M8-Les Équipements Thermiques 2 [PDF]

Zitiervorschau

Les équipements

thermiques 2: Fours industriels

│ Mme AFTIS.S │ Cours IAP │ EHM/EXP

Objectif du cours Une fois le cours terminé, vous serez en mesure de:

 Connaitre les différentes manières dont la chaleur est transférée .

 Décrire la conception et le fonctionnement d’un four pétrolière.  Décrire les différents usages des fours pétrolière.  Identifier les paramètres de fonctionnement et les caractéristiques principales d’un four ainsi que les fonctions de sécurité .

 Assurer une bonne exploitation et conduite des fours en toute sécurité.  Suivre les opérations d’inspection et d’entretien du four.

Fours industriels / IAP/ 2020

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Fours industriels

Généralité

/introduction

Introduction La diversité des opérations thermiques industrielles est considérable, Ces

opérations thermiques nécessitent une source de production de chaleur puis le transfert de cette chaleur vers l’objet à traiter. 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; c’est la raison pour laquelle on l'appelle four tubulaire.

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Fours industriels

Généralité

/introduction

Les fours constituant un équipement clef pour l’industrie pétrolière et doivent ,

grâce à leur conception, répondre aux exigences nombreuses émise par les utilisateurs comportant essentiellement une charge thermique déterminée. Il doit être exploité dans des conditions les plus économiques et propres. Une bonne exploitation du réchauffeur est un facteur important pour la fiabilité d’une unité de procédé.

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Chapitre N° 01 Généralité

Fours industriels

Généralité

/Grandeurs physiques

Grandeurs physiques: La température : C’est une variable d’état qui, du point de vue de la structure de la matière, caractérise le degré d’agitation de ses particules.  Elle caractérise l’état énergétique d’un corps.  Ce n’est pas de l’énergie, elle mesure l’énergie.

Figure 1: agitation des molécules https://lewebpedagogique.com/ Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/Grandeurs physiques

La chaleur: La chaleur est une forme particulière de l’énergie, appelée souvent énergie thermique, exprimée en joules ,dans la pratique industrielle en kilocalorie.

1 cal

=

4,1868 J

1 calorie = énergie à apporter pour élever la température de 1g d’eau de 1°C La

chaleur

est

donc;

l’énergie cinétique interne due à l’agitation moléculaire dans un corps. Chaleur = Transfert d'énergie d'un objet à un autre.

Figure 2: Différence entre température et chaleur https://www.ceilingo.fr/)

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Généralité

/Grandeurs physiques

Les phénomènes physiques :  La chaleur sensible désigne la quantité (apport ou retrait )de chaleur qui produisent une variation

de température sans changer l'état physique du corps.

La chaleur sensible (IFP-training)

 La chaleur latente désigne l’apport ou retrait de chaleur produisant un changement d‘état physique (condensation, vaporisation).

La chaleur latente (IFP-training) Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/Grandeurs physiques

Exemple : Réchauffage d’un pétrole brut avant distillation . Avant d’entrer dans la colonne de distillation atmosphérique, le pétrole brut subit deux opérations distinctes : – Il est d’abord préchauffé à l’état liquide dans une série d’échangeurs de chaleur, sa température croît sans qu’il y ait vaporisation. Il a reçu une quantité de chaleur sensible. – Il est ensuite partiellement vaporisé dans les tubes d’un four avant de pénétrer dans la colonne. On lui fournit alors de la chaleur latente.

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

Transfert de chaleur : L’énergie calorifique ne peut se transmettre d’un corps à un autre que s’il existe entre eux une différence de température. Cette ∆T joue le rôle d’un potentiel sous lequel s’établit le courant de chaleur

Il y a transfert de chaleur entre deux points où règnent des températures différentes : le transfert s'effectue toujours de la température

la

plus

élevée

à

la Paroi chaude

température la plus faible.

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Paroi froide

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

On distingue trois types de transfert de chaleur : • Conduction

• Convection • Rayonnement a) la conduction: la chaleur circule d'un corps à un autre en contact physique direct, par simple interaction moléculaire. Ce mode de transmission s’applique plus particulièrement aux solides, ou les fluides au repos.

Figure 3: Mécanisme de la conduction Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

L’échange de chaleur par conduction est défini par la relation de Fourier. Loi de Fourier :

dQ dT  .S dt dL Avec : dQ : quantité de chaleur dt : temps dT : température dL : épaisseur du matériau traversé par le flux de chaleur

S : section traversée par le flux de chaleur λ : coefficient de conductivité thermique du matériau. Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

Dans le tableau 1, sont reportées les conductivités de quelques corps solides, liquides et gazeux.

Tableau 1 Matériau

(W/m*K)

Matériau

(W/m*K)

Argent

419

Grès

1,8

Cuivre

386

Verre

0,78

Aluminium

204

Amiante

0,17

Fer (pur)

73

Laine de verre 0,038

Acier Inox

16

Eau

0,556

Mercure

8,2

Air

0,0262

Conductibilité thermique λ d’un matériau traduit sa capacité à conduire la

chaleur. Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

b) La convection: On définit la convection comme une transmission de chaleur par le mouvement réel des molécules en raison d'une différence de température.

C'est un processus caractéristique des liquides et des gaz. Il y a deux types de transmission de chaleur par convection: la convection naturelle due à une différence de densité et la convection forcée due à l'action d'appareils mécaniques, tels que pompes ou compresseurs.

Figure 4: Mécanisme de la convection Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

Loi fondamentale de la convection : Le flux de chaleur transmis par convection entre une surface et un fluide est donné par la relation de NEWTON:

Φ = h S ( Ts – Tf ) Avec Φ : le flux de chaleur par convection (KCAL/h) h : coefficient d’échange de chaleur (KCAL/°C) S : surface d’échange où surface de contact entre le fluide et le solide (Ts - Tf) : différence de température entre la surface du solide Ts et celle du fluide Tf

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

c) Le rayonnement : Le flux de chaleur est transporté sans transport de matière, sous forme d'ondes électromagnétique. Cette émission est d’autant plus importante quand la température du corps émetteur est élevée (ex: rayonnement solaire). Ex: énergie solaire très importante avec une température superficielle du soleil d’environs 6000°C

Figure 5: rayonnement solaire Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

Loi fondamentale de rayonnement : Loi de Stefan-Boltzman : Qr = S ε σ ( 1– T) Avec : Qr : flux de chaleur échangé par rayonnement entre corps 1 et 2. σ: La constante de Boltzmann = 4.88.10- / h.(°K) 4. S : surface du corps 1.

ε: Facteur qui tient compte des facteurs d’émissivité des deux corps . NB : Pour un corps noir ε=1.

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

Les trois mécanismes de transfert de la chaleur sont:  La conduction: transfert dans la masse

 La convection: transfert par transport  Le rayonnement: transfert à distance Dans la pratique des procédés industriels, la mise en oeuvre des échanges de chaleur fait appel simultanément aux différents modes de transmission de la chaleur.

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

Exemple :

Chauffage d’une casserole contenant un liquide Obtient les trois modes de transferts de chaleur :

Figure 6: les trois modes de transferts de chaleur https://parlonssciences.ca/ Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/modes de transfert de chaleur

Notion de flux thermique : Pour caractériser la mise en œuvre de l’échange de chaleur dans des

appareils tubulaires , on utilise habituellement la notion de flux thermique (Φ ) qui mesure le débit de chaleur échangée qui se transmet par unité de temps entre les deux milieux Φ = Q / Δt

J/s ou W

Q : la quantité de chaleur transmise par unité de temps. Lorsque ce flux thermique traverse une surface A , on obtient une densité de flux de chaleur

W/m² (SI) ou kcal / h m² ou th / h m²

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Généralité

/ la combustion

Définition de la combustion : La combustion est l’ensemble des réactions chimiques, produites au cours de l’oxydation complète ou partielle des combustibles, qui donnent, généralement, naissance à une flamme. La réaction chimique de combustion ne peut se produire que si l’on réunit

trois éléments Un combustible , un comburant et une énergie d’activation en quantités suffisantes De façon symbolique ces trois éléments sont représentés par le triangle de feu Triangle de feu https://blog.extincteur.net/ Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/ la combustion

Différents types de combustion : Combustion Rapide : Utilisée dans certaines machines telles que les

moteurs à combustion interne (une grand quantité de chaleur dégagée). Combustion Lente : se réalisant à des températures peu élevées (formation de la rouille). Combustion incomplète : la quantité de comburant est insuffisante (formation

de cendres qui émettent des fumées. Combustion Complète : permet d'obtenir la quantité maximale d'énergie disponible.

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Généralité

/ la combustion

a. Combustible : -Un solide formant des braises ( bois , papier , carton , tissu , PVC … )

-Un liquide ( essence , gasoil , huile , kérosène … ) -Un gaz ( butane , propane , méthane …)

-Un métal ( fer , aluminium , sodium , … ) Ces quatre états représentent les quatre principales classes de feux ( A, B , C , D ).

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Généralité

/ la combustion

b. Comburant : Le comburant est l’autre réactif de la réaction chimique La plupart du temps il s’agit de l’air ambiant et plus particulièrement le dioxygène (O2) Si on supprime l’air le feu s’éteint

c. Chaleur : La réaction est déclenchée par une énergie d’activation Il s’agit généralement de la Chaleur provoquée par une étincelle ou par une flamme.

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Généralité

/ la combustion

Caractéristiques des combustibles : Les principaux combustibles utilisés dans les fours pétroliers sont :

• Gaz naturel • Fuel oïl • Résidus et Asphaltes

Gaz naturel : -Masse volumique Kg / m3 ………………………0,8 -Densité …………………………………………… 0,6 -PCI (…Kcal…)……………

…………9834 - 10230

-SOUFRE TOTAL mg/Nm3……………………< 50

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Généralité

/ la combustion

Fuel-oils : PCI ( kcal/ kg ) …………………………9500 à 9800 Soufre ( % Poids ) ……………………..4 à 5 Viscosité ( csk à 50 °c ) ………………0 à 1500 Densité …………………………………….0,8 à 1 Vanadium ……………………………..jusqu’à 400ppm Résidu : PCI (Kcal/Kg) ……………… 10000 Soufre(%pds)………………. 5 à 5,5 Vanadium …………………...100 ppm Viscosité(csk à 200°c)………18 Asphalte : PCI (Kcal/Kg)……………….. Soufre(%pds) ………………. Vanadium …………………. Viscosité(csk à 200°c)……..

9900 6 125 ppm 5 à 90 Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/ la combustion

Exemple : Composition du Gaz Naturel ( % mol ) He 0,17 N2 5,6 CO2 0,12 CH4 82,27 C2H6 6,95 C3H8 2,15 iC4H10 0,33 nC4H10 0,52 iC5H12 0,09 nC5H12 0,11 C6H14 0,13 TOTAL 98,44 H2O < 80 ppm

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Généralité

/ la combustion

 Limites d’inflammabilité :

Un mélange carburant-comburant ayant une certaine propriété, peut exploser s’il est mis en contact d’une flamme ou d’une étincelle. Les concentrations de gaz dans le mélange qui permettent l’explosion de ce dernier dépendent de la composition et des propriétés de chaque gaz. La limite d’inflammabilité inferieure (LII) étant la concentration minimum au-

dessous de laquelle le gaz ne peut pas bruler. La limite supérieur d’inflammabilité (LSI) étant la concentration maximum d’un combustible dans le mélange carburant-comburant, au-dessous de laquelle le

gaz peut bruler. Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/ la combustion

Zone de flamme LSI

LII CARBURANT

LII (%)

LSI (%)

Gaz naturel

5,1

14

Propane

2,2

10

Butane

1,9

8,7

Ce sont des

proportions du volume du combustible dans le mélange

carburant-comburant.

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Généralité

/ chaleur de combustion

La chaleur de combustion : La chaleur de combustion est l'enthalpie de réaction de combustion par unité

de masse dans les conditions normales de température et de pression. C'est l'énergie dégagée sous forme de chaleur par la réaction de combustion

Réactions de combustion : La combustion est une réaction chimique d’oxydoréduction, en l’occurrence l’oxydation d’un combustible par un comburant : le combustible est le corps qui est oxydé durant la combustion ; c'est un

réducteur, il perd des électrons. le comburant c'est un oxydant, il gagne des électrons.

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Généralité

/ chaleur de combustion

Exemple : La composition des combustibles peut être représentées par la formule

générique : C Hy Ox Combustion du méthane dans le dioxygène : CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.

Figure 7: la réaction de combustion du bois https://fr.dreamstime.com/ Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/ le pouvoir calorifique

Energie dégagée et Pouvoir calorifique : La quantité d’énergie produite par la combustion est exprimée en joules (J),il s'agit de l’enthalpie de réaction.

On utilise souvent la notion de pouvoir calorifique qui est l'enthalpie de réaction par unité de masse de combustible ou l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme de combustible, exprimée en général en kilojoule par kilogramme. Les combustions d'hydrocarbures dégagent de l'eau sous forme de vapeur. Cette vapeur d'eau contient une grande quantité d'énergie.

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Généralité

/ le pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : C’est la quantité de chaleur dégagée par 1kg de combustible au cours de la combustion complète . La vapeur d’eau étant supposée non condensée et la chaleur non

récupérée

a la température de référence (0°c) et pression

constante de 760 mmHg . Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : C’est la quantité de chaleur qui se dégage au cours de la combustion complète d’1kg de combustible .

La vapeur d’eau étant supposée condensée et la

chaleur récupérée dans les même conditions que PCI La différence entre le PCS et le PCI est la chaleur latente de vaporisation Qv. Donc : PCS-PCI = Qv Fours industriels / IAP/ 2020

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Généralité

/ le pouvoir calorifique

Chambre de combustion d’un Four :

Figure 8: fonctionnement de chambre de combustion

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Chapitre N° 02 Technologies des fours

Fours industriels

Technologies des fours

/ définition

Définition : Les fours sont des appareils dans lesquels le

chauffage des fluides qui circulent dans un serpentin tubulaire, s’effectue par l’énergie produite par la combustion d’un combustible

liquide ou gazeux Rôle : Transmettre une certaine quantité de chaleur

pour chauffer un fluide qui circule à l’intérieur des tubes Groupement EL-Merk Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours

/ définition

Four :Principe fonctionnement Un

four

désignée

est pour

un

équipement

transférer

une

quantité de chaleur déterminée à un fluide a travers d´un procès de combustion contrôlée.

Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours

On distingue en général 2 zones dans un four :  Une zone dite de radiation, constituée

essentiellement d’une chambre de combustion, dans laquelle la transmission de chaleur s’effectue principalement par radiation de flamme.  Une zone dite de convection: est installée au dessus

de la zone de radiation, ou On peut

récupérer la quantité de chaleur perdue par les

fumées en mettant une partie du serpentin au contact des fumées avant qu'elles sortent de la cheminée. Fours industriels /IAP/2020

/ Différents section

Fours industriels

Technologies des fours

/ différents section

La cheminée : Les fumées quittent le four par l’intermédiaire de la «cheminée » vers l’atmosphère, pour évacuer les gaz de combustible. Le conduit amenant les fumées à la base de la

cheminée s’appelle ‘carneau ‘. DP-Hassi Messaoud

Par son tirage naturel

met la chambre de combustion en dépression et

provoque ainsi l’entrée de l’air nécessaire à la combustion par les volets d’air des brûleurs. Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours

/ différents section

La cheminée Le carneau Convection

Radiation

Fours industriels /05/2020 / IAP-EHM-Exploitation

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Technologies des fours / principe de fonctionnement

La circulation du fluide dans le four : Le fluide de traitement entre dans le

Entré fluide

four par des tubes par la section de convection, le fluide préchauffé par les gaz de combustion avant d'atteindre la section radiante.

Sortie fluide

Le fluide passe de la section de convection vers la section radiation

pour

plus

de

chaleur,

et

des

températures plus élevées.

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Fours industriels

Technologies des fours / principe de fonctionnement

 Modes de transfert de chaleur dans les fours : Dans la zone de radiation, les produits de la combustion cèdent leur chaleur

rayonnante aux surface extérieurs des tubes. Puis la chaleur est transmise à travers les parois des tubes par conduction, et par convection de la paroi interne du tube au fluide à réchauffer. Dans la zone de convection, les fumées chauds cèdent leur chaleur au fluide qui est à l’intérieur des tubes par:  La paroi des tubes est chauffée par convection.  Les Tubes transfèrent la chaleur à travers les parois par conduction.  Le fluide qui est à l’intérieur des tubes est chauffé par convection. Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours / principe de fonctionnement

Les modes transfert de chaleur dans le four (IFP-training) Fours industriels /IAP/2020

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Fours industriels

Technologies des fours / principe de fonctionnement

Modes de transfert de chaleur dans le four : A l’intérieur du

four la transmission de chaleur se fait par les trois

mécanismes : Les produits de combustions vers les tubes par Radiation et Convection. A travers les parois de tubes par conduction. A l’intérieur des tubes par convection. Les pertes à travers les murs se font par conduction.

Fours industriels /05/2020 / IAP-EHM-Exploitation

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Technologies des fours / l’utilisation des fours

Le réchauffage du fluide se fait directement ou indirectement: Réchauffeurs directs: l’énergie thermique est utilisée

directement , sans intermédiaire. Chauffage à haute température Gros débits de produit à réchauffer. Réactions chimiques endothermiques Réchauffeurs indirects: l’énergie est transmise à l’aide

d’un

fluide

intermédiaire

(caloporteur),

Généralement de la vapeur d’eau ou de l’huile chaude. Constitués

d’échangeurs

thermiques

dans

circule ce fluide caloporteur.

lesquels Formation SPIE

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Technologies des fours / l’utilisation des fours

 L’utilisation des fours tubulaires : Les usages des fours tubulaires sont multiples, On peut citer les exemples suivants :

1. Réchauffage d’un fluide sans changement de phase : Dans lesquels la charge liquide ou vapeur ne reçoit que de la chaleur sensible, C’est le cas par exemple: des fours utilisés pour le

chauffage de huile caloporteur.

Exemple d’un chauffage de huile caloporteur Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours / l’utilisation des fours

2. Réchauffage d’un fluide avec vaporisation partielle : C’est le cas de la plupart des fours de distillation atmosphérique ou sous vide (Fours de charge ou four de rebouillage en fond de la colonne) du pétrole brut, Four de colonne de stabilisation de brut.

Exemple d’un four pour la colonne de distillation atmosphérique Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours / l’utilisation des fours

Exemple d’une colonne de stabilisation avec four à chauffage direct (Champs HBNS) Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours / l’utilisation des fours

3. Réchauffage d’un fluide avec réaction chimique : Le faisceau tubulaire du four peut alors être assimilé à un véritable réacteur chimique C’est le cas des fours de charge des unités de craquage catalytique et de reforming thermique Reformage à la vapeur (fabrication d’hydrogène). Dans ce dernière cas un catalyseur est déposé à l’intérieur même des tubes du faisceau

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Technologies des fours / types des fours

 Les différents types de four : Il existe de nombreuses dispositions possibles des tubes internes dans les zones de radiation et de convection, des positions respectives de ces zones, des dispositions des brûleurs. Il en résulte de nombreux types de fours : a. Les fours cylindriques verticaux. b. Les fours cabines à bruleurs sur le sole. c.

Les fours cabines à bruleurs sur les parois.

Fours industriels /IAP/2020

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Fours industriels

Technologies des fours / types des fours

a) Les fours cylindriques verticaux : Dans ces fours, la forme générale de la zone de radiation est celle d’un

parallélépipède. Les tubes sont placés horizontalement le long des parois latérales les plus

longues, et verticalement sur la zone de radiation en général. Les brûleurs sont placés sur la sole, à la base du cylindre et la cheminée est souvent située dans l’axe de celui-ci. La surface d’échange couvre les parois verticales Présente donc une symétrie circulaire par rapport au groupe de chauffage.

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Technologies des fours / types des fours

Différents configuration d’un four cylindrique vertical

Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours / types des fours

Les fours cylindriques verticaux : Axe de symétrie vertical : • Diamètre entre : 2,5 et 25m • Hauteur de la zone de radiation :2,5 et 25m • Puissance thermique maxi : 60-70 Gcal/h ou 7 t/h de fuel par cellule

La géométrie d’un four cylindrique Fours industriels /IAP/2020

Groupement EL-Merk

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Technologies des fours / types des fours

Vapeur surchauffée

Chambre de combustion

Eau alimentaire

Préchauffage fluide process

Chaudière de récupération

Zone de convection

Four classique avec chaudière de récupération dans le carneau (SPIE )

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Fours industriels

Technologies des fours / types des fours

b) Les fours dits « cabines » à brûleurs sur la sole : Dans ces fours, dans le plus grande longueur est horizontale. Les tubes sont placés horizontalement le long des parois latérales les plus longues.

Différents configuration d’un four dits « cabine »(total formation) Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours / types des fours

Les fours dits « cabines » à brûleurs sur la sole • Largeur : 6m • Hauteur : 10-15m • Longueur : 15-40m • La longueur fonction de la puissance et du

nombre de bruleurs La géométrie d’un four cabine Fours industriels /IAP/2020

Exemple four cabine : raffinerie

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Technologies des fours / types des fours

c) Les fours dits « cabines » à brûleurs sur les parois : Certains procédés exigent un apport de chaleur intense et à un niveau de température élevé (procédés de transformation) :  Vapocraquage  Reformage à la vapeur  Pyrolyse  Topping (distillation atmosphérique) Faisceau situé dans le plan médian

4 rangées de brûleurs et jusqu’à 300 brûleurs

Configuration d’un four cabine (total formation) Fours industriels /IAP/2020

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Fours industriels

Technologies des fours / types des fours

Four cabine à brûleurs sur les parois (IFP training)

Fours industriels /IAP/2020

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Fours industriels

Technologies des fours / types des fours

La conception interne d’un four cabine à bruleurs sur les parois (IFP training ) Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours / types des fours

 Le choix du type de four :

Le choix dépend principalement des facteurs suivants :  Nature du produit chauffé et conditions de service (débit, température, pression)  Présence ou non de catalyseur dans les tubes Encombrement sur site  Facilité de construction ou de transport  Coût pour une application donnée

La part d’investissement de ce matériel au sien d’une unité de production peut atteindre 20% du prix de revient de l’unité.

Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours / constitution d’un four

Eléments constituants d’un four: Le four comprend :

 Une structure métallique portante (casing)  Matériaux réfractaires et isolants.  Une sole avec des brûleurs  Un serpentin des tubes(passes)  Des brûleurs avec des pilotes

 Panneau local d’allumage des brûleurs  Un registre de cheminée  Accessoires. Formation SPIE –Berkine Fours industriels /IAP/2020

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Technologies des fours / constitution d’un four

a. Charpente et casing : Le four tubulaire est constitué d’une enveloppe métallique (casing) constitué de tôles soudées ou boulonnées; il doit être étanche pour éviter les entrées d’air parasites et supporter le faisceau tubulaire.

Formes de casing : boite, cylindre (total formation) Fours industriels /IAP/2020

Installation de panneaux ( IFP) 28

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Technologies des fours / constitution d’un four

b. Isolation thermique : Les parois intérieures d’un four tubulaire sont recouvertes d’éléments

réfractaires de manière à isoler le four pour réduire les pertes thermiques. Utilisation de matériaux poreux tel que :

Béton réfractaire

Briques réfractaires

(IFP training)

(G.HBNS) Fours industriels /IAP/2020

Laine de verre (DP HMD)

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Technologies des fours / constitution d’un four

Les propriétés requises pour un garnissage isolant réfractaire sont variées :  Conductivité thermique faible.  Résistance mécanique élevée.

 Bonne résistance aux variations de température.  Facilité de mise en œuvre.

D’après l’API 560: la température des parois en dois pas dépasser 82°C en convection et 91°C en radiation (pour une température ambiante de 27°C et sans vent ) NB :Les produits réfractaires utilisés dans

les fours de raffinerie sont en général constitués d’argiles et diatomée. Faible perte calorifique et un isolant

IFP-training Fours industriels /IAP/2020

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Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

c. Faisceaux tubulaires:

Le four est équipé de plusieurs rangées de tubes en alliage. Le fluide qui doit être chauffé circule dans ces tubes de haut en bas. Les faisceaux tubulaires sans soudure, reliés entre eux : Soit par des coudes à

180° soudés sur les tubes Soit par des boites de retour • Composition des tubes radiants fonction de la température de fonctionnement : Acier carbone standard (maxi: 400 à 500°C)

Acier inox Alliages spéciaux Métaux spéciaux (titane, …)

IFP-training Fours industriels /IAP/2020

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Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Faisceaux de convection:

Ces tubes

de la zone de convection peuvent être garnis d’ailettes ou

d’aiguilles, afin d’augmenter la surface d’échange du coté des fumées. Généralement réalisés en acier carbone standard ou en inox.

Aiguilles dans le cas de combustible liquide

Ailetés dans le cas de fuel gaz (IFP)

Fours industriels /IAP/2020

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Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Supports des faisceaux tubulaires :

Dans la zone de rayonnement, les tubes soumis à un niveau de température important, vont avoir une dilatation relativement importante (de l’ordre d’une ou deux dizaines de centimètres).

Dans le cas des fours à tubes verticaux, pour éviter la déformation de ceux-ci lors du démarrage et des arrêts, les tubes doivent être maintenus en tension et sont guidés par des dispositifs adaptés, comme par exemple des boîtes à ressort ou des systèmes de contrepoids

Fours industriels /IAP/2020

33

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Des boites à ressort (tubes accrochés)

Un système de contrepoids (SPIE)

Fours industriels /IAP/2020

34

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Supports zone de radiation :

Contrepoids Source : DP Hassi Messaoud

Crochet du tube supérieur (four vertical) Fours industriels /IAP/2020

Crochet du tube (four horizontal) 35

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Supports zone de convection : En zone de convection, les tubes sont disposés horizontalement et en

quinconce. Leur supportage est assuré par des plaques tubulaires.

Plaque tubulaire intermédiaire DP-ZCINA Fours industriels /IAP/2020

36

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Le choix du matériaux pour le faisceau des tubes dépend des critères suivants :  Résistance à la corrosion par le fluide chauffé.

 Résistance à l’oxydation par les fumées chaudes.  Résistance mécanique en température (domaine élastique et fluage).  Aux contraintes mécaniques dues au poids du faisceau tubulaire et du

fluide qu’il contient. D’après des études la durée de vie des tubes est de 30000 à 100000 h.

Fours industriels /IAP/2020

37

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

 Fluage: Déformation lente et permanente d’un acier provoquée par une exposition prolongée à haute température, à terme aboutit à la rupture du tube.

Le fluage est d’autant plus rapide que la température et/ou que la contrainte sont élevées.

IFP-training Fours industriels /IAP/2020

38

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Ex: contrainte maximale en

fonction

de

la

température pour 100 000 h de marche

IFP-training

La durée de vie d’un tube diminue avec sa température d’exploitation Fours industriels /IAP/2020

39

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Disposition des tubes dans le four:

◦ Horizontalement (fours cabine) ◦ Verticalement

◦ En enroulement hélicoïdal

(fours cylindrique ) Fours industriels /IAP/2020

40

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Exemple : Disposition des tubes pour un four cylindrique (G.EL-Merk)

Disposition des tubes pour un four cabine (DP-Hassi Messaoud)

Fours industriels /IAP/2020

41

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Circulation du fluide process

La circulation du fluide process dans le four peut être soit mono-passe, soit multi-passe.

Circulation mono-passe (zones de convection et de rayonnement) Fours industriels /IAP/2020

Circulation multi-passe 42

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Écoulement multipasse Dans cette conception, l'alimentation au four est divisée en serpentins tubulaires. La charge d'alimentation chauffée quitte le four, elle est regroupée en sortie.

Écoulement monopasse Avec un four de cette conception, la charge passe par chaque tube du four.

Fours industriels /IAP/2020

43

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Exemple d’un four avec une circulation multi-passe (G. HBNS) Multi-passe

Fours industriels /IAP/2020

44

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Fours industriels /IAP/2020

45

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

d. Le registre : Un registre est une plaque mobile située dans la cheminé du four permettant de régler le tirage, il crée la dépression qui doit régner dans le four.

DP-ZCINA Fours industriels /IAP/2020

46

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Les parties latérales sont constituée d’un certain nombre de regards Permette d’observer : - La combustion

- La forme des flammes - La tenue des tubes

Des portes d’accès sont prévues Ces regards et ces portes doivent être

hermétiquement clos lorsque le four est en service. Groupement EL-Merk Fours industriels /IAP/2020

47

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

d. Equipements de chauffe : Brûleurs : C'est la partie du four où se fait la combustion,

conçus

pour

assurer

le

mélange

combustible /air dans la chambre de combustion au

se produit une flamme stable et homogène avec une production de chaleur.

Bruleur

Chaque brûleur est équipé d’un pilote qui doit rester allumé en permanence. Il dispose de sa propre alimentation en combustible.

En général les brûleurs sont de deux types : pour les combustibles à gaz ou liquides . Fours industriels /IAP/2020

Pilote

48

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Les brûleurs sont installés selon un cercle au centre de la sole .

Exemple d’un fours cylindrique (G.EL-Merk) Fours industriels /IAP/2020

49

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Détecteur de flamme : La détection de flamme dans le bruleur est généralement réalisée à l’aide de détecteurs UV. Admission d’air : • Les brûleurs sont équipés aussi de registres

manuels

de

réglage

d’air

d’admission . Le débit d’air peut être ajusté en déplaçant

la trappe d’avant en arrière à l’aide des

DP-Hassi Messaoud (UTBS)

poignées. Fours industriels /IAP/2020

50

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Il existe en générale deux types de bruleurs : • Soit sans pré – mélange • Soit à pré – mélange.  Les brûleurs sans pré - mélange (brûleur simple): Dans un brûleur à gaz simple, qui constitue le type de brûleur le plus basique

(par exemple, brûleur sur une cuisinière à gaz), l’air et le gaz sont mélangés au niveau du collier à coins ou de la bague du brûleur. • Technologie simple, peu coûteuse . Fours industriels /IAP/2020

brûleur simple (total formation) 51

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

 Les brûleurs à pré - mélange : L’air de combustion est mélangé au combustible avant que celui-ci ne

débouche au nez du brûleur. • Permet d’obtenir une combustion plus rapide et de mieux maîtriser la

combustion. •

Tout particulièrement, cela permet de diminuer les rejets de NOx dans les fumées.

• Coûts de fabrication plus élevés.

brûleur à pré-mélange (total formation) Fours industriels /IAP/2020

52

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Les Brûleurs combinés : Un brûleur dit « combiné » est un brûleur qui mélange la simplicité de conception d’un brûleur classique et les bonnes performances d’un brûleur à

pré-mélange. Débit d’air de combustion identique, mais réparti entre: Air secondaire : est introduit au niveau du collier Air primaire : mélangé au gaz en amont du bruleur

Fours industriels /IAP/2020

53

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Des brûleurs à huile : Nécessité de fractionner le liquide en microgouttelettes (atomisation) pour permettre une combustion rapide du liquide

L’atomisation du liquide est réalisée dans un injecteur, en utilisant généralement un gaz vecteur :

Principe de fonctionnement d'un injecteur (total formation) Fours industriels /IAP/2020

brûleur à combustible liquide classique (Total formation) 54

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Les brûleurs mixtes : peuvent brûler séparément ou simultanément des combustibles Liquides et gazeux

Exemple Brûleur mixte (IFP-training) Fours industriels /IAP/2020

55

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

 Système de Tirage : Le tirage d’un four tubulaire reflète la force permettant la mise en circulation de l’air et des fumées de combustion.

1. Four à tirage naturel: Le tirage est créée par la flottabilité des gaz chauds lorsqu'ils s'élèvent dans un four liés à leur densité plus

faible (L'air chaud monte car il est moins dense que l'air

IHRDC

froid).

Ces gaz chauds flottent dans le four, créant un léger vide dans la cheminée et attire l'air extérieur par les registres d'air. Ce phénomène est appelé « dépression ».

Le tirage naturel est fréquemment installé sur des unités de faible capacité typiquement des fours cylindriques verticaux. Fours industriels /IAP/2020

56

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

2. Four à tirage forcé : Les ventilateurs déplacent l'air et les gaz de combustion Le tirage forcé permet de réguler l'alimentation en air aux brûleurs(fours de capacité importante). Ce type de montage permet de réguler l’alimentation en air aux brûleurs. Manuel formation total

Le ventilateur utilisé aussi pour le balayage du four avant le démarrage. Ventilateur pour le balayage EL-Merk Fours industriels /IAP/2020

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Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

3. Four à tirage induit : où les fumées de combustion sont aspirées vers la cheminée à l’aide d’un ventilateur situé entre la section de convection et la cheminée.

Manuel formation total Fours industriels /IAP/2020

58

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

4. Four à tirage équilibré : Deux ventilateurs : Le premier :

Fournit de l'air aux brûleurs Le deuxième : Situé entre le four et la cheminée

Élimine les gaz de combustion Cours IHRDC

L'utilisation de deux ventilateurs permet de mieux contrôler les facteurs qui affectent la combustion complète et efficace.

Fours industriels /IAP/2020

59

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Panneaux d’allumage: Permettre à l'opérateur de contrôler localement le démarrage et l'arrêt en

toute sécurité des brûleurs et les pilots associés.

Groupement EL-Merk Fours industriels /IAP/2020

60

Fours industriels

Technologies des fours / constitution d’un four

Alimentation en gaz combustible: Le Fuel Gaz est réchauffé et filtré dans un ballon vertical avant d’alimenter les brûleurs pour éliminer les liquides contenus dans le gaz.

Séparateur gaz/condensat (G. HBNS)

Circuit de fuel gaz (skid) Fours industriels /IAP/2020

61

Chapitre N° 03 Exploitation des fours

Fours industriels

Exploitation des fours / Rendement d’un four

Bilan thermique d’un four: La quantité de chaleur libérée aux bruleurs par la combustion n’est pas intégralement transmise au fluide procédé : Les pertes thermiques sont essentiellement liées à:

• Pertes par les parois : elles représentent 1 à 2% de chaleur libérée aux brûleurs (Q entrée). • Pertes par les fumées qui évacuent à l’atmosphère :entre 5 et 20%de celui qui est libéré aux brûleurs.

Qcomb(entrée) = Qabsorbée +Qfumées +Qparois

Fours industriels/ IAP/2020

2

Fours industriels

Exploitation des fours / Rendement d’un four

 Le rendement du four : Cheminée

Qchem

Le rendement d’un four est défini comme étant le rapport de la quantité de chaleur absorbée à la quantité de chaleur fourni au four par combustion :

R (%) =

Q𝑟𝑎𝑑+Q𝑐𝑜𝑛𝑣 Q𝑐𝑜𝑚𝑏

∗100 = 1−

Q𝑐ℎ𝑒𝑚+Q𝑙𝑜𝑠𝑠+𝑄′ 𝑙𝑜𝑠𝑠 Q𝑐𝑜𝑚𝑏

Qconv Carneau

Q’loss

Qfum Chambre de combustion

Qloss Qrad

Qcomb

combustible air

IFP-training Fours industriels/ IAP/2020

3

Fours industriels

Exploitation des fours / Rendement d’un four

Paramètres dont dépend le rendement d’un four : 1. L’excès d’air de combustion :

Le débit des fumées s’accroît avec l’excès d’air L’excés d’air peut être estimé à partir de la teneur en oxygène des fumées : 2 % O2 = 10 % excès d’air 25 à 40 % excès d’air pour les combustibles liquides

DP Hassi Messaoud

20 à 25 % excès d’air pour les combustibles gazeux 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. Fours industriels/ IAP/2020

4

Fours industriels

Exploitation des fours / amélioration du rendement

Possibilités d’amélioration du rendement d’un four : L’amélioration du rendement repose sur la réduction de pertes. a. Réduction des pertes aux parois:

Amélioration de l’isolation thermique, l’utilisation de panneaux isolants installés derrière les réfractaires. b. Réduction des pertes aux fumées : Réduction de l’excès d’air (paramètre opératoire) : • Utilisation des bruleurs soignés réalisant un bon mélange de l’air

combustible. • Régulation de l’air de combustion à l’aide de ventilateur.

Fours industriels/ IAP/2020

5

Fours industriels

Exploitation des fours / amélioration du rendement

Abaissement de la température des fumées : C’est le moyen le plus efficace d’amélioration du rendement du four : un abaissement de 20°C correspond à un gain de 1%. Peut être réalisée par : • L’extension de la surface de convection sur le fluide process. • Installation d’un service auxiliaire en convection (générateur de vapeur et/ou surchauffeur de vapeur) • Le préchauffage de l’air de combustion

Fours industriels/ IAP/2020

6

Fours industriels

Exploitation des fours / amélioration du rendement

 Préchauffage de l’air de combustion : Un préchauffeur d'air est un dispositif qui utilise

une partie de la chaleur des fumées

pour

augmenter la température de l'air fourni aux brûleurs. Ce sont, en fait, des échangeurs de chaleur entre les fumées et l’air de combustion.

IFP training Fours industriels/ IAP/2020

7

Fours industriels

Exploitation des fours / amélioration du rendement

(Utilisation d’un fluide caloporteur)

Préchauffeur utilisant un fluide process

Plusieurs configuration pour le préchauffe de l’air Fours industriels/ IAP/2020

8

Fours industriels

Exploitation des fours / amélioration du rendement

Une perte de chaleur peut se produire pour les raisons suivantes :  Formation de monoxyde de carbone au lieu de dioxyde de carbone  Pas assez ou trop d'excès d'air

 Formation de coke dans les tubes  Températures trop élevées dans la cheminée Ces pertes de chaleur sont réduites par une exploitation efficace du four.

Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

Principales activités de l’exploitation d’un four:

•Analyse des fumées. •Température de peau avec alarme possible. •Température des fumées.

•Pression du combustible. •Opacité des fumées. •Température du produit. •Pertes de charge (encrassement ). •Coloration des tubes.

•Température des réfractaires. •Température du casing. Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

Principaux points de contrôle : 1. Régime du four : TC

On contrôle le régime du four sur la base de la température du fluide process en sortie du four.

FC gaz

 Débit du combustible réglé en fonction de la température de sortie du fluide à réchauffer

 Nécessité d’ajuster le débit d’air de combustion Cette régulation agit le plus souvent, en cascade sur un régulateur de pression du combustible en amont

des brûleurs. Régulation du régime du four (formation SPIE) Fours industriels/ IAP/2020

11

Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

2. Excès d’air / Excès d’oxygène : Excès d’air: baisse du rendement car on doit réchauffer plus de fumées

(elles sont diluées par l’excès d’air) Défaut d’air = danger! ◦ Combustion incomplète: augmentation des imbrûlés potentiellement

combustibles (former du monoxyde de carbone et des suies). ◦ Risque d’incendie dans le carneau (en cas d’entrée d’air, de fuites au niveau du casing du carneau). ◦ Risque d’explosion. Il est donc préférable de maintenir un léger excès d’air afin de conserver une sécurité suffisante par rapport au bon fonctionnement du four. Fours industriels/ IAP/2020

12

Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

Sur les réchauffeurs à tirage forcé ou tirage équilibré: AI O2 FC gaz

Dans la pratique, la régulation directe du débit d’air reste peu utilisée (manque de fiabilité de la mesure) et on préfère réguler le

FC air

débit d’air proportionnellement au débit de combustible. Stœchiométrie (optimum théorique)

Zone de danger

0% 1%

5%

Excès d’oxygène

Marge de Baisse du rendement sécurité du four Zone de fonctionnement sûr

Schéma de principe de la régulation de la combustion (formation SPIE ) Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

3. Le tirage : Le tirage est un élément important pour une bonne combustion dans un four à tirage naturel. Il est très important de maintenir le tirage adéquat pour le four. Tirage trop faible: •

Surpression dans la chambre de combustion

•

Eteindre les brûleurs, et étouffer la flamme.

•

Endommager la structure métallique

Tirage trop fort : • Perte de rendement (excès d’air) • Soufflage de la flamme La régulation de tirage avec le réglage de la position du registre de la cheminée . Fours industriels/ IAP/2020

DP-UTBS 14

Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

La pression dans le four est généralement mesurée à 4 endroits au minimum : • Au niveau des brûleurs. • En sortie de la chambre de combustion. • En sortie de la zone de convection. • En aval du registre de la cheminée. L’évolution de la pression dans le four est fonction de la perte de charge occasionnée

par les équipements et la circulation des fumées et de l’air dans le four (résistance à l’écoulement). La pression dans le four est négative parce que les gaz chauds sont moins denses que l'air extérieur. Fours industriels/ IAP/2020

profil typique de la pression dans un four à tirage naturel 15

Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

 Alimentation en air atmosphérique : L’air est alimenté à la pression atmosphérique Débit d’air déterminé par la dépression à la sole du four et la taille du brûleur.

 La pression à la sole est de l’ordre de -20 mm CE.

 Débit d’air régulé par l’ouverture du registre/ des ventelles d’air. Le brûleur devra fonctionner avec 3.2% d’O2

Réglage débit d’air (DP-UTBS)

pour un excès d’air de 20% en tirage naturel de manière à avoir un bon mélange air/combustible. Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

 Alimentation en air forcé : Débit d’air régulé par les ventelles à l’aspiration de la soufflante d’air  La pression dans le caisson d’air est de l’ordre de +300 mm CE L’alimentation en air forcée permet : -Une plus grande capacité ou moins de brûleurs pour une même puissance de chauffe. -Une régulation du débit d’air. -L’utilisation d’un préchauffeur d’air.

Alimentation en air forcé (total formation)

Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

4. Débits de fluide process : Four multi passe: la distribution du débit dans les différentes passes doit être homogène. Le débit doit être égal dans chaque passe du four (écart maximum de 5%). Pour un écoulement

équilibré

entre les passes, chacune de ces soupapes doit être placée de

façon équivalente. Chacune des passes est équipée d'un

régulateur

de

débit

qui

commande le débit. Exemples de régulation du débit process (IFP) Fours industriels/ IAP/2020

18

Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

5. Température fluide process : Capteurs installés en sortie des zones de convection et de radiation: • Détection de problèmes d’écoulement. • Détection d’un mauvais réglage dans le

four. • Évaluation

de

la

répartition

des

transferts d’énergie entre les zones de convection et de radiation. • Pilotage du régime du four. Evaluation de la répartition de l'échange thermique (IFP) Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

 Thermocouples : Le thermocouple est l'un des capteurs les plus couramment utilisés pour la mesure de températures. Il existe deux fonctions distinctes dans l’utilisation de ces instruments :

 Contrôle de température de peau des tubes.  Contrôle de température des fluides. Les thermocouples doivent être accessibles et facilement remplaçables. Il est protégé par des gaines de protection en céramique ou métalliques. Un thermocouple dans la zone de radiation (G.EL-Merk) Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

Protection métallique  Utilise des matériaux en acier avec partiellement des parties en Ni et Cr  Peut résister à des températures de 1150°c Protection céramique :  Utiliser surtout dans les milieux gazeux  Peut résister à des températures de 1600°c

NB: Une augmentation de la différence entre la température de la charge et la température du métal du tube peut indiquer la formation de coke.

Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

6. Température des fumées : Permet de détecter un mauvais réglage du four

◦ Débit de combustible trop grand. ◦ Tirage trop important. Permet de détecter un incendie dans le carneau

La température des fumées ne doit toutefois pas être trop basse. Elle doit rester supérieure à 160°C dans la cheminée, afin d’éviter la condensation des

DP-ZCINA

composés acides dans celle-ci, ce qui entraine une corrosion rapide des équipements. Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

Qualité de la combustion :  Qualité de chaleur maximale obtenue pour une combustion complète

 Pas de formation d’imbrulés avec une teneur minimale en oxygène dans les fumées  Teneur en oxygène mesurée par sonde oxyde

de

zirconium

ou

analyseur

paramagnétique  CO et CO2 mesurés par analyse infra-rouge Analyseur des fumées (IFPTraining)

Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

7. Aspect des flammes : Une flamme stable et bien réglée est essentielle au bon fonctionnement d’un four.

Mise en marche / allumage du brûleur

Forme de flamme correcte La base de la flamme est assez bleue et montre une bonne combustion propre. Fours industriels/ IAP/2020

Utilisation d’un carburant contenant plus de GNL (64%), poids moléculaire plus faible. 24

Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

8. Contrôle visuel du four : Le contrôle visuel de l’état du four est également une tâche importante de l’opérateur terrain et fait appel à sa vigilance et à sa capacité de détection des anomalies. À l’extérieur: • Ordre / propreté • Absence de fuite (odeur, bruit, flaque, …) • Absence de vibrations • Contrôle du supportage et des dilatations

• Absence de points chaud (cloquage de la peinture, …)

Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

À l’intérieur: L’intérieur du four peut être observé par l’intermédiaire des ouvreaux (regard). • Aspect des flammes (stables).

• Aspect des tubes (couleur, impact de flamme, …). • Présence de réfractaire sur la sole. Attention : • Ne jamais rester face à un ouvreau lorsqu’on l’ouvre (risque de retour de

flamme). Contrôler la valeur de la dépression dans le four avant d’ouvrir un Contrôle visuel de l'intérieur d'un four via un ouvreau (formation SPIE)

ouvreau. Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / paramètres de contrôle

Exemple de contrôle d’un four de stabilisation de brut (DP-UTBS) Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / la sécurité dans les fours

 Sécurités principales dans les fours : Les sécurités installées sur les fours tubulaires permettent de protéger celui-ci d’une dégradation et protègent le personnel et l’environnement du four contre les effets d’une explosion. Des alarmes permettent d’avertir le personnel d’exploitation lorsque ces paramètres atteignent des valeurs limites fixés à l’avance. Les sécurités installées sont les suivantes:  Température de sortie fumées très haute TSHH.  Ecart de Température trop important sur les passes.  Débit de charge très bas ou très haut FSLL/FSHH.  Pression du combustible trop basse ou trop haute PSLL / PSHH.  Perte de flamme. Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / la sécurité dans les fours

 Les principales fonctions de sécurité : Sont énumérées ci-dessous :

Coupure des feux par basse pression du combustible. Contrôle de flamme par pilotes. Surpression limitée en utilisant la soupape.

Ouverture du registre à la défaillance de la commande. Alimentation en vapeur d’étouffement. Alimentation en vapeur de protection à l’intérieur des tubes.

Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / la sécurité dans les fours

 Sécurité liée a l’exploitation d’un four : 1. Pression basse alimentation en combustible: Cette sécurité permet de détecter un manque de combustible pouvant entrainer l’extinction de la flamme. Le rôle de cette sécurité est d’arrêter le four 2. Perte de flamme : Risque d’accumulation de combustible non brûlé dans le four ( incendie / explosion) 3. Débit bas fluide process : Éviter le risque de surchauffe des tubes mal drainés. Risque de cockage dans les tubes

Fours industriels/ IAP/2020

30

Fours industriels

Exploitation des fours / la sécurité dans les fours

4. Pression basse d’air de combustion : Lorsque le tirage d’un four est forcé ou équilibré on installe une sécurité de

pression basse ou de débit bas sur l’air de combustion 5.

Sur un four utilisant un combustible liquide:

Pression basse atomisation: Fractionnement du fluide incomplète, risque d’accumulation de liquide sur la sole Détection incendie : d’étouffement pour éteindre un incendie interne à l’aide d’une injection de vapeur, ou éventuellement de gaz neutre (azote)

6. Lorsque un brûleur s’éteint et La combustion brusque du mélange donne lieu à une surpression instantanée importante pouvant produire de très graves dégâts. Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / la sécurité dans les fours

7. Pression haute gaz de combustion : Lorsque l’alimentation en air est limité, l’accumulation d’imbrûlés pouvant

aussi entrainer une explosion ou un incendie. Vérifier que la pression de gaz est dans la plage d’utilisation définie pour le

pilote et le brûleur. Sur les fours utilisant du gaz, on trouve

généralement un dispositif à 3 vannes Permet de garantir l’arrêt de l’alimentation en gaz du four, y compris en cas de vanne fuyarde ! Et assurer une fermeture rapide du

Alimentation gaz en service

Alimentation gaz à l’arrêt

Sécurité sur l'alimentation en gaz

circuit. Fours industriels/ IAP/2020

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Fours industriels

Exploitation des fours / la sécurité dans les fours

8. Niveau haut séparateur d’entrée Sur l’alimentation en combustible des fours à gaz, on trouve généralement un séparateur gaz/liquide dont le rôle est d’éliminer les condensats qui pourraient être éventuellement présent dans le gaz. L’introduction de condensats sur un brûleur à gaz peut provoquer un incendie. La combustion non prévue de condensats modifie les

paramètres

de

combustion

et

entraine

l’augmentation des rejets en cheminée (imbrûlés, CO, poussières) et possède donc un impact environnemental. L'alimentation en gaz d'un four Fours industriels/ IAP/2020

33

Fours industriels

Exploitation des fours / la sécurité dans les fours

T sortie des fumées taux d’oxygène débit d’huile

T peau de chaque passe

Perte de flamme Dépression P fuel gaz

Fours industriels/ IAP/2020

Chapitre N° 04 Conduite des fours

Fours industriels

conduite des fours / procédures de démarrage

Préparation du four pour l’allumage : Les étapes principales pour démarrer un four sont : • Balayage du four par de l’air pendant une durée minimale • Allumage des pilotes • Allumage des brûleurs • Montée en température du four La préparation du four pour l’allumage consiste premièrement à s’assurer de la propreté et de l’accessibilité de la zone du four : élimination des déchets,

rangement des outils, nettoyage des flaques d’huile, … • Tout le dispositif de sécurité doit être prêt Fours industriels / IAP/ 2020

2

Fours industriels

conduite des fours / procédures de démarrage

1. La première étape du démarrage d’un four est le balayage de la chambre de combustion, dont le but est d’éliminer l’accumulation de gaz

inflammable dans le four (la purge dure respectivement 15 ou 30 minutes). 2. Un test d’explosivité de l’atmosphère du four peut être réalisé en plusieurs endroits dans le four pour vérifier qu’il n’y a aucun gaz inflammable. 3. Vérifier que toutes les ouvertures d’accès et de regards sont fermées; l’air ne doit pas entrer dans le four que par les registres des brûleurs.

4. Les tubes doivent reposer sur leurs supports, les supports ne doivent pas être lâches ou cassés. Fours industriels / IAP/ 2020

3

Fours industriels

conduite des fours / procédures de démarrage

 S’assurer que les vannes et robinets de combustibles des brûleurs sont étanches 5. Allumage des pilotes : Vérifier le fonctionnement des pilotes Les pilotes doivent être allumés un par un Régler l’excès d’air de manière à ce que la flamme des pilotes ne se détache

pas 6. Les lignes process : Avant d’allumer les brûleurs, il faut s’assurer de la circulation du fluide process dans les tubes radiants (risque de surchauffe).

Fours industriels / IAP/ 2020

4

Fours industriels

conduite des fours / procédures de démarrage

7. Allumage des brûleurs : Commencer à allumer les brûleurs un par un selon les besoins afin que le feu dans le four soit équilibré et une répartition correcte de la chauffe. Avant d’allumer chacun des brûleurs, vérifier que le pilote correspondant soit

allumé. - Vérifiez que les registres d'air du brûleur s'ouvrent et se ferment correctement 8. Contrôle de la combustion: • La chambre de combustion doit être en dépression en toutes ses parties.

Contrôler à travers les déprimogènes. • Les flammes doivent être parfaitement orientées vers le haut de manière à

ne pas toucher directement ni le faisceau ni la paroi interne du four. Fours industriels / IAP/ 2020

5

Fours industriels

conduite des fours / procédures de démarrage

• En conditions de marche normales, la chambre de combustion doit apparaître claire, et les flammes doivent être compactes et égales. 8. La montée en charge du four :

Le four est ensuite mis en chauffe progressive. Sur les gros fours, on n’allume généralement pas tous les brûleurs en même temps, car l’énergie libérée par la combustion serait trop importante (risque de l’usure de four).

• Pour protéger le réfractaire et les supports de tube.

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Fours industriels

conduite des fours / procédures de démarrage

9. Contrôle automatique :

Le système passe en commande automatique lorsque les brûleurs fonctionnent correctement et que le fluide de traitement atteint la température normale.

Une fois passé à automatique, les changements de température de sortie du fluide de processus déclenchent automatiquement des changements dans la quantité de combustible envoyée aux brûleurs.

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Fours industriels

conduite des fours / procédures de démarrage

Vérification en marche de l’état de l’ensemble du Four : L’opérateur doit vérifier les paramètres de fonctionnement du Four (débit, températures et pression) en la détection des anomalies suivantes : • La température d’entrée fluide de process. • La température de sortie d’huile. • Le pression de fuel gaz au niveau des brûleurs dans PIC. • La pression de fuel gaz au niveau des pilotes

• Vérifier l’état et l’orientation des flammes au niveau de chaque brûleur dans le four. • Ajuster l’ouverture des vantelles afin d’assurer une pression différentielle négative. Fours industriels / IAP/ 2020

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Fours industriels

conduite des fours / procédures d’ Arrêt

Arrêt du four : Il y a deux types d’arrêts : • Les arrêts programmés.

• Les arrêts d’urgence. 1. Arrêt programmé (normal) :

On doit mettre le Four sous contrôle manuelle Diminuer progressivement le régime du four, en éteignant les brûleurs les un après les autres, afin de limiter les chocs thermiques. Lorsque la température de sortie a chuté d'une quantité prédéterminée,

l'opérateur extérieur ferme le premier brûleur (ferme la vanne d'isolement).

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conduite des fours / procédures d’ Arrêt

 Le ventilateur de purge est mis en marche une fois que les vannes de sectionnement et d’évent sont fermées (ouvert pour l’évent).

 Une fois la chauffe stoppée, l’alimentation du four en fluide process peut être également interrompue. 

L’opérateur lance le balayage en appuyant sur le bouton poussoir

« démarrage du balayage » (situé sur le panneau local) qui démarre le ventilateur (fours à tirage forcé ou équilibré)  Les registres de la cheminée et d’entrée d’air des brûleurs peuvent être

maintenus ouverts pendant 15 minutes pour vider le four de ses derniers gaz d’échappement.

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conduite des fours / procédures d’ Arrêt

2. Arrêt d'urgence : L'arrêt d'urgence est nécessaire quand le fonctionnement du four devient gravement anormal. Arrêter le four grâce à un bouton spécial situé dans la salle de contrôle, en bloquant l'arrivée du gaz combustible au four et de la charge du four. Conditions conduisant à un arrêt d'urgence :

a) Une rupture de tubes : • Température de cheminée anormalement élevée. • Faible débit de fluide de processus. b) Pression de carburant insuffisante dans le collecteur de carburant (peut entraîner des extinctions / explosions). c) Panne de courant électrique (peut entraîner la perte de l'instrumentation). Fours industriels / IAP/ 2020

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conduite des fours / inspection et entretien

L’entretien de réparation : 1. Inspection interne du four :

 Inspection des tubes pour voir s’il y a accumulation de tartre, de rouille et de produit corrosif.  Et contrôle de la corrosion sur le circuit process « prise de mesures d’épaisseurs au niveau des endroits critiques » .  Inspection des supports des tubes de four.

 Inspection interne de la couche réfractaire du four et l’état de la flamme. 2. Nettoyage externe des tubes : L'huile combustible brûlée dans les fours laisse une couche de cendre à

l'extérieur des tubes susceptible de réduire le transfert de chaleur. Fours industriels / IAP/ 2020

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conduite des fours / inspection et entretien

La méthode classique utilisée pour éliminer ces dépôts repose sur le soufflage des suies par un jet de vapeur ou l’air (les ramoneurs) Les tubes du souffleur de suie sont perforés d'orifices permettant d'évacuer la vapeur. L'opération peut être effectuée sans arrêter le four.

Souffleur de suie à élément rotatif (total formation)

Souffleur de suie avec lance rétractable Fours industriels / IAP/ 2020

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conduite des fours / inspection et entretien

Cette méthode demande d’utiliser un grand nombre de ramoneurs et donc

une consommation de vapeur assez importante (environ 300 kg de vapeur par ramoneur). Une technique plus récente fait appel à l’émission d’infra - son par un tube de

résonance. Les sons se propagent dans toute la zone de convection Plus

économique

ramoneurs

vapeur

comparer mais

au

moins

efficaces Un cycle de nettoyage (2 min) toutes les 15 minutes . Ramoneurs Sonores (IFP-training) Fours industriels / IAP/ 2020

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conduite des fours / inspection et entretien

Nettoyage chimique (four en marche): Injection sous pression de l’air ou de l’eau dans la zone de radiation et convection à partir des trappes d’observation, en utilisant une lance équipée du buses adaptées. Deux méthodes utilisées : Par voie humide Le produit est pulvérisé autour des bruleurs, entre la flamme et les tubes de

radiation, il consiste en NITRATE de MAGNESIUM et de NITRATE AMMONIUM totalement hydrosoluble avec des inhibiteurs, des catalyseurs et un colorant de pH-contrôle dans une solution aqueuse

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conduite des fours / inspection et entretien

Par voie sèche : Le produit est injecté directement sur les tube sous forme solide Le produit permet de modifier la composition des dépôts qui recouvrent les tubes. L’air comprimé utilisé pour appliquer le produit, détache ces dépôts et par l’effet mécanique les entraine et les élimine avec les fumées. L’oxyde provenant de la réaction du produit sur les dépôts permet leur combustion ( réaction avec le carbone non brulé. Le produite transformé en brouillard).

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conduite des fours / inspection et entretien

3. Nettoyage interne des tubes (décokage) : Le cokage c’est l’accumulation de dépôts dans les tubes du four. Pour le nettoyage interne des tubes on utilise le procédé de décokage Les opérations de décokage peuvent être réalisées par :

 Décokage à la vapeur et à l’air surchauffés dans les tubes. Cette action a pour effet de brûler le coke et de nettoyer les tubes.  Décokage mécanique avec de l’eau chaude à très haute pression poussant un racleur ou « pig ».

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conduite des fours / problèmes liés à l’exploitation

Les incidents sur les fours: 1. Passage en atmosphère explosive : Cet incident concerne essentiellement les fours pour lesquels le débit d’air de combustion n’est pas asservi au débit de combustible, ou particulièrement si tous les brûleurs ne sont pas en service et que le débit d’air est distribué sur tous les brûleurs allumés et éteints. La présence d’un mélange des imbrulés dans la chambre de combustion,

cela conduit le plus généralement à une combustion explosive. Il faut donc disposer d’une dépression largement suffisante pour permettre l’admission d’air, le débit d’air doit augmenter avant celui de combustible. Fours industriels / IAP/ 2020

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conduite des fours / problèmes liés à l’exploitation

2. Rupture des tubes : La rupture des tubes dans la chambre de combustion est l’incident le plus aggravée, provoqué par le cokage, et des surchauffes.

 Points chauds : Un point chaud est une zone du four qui a surchauffé. La surchauffe peut être provoquée par un choc de flamme ou une répartition inappropriée de la chaleur dans le four. Le dépôt du coke à l’interieure des tubes réduit le débit d'écoulement, limitant ainsi la chaleur transportée par le courant de procédé. Il agit en

Accumulation de coke (IHRDC)

tant qu’isolant. Fours industriels / IAP/ 2020

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conduite des fours / problèmes liés à l’exploitation

• Choc de flamme : Un choc de flamme se produit lorsqu'une flamme entre en contact avec les tubes dans le four . Ce contact provoque une surchauffe qui favorise la formation de coke dans les tubes. Si le problème n'est pas corrigé, Le métal faiblira et peut éventuellement rompre, risque de prendre feu.

Exemple d'accumulation de coke

Rupture de tube (IHRDC) Fours industriels / IAP/ 2020

Choc de flamme (IHRDC) 20

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conduite des fours / problèmes liés à l’exploitation

3. Déséquilibre de la chauffe : Dans un four multi-passes une hétérogénéité de chauffage de chacune

d’elles. Peut être due à des chauffages différents (Brûleurs alimentés par des combustibles différents), ou encore à des débits différents dans chacune des passes. Des tubes trop chauffés ou insuffisamment refroidis subissent des contraintes thermiques conduisant à leur déformation.

Le phénomène étant aggravé lorsque la surchauffe se traduit par le dépôt de coke isolant à l’intérieur des tubes.

Les remèdes à apporter consistent en adaptation du chauffage au refroidissement des tubes. Veuillez à ne pas trop déséquilibrer les passes en débits et température. Fours industriels / IAP/ 2020

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conduite des fours / problèmes liés à l’exploitation

4. Arrivée d’un nuage de gaz combustible : Cas envisagé : four à tirage naturel, combustible fuel gaz, nappe extérieure de gaz en direction du four, présence de détecteur de gaz à proximité du four, vent défavorable. Risques : • Étouffement du four le plus favorable .

• Inflammation de la nappe de gaz. • Explosion (le plus défavorable) au contact et passage du gaz dans la cellule de radiation. Remèdes: Couper et isoler le combustible.

Ouvrir la vapeur d’étouffement.

IFP training Fours industriels / IAP/ 2020

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conduite des fours / problèmes liés à l’exploitation

5. Autres exemples d’incidents :

• Décrochage de flamme, extinction d’un ou des brûleurs. • Bouchage, figeage des circuits de combustibles. • Vibration des fours, origines possibles (combustion, hydraulique). • Montée en pression du four, bouchage partiel de la convection. • Flash important de l’allumage d’un bruleur. • Déplacement des tubes du faisceau : rupture des supports des fluides ou plaques tubulaires. • Une défaillance du brûleur entraîne l'extinction de la flamme. • Dommages réfractaires : une observation visuelle à l'intérieur de la chambre de combustion Fours industriels / IAP/ 2020

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conduite des fours / problèmes liés à l’exploitation

Influence de l'excès d'air sur l'efficacité et l'économie de carburant :

Les fours

sont conçus pour fonctionner avec un excès d'air de 20%. Si

l'excès d'air est bien inférieur à la conception, il existe un risque sérieux de fonctionnement insatisfaisant: Flammes plus importantes et impact des

flammes sur les tubes, conduisant à la cokéfaction et à la durée de vie des tubes Si l'excès d'air est beaucoup plus élevé que prévu, le débit de gaz de combustion sera augmenté et plus de chaleur sera perdue dans les gaz de combustion sortant via la cheminée et augmentera le combustible requis pour le brûleur. c'est-à-dire chauffer l'air de combustion supplémentaire.

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conduite des fours / problèmes liés à l’exploitation

Four 101 Raffinerie d’Alger Photo 1. Tête de bruleurs érodée

Photo 2. Dépôt de graphite

sur les têtes de bruleur

Photo 3. Déformation des tôles de la sole

Photo 4. Cisaillement des tôles de bruleurs

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Des fissures sur le sol du four Détachement de la laine de verre

Déformation fond du bruleur

Groupement EL-Merk

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Références bibliographiques

 P.Wuithier, le pétrole : Raffinage et Génie Chimique, éd Technip (1972) 

Supports de formation professionnelles : cours IFP, formation Total.



J.P. Trambouze, « Matériels et Equipements », Editions Technip, (1999).



Formation SPIE : Manuel théorie 03 : équipements.

 Formation Berkine OJT (Manuel opératoire).  Formation spécialisée : IAP Skikda, IAP Arzew.  Manuel opératoire: UTBS, groupement Berkine (HBNS & EL-MERK).

 Cours IHRDC.  Training Course BIH J698 Algeria (formation MLE, Furnace System).  Recherche internet.

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