Cendres et scories : les ennemis du garnissage en installation biomasse

Pourquoi la cendre de biomasse est si agressive

La cendre de biomasse se distingue fondamentalement de la cendre de charbon. Alors que les cendres de charbon se composent majoritairement d'oxydes de silicium et d'aluminium relativement inertes, les cendres de biomasse contiennent de fortes concentrations d'alcalins, en particulier de potassium et de sodium, ainsi que du chlore, du soufre et du phosphore. Aux températures de combustion, ces éléments forment des composés à bas point de fusion qui attaquent le garnissage réfractaire sous forme de phase liquide. L'attaque chimique s'opère par infiltration de la phase fondue dans la structure poreuse du matériau réfractaire, où elle réagit avec les constituants de la matrice et détruit la structure.

Les mécanismes d'attaque en détail

• Infiltration : la scorie liquide pénètre par capillarité dans la porosité ouverte du matériau réfractaire. La profondeur de pénétration dépend de la viscosité de la scorie et de la distribution granulométrique des pores du matériau
• Corrosion : la scorie infiltrée réagit avec les constituants de la matrice du matériau réfractaire et forme de nouvelles phases minérales aux propriétés modifiées. Il en résulte fréquemment des composés de volume supérieur, qui engendrent des contraintes dans la structure
• Érosion : les particules de cendres entraînées dans le flux de fumées agissent comme un abrasif de sablage et enlèvent mécaniquement la surface. Les zones à vitesse d'écoulement élevée et les changements de direction sont particulièrement touchés
• Encrassement : les couches de scorie collées modifient la géométrie du foyer, altèrent le transfert de chaleur et peuvent endommager le garnissage sous-jacent si elles se détachent de façon incontrôlée

Les mesures de protection contre les cendres et les scories

La protection la plus efficace commence par le choix du combustible et la conduite de la combustion. Une qualité de combustible aussi constante que possible, à teneur en cendres connue et maîtrisée, réduit les pointes de sollicitation pour le garnissage. La température de combustion devrait être pilotée de façon à rester si possible sous le point de ramollissement des cendres, ce qui n'est toutefois pas toujours réalisable en pratique. Du côté des matériaux, des réfractaires denses et peu poreux offrent la meilleure protection contre l'infiltration. Contre la corrosion alcaline, les qualités chamotte et andalousite denses et résistantes aux alcalins ainsi que les matériaux à forte teneur en carbure de silicium ont fait leurs preuves ; les briques à haute teneur en alumine tendent en revanche, sous l'action des alcalins, à former des phases expansives qui endommagent la structure. Dans les zones particulièrement critiques, des badigeons spéciaux ou des revêtements céramiques peuvent constituer une barrière supplémentaire contre l'attaque des scories.

Mesures d'exploitation et entretien régulier

Outre le bon choix de matériaux, les mesures d'exploitation sont indispensables. Le retrait régulier des adhérences de scorie, avant qu'elles ne se transforment en dépôts massifs, allonge considérablement la durée de vie. Les inspections thermographiques permettent de détecter tôt les points chauds qui signalent une infiltration avancée. Et une documentation systématique des vitesses d'usure dans les différentes zones fournit la base de données pour l'optimisation continue du concept de matériaux. Chez SBS Refractory Service, nous associons l'expérience de centaines de projets de chambres de combustion à une compréhension approfondie des relations entre matériaux. Nous élaborons ainsi, pour chaque installation, une stratégie individuelle contre les sollicitations spécifiques liées aux cendres.