dans les circuits o sont véhiculés les gaz et ils peuvent soit se déposer à leur surface, soit réagir chimiquement avec les matériaux constitutifs desdites surfaces, soit, en raison de la température élevée et de leur composition, fondre et adhérer à ces der- nières. On a ainsi création de dépôts plus ou moins incrustants. Ces dépôts encrassent les surfaces avec lesquelles ils sont en contact et ceci peut avoir des conséquences fâcheuses lorsque ces surfaces sont, comme dans le cas de générateurs de chaleur, celles d'échangeurs char- gées de transmettre un flux thermique à un fluide circulant de l'autre côté des surfaces. En effet, ces dépôts diminuent le coefficient de transfert de la surface et conduisent à une réduction de rendement calo- rifique des installations nécessitant parfois leur arrêt. Il s'avère donc nécessaire de procéder périodiquement au nettoyage de ces surfaces encrassées, afin de supprimer ces dépôts, ou tout au moins, d'en limiter la quantité à une valeur acceptable. Il est de pratique courante d'effectuer ce nettoyage par insufflation sur la surface à nettoyer d'un fluide sous pression tel que vapeur, eau ou air, qui agit à la fois ou séparément comme agent de refroidissement provoquant une rétraction des dépôts et comme agent mécanique assurant leur désagrégation. 24948 14 Mais, ce procédé requiert l'utilisation de circuits de fluide sous une pression de plusieurs dizaines de bars et s'applique aux seules surfa- ces qui peuvent être atteintes directement par le jet de fluide, écar- tant de ce fait son application aux installations présentant des cir- cuits à chicanes. Par ailleurs, un tel procédé est en général mis en oeuvre en dehors de tout processus de combustion, c'est-à-dire l'installation arrêtée; dans le cas contraire, il faut recourir à des têtes de soufflage con- çues de façon à pouvoir être exposées à l'action de gaz chauds plus ou moins corrosifs sans se détériorer. Un autre procédé classique et, sans doute, d'une certaine efficacité, consiste à laver les surfaces encrassées niaison se heurte alors au pro- blème des dépôts qui se dissolvent mal ou qui donnent naissance à des solutions acides conduisant à la corrosion et à la destruction des ma- tériaux constitutifs de l'installation. L'inconvénient réside également dans le fait qu'il faut inévitablement arrêter l'installation à netto- yer pendant un intervalle de temps assez prolongé, ce qui cause d'im- portantes pertes de productivité dans le cas o celle-ci fait partie d'une unité de fabrication travaillant en continu. L'homne de l'art sait également qu'il peut résoudre ce problème de net- toyage par un grenaillage des surfaces de l'installation. Toutefois, une telle solution ne trouve son application que dans des installations de constitution particulière et disposées de façon convenable. D'o l'intérêt très limité de ce type de procédé. On peut également faire appel au nettoyage chimique consistant, par exemple, à imbiber les surfaces à nettoyer d'une solution d'amnoniaque pour neutraliser l'anhydride sulfurique présent dans les dépôts à élimi- ner. Cette méthode entraîne toutefois les mêmes inconvénients que ceux cités plus haut. C'est pourquoi, la demanderesse, soucieuse d'apporter sa contribution à un problème d'autant plus important que les économies d'énergie et, donc, larecherche du rendement maximum des échangeurs de chaleur, constituent aujourd'hui pour les industriels un objectif primordial, a cherché et -3- mis au point un procédé de nettoyage et d'entretien en état de propre- té des surfaces encrassées par les dépôts résultant de la combustion de matières carbonées, tel qu'il soit applicable sans avoir à arrêter en général le processus de combustion dans l'installation, c'est-à-dire sans perturber la marche des unités de production qui sont sous sa dépendance. Ce procédé présente également les avantages suivants: il permet de nettoyer les dépôts les plus adhérents sur des surfaces d'accès difficile sans recourir à l'utilisation de solutions de lava- ges créatrices de phénomènes de corrosion ou de dispositifs consoimmant des quantités d'énergie rédhibitoires et sans modification ou adapta- tion particulière de l'installation à nettoyer. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on injecte dans l'installation au moins un corps susceptible de réagir chimiquement avec les dépôts carbonés et minéraux qui encrassent les surfaces et que l'on déplace les particules résultant des réactions chimiques par mise en phase avec des ondes acoustiques aériennes afin de provoquer leur entraîne- ment par le flux d'air ou de gaz de combustion ou de leur chute vers les cendriers de l'installation. Ainsi, le procédé de nettoyage est caractérisé,d'abord, en ce que l'on injecte dans l'installation au moins un corps susceptible de réa- gir chimiquement avec les dépôts carbonés et minéraux résultant de la combustion des matières carbonées. La réaction chimique doit conduire, le plus généralement, à l'oxydation des dépôts. Dans le cas des dépôts carbonés, il y a combustion, donc, destruction desdits dépôts; dans le cas desdépôts minéraux, il se pro- duit une réaction d'oxydation conduisant à une augmentation de volume, et, donc à la désagrégation des structures cristallines des dépôts. Mais, cette destruction des structures peut également être induite par des réactions chimiques du type réactions de décomposition et/ou des réactions de substitution. La réaction chimique doit aussi pouvoir se produire dans des conditions de chimie des hautes températures. Du point de vue nature du corps injecté, la demanderesse utilise, de préférence, un oxydant et notamment un nitrate, ou encore un mélange de nitrates tels que le nitrate de potassium et le nitrate d'ammonium lesquels, lorsqu'ils sont utilisés en solution aqueuse, ont une concen- tration de l'ordre de 200 à 300 g/litre. Dans certains cas, il est préférable, pour empêcher toute corrosion, d'amener ces solutions à un pH supérieur à 9. en y ajoutant de l'ammo- niaque ou tout autre corps susceptible de stabiliser le pH des dépôts. Par ailleurs, le corps injecté contient toujours les inhibiteurs de corrosion nécessaires pour éviter les attaques chimiques sur les maté- riaux constitutifs du système. On peut, également, utiliser des corps susceptibles d'induire les réactions de neutralisation et/ou de substi- tution. Le choix des constituants du corps injecté et des quantités du corps injecté tiennent également compte des réglementations en matière de pollution atmosphérique. De préférence, on met en oeuvre le corps à l'état divisé afin d'obtenir la surface de contact la plus grande possible avec les dépôts carbonés et minéraux et, par suite, une réduction chimique accélérée. Cet état de division peut être encore augmenté en injectant le corps sous forme d'une solution qui est atomisée au moyen d'atomiseurs ultra- soniques ou de tout autre moyen susceptible d'assurer une dispersion convenable et dont le nombre et la situation géographique sont essentiel- lement fonction de la structure de l'installation à nettoyer. Miis, ils sont généralement placés de façon que le nuage de corpuscules qu'ils produisent n'entre pas en contact avec la flamme résultant de la combus- tion des matières carbonées. Les atomiseurs peuvent être installés spé- cialement pour l'opération de nettoyage ou de façon permanente sur les ouvertures existantes de l'installation, par exemple sur les regards. Le corps peut être injecté en continu pendant toute la période de net- toyage ou de façon programmée. Ainsi, sous l'action de cette injection au sein de la zone chaude de l'installation, le corps pulvérisé et en- traîné par les gaz résultant de la combustion est rapidement mis en contact avec les dépôts carbonés et minéraux sur lesquels il réagit en provoquant leur combustion ou la réaction chimique désirée. Ces réac- tions entraînent leur fine fragmentation qui favorisera leur déplace- ment ultérieur sous l'action des ondes acoustiques. Le système à nettoyer étant en marche normale pendant l'injection du 2 494814 -5- corps, les températures auxquelles se produisent les réactions sont comprises entre 300 et 1000'C et ces réactions sont donc très rapides et même font appel à la chimie des hautes températures. La deuxième caractéristique de l'invention consiste donc à déplacer les particules résultant des réactions chimiques afin de provoquer leur entraînement dans le circuit des gaz de combustion ou leur chute vers les cendriers de l'installation. Cette mise en mouvement des particules est obtenue par leur mise en phase avec des ondes acoustiques aérien- nes, générées par des sources de vibrations sonores. Ces sources émet- tent des vibrations de fréquences audibles de 250 Hertz, par exemple. C'est dans le domaine de fréquences audibles que les sources sonores sont les plus efficaces pour le but recherché, mais il est -possible de recourir à des sources - infra ou ultra-sonores pour certains dépôts. Du point de vue puissance, une gamme comprise entre 100 et 200 décibels par source doit être mise en oeuvre. Ces sources doivent être à des emplacements judicieusement choisis en fonction des caractéristiques de l'installation, de la nature, de la situation géographique et de la quantité des dépôts à éliminer. Elles sont plus ou moins éloignées les unes des autres en fonction de leur rayon d'action. Leur conception doit être telle qu'elles peuvent suppor- ter des températures allant jusqu'à 1000'C sans se détériorer. Elles sont placées sur l'installation au moment du nettoyage ou restent à de- meure. Ainsi, sous l'action combinée du corps injecté et des ondes acoustiques, les dépôts qui encrassent les surfaces de l'installation, se trouvent réduits à une masse plus ou moins pulvérulente de particules qui est, soit entraînée par les gaz résultant de la combustion et arrêtée éventuellement par des électrofiltres, soit redéposée en certains en- droits de l'installation, par exemple dans les parties basses de l'ins- tallation o elle ne gêne pas les échanges thermiques et pourra être récupérée à tout moment ou lors d'un arrêt de l'installation suivant la conception de cette dernière. La présente invention est illustrée par les dessins qui accompagnent la demande. Ces dessins représentent différents types d'installation sus- 24948 1 4 -6- ceptibles de recevoir application du procédé revendiqué. La figure 1 concerne une chaudière de grande puissance. La figure 2 concerne une chaudière de petite puissance. La figure 3 concerne un four de raffinerie. La figure 1 représente, de façon schématique, une coupe verticale d'une chaudière de grande puissance (1) équipée d'un brûleur (2) émettant une flamme (3) générant des gaz chauds qui circulent suivant le sens des flèches (4), accompagnés par des produits carbonés et des produits mi- néraux qui viennent se déposer sur les surfaces (5) des quatre échan- geurs (6). Quatre pulvérisateurs (7) disposés en différents endroits de la chaudière injectent le corps susceptible de réagir chimiquement avec les dépôts qui encrassent les surfaces tandis que cinq sources sonores (8) ont été placées sur chacune des deux faces latérales de l'installa- tion, parallèles à l'axe du brûleur. La figure 2 représente une coupe verticale d'une chaudière acier de petite puissance (9) pour la production d'eau chaude ou de vapeur équi- pée d'un brûleur (10) émettant une flamme (11) d'o résultent des gaz qui circulent suivant le sens des flèches (12) en abandonnant une par- tie des produits solides qui les accompagnent sur les surfaces d'échan- ge (13). Pour appliquer le procédé, on a placé trois injecteurs (14) tandis qu'une source sonore (15) a été mise en place entre les deux faisceaux tubulaires de l'installation. La figure 3 représente une coupe verticale d'un four (16) de raffinerie consommant 70 tonnes de fuel lourd par jour. Ce four est équipé de trois brûleurs (17) qui émettent des flammes (18) dans chacune des trois cel- lules de radiation (19). Les gaz de combustion circulent suivant le sens des flèches (20) et laissent déposer une partie des particules en sus- pension qu'elles entraînent sur les surfaces des échangeurs (21). Trois pulvérisateurs (22) ont été disposés près de chacun des brûleurs, et un quatrième, à la sortie ces cellules de radiation, tandis que sept sour- ces sonores (23) ont été placées pour trois d'entre elles sur une des parois latérales de l'installation au niveau des celliules et, pour les quatre autres, au niveau des échangeurs (21). -Pour mieux faire comprendre l'invention, on décrit maintenant deux exem- 2 4948 14 -7- ples d'application de l'invention. EXEMPLE 1. Une chaudière classique à eau surchauffée, d'une puissance calorifique de 10 thermies par heure, chauffée au charbon, en service permanent, a été traitée pendant la marche suivant le procédé de l'invention pour nettoyer à la fois les zones de radiation et d'échange de chaleur. Le processus a été le suivant: on a injecté 200 litres d'une solution contenant 155 g/l de nitrate d'ammonium et 135 g/il de nitrate de potas- sium, amenée par addition d'ammoniaque à un pH voisin de 9,3 et ce, pendant une durée de 60 minutes en quatre périodes de 15 mn avec un ar- rêt de 30 mn entre chaque injection. Pendant la durée de l'injection, le tirage de la chaudière a été réduit au minimum afin d'éviter des pertes de corps par la cheminée et quatre sources sonores installées sur les parois de la chaudière ont été mises en action pendant 10 secondes toutes les 15 minutes suivant une fréquen- ce de 250 Hz et une intensité de 140 décibels. Ces sources étaient main- tenues en service pendant 24 heures après la fin de l'injection pour parfaire le nettoyage. Les particules qui se sont détachées des surfaces ont été entraînées par le flux des gaz de combustion et arrêtées par un électrofiltre. Le rendement thermique de la chaudière qui avait chuté à 85 % de la nor- male était redevenu voisin de 98 % après traitement. EXEMPLE 2. Un four de raffinerie du type représenté sur la figure 3 consommant 300 tonnes de fuel lourd par jour, en service depuis plus de six mois a été traité par le procédé de l'invention pour assurer le nettoyage des cel- lules de combustion et des échangeurs. Pour celà, on a injecté en cinq périodes de 30 minutes, séparées par des périodes de repos de 30 minutes, 5000 litres d'une solution contenant 115 g/l de nitrate d'ammonium et g/l de nitrate de potassium amenée à un pH de 9,3 par addition d'am- moniaque. A la suite de chaque période d'injection, on mettait en action pendant secondes, sept sources sonores réparties suivant la figure 3. Après entraînement des particules par les fumées ou leur dépôt dans le bas de l'installation, le rendement thermique de l'installation, qui avait chuté à 80 'O, est repassé à 95 tô de la normale habituelle. -8- Ce procédé trouve son application dans le nettoyage des surfaces d'ins- tallations telles que, notamment, chambres de combustion de chaudières, échangeurs de chaleur tournants ou statiques, conduits et gaines de fu- mées, filtres électrostatiques et sur lesquelles on veut intervenir sans avoir à arrêter le processus de combustion et maintenir un rende- ment calorifique maximum de manière à réaliser d'importantes économies d'énergie. 24948 14 -9- REVENDICATIONS 1 / - Procédé de nettoyage des surfaces d'une installation, encrassées' par des dépôts résultant de la combustion de matières carbonées, carac- térisé en ce que l'on injecte dans l'installation au moins un corps susceptible de réagir chimiquement avec les dépôts carbonés et minéraux qui encrassent lesdites surfaces et que l'on déplace les particules ré- sultant des réactions chimiques par mise en phase avec des ondes acous- tiques aériennes, afin de provoquer leur entraînement par le flux d'air ou de gaz de combustion ou leur chute vers les cendriers de l'installa- tion. / - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on in- jecte au moins un corps susceptible de donner avec les dépôts à élimi- ner des réactions de décomposition et/ou de substitution. / - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en jecte au moins un corps réagissant dans les conditions hautes températures. / jecte Procédé selon la revendication 1, caractérisé en au moins un corps oxydant. ce que l'on in- de chimie de ce que l'on in- / - jecte / - jecte Procédé selon la revendication 1, caractérisé en un mélange de nitrate de potassium et de nitrate Procédé selon la revendication 1, caractérisé en le corps sous forme d'une solution. ce que l'on in- d'ammonium. ce que l'on in- 7 / - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on in- jecte une solution aqueuse contenant 200 à 300 g/l de nitrate. 8 / - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la solu- tion aqueuse est amenée à un pH supérieur à 9 par addition d'ammonia- que ou tout autre corps susceptible de stabiliser le DlH des dépôts. 9 / - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on in- jecte le corps niélangé à des inhibiteurs de corrosion. 2 494814 / - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on in- jecte le corps à l'état divisé. 11 / - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on in- jecte le corps en dehors des zones de combustion. 12 / - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en phase des particules est réalisée avec des ondes de fréquences audi- bles. / - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les on- des acoustiques sont émises par des sources de vibrations sonores ayant chacune une puissance comprise entre 100 et 200 décibels. 14 / - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les sour- ces de vibrations sonores supportent des températures allant jusqu'à 10000C.