Construction Des Fours Tubulaire [PDF]

Zitiervorschau

Risques et Précautions liés au Matériel

MATÉRIEL THERMIQUE CONDITION DE FONCTIONNEMENT ET CONSTRUCTION DES FOURS TUBULAIRES

Ingénieurs en Sécurité Industrielle

D2

-2/A

I - RÔLES DES FOURS................................................................................................................. 1 II - PRINCIPAUX TYPES DE FOURS ............................................................................................ 2 1 2 3 -

Fours cylindriques verticaux .........................................................................................................2 Fours cabines à brûleurs sur la sole ............................................................................................ 3 Fours cabines à brûleurs sur les parois........................................................................................ 4

III - RENDEMENT DES FOURS ...................................................................................................... 5 1 2 3 -

Définition ...................................................................................................................................... 5 Paramètres dont dépend le rendement d’un four......................................................................... 6 Possibilités et limites à l’amélioration du rendement d’un four..................................................... 8

IV - RÉPARTITION DE L’APPORT DE CHALEUR DANS LES DIFFÉRENTES ZONES D’ÉCHANGE ........................................................................................................................... 13 1 2 3 -

Apport de chaleur dans la zone de radiation ..............................................................................13 Apport de chaleur dans la zone de convection ..........................................................................13 Répartition de la chaleur dans la zone de convection ................................................................ 13

V - CONSTRUCTION DES FOURS.............................................................................................. 14 1 2 3 -

Charpente et casing ...................................................................................................................14 Isolements réfractaires ...............................................................................................................14 Zones d’échange........................................................................................................................ 19

EN FOU - 00620_C_F - Rév. 1

Ce document comporte 26 pages

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18/04/2005

1

I-

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RÔLES DES FOURS Dans la plupart des unités de raffinage ou de pétrochimie l'apport de l'énergie thermique requise par le procédé se fait par l'intermédiaire de fours à chauffage direct dans lesquels l'énergie produite par la combustion est transmise directement au fluide à réchauffer qui circule dans un serpentin tubulaire ou un faisceau de tubes. Cela justifie l'appellation four tubulaire généralement donnée à ce type d'appareil. Selon l'effet de l'apport de chaleur au fluide de procédé, on peut distinguer : -

les fours de réchauffage de fluide sans changement d'état physique dans lesquels la charge liquide ou vapeur ne reçoit que de la chaleur sensible. C'est le cas par exemple : •

des fours des unités de reformage catalytique ou d'hydrotraitement de coupe de tête de distillation du pétrole brut dans lesquels la charge déjà vaporisée à l'entrée du four est portée à la température nécessaire au déroulement des réactions chimiques sur les lits de catalyseur

•

des fours "à huile chaude" (encore appelés chaudières) où un liquide caloporteur reçoit l'énergie thermique qu'il cède ensuite dans des réchauffeurs

•

des surchauffeurs de vapeur indépendants des fours de vapocraquage quand la vapeur produite dans les échangeurs de ligne de transfert n'est pas surchauffée dans la zone de convection

-

les fours de réchauffage de liquide avec vaporisation partielle que l'on rencontre en particulier dans les unités de distillation : four de distillation atmosphérique ou sous-vide de pétrole brut, four de rebouillage. Dans ces fours, la charge reçoit de la chaleur latente pour atteindre le degré de vaporisation requis.

-

les fours de réchauffage de fluide avec réaction chimique. Le faisceau tubulaire du four peut alors être assimilé à un véritable réacteur chimique. On rencontre ce type de four dans les unités de craquage thermique : •

craquage thermique de distillats

•

viscoréduction de résidus

•

vapocraquage (fabrication d'éthylène)

•

reformage à la vapeur (fabrication d'hydrogène). Dans ce dernier cas un catalyseur est déposé à l'intérieur même des tubes du faisceau

Sur un même four, on peut parfois rencontrer plusieurs services (fluide procédé-génération de vapeur, etc.). Dans ce cas, un seul est pris en compte dans la régulation de la chauffe. La boucle de régulation est plus ou moins complexe en fonction du rôle du four (réchauffage, vaporisation ou réaction chimique).

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II -

PRINCIPAUX TYPES DE FOURS Il existe une grande variété de fours tubulaires qui diffèrent notamment par leur géométrie.

1-

FOURS CYLINDRIQUES VERTICAUX La figure ci-dessous présente une vue écorchée d'un four cylindrique vertical. Cheminée

Registre

Zone de convection

Brûleur Sole

D MTE 032 A

Zone de radiation

Les brûleurs situés sur la sole du four réalisent le mélange air-combustible et la combustion. Les flammes se développent dans la zone de radiation dans laquelle les tubes sont chauffés par rayonnement. Au sommet de la zone de radiation, la température des gaz de combustion est de l'ordre de 700 à 800°C et de ce fait le rayonnement est plus faible. 00620_C_F

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3

La récupération de chaleur sur les fumées est poursuivie dans la zone de convection fonctionnant comme un échangeur tubulaire. Les fumées refroidies sont rejetées à l'atmosphère par l'intermédiaire de la cheminée. Au cours de son trajet dans le faisceau tubulaire, le fluide de procédé parcourt successivement les zones de convection et de radiation. La charpente métallique et l'enveloppe métallique du four (le casing) sont protégées de la chaleur par une isolation interne réalisée en briques ou béton réfractaires ou encore en fibres céramiques. Les fours cylindriques verticaux sont caractérisés d'un point de vue géométrique par un axe de symétrie vertical. Pour un four équipé d'un seul brûleur, celui-ci est situé au centre de la sole. Si pour obtenir une puissance thermique élevée plusieurs brûleurs sont nécessaires, ceux-ci sont disposés sur un cercle centré sur l'axe du four. Selon la puissance thermique du four les dimensions des zones de radiation varient entre 1,5 m et 13 m de diamètre avec des hauteurs allant de 2,5 m à 25 m. Les puissances thermiques les plus élevées de ces fours sont de l'ordre de 70 000 th/h ce qui correspond à la combustion d'environ 7 t/h de combustible.

2-

FOURS CABINES À BRÛLEURS SUR LA SOLE La vue ci-dessous présente un exemple de four cabine à tubes horizontaux.

Cheminée

Porte d'explosion

ZONE DE CONVECTION

Regards Sole Brûleur

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D MTE 037 A

ZONE DE RADIATION

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4

Il se distingue essentiellement du four cylindrique par l'existence d'un plan de symétrie ce qui conduit à disposer un grand nombre de brûleurs sur la sole pour réaliser un véritable rideau de flammes dans le plan médian de la zone de radiation.

D MTE 038 A

La largeur de la zone de radiation est d'environ 6 m et la hauteur de 10 à 15 m. La longueur du four dépend de la puissance thermique par le nombre de brûleurs qu'il est nécessaire d'installer. Elle peut atteindre 40 m. Dans certains cas, pour limiter la longueur du four on découpe la zone de radiation en deux cellules disposées parallèlement et surmontées d'une zone de convection commune (schéma ci-contre). Dans le cas de fours de faible longueur, les brûleurs peuvent être disposés sur les pignons

3-

FOURS CABINES À BRÛLEURS SUR LES PAROIS Certains procédés comme le vapocraquage exigent un apport de chaleur intense au faisceau tubulaire et à un niveau de température élevé. Pour atteindre cet objectif il est nécessaire de répartir l'apport de chaleur sur toute la hauteur du four ce qui conduit à disposer des brûleurs sur toute la surface de la paroi. Le faisceau tubulaire est alors situé dans le plan médian du four. La zone de convection est utilisée pour préchauffer la charge et la vapeur de dilution et éventuellement pour surchauffer la vapeur produite dans les chaudières de trempe. fra Ver ctio s n pri nem ma en ire t

20

0°

C

Co u de ronn tre e mp e

B de allon cha udi ère

0°C

45

e

Ch

7,50 m

res diè au mpe h C tre de

ée min

9,50 m

n e e on ivé iati Arr rad e e g e d lan zon u mé d'eau d ur res e u vapocarb r d rs hy leu Brû aroi p de

Vap sat eur uré e

8,5

0m

m

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0m 2,6

ta ph

Na

00620_C_F

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D MTE 138 C

7,80 m

ur pe Va aufée rch su e d ur pe Va ution dil

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5

III - RENDEMENT DES FOURS 1-

DÉFINITION La notion de rendement d'un four apparaît par le fait que le débit de chaleur libérée aux brûleurs par la combustion n'est pas intégralement transmis au fluide procédé. On constate en effet des pertes thermiques qui ont essentiellement deux origines : - les pertes par les parois du four (Q parois) sont dues aux imperfections de l'isolation thermique par les matériaux réfractaires. Dans le cas des fours récents de grande puissance thermique elles représentent 1 à 2 % de chaleur libérée aux brûleurs (Q entrée). Elles peuvent être beaucoup plus importantes dans le cas de fours anciens dont le réfractaire est défectueux. - les pertes par les fumées (Q fumées) qui évacuent à l'atmosphère un débit de chaleur relativement important représentant en général entre 5 et 20 % de celui qui est libéré aux brûleurs. Le bilan thermique du four s'exprime : Q entrée = Q absorbée + Q fumées + Q parois Le diagramme ci-dessous donne une représentation graphique du bilan thermique

1à2% 5 à 20 % Q

parois Q

Q

fumées

entrée absorbée D MTE 040 A

Q

Le rendement d'un four η (eta) est défini comme le rapport du débit de chaleur absorbé par le fluide procédé au débit de chaleur fourni au four par la combustion (Q entrée).

Rendement (%)

=η=

Q absorbée Q entrée

• 100

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En utilisant le bilan thermique du four, le débit de chaleur absorbée peut encore s'exprimer : Q absorbée = Q entrée – Q fumées – Q pertes L'expression du rendement devient : Rendement η (%) =

Q entrée – Q fumées – Q pertes Q entrée

x 100

Soit encore : Rendement η (%) = 100 % – % pertes fumées – % pertes parois

2-

PARAMÈTRES DONT DÉPEND LE RENDEMENT D’UN FOUR Le pourcentage de pertes par les fumées dépend de deux paramètres : - l'excès d'air de combustion qui accroît le débit de fumées et diminue le rendement du four. En effet, le débit d'air excédentaire consomme de l'énergie libérée aux brûleurs pour s'échauffer de la température ambiante à celle de rejet des fumées. La combustion en excès d'air se traduit par la présence d'oxygène dans les fumées en teneur d'autant plus élevée que l'excès d'air est grand. Ainsi, le pourcentage de pertes aux fumées dû à l'excès d'air peut être estimé par la relation approchée : Pourcentage de pertes aux fumées dû à l'excès d'air

=

Teneur en oxygène des fumées (%) 2

- la température de rejet des fumées qui est d'autant plus élevée que la récupération d'énergie est moins bonne et donc le rendement du four plus faible. Le pourcentage de pertes aux fumées dû à leur température de rejet s'obtient approximativement par : Pourcentage de pertes aux fumées dû à leur température de rejet

=

Température des fumées (°C) 20

Les pertes par les parois quant à elles peuvent être estimées à 2 %.

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Appliquées aux conditions de fonctionnement du four présentées ci-dessous, ces règles d'estimation permettent d'évaluer son rendement.

Cheminée

0

% O2

4,2

tf

337

Our reg.

80%

Registre

Qm 117,5 passe

te Pe

% OPA

Convection

233 21

Pco tco

277

ENTRÉE CHARGE Qm 470 charge ∆P voûte

Radiation ts 377 passe

2

tvoûte 840

SORTIE CHARGE

tpeau 440

Ps ts

2.26 377

TRC

∆P sole

PRC Qm fuel

ALIMENTATION FUEL OIL

6.9

20

Brûleur Ouv. 90% vent.

dPC

t fuel

130

D MTE 045 A

VAPEUR ASSISTANCE PRC ALIMENTATION FUEL GAS

Pertes par les fumées : -

dues à l'excès d'air

-

dues à la température de rejet

Pertes par les parois Pertes totales = Rendement du four

=

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3-

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POSSIBILITÉS ET LIMITES À L’AMÉLIORATION DU RENDEMENT D'UN FOUR L'expression indirecte du rendement d'un four montre que celui-ci est affecté par des pertes de deux natures : -

pertes aux parois pertes aux fumées

L'amélioration du rendement repose sur la réduction de ces pertes. a - Réduction des pertes aux parois Ces pertes peuvent être réduites par l'accroissement de l'isolation thermique. Cependant, leur niveau actuel étant faible (1 à 3 %,) l'intérêt économique de cette solution est relativement limité. L'utilisation de panneaux isolants installés derrière les réfractaires permet d'améliorer l'étanchéité thermique. b - Réduction des pertes aux fumées • Réduction de l'excès d'air Cette réduction permet l'économie de combustible utilisé pour réchauffer l'air en excès de la température ambiante à la température des fumées. Elle rencontre cependant comme limite l'apparition d'imbrûlés dans les fumées auxquels correspondent : - une perte de chaleur de combustion (donc un nouveau type de dégradation du rendement) - un encrassement de la zone de convection réduisant son efficacité - un risque de post-combustion des imbrûlés présentant un danger pour le personnel et le matériel Les équipements de contrôles permettant d'apprécier l'apparition d'imbrûlés aux fumées sont (planches pages suivantes) : -

l'opacimètre, dans le cas de combustibles liquides l'analyseur de CO dans le cas de combustible gazeux

La réduction de l'excès d'air peut toutefois être obtenue : -

en utilisant des brûleurs soignés réalisant un bon mélange de l'air et du combustible, en particulier, par la turbulence de l'écoulement imposé à l'air, celui-ci étant nécessairement admis sous pression

-

en utilisant de l'air chaud préchauffé qui favorise la combustion.

Enfin, si la température de rejet des fumées est basse, la recherche de la combustion à bas excès d'air présente un intérêt limité.

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Dans le cas de brûleurs à air pulsé, l’air étant admis par un ventilateur, son débit peut être réglé par action sur les ventelles à l’aspiration du ventilateur ou dans les gaines d’air au refoulement et être asservi au débit de combustible. Toutefois l’asservissement doit être conçu pour éviter la formation d’imbrûlés pendant les phases de changement rapide du débit de combustible. • Abaissement de la température des fumées C'est le moyen le plus efficace d'amélioration du rendement du four : un abaissement de 20°C de la température aux fumées correspond à un gain de rendement de l'ordre de 1 %. L'obtention de plus basses températures aux fumées peut être réalisée par : -

l'extension de la surface de convection sur le fluide process. Cette solution rencontre comme limite de température de rejet celle d'entrée du fluide à réchauffer. En outre, il convient de ne pas oublier que l'augmentation de la quantité de chaleur récupérée n'est pas proportionnelle à l'accroissement de surface d'échange.

- la mise en place d'un service supplémentaire en zone de convection, par exemple une génération de vapeur. Cette solution ne présente d'intérêt que si le débit de vapeur produite n'est pas trop faible (au moins 4 t/h) et que le besoin de vapeur existe dans l'usine. -

le préchauffage de l'air de combustion. Cette solution présente l'avantage de disposer d'un fluide vraiment froid et utile au procédé de combustion mis en œuvre dans le four lui-même. Cheminée

Registre de bipasse ZONE DE CONVECTION

Fumées chaudes e

ass

Bip

Ventilateur de tirage Air

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Réchauffeur d'air Ventilateur de soufflage

D MTE 044 A

Bipasse côté air

ZONE DE RADIATION Brûleur

D MTE 042 A

Ventilateur de tirage Ventilateur de soufflage

Fumé e s chaude

Réchauffeur d'air

Fumées froides

Fumées froides

Bipasse

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Dans le cas où le combustible contient du soufre, l'abaissement de la température de rejet des fumées rencontre comme limite le point de rosée acide à partir duquel apparaissent les problèmes de corrosion sulfurique des surfaces métalliques d'échange. Cette limite peut être repoussée si la corrosion est consentie ou si l'on a recours à des surfaces résistantes à la corrosion (verre, tôle émaillée). Le diagramme ci-dessous indique l'évolution de la température de rosée acide des fumées en fonction de la teneur en soufre du combustible et de la teneur en oxygène des fumées.

160

Teneur en soufre du combustible% 3.20

Point de rosée des fumées °C

2.42

140

120 1.33

100

80

40

D MTE 046 A

60

0

1

2

3

Teneur en oxygène des fumées

La température de rosée acide des fumées ne constitue pas la limite inférieure de température de rejet des fumées mais la température minimale à laquelle peuvent être portées les surfaces d'échange sans problème de corrosion.

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IV - CONSTRUCTION DES FOURS 1-

CHARPENTE ET CASING La charpente , véritable ossature du four, est réalisée en profils sur lesquels des tôles de 5 à 6 mm d'épaisseur sont fixées par boulonnerie ou soudage pour constituer la paroi du four (casing). Elle supporte le faisceau tubulaire indépendamment des isolements réfractaires et permet une libre dilatation des différentes parties du four. La charpente supporte les efforts dus au poids des éléments constitutifs (faisceaux, réfractaires, carnaux ou cheminée, passerelles, ...) et ceux liés aux effets du vent. Dans l'exemple d'un four de puissance thermique élevée (200 000 th/h) la répartition des poids des principaux éléments constitutifs se répartit ainsi : -

2-

charpente et tôlerie : réfractaires isolants : faisceau tubulaire :

500 tonnes 550 tonnes 750 tonnes (dont 150 de picots ou studs)

ISOLEMENTS RÉFRACTAIRES L'enveloppe métallique du four est protégée de la chaleur par un revêtement interne isolant constitué de briques ou béton réfractaires ou encore de fibres céramiques. La température des parois de la zone de convection ne doit pas excéder 82°C et celles de la radiation 91°C (pour une température ambiante de 27°C et sans vent). • Briques réfractaires Les briques réfractaires doivent leurs propriétés isolantes à la porosité obtenue par addition de sciure de bois ou d'un produit chimique provoquant un dégagement gazeux lors de la cuisson. Le tableau de la page suivante (extrait d'une documentation de fournisseur) met bien en évidence les évolutions inverses de la densité des briques et de leur conductibilité thermique et, par ailleurs, les évolutions parallèles de la température maximum d'utilisation de la teneur en alumine Al 2 O3 des briques. Classiquement, les briques (au moins 15 % d’entre elles) sont ancrées sur la casing par des crochets métalliques en acier austénitique soudés sur la paroi . Pour éviter des charges excessives sur les briques inférieures, des fers plats soudés au casing ou des rondins passant au travers de trous prévus dans les briques renvoient sur le casing les efforts verticaux. Dans le cas de fours cylindriques verticaux, l'effet de la clé de voûte apporté par les parois incurvées évite la nécessité d'ancrages. Des exemples de propriétés de briques sont donnés dans le tableau suivant. Les températures minimum de face chaude à prendre en compte sont de 1538°C (2800°F) pour les parois soumises aux flammes et de 1260°C (2300°F) pour les autres expositions.

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EXEMPLES DE PROPRIÉTÉS DE BRIQUES RÉFRACTAIRES

Propriétés physiques

Type

JM 20

JM 23

JM 26

JM 28

JM 30

En première et deuxième couche °C

1100

1260

1430

1540

1650

Densité moyenne kg/dm3

0,48

0,50

0,81

0,90

1,04

0,11 0,12 0,14 0,15 0,17

0,11 0,12 0,14 0,15 0,17

0,24 0,25 0,28 0,30 0,32

0,30 0,31 0,33 0,34 0,35

0,39 0,40 0,41 0,41 0,42

44,0 36,7 0,7 1,2 16,1 0,3 1,1

44,4 37,0 0,7 1,3 15,4 0,3 1,1

38,5 59,2 0,7 0,1 — 0,2 1,8

31,2 67,1 0,6 0,1 0,1 0,1 1,0

25,3 73,4 0,5 0,1 — — 0,9

Température maximum d’utilisation (en atmosphère oxydante)

Conductivité thermique (ASTM C-182-71) en kcal/m.h.°C aux températures moyennes de : 200°C 400°C 600°C 800°C 1000°C Pour convertir des kcal/m.h.°C en W/mK, multiplier par 1,162 Analyse chimique en % SiO 2 Al2O3 Fe 2O3 TiO2 CaO MgO Na2O et K2O

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Les schémas ci-dessous montrent des exemples d'ancrage au casing de béton et briques réfractaires.

Tôle du casing Bloc isolant

Crochets

Goujons d'ancrage

D MTE 047 A

Béton réfractaire Briques réfractaires

L'amélioration de l'isolation peut être obtenue en disposant entre les briques et le casing une épaisseur de laine minérale dont le tableau ci-dessous présente des exemples de propriétés physiques.

Nature

Laine de verre imprégnée de résine thermodurcissable

Silicate de calcium

Température limite d'emploi

650°C

1000°C

Masse volumique (kg/m3)

144

240

Chaleur massique kcal/kg.°C

0,20

0,17

100°C

0,038

0,060

300°C

0,062

0,082

500°C

0,120

0,112

Conductivité thermique kcal/h.m.°C

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• Bétons isolants Les bétons isolants sont constitués d'un liant hydraulique comme le ciment fondu LAFARGE et d'agrégats isolants tels que la vermiculite. Ils sont coulés ou projetés sur les surfaces à protéger et maintenus en place par des goujons en forme de V ou de Y soudés sur le casing (schéma page précédente). Plus la température de service des bétons est élevée, plus ceux-ci doivent être denses aux dépends de leurs propriétés isolantes. Cela peut conduire à la mise en place de double-couches de béton, béton de haute densité pour la face exposée à la flamme, et béton moins dense et plus isolant en sous-couche. Les épaisseurs usuelles sont de 5 pouces (environ 13 cm) pour l'isolement des zones de convection et de 6 à 8 pouces (15 à 20 cm) pour les zones de radiation. Des exemples de propriétés de bétons réfractaires isolants sont présentés dans le tableau ci-dessous. Propriétés Firelite Mise en œuvre

14

14-G

14 HS

Coulé

Projeté

Coulé

1230 Coulé

Classe ASTM-C-401 Matière de base

Agrégats poreux

LW

Projeté

Coulé

2500

Projeté

Coulé

Projeté

P

P.Q

Q

Agrégats isolants

Agrégats isolants

Agrégats isolants

Densité (kg/dm 3 ) Après cuisson 5 h à 815°C

1,06

1,16

1,19

1,08

1,12

1,15

1,20

1,32

1,41

0,21 0,24 0,27 —

0,23 0,27 0,29 —

0,27 0,29 0,31 —

0,22 0,24 0,26 0,28

0,23 0,26 0,28 0,30

0,28 0,30 0,33 0,35

0,29 0,31 0,34 0,36

0,34 0,37 0,40 0,41

0,36 0,40 0,43 0,44

1060

1160

1200

1090

1160

1160

1220

1300

1400

31,4 36,0 7,2 1,4 19,8 3,7 0,3

30,9 36,6 7,3 1,3 19,4 3,9 0,5

28,1 39,9 7,9 1,3 17,0 5,3 0,3

36,8 33,1 5,8 1,3 20,3 1,5 1,1

Conductivité thermique (W/m.K)° ASTM-C-17-60 aux températures moyennes de 200°C 400°C 600°C 800°C Poids de matériau sec nécessaire par unité de volume de construction (sans tenir compte des pertes) kg/m3 Analyse chimique % Al 2 O3 SiO2 Fe 2 O3 TiO2 CaO MgO + K2O + Na 2 O Perte au feu

* Pour convertir W/m.K en kcal/m.h.°C, multiplier par 0,86

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46,2 34,3 4,7 1,4 10,1 1,5 1,7

44,4 34,6 5,4 1,5 11,7 1,1 1,1

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• Fibres céramiques Les revêtements isolants en fibres céramiques se présentent sous la forme de nappes que l'on empale sur des goujons soudés au casing et fixées par des rondelles de blocage. Elles offrent les avantages d'une grande légèreté et d'une faible conductibilité thermique mais n'ont pas l'étanchéité des réfractaires classiques. Cela conduit à éviter leur emploi dans le cas de combustibles soufrés dont les fumées trouvent dans l'épaisseur de l'isolation la température de rosée acide. Le tableau ci-dessous présente des propriétés des fibres céramiques.

Fibres A

Fibres B

blanche

blanche

Masse spécifique moyenne

0,13

0,17

Chaleur spécifique en m th/kg.°C à 20°C

0,84

0,92

Température limite d'emploi conseillée en atmosphère oxydante

1200°C

1420°C

Température de fusion

1760°C

1800°C

47 % 52 % 0,2 0,3

60 % 38 % 0,1 0,4

excellente

excellente

0,08 0,12 0,18 0,25

0,13 0,17 0,23 0,32

Couleur

Composition chimique moyenne Al2 O3 SiO2 Fe 2 O3 K2 O + Na2 O Stabilité chimique Conductibilité thermique (W/m.K) à 500°C à 700°C à 900°C à 1100°C

Actuellement les fibres céramiques sont assimilées (forte présomption) à des substances cancérogènes et toutes les précautions d’utilisation relatives à ce type de produit doivent être prises (masques à poussières type P3, …).

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3-

ZONES D'ÉCHANGE a - Faisceau tubulaire

Le faisceau est constitué de tubes en acier parallèles reliés entre eux soit par des coudes à 180° soudés, soit par des boîtes de retour soudées ou mandrinées aux tubes.

Fluide Boîte de retour

Coude à 180°C

D MTE 034 A

Fluide

L'intérêt des boîtes de retour est de permettre l'accès aux tubes pour réaliser un décokage mécanique après avoir enlevé le bouchon dont elles sont munies. Elles sont installées dans des caissons à l'extérieur de la chambre de combustion pour les protéger de la chaleur et les rendre facilement accessibles. Elles sont toutefois sujettes à des fuites avec risques de feu et doivent faire l’objet d’une attention soutenue lors des phases de démarrage. Avec la technique du décokage thermique (brûlage du coke), l'usage des coudes est le plus répandu. En zone radiation les tubes peuvent être disposés : - verticalement, les épingles supportées par leur extrémité supérieure sont simplement guidées pour conserver une libre dilatation -

horizontalement, reposant sur des supports peu espacés du fait de leur déformation sous l'effet du fluage à haute température

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D 2 -2/A

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D MTE 048 A

Les schémas ci-dessous présentent des exemples de supports ou de guides de tubes en zone de radiation.

Support de tube horizontal en voûte

Support de tube horizontal sur parois latérales

Guide de tube vertical

En plus de posséder une bonne résistance mécanique à chaud, tous ces supports doivent résister à : -

des températures élevées l’oxydation la corrosion par les cendres de combustibles liquides (vanadates, sulfates, …)

Ils sont parfois protégés par un garnissage réfractaire.

D MTE 061 A

En zone de convection, les tubes sont disposés horizontalement et en quinconce. Leur supportage est assuré par des plaques tubulaires (schéma ci-dessous).

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D MTE 033 A

Ces tubes de la zone de convection sont en général studdés ou ailetés ce qui augmente leur surface extérieure et améliore le transfert de chaleur. Usuellement la surface extérieure est multipliée par un facteur allant de 2,5 à 4 par rapport à celle du tube nu. Dans le cas de tubes studdés, cela s'accompagne d'une multiplication de la masse des tubes par un facteur allant de 2 à 2,6.

Tubes studdés

Tube aileté

L'utilisation d'ailettes est réservée aux fours brûlant un combustible gazeux, les dépôts de suie produits par le brûlage d'un combustible liquide étant moins facilement éliminables qu'avec les studs. Les matériaux métalliques utilisés pour réaliser le faisceau tubulaire doivent résister à la corrosion tant sur la surface extérieure (agression des fumées, des cendres) que sur la surface intérieure (fluide de procédé) et présenter à chaud des propriétés mécaniques suffisantes. Or les propriétés mécaniques des aciers diminuent quand leur température s'élève et ceux-ci sont soumis au phénomène de fluage (allongement non élastique sous charge).

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b - Échangeurs air - fumées Les échangeurs air-fumées peuvent être classés en deux principales catégories : * Échangeurs statiques Ils peuvent être constitués de faisceaux tubulaires analogues à ceux des échangeurs à faisceau et calandre comme le schéma ci-après en représente un exemple .

Préchauffeur

y y ;;; ;yyy ; ;;;y y;yyy ;

FUMÉES SORTIE FOUR

AIR VERS BRÛLEURS

Ventilateur

Eau Eau épurée froide chaude

+

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D MTE 062 A

FUMÉES VERS CHEMINÉE

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Ils peuvent être réalisés avec des éléments ailetés en fonte avec, dans les zones les plus froides, des tubes en verre au borosilicate (schéma ci-dessous). Les éléments juxtaposés et superposés définissent un circuit côté "tubes" pour l'air de combustion.

E FUMÉ

UDES S CHA

Les fumées circulent entre les éléments dans la calandre parallélépipédique.

AIR CHAUD

Faisceaux d'éléments en fonte

Panneaux isolants

Boîte de retour AIR FROID

Faisceaux de tubes en verre Pyrex

D MTE 049 A

FUMÉES FROIDES

ÉLÉMENT TUBULAIRE MONOBLOC

Enveloppe métallique

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D 2 -2/A

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* Échangeurs régénératifs Le transport de la chaleur est assuré par les masses métalliques d'un rotor successivement présentées sur le trajet des fumées et sur celui de l'air (vitesse de rotation de l’ordre de quelques tr/min). Le schéma suivant en présente un exemple.

D MTE 043 B

ROTA TIO N

Le principal inconvénient de ces échangeurs réside dans les fuites internes (jusqu’à 10 % du débit d’air) générées par le jeu indispensable pour la rotation des masses métalliques. Un dispositif de ramonage vapeur est également à prévoir afin d’éliminer les suies piégées dans le nid d’abeilles. d - Ramoneurs Pour conserver le rendement de la récupération de chaleur sur les fumées, il est nécessaire d'entretenir l'état de propreté des surfaces d'échange. La mise en place de surfaces étendues (ailettes ou picots) rend possible l'accumulation de suies lors de brûlage de combustibles liquides. La méthode classique utilisée pour éliminer ces dépôts repose sur le soufflage des suies par un jet de vapeur. 00620_C_F

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D 2 -2/A

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Cela peut être réalisé par des lances équipées de nombreux orifices, placées à demeure dans la zone de convection et par lesquelles est injecté périodiquement de la vapeur moyenne pression. Ces lances peuvent encore être rétractiles et ne pénétrer dans la zone de convection que lors des injections de vapeur. Elles ne comportent alors que deux orifices d'injection et pénètrent en tournant dans la zone de convection entraînées par un mécanisme extérieur, un contact de fin de course inversant le déplacement de la lance en fin de trajet. Ce dernier type évite de laisser en place dans les fumées chaudes les lances en dehors des cycles de ramonage et ont une efficacité plutôt supérieure dans la mesure où le nombre d'orifice d'injection étant limité, le jet de vapeur est plus concentré sur les surfaces à nettoyer. Le schéma ci-dessous en montre un exemple.

Contacts de fin de course

Paroi du four

Chaîne d'entrainement Arrivée de vapeur

L'efficacité des souffleurs de suie est malgré tout limitée puisque les tubes concernés protègent leurs voisins de l'impact du jet de vapeur (on ne peut guère espérer atteindre plus de 3 rangées de tubes audessus et au-dessous de la lance). Cela conduit à la mise ne place d'un grand nombre de ramoneurs et par suite à une consommation de vapeur relativement importante (environ 300 kg de vapeur par ramoneur et par cycle). Les cycles de ramonage sont de une fois par quart à une fois par jour. Une technique plus récente fait appel à l'émission d'infrasons par un tube de résonance. Cette technique plus efficace (puisque les sons se propagent dans toute la zone de convection) dans la mesure où les zones ne sont pas trop amortis par la géométrie du four et peu onéreuse (absence de consommation de vapeur) est mise en œuvre avec une très grande fréquence (un cycle de 2 minutes tous les quarts d'heure, par exemple). Un nettoyage mécanique ou chimique de l’extérieur des tubes est également possible avec des fréquences variables (1 fois/trimestre).

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D MTE 063 A

Lance à vapeur

Moteur d'entrainement

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Les schémas ci-après présentent des exemples d'installation de ramoneur sonore.

Excitateur

Tube de résonance (télescopique)

Masse d'inertie Flexible compensateur

D MTE 2184 A

Diffuseur

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D 2 -2/A

∅ 300

Membrane

∅ 245 (6 trous ∅ 11 mm)

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Support

Ligne d'air de refroidissement

Air primaire

Air primaire

Filtre

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D MTE 1047 A

Électrovanne

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D MTE 3002 A

Tubes de convection

1 5

Palier avant

Mur réfractaire

3

Buses d'injection

de convection

Fuite à la garniture Mauvaise lubrification Panne électrique ou pneumatique

4 5 6

Vannes fuyardes ou purge des condensats insuffisante

Corrosion interne

3

7

Vitesse de progression de la lance incorrecte

Basse pression vapeur

7

3

Presse-étoupe

ARMOIRE DE COMMANDE

Engrenages

2

1

5

2

Conduit d'alimentation vapeur

Lance

6

Moteur

RAMONEUR DE SUIE "standard" ET ZONES À PROBLÈMES

Vanne de purge

Alimentation vapeur

7

25

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