Chapitre 2. Fours Industriels [PDF]

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Chapitre II

LES FOURS INDUSTRIELS

Introduction Un four est un outil utilisé pour élever la température d'un produit. Il peut être soit : - un équipement destiné uniquement au réchauffage (exemple: réchauffage de l'acier avant déformation plastique, réchauffage de pétrole brut avant distillation) - un véritable réacteur dans lequel on élabore les produits (exemple: four de cimenterie, four de fusion de verre, four de vapocraquage de la pétrochimie).

II.1 Classification Toute classification est arbitraire, elle est toutefois utile dans la mesure où elle permet de retrouver des caractéristiques communes à des équipements. Nous proposons ici deux classifications, en fonction: - de la manutention du produit : four continu ou discontinu - du procédé de chauffage : direct ou indirect.

II.1.1 Fours continu et discontinu Dans un four continu, le produit à chauffer entre à une des extrémités et en ressort à l'autre. Dans un four discontinu, le produit à chauffer est immobile dans le four ; il est chargé et déchargé (enfourné et défourné). Dans un four continu, un point du four sera toujours (ou à peu près) à la même température; dans un four discontinu la température en un point donné du four évoluera en fonction du cycle de chauffage que l'on veut faire subir au produit.

II.1.2 Fours à chauffage direct et indirect Dans le chauffage direct, il y a contact entre les gaz issus de la combustion et les produits à chauffer (figure 1).Une partie du transfert de chaleur s'effectuant par convection provoque des phénomènes à la surface du produit.

Figure II.1. Four continu à chauffage direct Pour le chauffage indirect, l'interaction entre les gaz de combustion et les parois n'existe plus. Par contre, il s'introduit une résistance supplémentaire au transfert de chaleur qui ne doit se faire par conduction au travers de la paroi protectrice, puis par rayonnement et éventuellement convection vers la charge.

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Figure II.2. Four continu à chauffage indirect

II.1.3 Autres fours On peut classer les fours en fonction en fonction de l'énergie utilisée. Le type d'énergie disponible et utilisé a, en effet, un impact important sur la conception, l'utilisation et l'exploitation des fours. On trouvera dans le domaine des fours industriels, avec plus ou moins d'importance les fours électriques (à arc, à induction, à électrodes submergés, à effet joule, etc.), les fours à combustible (gaz, liquide et solide).

Figure II.2. Four à arc électrique

II.2 Transfert de chaleur dans les fours La finalité d'un four est le transfert de l'énergie à une charge (produits) pour en élever la température. Ce transfert se fera par les trois modes de transfert de chaleur (rayonnement, convection et conduction), la plus part du temps simultanément mais dans des proportions très variables.

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II.2.1 Fours à haute température Ce sont les fours de sidérurgie, de verrerie, de cimenterie. La température que l'on veut obtenir sur le produit dépasse, et parfois nettement 1200°C. Le transfert de chaleur s'y fait essentiellement par rayonnement de la flamme et des gaz issus de la combustion. La convection jouera dans ces fours un rôle secondaire pour ce qui concerne la quantité de chaleur transférée, mais aura, dans un certain nombre de cas, un impact non négligeable sur l'égalisation des températures. L'expression générale du transfert de chaleur par rayonnement s'écrit:

Q  a σ S  Tf 4  Tc 4 

II.2.2 Fours à moyenne et basse température Ce sont, en particulier les fours de traitement thermique de métallurgie, les fours de revêtement de surface et les fours pour les métaux non ferreux. La température que l'on veut obtenir sur le produit dépasse rarement 700°C, et est parfois sensiblement inférieure. C'est également le cas des zones de convection des fours de l'industrie du pétrole et de la chimie. Le transfert de chaleur s'y fait essentiellement par convection de gaz transparents. La loi fondamentale du transfert de chaleur est la loi de newton.

Q  k S  Tf  Tc 

II.2.3 Rôle de la conduction Pour les produits de grandes dimensions et/ou de faible conductivité thermique, la conduction est même assez souvent le mode déterminant dans la mesure où c'est le transfert de chaleur à l'intérieur de la charge qui limite la vitesse de chauffage et détermine le temps de séjour dans le four. La conduction joue aussi un rôle important pour les parois des fours, puisque c'est elle qui conditionne, en partie les pertes thermiques du four et son rendement.

δT λ   2T   dt Cp  X 2

  

En régime permanent

λ   2T  Cp  X 2

   0 

II.3 Rôle de l'atmosphère et de la pression dans le four II.3.1 Contrôle de la pression La pression dans le four est un paramètre d'exploitation important qu'il faut suivre avec attention. En effet, un contrôle déficient de la pression peut entraîner des difficultés importantes: - détérioration de la qualité de chauffage dans les fours à chauffage direct; - augmentation de la consommation spécifique et diminution du rendement; - dégradation des parois en cas d'excès de pression.

II.3.2 Entrées d'air

3

Il s'agit de l'air ambiant qui pénètre dans l'enceinte du four par d'autres entrées que celle prévues au niveau des brûleurs. Cet air non contrôlé diminue le rendement de combustion, il refroidie les produits, il engorge le circuit d'extraction des fumées, il modifie l'atmosphère gazeuse du four, etc. ce sont évidemment les fours qui fonctionnent en dépression qui sont les plus sensibles à ces entrées d'air.

II.3.3 Interaction entre l'atmosphère et les produits à chauffer Les gaz présents dans les produits d'une combustion avec excès d'air (O 2, CO2, H2O) ont toujours, à haute température, une action sur les produits ou les constituants du four. Ces effets, l'oxydation et la carburation peuvent, dans certains cas, être inacceptables et l'on pourra être amené à rechercher une combustion avec défaut d'air, soit à utiliser un gaz d'atmosphère, élaboré par ailleurs que l'on mettra en contact avec les produits.

II.4 Isolation des fours Les matériaux isolants et réfractaires disposés en plusieurs couches à l'intérieur de l'enceinte de l'enveloppe du four ont pour but de limiter les déperditions thermiques et de protéger l'espace environnant et le personnel d'exploitation. Quel que soit la forme physique sous laquelle se présente le matériau réfractaire, sa tenue à la température dépend principalement de sa composition chimique. Les matériaux réfractaires les plus usuels sont obtenus à partir d'argiles silico-alumineuses et leur résistance à la température est fonction de leur teneur en alumine (Al2O3). Les réfractaires ne sont pas inertes par rapport à ce qui se passe dans le four et le choix des réfractaires qui se trouvent en contact avec les fumées, la flamme ou la charge est fortement conditionné par les caractéristiques de ces derniers. Le tableau 1 donne les résistances pyroscopiques de quelques briques réfractaires Tableau 1. Résistance pyroscopique des matériaux réfractaires

Al2O3 + TiO2 %

Résistance pyroscopique °C

< 20

1520

20 / 25

1580

25 / 30

1650

30 / 35

1670

35 / 40

1690

40 /42

1710

42 /45

1730

II.5 Bilan Energétique et rendement du Four

4

Quel que soit le four, l'objectif est de fournir aux produits une quantité de chaleur utile Qu. Le bilan énergétique s’écrit :

Q  Qu  QP  Q f Qp étant les diverses pertes thermiques: - les pertes par les fumées - les pertes par les parois - les pertes par les ouvertures du four - l'énergie nécessaire au réchauffage des parois Le rendement η d'un four est le rapport de l'énergie utile Qu à l'énergie Q qu'il faut fournir au four sous forme de combustible ou d'électricité.

η

Qu Q

II.5.1 Consommation spécifique d’énergie Les rendements précédents sont utilisés pour déterminer les performances d'une installation dans des conditions bien définies. Les conditions d'exploitation industrielle sont variables: - le four n'est pas utilisé en permanence à sa production maximale; - certaines installations fonctionnent d'une façon discontinue. On utilise alors la notion de consommation spécifique CSE qui est le rapport de l'énergie totale utilisée pendant une période donnée (par exemple un mois) à la quantité de produit chauffé ou traité durant la même période:

Cs 

Energie contenue dans le combustibl e Masse des produits chauffés

II.6 Equipements annexes Les fours comportent un certain nombre d'équipements annexes : cheminées, ventilateurs, tuyauteries, etc. parmi ceux-ci, les systèmes de récupération de chaleur (figure II.3) jouent un rôle important du point de vue énergétique. Les fumées quittent le four à une température qui peut être encore relativement élevée. Il est donc intéressant, pour limiter les consommations énergétiques, de récupérer l'énergie thermique contenue dans les fumées avant leur sortie à l'atmosphère. Cette récupération de chaleur se fait dans des équipements annexes implantés dans le circuit de fumées qui permettent soit:

5



de préchauffer l'air de combustion



de réchauffer un fluide (vapeur, eau chaude ou fluide caloporteur)

La chaleur ainsi récupérée peut se situer entre 5 et 20% de l'énergie initialement contenue dans le combustible.

Figure II.3 Récupérateur de chaleur

II. 7. Procédé et aspect énergético-environnemental des fours industriels II.7.1 Cimenterie La cuisson est le processus de transformation de la farine crue en clinker, par un apport thermique suffisant, pour obtenir des réactions chimiques complètes (clinkérisation) conduisant à la formation des principaux composés de ce semi-produit. Le procède de cuisson (figure II.4) comporte  un préchauffeur à cyclones, un four rotatif et un refroidisseur à grilles. Le préchauffage de la farine crue d'une humidité de 8 à 9%, ayant un refus au tamis de 90 m (de l’ordre de 12 à 14%), s’effectue dans la partie supérieure du préchauffeur à cyclones. La décarbonatation a lieu dans la partie basse du préchauffeur et la partie amont du four rotatif. La clinkérisation se fait toujours dans la partie aval du four rotatif. Les gaz chauds sont produits dans le four par combustion du gaz naturel. Des ventilateurs situés après le préchauffeur et le refroidisseur aspirent les gaz à travers ces installations. Après passage dans le préchauffeur, la farine progresse vers l’aval sous l’effet de la rotation et la pente du four (3.5%). Au fur et à mesure de son acheminement, la matière s’échauffe jusqu'à clinkérisation vers 1400 à 1500°C. A la sortie du four, le clinker tombe dans un refroidisseur où se produisent les échanges thermiques permettant une récupération de chaleur et son refroidissement jusqu'à une température de 80 à 100 °C, pour le transporter et le broyer.

6

Figure II.4. Ligne de cuisson par voie sèche

Figure II.5. Four Rotatif de cimenterie

Figure II.6. Bilan énergétique de la cuisson du clinker

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Tableau 1 : Facteur d'émissions gazeuses (kg/t ciment) Emission

Combustion gaz naturel

Calcination matière

CO2

500

300

CO

1,3.10-6

-

NOx

1,9

-

II.7.2 Fonderie Le cubilot est un appareil simple constitué principalement d'une virole cylindrique garnie de réfractaire (figure II.7). On introduit: - par le gueulard sous forme de charges alternées: les matières métalliques à fondre, le coke, le fondant; - par les tuyères : l'air, éventuellement de l'oxygène. On en retire: - par les orifices prévus dans le creuset: la fonte, le laitier - par la cheminée: les fumées Le carbone du coke brûle au contact de l'oxygène au contact de l'air, introduit par les tuyères, en produisant de l'énergie thermique qui élève la température des gaz formés par la combustion.

Figure II.7. Fusion de la fonte au cubilot

Tableau 2. Bilan thermique d'un cubilot Energie thermique fournie (%) Coke

98

Oxydation des métaux (Fe, Si, Mn,..)

2

Energie thermique utile ou perdue (%)

Enthalpie de la fonte

39

Chaleur des fumées

50

Laitier et parois

11

Total

100

100

8

Tableau 3. Facteurs d'émissions gazeuses et particulaires Polluant

Emissions (mg/Nm3)

CO

20 - 1000

SO2

100 - 400

NOx

20 - 70

COV

10- 20

Poussières

5 - 20

Dioxines

≤ 0.1 mg / Nm3

II.7.3 Raffinage et Pétrochimie Dans la plus part des installations de raffinerie ou de pétrochimie, l’apport de calories nécessaires au procédé mis en œuvre se fait par l’intermédiaire des fours tubulaires (figure 8)

Figure II.8. Fours de Raffinage et de Pétrochimie

9

Polluants

Facteur d’émission kg/t pétrole brut

CO2

20 – 820

CO

0 – 0,08

Chaudières, torchères, combustion, turbines à gaz, incinérateurs

Nox

0,06 – 0,7

Chaudières, combustion

Sox

0,03 – 0,6

Combustion et procédés de désulfuration

Sources d’émissions

Tableau 4. Facteurs d’émissions gazeuses et particulaires



Four de rebouillage pour la stabilisation du brut

Une partie de l’huile en fond de la colonne de stabilisation alimente le rebouilleur grâce aux pompes de recirculation. Le rebouilleur est un four à tirage naturel à quatre passes (figure II.2). L’huile alimentant le four entre dans la section de convection et s’écoule à contre-courant des fumées de combustion du Gaz Fuel provenant de la section de radiation. La section de convection comprend 3 rangées de 8 tubes nus et 5 rangées de 8 tubes ailettes. Le fluide entre ensuite dans la section de radiation où il est vaporisé en partie.

egalliuober ruelahC %58 Energie Fuel gaz ruessidiorfeR eitroS /lack 71 Pertes Thermiques & non déterminées 2.5% eliuh Ray-convection %001) (

Figure II.7. Bilan Energétique Four rebouillage

noitsubmoC seémuF

%5.21

II.8 Gestion de l’énergie des fours industriels

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Lorsque l’on parle de la gestion de l’énergie, on parle en fait de différentes façons d’utiliser rationnellement l’énergie pour réduire les couts d’exploitation. Les possibilités de gestion de l’énergie se divisent en 2 catégories :



Possibilités de maintenance

Les possibilités de maintenance sont des initiatives d’économie d’énergie exécutées périodiquement





Réglages appropriés du bruleur



Vérification de l’excès d’air et les corps combustibles dans les gaz de combustion



Nettoyage des surfaces de l’échangeur de chaleur



Remplacement ou réparation d’isolants manquants ou endommagés



Remise en place des portes ou des couvercles



Vérification périodique de la pression du four



Planification de la production pour maintenir le rendement des fours

Possibilités de rénovation

Les projets de rénovation sont des initiatives de gestion de l’énergie réalisées une seule fois et dont le cout est important 

Installation d’un échangeur de chaleur dans la sortie des gaz de combustion



Nouvelle isolation de l’enceinte du four



Remplacement de l’ensemble du bruleur



Installation d’un nouveau système de régulation

II.8.1 Régulateurs de bruleurs Une bonne installation assure la combustion efficace du combustible en maintenant la quantité minimale d’excès d’air sans présence importante de corps combustibles dans les gaz de combustion. Une bonne régulation du rapport combustible-air des fours à combustible minimise les pertes dans les gaz de combustion. Pour obtenir un bon rapport, il suffit d’installer une vanne d’alimentation et des registres d’air comburant asservies à un régulateur commun. Si l’accouplement de réglage est mécanique, les positions relatives de la vanne d’alimentation en combustible et des registres d’air peuvent être modifiées à l’aide d’une biellette réglable. S’il s’agit d’un système pneumatique ou électronique, on peut régler le rapport combustible-air à distance à partir du panneau de commande du four. Dans nos jours, le système de régulation est plutôt électronique que pneumatique ou mécanique, on prévoit l’installation d’un système commandé par microprocesseur.

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