I. La valeur d’application fondamentale des préchauffeurs d’air à basse température
Le préchauffeur d’air à basse température (ou échangeur de chaleur air‑air) de la chaudière, en tant qu’équipement essentiel situé à la sortie des fumées, joue un rôle central dans la récupération de la chaleur résiduelle des gaz de combustion, dont la température se situe entre 120 et 180 °C, afin de chauffer l’air de combustion. Cela permet d’accroître le rendement thermique de la chaudière de 3 % à 5 % et de réduire la consommation de charbon standard de plus de 1 000 tonnes par an. Toutefois, son environnement d’exploitation est confronté à deux défis majeurs :

Corrosion à basse température : le SO₃ contenu dans les fumées se combine avec l’eau pour former de l’acide sulfurique, qui se condense et corrode les surfaces d’échange thermique situées en dessous du point de rosée acide (130–160 °C).

Accumulation de cendres et de dépôts d’écailles : le NH₄HSO₄, formé par le dérapage d’ammoniac dans le système de dénitrification (fondant entre 146 et 207 °C), adhère aux cendres volantes, entraînant une forte augmentation de la perte de charge et obligeant l’unité à fonctionner à une charge réduite.

II. Principe de fonctionnement et processus dynamique du préchauffeur d’air à basse température
(1) Composants structurels de base
Le préchauffeur d’air à basse température est principalement composé de modules d’échange thermique, d’un système de guidage du fluide caloporteur, de dispositifs d’étanchéité et d’éléments de commande auxiliaires.

Module d’échange thermique : Il utilise généralement des composants tubulaires — tels que des tubes émaillés, des tubes en acier ND ou des tubes à ailettes — ou des éléments de type plaque afin de former un canal d’écoulement dense, augmentant ainsi la surface de contact entre les fumées et l’air.

Système de guidage du fluide : comprend les conduits d’entrée et de sortie des fumées, ainsi que les conduits d’entrée et de sortie de l’air ; la direction et le débit du fluide sont régulés par des volets.

Dispositif d’étanchéité : Comprend des joints radiaux et axiaux (tels que des bandes d’étanchéité flexibles) afin de minimiser les fuites croisées entre l’air et les gaz de combustion.

Des composants auxiliaires, tels que les nettoyeurs de suie à vapeur, les conduits de recirculation d’air chaud et les capteurs de surveillance des fuites d’ammoniac, garantissent la stabilité du fonctionnement.

(II) Processus opérationnel central (en prenant l’échangeur d’air à basse température tubulaire comme exemple)
Échange de chaleur côté fumées : Les fumées à basse température, comprises entre 120 et 180 °C, évacuées à la sortie de la chaudière, circulent dans le circuit externe de l’échangeur d’air, le long de l’extérieur des tubes d’échange. Au cours de ce processus, la chaleur des fumées est transférée à travers les parois des tubes vers l’air froid situé à l’intérieur, faisant baisser sa température à 100–120 °C (avant d’atteindre le point de rosée acide, il doit être réchauffé par recirculation d’air chaud). Enfin, les fumées sont aspirées par le ventilateur de tirage induit et acheminées vers le système de désulfuration.

Échange thermique côté air : L’air froid à température ambiante (20–30 °C), fourni par le ventilateur d’alimentation, pénètre dans le côté enveloppe du préchauffeur d’air, où il échange de la chaleur avec les parois des tubes. Après avoir vu sa température s’élever à 80–120 °C, il est acheminé vers la chambre de combustion de la chaudière en tant qu’air de combustion, ce qui améliore l’efficacité de la combustion du combustible.

Étanchéité et contrôle des fuites : En service, les joints d’étanchéité ajustent automatiquement leur jeu en fonction des variations de température du rotor (pour les préchauffeurs d’air rotatifs) ou du carter (pour les préchauffeurs d’air tubulaires), maintenant un jeu compris entre 3 et 5 mm. Cela permet de réduire au minimum les fuites de gaz de combustion à haute température vers le côté air froid (avec un taux de fuite cible inférieur ou égal à 5 %), évitant ainsi une augmentation des pertes thermiques.

Nettoyage dynamique des cendres et prévention de la corrosion : Lorsqu’une augmentation de la résistance des fumées est détectée — par exemple en raison d’un colmatage causé par les cendres —, le nettoyeur à vapeur s’active et utilise de la vapeur à haute pression (0,8–1,2 MPa) pour éliminer les cendres volantes et les dépôts de NH₄HSO₄ présents sur les surfaces des tubes d’échange thermique. Si le pH du condensat descend en dessous de 5,5 (ce qui indique une acidité excessive), le système de recirculation d’air chaud se met automatiquement en marche, acheminant de l’air chaud à plus de 180 °C depuis l’extrémité chaude vers l’extrémité froide afin d’élever la température des fumées au‑dessus du point de rosée acide (≥160 °C), prévenant ainsi la condensation d’acide sulfurique et la corrosion.

(3) Mécanisme de régulation adaptative sensible aux conditions
Fonctionnement à forte charge (charge unitaire ≥ 80 %) : le débit des fumées et la demande en air augmentent de manière concomitante, tandis que les fréquences des ventilateurs de tirage forcée et de tirage induit sont relevées afin de maintenir une vitesse moyenne stable. Dans ces conditions, le NH₄HSO₄ tend à rester à l’état fondu, ce qui impose de réduire l’intervalle de soufflage de suie à la vapeur à une fois toutes les 6 heures.

Réduction de la pointe de charge à faible charge (charge unitaire ≤ 50 %) : la température des fumées diminue ; la vanne automatique à clapet est activée pour fermer certaines voies d’écoulement d’échange thermique non essentielles (comme dans l’exemple de la centrale thermique de Xilin), réduisant ainsi le débit d’air froid. Parallèlement, la recirculation d’air chaud est mise en service afin de maintenir la température des fumées à l’extrémité froide supérieure ou égale à 140 °C, prévenant ainsi la corrosion et l’encrassement par les cendres.

Changement de combustible (par exemple, passage du charbon à forte teneur en soufre au charbon à faible teneur en soufre) : réduit la formation de SO₃, ce qui permet de diminuer la fréquence de la recirculation d’air chaud ; toutefois, il convient de maintenir la surveillance du débit d’ammoniac résiduel (objectif ≤ 2 ppm) afin d’éviter des fluctuations du système de dénitrification susceptibles de provoquer un dépôt de cendres.

III. Solutions techniques clés et flux de travail d’application (gestion du cycle complet)

(1) Diagnostic à un stade précoce : localisation précise de la lésion

Suivi des paramètres : Surveiller en continu, pendant 72 heures consécutives, la température des fumées, le taux de fuites d’air, la concentration en SO₃ et le dérapage d’ammoniac (objectif ≤ 3 ppm) ;

Inspection des composants La profondeur de corrosion des composants de l’extrémité froide est évaluée par inspection endoscopique, tandis que la mesure d’épaisseur par ultrasons est utilisée pour déterminer la durée de vie résiduelle.

Analyse de la charge Déterminer la plage de pointe de l’unité de production (par exemple, l’exigence d’un fonctionnement à charge variable entre 30 % et 100 %).

(II) Sélection et conception : adaptation aux exigences opérationnelles

(3) Construction et rénovation : contrôle strict des jalons clés

Remplacement de composant : Le levage mécanique est utilisé pour remplacer les composants corrodés à l’extrémité froide, avec un désalignement en bout de joint inférieur ou égal à 2 mm pour les tubes émaillés.

Mise à niveau du sceau Remplacer le joint rigide conventionnel par un joint flexible roulant, l’entrefer étant maintenu entre 3 et 5 mm ;

Intégration de systèmes : Installer un conduit d’air à fuite chaude afin de fournir de l’air chaud à 180 °C ou plus, depuis l’extrémité chaude jusqu’au module situé à l’extrémité froide.

(4) Débogage et exploitation‑maintenance : garantir la fiabilité opérationnelle à long terme

Mise en service à froid : Tester le débit de fuite d’air (objectif ≤ 5 %) et régler la fréquence d’ouverture/fermeture de la vanne à plaque obturatrice (à faible charge, actionner une fois toutes les 15 minutes) ;

Stratégie d’élimination des cendres : Associer le soufflage à la vapeur (8 heures par cycle) au purgage à l’air chaud afin d’éviter le durcissement du NH₄HSO₄ ;

Surveillance de la corrosion : Effectuer mensuellement un prélèvement et une analyse du pH du condensat ; si la valeur dépasse la limite, mettre en service le système de recirculation d’air chaud afin d’élever la température.

IV. Cas d’application typique : résultats pratiques de la modernisation d’une centrale électrique

Cas 1 : Rénovation visant à économiser l’énergie à la société de production d’électricité Ke You Zhong

Points de douleur avant la rénovation Les préchauffeurs d’air des deux unités de 330 MW présentent un taux de fuite d’air de 18 %, et les ventilateurs de tirage induit affichent une consommation électrique relativement élevée, ce qui entraîne des pertes annuelles en électricité supérieures à 2 millions de kWh.

Solution technique : Le système anti‑encrassement et d’étanchéité coordonnée Nanjing Bowo est mis en œuvre, avec le remplacement des joints souples et l’installation d’un dispositif de purge par air chaud.

Efficacité de la mise en œuvre Le taux de fuite d’air a été réduit à moins de 5 %, ce qui se traduit par des économies annuelles d’électricité de 600 000 kWh et une diminution des coûts de maintenance de 3 millions de RMB par an.

Cas 2 : Modernisation de la flexibilité de la centrale thermique de Xilin

Exigences en matière de rénovation L’unité est tenue d’assurer le suivi de charge entre 30 % et 100 % de la puissance nominale, mais le préchauffeur d’air d’origine souffre d’un dépôt important de cendres aux faibles charges.

Solution technique : Présenter le système de vannes à plaque d’obturation automatisé de l’Université du Kentucky, comprenant trois groupes de vannes fonctionnant en régulation coordonnée afin d’isoler les zones ne comportant pas d’échangeur de chaleur ;

Efficacité de la mise en œuvre La température des fumées est passée de 165 °C à 128 °C, le temps de réponse au lissage des pointes de charge a été réduit de 40 %, et aucune arrêt lié aux cendres n’a été enregistré.

V. Recommandations de sélection et de mise à niveau

1. Compatibilité des carburants : Pour les unités alimentées au charbon à forte teneur en soufre, l’acier ND revêtu d’émail est privilégié ; pour les unités alimentées au gaz naturel, les composants peuvent être simplifiés en aluminium.

2. Collaboration en matière de protection de l’environnement Lorsque l’efficacité de la dénitrification est égale ou supérieure à 85 %, un système de contrôle du débit d’ammoniac (≤ 2 ppm) ainsi qu’un système de prévention du colmatage par les cendres doivent être installés en tant que dispositifs complémentaires.

3. Mise à niveau intelligente Installer une surveillance en ligne de l’humidité des fumées et du taux de corrosion, et la coupler au réglage automatique de la vanne de recirculation d’air chaud.