Il existe des dizaines de milliers de procédés de combustion en service dans le monde, qui vont des incinérateurs de déchets d'une petite capacité aux très grandes centrales électriques. Des industries aussi différentes que les raffineries, la pétrochimie, l'industrie chimique des produits intermédiaires, la production d'énergie et l'industrie métallurgique utilisent divers fours, chaudières, fours à chaux, réchauffeurs de procédé à combustible, incinérateurs et oxydeurs thermiques dans leurs opérations. Une combustion efficace est indispensable pour optimiser le procédé, garantir la sécurité de l'installation, et plus généralement celle de l'usine, ainsi que pour réduire les émissions de gaz combustibles et à effet de serre indésirables dans l'atmosphère. Il s'agit par ailleurs de réaliser des économies significatives sur les coûts de carburant.

Rien de tout cela ne serait possible si les procédés de combustion ne disposaient d'aucunes mesures fiables du dioxygène (O2 ). Une flamme avec un excès de combustible ou une flamme riche en air est en effet source de gaspillage. Une flamme riche en combustible suscite également des problèmes supplémentaires de sécurité et augmente les émissions de monoxyde de carbone (CO). Dans le cas d'un excès d'air, les conséquences sont un refroidissement excessif qui se traduit par une combustion inefficace et une augmentation des émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de soufre (SOx).

Que ce soit pour un incinérateur de déchets, une raffinerie ou une grande centrale électrique, tous les procédés de combustion mettent en œuvre des fours, des chaudières ou des systèmes de réchauffage. Le contrôle et l'optimisation de la combustion ne peuvent être obtenus que par l'obtention de mesures fiables du dioxygène (O2 )etdumonoxyde de carbone (CO).

Une combustion optimale est obtenue quand le juste excédent d'air est présent pour garantir une combustion complète ( voir figure 1a ). L'objectif de l'industriel est donc d'obtenir un excès d'air le plus faible possible, en conservant toutefois une marge de sécurité. Cette dernière garantira que la combustion ne pourra jamais dépasser le point (seuil) qui correspond au basculement vers un excès de combustible, ce qui se traduit par une élévation de la concentration en CO. Une telle situation s'appliquerait dans un système statique, à savoir un système où le type et/ou la qualité du carburant, les conditions ambiantes et la charge du brûleur ne changent jamais.

Evidemment, dans la réalité, certains paramètres, voire tous en même temps, peuvent changer, entraînant une modification considérable du seuil et, par conséquent, du niveau optimal d'excès d'air, pour garantir une efficacité optimale. La figure 1b montre comment la modification des paramètres peut influencer la courbe d'efficacité de la combustion, en changeant effectivement le point d'efficacité maximum et le seuil. Parmi les facteurs susceptibles d'intervenir sur le seuil, on trouve les changements de la composition et/ou du type de carburant et de sa valeur calorifique, les modifications de sa masse volumique, la variation de charge, les changements de conditions atmosphériques, en particulier l'humidité relative qui va jouer sur l'air utilisé pour la combustion ainsi que l'état des brûleurs (leur encrassement, par exemple) et l'usure générale du système de combustion dans son ensemble.

Contrôler le O2 uniquement, ou le O2 et le CO

Lorsqu'une mesure du dioxygène seule est mise en œuvre pour le contrôle du procédé de combustion, le niveau d'excès d'air idéal du système est normalement déterminé, en premier lieu, grâce à une modélisation ou à partir des données fournies par le fabricant du brûleur ou du four. L'utilisateur fixe ensuite un niveau d'excès d'air légèrement supérieur pour s'assurer la marge de sécurité dont on a parlé auparavant. L'augmentation de l'excès d'air au-delà de la valeur idéale dépend en grande partie de la confiance que l'opérateur a dans l'analyse de O2 .Une mesure fiable et précise de ce paramètre est donc indispensable afin de garantir la meilleure efficacité et le maintien de la sécurité. Si la fiabilité dans la mesure n'est pas totale, la combustion se fait alors généralement avec un excès d'air, ce qui exige du carburant supplémentaire et donc augmente significativement les coûts.

Pour illustrer les coûts entraînés par un procédé de combustion inefficace, on peut s'appuyer sur les estimations suivantes. Le coût supplémentaire en carburant est de 1 % pour chaque tranche de 1,5 % d'excès d'air et de 1 % pour chaque tranche de 0,2 % d'excès de CO. Quand il s'agit de procédés de combustion à grande échelle, ces coûts peuvent donc devenir considérables. Un industriel faisant le choix d'optimiser l'efficacité de son process peut ainsi compter sur l'amortissement des coûts d'achat et d'installation des instruments de mesure en quelques mois de fonctionnement seulement…

Il est de plus en plus fréquent de rencontrer des installations où des mesures de gaz combustibles sont ajoutées à celle de dioxygène dans le but d'améliorer encore l'efficacité et de réduire les émissions atmosphériques. Il s'agit en fait de pouvoir contrôler la compensation de monoxyde de carbone. Ici aussi, il est évident que le point de contrôle idéal (l'efficacité maximale) se situe juste au-dessus du niveau auquel l'élévation de la concentration en CO commence à se produire alors que les conditions de la combustion évoluent vers la région de la flamme riche en combustible. Cette élévation de CO est très rapide et des pics très élevés de CO se produisent alors que le niveau de dioxygène (l'excès d'air) est réduit ( voir figure 2 ). Une mesure de CO supplémentaire, précise et très réactive peut par conséquent être mise en œuvre pour déterminer et contrôler le seuil à partir duquel augmenter, ou diminuer, le niveau d'excès d'air.

Dans de nombreux brûleurs modernes, qui se distinguent par une haute efficacité et un faible niveau de NOx, les niveaux de CO peuvent augmenter très rapidement, passant généralement de moins de 10 ppm(v) [partie par millions en volume] à plusieurs centaines de ppm(v) pour un changement de quelques milliers de ppm(v) seulement dans la valeur de O2 .D'où la nécessité d'obtenir une analyse de CO qui réagisse rapidement pour pouvoir contrôler avec succès le seuil de compensation. Une analyse de CO lente, ou découlée de la mesure de dioxygène conduira à un contrôle de compensation imprécis et à une surcompensation ou une sous-compensation de l'excès d'air et produira aussi des conditions de combustion constamment instables.

D'abord, des analyseurs extractifs

Lorsqu'ils ont voulu optimiser et contrôler la combustion de leur procédé, les premiers industriels ont parfois utilisé des technologies extractives telles que les analyseurs paramagnétiques de O2 et les analyseurs infrarouges non dispersifs ( Non-Dispersive Infrared ou NDIR) de CO.Bien que ces deux technologies offrent d'excellentes performances et une mesure spécifique de CO dans le cas de l'infrarouge non dispersif,de tels systèmes extractifs ne sont pas la solution la mieux adaptée aux applications de combustion.On peut citer différentes raisons à cela, comme la lenteur de la réponse à cause du temps de préparation et de transport des échantillons, le découplage des signaux de O2 et de CO en raison des différences des temps d'échantillonnage ou des réponses des analyseurs, même si le point de réglage se trouve au même endroit.

Il peut encore s'agir de raisons liées aux aspects de mise en œuvre et de maintenance: des exigences de maintenance élevées pour les systèmes de conditionnement d'échantillons; le blocage des lignes de prélèvement; l'éventuelle défaillance des lignes chauffées; l'encrassement possible des cellules extractives. Sans compter non plus le coût d'achat d'un analyseur extractif avec des cellules chauffées, ou encore celui des systèmes d'échantillonnage et des lignes chauffées. Toutes ces contraintes et les coûts qui leur sont associés ont conduit, dans les années 1970 et 1980, au développement d'analyseurs de combustion de O2 basés sur une sonde à oxyde de zirconium.

Cette technologie permettait en effet de mesurer la concentration en dioxygène d'une manière in situ et, bien qu'étant moins précise que les analyseurs paramagnétiques, elle offrait des résultats en adéquation avec les exigences de la plupart des applications.Avec l'augmentation des coûts du carburant et le début de la prise en compte des questions environnementales, l'intérêt pour le contrôle de compensation du CO s'est accru. Les analyseurs dotés de sondes à oxyde de zirconium ou ceux dotés d'une simple sonde de combustion catalytique (généralement basés sur la technologie pellistor; voir encadré page suivante ), sont alors apparus. Cette combinaison des deux technologies offrait l'avantage d'obtenir des mesures de O2 et de combustion corrélées. Dès lors, ces sondes étaient devenues aptes à une utilisation dans une configuration de contrôle de compensation pour optimiser la combustion. Toutefois, le problème avec ces «simples» sondes est qu'elles sont en général très peu spécifiques au monoxyde de carbone en raison des catalyseurs très génériques qu'elles utilisent. On les désigne d'ailleurs souvent sous le nom de détecteurs d'équivalent CO (COe) ou simplement de détecteurs de combustion. Certains fabricants ont néanmoins tenté d'améliorer la sélectivité des sondes pour le CO mais, au mieux, leurs résultats restent relativement peu performants.

Les sondes à oxyde de zirconium ont aussi des limites

Il est plus facile d'appréhender le fonctionnement d'une cellule de mesure à oxyde de zirconium, qui peut être vu comme une «balance à oxygène». L'oxyde de zirconium est un matériau céramique et, en tant que tel, c'est un bon isolant électrique. Pour que la cellule «travaille», la résistance inhérente au débit du courant électrique doit d'abord être réduite. On obtient cette réduction en chauffant le zirconium à une température élevée ( voir figure 3a ).En pratique,la cellule est équipée d'un système de chauffe électrique, contrôlé normalement par une sonde de température intégrée et qui fonctionne généralement à une température comprise entre +500 et +750°C, selon l'application et le type d'électrode et/ou de catalyseur utilisé. Pour créer le circuit électrique, deux électrodes sont associées à la surface de zirconium, une de chaque côté, afin de permettre la connexion des fils de sortie de la cellule ( voir figure 3b ). La surface de zirconium est de plus revêtue d'un matériau catalytique approprié permettant la canalisation des ions d'oxygène dans le zirconium. Le catalyseur est souvent combiné avec l'électrode en un seul matériau de revêtement, un revêtement vital car il doit fournir une connexion électrique fiable et un lien permanent avec le zirconium, en restant toutefois poreux pour les ions oxygènes. La nécessité de chauffer la sonde à une température élevée et la conception même de l'électrode sont les principales faiblesses inhérentes à ce type de sondes.

L'exigence de haute température crée en effet de multiples modes de défaillance, y compris celles du chauffage et de la sonde de température, la fissuration du disque de zirconium (fissures dues au choc thermique), le «pelage»del'électrode,c'est-à-direqu'elle se détache du disque de zirconium. Ce phénomène se produit en général dans des conditions de réduction et, en particulier, lorsque la sonde est exposée à des gaz corrosifs tels qu'un composé soufré. En plus de ces modes de défaillance catastrophiques, le catalyseur utilisé à la surface du disque peut également être facilement contaminé ou inhibé, ce qui provoque alors des pertes de sensibilité et de réponse de la sonde et exige donc, normalement, son remplacement. En raison de toutes ces limitations, la durée de vie que l'on peut attendre d'une sonde à oxyde de zirconium est d'environ trois ans, voire moins encore avec des applications plus agressives.

C'est ainsi que sont apparus sur le marché les premiers analyseurs à diode laser ajustable, ouTDL ( Tunable Diode Laser ), et in situ, à la fin des années 1990. Le fonctionnement d'un analyseur TDL repose sur le principe de la spectroscopie par absorption laser. Un rayon laser ciblé et réglable traverse un échantillon de gaz jusqu'à un récepteur, et le laser balaye une partie très étroite du spectre électromagnétique où se trouvent précisément les lignes d'absorption caractéristiques des types de gaz à mesurer. L'analyse de la surface des lignes d'absorption (ou pics) permet ainsi de déterminer la concentration du gaz cible.A l'origine, les analyseurs TDL étaient mis en œuvre dans le cadre de la recherche atmosphérique, puis dans la mesure des émissions environnementales. L'utilisation de la technologie TDL a été par la suite acceptée dans les procédés et enfin, à présent, dans les applications de combustion.

C'est ainsi que les analyseurs TDL ont progressivement remplacé les technologies extractives telles que les analyseurs paramagnétiques de O2 et les analyseurs infrarouges. Une tendance que l'on rencontre de plus en plus souvent sur le marché de la mesure des gaz. Cette acceptation a été en grande partie due au fait que les utilisateurs exigent une maintenance réduite des équipements, en plus d'une grande sélectivité et de temps de réponse courts. Un analyseur TDL ne requiert en effet pas de système de conditionnement d'échantillon ni de routines d'étalonnage fréquentes et coûteuses. Ces atouts permettent ainsi de réduire de 60% le coût de possession d'un analyseur TDL sur l'ensemble de sa durée de vie.

Des premiers analyseurs aux sondes TDL

La plupart des analyseurs TDL sont toutefois basés sur des conceptions de type cross-stack ,qui ne sont pas sans poser certains problèmes. Ces systèmes utilisent en effet des supports de grand diamètre et des ensembles optiques. Et ils exigent aussi des volumes considérables de gaz de purge d'azote pour éviter la présence de poussières sur les fenêtres optiques. Il faut compter en règle générale avec un débit compris entre 20 et 120l/min de chaque côté. Le montage de type cross-stack requiert de plus une disposition précise du laser et des unités réceptrices pour garantir des performances adéquates.L'installation sur un incinérateur chaud ou sur des parois d'un brûleur peut alors se révéler difficile, parce que les changements de la température du procédé peuvent entraîner une modification des parois et donc un mauvais alignement. Dans le pire des cas, les changements de température peuvent même causer une perte totale du signal de transmission, ce qui exigera ensuite un réalignement coûteux. Parmi les autres inconvénients, on peut également citer les techniques de traitement de signal.De nombreux analyseursTDL utilisent en effet des techniques de 2 ^e harmonique, une méthode qui ne convient généralement guère à la mesure des flux gazeux dont la composition change de manière importante. Les interactions moléculaires affectent en fait les pics d'absorption, ce qui peut engendrer d'importantes erreurs de mesure. Pour remédier à ces inconvénients, une nouvelle génération d'analyseurs TDL a vu le jour: une conception de type sonde comme la série GPro 500 du fabricant américano-helvétique Mettler-Toledo.

Une telle sonde utilise un traitement rapide des signaux et les dernières techniques en matière de conception optique. Le système consiste en une source laser combinée amovible, un spectromètre à diode laser ajustable et une sonde qui est directement installée dans le flux de gaz. Le faisceau laser traverse la sonde pour aller se réfléchir sur un réflecteur optique (un cube d'angle) et revenir vers le récepteur placé dans la tête du capteur ( voir figure 4 ). La conception de ce chemin optique réfléchi supprime la nécessité de tout réalignement et multiplie effectivement par deux la longueur du chemin optique. Grâce aussi à la conception unique de l'embout de purge de la sonde, les exigences en azote sont bien moindres que celles d'autres conceptions (de l'ordre de 1 à 2 l/min). Par conséquent, les coûts d'installation et d'exploitation sont nettement plus bas.

Par ailleurs, la technique de mesure à spectroscopie d'absorption directe ( Direct Absorption Spectroscopy ou DAS) utilisée par la série GPro 500 ne pâtit pas des mêmes interférents que ceux des systèmes utilisant la technique de 2 ^e harmonique. Cette méthode de traitement du signal est combinée à une base de données spectrale intégrée qui permet de fournir une référence en temps réel des pics de gaz mesurés et ainsi garantir que le laser est toujours bloqué sur la bonne partie du spectre.Avec la technologie propriétaire SpectraID, trois pics d'absorption consécutifs sont analysés en hauteur, en surface et en position relative. Les résultats obtenus sont ensuite comparés à un modèle physique des lignes d'absorption stocké dans la base de données spectrale. Si une corrélation est trouvée entre les deux jeux de données, on peut alors conclure à une « correspondance ADN » parfaite et identifier complètement les pics d'absorption constatés.

En conclusion, on peut affirmer que les analyseurs à diode laser ajustable repré-sentent désormais, de plus en plus souvent, le meilleur choix pour un nombre croissant d'applications en matière d'analyse des gaz, au détriment des analyseurs de gaz extractifs. Et ils concurrencent également de plus en plus fréquemment les analyseurs reposant sur les technologies catalytiques et à oxyde de zirconium dans les applications de combustion, pour des raisons de coûts d'installation et de maintenance, de performances, etc. Avec les sondesTDL, les utilisateurs bénéficient des principaux avantages de la technologie à diode laser ajustable sans les inconvénients liés à un débit élevé de gaz de purge ni les difficultés d'alignement.