Chaudières Et Fours Industriels

ÉNERGIES

Chaudières et fours industriels Réf. Internet : 42209

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SOMMAIRE

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Chaudières. Bilans et dimensionnement par

Markus HAIDER

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Professeur à l’Université technique de Vienne (Autriche) Directeur de l’Institut d’énergétique et thermodynamique et

Philippe SEGUIN Directeur du département Systèmes de combustion CNIM – Division Environnement

1. 1.1 1.2 1.3 2. 2.1 2.2

2.3

2.4 2.5 2.6

Définition et types de chaudière ......................................................... Principes de construction ............................................................................ Influence de la puissance, du combustible et des paramètres process .......................................................................... Systèmes de circulation .............................................................................. Bilans énergétiques et bilan matière .................................................. Transformation énergétique dans une chaudière à combustion............. Données de départ d’un bilan de chaudière .............................................. 2.2.1 Caractéristiques de l’eau et de la vapeur .......................................... 2.2.2 Caractéristiques du combustible ....................................................... 2.2.3 Calcul de combustion et bilan masse................................................ Bilans énergétiques pour une chaudière à combustion ........................... 2.3.1 Rendement .......................................................................................... 2.3.2 Puissance (ou chaleur) utile principale ............................................. 2.3.3 Puissance utile annexe ....................................................................... 2.3.4 Puissances introduites ........................................................................ 2.3.5 Pertes ................................................................................................... Bilan matière d’une chaudière à combustion ............................................ 2.4.1 Débit de combustible à brûler à une allure donnée ......................... Bilan énergétique d’une chaudière de récupération ................................. Essais de performances...............................................................................

Pour en savoir plus ...........................................................................................

BE 8 730 - 3 — 4 — —

6 6

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7 7 8 8 8 9 10 10 11 11 11 12 14 14 14 15

Doc. BE 8 730

e terme chaudière définit un appareil qui transfère de l’énergie sous forme de chaleur et délivre de la vapeur sous pression ou de l’eau surchauffée sous pression. La vapeur produite peut couvrir une large plage de température (saturée ou surchauffée) et de pression (sous- ou supercritique). Les chaudières participent à la majorité des procédés thermodynamiques de production d’électricité et sont des appareils incontournables de l’énergie et de la thermique industrielle. Le présent dossier [BE 8 730] explique la typologie des solutions technologiques, les phénomènes physiques à prendre en compte et les relations thermodynamiques qui permettent d’établir un bilan thermodynamique. Les chaudières traitant d’un fluide différent de l’eau tel que les chaudières à sodium, à mercure, à sel fondu, à fluide organique, etc. sont exclues. Les sources de chaleur envisagées proviennent : – soit de la combustion de produits fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel, etc.) ; – soit de la combustion de déchets ou de biomasse ; – soit de la récupération de chaleur pure en aval de turbines à gaz, en aval de procédés chimiques ou en aval d’une installation solaire thermique.

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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I.

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BE 8 730 – 1

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CHAUDIÈRES. BILANS ET DIMENSIONNEMENT ___________________________________________________________________________________________

Sont exclues les chaudières électriques et les chaudières nucléaires, qui sont étudiées dans d’autres rubriques spécialisées. Les chaudières à eau chaude sous pression font aussi l’objet de dossiers spécialisés. Dans le dossier suivant [BE 8 731] sont présentés les différents constituants d’une chaudière, notamment le système de combustion et les circuits eau/vapeur et air/fumées. Un dernier dossier [BE 8 732] est consacré à des applications spécifiques comme les chaudières de puissance, les chaudières à déchets, les chaudières à biomasse et les chaudières de récupération.

Ｑ

Notations et symboles Symboles

Unités

cp

kJ/kg · K

C

–

& Cr

kW

H

kJ/kg

L&

kW

perte de puissance

& m

kg/s

débit-masse

M

g/mol

P

kW

PCI PCS

C, H, S, O, N CV

broyeur désulfuration chaleur dans cendres volantes et mâchefers carbone, hydrogène, soufre, oxygène, azote cendres volantes

el

électrique

en

entrée

ext

extérieur

enthalpie massique

–

MPa

CCM

crédit de puissance introduite

b

p

d

constante pour calcul des pertes par rayonnement et convection

kJ/kmol

–

broy

capacité thermique massique (le surlignage signifie qu’il s’agit d’une valeur moyenne sur la plage de température considérée)

Hm

n

Indices

Définitions

enthalpie molaire perte spécifique (loss )

F

combustible brûlé

F0

combustible introduit

masse molaire

G

gaz, fumées

facteur d’air

i

composé i

pression

ib

imbrûlés

puissance mécanique ou électrique

int

introduite

kJ/kg

pouvoir calorifique inférieur

K

calcaire

kJ/kg

pouvoir calorifique supérieur

MF

mâchefers

Q&

kW

r

kJ/kg

t

oC

X

kg/kg

teneur en vapeur d’eau

RA

réchauffeur d’air

γ

kg/kg

masse de composant par masse du combustible

RC

rayonnement et convection

O, N

puissance thermique

rec

enthalpie massique de vaporisation

R

température

η

–

rendement

ϕ

–

humidité relative (en degré hygrométrique)

µ

kg/kg

s

pouvoir comburivore ou fumigène

A

air

recirculation référence

sortie

sat

saturation

sec

sec

souff

Indices

oxygène, azote

soufflage

tir

tirage

ut

utile

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ambiante

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vapeur

Ash

cendres (ash )

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ventilateur

B

BE 8 730 − 2

0

chaudière (boiler )

stoechiométrique

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___________________________________________________________________________________________ CHAUDIÈRES. BILANS ET DIMENSIONNEMENT

1. Définition et types de chaudière

Turbine HP

MP

BP Alternateur

Chaudière

Aperçu historique Dégazeur

Tout en sachant que les premiers générateurs de vapeur ont été développés par Heron (120 av. J.-C.), l’ère moderne des chaudières commençe au début du XVIIIe siècle avec Savary (1698), Newcomen (1712) et Watt (1769) [1]. Les premières chaudières à tubes de fumées ont été développées par Stevens et Trevithick (1811) et la première chaudière à tubes d’eau par Eve (1825) [1]. Le vingtième siècle a surtout été marqué par de nombreux développements dans les domaines du traitement d’eau, des aciers et des techniques de fabrication (soudage). En parallèle, des techniques de combustion (charbon pulvérisé) se développent, les turbines à vapeur apparaissent et les notions de thermodynamique s’affinent. Les augmentations de la pression et de la température de la vapeur sont apparues comme des facteurs essentiels pour l’amélioration du rendement des cycles énergétiques, tandis que l’augmentation de la puissance unitaire a été le principal moteur des réductions de coût. Quelques étapes clés de la technologie moderne ont été : – la combustion à charbon pulvérisé ; – la resurchauffe ; – les parois membranes ; – la circulation forcée d’eau ; – la marche en pression glissante. Tous ces développements ont été introduits entre 1920 et 1970.

Condenseur

Réchauffeurs HP

Rechauffeurs BP

a cycle vapeur sans resurchauffe

Vapeur surchauffée

Turbine HP MP

BP

Alternateur

Chaudière

Vapeur resurchauffée Condenseur Dégazeur

Réchauffeurs HP

À l’heure actuelle, l’état de la technique peut être résumé de la manière suivante :

Réchauffeurs BP

Postes de réchauffage b cycle vapeur avec resurchauffe

– les générateurs de vapeur (chaudières) pour les centrales à charbon sont basés sur la technologie de combustion à « charbon pulvérisé » ou en « lit fluidisé circulant », une circulation eau vapeur de préférence forcée, avec une capacité thermique allant de 600 à 2 600 MWth. Les paramètres eau vapeur vont jusqu’à 300 bar et 620 oC pour la partie haute pression (HP), et des développements en cours visent 350 bar et 700 oC ;

Chaudière de récupération Cheminée Gaz d’échappement (fumées)

– les centrales à gaz sont basées sur des cycles combinés avec turbine à gaz (TAG) et turbine à vapeur (TAV). Les générateurs de vapeur sont du type « récupération » et contiennent des économiseurs, évaporateurs et surchauffeurs à plusieurs niveaux de pression (jusqu’à trois). La circulation eau vapeur est souvent naturelle, mais on peut noter de plus en plus fréquemment l’apparition de chaudières à circulation forcée ;

Turbine à gaz Chambre de combustion T

– les chaudières à biomasse couvrent une très large plage de capacité qui peut varier de 2 MWth jusqu’à 500 MWth . La circulation eau vapeur est majoritairement naturelle, la combustion se fait sur grille de combustion ou en lit fluidisé dense ou circulant ;

C Air

T turbine C compresseur

– les chaudières d’incinération vont de 2 MWth jusqu’à environ 130 MWth par ligne. La circulation eau vapeur est naturelle, la combustion se fait sur grille de combustion ou en lit fluidisé ;

Vapeur Vapeur Vapeur HP MP MP, froide Vapeur BP

MP/BP

HP

Condenseur

Alternateur

Turbine à vapeur c cycle combiné

Figure 1 – Cycles eau/vapeur des différentes chaudières

– les chaudières industrielles couvrent une plage très étendue de capacités et de technologies qui inclut, outre les techniques standard citées ci-dessus, une très large panoplie de solutions spécifiques pour des industries telles que la sidérurgie, la chimie, la papeterie, les cimenteries et autres ;

Les trois types de cycles eau/vapeur associés à ces différents cas sont présentés dans la figure 1 : – la figure 1a montre un cycle vapeur sans resurchauffe, tel que réalisé typiquement dans les installations de petite capacité avec une puissance inférieure à 20 MWel. ; – la figure 1b montre un cycle vapeur avec resurchauffe, tel que réalisé typiquement dans les centrales thermiques ; – la figure 1c montre le schéma d’un cycle combiné (turbine à gaz + turbine à vapeur) à trois niveaux de pression. Des évaporateurs à multiples niveaux de pression permettent de refroidir les fumées de la façon la plus efficace.

– les chaudières de cogénération derrière TAG sont un cas particulier qui combine les solutions des chaudières de récupération avec les spécificités des chaudières industrielles ; – les chaudières solaires se trouvent au tout début d’un futur prometteur. Les solutions pour les trois technologies de concentration (miroirs paraboliques, miroirs de Fresnel, tour) sont très hétérogènes.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I.

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BE 8 730 – 3

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CHAUDIÈRES. BILANS ET DIMENSIONNEMENT ___________________________________________________________________________________________

D’un point de vue réglementaire, c’est maintenant la directive équipements sous pression (directive du Parlement européen 97/23/CE), transposée en droit Français par le décret no 99-1046, qui régit la mise sur le marché des générateurs de vapeur de tous types. La famille de normes européennes harmonisées transcrites par les normes françaises homologuées NF EN 12952, intitulée « Chaudières à tubes d’eau et installations auxiliaires », se substitue progressivement au code français de construction des générateurs de vapeur (NF E 32-101 à 106), pour faciliter l’application pratique de la directive 97/23/CE.

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Il faut toutefois noter que le respect de cette directive n’impose pas l’utilisation d’une norme précise ; il est ainsi toujours possible, par exemple, de concevoir et fabriquer en Europe des générateurs de vapeur en s’appuyant sur le code américain ASME Boiler and Pressure Vessel Code, et en particulier sa section I Rules for construction of power boilers. Dans tous les cas, la conformité aux exigences de la directive doit être certifiée par un des organismes notifiés reconnus par l’Union européenne.

a côté brûleur

En outre, il faut souligner l’importance de l’arrêté français du 15 mars 2000, modifié par l’arrêté du 31 janvier 2011, qui définit les conditions de mise en service et d’exploitation des équipements sous pression en général, et donc en particulier des générateurs de vapeur.

1.1 Principes de construction Les principes de construction d’une chaudière dépendent fortement de la capacité (puissance thermique), de la pression eau vapeur et du type de combustible. D’un point de vue constructif, il faut déterminer trois options.

■ Si l’eau et la vapeur circulent à l’extérieur des tubes d’échange thermique (tubes de fumées) ou à l’intérieur (tubes d’eau). La figure 2 présente une chaudière à tubes de fumées. Ce type de construction offre des solutions économiques pour les chaudières à combustible gazeux ou liquide ou pour les chaudières de récupération, avec une puissance introduite inférieure à 50 MWth et une pression vapeur inférieure à environ 30 bar. Même si dans certaines industries de process et dans le solaire thermique, des chaudières de récupération à tubes de fumées sont réalisées à des pressions vapeur allant jusqu’à 100 bar, il n’en reste pas moins que la grande majorité des chaudières de capacité supérieure à 20 MWth et pression supérieure à 25 bar est réalisée avec la technique à tubes d’eau. La raison en est que l’épaisseur nécessaire pour réaliser un appareil cylindrique sous pression est proportionnelle à son diamètre extérieur. La modularité des tubes d’eau permet de réaliser facilement des appareils à haute pression et grande taille, ce qui est extrêmement difficile, voire impossible en tubes de fumées, du fait que les épaisseurs des corps sous pression peuvent atteindre des valeurs prohibitives. La figure 3 montre une chaudière à tubes d’eau.

b côté opposé Figure 2 – Chaudière à tubes de fumée (doc. Babcock Wanson)

fumées (résistance mécanique, et résistance à l’oxydation et à la corrosion) et aux contraintes dues à l’écoulement (turbulence). En outre, la construction doit être capable de supporter les dilatations thermiques entre états froid et chaud sans contraintes thermomécaniques excessives. Deux types de constructions sont réalisés pour satisfaire les conditions d’emploi : • les constructions avec casing (extérieur) froid, isolation intérieure et écailles en tôles inox face aux fumées chaudes (figure 5b ) offrent une bonne résistance aux turbulences et aux chocs thermiques mais sont limitées en température par les températures admissibles des écailles (environ 850 oC maximum), • les constructions avec casing (extérieur) froid, et isolation intérieure céramique (briques, béton ou fibres avec revêtement intérieur) (figure 5c ) permettent des températures d’emploi supérieures, au prix d’une résistance mécanique moindre, ce qui nécessite plus de maintenance.

■ Si la chaudière est posée ou est suspendue à une charpente métallique (figure 4). Cette question se pose pour les constructions en tubes d’eau qui sont régies par des critères de stabilité mécanique tels que les problèmes de flambage. Les chaudières de puissance sont sans exception suspendues à des charpentes métalliques, tandis que les chaudières de taille moyenne sont de préférence posées, pour des raisons économiques d’allégement de la structure porteuse. ■ Si la chaudière contient un foyer refroidi ou non :

Il est à noter que dans une paroi membrane l’étanchéité vis-à-vis des gaz de combustion se fait côté chaud, tandis que dans une paroi avec isolation intérieure l’étanchéité se fait côté froid (casing froid ).

– foyer refroidi : dans les chaudières à tubes de fumées, le tube ou les tubes de combustion sont positionnés à l’intérieur du grand réservoir eau/vapeur (figure 2). Dans les chaudières à tubes d’eau, les chambres de combustion sont refroidies par de l’émulsion eau/vapeur dans des parois membranes étanches (figure 5a ) qui sont devenues un standard depuis les années 1950 ; – foyer adiabatique : le foyer doit être étanche aux gaz, la surface intérieure de la paroi doit résister à la température des

BE 8 730 – 4

Il existe d’autres solutions (par exemple le skin casing ) qui ont été employées dans le passé mais ne sont plus utilisées dans les réalisations modernes.

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Chaudières. Systèmes de combustion, circuits eau/vapeur et air/fumées par

Markus HAIDER

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Professeur à l’université technique de Vienne (Autriche) Directeur de l’Institut d’énergétique et thermodynamique et

Philippe SEGUIN Directeur du Département Systèmes de combustion CNIM – Division Environnement

1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Systèmes de combustion ....................................................................... Combustibles et combustion ...................................................................... Grilles de combustion.................................................................................. Lit fluidisé ..................................................................................................... Charbon pulvérisé........................................................................................ Brûleurs à gaz et à combustible liquide ..................................................... Influence du combustible sur la technologie des chaudières .................. Dimensionnement et calcul des chambres de combustion .....................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Types et calcul de circulation eau - vapeur ...................................... Phénomènes ................................................................................................. Rôle de la circulation ................................................................................... Circulation naturelle..................................................................................... Circulation assistée par pompe .................................................................. Circulation forcée ......................................................................................... Réservoirs et séparateurs............................................................................ Comparaison des différents modes de circulation ...................................

— — — — — — — —

15 15 17 17 18 19 22 23

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Échangeurs dans les parties sous pression ...................................... Types d’échangeurs..................................................................................... Calcul et conception des échangeurs, choix des vitesses et des pas ...... Choix des matériaux .................................................................................... Systèmes de nettoyage ............................................................................... Répartition des échanges et variation suivant l’allure de la chaudière ...

— — — — — —

23 23 25 28 28 28

4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Circuits air/fumées ................................................................................... Nature des circuits ....................................................................................... Réchauffeurs d’air ........................................................................................ Vitesses de gaz, pertes de charge et marges sur débit et pressions ....... Ventilateurs................................................................................................... Problèmes liés aux circuits d’air et de fumées ..........................................

— — — — — —

30 30 31 31 32 32

Pour en savoir plus ...........................................................................................

BE 8 731 - 2 — 2 — 5 — 7 — 7 — 7 — 11 — 11

Doc. BE 8 731

es bilans énergétique et de matière des chaudières ont fait l’objet d’un premier dossier [BE 8 730]. Le système de combustion et le système de circulation eau/vapeur sont les éléments les plus spécifiques d’une chaudière. Avec les critères de conception des échangeurs sous pression et des circuits air/fumées, ce dossier [BE 8 731] donne une vue d’ensemble des systèmes constitutifs d’une chaudière. Le dossier suivant [BE 8 732] est consacré à des applications spécifiques comme les chaudières de puissance, les chaudières à déchets, les chaudières à biomasse et les chaudières de récupération.

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BE 8 731 – 1

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CHAUDIÈRES. SYSTÈMES DE COMBUSTION, CIRCUITS EAU/VAPEUR ET AIR/FUMÉES _____________________________________________________________

1. Systèmes de combustion

1.1 Combustibles et combustion 1.1.1 Caractéristiques des combustibles

À l’exception des chaudières de récupération, le système de combustion est un des éléments les plus déterminants d’une chaudière. Dans le foyer, la surface d’échange, la section et la forme doivent être adaptées au système de combustion. Le dimensionnement des surfaces radiatives et convectives en aval du foyer dépend lui aussi du combustible et du système de combustion.

Dans le dossier [BE 8 730], les paramètres caractéristiques des combustibles sont discutés. Les informations essentielles sont la composition élémentaire, la composition immédiate et le pouvoir calorifique. La figure 1 [13] donne quelques indications sur les combustibles solides et gazeux.

Composition massique C (%)

H (%)

O (%)

N (%)

Tourbe

40 à 60

5à6

25 à 36

1

0,5 à 1

Lignite

68 à 71

6

18 à 25

1

0,5 à 1

Charbon bitumineux

84 à 92

3à5

2à9

1 à 1,5

0,5 à 4

Fuel

80 à 90

10 à 15

0à3

0,5

0,5 à 5

Biomasse

47 à 54

5à6

40 à 42

0,6 à 1,5

0,04 à 0,08

Ordures ménagères

53 à 55

6,4 à 6,7

36 à 36,8

0,7 à 1,5

0,4 à 1,0

0,01

0,7 à 14

0 à 2 (H2S)

Gaz naturel C, H, O, Cfix (%)

81 à 93 (CH4)

S (%)

100 40 000

Teneur en carbone C 80 PCI (mat. comb.)

30 000

60

10 000

Oxygène O

20

Hydrogène H 0

0

Coke

Cendres

30

40

50 60 70 80 Teneur en matières volatiles (%)

a

Bois

O H 2O (humidité)

20

Tourbe

10

Lignite

0

Charbon bitumineux

S N

Anthracite, Carbone fixe

Mat. comb.

C H

20 000

Carbone fixe Cfix

40

PCI de la matière combustible (hors humidité et cendres) (kj/kg)

Ｑ

Combustible

O2 (%)

H2S (%)

combustibles solides

Composition massique Gaz

CO (%)

H2 (%)

Gaz naturel riche en méthane riche en éthane Gaz de cokerie

5,4

56,8

Gaz de haut-fourneau

31

2,3

Biogaz

0,2

CH4 (%)

C2H6 (%)

CmHn (%)

92,3 65,9

6 17,5

1,5

23,9

1,6

0,4

0,3

2,0

70 à 85

CO2 (%)

N2 (%)

0,53

1,17

2,2

9,3

4,0

57,4

12

H2O (%)

32,0 43,5 17

0,4

3 à 4,2 1à3

2à3

PCI pouvoir calorifique inférieur b

combustibles gazeux

Figure 1 – Composition et caractéristiques de combustibles solides et gazeux

BE 8 731 – 2

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PCI (MJ/kg)

30

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_____________________________________________________________ CHAUDIÈRES. SYSTÈMES DE COMBUSTION, CIRCUITS EAU/VAPEUR ET AIR/FUMÉES

O2

Énergie

Particule de combustible

dp diamètre de la particule ρp masse volumique de la particule

ρp ~ constant dp diminue

Carbone fixe

Pyrolyse

CO

Cendres

+ O2

CO2

dp ~ constant ρp diminue CmHn + O2

H 2O (séchage)

H 2O

Figure 2 – Phénomènes lors de la combustion d’un combustible solide

Tableau 1 – Température d’inflammation et vitesse de flamme de quelques combustibles sélectionnés [12] [13] Formule

Température d’inflammation (oC)

Monoxyde de carbone

CO

650

–

–

Hydrogène

H2

510

~ 0,5

~ 1,2

CH4

645

~ 0,1

~ 0,2

Combustible

Méthane

Vitesse de flamme à 40 % d’air primaire (m/s)

Vitesse de flamme à 70 % d’air primaire (m/s)

Propane

C 3 H8

510

–

–

Acétylène

C 2 H2

335

–

–

–

212

–

–

Fuel Gasoil

–

330 à 520

–

–

Charbon bitumineux

–

650 à 850

–

–

Lignite

–

500 à 650

–

–

Carbone fixe

–

670

–

–

Pour les combustibles solides et liquides, la quantité et la composition des cendres ont une influence importante sur le choix de la technologie de combustion et aussi sur la conception des surfaces. L’humidité du combustible conditionne la température requise de l’air de combustion et elle augmente considérablement la quantité et le volume des fumées. La quantité et la qualité des matières volatiles influent sur le temps d’inflammation, la réactivité du carbone fixe et l’excès d’air nécessaire. Pour les combustibles gazeux, les caractéristiques clés dépendent de la composition chimique. Une variation de la teneur en CO2 et N2 conditionne les vitesses du gaz dans les différentes sections du brûleur, dans les buses et dans la flamme, ainsi que les températures. Les températures d’inflammation des différentes substances gazeuses varient entre 300 et 650 oC et les vitesses de combustion entre 0,1 et 2,8 m/s. Il est donc évident que le dimensionnement d’un brûleur à gaz dépend fortement de la composition du gaz à brûler.

hydrogène, azote, soufre. Toutefois, comme on va le voir dans ce paragraphe, les principales difficultés dans la mise en œuvre industrielle de ces réactions sont liées à des phénomènes physiques (évaporation, diffusion thermique et de masse, etc.). Pour présenter les principes de combustion, il convient de raisonner différemment selon les trois états de la matière des combustibles. Les phénomènes hétérogènes de combustion sont : réchauffement, séchage, pyrolyse, inflammation et combustion des matières volatiles, inflammation et combustion du carbone fixe. La figure 2 visualise le schéma de combustion d’une particule de combustible solide. Les phénomènes homogènes de combustion sont limités par le mélange au niveau moléculaire de combustible et d’oxygène, plutôt que par la cinétique de la réaction de combustion qui est toujours très rapide.

1.1.2 Principes de combustion

Pour les combustibles liquides, l’évaporation précède les phénomènes homogènes.

La combustion est un ensemble de réactions d’oxydation des différents éléments constituant le combustible : carbone,

La température d’inflammation et la vitesse de flamme de quelques combustibles selectionnés sont données dans le tableau 1.

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BE 8 731 – 3

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CHAUDIÈRES. SYSTÈMES DE COMBUSTION, CIRCUITS EAU/VAPEUR ET AIR/FUMÉES _____________________________________________________________

Grille (lit fixe)

Lit fluidisé

Charbon pulvérisé

LFD

LFC

Fumées

Fumées Fumées Fumées

Combustible

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Combustible et calcaire

Air Vitesse

Cendres

Calcaire

Air

Air Combustible Air

Cendres

Combustible Air

Cendres

Cendres

2,3 à 3,0 m/s

1,2 à 3,0 m/s

4,6 à 7,0 m/s

4,6 à 10,0 m/s

6 000 µm

1 000 µm

100 à 300 µm

50 µm

Diamètre moyen

Figure 3 – Systèmes de combustion pour combustibles solides

1.1.2.1 Combustibles solides

Si le mélange entre le combustible et l’air se fait dans l’écoulement turbulent de la flamme, on parle d’un brûleur de diffusion (figure 4) [13].

Le critère essentiel de la combustion du carbone fixe est le temps de séjour des particules dans le système de combustion. Il doit être supérieur au temps de combustion complète. La figure 3 montre les paramètres clés des quatre technologies industrielles de combustion hétérogène. Le type d’écoulement hétérogène résulte de la granulométrie du combustible et de la vitesse des gaz. Dans les brûleurs à charbon pulvérisé, le combustible est entraîné par le gaz dont la vitesse est largement supérieure à la vitesse terminale des particules de combustible et le temps de séjour de ces particules est donc bref. Puisque le temps nécessaire à la combustion d’une particule de carbone fixe baisse avec une diminution du diamètre et avec une augmentation de la température (cinétique de combustion), les systèmes à charbon pulvérisé sont basés sur une granulométrie fine et des températures de foyer élevées. La limite supérieure des températures admissibles résulte d’une part de la fusibilité des cendres et, d’autre part, des phénomènes de formation des oxydes d’azote. Les systèmes à grille ou lits fixes fonctionnent à une vitesse de gaz inférieure à la vitesse minimale de fluidisation.

Pour une combustion stable, les fronts de flamme doivent rester à une position stationnaire dans le foyer. En effet, si la vitesse des gaz dans la flamme est trop faible par rapport à la vitesse de combustion, le front de flamme remonte dans le brûleur ; si elle est trop importante, la flamme se décroche et s’éteint. Comme, dans la grande majorité des brûleurs industriels, les vitesses de combustible dans les buses des brûleurs sont supérieures aux vitesses de combustion, la conception des brûleurs doit être telle qu’à l’intérieur de la flamme, il y ait des zones à faible vitesse, voire des zones avec recirculation interne des fumées. Le ratio entre vitesse de combustion et vitesse d’écoulement doit donc rester dans une plage limitée (la zone de stabilité) qui dépend du type et de la capacité du brûleur. L’indice de Wobbe : WI = PCI (S )/ ρN /ρN,air est utilisé pour évaluer la possibilité de brûler différents combustibles gazeux dans un brûleur donné. Ce paramètre se calcule en fonction du pouvoir calorifique supérieur PCS ou inférieur PCI (MJ/Nm3) et de la densité standard relative du gaz par rapport à l’air ρN/ρN,air .

Les lits fluidisés denses LFD fonctionnent à une vitesse supérieure au minimum de fluidisation, mais inférieure à la vitesse terminale des particules. Au contraire, dans les lits fluidisés circulants LFC, la vitesse des gaz est supérieure à la vitesse terminale. Un cyclone est utilisé en sortie de foyer pour capter et recycler les solides. Le temps de séjour des solides dans le système de combustion et la densité de la suspension sont fortement augmentés par cette recirculation.

1.1.2.3 Combustibles liquides La combustion des combustibles liquides a des points communs avec la combustion des combustibles gazeux, car pratiquement tous les combustibles liquides sont déjà dans leur état gazeux quand leur température d’inflammation est atteinte. Pour des brûleurs industriels, le défi principal est donc de vaporiser le combustible liquide de façon rapide et homogène. Cela est réalisé par une pulvérisation fine dans les buses du brûleur.

1.1.2.2 Combustibles gazeux La combustion des combustibles gazeux est gouvernée d’un côté par la cinétique de la réaction d’oxydation, de l’autre côté par la vitesse de mélange entre les molécules d’oxygène et de combustible. Comme la cinétique de combustion est bien plus rapide que la vitesse à laquelle se mélangent l’écoulement d’air et l’écoulement de combustible gazeux, la majorité des brûleurs industriels à gaz fonctionne dans un régime d’écoulement turbulent qui favorise ce mélange.

1.1.3 Émissions de NOx Les émissions résultant de la combustion peuvent être distinguées selon qu’elles sont uniquement liées à la composition chimique du combustible (HCl et SO2) ou qu’elles sont aussi liées à la technologie de combustion (NOx et SO3).

Si le combustible et l’air primaire sont mélangés avant la zone de flamme (dans le brûleur), on parle d’un brûleur qui marche en mode de prémélange ou « pre-mix » (figure 4) [13]

BE 8 731 – 4

La figure 5 [12] donne une vue d’ensemble des émissions de NOx résultant de la combustion de charbon dans des brûleurs à charbon

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Combustible + air

Concentration NOx (mg/Nm3)

_____________________________________________________________ CHAUDIÈRES. SYSTÈMES DE COMBUSTION, CIRCUITS EAU/VAPEUR ET AIR/FUMÉES

1 200

1 000

Charbon bitumieux

800

600

400

Lignite

NOx « combustible »

200 a flamme de prémélange (petite plage de stabilité)

0 1 000

NOx « thermique »

NOx « prompt »

1 200

1 400

1 600 1 800 Température de flamme (oC)

– Abaissement de la concentration de l’oxygène : cette mesure diminue le taux de réaction et entraîne directement une réduction des NOx produits. Elle peut être réalisée par une combustion étagée avec manque d’oxygène dans la première étape (combustion primaire) ou par un abaissement global de la concentration d’O2 résultant d’un recyclage de fumées.

Air

Combustible

Air

Figure 5 – Émissions de NOx sans mesures primaires de dénitrification [12]

– Abaissement de la température locale dans la zone de combustion : l’abaissement de température peut être réalisé par un recyclage de fumées, par une combustion étagée, par un agrandissement du foyer et/ou par un abaissement de la température de l’air de combustion.

b flamme de diffusion (large plage de stabilité)

– Réduction du temps de séjour dans les zones à haute température. – Réduction de NOx en N2 par combustion (Reburning) : cet effet résulte du fait que l’affinité de l’oxygène pour le carbone est supérieure à son affinité pour l’azote. Par injection de faibles quantités de combustible, le carbone trouve une partie de l’oxygène requis en réduisant du NOx en N2 .

Vitesse de flamme

Les conséquences négatives de toutes ces mesures de dénitrification primaire peuvent être un manque de stabilité des flammes, une augmentation des imbrûlés (dans les fumées et dans les cendres), ainsi que des phénomènes de corrosion sur les parois.

Vitesse d'écoulement du mélange air-gaz Front de flamme c front de flamme

1.2 Grilles de combustion

Figure 4 – Types de brûleurs à gaz [13]

La technologie de combustion sur grille est la plus ancienne parmi les techniques de combustion de combustibles solides.

pulvérisé sans mesures primaires d’abaissement. Jusqu’à des températures de flamme de 1 200 oC, les NOx « combustible » (résultant de la teneur en azote) prédominent largement, même si à des températures supérieures à 1 100 oC, les émissions « thermiques » de NOx (résultant de l’oxydation de l’azote contenu dans l’air de combustion) deviennent significatives. Les NOx « prompts », d’importance moindre, sont créés par des réactions entre l’azote de l’air et des radicaux carbonés issus du combustible.

Elle se distingue par sa robustesse, sa simplicité, sa faible perte de charge et par conséquent la faible consommation d’énergie électrique qu’elle engendre et aussi par son faible niveau d’exigences vis-à-vis de la granulométrie et de l’homogénéité du combustible. En revanche, elle trouve ses limites pour des combustibles à PCI élevé. En effet, le refroidissement des barreaux des grilles est principalement assuré par la convection apportée par l’air de combustion. Il est donc nécessaire de fonctionner avec un excès d’air important et de limiter la température adiabatique de combustion.

Avec des mesures primaires, il est possible d’abaisser les émissions de NOx d’environ 50 % pour les combustibles solides, et jusqu’à 80 % dans les brûleurs à gaz avec recirculation de fumées.

En outre, la densité d’énergie surfacique (MW/m2) des grilles est plus faible que celle des techniques à charbon pulvérisé ou à lit fluidisé circulant (LFC), et l’hétérogénéité des conditions de combustion conduit à des niveaux d’émissions de NOx et CO supérieurs à ceux obtenus en lit fluidisé.

Les principes suivants sont utilisés pour minimiser la formation de NOx dans les systèmes de combustion (mesures primaires).

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CHAUDIÈRES. SYSTÈMES DE COMBUSTION, CIRCUITS EAU/VAPEUR ET AIR/FUMÉES _____________________________________________________________

Pour le combustible charbon, les grilles de combustion ont été supplantées par les LFC et les systèmes à charbon pulvérisé et ne subsistent que pour des installations de capacité relativement faible et des systèmes de cocombustion. Pour la combustion de biomasse et de déchets ménagers, les grilles de combustion ont gardé leur intérêt et leur compétitivité, grâce aux avantages cités ci-dessus. Les différents systèmes à grille peuvent être distingués : – premièrement, par la façon dont le combustible est introduit, en suspension ou en masse (figure 6) [9] [12] ; – deuxièmement, par la façon dont le combustible est transporté le long de la grille : grille à poussoir, grille rotative, grille à recul, grille vibrante (figure 7) [9] [13] ; – troisièmement, par le mode de refroidissement des barreaux (par l’air de combustion, par l’eau/vapeur).

a en masse

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Les systèmes de combustion en suspension par projection (Spreader Stoker ) visent la combustion de biomasses, mais aussi de charbon, avec une granulométrie bien contrôlée. Quand cette condition est satisfaite, les grilles rotatives ou vibrantes permettent des bonnes performances (excès d’air de l’ordre de 25 à 30 %) à un coût d’investissement modéré.

b en suspension

Les technologies de combustion en masse sur grille sont de loin les systèmes les plus répandus pour la combustion des déchets ménagers. Elles permettent un brassage important et un temps de séjour élevé du combustible, ce qui pallie les effets négatifs résultant de son hétérogénéité.

Figure 6 – Combustion en masse et combustion en suspension [9] [12]

Des systèmes avec des grilles à poussoir sont aussi mis en œuvre pour la combustion de biomasse.

a

b grille à recul

grille à poussoir

c

Grille refroidie à l'eau

Un nité de vib bration

R Ressorts Caissons d'air réglables d grille vibrante

e grille rotative

Figure 7 – Différents types de grilles [9] [13]

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grille à rouleaux

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_____________________________________________________________ CHAUDIÈRES. SYSTÈMES DE COMBUSTION, CIRCUITS EAU/VAPEUR ET AIR/FUMÉES

supérieure à la vitesse terminale. Il est donc possible de maintenir un flux thermique élevé sur toute la hauteur du foyer, et il est inutile de prévoir des surfaces d’échange immergées dans la zone dense du lit. Le débit de solides circulant est de 3 à 10 fois supérieur au débit de fumées. Ce débit de solides circulant élevé explique pourquoi il est possible dans un LFC de brûler des combustibles ayant des pouvoirs calorifiques et des températures adiabatiques de combustion très différentes, tout en fonctionnant avec des températures de sortie foyer presque identiques.

Les techniques de combustion sur grille de déchets ménagers et de biomasses sont décrites plus en détail dans le dossier [BE 8 732].

1.3 Lit fluidisé La technologie de combustion en lit fluidisé a été introduite d’abord pour des applications de procédé [par exemple la gazéification (Winkler, 1926)]. À partir d’environ 1960, les lits fluidisés denses LFD et puis les lits fluidisés circulants LFC ont été développés pour la combustion de combustibles solides en chaudières (figure 8).

La technologie LFC est décrite en détail dans le dossier [BE 8 732].

Le premier but était de pouvoir utiliser des combustibles qui sont difficiles à brûler avec d’autres techniques. L’homogénéité des températures et des concentrations, les coefficients de transfert thermique et de masse élevés, ainsi que la grande capacité thermique de l’inventaire solide avec son effet de volant thermique permettent de brûler en LFD ou LFC une très large plage de combustibles difficiles (forte humidité, forte teneur en cendres, faible PCI).

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1.4 Charbon pulvérisé La technologie du charbon pulvérisé est le pilier de la production mondiale d’électricité à partir du charbon. Le charbon est broyé avec une granulométrie assez fine pour permettre une combustion complète pendant le temps de séjour dans le foyer. On peut classifier les systèmes en fonction : – du type de brûleur (brûleurs individuels frontaux « à rotation » ou systèmes à chauffe « tangentielle ») ; – du type de séchage-broyage ; – de l’état des cendres en sortie de la chambre de combustion (solide ou liquide).

Un autre attrait important de ces techniques est le faible niveau d’émissions. Les lits fluidisés peuvent fonctionner à des températures relativement faibles, ce qui limite considérablement les oxydes d’azote d’origine thermique. La température basse et homogène dans le foyer, en combinaison avec de longs temps de séjour des particules permet l’utilisation de substances comme le calcaire pour la captation des oxydes de soufre.

Les chaudières à charbon pulvérisé sont décrites en détail dans le dossier [BE 8 732].

La grille de fluidisation (figure 9) [9] est un élément clé de tout lit fluidisé. Les lits fluidisés sont sensibles aux perturbations de granulométrie. S’il y a risque d’introduction de grosses particules (pierres, ferrailles), et aussi dans le cas de combustibles contenant des fibres, une grille de fluidisation dite « ouverte » peut améliorer la fiabilité. Les grilles fermées sont plutôt utilisées pour le charbon et le bois, tandis que les grilles ouvertes sont utilisées pour les combustibles plus difficiles (autres biomasses, déchets).

1.5 Brûleurs à gaz et à combustible liquide 1.5.1 Brûleurs à gaz

Dans les lits fluidisés, le transfert thermique dans le foyer est dominé par un phénomène spécifique à cette technologie : la convection particulaire. Celle-ci est une sorte de conduction transitoire qui se produit chaque fois qu’une particule vient en contact avec une surface d’échange ou une autre particule. Grâce à la convection particulaire, le flux thermique sur une paroi membrane de LFC fonctionnant à une température de foyer de 870 oC est comparable au flux que l’on obtient dans un foyer à rayonnement (charbon pulvérisé) marchant à 1 200 oC.

Les brûleurs à gaz industriels peuvent être répartis entre brûleurs « à turbulence » rotatifs et brûleurs en veine. Pour des raisons de stabilité dans une large plage de fonctionnement, la quasi-totalité des brûleurs sur le marché sont basés sur la technologie de la flamme de diffusion (figure 4). Les étapes du processus de combustion dans un brûleur à gaz sont : – l’introduction du combustible et de l’air ; – le mélange des deux réactants ; – l’inflammation et la combustion complète avec minimisation des émissions de NOx et de CO.

D’un point de vue plus global, le comportement thermique d’un LFD diffère de celui d’un LFC. Dans un LFD, le lit (la zone avec densité de particules en suspension et coefficient d’échange thermique élevés) reste confiné dans une zone de 1 à 4 m de hauteur environ. Dans les années 1970 et 1980, on essayait de profiter des coefficients d’échange élevés dans le lit pour installer des serpentins de tubes évaporateurs horizontaux en circulation assistée. Les problèmes d’érosion rencontrés ainsi que le progrès rapide des LFC ont finalement orienté le LFD plutôt vers la combustion de biomasse et de déchets, sans surfaces immergées dans le lit. Le combustible doit être broyé et prétraité (fluff ) de façon à répondre aux exigences de granulométrie. La flexibilité des LFD par rapport au type de combustible peut être augmentée par un fonctionnement sous-stœchiométrique du lit dense. En régime sous-stœchiométrique, le débit d’air primaire peut être utilisé pour la régulation de la température dans le lit. La technologie de chaudière avec un LFD comme système de combustion est comparable à celle des chaudières avec grille. Les deux technologies sont en concurrence directe pour une large plage d’applications en combustion de déchets préparés ou de biomasse et ont chacune leurs avantages et inconvénients.

Pour les chaudières à combustion, le but est de maximiser le rendement et donc de brûler du gaz avec un excès d’air le plus bas possible. Avec un excès d’air faible (de l’ordre de 5 à 10 %), l’écoulement dans la flamme doit être fortement turbulent, ce qui nécessite une perte de charge dans le brûleur de l’ordre de 1 000 à 2 000 Pa. Dans les brûleurs à turbulence modernes, l’air de combustion est introduit de façon étagée et mis en rotation par des aubages inclinés. Pour diminuer le plus possible les émissions de NOx , des fumées recyclées sont introduites dans la flamme, ce qui permet d’obtenir une dénitrification primaire de l’ordre de 80 %. La figure 11 [13] montre un brûleur combiné (gaz/fuel) typique. La figure 12 [13] montre le principe de recirculation des fumées. Mais dans certaines applications industrielles, on ne cherche pas à minimiser l’excès d’air, car la température adiabatique de combustion recherchée est largement au-dessous des 2 400 oC qui sont théoriquement possibles. Un exemple important, ce sont les brûleurs de postcombustion pour les fumées sortant des turbines à gaz, que l’on appelle parfois aussi air appauvri. Dans cette application, l’augmentation de température dans le brûleur de post-

Dans un LFC (figure 10) [29], la densité de suspension reste élevée sur toute la hauteur du foyer, grâce à une vitesse des fumées

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BE 8 731 – 7

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Chaudières de puissance, à déchets, à biomasse et de récupération par

Markus HAIDER Professeur à l’université technique de Vienne (Autriche) Directeur de l’Institut d’énergétique et thermodynamique

et

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Philippe SEGUIN Directeur du département Systèmes de combustion CNIM – Division Environnement

1. 1.1 1.2 1.3

Chaudières de puissance..................................................................... Chaudières à charbon pulvérisé .............................................................. Chaudières à lit fluidisé circulant (LFC) ................................................... Cocombustion ...........................................................................................

2. 2.1 2.2

Variations d’allure et transitoires..................................................... Fonctionnement à charge variable .......................................................... Transitoires................................................................................................

— — —

9 9 10

3. 3.1 3.2 3.3

Chaudières à déchets et à biomasse ............................................... Effet du combustible sur la conception et le calcul................................ Chaudières d’incinération de déchets ménagers ................................... Chaudières à biomasse ............................................................................

— — — —

11 11 13 19

4. 4.1 4.2 4.3 4.4

Chaudières de récupération ............................................................... Particularités de conception et de calcul................................................. Chaudières de récupération en cycle combiné TAG-TAV ..................... Chaudières de récupération destinées à la congénération ................... Chaudières de récupération derrière process ........................................

— — — — —

21 21 25 26 27

5. 5.1 5.2

Chaudières solaires............................................................................... Chaudières solaires à vaporisation directe ............................................. Chaudières solaires de récupération .......................................................

— — —

28 28 29

Pour en savoir plus ...........................................................................................

BE 8 732 - 2 — 2 — 4 — 8

Doc. BE 8 732

es bilans énergétique et de matière des chaudières ont fait l’objet d’un premier dossier [BE 8 730]. Les systèmes de combustion et les circuits eau/vapeur et air/fumées ont fait l’objet d’un deuxième article [BE 8 731]. Ce dernier dossier [BE 8 732] est consacré à des applications spécifiques. Les chaudières ou générateurs de vapeur se trouvent principalement dans les centrales thermiques et dans les installations industrielles. Suivant la capacité et suivant l’origine ou le type d’énergie primaire, les principales catégories sont ainsi les chaudières à charbon pulvérisé, les chaudières à lit fluidisé circulant de grande puissance, les chaudières à déchets, les chaudières à biomasse et les chaudières de récupération.

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CHAUDIÈRES DE PUISSANCE, À DÉCHETS, À BIOMASSE ET DE RÉCUPÉRATION _________________________________________________________________

1. Chaudières de puissance 1

Le terme « chaudières de puissance » résulte du domaine d’application des chaudières dans les grandes centrales thermiques. Jusqu’aux années 1980 du XXe siècle, ce terme désignait une grande chaudière avec foyer à rayonnement et brûleurs à fuel, à gaz ou à charbon pulvérisé. Les dernières décennies ont été marquées par la montée en puissance des lits fluidisés, des cycles combinés avec chaudières de récupération et la quasi-disparition des chaudières au fuel ou au gaz de grande capacité.

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Chaudière

2

4

5

9

8 6

Dans ce paragraphe, nous considérons comme chaudières de puissance les chaudières à charbon pulvérisé et à lit fluidisé circulant (LFC). Les grandes chaudières de récupération sont traitées dans le paragraphe 4.

3

1.1 Chaudières à charbon pulvérisé a

La technologie du charbon pulvérisé (CP) est le pilier de la production mondiale d’électricité à partir du charbon. Comme expliqué en [BE 8 731], l’approche de base du charbon pulvérisé consiste à broyer et sécher le charbon, de façon à pouvoir le brûler dans des foyers à rayonnement, d’une manière comparable aux chaudières à fuel ou à gaz.

1 1 – Charbon bitumeux ou lignite 2 – Alimentation

2 7

3 – Broyeur

L’état de la technique des chaudières à charbon pulvérisé (CP) est décrit d’une façon exhaustive en [6]. Cette technologie de centrale a été prise comme base pour plusieurs dizaines de centrales récentes construites en Europe et en Chine, entre 2005 et 2012.

4 – Charbon pulvérisé 5

5 – Caisson d'air chaud

6

6 – Brûleur

D’une manière plus large, la technologie CP peut être séparée en plusieurs catégories en fonction : – du type de séchage-broyage ; – du type de brûleur employé ; – de l’état des cendres en sortie foyer ; – de l’agencement de la chaudière ; – du système de circulation eau/vapeur ; – du système de régulation de la température de resurchauffe.

4

7 – Recirculation de fumées 8 – Rechauffeur d'air 9 – Ventilateur

3

b

1.1.1 Système de séchage-broyage

lignite

Figure 1 – Séchage-broyage pour charbon bitumineux ou lignite [4] [7]

Le système de séchage-broyage doit produire un combustible sec avec la granulométrie requise. La technologie à employer dépend de l’humidité, ainsi que de la teneur en cendres du charbon et de la qualité de ces cendres. Une température d’environ 110 oC en sortie du broyeur garantit que le séchage est achevé et permet à la fois d’éviter une inflammation prématurée du combustible dans le système d’alimentation et d’assurer correctement son allumage dans le foyer. Les technologies les plus employées sont : – les broyeurs à cuve tournante pour les charbons bitumineux ; – les broyeurs à percussion pour le lignite ; – les broyeurs à boulet pour l’anthracite [8].

1

2

Lignite humide

9 3 7 4

5 6

Dans les systèmes de séchage-broyage selon l’état de la technique (figure 1) [4] [7], le séchage des charbons bitumineux est effectué avec de l’air préchauffé. En revanche, le séchage de la plupart des lignites demande une telle quantité de chaleur que des fumées recyclées du foyer doivent être utilisées.

10

8

11

Condensats

Cette utilisation de gaz à haute température pour le séchage est à l’origine d’un déficit d’environ 3 à 4 points de rendement électrique net des centrales au lignite par rapport aux centrales brûlant des charbons bitumineux. Pour les futures centrales au lignite, une nouvelle technologie de séchage fonctionnant avec un lit fluidisé de vapeur (figure 2) est en cours de validation (RWE). Avec cette technique, la perte de rendement des centrales au lignite peut être réduite. L’impact principal de cette technique de séchage est que le débit de condensats, qui contient environ 80 % de l’humidité entrant avec le lignite humide, quitte le système à l’état liquide. Sans séchage, il serait emporté comme vapeur d’eau dans les

BE 8 732 – 2

charbon bitumineux

Lignite sec

1 – Broyeur

7 – Ventilateur de chauffe

2 – Préchauffeur

8 – Ventilateur de fluidisation

3 – Distributeur

9 – Électrofiltre

4 – Surface d'échange

10 – Échangeur

5 – Lit fluidisé

11 – Broyeur fin

6 – Grille de fluidisation ouverte Figure 2 – Séchage en lit fluidisé de vapeur (RWE)

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_________________________________________________________________ CHAUDIÈRES DE PUISSANCE, À DÉCHETS, À BIOMASSE ET DE RÉCUPÉRATION

Brûleurs frontaux

3

2

7

5 4 Zones à risque d'encrassement

Les flèches indiquent les arrivées de l’air de combustion et du charbon pulvérisé

6

7 1 1 – Charbon pulvérisé + air primaire

Brûleurs opposés

Figure 3 – Combustion tangentielle et brûleurs frontaux

5 – Air central

2 – Air secondaire

6 – Brûleur d'allumage

3 – Air tertiaire

7 – Registres de mise 7 – en rotation

4 – Contrôleur de flamme IR

fumées. Dans le lit qui est fluidisé par de la vapeur entrant par une grille ouverte (6), il existe un état d’équilibre eau-vapeur. La teneur en eau restant dans les pores du lignite sec dépend de la température (et par conséquent de la pression) de fonctionnement. Avec des températures de 110 oC, l’humidité du combustible peut être réduite de typiquement 50 % à des valeurs inférieures à 10 %. Le coût de fonctionnement du système est essentiellement la consommation électrique des compresseurs de vapeur de fluidisation (8) et de vapeur de chauffage (7). Comme la vapeur en sortie du lit fluidisé est en état de saturation, l’effet des compresseurs 7 et 8 et de l’échangeur 5 est comparable avec les phénomènes qui sont mis en œuvre dans une pompe à chaleur.

7

a à rotation (doc. HPE)

Caisson d'air

Air paroi Air secondaire Air primaire + CP

1.1.2 Conception des brûleurs

Air secondaire

Pour la combustion du charbon pulvérisé, il y a deux approches :

Air paroi Air secondaire

– soit on installe dans le foyer plusieurs brûleurs rotatifs individuels ; – soit on positionne des brûleurs à jets individuels de façon tangentielle pour former un seul grand tourbillon dans la totalité du foyer.

Air primaire + CP Régistre de régulation d'air

Air secondaire

Les brûleurs individuels frontaux « à rotation » sont utilisés pour les chaudières à charbon bitumineux et aussi pour les chaudières à cendres fondues. Les brûleurs sont installés, soit sur une seule paroi, soit sur deux parois opposées du foyer (figure 3). L’air de combustion et le combustible sont introduits par des ouvertures circulaires dans le foyer. Pour maximiser turbulence et temps de séjour, l’air primaire transportant le combustible ainsi que l’air secondaire sont mis en rotation (figure 4a ).

Bride du brûleur b

à jets inclinables (doc. Alstom)

Figure 4 – Brûleurs CP

Pour les chaudières à CP, après le choix du système de circulation vient la question de l’agencement global. Les deux arrangements les plus répandus sont les chaudières dites « tour » et les chaudières dites single pass.

Les systèmes à chauffe « tangentielle » (figure 4b) sont formés par des brûleurs à jets superposés placés dans les quatre coins du foyer et orientés de façon à créer le long de l’axe un vortex dans l’écoulement des gaz de combustion. Dans la combustion tangentielle, on ne peut plus parler de brûleurs individuels, car c’est dans l’ensemble du volume du foyer que se constitue une flamme énorme. La combustion tangentielle est considérée comme la meilleure technologie pour brûler du lignite, car elle minimise les pics locaux de température et ainsi le risque d’encrassement. Elle est aussi fréquemment mise en œuvre pour la combustion de charbons bitumineux.

Les chaudières tour évitent les virages dans l’écoulement des fumées et minimisent ainsi les problèmes d’érosion. La figure 5 montre une chaudière à lignite « tour », avec recirculation des fumées en sortie du foyer pour le séchage du lignite. Les chaudières single pass réduisent la hauteur, permettent un montage plus rapide et donnent un degré de liberté supplémentaire, la section de passage, pour la conception du carneau convectif. La figure 6 montre une chaudière à charbon bitumineux en conception single pass.

1.1.3 Chambre de combustion et échangeurs Les critères de dimensionnement pour le foyer et pour les échangeurs individuels ont déjà été introduits en [BE 8 371]. Les chaudières de puissance à charbon pulvérisé construites actuellement dans le monde fonctionnent quasiment toutes à pression supercritique, avec resurchauffe et circulation forcée dans la chaudière. Le système de circulation des chaudières de puissance est également décrit en [BE 8 371].

Pour la régulation de la température de la vapeur surchauffée HP dans les différentes sections de la chaudière, l’injection d’eau alimentaire dans la vapeur est devenue un standard efficace et incontesté. L’injection d’eau correspond thermodynamiquement à une vaporisation par mélange dont l’énergie vient du surchauffeur et pas de l’évaporateur. L’injection est donc une technique efficace

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CHAUDIÈRES DE PUISSANCE, À DÉCHETS, À BIOMASSE ET DE RÉCUPÉRATION _________________________________________________________________

Pour les chaudières à cendres fondues, on sépare le foyer en deux parties (figure 7). L’avant-foyer fonctionne avec un ratio puissance/surface froide beaucoup plus élevé que le foyer principal, ce qui conduit dans cette zone à des températures de fumées supérieures à la température de fusion des cendres. Surchauffeurs et resurchauffeurs

Ｑ

1.2 Chaudières à lit fluidisé circulant (LFC) La technologie LFC offre des avantages qui, au début de son développement dans les années 1980, semblaient pouvoir lui permettre, à terme, de remplacer les systèmes à charbon pulvérisé. Ainsi, la densité énergétique (MWth/m2) est comparable à celle du charbon pulvérisé, la flexibilité par rapport au combustible est meilleure et les installations de traitement des fumées peuvent être simplifiées.

Recirculation des fumées

Toutefois, deux éléments ont freiné l’essor du LFC : – dans certains pays, les limites d’émissions admissibles ont atteint des niveaux qui ne sont plus réalisables dans un LFC uniquement avec des mesures primaires ; – à la différence des mâchefers et cendres volantes de charbon pulvérisé, les cendres venant d’un LFC ne sont souvent pas valorisables et doivent être mises en décharge. Au début de 2012, le LFC le plus puissant en fonctionnement a une puissance de 470 MWel , et plusieurs LFC de 550 MWel sont en construction. Les chaudières LFC ont une grande part de marché dans les centrales thermiques à charbon ou multicombustibles pour des capacités entre 50 et 500 MWel , mais dans la gamme de 500 à 1 000 MWel , les chaudières à CP restent les leaders incontestés.

Figure 5 – Chaudière à lignite tour avec chauffe tangentielle (doc. Alstom)

qui permet de compenser les écarts d’enthalpie dans les différents échangeurs de la chaudière.

Techniquement, l’élément distinctif d’un LFC est le cyclone de séparation des solides. C’est aussi l’élément qui nuit à la compétitivité économique d’une chaudière à LFC pour des installations de petites puissances.

Pour la moyenne pression, c’est-à-dire la resurchauffe, l’injection d’eau a un effet négatif sur le rendement global du cycle, car la vaporisation par mélange s’effectue à la pression de resurchauffe (environ 25 % de la pression HP), donc à une température de saturation réduite et avec un rendement détérioré du sous-cycle. Les deux techniques classiques actuelles pour la régulation de la température de resurchauffe sont la recirculation de fumées et l’installation de deux carneaux convectifs avec répartition des fumées contrôlée par des registres (figure 6).

Dans un lit fluidisé, l’écoulement des fumées dans le foyer doit maintenir la masse des solides en suspension, ce qui conduit à des pressions de l’ordre de 60 à 80 mbar dans le bas du foyer. Comme on a une boucle pour la circulation des solides qui aboutit dans cette zone, il y a deux chemins possibles pour l’écoulement des gaz vers le cyclone : à travers le foyer et à travers le conduit de retour des solides. Pour éviter que les fumées ne prennent le deuxième chemin, ce qui engendrerait des problèmes de fluidisation, de combustion et de séparation dans le cyclone, un dispositif d’étanchéité est essentiel au bon fonctionnement d’un LFC. Ce dispositif est constitué d’un siphon aéraulique installé au-dessous du cyclone, pour assurer une circulation des solides dans le sens souhaité.

Dans le passé, des échangeurs thermiques vapeur surchauffée/vapeur resurchauffée ont été utilisés (appellation BIFLUX et TRIFLUX). Dans le cas de la chauffe tangentielle, des brûleurs à axe inclinable peuvent être utilisés : une inclinaison des buses vers le haut diminue la combustion et les échanges thermiques dans le bas du foyer (figure 4b ). Cela permet d’augmenter à charge partielle la température des fumées sortie foyer, et par conséquent aussi la température de resurchauffe.

1.2.1 LFC de grande capacité Avec l’augmentation de taille d’un LFC, trois phénomènes physiques importants doivent être maîtrisés, ce qui conduit à des difficultés d’agencement des chaudières.

1.1.4 Extraction des cendres

(1) Avec l’augmentation de capacité et donc du débit de fumées, la section du foyer augmente, car pour un écoulement diphasique favorable, la vitesse des fumées est maintenue constante, à environ 5 m/s. Pour obtenir de faibles niveaux d’émissions de NOx et de SO2 [BE 8 371], la combustion dans le bas de foyer doit être étagée, et à chaque niveau d’introduction d’air secondaire ou tertiaire, les jets d’air doivent être capables de pénétrer jusqu’au centre du foyer. Comme la profondeur de pénétration d’un jet d’air dans une suspension dense de solides est limitée, la profondeur du foyer ne peut être augmentée au-delà d’une limite d’environ 10 m. Pour contourner cette contrainte liée à la pénétration de l’air secondaire,

En fonction de la réactivité du combustible, de la teneur en cendres et de leur température de fusion, le chaudiériste doit déterminer s’il est plus avantageux d’extraire les cendres à l’état liquide ou à l’état solide. Les cendres fondues sont intéressantes pour la combustion de combustibles peu réactifs tels que l’anthracite. Les températures de foyer plus élevées, nécessaires pour la fusion des cendres, améliorent le rendement de combustion (moins d’imbrûlés), mais au prix d’une perte par chaleur latente (fusion des cendres) et d’émissions primaires de NOx plus élevées.

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Surchauffeur secondaire

Surchauffeur final

Resurchauffeur pendentif

Resurchauffeur horizontal

Surchauffeur primaire

Séparateur

Carneaux convectifs Économiseur

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Réservoir tampon

DeNOx

Brûleurs

Réchauffeur d’ air

Broyeur

Ventilateur de tirage

Ventilateur d'air primaire

Figure 6 – Chaudière à charbon bitumineux single pass (doc. HPE)

le bas du foyer peut être divisé en deux parties. Cette conception est appelée « pant leg » (figure 8) [11]. Même avec la conception pant leg, les chaudières LFC de grande capacité ne peuvent être réalisées qu’avec un foyer de forme rectangulaire allongée (figure 9). (2) Comme la séparation gaz/solides dans un cyclone est basée sur la force centrifuge, une augmentation du diamètre du cyclone à vitesse de gaz constante diminue l’efficacité de séparation et

laisse s’échapper des particules de taille supérieure. Il en découle que la taille maximale des cyclones d’un LFC est limitée. Ainsi, pour un LFC brûlant du charbon bitumineux, il faut au minimum un cyclone par 100 MWel , ce qui conduit à six cyclones pour la classe 400-600 MWel et huit cyclones pour la classe 600-800 MWel (figure 9). (3) Une augmentation trop forte de la hauteur du foyer conduirait à une diminution inacceptable du taux de circulation

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CHAUDIÈRES DE PUISSANCE, À DÉCHETS, À BIOMASSE ET DE RÉCUPÉRATION _________________________________________________________________

chaudière. De ce fait, ces surfaces ont un meilleur coefficient d’échange, qui varie moins avec la charge. En revanche, la turbulence et l’impulsion des particules sont telles que seules des surfaces planes sont capables de résister à l’érosion. Les tubes développés pour cet usage sont appelés « super-oméga » (figures 10a et 11) [7]. Ils sont efficaces, mais coûteux ; – des surfaces dans un lit fluidisé dense, qui est généralement installé dans la boucle de retour des solides, après le siphon situé sous le cyclone. Comme le débit des solides en sortie de siphon peut être réparti de façon variable à l’aide d’un dispositif de régulation (vanne mécanique ou variation de la vitesse de fluidisation ), ces lits denses externes offrent la possibilité de modifier et de contrôler le niveau global de refroidissement dans une boucle de LFC. Cette solution peut être exploitée de deux manières :

Foyer principal

Avant-foyer Avant-foyer

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Figure 7 – Foyer à cendres fondues (doc. Alstom)

• soit le but est de maintenir la température de sortie des fumées constante. Dans ce cas, le pourcentage du débit des solides passant à travers le lit externe est réduit aux charges partielles,

des solides, qui ne pourrait être évitée que par une augmentation de la masse des solides et donc de la pression des gaz nécessitant un accroissement de la capacité des ventilateurs d’air et de leur consommation électrique. Comme par ailleurs le périmètre du foyer n’augmente qu’avec la racine carrée de la section, les surfaces des parois membranes du foyer deviennent vite insuffisantes pour assurer des températures sortie de foyer de l’ordre de 850-900 oC, ce qui est la plage qui permet d’optimiser le rendement de combustion et les émissions de SO2 et de NOx .

• soit la température de resurchauffe est régulée grâce au lit externe. Dans ce cas, le pourcentage du débit des solides passant à travers le lit externe qui contient un resurchauffeur est augmenté aux charges partielles de façon à compenser la perte d’échange du resurchauffeur dans le carneau convectif.

1.2.2 Conception et agencement

Il y a trois possibilités d’installer les surfaces d’échange nécessaires pour un LFC de grande capacité : – des panneaux installés dans le haut du foyer. Ces surfaces sont de préférence réalisées en panneaux membranes (tubes-ailettes) et sont appelées « wing-walls » (figure 10b ). Comme la densité de suspension dans la partie supérieure est réduite, les phénomènes d’érosion peuvent être maîtrisés avec un simple revêtement de protection en partie inférieure des panneaux ; – des panneaux installés dans le milieu du foyer. La densité de suspension dans cette zone est plus élevée que pour le cas de la figure 10b, et elle est moins dépendante de la charge de la

À l’origine, les cyclones de LFC étaient conçus classiquement sans refroidissement et avec un revêtement intérieur épais en briques ou béton réfractaires. La figure 10 montre deux réalisations de LFC de capacité voisine de 100 MWel , avec surfaces « oméga » et « wing-walls », et cyclone « classique » non refroidi. Ensuite, des cyclones à parois membrane cylindrique/conique ont été développés, dans le but de diminuer l’épaisseur des surfaces réfractaires dans le cyclone et d’améliorer ainsi le comportement de l’installation pendant les transitoires thermiques.

Cyclone

Cyclone Alimentation charbon

Compensateur

Surface d'échange

Surface d'échange

Lit dense externe

Buses d’air primaire Extraction des cendres sous foyer

Figure 8 – Conception pant leg (doc. Alstom) [11]

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Ｑ Cyclones Figure 9 – Projet de LFC de 800 MWel, avec huit cyclones (doc. Foster Wheeler) Protection

Cyclones

Panneaux oméga Figure 11 – Tubes « super-oméga » [7]

Comme la construction de panneaux membranes dans des surfaces coniques est complexe et coûteuse, un constructeur a breveté et introduit des cyclones à section carrée ou hexagonale et à parois membrane (figure 12).

a

Pour les chaudières à LFC à circulation forcée, la technique des tubes évaporateurs arrangés en hélice autour du foyer [BE 8 371] ne peut pas être mise en œuvre à cause de la nature de l’écoulement diphasique gaz-solides. En effet, en raison des risques d’érosion, les tubes des parois membranes doivent être obligatoirement verticaux. Cet agencement est réalisable en LFC grâce à l’uniformité des flux thermiques qui rend acceptables des vitesses massiques d’eau-vapeur plus faibles que dans une chaudière à CP.

surfaces oméga (doc. Alstom)

Les figures 9 et 13 montrent les conceptions typiques des actuels leaders sur le marché des chaudières LFC de très grande capacité, supérieure à 400 MWel . Comme déjà brièvement discuté en [BE 8 371] et dans le paragraphe 1.1.3, l’injection d’eau de désurchauffe nuit au rendement lorsqu’elle est appliquée au resurchauffeur. Les chaudières LFC offrent par rapport aux chaudières à charbon pulvérisé deux possibilités supplémentaires de réglage de la température de resurchauffe : – soit l’emploi d’un lit dense extérieur dédié à cette fin ; – soit un by-pass partiel côté vapeur du resurchauffeur basse température [12].

Cyclones

Surfaces wing-walls

Dans le plus puissant LFC en opération en 2012, le contrôle de la température de resurchauffe est néanmoins assuré par un système « classique » qui consiste à installer deux carneaux convectifs et à régler la répartition de fumées entre carneau surchauffeur et carneau resurchauffeur par des registres. Les lits denses (échangeurs « externes ») installés dans le circuit de retour des solides peuvent aussi présenter un autre avantage : lors de la combustion de déchets ou de certaines biomasses, une grande partie du chlore venant du combustible est évacuée sous

b surfaces wing-walls (doc. Metso) Figure 10 – LFC d’environ 100 MWel , avec surfaces oméga ou wing-walls, et cyclone classique, non refroidi

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Conception et calcul des chaudières : foyer et circulation par

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Jean PARISOT Ingénieur de l’École Centrale des Arts et Manufactures Ingénieur-conseil, Thermicien Ancien Chef de service Calcul/Conception de Stein Industrie

1. 1.1 1.2

1.3 1.4

1.5 1.6 2. 2.1

2.2

2.3

2.4

Détermination du foyer.......................................................................... Rôle du foyer................................................................................................ Conception générale ................................................................................... 1.2.1 Dimensions du foyer .......................................................................... 1.2.2 Construction des parois ..................................................................... Objet des calculs.......................................................................................... Calculs .......................................................................................................... 1.4.1 Détermination de la chaleur introduite............................................. 1.4.2 Bilan de répartition à l’intérieur du foyer ......................................... 1.4.3 Bilan d’échange .................................................................................. 1.4.4 Transfert thermique ............................................................................ Échanges dans le foyer : flux thermiques sur les parois.......................... Méthodes de calcul simplifiées ..................................................................

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Circulation du fluide chauffé................................................................ Rôle de la circulation ................................................................................... 2.1.1 Formation de la vapeur ...................................................................... 2.1.2 Transmission de chaleur : température de paroi ............................. 2.1.3 Effets sur la conception et la construction ....................................... Modes de circulation ................................................................................... 2.2.1 Circulation naturelle ........................................................................... 2.2.2 Circulation assistée par pompe ......................................................... 2.2.3 Circulation forcée................................................................................ 2.2.4 Chaudières supercritiques ................................................................. 2.2.5 Comparaison des différents modes de circulation .......................... Réservoirs. Séparateurs .............................................................................. 2.3.1 Réservoir ............................................................................................. 2.3.2 Séparateur........................................................................................... 2.3.3 Cas particulier de la double circulation ............................................ Calculs de circulation .................................................................................. 2.4.1 Circulation naturelle ........................................................................... 2.4.2 Circulation assistée par pompe ......................................................... 2.4.3 Circulation forcée................................................................................

Pour en savoir plus...........................................................................................

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ans cet article, nous traiterons de la détermination du foyer et de la circulation du fluide chauffé.

L’ensemble Conception et calcul des chaudières fait l’objet de plusieurs articles : — Généralités et bilans [B 1 460] ; — Foyer et circulation [B 1 461] ; — Échangeurs et circuits air/fumées [B 1 462] ; — Comportement et performances [B 1 463] ; ainsi qu’une documentation commune à l’ensemble [Doc. B 1 464]. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique

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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : FOYER ET CIRCULATION

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1. Détermination du foyer 1.1 Rôle du foyer

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Le rôle essentiel du foyer est d’assurer la combustion dans des conditions correctes, c’est-à-dire : — avec sécurité, ce qui implique la stabilité des flammes et une détection suffisamment précise des extinctions pour éviter les risques d’explosion par réallumage ; — avec un bon rendement, donc avec le minimum d’imbrûlés gazeux et solides, et l’excès d’air minimal ; — avec un minimum d’entretien, d’où la nécessité de réduire les parties réfractaires, toujours plus fragiles et plus sensibles au collage des cendres que les parties métalliques ; — avec parfois la possibilité d’utiliser soit séparément, soit ensemble, plusieurs combustibles . À ce rôle principal, qui autrefois était réservé à des foyers couverts de réfractaires, puis progressivement garnis de tubes d’eau plus ou moins espacés (figure 1), sont venues s’ajouter dans les chaudières modernes d’autres fonctions : — assurer une partie non négligeable de l’échange thermique de la chaudière et, de préférence, une partie importante de la vaporisation ; — par suite de la création d’une enceinte complètement refroidie par des tubes plus ou moins ailetés, la possibilité de rendre cette enceinte étanche aux fumées et, de ce fait, d’avoir des foyers capables de fonctionner en légère surpression côté fumées ; cela permet, en comprimant l’air depuis l’état froid par un ventilateur de soufflage et sans faire appel à un ventilateur de tirage, d’assurer l’introduction de l’air de combustion à travers le foyer et le passage des fumées à travers les échangeurs de la chaudière. Il en résulte, pour une même perte de charge globale, une économie d’énergie importante ; — permettre, grâce à la conception de parois entièrement refroidies, désignées habituellement sous le nom d’écrans, d’obtenir à la sortie du foyer une température suffisamment basse pour éviter les collages de cendres sur les premiers échangeurs rencontrés ; — assurer en outre une combustion dans des conditions telles que les oxydes d’azote (NOx ) ne soient produits qu’en quantité limitée ; dans certains cas, on prévoit également de compléter les réactions de combustion par une action chimique de capture des oxydes de soufre grâce à des injections de calcaire ou de chaux ; parfois, comme dans les chauffes au fuel, le foyer est également l’endroit où l’on effectue des injections de magnésie destinées à limiter la formation de sels de vanadium, trop facilement fusibles.

1.2 Conception générale 1.2.1 Dimensions du foyer La taille et les dimensions du foyer sont fortement liées au type de combustible (figure 2) et imposées par des conditions qui sont presque toutes indépendantes des problèmes de transfert de chaleur. ■ On se trouve dans l’obligation d’achever la combustion ou de la pousser à un degré suffisant pour que la teneur en imbrûlés devienne tolérable ; l’obtention de ce résultat passe par le respect d’un temps de séjour minimal des particules en combustion, temps de séjour lié également à la taille de ces particules, c’est-à-dire soit aux granulométries obtenues par broyage pour le charbon, soit à la finesse de pulvérisation dans le cas de combustible liquide. Figure 1 – Foyer et tubes d’eau

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Figure 2 – Dimensions du foyer en fonction du combustible

■ La forme du foyer peut dépendre directement du combustible ; dans le cas de combustible à faible teneur en matières volatiles, il faut un foyer en voûte qui permet, avec l’aide de réfractaires fixés sur des parois tubées, de créer aux environs du brûleur une zone particulièrement chaude, favorable à l’obtention de la température minimale d’inflammation.

Ces considérations ainsi que la puissance thermique demandée à la chaudière définissent un volume de foyer, puisque le débit des fumées est, pour chaque catégorie de combustible, à peu de choses près proportionnel à la puissance thermique. ■ Dans la zone des brûleurs, la section en plan du foyer, sa largeur et sa profondeur sont liées au modèle de brûleur retenu pour permettre un développement correct de la flamme et éviter son impact sur les parois voisines ou sur une paroi opposée. Dans le cas de combustible solide, le nombre de brûleurs est également lié, en chauffe directe, au nombre de broyeurs.

■ Pour les combustibles solides, on associe directement au foyer un cendrier dont la pente par rapport à la verticale doit être choisie de façon à éviter la rétention des cendres ou des mâchefers qui y tombent (pente d’environ 60 degrés par rapport à l’horizontale). ■ La forme du foyer, pour des modes de combustion qui n’utilisent pas des brûleurs classiques, doit être adaptée au procédé choisi : grille mécanique, grille avec projection de combustible, système à poussoir, combustion sur sole, etc.

■ La distance entre brûleurs, ou entre plans de brûleurs, dépend évidemment de leur encombrement mais également des limites imposées par des problèmes de circulation de l’eau à l’intérieur des tubes d’écrans ou par des problèmes de flux maximal local et de température superficielle des dépôts qui, en général, conduisent à étaler cette zone.

■ La forme du foyer doit être telle qu’elle permette d’assurer une répartition uniforme des gaz à la sortie pour que les échangeurs qui s’y trouvent ne présentent pas des disparités d’absorption excessives. De ce fait, les principales dimensions du foyer sont liées aux caractéristiques suivantes : — la teneur en matières volatiles du charbon, en relation directe avec son aptitude à brûler plus ou moins vite ; — les critères d’inflammabilité ; — les valeurs des fusibilités, en rapport direct avec les risques et l’importance des encrassements ; — les finesses, reliées au temps de combustion et, par prise en compte du temps de séjour, à la teneur en imbrûlés résiduels ; — le choix des puissances calorifiques admises dans la zone des brûleurs.

■ Ces mêmes problèmes de développement de flamme imposent un respect de distance minimale entre les brûleurs eux-mêmes et entre les brûleurs et l’obstacle le plus proche (naissance d’une voûte ou d’un cendrier, parois latérales). La valeur de la section horizontale du foyer dépend soit de la limitation du flux maximal local admissible en fonction du mode de circulation choisi (§ 2), soit de la limitation de la vitesse des gaz à la sortie du foyer en vue d’éviter les érosions dans le cas des combustibles solides. ■ La fusibilité des cendres peut imposer une hauteur de foyer minimale nécessaire pour assurer un refroidissement suffisant des fumées, de sorte que les matières en suspension passent au-dessous de leur température de collage. Bien entendu, cette obligation n’existe que dans les systèmes de combustion à cendres sèches.

1.2.2 Construction des parois

■ Dans les foyers à cendres fondues, le volume et les dimensions du foyer sont, au contraire, déterminés par des considérations de température à maintenir dans un volume défini, avec l’obligation de rester au-dessus de la température de fusibilité pour les basses allures de la chaudière.

Les écrans qui forment l’enveloppe refroidie du foyer (figure 1a ) sont conçus pour être étanches côté fumées et, de ce fait, constitués de tubes reliés entre eux soit par un dépôt de soudure, soit par des ailettes soudées.

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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : FOYER ET CIRCULATION

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1.4 Calculs

Le diamètre de ces tubes doit être convenablement choisi pour assurer un débit de circulation capable de faire face, sans créer de surchauffe locale, au flux de chaleur important qui existe dans la zone des brûleurs. Ces diamètres sont de l’ordre de 25 à 50 mm pour les hautes pressions et peuvent atteindre 100 mm en basse pression. L’épaisseur des tubes dépend aussi de la pression, mais doit être supérieure à la valeur minimale requise pour le soudage, 4 ou 5 mm suivant les techniques. Le pas des tubes est souvent imposé par le mode d’assemblage choisi et la taille des ailettes dont la dimension maximale est limitée par la température atteinte au milieu de l’ailette. En fonction du bilan général d’échange, il est souvent nécessaire, dans le domaine des pressions supérieures à 150 bar, de prévoir des surfaces directement exposées au rayonnement où le fluide chauffé n’est plus de l’eau en cours de vaporisation, mais de la vapeur ; c’est le cas des foyers en spirale où la vaporisation est achevée avant d’arriver à la partie supérieure des écrans. Dans les foyers à tubes verticaux, ces surfaces se présentent généralement sous forme d’un panneau mural disposé verticalement en partie supérieure, sur la face avant et partiellement sur les faces latérales ; l’échange par rayonnement se fait également sur des panneaux de tubes de surchauffeur, disposés verticalement et suspendus à des intervalles importants (4 à 5 m) dans la cavité supérieure, et plus rarement sur toute la hauteur du foyer.

Le modèle de transfert de chaleur qui prédomine dans le foyer est le rayonnement. Ce mode d’échange thermique fait l’objet des articles Rayonnement thermique des matériaux opaques [A 1 520] et Rayonnement thermique des matériaux semi-transparents [B 8 215] dans le traité Génie énergétique. Pour mémoire, le rayonnement suit la loi de Stefan-Boltzmann qui établit la proportionnalité entre la chaleur transmise et la différence des puissances 4e des températures absolues de l’émetteur et du récepteur, en faisant intervenir des facteurs d’émissivité et d’absorption. À l’intérieur d’un volume déterminé, la quantité de chaleur Q échangée par seconde par rayonnement s’exprime par : Q = ε g rS ( T g4 – T p4 ) ( W ) avec

coefficient d’émissivité du gaz à la température Tg pour le trajet moyen L = 3,4 V/S, avec V (m3) volume de la zone rayonnante et S (m2) surface enveloppe de cette zone,

r

coefficient d’absorptivité de la paroi = r0 E avec r0 coefficient d’absorptivité du matériau (corps gris, inférieur ou au plus égal à 1) et E pouvoir absorbant de la paroi, Tg (K) température thermodynamique du gaz, Tp (K) température thermodynamique de la paroi. La détermination des valeurs à introduire dans la formule ci-dessus est explicitée dans les paragraphes suivants, permettant ainsi d’obtenir la température du gaz Tg dans le volume considéré.

1.3 Objet des calculs Les résultats attendus d’un calcul de foyer sont par ordre d’importance décroissante : — la température des fumées à la sortie du foyer ; d’elle dépend non seulement le dimensionnement des échangeurs mais aussi leur bon comportement vis-à-vis des encrassements superficiels ou des dépôts. Les conséquences d’une erreur dans l’évaluation de cette température se font sentir : • sur la température de la resurchauffe, • sur le débit des injections en surchauffe, • sur les températures de métal du surchauffeur ou du resurchauffeur, • éventuellement, sur l’évaporation dans l’économiseur ; — la valeur du rayonnement transmis aux échangeurs directement exposés ; — les transferts de chaleur sur les écrans, utiles pour les calculs de circulation, et indispensables pour la détermination des échanges dans les parois (taux ou température de vapeur à la sortie des écrans) dans le cas des chaudières à circulation forcée ; — enfin, mais de façon plus approximative : • la connaissance des températures locales dans la zone de combustion et, éventuellement, une aide à la détermination des réactions de formation des NOx et SO3 , • la détermination des imbrûlés probables, compte tenu du temps de séjour, de la finesse du produit introduit et de la teneur en matières volatiles, • l’établissement d’un diagramme des vitesses de fumées à l’intérieur et à la sortie du foyer (étude en trois dimensions).

1.4.1 Détermination de la chaleur introduite Les calculs généraux effectués antérieurement (article Généralités et bilans [B 1 460] ) ont permis de définir le débit de combustible, le débit d’air nécessaire à la combustion et le débit de fumées produites. Le combustible peut être introduit : — en chauffe directe avec la totalité de l’eau qu’il contient à l’état brut ; — en chauffe indirecte sous forme sèche, l’eau enlevée au combustible étant envoyée à l’extérieur par exhaure séparée ; — ou parfois (chauffe semi-directe) sous forme séchée aux brûleurs, avec une exhaure séparée qui amène la vapeur provenant du séchage vers un autre endroit du foyer. La chaleur introduite par le combustible est calculée soit sur la base PCS, soit sur la base PCI, mais, dans le cas d’utilisation du PCS, il faut calculer la chaleur de vaporisation de l’eau d’origine et celle de l’eau résultant de la combustion de l’hydrogène, pour les déduire et définir ainsi la chaleur disponible. La masse de combustible introduite dans ce calcul doit être la masse du combustible réellement brûlé (imbrûlés déduits) en supposant que les réactions de combustion ne donnent pas lieu à la création d’imbrûlés gazeux par décomposition à haute température. En même temps que le combustible, on introduit de l’air à une température choisie soit pour faciliter l’allumage, soit en vue d’une récupération maximale, grâce à un réchauffeur d’air, de la chaleur contenue dans les circuits de fumées avant leur évacuation à la cheminée.

Exemple : en ce qui concerne la valeur des résultats obtenus, il n’est pas inutile de rappeler que, sur des chaudières de 700 t /h alimentées en charbon de Lorraine, la température moyenne à la sortie du foyer varie de plus de 100 oC en 8 h entre deux ramonages de foyer. C’est dire l’influence considérable des encrassements possibles et l’importance des moyens de ramonage que l’on doit mettre en œuvre dans un foyer.

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εg

On ajoute à l’enthalpie de formation du combustible (c’est-à-dire celle que l’on peut produire par combustion) son enthalpie sensible par exemple, dans le cas d’utilisation de gaz chauds issus d’un processus chimique (gaz CO par exemple) ou dans le cas d’utilisation de gaz d’échappement de turbine à gaz.

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Un mode de calcul plus poussé consiste à diviser le foyer en plusieurs zones, et à définir pour chacune d’elles une température, les échanges par rayonnement sur ses parois, les émissions de rayonnement vers les zones voisines et l’absorption par ses propres parois du rayonnement en provenance des zones voisines. La création d’une zone de flamme est indispensable si l’on veut juger de l’effet de brûleurs de types différents. La figure 4 donne le bilan des quantités de chaleur moyennes mises en jeu dans une zone élémentaire.

Il peut y avoir également introduction de gaz recyclés, généralement prélevés entre économiseur et entrée du réchauffeur d’air. La totalisation de ces différentes quantités de chaleur permet de définir la chaleur totale introduite.

1.4.2 Bilan de répartition à l’intérieur du foyer La chaleur introduite dans le foyer (figure 3) va, après combustion, se diviser en : — chaleur transférée au fluide chauffé directement par les parois (écrans et échangeurs directement exposés) ; — chaleur évacuée par les fumées à la sortie du foyer ; — chaleur évacuée par les cendres ou les mâchefers au cendrier ; — chaleur perdue vers l’extérieur par les parois calorifugées du foyer (souvent négligeable, de l’ordre de 0,2 %).

Dans les procédures de calcul les plus modernes, cette décomposition en zones peut être poussée très loin, en définissant des structures analogues à celles utilisées dans les procédures de calcul aux éléments finis, en décomposant la totalité du volume en un certain nombre de cubes juxtaposés et en recherchant l’équilibre thermique de chacun de ces cubes par rapport aux voisins (figure 4).

1.4.3 Bilan d’échange Les méthodes de détermination des températures en différents points du foyer et des chaleurs reçues par les différentes surfaces des écrans sont aussi variées que le nombre de constructeurs de chaudières ; cette variété dépend essentiellement de la façon dont on divise le foyer en zones de transfert de chaleur. La méthode la plus simple consiste à considérer l’ensemble du foyer comme une zone unique à température uniforme, et de rechercher l’équilibre thermique correspondant à cette température ; cette méthode est tout à fait admissible dans le cas de combustion de lignites humides, pour lesquels la totalité du foyer constitue la zone de combustion proprement dite avec une température relativement basse, ou pour le cas de combustion de gaz naturel, relativement peu rayonnant.

Figure 4 – Décomposition du foyer en zones

Figure 3 – Répartition des chaleurs à l’intérieur du foyer

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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : FOYER ET CIRCULATION

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1.4.4 Transfert thermique

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Que ce soit pour le calcul d’un foyer complet considéré comme une seule zone ou pour le calcul d’un cube élémentaire intégré à l’intérieur du foyer, il est indispensable de définir ou de pouvoir calculer : — la composition des produits de la combustion (teneur en CO2 , en vapeur d’eau) ; — les capacités thermiques massiques des produits de la combustion ; — le coefficient d’émissivité du rayonnement de la particule en cours de combustion, ou l’émissivité du volume gazeux correspondant ; — le coefficient d’absorptivité des parois du foyer, absorptivité variable suivant qu’elles restent propres, avec l’apparence d’un métal, ou qu’elles sont recouvertes d’une couche plus ou moins fine de dépôts cendreux ; — la température des parois froides, réceptrices du rayonnement. 1.4.4.1 État des produits de la combustion Cet état est défini à partir de l’excès d’air choisi et de l’analyse élémentaire du combustible ; les bilans chimiques de combustion permettent de définir la teneur en CO2 et en vapeur d’eau des fumées, ainsi que la quantité de matières solides qu’elles emportent (article Généralités et bilans [B 1 460]), ce qui permet de calculer, en fonction de la température, les capacités thermiques massiques, l’enthalpie des produits de la combustion et l’émissivité de la masse gazeuse. 1.4.4.2 Émissivité L’émissivité dans la zone de combustion dépend du processus de combustion (figure 5), en effet : — pour le fuel, l’existence du cracking est caractérisée par la présence, dans un premier temps relativement bref, de particules de carbone portées à haute température et dotées de ce fait d’une brillance de flamme importante : il y a une très forte émissivité mais dans une zone assez limitée ; — pour les gaz naturels, si l’admission d’air est fortement turbulente, la combustion se produit sans cracking ; la flamme est alors particulièrement transparente, c’est-à-dire à faible émissivité ; — pour le charbon, la combustion s’effectue à plus basse température que celle du fuel ou du gaz par suite de la présence d’eau, d’éléments inertes sous forme solide et également d’un excès d’air plus fort ; l’émissivité dépend de la teneur en matières volatiles et de la teneur en cendres ; — pour le lignite, compte tenu de la masse importante d’éléments inertes, la combustion s’effectue à une température encore plus basse, de sorte que la flamme n’est pratiquement plus apparente ; le rayonnement global reste donc faible. Lorsque la combustion est achevée, quel que soit le combustible, on se trouve en présence d’un mélange gazeux qui se refroidit dans la partie haute du foyer.

Figure 5 – Répartition des composants des produits de combustion intervenant dans le rayonnement

La détermination de l’émissivité globale ε d’une masse gazeuse constituée de différents composants (CO2 , vapeur d’eau et cendres), dont l’émissivité propre est ε CO2 , ε H2 O et εcen , se fait à partir de l’énergie absorbée, ce qui donne comme relation : 1 – ε = ( 1 – ε CO2 ) ( 1 – ε H2 O ) ( 1 – ε cen )

ε CO2 , ε H2 O étant fonction de la température, de la pression partielle et du trajet moyen. Les valeurs de ces coefficients d’émissivité ont fait l’objet de publications dans la littérature technique, surtout en ce qui concerne les gaz ; la documentation sur l’émissivité des flammes de charbon est plus restreinte et fait souvent partie du domaine des connaissances spécifiques des constructeurs de chaudières. 1.4.4.3 Absorption des parois La transmission de chaleur aux parois se fait principalement par rayonnement, la partie due à la convection étant inférieure à 5 % dans les grands foyers. La chaleur transmise par le rayonnement d’une flamme ou d’une masse gazeuse à un écran ou à une rangée de tubes est proportionnelle à l’angle solide sous lequel est vue la surface plane qu’ils présentent vis-à-vis de la direction de ce rayonnement et non pas à leur surface développée ; c’est la raison pour laquelle on évalue les transferts à partir d’une surface projetée (figure 6a ). L’absorption dépend de l’état de la surface, éventuellement de la couche plus ou moins importante de dépôts cendreux (combustion de charbon ou même de fuel) et de la nature des réfractaires qui peuvent recouvrir certains secteurs.

L’absorption ou le rayonnement d’une masse gazeuse sont assimilables à ce qui se passe dans un volume garni de poussières en suspension : plus la densité de poussières est élevée, plus il est opaque aux rayons qui cherchent à le traverser. De même, plus ses dimensions sont importantes, plus il y a de matière à rencontrer. C’est la raison pour laquelle interviennent les notions de trajet moyen et de pression partielle. Les gaz tels que le CO2 ou la vapeur d’eau, à la différence avec l’oxygène ou l’azote, rayonnent ou absorbent du rayonnement. La quantité de matière rencontrée est proportionnelle à la pression partielle du gaz. En outre, une des lois du rayonnement est que tout corps capable d’absorber le rayonnement le réémet dans les mêmes longueurs d’ondes, de sorte qu’une masse gazeuse qui a absorbé du rayonnement en provenance d’une certaine source le restitue vers des zones ou des surfaces à plus basse température.

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Conception et calcul des chaudières : échangeurs et circuits air/fumées par

Jean PARISOT Ingénieur de l’École Centrale des Arts et Manufactures Ingénieur-conseil, Thermicien Ancien Chef de service Calcul/Conception de Stein Industrie

Ｑ 1. 1.1 1.2

1.3 1.4 1.5

1.6 1.7

1.8 2. 2.1 2.2

2.3 2.4 2.5

Échangeurs ................................................................................................ Rôle des échangeurs ................................................................................... Architecture générale. Ordre de parcours des fumées ............................ 1.2.1 Répartition des échanges. Variation suivant l’allure ....................... 1.2.2 Moyens d’action sur les échanges .................................................... 1.2.3 Contraintes technologiques et économiques................................... Choix de la position et de l’ordre des échangeurs ................................... Bilan global des échanges. Bilan individuel.............................................. Calcul des échangeurs ................................................................................ 1.5.1 Objet du calcul .................................................................................... 1.5.2 Méthode de calcul .............................................................................. Conception des échangeurs. Éléments de construction .......................... Calcul de la température du tube et sélection du métal........................... 1.7.1 Effet de la température du fluide chauffé ......................................... 1.7.2 Écart de température entre fluide et métal....................................... 1.7.3 Exemple de profil de température métal à mi-épaisseur................ 1.7.4 Contraintes .......................................................................................... Protections ...................................................................................................

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Circuits air/fumées.................................................................................. Nature des circuits....................................................................................... Réchauffeurs d’air........................................................................................ 2.2.1 Échangeurs à surface ......................................................................... 2.2.2 Échangeurs du type régénératif ........................................................ Pertes de charge. Vitesses d’air et de fumées. Marges sur débit et pressions ...................................................................................................... Ventilateurs .................................................................................................. Problèmes liés aux circuits d’air et de fumées..........................................

Pour en savoir plus...........................................................................................

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a chaudière est composée d’une succession d’échangeurs, d’une géométrie et d’une surface bien déterminées et invariables, soumis quant à leurs échanges thermiques à des lois physiques complexes, avec comme complication supplémentaire le fait que tout changement du comportement d’un appareil a des effets sur l’appareil qui se trouve en aval, que ce soit sur le circuit des fumées ou sur le circuit du fluide chauffé.

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L’ensemble Conception et calcul des chaudières fait l’objet de plusieurs articles :

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— Généralités et bilans [B 1 460] ; — Foyer et circulation [B 1 461] ; — Échangeurs et circuits air/fumées [B 1 462] ; — Comportement et performances [B 1 463] ; ainsi qu’une documentation commune à l’ensemble [Doc. B 1 464].

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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES _______________________________________________________________

1. Échangeurs

— des échangeurs utilisés principalement pour transférer l’énergie contenue dans ces gaz à un fluide utilisable dans un cycle thermodynamique de production d’électricité, fluide qui dans le cadre de cette étude est de l’eau sous forme liquide ou vapeur utilisée actuellement dans la quasi-totalité des cycles de production d’énergie. Si l’on suit le parcours de ce fluide le long de la chaudière (figure 1), il traverse successivement les principaux échangeurs suivants : économiseur, vaporisateurs (parois du foyer sur la figure), surchauffeurs et resurchauffeurs.

1.1 Rôle des échangeurs D’un point de vue très schématique, une chaudière à combustible fossile peut se ramener à : — un foyer servant à convertir l’énergie potentielle contenue dans le combustible (pouvoir calorifique) en gaz chauds et en rayonnement ;

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Figure 1 – Exemple de chaudière au charbon avec la succession d’échangeurs : économiseur, vaporisateurs, surchauffeurs et resurchauffeurs

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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES

■ L’économiseur : l’eau venant du poste de réchauffage, alimenté par les soutirages de la turbine, s’y échauffe avant son introduction dans le réservoir ou le séparateur (séparateur « humide »). L’eau à la sortie de cet appareil est généralement à une température inférieure à la température de saturation (pour les cycles sous-critiques), mais, dans certains cas, l’économiseur peut être vaporisant. L’économiseur, divisé parfois en différents éléments, est généralement constitué de tubes à ailettes (fuel ou gaz naturel) ou de tubes lisses (charbon et autres). Pour des raisons d’optimisation des échanges et pour des raisons de prix, il est généralement situé sur le parcours des fumées entre le dernier surchauffeur ou resurchauffeur et le réchauffeur d’air.

● L’échangeur de démarrage : spécifique des chaudières à circulation forcée, il permet de récupérer une grande partie de l’énergie contenue dans l’eau circulant dans la chaudière au débit minimum imposé pendant la période de démarrage (article Conception et calcul des chaudières : foyer et circulation [B 1 461]).

1.2 Architecture générale. Ordre de parcours des fumées La chaudière doit assurer : — un débit de vapeur strictement et rapidement égal à celui demandé par le réseau utilisateur ou la turbine ; — une pression constante au point d’utilisation de la vapeur (ou, dans le cas d’un système à pression glissante, la pression associée à la puissance demandée) ; — le maintien de la température de la vapeur surchauffée dans un domaine assez large (30 à 100 % de l’allure) ; — le maintien de la température de la vapeur resurchauffée entre le control point et l’allure maximale, en général entre 60 et 100 %. L’architecture générale de la chaudière, et en particulier la disposition des échangeurs, doit à la fois tenir compte : — des moyens de réglage disponibles ; — des contraintes technologiques ou économiques liées à la résistance mécanique des tubes constituant les échangeurs pour les températures où ils sont utilisés ; — des contraintes liées directement à la température, à la vitesse des fumées et à la nature du combustible telles que encrassement ou érosion par les cendres (fusibles ou collantes), corrosion, etc. ; — des contraintes imposées par le supportage : intervalles entre panneaux, reprise des charges, etc.

■ Les vaporisateurs : ils assurent la fin de l’échauffement de l’eau (quand l’économiseur n’est pas vaporisant) et la production de la vapeur. Les vaporisateurs sont généralement constitués par les écrans soudés de la chaudière mais doivent parfois être complétés par des faisceaux, notamment dans le cas des chaudières à faible pression (enthalpie de vaporisation élevée). ■ Les surchauffeurs : situés sur le parcours des fumées entre la sortie du foyer et l’économiseur, ils servent à élever la température de la vapeur depuis l’état saturé (chaudières à réservoir) ou légèrement surchauffée (circulation forcée). Ce sont généralement des échangeurs tubulaires bien que certaines parties de la surchauffe puissent se faire dans des parois de la chaudière (cages arrière de chaudière, surchauffeurs muraux, écrans de chaudières à circulation forcée). ■ Les resurchauffeurs : ils ont un rôle identique à celui des surchauffeurs, à savoir élever la température de la vapeur resurchauffée provenant de la turbine à un niveau déterminé fixé au contrat (article Conception et calcul des chaudières : généralités et bilans [B 1 460]) ■ Les désurchauffeurs (mentionnés pour mémoire) : destinés à refroidir et à moduler la température de la vapeur surchauffée ou resurchauffée, ils sont rarement tubulaires (immergés dans le réservoir) mais généralement assimilables à des échangeurs par mélange puisqu’ils procèdent par injection d’eau dans la vapeur.

1.2.1 Répartition des échanges. Variation suivant l’allure

■ Les autres échangeurs associés à la chaudière : non directement en liaison avec l’eau ou la vapeur du cycle, ils n’en sont pas moins indispensables au bon fonctionnement de l’installation. ● Le réchauffeur d’air : échangeur air de combustion /gaz de combustion, est le seul capable, du fait de la température de l’air le traversant (entrant à la température ambiante ou légèrement préchauffé), d’abaisser la température des fumées pour obtenir un rendement élevé (typiquement 110 et 150 oC). Cet appareil, parfois subdivisé entre air primaire et air secondaire (figure 1), peut être : — tubulaire, volumineux et lourd mais ne présentant pas de fuites ; — régénératif, plus compact et léger mais avec un taux de fuite inéluctable variant de 5 à 10 %. L’utilisation d’autres types d’appareils, tels que les caloducs, est aussi envisageable dans l’espoir de réunir les avantages des deux modèles ci-dessus sans en avoir les inconvénients. ● Le préchauffeur d’air : dans le but principal de protéger le réchauffeur d’air et les gaines de fumées placées en aval des risques de corrosion par condensation d’acide pendant les démarrages (sauf si le combustible utilisé au démarrage est du gaz ou du fuel) ou pendant le fonctionnement normal (centrales au fuel lourd), il est nécessaire de préchauffer de quelques dizaines de degrés l’air entrant dans le réchauffeur d’air. Le préchauffeur est placé au refoulement du ventilateur de soufflage ; il n’est pas indispensable dans le cas du charbon mais souvent recommandé.

Les quantités de chaleur à transférer depuis les fumées vers l’un ou l’autre des échangeurs et les conditions des échanges varient avec la puissance globale produite, et cela pour plusieurs raisons : — la quantité de chaleur à fournir à la resurchauffe, pour le maintien d’une température finale constante, est proportionnellement plus importante à basse allure que celle à fournir à la surchauffe quand la chaudière est à pression fixe ; — en pression glissante, la quantité de chaleur nécessaire à la vaporisation s’accroît, toutes proportions gardées, quand l’allure et la pression diminuent ; — les températures baissent avec l’allure, que ce soient celles des fumées à la sortie du foyer ou celles du fluide chauffé (eau d’alimentation, vapeur à resurchauffer). Il est donc nécessaire de trouver des moyens d’action sur les échanges, pour obtenir les performances désirées (températures et quantités de chaleur).

1.2.2 Moyens d’action sur les échanges ■ Action sur la vapeur Le plus simple et le plus généralement appliqué est l’injection d’eau dans la vapeur, de préférence en amont du dernier échangeur (surchauffeur ou resurchauffeur) ; la vaporisation de cette eau produit un refroidissement de la vapeur. L’injection nécessite un certain nombre de précautions : — une eau correctement déminéralisée (obtenue parfois par condensation de vapeur saturée prélevée au réservoir) ;

Cette fonction est assurée généralement par un échangeur à tubes ailetés où l’air est réchauffé par de la vapeur (condensation) ou de l’eau.

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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES _______________________________________________________________

— une pulvérisation en fines gouttelettes dans la vapeur à refroidir ; — une protection des parois internes des tubes par une jaquette en acier inoxydable dans la zone de refroidissement pour y limiter les contraintes thermiques (figure 2). Il y a également le mélange de vapeur directe avec de la vapeur en provenance d’un échangeur de refroidissement placé dans le réservoir.

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■ Action sur le débit de fumées : — soit par modification de l’excès d’air au détriment du rendement ; — soit par recyclage de fumées, généralement prélevées à l’entrée du réchauffeur d’air et réinjectées dans le foyer ; il n’y a pas modification du débit à la cheminée, donc pas de perte de rendement. L’accroissement du débit de fumées abaisse la température dans le foyer et à sa sortie, réduit l’échange dans les appareils de tête et accroît l’échange dans les appareils de queue par suite du refroidissement plus réduit des fumées. ■ Action sur la répartition des fumées En divisant le trajet des fumées en circuits parallèles, avec prédominance de surchauffeurs dans l’un des circuits et de resurchauffeurs dans l’autre, et en modulant les débits de fumées entre l’un ou l’autre. Cette disposition est rarement adoptée car coûteuse.

Figure 2 – Injection d’eau dans la vapeur en amont du resurchauffeur

À titre d’exemples, pour des chaudières au fuel ou au gaz naturel à pression fixe, on peut avoir le réglage de la resurchauffe : — par recyclage de gaz (figure 4a ) ; le resurchauffeur est à l’arrière pour bénéficier au mieux de l’échange qui est augmenté en aval à cause du recyclage dont l’effet est plus marqué à basse allure ; — au moyen de brûleurs inclinables (figure 4b ) ; le resurchauffeur est en position médiane ; il est placé plus en mont, dans la limite compatible avec la tenue du métal de ses tubes pour bénéficier au maximum de la remontée du feu dans le foyer sous l’effet de l’inclinaison des brûleurs vers le haut lorsque l’allure de la chaudière est plus basse. Pour des chaudières tour à charbon et à pression glissante, on peut avoir le réglage de la resurchauffe : — par injection d’eau (figure 5a ), RHT en troisième position et brûleurs fixes ; — au moyen de brûleurs inclinables (figure 5b ), RHT en deuxième position ; — par action sur l’excès d’air (figure 5c ). La resurchauffe est plus facile à obtenir à basse allure du fait de la pression glissante, le recyclage des fumées étant exclu par suite de la forte teneur en cendres des combustibles. Pour choisir la position des échangeurs sur le parcours des fumées, on utilise aussi le fait que les échanges par rayonnement interne sont plus importants dans les zones à haute température et qu’il y a prédominance des échanges par convection dans les zones à basse température.

■ Action sur la température de sortie du foyer (et des échanges dans celui-ci) Par modification de la position du feu soit par adoption de brûleurs inclinables, soit par utilisation de brûleurs à des niveaux différents.

1.2.3 Contraintes technologiques et économiques La recherche économique de réduction des surfaces des échangeurs conduirait à placer les appareils où l’on veut des températures de vapeur élevées dans les zones où les fumées sont les plus chaudes ; on est cependant confronté aux problèmes liés à la tenue du métal des tubes portés à haute température. Ce sont donc des questions de limitation de contraintes admissibles en fonction de cette température et d’obligation de refroidir le métal au moyen d’un bon coefficient d’échange interne (entre fluide chauffé et métal) qui vont déterminer à la fois le sens du parcours de la vapeur (méthodique ou antiméthodique) et la position relative de chaque échangeur sur le trajet des fumées. Le diagramme de la figure 3, en suivant le parcours des fumées de gauche à droite, permet de comparer l’évolution de leur température par rapport à celle des fluides chauffés. Les échangeurs situés dans une région où les fumées sont à plus de 900 oC sont antiméthodiques (co-courant) ; au-dessous de 830 oC, ils sont méthodiques (contre-courant).

1.3 Choix de la position et de l’ordre des échangeurs

1.4 Bilan global des échanges. Bilan individuel

Suivant le mode d’action retenu (§ 1.2.2), il existe une grande variété de solutions. Le choix dépend de nombreux paramètres, essentiellement : — du type de chaudière choisi en fonction du combustible (article Conception et calcul des chaudières : généralités et bilan [B 1 460]), du mode de fonctionnement et du type de circulation retenus ; — des performances souhaitées (§ 1.2) ; — des moyens de régulation (§ 1.2.2).

— Le bilan des énergies à fournir au fluide chauffé pour différentes allures (en différenciant échauffement, vaporisation, surchauffe et resurchauffe), la puissance introduite par le combustible, et corrélativement les débits de fumées, ont été déterminés dans l’article Conception et calcul des chaudières : généralités et bilans [B 1 460]. — Le calcul du foyer a permis de connaître la répartition des énergies rayonnées sur les parois, vers les échangeurs de sortie, et la température des fumées (article Conception et calcul des chaudières : foyer et circulation [B 1 461]).

Le maintien de la plage de resurchauffe joue à cet égard un rôle prédominant.

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Conception et calcul des chaudières : comportement et performances par

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Jean PARISOT Ingénieur de l’École Centrale des Arts et Manufactures Ingénieur-conseil, Thermicien Ancien Chef de service Calcul/Conception de Stein Industrie

1. 1.1 1.2

Régimes variables .................................................................................... Types de service .......................................................................................... Démarrages.................................................................................................. 1.2.1 Démarrage depuis l’état froid............................................................ 1.2.2 Démarrage à chaud ............................................................................ 1.2.3 Îlotage ..................................................................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4

Vérification des performances et du rendement ............................ Notion de rendement .................................................................................. Définition du rendement par les codes...................................................... Vérification du rendement .......................................................................... Consommation spécifique d’un ensemble chaudière/turbine ................

Pour en savoir plus...........................................................................................

D

B 1 463 - 2 — 2 — 4 — 4 — 5 — 5 — — — — —

5 6 6 7 8

Doc. B 1 464

ans cet article, nous traiterons du comportement en régime variable et de la vérification des performances et du rendement des chaudières.

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L’ensemble Conception et calcul des chaudières fait l’objet de plusieurs articles : — Généralités et bilans [B 1 460] ; — Foyer et circulation [B 1 461] ; — Échangeurs et circuits air/fumées [B 1 462] ; — Comportement et performances [B 1 463] ; ainsi qu’une documentation commune à l’ensemble [Doc. B 1 464].

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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : COMPORTEMENT ET PERFORMANCES _________________________________________________________________

1. Régimes variables

l’installation de turbines à gaz dans un délai rapide permet de faire face à un besoin d’énergie qui ne peut se satisfaire du délai de construction d’une centrale classique ; ultérieurement, l’installation en complément de chaudières de récupération et d’une turbine à vapeur permet de réaliser la centrale de base. La combinaison chaleur-force est une solution fréquente dans les pays nordiques, en Allemagne et en Russie. Les centrales de production de courant sont conçues pour fournir en hiver une proportion importante de chaleur destinée à un chauffage urbain ; il s’agit alors d’ensembles à contre-pression, avec en été un condenseur auxiliaire qui peut être de taille réduite par rapport à la capacité globale du système. Les pertes de vapeur dans les réseaux d’utilisation imposent généralement l’adjonction d’échangeurs préparateurs de la vapeur de chauffage moyenne et basse pression, de façon à ce que la chaudière haute pression, la turbine à vapeur et le poste d’eau marchent en circuit fermé, à l’abri des pollutions en provenance du réseau.

1.1 Types de service

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La marche de base exige la recherche d’un bon rendement et justifie un investissement élevé, éventuellement une solution en pression supercritique si le nombre d’heures de service est de l’ordre de 8 000 par an et le combustible bon marché. En général, on ne demande pas de variation rapide de charge, mais des solutions qui permettent d’assurer de bonnes températures dans une assez large plage de fonctionnement : par exemple, entre 35 et 100 % pour la surchauffe et 60 et 100 % pour la ou les resurchauffes le seuil minimal de resurchauffe étant appelé control point. La recherche d’une bonne disponibilité conduit à installer plus de dispositifs de secours et de circuits complémentaires ; la détection des défauts nécessite des systèmes plus perfectionnés, à redondance, pour éviter des coupures sur défauts fictifs. Les groupes de pointe doivent satisfaire principalement trois exigences : — comme ils doivent couvrir peu d’heures de fonctionnement, l’investissement doit être léger et on admet un rendement plus mauvais, de 3 à 5 % au-dessous de celui d’une centrale de base ; — le groupe de pointe doit assurer des variations rapides de charge ; — les temps de démarrage doivent être courts, pour limiter les dépenses de combustible pendant les périodes de montée en pression et en température.

Une fois le type de service fixé, il faut définir pour toute chaudière les allures caractéristiques qui imposent des choix au moment de sa conception (article Conception et calcul des chaudières : généralités et bilans [B 1 460] et tableau 1). D’une façon générale, les températures de fumées, de vapeur ou d’eau à l’entrée ou à la sortie des échangeurs décroissent lorsque l’allure diminue ; la seule exception concerne les échangeurs soumis au rayonnement direct du foyer pour lesquels la température de la vapeur à leur sortie augmente lorsque la charge diminue (cas des surchauffeurs ou resurchauffeurs radiants). On peut noter en outre que les appareils situés dans les zones à plus basse température deviennent très sensibles au recyclage des fumées ; c’est la raison pour laquelle on utilise ce moyen pour déplacer les échanges à l’intérieur de la chaudière, en vue d’obtenir par exemple la constance de la température de vapeur de resurchauffe (RBT en queue). Les courbes des figures 1 et 2 donnent une idée des variations : — pour une chaudière au charbon à pression glissante associée à un groupe turboalternateur de 600 MW, en marche stable et à différentes allures, de la température du fluide HP, de la vapeur MP, des fumées et de la pression du fluide HP ; — et pour une chaudière au gaz naturel à pression fixe, sans resurchauffe, la température de la vapeur et des fumées.

Le combustible des centrales de pointe est du fuel ou du gaz naturel. Les systèmes intermédiaires sont chargés de fonctionner pendant certaines périodes de l’année, 5 à 6 mois par exemple, avec arrêt de nuit et de fin de semaine. La plupart du temps, la marche est à deux postes de travail (2 × 8 h). Ces groupes de production doivent pouvoir assurer des reprises de charge rapides, avoir des temps de montée en pression et en température relativement courts, tout en ayant un rendement correct à pleine charge. On réalise également des systèmes mixtes qui ont été conçus tout d’abord pour une fonction de pointe avec la possibilité de se transformer par la suite en centrale de base à cycle combiné :

(0)

Tableau 1 – Allures de définition des performances Minimum de fonctionnement en régulation automatique

Minimum technique avec un seul combustible (charbon)

Valeurs Stabilité (débit, tempéra- Débit de vapeur imposées en ture, pression) Stabilité du feu au général charbon garanties

Control point (1) Débit de vapeur Température de vapeur surchauffée et de vapeur resurchauffée Excès d’air (parfois)

Effets sur le Régulation plus ou moins Deux broyeurs en ser- Réglage de la resurd i m e n s i o n - performante vice chauffe Recyclage des fumées nement Recirculation et écart Taille des broyeurs Inclinaison ou sélecentre la température de l’eau à la sortie de l’écotion du nombre de brûnomiseur et la saturation leurs (cas des chaudières Taille et position du resurchauffeur monotubulaires)

Allure maximale continue

Pointe

Débit de vapeur Pression Rendement Consommation des auxiliaires

Débit de vapeur

Combustion Taille du réchauffeur d’air et de l’économiseur Imbrûlés Finesse du broyage Flux thermique local maximal (dimension du foyer)

Débit des ventilateurs de soufflage et de tirage Perte de charge des fumées Brûleurs Broyeurs Foyer (risques d’encrassement)

(1) Seuil minimal de maintien en température de vapeur resurchauffée.

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________________________________________________________________ CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : COMPORTEMENT ET PERFORMANCES

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Figure 1 – Variations de différentes caractéristiques pour une chaudière au charbon à pression glissante : 1 792 t/h à 211 bar (doc. Stein Industrie) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique

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Production de chaleur à partir du bois Combustible et appareillage par

Yann ROGAUME École nationale supérieure des technologies et industries du bois (ENSTIB) Laboratoire d’études et de recherches sur le matériau bois (LERMAB) UMR 1093 INRA/ENGREF/UHP Nancy I

1. 1.1 1.2 1.3

Les combustibles bois ............................................................................ Origines ........................................................................................................ Caractéristiques physiques......................................................................... Composition chimique et cendres..............................................................

BE 8 747 — 2 — 2 — 3 — 5

2. 2.1 2.2 2.3 2.4

Procédés et matériels de conditionnement...................................... Tronçonnage et fendage ............................................................................. Broyage et déchiquetage ............................................................................ Compactage ................................................................................................. Conclusion....................................................................................................

— — — — —

5 5 5 8 9

3. 3.1 3.2 3.3 3.4

Appareils de combustion du bois........................................................ Rappel des principes de la combustion..................................................... Appareils divisés ......................................................................................... Chaudières à bûches ................................................................................... Chaudières automatiques ...........................................................................

— — — — —

9 9 9 10 11

Production de chaleur à partir du bois. Installations industrielles ....

BE 8 748

Pour en savoir plus ...........................................................................................

Doc. BE 8 749

a production de chaleur à partir du bois est un phénomène connu par tous, ne serait-ce que pour un barbecue ou dans une cheminée. Cependant, de nombreux développements sont en cours, notamment dans le cadre de la volonté de favoriser l’utilisation des énergies renouvelables. Des systèmes performants et adaptés aux différents besoins exprimés existent aujourd’hui et sont régulièrement optimisés. Cet article, divisé en deux fascicules [BE 8 747] et [BE 8 748], propose une vue globale sur le bois en tant que combustible et sur les différents systèmes de production d’énergie, sous forme de chaleur ou d’électricité.

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PRODUCTION DE CHALEUR À PARTIR DU BOIS _______________________________________________________________________________________________

feu ne transite pas par des exploitants : sur les 22 Mm3 de bois de feu issu de la récolte sylvicole, seuls 2 à 3 Mm3 sont officiellement commercialisés !

Tableau des notations et symboles Symbole

Unité

Désignation

Hb

%

humidité sur brut

Hs

%

humidité sur sec

Mh

kg

masse de l’échantillon humide

M0

kg

masse de l’échantillon sec

CF

Ｒ

1.1.1 Sous-produits des entreprises d’exploitation de la forêt La disponibilité réelle de la ressource en bois mobilisable en forêt est liée à différents facteurs qui sont l’âge des peuplements et leurs caractéristiques (essences...), leur accessibilité (pentes, accès...), la diversité des propriétaires forestiers et la dispersion des parcelles, ainsi que le marché de l’offre et de la demande. La forêt peut proposer du bois de feu, des houppiers (branches et cimes) inutilisés lorsque les grumes ont été exploitées (en forêt ou en bord de route) et des branches d’élagage. Les futaies proposent aussi un gisement important qui est assez mal exploité (le gisement serait de l’ordre de 10 Mm3 si toutes les tailles étaient comptabilisées).

coefficient de foisonnement

ρa

kg · m−3

masse volumique apparente

ρb

kg · m−3

masse volumique brute

PCSs

kJ · kg−1

pouvoir calorifique supérieur sur sec

PCIs

kJ · kg−1

pouvoir calorifique inférieur sur sec

PCIh

kJ · kg−1

pouvoir calorifique inférieur humide

Xv

kJ · kg−1

chaleur latente de vaporisation de l’eau à 0 ˚C (environ 2 500 kJ · kg−1)

M H2 O

kg · mole−1

MH

kg

masse de l’atome d’hydrogène

H

%

pourcentage massique d’hydrogène

La ressource actuellement disponible uniquement en forêt est évaluée à environ 8 Mt/an, ce qui correspond à 4,8 Mtep de plaquettes qui permettraient d’alimenter 24 000 chaufferies automatiques d’un mégawatt. En ajoutant à ce chiffre la capitalisation due à l’accroissement forestier, le nombre d’installations pourrait atteindre plus de 50 000, ce qui représente aussi 3,3 millions de maisons d’habitations (en prenant une puissance moyenne de 15 kW par maison).

1.1.2 Sous-produits des entreprises de la filière bois

masse molaire de l’eau

L’incinération à l’air libre, la mise en décharge, l’enfouissement des déchets de l’industrie du bois représentent un potentiel de 110 000 tep soit l’équivalent de 500 chaufferies d’un mégawatt. Les estimations situent à 7,5 Mt la masse de déchets produits annuellement par les industries françaises du bois, dont plus de 500 000 t sont inutilisées et susceptibles d’être valorisées (la plus grande part est dirigée vers les entreprises de trituration ou de panneaux).

1. Les combustibles bois

Les résidus de l’industrie du bois peuvent être séparés en résidus massifs (culées, purges, dosses, chutes...) et en résidus fractionnés (écorces, sciures, copeaux...). L’utilisation des résidus massifs en chaufferies automatiques nécessite une préparation préalable par broyage, afin d’obtenir des plaquettes facilement exploitables. Les résidus fractionnés peuvent, pour la plupart, être valorisés directement, mais leurs caractéristiques spéciales (granulométrie, teneur en cendres, masse volumique...) demandent des installations adaptées.

1.1 Origines De nombreux gisements de bois sont disponibles et peuvent conduire à des combustibles après une phase de conditionnement plus ou moins importante : — l’exploitation de la forêt (bûcheronnage, débardage, élagage...) ; — la première transformation du bois (scieries, panneaux, etc.) ; — la seconde transformation du bois (menuiseries, ameublement, construction) ; — l’industrie des emballages : palettes, caisses... ; — les entreprises de démolition et de rénovation ; — les décharges et déchetteries.

Entre l’arbre en forêt et le bois réellement utilisé comme bois d’œuvre, il est couramment admis que le rendement est voisin de 25 %, les résidus étant souvent pas ou mal valorisés. La partie branchage peut être valorisée sous forme de bûches, alors que les autres pertes ne peuvent être valorisées que sous forme de combustibles divisés pour systèmes automatiques.

1.1.3 Sous-produits des entreprises de récupération d’emballages et des centres de tri des DIB (déchets industriels banals)

Parmi ces sources, les quatre premières peuvent aisément fournir des combustibles, alors que les deux dernières fournissent le plus souvent des déchets qui ne sont pas combustibles directement en chaudières, sauf après autorisation spéciale des structures administratives.

On peut recenser trois grandes familles de produits susceptibles d’être valorisés à des fins énergétiques : les emballages industriels (caisses, emballages sur mesure...), les palettes et caisses palettes et les emballages légers (cageots et cassettes pour fruits et légumes).

Les combustibles bois peuvent se présenter sous forme de bûches ou de plaquettes plus ou moins grosses et sèches. La majeure partie du bois consommé en bois de feu se trouve sous forme de bûches (environ 85 %), l’utilisation des autres types de combustibles ayant tendance à augmenter régulièrement. Il convient également de remarquer que la majeure partie du bois de

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Leur emploi comme combustible en chaufferies n’est possible que s’ils sont broyés et déferraillés. Le gisement national est estimé à 550 000 t/an, ce qui représente 190 000 tep et correspond aux besoins d’environ 950 chaufferies d’un mégawatt.

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PRODUCTION DE CHALEUR À PARTIR DU BOIS

1.2.1 Humidité Pertes : - sciures et copeaux : 2 % - branchages : 35 %

L’humidité est un facteur déterminant dans l’utilisation du bois comme combustible. Elle influe sur la conservation du bois, sur sa masse volumique et sur son contenu énergétique. Deux grandeurs sont usuelles pour indiquer le contenu en eau du bois.

Au total, les pertes représentent plus de 75 % de la masse initiale de l ’arbre abattu.

Pertes : - écorces : 5 % - sciures et copeaux : 8 % - chutes et délignures : 12 %

■ L’humidité sur brut Hb est définie comme le rapport entre la masse d’eau et la masse totale de bois humide : Hb = 100(Mh − M0)/Mh ■ L’humidité sur sec Hs désigne le rapport entre la masse d’eau et la masse de bois anhydre : Hs = 100(Mh − M0)/M0 Ces deux valeurs sont liées par la relation : Hb = 100Hs /(100 + Hs)

Pertes : - sciures et copeaux : 10 % - chutes : 5 %

Si, dans l’industrie du bois, il est usuel d’utiliser l’humidité sur sec comme référence, pour le bois « énergie », l’humidité prise en compte est l’humidité sur brut.

Figure 1 – Pertes de matières le long de la filière d’utilisation du bois (Données moyennes. Source : ENSTIB)

Dans la suite de cet article, l’humidité prise en compte sera toujours l’humidité sur brut.

1.1.4 Conclusion Ainsi, les combustibles ont une humidité variant de 10 à 60 % selon qu’il s’agit de bois séché ou de bois juste abattu.

Pour être considéré comme bois de chauffage, le bois doit être à l’état naturel massif, à l’état naturel sous une autre forme (bois déchiqueté, copeaux, sciure, poussières de ponçage, écorces), ou résidu de l’industrie du bois, dans la mesure où il n’est pas imprégné d’un enduit ni recouvert d’un revêtement renfermant des composés organohalogénés et/ou des métaux lourds.

1.2.2 Granulométrie Cette grandeur n’est utilisée que pour les combustibles divisés et ne s’applique pas au bois sous forme de bûches. Ainsi, la granulométrie offre une indication sur la taille des morceaux de bois constituant l’assortiment de combustibles ; elle permet de sélectionner les technologies optimales d’alimentation et de combustion.

Tous les autres types de bois ou de composites contenant du bois ne peuvent pas être considérés comme des combustibles mais comme des déchets, leur combustion n’étant possible que dans des installations classées de type incinérateur. La figure 1 présente schématiquement la filière bois ainsi que les produits disponibles comme combustibles à chaque niveau.

La granulométrie est caractérisée par trois grandeurs : — les cotes moyennes des morceaux de la fraction la plus importante ; — le pourcentage de fines (poussières et sciures) ; — le pourcentage et la longueur maximale de gros morceaux.

Les données de ce graphique sont des données moyennes issues du travail avec plusieurs entreprises du secteur. Les chiffres peuvent fluctuer autour des valeurs mentionnées, notamment en fonction de la nature du bois considéré (résineux ou feuillus). Les chiffres ne sont ainsi qu’indicatifs, mais permettent de visualiser la part importante du bois qui est perdu à chaque stade. Notons aussi que les pertes de la première et de la seconde transformation sont pour la plupart valorisées, soit en énergie, soit en pâte à papier ou en panneaux divers. Les branchages peuvent être valorisés en bûches ou en plaquettes, alors que les autres pertes ne peuvent être valorisées qu’en combustibles divisés : plaquettes, copeaux, briquettes, granulés.

La granulométrie type des principaux combustibles est donnée dans le tableau 1.

1.2.3 Masse volumique Les combustibles bois étant toujours sous forme de morceaux, il convient de différencier la masse volumique réelle du bois de sa masse volumique apparente. ■ La masse volumique réelle est la masse volumique du bois en tant que tel et on la note ρb. Elle dépend de l’humidité mais, surtout, de la nature du bois et varie de 450 kg · m−3 pour les bois tendres (surtout les résineux) à 650 kg · m−3 pour les bois durs courants (chêne, hêtre...). D’autres bois ont des masses volumiques très faibles ou très élevées, mais ce sont des essences rares, pas ou très peu utilisées en bois « énergie ».

1.2 Caractéristiques physiques Les bois de chauffage se présentent soit sous forme de bûches, soit sous forme divisée : plaquettes, sciures, copeaux... Les principales caractéristiques physiques ne sont pas différentes pour ces deux présentations, si ce n’est pour l’aspect granulométrie.

■ La masse volumique apparente ρa tient compte de la granulométrie et de l’empilage du combustible bois. Dans un mètre cube apparent, les vides sont alors remplis par de l’air, abaissant alors la valeur de la masse volumique. Pour les plaquettes, le mètre cube apparent est nommé MAP (m3 apparent de plaquettes) et il varie selon les combustibles de 100 à 400 kg · m−3.

Pour le bois présenté sous forme de bûches, une norme NF a été mise en place et sera étudiée en [Doc. BE 8 749].

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Production de chaleur à partir du bois Installations industrielles par

Yann ROGAUME École nationale supérieure des technologies et industries du bois (ENSTIB) Laboratoire d’études et de recherches sur le matériau bois (LERMAB) UMR 1093 INRA/ENGREF/UHP Nancy I

1. 1.1 1.2

1.3

Installations industrielles ...................................................................... Production de chaleur ................................................................................. Réseaux de chaleur et cogénération .......................................................... 1.2.1 Réseaux de chaleur............................................................................. 1.2.2 Cogénération....................................................................................... Cocombustion..............................................................................................

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2. 2.1 2.2 2.3

Équipements de chaudières automatiques ....................................... Alimentation en combustible et comburant.............................................. Traitement des fumées................................................................................ Traitement des cendres ............................................................................... 2.3.1 Récupération ....................................................................................... 2.3.2 Valorisation .........................................................................................

— — — — — —

6 6 6 7 7 7

3. 3.1

3.3 3.4

Choix des matériels................................................................................. Adéquation foyer/combustible .................................................................. 3.1.1 Nature du combustible....................................................................... 3.1.2 Principes de choix ............................................................................... 3.1.3 Couples chaufferie/combustibles...................................................... Conception et dimensionnement ............................................................... 3.2.1 Démarche d’étude............................................................................... 3.2.2 Choix du générateur........................................................................... 3.2.3 Démarche de construction ................................................................. 3.2.4 Démarche d’exploitation .................................................................... 3.2.5 Démarche de réglage ......................................................................... 3.2.6 Démarche de maintenance ................................................................ Exemples de réalisation .............................................................................. Conclusion....................................................................................................

— — — — — — — — — — — — — —

7 7 7 8 8 8 9 9 9 9 9 9 10 10

4. 4.1 4.2 4.3

Structure et économie de la filière bois-énergie ............................ Programme bois-énergie 2000-2006.......................................................... Développements et enjeux de la filière bois-énergie ............................... Organisation et acteurs ...............................................................................

— — — —

10 10 12 12

5.

Conclusion .................................................................................................

—

12

3.2

Production de chaleur à partir du bois. Combustible et appareillage

BE 8 747

Pour en savoir plus ...........................................................................................

Doc. BE 8 749

’article précédent ([BE 8 747]) a proposé une vue globale sur le bois en tant que combustible et a présenté les différents procédés et appareillages pour la combustion du bois. Le plus gros développement est réalisé actuelement au niveau industriel et collectif avec des installations de fortes capacités (de quelques centaines de kilowatts à quelques mégawatts). Dans cet article, nous nous intéresserons aux chaufferies automatiques de moyennes et fortes puissances adaptées à ces applications.

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PRODUCTION DE CHALEUR À PARTIR DU BOIS _______________________________________________________________________________________________

1. Installations industrielles

Dans la plupart des cas, ces deux techniques d’échange fonctionnent en parallèle : les parois de la chaudière sont équipées de lames d’eau, puis les fumées circulent ensuite dans des tubes de fumées pour récupérer la plus grande partie de l’énergie.

Les installations industrielles ont pour objectif de produire de la chaleur, puis de l’acheminer, sous forme adéquate, aux endroits voulus. Nous allons ici présenter rapidement les principes de fonctionnement des différents systèmes les plus courants.

1.2 Réseaux de chaleur et cogénération Ces techniques très différentes ne se conçoivent que sur des systèmes de fortes capacités : la cogénération au bois ne devient compétitive qu’à partir de plusieurs mégawatts, alors que les réseaux de chaleur au bois sont, la plupart du temps, intéressants à partir de 1 à 2 MW. Dans le cadre du soutien au développement du bois-énergie, les réseaux de chaleur sont très souvent utilisés. En France, la cogénération au bois n’est pas du tout développée, contrairement aux pays nordiques (Norvège et Finlande, par exemple).

1.1 Production de chaleur Une chaudière bois-énergie est composée de trois parties : — le foyer : lieu de dégradation du combustible et de début de flamme ; — la chambre de combustion : lieu de développement de la flamme ; — l’échangeur, permettant la récupération de l’énergie produite par la combustion.

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1.2.1 Réseaux de chaleur

Ainsi, une chaudière complète peut être schématisée selon le principe de la figure 1.

Le but d’un réseau de chaleur est de mutualiser la production d’énergie et de distribuer celle-ci en aval en fonction des besoins de chacun. Le principal frein au développement du bois « énergie » étant l’investissement important, les réseaux de chaleur sont une réponse adaptée qui permet de le partager.

■ Le foyer est l’endroit qui reçoit le combustible et une partie de l’air (l’air primaire) et dans lequel la phase de dégradation du combustible et la première phase de combustion apparaît. Ensuite, la flamme se développe dans la chambre de combustion dans laquelle est injectée la seconde partie de l’air (l’air secondaire) pour permettre une oxydation complète des gaz et limiter ainsi les émissions d’imbrûlés de type CO, COV...

Un réseau de chaleur est composé d’un générateur de chaleur (dans notre cas une chaudière automatique au bois) et de plusieurs circuits de distribution. Généralement, un circuit primaire (1re boucle) permet de coupler plusieurs générateurs si nécessaire, puis un système d’échangeur, appelé sous-station, permet de distribuer l’énergie vers un circuit secondaire (2e boucle) sur lequel des échangeurs sont utilisés pour distribuer l’énergie souhaitée au client final. Chaque client possède alors un compteur d’énergie et paie son chauffage directement en fonction de ses consommations. Les échanges réalisés sur ces différentes boucles se font la plupart du temps par l’intermédiaire d’échangeurs à plaques, qui ont des rendements très bons (supérieurs à 95 %).

■ La chambre de combustion est le plus souvent revêtue de béton réfractaire dont le fort pouvoir de rayonnement favorise le séchage du combustible. Il faudra ainsi augmenter cette masse de béton réfractaire pour la combustion de bois humide et la réduire pour la combustion de bois plus sec. ■ L’échangeur a pour objet de permettre la récupération de la chaleur produite par la combustion. Il s’agit donc d’une phase d’échange de chaleur entre les fumées issues de la combustion et un fluide caloporteur (le plus souvent de l’eau) qui sera ensuite utilisé pour dissiper l’énergie aux endroits souhaités. Plusieurs types d’échangeurs existent, les plus courants étant : — les échangeurs à tubes et lames d’eau. De l’eau, circule dans des tubes ou des lames, et est chauffée directement par les gaz de combustion. Ces systèmes permettent une récupération d’énergie au sein de la chambre de combustion et sont très utilisés dans les systèmes simples et à faibles températures (chaudières à bûches), car ils permettent un bon échange avec des pertes de charge faibles. Ils peuvent ainsi être facilement utilisés dans des systèmes à tirage naturel ; — les échangeurs à tubes de fumées. Les gaz de combustion circulent dans des tubes eux-mêmes immergés dans de l’eau. Ainsi, l’échange est souvent mieux maîtrisé qu’avec les premiers systèmes, mais les pertes de charge sont plus importantes et cette technique nécessite le plus souvent un dispositif de tirage forcé. Pour obtenir un échange complet, plusieurs parcours sont nécessaires (de 2 à 4 parcours selon les installations).

Un réseau de chaleur type est schématisé figure 2. L’énergie produite par la chaufferie bois peut ainsi être utilisée de manière diverse, pour du chauffage particulier, pour du chauffage collectif, pour du chauffage municipal ou pour de l’énergie industrielle, selon les besoins locaux.

2 e boucle

Sous-stations

Fumées

Chaufferie bois 1 re boucle

Échangeur Chaleur Combustible Air

Foyer

É changeurs

Chambre de combustion

Figure 1 – Schéma de principe d’une chaudière à biomasse

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Figure 2 – Schéma de principe d’un réseau de chaleur

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PRODUCTION DE CHALEUR À PARTIR DU BOIS

Pour les réseaux de chaleur utilisant le bois-énergie, le générateur de chaleur automatique au bois est toujours couplé à un autre générateur utilisant du gaz ou du fioul. Le but de ce type d’installation est d’assurer un fonctionnement optimal de l’installation quelles que soient les conditions. Ainsi, si les besoins énergétiques en période de pointe sont de 1 MW, l’installation au bois aura une puissance comprise entre 500 et 700 kW et sera couplée avec une installation fossile de 1 MW. De ce fait, la chaudière automatique au bois fonctionnera pratiquement tout le temps à plein régime, avec des rendements de combustion très élevés et des émissions polluantes très faibles. Le générateur fossile ne sera utilisé que pour produire l’énergie manquante lors des fortes demandes, ou pour satisfaire les besoins lors des périodes d’arrêt de la chaufferie bois (une fois par an pour entretien ou en cas de panne). En procédant de la sorte, plus de 90 % de l’énergie sera produite avec l’énergie renouvelable qu’est le bois, le reste étant réalisé par la seconde énergie.

provenant de gazéification de biomasse, celui-ci contient des impuretés sous forme de goudrons ou de particules solides qui posent de gros problèmes dans les turbines, limitant ainsi leur utilisation.

À l’heure actuelle, le développement du bois-énergie passe beaucoup par ce type d’installation qui a des rendements très élevés et possède un confort d’utilisation inégalé.

Exemple : cas de la centrale de Güssing en Autriche mise en fonctionnement en septembre 2000 : la gazéification est réalisée dans un four à lit fluidisé à pyrolyse étagée, puis le gaz devait être dirigé vers une turbine à gaz. Après les cinq années d’études réalisées à l’université technique de Vienne, il est apparu qu’aucune turbine ne pouvait assurer un fonctionnement optimal et un rendement suffisant (au moins 35 %). C’est donc un moteur à gaz qui a été installé et qui semble donner satisfaction jusqu’à présent.

Dans les installations les plus performantes, les turbines à gaz peuvent être couplées avec une chaudière à vapeur pour produire de la vapeur saturée et ainsi mettre en place une seconde production électrique : ce sont les installations à cycles combinés. Dans ce cas, les rendements augmentent sensiblement et peuvent atteindre entre 40 et 50 % du point de vue électrique et jusqu’à 90 % globalement. Cependant, ces systèmes sont très complexes et chers ; ils ne peuvent être installés que sur des unités de fortes puissances (> 10 MW). Peu de systèmes de ce type fonctionnent au niveau industriel, principalement à cause des problèmes liés à la corrosion et au rendement des turbines. La plupart des installations ont ainsi dû changer la turbine pour un moteur à gaz plus sûr et plus performant.

1.2.2 Cogénération L’énergie contenue dans un combustible peut être valorisée sous deux formes principales : sous forme de chaleur ou sous forme d’électricité. Les utilisations directes sous forme de chaleur peuvent atteindre des rendements élevés, supérieurs à 90 %. Par contre, la valorisation électrique a des rendements bien inférieurs, compris entre 15 % et 50 % pour les installations les plus modernes.

D’autres études sur des microturbines sont en cours, notamment à l’université de Pérouse, mais les résultats ne sont toujours pas connus. ■ Moteurs à combustion interne Il s’agit ici de moteurs à combustion interne qui peuvent utiliser aussi bien des combustibles liquides que gazeux. L’arbre de sortie du moteur est accouplé à un générateur électrique. Le rendement électrique de ces installations est assez élevé (entre 25 et 40 %). Par contre, le rendement thermique n’est pas toujours élevé, le rendement global étant compris entre 65 et 90 %. Cette technique permet une bonne modularité tant au niveau de la capacité des installations (puissances de 0,05 à 10 MW) que de la qualité du gaz admissible : les goudrons ou les particules en faibles quantités peuvent être admis sans gros problème.

Dans le cas de la cogénération, il s’agit de combiner les deux types d’utilisations. Le rendement global de l’installation peut alors atteindre 90 %. Pour faire de la cogénération avec un combustible solide comme le bois, deux grandes techniques sont utilisées : la gazéification puis la combustion du gaz dans une unité secondaire, ou bien la combustion directe suivie d’une valorisation mécanique et thermique de l’énergie produite. 1.2.2.1 Gazéification Il s’agit alors, dans un premier temps, de transformer le combustible solide qu’est le bois en combustible gazeux. Ce processus est réalisé en effectuant une combustion incomplète du bois : le bois est introduit dans un four dans lequel la quantité d’oxygène injecté est insuffisante pour obtenir une combustion complète. L’oxygène peut être injecté sous forme d’air ou de vapeur d’eau (le plus souvent, il s’agit d’un mélange). Certaines réactions d’oxydation ont alors lieu dans le four, permettant de maintenir une température suffisante pour entretenir le procédé. Les gaz issus de cette dégradation thermique sont alors récupérés. Il s’agit principalement d’un mélange de monoxyde de carbone (CO), de dihydrogène (H2), de dioxyde de carbone (CO2), d’hydrocarbures (CxHy) et de diazote (N2). Ce mélange gazeux est ensuite filtré et lavé afin de ne conserver que les gaz souhaités et d’enlever les impuretés solides et les goudrons.

Ces systèmes sont ainsi utilisés lorsque la demande électrique est importante par rapport à la demande de chaleur. Exemple : un système de ce type est en place depuis 2002 à Tervola (Finlande) : la gazéification est réalisée sur place et conduit à la production de deux types de gaz : les gaz propres vont dans le moteur alternatif, alors que les gaz goudronnés sont brûlés dans une chaudière annexe qui alimente le réseau de chaleur. Le combustible gazéifié est un mélange de biomasses et de déchets municipaux, qui permet par la suite une production électrique de 2 MW. La production électrique couvre 10 % des besoins régionaux et la production de chaleur couvre 90 % des besoins de la municipalité. Compte tenu des différents coûts, le retour sur investissement de cette centrale est estimé à 7 ou 8 ans. ■ Conclusion

Dans un deuxième temps, ces gaz sont brûlés soit dans une turbine à gaz, soit dans un moteur à combustion pour produire l’électricité grâce à l’énergie mécanique (par l’intermédiaire d’un alternateur) et de la chaleur. Notons également que les installations de gazéification et de combustion ne sont pas obligatoirement sur le même site.

Les principales limites actuelles du développement des systèmes de cogénération à combustion interne étant liées à la qualité du gaz issu de la gazéification ou de la pyrolyse de la biomasse, de nombreuses études portent actuellement sur ce sujet, notamment dans le cadre du projet européen Gasnet : (http://www.gasnet.uk.net).

■ Turbines à gaz Le principe est le même que pour les turbines à gaz classiques : le gaz est brûlé directement dans la turbine et fait tourner l’arbre muni d’ailettes qui est relié au générateur électrique. Cette technique a ainsi l’intérêt de limiter l’encombrement et le poids du système. Le rendement électrique de ces installations varie entre 20 et 35 %, le rendement global (électrique + thermique) étant compris entre 70 et 85 %. Cependant, le développement de cette technique est limité par le fait que le gaz brûlé doit être très propre pour minimiser les problèmes liés à l’encrassement et à la corrosion. Or, dans le cas de gaz

1.2.2.2 Combustion externe Dans ce cas, la biomasse est brûlée directement dans une chaudière adaptée pour chauffer un fluide caloporteur (eau, huile ou air) qui est ensuite dirigé vers un système convertissant cette énergie thermique en énergie mécanique, puis en électricité. Le plus souvent, le fluide utilisé est de l’eau surchauffée à l’état de vapeur haute pression, qui ensuite est dirigée vers un moteur à vapeur ou vers une turbine à vapeur. Deux autres techniques sont en

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d’une source chaude et d’une source froide. Ainsi, la combustion fournit une source chaude, la source froide étant l’air environnant ou de l’eau dans une boucle de refroidissement. Le gaz utilisé dans le moteur est le plus souvent de l’air, même si des gaz comme l’hélium ou l’hydrogène permettent des rendements plus élevés. Ce type d’installation est en cours d’études dans des programmes de recherche et développement et semble intéressant pour des installations de petites ou moyennes puissances. Les rendements électriques estimés sont de l’ordre de 20 à 30 % avec de l’air.

développement : le cycle organique Rankine, qui utilise de l’huile puis des vapeurs organiques comme fluides de travail, ou le moteur Stirling, qui utilise de l’air. ■ Turbines à vapeur Cette technologie est la plus utilisée pour produire de l’électricité, quel que soit le combustible : c’est ce type d’installation qui est mis en place dans les centrales nucléaires par exemple. Il existe deux grands types de turbines à vapeur : les turbines à contre-pression et les turbines à condensation. Quelle que soit la turbine utilisée, le générateur de vapeur est constitué d’un foyer adaptée au combustible choisi (grilles mobiles ou lit fluidisé principalement) et d’une chaudière le plus souvent couplée à un surchauffeur, qui produit de la vapeur.

1.2.2.3 Conclusion La cogénération est à l’heure actuelle réservée à des installations de fortes puissances, principalement en utilisant des systèmes de moteurs à gaz ou de turbines à vapeur. De nombreuses recherches sont en cours en ce qui concerne l’optimisation de la gazéification pour favoriser l’utilisation du gaz en turbines à gaz, ou pour le développement de nouveaux procédés de valorisation, comme le cycle organique Rankine ou le moteur Stirling. Les schémas de principe des différentes installations sont présentés figure 3.

Les rendements de ces installations varient de 15 à 30 % électrique et de 60 à 80 % thermique selon les installations. Les turbines à vapeur à condensation permettent d’augmenter les rendements électrique et thermique. Ces technologies sont relativement bien maîtrisées et simples de mise en œuvre pour des installations importantes (plus de 10 MW).

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Exemple : une centrale de ce type fonctionne depuis 1999 à Assens, au Danemark. Le foyer est de type four à grilles et débouche sur une chaudière d’une puissance de 17,3 MW produisant de la vapeur surchauffée à 75 bar et 525 ˚C. Le combustible utilisé est constitué de plaquettes humides (40 à 50 % d’humidité). Les rendements affichés sont très bons : 27 % électrique et 60 % thermique sans condensation, 80 % thermique avec condensation. Ces rendements sont calculés par rapport au PCI du combustible : le combustible utilisé étant très humide, la condensation des fumées permet un gain important, même si les valeurs affichées semblent très élevées.

1.3 Cocombustion Dans certains processus industriels, le bois est utilisé en mélange avec d’autres combustibles : il s’agit alors de cocombustion. Cette technique a plusieurs avantages : — le plus souvent, le bois ou la biomasse étant des combustibles relativement peu énergétiques par rapport aux combustibles fossiles, le mélange bois + combustible fossile permet de diminuer sensiblement la température de combustion, limitant ainsi certaines émissions polluantes telles que les oxydes d’azote ;

■ Moteurs à vapeur Le principe est similaire à celui des turbines à vapeur : de la vapeur sous pression est injectée dans un moteur à pistons. C’est la pression d’injection de la vapeur qui lui donne son couple et lui permet de tourner. Un alternateur est ensuite placé à la sortie du moteur pour produire l’électricité. Le rendement électrique moyen est compris entre 15 et 20 %. Ces systèmes sont très peu répandus et ne possèdent pas de références, ni industrielle, ni d’études, permettant de développer leur utilisation.

— le fort taux de matières volatiles dans les combustibles issus de la biomasse permet également de modifier les processus de combustion, notamment pour des combustibles riches en carbone fixe comme le charbon. Le changement de type de combustion permet alors de mieux maîtriser le processus et d’en améliorer le contrôle ;

■ Cycle organique de Rankine

— la faculté qu’a le bois d’absorber les liquides peut aussi être utilisée pour piéger certains liquides tels que des boues et pour servir de vecteur et de support pour la destruction thermique de ces produits ;

Le principe général est le même que pour les systèmes de turbines à vapeur, la différence résidant dans le fait qu’il existe deux circuits de fluides : un circuit qui va de la chaudière à l’évaporateur et qui utilise une huile thermique (c’est le fluide caloporteur) et un circuit qui va de l’évaporateur à la turbine qui utilise un fluide organique (souvent du silicone) et qui constitue le fluide de travail.

— pour limiter les émissions polluantes, de nombreuses installations sont de nos jours équipées d’une zone de postcombustion (reburning) dans laquelle des gaz réducteurs sont injectés pour provoquer une nouvelle combustion mieux maîtrisée. Dans ce cadre, la biomasse directement ou après gazéification est de plus en plus usitée.

La biomasse est brûlée dans un foyer adapté, puis les fumées passent dans une chaudière où elles permettent de chauffer l’huile à une température de 300 ˚C. Cette huile est alors acheminée vers l’évaporateur qui permet d’échanger la chaleur avec le fluide organique, puis retourne vers la chaudière pour être chauffée de nouveau. Une fois chauffé, le fluide organique est dirigé vers la turbine pour produire l’électricité, puis est acheminé vers le régénérateur et le condenseur, avant de revenir au niveau de l’évaporateur.

À l’inverse, les systèmes de cocombustion peuvent aussi poser des problèmes : — difficultés d’introduction des combustibles dues à leurs différences de densité ou de granulométrie notamment ;

Les principaux avantages de ce cycle sont liés au fait que les deux fluides sont dans des circuits distincts, avec une meilleure maîtrise des deux circuits. De plus, le fluide de travail est composé de vapeurs organiques à faible pression, ce qui permet de lubrifier la turbine et de limiter les risques de fuites et de corrosion. Par contre, le rendement électrique est assez faible (compris entre 15 et 20 %), le coût des installations est assez élevé et le peu d’installations existantes ne permet pas de conclure définitivement sur le fonctionnement des appareils de ce type.

— possibilités d’envols au sein de la chambre de combustion dus également à des différences de masses volumiques ; — certaines biomasses contiennent des matières minérales à faibles températures de fusion (potassium, par exemple), ce qui peut générer des problèmes de corrosion ou de dépôts sur les parois des fours. De manière générale, la biomasse et plus particulièrement le bois est utilisé en cocombustion comme régulateur, pour réduire les émissions polluantes et améliorer le contrôle de combustion. Les combustibles les plus utilisés en mélange avec de la biomasse sont le charbon et certaines boues, mais également des déchets, surtout lorsque leur taux d’humidité est élevé.

■ Moteur Stirling Ce moteur est un moteur alternatif qui fonctionne grâce au cycle de compression – détente d’un gaz parfait au contact successif

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Thermique des fours par

Gérard PANIEZ Ingénieur des Arts et Métiers Société française d’études énergétiques

1. 1.1 1.2

Usages des fours et étuves ................................................................ Secteurs d’activité concernés et applications par secteur .................... Besoins de l’utilisateur .............................................................................

2. 2.1 2.2 2.3

Classification des fours et des étuves ............................................ Classification par fonction........................................................................ Classification par groupe ......................................................................... Classification selon le mode de chargement..........................................

— — — —

3 3 4 5

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Constitution du four............................................................................. Différents fours ......................................................................................... Charge et manutention de la charge....................................................... Atmosphère............................................................................................... Matériaux composant les parois, la sole et la voûte ............................. Chauffage par combustion....................................................................... Chauffage par résistances électriques .................................................... Chauffage par émetteurs infrarouges ..................................................... Chauffage par induction électromagnétique.......................................... Chauffage par micro-ondes ..................................................................... Équipements auxiliaires ...........................................................................

— — — — — — — — — — —

5 5 6 6 6 7 9 11 12 12 12

4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Dimensionnement ................................................................................. Bilan thermique......................................................................................... Pertes par une paroi ................................................................................. Énergie accumulée dans une paroi ......................................................... Pertes diverses .......................................................................................... Échanges thermiques avec la charge...................................................... Modélisation.............................................................................................. Cahier des charges ...................................................................................

— — — — — — — —

12 12 16 17 17 18 18 20

5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Exploitation............................................................................................. Préchauffage ............................................................................................. Défournement. Enfournement................................................................. Cycle thermique ........................................................................................ Régulation de température ...................................................................... Conduite du four ....................................................................................... Entretien ....................................................................................................

— — — — — — —

20 20 21 21 21 22 22

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Pour en savoir plus ......................................................................................... Doc. BE 9 510v2

es fours et les étuves se rencontrent dans un grand nombre de secteurs industriels mais principalement dans l’industrie des métaux, des matériaux et des céramiques. On distingue, entre autres, les fours de fusion et de traitement thermique des métaux, les étuves et tunnels de cuisson de produits alimentaires, les séchoirs de produits agricoles, les fours rotatifs de cimenterie et les fours de fusion de verre. On parle généralement de fours pour les traitements de métaux et de matériaux à une température supérieure à 300 oC environ ; le terme d’étuve est réservé aux traitements des produits organiques et minéraux à une tempéra-

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ture inférieure à 300 oC et, en particulier, aux traitements par la vapeur d’eau. On peut trouver d’autres termes tels que : enceinte, chaîne, cuve, bain, réacteur, etc., mais l’étude thermique de ces équipements est semblable à celle des fours (terme le plus usité dans ce dossier). Les fours discontinus sont appelés aussi fours intermittents ou fours à charge et les fours continus appelés fours tunnels ou fours à passage. L’énergie utilisée peut être de l’électricité, du fuel lourd (FL) ou domestique (FOD), du gaz naturel ou du gaz de pétrole liquéfié (GPL) ; les brûleurs sont généralement disposés sur les parois latérales pour le traitement thermique et sur la voûte pour la fusion et le maintien à la température du métal liquide. Mais le chauffage peut se faire aussi par émetteur infrarouge, par induction électromagnétique ou par micro-ondes. Des formules de calcul simples, permettant de déterminer le rendement et la consommation spécifique d’un four, sont généralement suffisantes pour un prédimensionnement ou pour établir un coût d’exploitation énergétique ; pour une meilleure précision de calcul, il peut être utile de faire une modélisation avec un logiciel approprié. Si le problème posé est difficile (nouvelle conception de four, produit à traiter délicat, exigence de température précise, etc.), cette modélisation est nécessaire pour démontrer la faisabilité d’un projet et pour optimiser les paramètres de fonctionnement au démarrage de l’installation. Dans le cadre d’un investissement pour installer un nouveau four ou pour modifier un four existant, il est nécessaire de calculer les échanges thermiques et de définir un cahier des charges fonctionnel. Indépendamment de la qualité du matériel, les conditions d’exploitation du four ou de l’étuve vont influencer ses performances.

1. Usages des fours et étuves

1.1.3 Matériaux et céramique Pour ce domaine, les fours et les étuves permettent : – le séchage de matériaux broyés : craie, talc, chaux, etc. (50 à 120 oC) ; – le séchage de matériaux façonnés préparés par voie humide : argile, poteries, etc. ; – la fusion de verre, de vitrocéramique, d’émaux, de réfractaires, de fibres céramique ; – la cuisson de produits obtenus par moulage ou frittage :

1.1 Secteurs d’activité concernés et applications par secteur 1.1.1 Industrie des métaux Pour ce secteur d’activité, les fours et les étuves sont présents dans :

• les produits céramiques techniques (1 000 à 2 600 oC),

– la sidérurgie et la première transformation de l’acier ; – la métallurgie et la première transformation des métaux non ferreux ; – la fonderie et le travail des métaux ; – les constructions mécaniques, automobile, navale et aéronautique.

• les briques, les tuiles en terre (1 000 oC), • les réfractaires de fours (1 200 à 1 700 oC), • les abrasifs de meules (1 200 oC), • les faïences (920 à 1 250 oC), la porcelaine (1 100 à 1 600 oC), • les poteries et les grès (950 à 1 280 oC) ;

Chaque four a un ou plusieurs usages particuliers qui correspondent à un domaine de température (tableau 1).

– la thermomaturation du béton préfabriqué (50 à 80 oC) ; – la fabrication du ciment (clinkérisation à 1 450 oC).

1.1.2 Agriculture et industries agroalimentaires

1.1.4 Autres secteurs

Les fours et étuves de ces secteurs industriels ont pour finalité : – le séchage dans un domaine de température d’enceinte de 40 à 180 oC ; – la cuisson (100 à 300 oC) ; – la pasteurisation (70 à 80 oC) ; – la stérilisation (110 à 130 oC) ; – la rétraction des emballages plastiques.

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Les fours et les étuves sont également rencontrés pour : – le – le – la – la

séchage du bois (40 à 100 oC) ; séchage de produits pharmaceutiques (20 à 80 oC) ; polymérisation de matières plastiques (100 à 200 oC) ; vulcanisation du caoutchouc (150 a 200 oC).

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La production à réaliser est essentiellement caractérisée par :

Tableau 1 – Usage du four en fonction du domaine de température Domaine de température de 50 à 200

oC

de 150 à 300 oC

de 500 à 700-750 oC

de 700 à 850-900 oC

de 900 à 1 000-1 100 oC

– la production horaire ou la production par cycle ; – la possibilité de diviser cette production ; – l’engagement prévu de l’équipement (nombre d’exploitation par jour, par semaine).

Usages – séchage de pièces après lavage/dégraissage – désolvatation et cuisson de peinture – fusion de cire (fonderie)

1.2.2 Contraintes d’exploitation L’utilisateur installe le four, en général, au sein d’une usine déjà en exploitation. Aussi, doit-il tenir compte de diverses contraintes :

– stabilisation des aciers – revenu des aciers à haute teneur en carbone – revenu et vieillissement des alliages légers – bleuissage des aciers

– l’environnement en général ; – le processus de fabrication dans lequel s’insère le four : les opérations réalisées en amont et en aval du four, leurs cadences respectives qui peuvent avoir une incidence sur le choix du four, ainsi que les conditions possibles de préparation des charges ; – la qualification du personnel d’exploitation et sa disponibilité (travail posté, pendant le week-end, etc.) ; – les possibilités d’entretien : niveau des équipements et qualification du personnel ; – les conditions d’alimentation en énergie ; – les possibilités de raccordement des fluides auxiliaires (eau, air comprimé, azote, etc.) et de rejets des effluents éventuels (eau, vapeurs et effluents gazeux, etc.).

– revenu des aciers ordinaires – recuit des aciers – recuit des soudures – recuit des métaux cuivreux – stabilisation de la fonte – fusion des alliages légers – cémentation au carbone, carbonitruration – recuit des aciers – trempe des aciers – recuit des maillechorts et des cupronickels

1.2.3 Choix du mode de chauffage

– cémentation au carbone – recuit des aciers spéciaux – trempe des aciers spéciaux – traitement des aciers inoxydables et des aciers réfractaires – traitement des fontes malléables (à cœur blanc et à cœur noir)

de 1 000 à 1 250-1 300-1 350 oC

– traitement des aciers rapides – fusion du cuivre

au-delà de 1 350 oC

– fusion de la fonte et de l’acier

d’heures

Ce choix dépend : – du niveau de température ; – de la précision de température souhaitée ; – de la nature du matériau et de l’atmosphère de l’enceinte ; – de la rapidité de montée en température ; – de l’expérience et de la compétence des personnels d’exploitation et d’entretien ; – de l’intégration éventuelle à une gestion centralisée ; – des énergies disponibles et du coût de ces énergies ; – des rejets atmosphériques éventuels.

1.2 Besoins de l’utilisateur

Les différentes énergies utilisées et leurs domaines privilégiés sont :

1.2.1 Impératifs techniques

– le gaz naturel, le gaz de pétrole liquifié, le fuel domestique, l’électricité pour les applications courantes ; – l’électricité pour les applications exigeantes (qualité, atmosphère particulière, haute température, rapidité) ; – le fuel lourd pour les très grosses installations (généralement avec fluide caloporteur) ; – le coke pour l’élaboration et la fusion de la fonte ; – le bois (pour le séchage de bois en particulier).

Les caractéristiques qui définissent une charge à traiter sont essentiellement : – la nature et la présentation de la charge : forme des pièces, densité apparente de chargement, possibilité de diviser la charge, etc. ; – la nature du matériau : valeurs de l’émissivité, de la capacité thermique massique, de la masse volumique, etc. ; – la nature du second matériau s’il s’agit d’un revêtement ou d’un composite ; – la température initiale.

2. Classification des fours et des étuves

Le traitement est déterminé par la nécessité de réaliser un cycle précis de température-temps. Cela est assorti, éventuellement, de données complémentaires : – la précision et l’uniformité de la température à obtenir ; – la présence d’une atmosphère contrôlée.

2.1 Classification par fonction Ils peuvent être classés selon leurs fonctions décrites au paragraphe 1 : la fusion, le traitement thermique, la cuisson, le séchage.

La température recherchée joue un grand rôle dans le choix du mode de chauffage, dans celui de la nature du garnissage et du type de chauffage à mettre en œuvre.

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Terminologie : on parle généralement de fours pour les traitements de métaux et de matériaux à une température supérieure à 300 oC environ ; le terme d’étuve est réservé aux traitements des produits organiques et minéraux à une température inférieure à 300 oC et, en particulier, aux traitements par la vapeur d’eau. On peut trouver d’autres termes tels que : enceinte, chaîne, cuve, bain, réacteur, etc., mais l’étude thermique de ces équipements est semblable à celle des fours (terme le plus usité dans ce dossier).

Moufle

2.2 Classification par groupe

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Cloche

Ventilateur

Ils peuvent être également séparés en deux groupes : – fours discontinus appelés aussi fours intermittents ou fours à charge ; – fours continus appelés fours tunnels ou fours à passage.

Joint Embase

2.2.1 Fours intermittents Dans ce premier groupe, la charge reste fixe pendant le traitement entre l’enfournement et le défournement. Un four discontinu est soumis à un cycle de température variable dans le temps, tout comme la charge. Il fonctionne en régime thermique variable : l’inertie thermique du four peut alors jouer un rôle important dans son exploitation. Les différents fours discontinus sont : – les fours à sole horizontale fixe ; – les fours puits ; – les fours à creuset ; – les fours à sole élévatrice (figure 1) ; – les fours à cloche (figure 2) ; – les fours à pots ; – les fours basculants ; – les fours à sole mobile (figure 3) ; – les fours à chariots.

Figure 2 – Four à cloche cylindrique

Éléments chauffants

Charge Sole mobile

2.2.2 Fours continus

Figure 3 – Four à sole mobile

Dans ce deuxième groupe, les produits à traiter se déplacent de façon continue ou pas à pas depuis l’enfournement jusqu’au défournement. Un four continu fonctionne en régime thermique établi. La charge traverse le four et le cycle de température est réalisé sur la longueur du four au cours de l’avancement de la charge.

Entrée Pousseuse

Chaque section du four est à température constante dans le temps, température qui lui est propre pour un cycle de traitement donné.

Charge

Sortie Galets Figure 4 – Four à pousseuse

Les pertes globales du four sont constantes pour un cycle donné. Les différents fours continus sont : – les fours à pousseuse (fours à rails intérieurs, fours à galets intérieurs) (figure 4) ; – les fours à traction de feuillard (figure 5) ; – les fours à sole inclinée ; – les fours à sole vibrante ; – les fours à tubes-moufles ; – les fours à chaînes ; – les fours à câbles transporteurs ; – les fours à tablier sans fin ; – les fours à rouleaux commandés ;

Figure 1 – Four à sole élévatrice

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3. Constitution du four 3.1 Différents fours d

3.1.1 Fours de fusion de métaux ■ Haut-fourneau et cubilot (fabrication de fonte) Dé

Ils sont constitués par une paroi verticale cylindrique ou conique. La charge est enfournée par le dessus avec du coke. L’air de combustion, insufflé par des tuyères, est parfois préchauffé par procédés électriques (résistances ou torche à plasma) ou par récupération d’énergie sur les gaz chauds. Le métal liquide coule par un orifice situé en partie basse.

uleur chauffage

refroidissement

Figure 5 – Four continu à traction de feuillard

– les – les – les – les – les – les – les – les

fours fours fours fours fours fours fours fours

■ Four rotatif

à longerons ; à sole tournante ; à plateau tournant ; à wagonnets ; à balancelles ; verticaux à passage pour traitement de bandes ; à cornue rotative ; à bains de sels à convoyeurs.

Il est composé d’un cylindre isolé, horizontal (ou légèrement incliné), mobile autour d’un axe de rotation avec des ouvertures au sommet et à la base du cylindre pour le chargement, la coulée et le passage de brûleur (fixe).

■ Four à creuset

2.3 Classification selon le mode de chargement

Il est constitué d’un creuset, en matériau métallique ou céramique (selon la température), entouré d’un équipement de chauffe qui provoque la fusion de la charge déversée à l’intérieur. L’ensemble du four contenant le creuset peut être pivotant pour vider le liquide après fusion. L’équipement de chauffe peut se composer soit d’un ou plusieurs brûleurs, soit de résistances électriques, soit d’un inducteur.

Les différents modes de chargement ou de manutention sont les suivants.

3.1.2 Fours de traitement thermique des métaux Le four de traitement thermique à charge est constitué :

■ Chargement horizontal :

– d’une partie inférieure appelée sole (fixe ou mobile) sur laquelle repose la charge (pièces à traiter) ; – d’une partie supérieure appelée voûte ; – de parois comportant en général plusieurs épaisseurs de nature différente ; – d’une porte à guillotine (ou deux plus rarement) ; – d’un système de chauffage (brûleurs ou résistances électriques) généralement accroché aux parois mais aussi dans certains cas, à la voûte ou à la sole ; – dans certains cas, d’un générateur d’atmosphère de l’enceinte.

– fours à sole horizontale ; – fours à chargeuse ; – fours à sole mobile.

■ Chargement vertical : – fours puits ; – fours à cloche.

■ Manutention discontinue :

Le four continu possède, en plus, un système de manutention de charge intérieur à l’enceinte et une porte de sortie ; il peut posséder plusieurs zones dans le sens de la longueur avec des systèmes de chauffage ou de refroidissement différents.

– manuellement dans les fours à sole fixe ; – par pelles à roulettes, par fourches ; – par palans, par ponts roulants ; – par chargeuses à bras mobile ; – par sole mobile.

3.1.3 Étuves et tunnels de cuisson

■ Manutention continue :

Leurs constitutions sont semblables aux thermique mais les épaisseurs des parois nettement plus faibles et l’équipement de constitué d’émetteurs infrarouges (au gaz ou

– par gravité ; – par secousses ou par vibrations de la sole ; – par pousseuse : fours à sole rainurée (métallique ou réfractaire), fours à tubes-moufles, fours à galets intérieurs ; – par traction : fours à bandes, à fils ; – par chaîne ; – par convoyeur extérieur : fours à bain de sels ; – par tablier sans fin, glissant sur la sole ou sur des rouleaux ; – par longerons placés en sole ; – par rouleaux commandés : fours à rouleaux lisses et fours à rouleaux à disques ; – par sole tournante, par plateau tournant ; – par tambours, par cornues.

fours de traitement et de l’isolant sont chauffage peut être électriques).

3.1.4 Séchoirs Ils sont de formes diverses mais on trouve fréquemment des séchoirs rotatifs pour les produits en vrac (géométrie semblable au four rotatif du § 3.1.1 et des tunnels pour les pièces humides (géométrie semblable au four de traitement thermique du § 3.1.2).

3.1.5 Fours rotatifs de cimenterie La figure 6 en donne une photo.

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Cocombustion de charbon et de biomasse Cas des chaudières industrielles par

Sébastien CAILLAT Département Énergétique industrielle, École des mines de Douai Enseignant-chercheur

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Esperanza PERDRIX Département Chimie et environnement, École des mines de Douai Enseignant-chercheur

Karim TABET Docteur en Génie des procédés industriels Chef de projet biomasse énergie Veolia Environnement Recherche et Innovation Centre de recherche sur la propreté et l’énergie et

Benoît TAUPIN Docteur en Énergétique, expert Combustion Veolia Environnement Recherche et Innovation Centre de recherche sur la propreté et l’énergie

1. 1.1 1.2 1.3

Contexte général ...................................................................................... Réduction des émissions de CO2 ................................................................ Réglementations européenne et française ................................................ Ressources en biomasse .............................................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4

Préparation et propriétés des combustibles .................................... Préparation de la biomasse......................................................................... Propriétés de la biomasse ........................................................................... Propriétés du charbon ................................................................................. Caractérisation thermique comparée de la biomasse et du charbon par ATG......................................................................................................... Différences de propriétés de combustion entre la biomasse et le charbon.................................................................................................

2.5

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4 4 4 5

—

6

—

7

3.1 3.2 3.3

Description des installations de cocombustion de charbon et de biomasse .......................................................................................... Types d’installations pratiquant la cocombustion .................................... Mise en place de la cocombustion dans une installation existante ........ Modes d’alimentation ..................................................................................

— — — —

8 8 10 10

4. 4.1 4.2 4.3

Effets de la cocombustion ..................................................................... Qualité de la combustion ............................................................................ Impact sur les équipements ........................................................................ Impact environnemental .............................................................................

— — — —

11 11 12 13

5.

Conclusion..................................................................................................

—

16

3.

Pour en savoir plus ...........................................................................................

Doc. BE 8 752

a cocombustion s’inscrit dans l’effort de modernisation des centrales à charbon existantes. Améliorer le rendement d’une centrale à charbon de 10 points équivaut à réduire ses émissions de CO2 de 20 %. L’enjeu est donc

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COCOMBUSTION DE CHARBON ET DE BIOMASSE _________________________________________________________________________________________

important et on estime que la réhabilitation de toutes les centrales existantes dans le monde, avec les meilleures technologies disponibles, permettrait de réduire les émissions mondiales en CO2 de 1,5 à 2 Gt par an. Ce dossier traite de l’application de la cocombustion de charbon et de biomasse sur des grandes centrales thermiques à charbon pulvérisé existantes, typiquement d’une capacité supérieure à environ 20 MW. Introduire ou augmenter la part de biomasse dans le combustible de ces centrales permet de réduire leurs émissions en CO2 , et de diminuer leur contribution à l’effet de serre. Néanmoins, cette pratique a des impacts sur la conduite des installations, qui varient suivant le couple biomasse/charbon utilisé. Ce dossier décrit les conséquences de la cocombustion sur la préparation des combustibles, leurs modes d’introduction, la conduite et la qualité de la combustion, ainsi que les impacts sur les équipements et l’environnement. Les installations à lit fluidisé, plus récentes et de technologies différentes, ne sont pas abordées ici.

Ｒ 1. Contexte général

« propres », son utilisation n’est pas encore systématique dans les centrales actuellement exploitées. L’objectif est donc de rendre la cocombustion sûre d’exploitation, avec un coût optimal, malgré la variabilité du combustible introduite par l’ajout d’une fraction de biomasse.

1.1 Réduction des émissions de CO 2

Dans ce sens, ce document relate les différentes problématiques techniques rencontrées sur les installations énergétiques fonctionnant en cocombustion, et propose des recommandations.

La cocombustion de mélanges de charbon et de biomasse est une solution attrayante pour l’utilisation du charbon. Cette option, qui est à court terme la plus économique pour introduire la biomasse dans le mix énergétique d’aujourd’hui, fournit une occasion d’employer un combustible renouvelable, considéré comme neutre sur la production de gaz à effet de serre.

1.2 Réglementations européenne et française

Par ailleurs, si l’application de la cocombustion dans des centrales thermiques au charbon existantes a comme conséquence une réduction d’émissions de CO2 , elle contribue également à une diminution des émissions gazeuses soufrées (par exemple, l’anhydride sulfureux) du fait des plus faibles taux de soufre présents dans la biomasse.

Pour les grandes installations de combustion (GIC) dont la puissance est supérieure à 50 MW, la réglementation européenne en vigueur s’appuie sur la directive 2001/80/CE (directive GIC dite « LGP » pour Large Combustion Plants). Cette directive concerne les seuils limites pour les rejets d’oxydes de soufre (SOx), d’oxydes d’azote (NOx) et de poussières dans l’atmosphère. Une distinction est toutefois faite entre les installations nouvelles et les installations existantes. Bien sûr, la transposition de la directive européenne a engendré des disparités dans les réglementations nationales, plus ou moins strictes selon les pays.

De plus, de nombreux pays ont pris des mesures incitatives pour favoriser sa mise en place, souvent sous forme de subventions. Dans certaines conditions, la production d’énergie « verte » donne lieu à des certificats « verts » pouvant aller jusqu’à des primes de 60 €/MWh. Ces aides financières rendent acceptables les temps de retour sur investissement des modifications techniques requises pour utiliser de la biomasse. En outre, la pratique de la cocombustion entraîne des frais d’adaptation relativement peu élevés, dans tous les cas, bien moindres que la construction de nouvelles installations.

Par ailleurs, la directive 2008/1/CE relative à la prévention et à la réduction intégrées de la pollution (directive dite « IPPC » pour Integrated Pollution Prevention and Control), récemment révisée, devrait favoriser la fixation de nouveaux seuils d’émission (figure 1). Ainsi, les émissions limites de SOx et de NOx devront être inférieures à 200 mg/Nm3 à 6 % d’O2 pour les installations de plus de 100 MWth , avant 2016. De plus, les installations de puissance supérieure à 20 MWth , alimentées avec des combustibles fossiles, sont soumises à la réglementation en vigueur concernant les rejets de CO2 et entrent dans le cadre des plans nationaux d’allocation des q uotas (PNAQ). Elles ont ainsi, selon les régions, des obligations de réduire leurs émissions de CO2 .

Les chaudières modifiées s’adaptent à la variabilité des combustibles : elles peuvent brûler de la biomasse lorsque les approvisionnements sont abondants et repasser au charbon lorsqu’ils sont limités. Elles permettent également d’utiliser la biomasse avec une meilleure efficacité énergétique, en raison notamment de la taille importante des installations. Cependant, l’utilisation de la biomasse comme cocombustible, requiert un examen soigneux des risques techniques et des coûts associés si l’installation venait à fonctionner en mode dégradé. Les risques sont de trois types : – réduction de la durée de vie de l’installation et de sa flexibilité d’exploitation ; – augmentation des coûts associés à la manutention de la biomasse, à l’entretien des brûleurs et à la maintenance générale de l’exploitation ; – perte d’exploitation occasionnée par un arrêt technique que l’emploi de biomasse aura favorisé.

Ces dispositions risquent de rendre non conformes bon nombre de chaudières à combustible solide. Cependant, l’utilisation de la cocombustion d’un mélange adéquat peut permettre de répondre en partie à ce challenge, en abaissant le niveau d’émissions de SOx , la biomasse contenant en général moins de soufre que le charbon. De plus, le CO2 produit par combustion de biomasse étant d’origine biogénique, il n’est pas comptabilisé dans les quotas.

1.3 Ressources en biomasse

Le choix de l’utilisation de la cocombustion devra être fait en imposant le minimum d’interférences avec le fonctionnement normal d’une installation. Ainsi, bien que cette solution soit la plus attractive pour rendre les technologies au charbon plus

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On peut distinguer trois types de ressources de biomasse selon leur provenance : le bois-énergie, les cultures énergétiques dédiées et les coproduits agricoles ou agro-industriels.

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Valeur limite SOx (mg/Nm3)

1.3.1 Filière bois Trois filières génèrent la majorité des produits utilisés en chaufferies biomasse :

SOx réglementation actuelle

2 000

SOx en 2016

– les ressources issues de l’exploitation forestière et des espaces boisés qui génèrent des plaquettes forestières. Celles-ci proviennent de résidus d’élagage ou de défrichage qui peuvent ainsi contenir des écorces, des branches, des brindilles, des feuilles ou encore des aiguilles. Les opérations entrant en jeu dans leur production sont l’ébranchage et la découpe, le débardage, le déchiquetage et le séchage ; – l’industrie du bois de première transformation (scieries) et seconde transformation (menuiseries, tourneries) qui génère des écorces, des copeaux et sciures, des plaquettes, des granulés. L’industrie de première transformation produit l’essentiel des sous-produits connexes (environ 45 %) sous forme d’écorces ou de sciures notamment ; – les centres de tri ou de déchets industriels banals qui permettent la valorisation de bois de rebut non souillé : emballages industriels (caisses, emballages), palettes et emballages légers (cageots et cassettes pour fruits et légumes). Une plate-forme de préparation est nécessaire pour produire du combustible à partir de bois de rebut non souillé. Elle se compose d’un prébroyage grossier, d’un broyage fin, d’un déferraillage et d’un criblage. Les broyats de rebut constituent un produit sec mais relativement grossier et de qualité variable.

1 600

1 200

800

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300

400

500

600

Valeur limite NOx (mg/Nm3)

Puissance (MWth)

800 NOx réglementation actuelle NOx en 2016

Les combustibles bois se présentent donc sous des aspects très divers (plaquettes, écorces, sciures, copeaux, chutes, granulés, etc.) et avec des caractéristiques différentes, notamment en termes de taux d’humidité, de granulométrie et de taux de cendres.

600

400

1.3.2 Produits et sous-produits agricoles Parmi les cocombustibles, on citera la paille de céréales, le marc de raisin, les coques de riz, les noyaux d’olives ou les rafles de maïs. Ces résidus peuvent être très différents en termes de caractéristiques physico-chimiques (humidité, taux de cendres, teneurs en chlore, soufre, azote et métaux alcalins). La paille de céréales est largement utilisée comme combustible en chaufferies biomasse dans certains pays d’Europe tels que le Danemark (chaudières spécifiques à paille).

200

0 0

100

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300

400

500

600

Puissance (MWth)

Valeur limite poussières (mg/Nm3)

1.3.3 Cultures énergétiques Poussières réglementation actuelle

120

On peut distinguer trois types d’espèces pour la filière de valorisation thermochimique de la biomasse :

Poussières en 2016

&

– les espèces herbacées pérennes : miscanthus, itchgrass (panic érigé), reed canary grass (alpiste réseau), etc. Ces cultures ont une durée de vie pouvant varier entre 10 et 20 ans et sont récoltées annuellement (la première récolte est cependant réalisée deux ans après la plantation). Le miscanthus est bien développé en Grande-Bretagne où l’on compte 17 000 ha de culture en 2007. Le switchgrass est, quant à lui, bien implanté aux États-Unis où de nombreux essais de cocombustion avec du charbon ont eu lieu. On pourra citer, entre autres, les tests de la centrale électrique de Ottumwa Generating Station (725 MWe) où 1 300 t de switchgrass ont été utilisées en 26 jours de cocombustion en 2001 puis 781 t en 2003 sur 15 jours ; – les taillis à très courtes rotations (TTCR) : ce sont des cultures pérennes d’une durée de vie de 20 ans environ, plantées à haute densité et dont on récolte les rejets de souche tous les 2 ou 3 ans. Les espèces les plus répandues sous nos latitudes sont le saule et le peuplier, mais on peut également citer le robinier ou l’eucalyptus. Les TTCR de saule sont relativement bien développés en Suède (17 000 ha) et en Grande Bretagne ; – les cultures céréalières annuelles comme le triticale ou le sorgho. Leur utilisation reste encore très marginale.

100 80 60 40 20

0 0

100

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300

400

500

600

Puissance (MWth) Figure 1 – Exigences réglementaires actuelles et pour 2016 de l’UE concernant les rejets atmosphériques de SOx , NOx et poussières des grandes installations de combustion, en fonction de la puissance thermique des installations

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COCOMBUSTION DE CHARBON ET DE BIOMASSE _________________________________________________________________________________________

2. Préparation et propriétés des combustibles

2.2 Propriétés de la biomasse 2.2.1 Caractérisation de la biomasse Le tableau 1 présente les caractéristiques physico-chimiques de quelques exemples de biomasse : – un coproduit agricole (paille de céréales) ; – deux cultures énergétiques herbacées (miscanthus) et sylvicole (TTCR de peuplier) ; – une biomasse d’origine forestière (plaquettes de bois) ; – du bois issu de la filière recyclage (broyats de palettes).

2.1 Préparation de la biomasse Les combustibles provenant des différentes filières (exploitation forestière, industrie du bois, cultures dédiées, bois de recyclage, etc.) doivent subir des opérations de conditionnement réalisées généralement sur le lieu de production ou sur une plate-forme intermédiaire de préparation, voire parfois sur le site même de la chaufferie.

Les combustibles biomasses possèdent des propriétés physico-chimiques relativement différentes selon leur origine ou leur provenance. On peut les caractériser par : – un taux de matière volatile élevé, typiquement entre 65 à 70 % et 80 % ; – une humidité variable selon les types de produits : • faible (15 à 30 %) pour des combustibles comme la paille de céréales, des cultures énergétiques se récoltant en sec (miscanthus, switchgrass) et le bois de recyclage (broyat de palettes), • élevée (40 à 60 %) pour du bois issu de l’exploitation forestière (plaquettes), de l’industrie de transformation (écorces, coproduits de scieries), ou de la sylviculture dédiée (TTCR de saule ou de peuplier) ;

Les principales opérations sont :

Ｒ

– la collecte ou la récolte ; – le tri/séparation ; – le broyage (pour préparer un combustible adapté à une valorisation en chaudière) ; – le criblage (élimination des morceaux grossiers) et le dépoussiérage (élimination des particules trop fines) ; – le séchage (en forêt, en plateformes, en hangars ventilés) et le stockage (air libre ou sous abri). Certaines opérations ne seront pas à effectuer en fonction de l’origine de la biomasse (bois de rebut, cultures dédiées, etc.).

Tableau 1 – Caractéristiques physico-chimiques de différentes biomasses Coproduit agricole [1]

Cultures énergétiques

Biomasse forestière

Bois de recyclage

Plaquettes de bois

Broyats de palettes

Caractéristique Paille de céréales

Miscanthus

TTCR peuplier

Matière volatile........................................... (% sur sec) (1)

nd

78 à 80

79 à 81

80

77

Humidité ..................................................... (% sur brut) (1)

15 à 20

15 à 20

50 à 55

22

16

PCI .............................................................................(kWh/t)

4 600 à 4 900 (sur sec)

4 700 à 4 900 (sur sec)

5 100 (sur sec)

4 037 (sur brut)

4 055 (sur brut)

Densité (sur brut).................................................................

0,1 (bottes)

0,13 à 0,15 (ensilage)

0,2

0,25

0,20

Taux de cendres à 815 oC .......................... (% sur sec) (1)

5à8

1à3

2à4

1,1

0,70

C ................................................................... (% sur sec) (1)

45 à 47

46 à 49

49,2 à 50

51,1

49,3

H ................................................................... (% sur sec) (1)

5,8 à 6,5

5,5 à 6

5,8 à 6

6,2

6,1

O ................................................................... (% sur sec) (1)

40 à 46

43 à 45

39,8 à 40,4

41,1

43,6

N ................................................................... (% sur sec) (1)

0,4 à 1,5

0,1 à 0,2

0,4 à 0,6

0,17

0,29

S ................................................................... (% sur sec) (1)

0,05 à 0,2

0,03 à 0,14

< 0,05

0,02

< 0,01

Cl .................................................................. (% sur sec) (1)

0,1 à 1

0,05 à 0,25

< 0,08

< 0,08

0,03

K ................................................................... (% sur sec) (1)

0,2 à 2,5

0,17 à 0,3

0,4 à 0,5

0,07

0,08

Na ................................................................. (% sur sec) (1)

nd

0,02

0,02

0,02

0,02

Si .................................................................. (% sur sec) (1)

0,1 à 2

0,4 à 1

0,1 à 0,5

0,3

0,1

Zn ............................................................... (mg/kg sur sec)

nd

< 10

20 à 50

30

nd

Pb ............................................................... (mg/kg sur sec)

nd

< 10

< 11

< 11

nd

Température de déformation ...................................... (oC)

750 à 900

700 à 1 050

1 160 à 1 220

1 116

1 114

Température de fusibilité ............................................ (oC)

nd

900 à 1 200

1 220 à 1 500

1 173

1 360

d’écoulement ......................................... (oC)

nd

1 200 à 1 450

1 270 à 1 500

> 1 250

> 1 434

Fusibilité des cendres

Température

(1) Pourcentage massique. nd : non déterminé.

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Fours industriels

par

Isidore JACUBOWIEZ

ｐ｡ｲｵｴｩｯｮ＠Ｚ＠ｪ｡ｮｶｩ･ｲ＠ＱＹＹＸ

Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers Ingénieur Conseil en énergie et environnement au groupe Elf Aquitaine et à l’Association Technique Énergie Environnement (ATEE)

1. 1.1 1.2 1.3 1.4

Classification ............................................................................................. Fours continus et fours discontinus............................................................ Chauffage direct et chauffage indirect........................................................ Fours à haute et fours à basse température .............................................. Combustibles ................................................................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Transfert de chaleur dans les fours ..................................................... Fours à haute température .......................................................................... Fours à basse température .......................................................................... Rôle de la conduction................................................................................... Chauffage à courants parallèles et chauffage à contre-courant............... Fours discontinus .........................................................................................

— — — — — —

3 4 4 5 5 5

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Calcul thermique des fours.................................................................... Bilans énergétiques...................................................................................... Flux thermiques admissibles....................................................................... Qualité du chauffage .................................................................................... Puissance installée ....................................................................................... Dimensionnement des fours .......................................................................

— — — — — —

6 6 9 9 9 10

4. 4.1 4.2 4.3 4.4

Rôle de l’atmosphère et de la pression dans les fours .................. Contrôle de la pression dans les fours ....................................................... Circulation des fumées ................................................................................ Entrées d’air .................................................................................................. Interaction entre l’atmosphère et les produits à chauffer.........................

— — — — —

10 10 11 11 11

5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Isolation des fours.................................................................................... Conception générale .................................................................................... Définitions ..................................................................................................... Physique des matériaux réfractaires .......................................................... Chimie des matériaux réfractaires .............................................................. Interactions entre les réfractaires et le four ............................................... Dimensionnement des parois réfractaires .................................................

— — — — — — —

11 11 12 12 12 12 13

6. 6.1 6.2 6.3

Brûleurs de fours industriels ................................................................. Importance du brûleur ................................................................................. Conception des brûleurs.............................................................................. Types de brûleur...........................................................................................

— — — —

13 13 13 14

7. 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Équipements annexes.............................................................................. Généralités .................................................................................................... Aspect énergétique ...................................................................................... Aspect thermique ......................................................................................... Conception des récupérateurs .................................................................... Construction des récupérateurs ..................................................................

— — — — — —

15 15 15 16 16 17

8. 8.1 8.2

Pollutions et environnement ................................................................. Polluants........................................................................................................ Réglementation ............................................................................................

— — —

17 17 18

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FOURS INDUSTRIELS

___________________________________________________________________________________________________________________

n four est un outil utilisé pour élever la température d’un produit. Il peut être soit : — un équipement destiné uniquement au chauffage (exemple : réchauffage de l’acier avant déformation plastique, réchauffage de pétrole brut avant distillation) ; — un véritable réacteur dans lequel on élabore les produits (exemple : four de fusion de verre, four de vapocraquage de la pétrochimie). Il s’intègre généralement dans une ligne de production complexe dont il est un des éléments. On trouve des fours dans un très grand nombre d’activités industrielles, ce qui rend une approche globale assez délicate. Le présent article traite les fours dans leurs généralités, on s’efforce d’y dégager des caractéristiques communes à l’ensemble des fours. Il introduit une série d’articles portant chacun sur les fours spécifiques à une industrie notamment : — les fours de l’industrie sidérurgique ; — les fours de traitement thermique des métaux ; — les fours de raffinage et de l’industrie chimique ; — les fours de cimenterie ; — les fours de l’industrie verrière ; — les fours des industries céramiques et des produits réfractaires. Dans ces textes, les aspects spécifiques à chaque type de fours seront abordés.

U

Ｒ

1. Classification

ture en un point donné du four évoluera en fonction du cycle de chauffage que l’on veut faire subir au produit (figure 1). On notera que l’amélioration des performances des procédés continus et l’augmentation des capacités de production des installations ont peu à peu repoussé le domaine d’utilisation des fours discontinus que l’on trouve surtout pour : — les produits demandant un temps de séjour en four très long ; — les produits nécessitant des cycles de chauffage et ou de refroidissement très précis. C’est ainsi que les fours pits ont quasiment disparus des procédés sidérurgiques et que les fours à cloches mobiles ont été supplantés par les lignes de traitement continus pour les bandes métalliques.

Toute classification est arbitraire, elle est toutefois utile dans la mesure où elle permet de retrouver des caractéristiques communes à des équipements, à première vue, très différents. Nous proposons ici quatre classifications, en fonction : — de la manutention du produit : fours continus ou discontinus ; — du procédé de chauffage : direct ou indirect ; — du niveau de température ; — du combustible.

1.1 Fours continus et fours discontinus

1.2 Chauffage direct et chauffage indirect

C’est la manutention et la circulation du produit qui est ici le critère. Dans un four continu, le produit à chauffer entre à une des extrémités et en ressort à l’autre. C’est le cas : — des fours de réchauffage de semi-produits (fours à longerons et fours poussants) de la sidérurgie ; — des fours de l’industrie chimique et du raffinage ; — des fours rotatifs de l’industrie cimentière.

Le critère est ici le contact entre le produit et les gaz issus de la combustion. ■ Fours à chauffage direct Il y a contact entre les gaz issus de la combustion et les produits à chauffer. Du point de vue thermique, cela entraîne qu’une partie du transfert de chaleur s’effectue par convection. Cette dernière provoque des phénomènes à la surface du produit qui peuvent lui être préjudiciables.

Dans un four discontinu, le produit à chauffer est immobile dans le four ; il est chargé et déchargé (enfourné et défourné) au même endroit. C’est le cas : — des fours à sole mobile de forge ; — des fours à soles fixes de traitement thermique ; — des fours à cloches mobiles et élévateurs.

Exemple : — décarburation et oxydation dans les fours de réchauffage de métaux ; — interaction entre le soufre du combustible et le clinker dans les fours de cimenterie ; — action des impuretés du combustible sur les bains des fours de verrerie.

Cette différence dans la manutention entraîne des différences notables du point de vue thermique. Dans un four continu, un point du four sera toujours (ou à peu près) à la même température ; dans un four discontinu la tempéra-

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flamme et/ou des gaz à haute température. C’est le cas des fours à cloche mobile, des fours à moufle et des fours équipés de brûleurs à tubes radiants.

1 2

On notera que, par définition, les fours de réchauffage de fluides, dans lesquels les gaz ou les liquides circulent à l’intérieur de tubes, sont des fours à chauffage indirect.

3

Puissances Température

1.3 Fours à haute et fours à basse température

Espace La puissance thermique de chacune des zones est constante dans le temps

a

four continu à trois zones de chauffage

La classification est ici plus arbitraire car une même température peut être considérée comme haute dans un type d’activité et basse dans une autre activité. Exemple : une température de 700 °C sera considérée comme haute dans l’industrie chimique et basse en sidérurgie ou dans l’industrie du verre.

Puissance

Même si cette limite est un tant soit peu arbitraire, elle n’en est pas moins réelle. D’un point de vue technologique, au-dessus de 700 °C à 800 °C, il devient délicat de construire des fours à chauffage indirect.

Température

D’un point de vue thermique : — au-dessus de 1 000 °C, le transfert de chaleur se fait essentiellement par rayonnement ; — au-dessous de 700 °C, la part de la convection devient non négligeable et on cherchera à l’améliorer par mise en circulation des gaz autour du produit.

Temps La puissance thermique évolue en fonction du temps

b

four discontinu

Figure 1 – Évolutions des températures et des puissances de chauffe dans les fours

Exemple : les fours de détensionnement de pièces chaudronnées qui fonctionnent autour de 650 °C. Cloche mobile de protection

1.4 Combustibles On peut également classer les fours en fonction de l’énergie utilisée. Le type d’énergie disponible et utilisé a, en effet, un impact important sur la conception, l’utilisation et l’exploitation des fours.

Charge

a

Brûleurs

Charge

b

à feu direct

On trouvera dans le domaine des fours industriels, avec plus ou moins d’importance selon les activités, toutes les formes d’énergie : — des fours électriques : il s’agit des fours à résistances (effet Joule), à arcs, à induction, à électrodes submergées, etc. ; — des fours à gaz ; ils utilisent le gaz naturel, mais aussi le gaz de cokerie, le gaz de raffinerie, le gaz de haut-fourneau, etc. ; — des fours à combustibles liquides : ils utilisent le fuel lourd, mais aussi le gazole, le naphta, etc. ; — des fours à combustibles solides : ils utilisent les charbons ou le coke de pétrole (généralement sous forme pulvérisée), mais aussi les déchets divers.

Brûleurs

à feu indirect

Figure 2 – Fours à cloche mobile

Exemple : les pneus usagés qui sont incinérés dans les fours de cimenterie.

Pour éviter ce contact, on place parfois, entre les produits et les gaz un écran protecteur : le chauffage est alors indirect (figure 2).

2. Transfert de chaleur dans les fours

■ Fours à chauffage indirect L’interaction entre les gaz de combustion et les produits n’existe plus. Par contre, il s’introduit une résistance supplémentaire au transfert de chaleur qui doit se faire par conduction au travers de la paroi protectrice, puis par rayonnement et éventuellement convection vers la charge. Le problème technologique est alors la tenue de cette paroi qui est portée à haute température et est au contact de la

La finalité d’un four est de transférer de l’énergie à une charge (produits) pour en élever la température. Ce transfert se fera pas les trois modes de transfert de chaleur (rayonnement, convection, con-

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Ｒ

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FOURS INDUSTRIELS

___________________________________________________________________________________________________________________

duction), la plupart du temps simultanément, mais dans des proportions très variables.

certain nombre de cas, un impact non négligeable sur l’égalisation des températures.

2.1 Fours à haute température

2.2 Fours à basse température

Ce sont les fours de sidérurgie, de verrerie, de cimenterie. La température que l’on veut obtenir sur le produit dépasse, et parfois nettement, 1 200 °C.

Ce sont, en particulier, les fours de traitement thermique de métallurgie, les fours de revêtement de surface et les fours pour les métaux non ferreux. La température que l’on veut obtenir sur le produit dépasse rarement 700 °C, et est parfois sensiblement inférieure. C’est également le cas des zones de convection des fours de l’industrie du pétrole et de la chimie.

C’est également le cas d’un certain nombre de fours de l’industrie du pétrole et de la chimie dans lesquels, bien que la température du produit soit inférieure à 500 °C, une partie importante de la chaleur est fournie directement par le rayonnement de la flamme dans une zone de radiation. Le transfert de chaleur s’y fait essentiellement par rayonnement de la flamme et des gaz issus de la combustion.

Le transfert de chaleur s’y fait essentiellement par convection de gaz transparents. La loi fondamentale du transfert de chaleur est la loi de Newton :

Les transferts de chaleur par rayonnement découlent fondamentalement de la loi de Stefan-Boltzmann :

Ｒ

Qú = kS ( T f Ð T c )

Qú = asS ( T f4 Ð T c4) avec

Qú

et on cherchera, pour un écart de température ( T f Ð T c ) donné, à augmenter le transfert de chaleur en améliorant le coefficient de convection k qui s’écrit d’une façon générale :

puissance thermique

et de considérations géométriques liées aux dimensions et aux positions respectives des surfaces réceptrices de la chaleur (le produit à chauffer), des surfaces et volumes des émetteurs (flammes et gaz de combustion) et des surfaces réflectrices (parois du four).

l k = A --- Re 0,8 Pr 0,33 ,

Loi de Stefan-Boltzmann

Pr (nombre de Prandlt) dépend essentiellement du fluide : ici les gaz de combustion. On voit qu’il faudra pour obtenir un coefficient d’échange k élevé, essayer d’augmenter la valeur de Re (nombre de Reynolds).

Cette loi indique que la valeur de la puissance thermique émise par le rayonnement d’un corps noir est fonction de la température absolue de ce corps, à la puissance quatrième :

Cela se fera : — soit par mise en vitesse du fluide : implantation de ventilateurs à l’intérieur de l’enceinte (figure 3), utilisation de brûleurs à grande vitesse d’éjection des gaz de combustion dans le foyer (figure 4), recyclage externe des gaz ; — soit par augmentation des effets de pointe, comme l’adjonction d’ailettes ou de picots (studs) dans les zones de convection des fours tubulaires, qui accroissent simultanément la surface d’échange.

Qú S = sT 4 avec Qú S

puissance émise sur l’ensemble des longueurs d’onde par unité de surface, T température du solide rayonnant (en kelvins), constante de Stefan-Boltzmann s (5,67 x 10-8 W.m-2.K-4 ou 4,89 x 10-8 kcal.m-2.h-1.K-4) Dans un four, en première approximation, on considère que le four se comporte pour la charge comme un corps noir et la charge comme un corps gris vis-à-vis du four. Un corps gris a les mêmes caractéristiques d’émission énergétique qu’un corps noir, mais minorées par rapport à celui-ci. On en déduit l’expression générale du transfert de chaleur par rayonnement :

Qú = asS ( T f4 Ð T c4) avec Qú Tf Tc

S a

puissance thermique transmise du four à la charge, température du four, température de la charge ou de la surface de la charge, surface de la charge offerte au rayonnement du four, coefficient d’absorption du rayonnement par la charge ; ce coefficient, qui est compris entre 0 et 1, est très proche de 1 lorsque : les dimensions du four sont grandes par rapport à celles de la charge ; la surface de la charge est peu réfléchissante

Ventilateur

La convection jouera dans ces fours un rôle secondaire pour ce qui concerne la quantité de chaleur transférée, mais aura, dans un

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Figure 3 – Ventilateur de circulation de gaz dans un four de réchauffage de pièces en métaux non ferreux

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Fours de réchauffage de la sidérurgie par

Pablo MILLA GRAVALOS Doctor Ingeniero Industrial (Madrid) Expert Process et Combustion à Stein Heurtey

1. 1.1

1.2

2. 2.1

2.2

2.3

2.4 2.5

2.6 2.7 2.8

BE 8 843 - 3 — 3 — 3 — 3 — 3 — 4 — 4 — 6 — 8 — 9 — 9

Principaux types de fours...................................................................... Fours discontinus ........................................................................................ 1.1.1 Fours pits............................................................................................. 1.1.2 Fours dormants................................................................................... 1.1.3 Fours à sole mobile ............................................................................ Fours continus ............................................................................................. 1.2.1 Fours poussants.................................................................................. 1.2.2 Fours à longerons tubulaires............................................................. 1.2.3 Fours à longerons réfractaires........................................................... 1.2.4 Fours à sole tournante ....................................................................... 1.2.5 Fours à rouleaux ................................................................................. Fours pour laminoirs de grande capacité : poussants et à longerons Contraintes dues aux dimensions des produits........................................ 2.1.1 Distribution des supports de la charge. Plan de chargement......... 2.1.2 Chargement et déchargement........................................................... Chauffage des produits ............................................................................... 2.2.1 Transferts thermiques. Courbe de chauffage ................................... 2.2.2 Distribution de pressions dans le four. Mouvement des gaz chauds.................................................................................... 2.2.3 Brûleurs ............................................................................................... Bilan thermique ........................................................................................... 2.3.1 Récupération. Pertes. Consommation .............................................. 2.3.2 Combustibles sidérurgiques et combustibles extérieurs................ 2.3.3 Influence de la qualité des combustibles sur les performances des fours.............................................................................................. Actions de l’atmosphère du four sur les produits .................................... Contrôle et conduite des fours ................................................................... 2.5.1 Paramètres régulés et surveillés ....................................................... 2.5.2 Conduite des fours, variations de production, arrêts ...................... Pollution. Rejets dus à la combustion. Réglementation........................... Construction des fours ................................................................................ Coûts. Investissement. Exploitation. Maintenance...................................

Références bibliographiques .........................................................................

— — — — — —

10 10 10 10 10 10

— — — — —

13 14 14 14 14

— — — — — — — —

16 17 17 17 18 18 18 18

—

19

ｐ｡ｲｵｴｩｯｮ＠Ｚ＠｡ｶｲｩｬ＠ＱＹＹＸ

L

a dénomination d’acier s’applique à des alliages fer-carbone (Fe-C) contenant jusqu’à 1,7 % de carbone, mais la plupart des aciers en contiennent moins de 1 %. Généralement, on note aussi la présence d’autres éléments tels que du manganèse (Mn), du chrome (Cr), du nickel (Ni), du molybdène (Mo), etc. L’acier est élaboré suivant deux filières : — réduction du minerai (oxydes de fer) dans des hauts fourneaux et élimination de l’excès de carbone de la fonte liquide (3 à 4,5 %) dans des convertisseurs à l’oxygène ;

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FOURS DE RÉCHAUFFAGE DE LA SIDÉRURGIE ________________________________________________________________________________________________

— fusion de ferrailles (acier recyclé) dans des fours électriques. Le produit obtenu par ces deux voies est traité dans des stations d’affinage où il est amené à sa composition chimique finale par ajustement définitif du taux de carbone et addition des éléments qui donneront à l’acier les caractéristiques souhaitées. Opération appelée mise en nuance. L’acier liquide obtenu est solidifié dans des machines de coulée continue desquelles il sort sous forme d’ébauches appelées demi-produits dont les dimensions typiques sont :

Ｒ

Épaisseur (mm)

Largeur (mm)

Longueur (mm) 4 000 à 12 000

Brames ............................

190 à 300

1 000 à 2 000

Blooms ............................

150 à 450

150 à 450

6 000 à 12 000

Billettes............................

50 à 150

50 à 150

10 000 à 15 000

Antérieurement à l’apparition des coulées continues (au début des années 60), l’acier était coulé en lingots et subissait un premier laminage pour être mis sous forme de demi-produits. Les demi-produits sont le point de départ de tous les produits sidérurgiques obtenus par laminage (plaques, tôles, feuilles, feuillards, fils, barres, rails, poutrelles, tubes, roues, etc.). Ils ont totalisé 750 millions de tonnes, au niveau mondial, en 1996. À la sortie de la coulée continue, les demi-produits sont soit directement chargés dans les fours de réchauffage pour être portés à la température appropriée pour le laminage (1 100 à 1 300 oC), soit stockés jusqu’à leur inclusion dans un programme de laminage. Les fours de réchauffage doivent donc harmoniser les rythmes de production de l’aciérie et du laminoir. Pour accomplir leur tâche, les fours de réchauffage doivent s’adapter à un certain nombre de contraintes, par exemple : — implantation : la longueur des fours est souvent limitée par des installations existantes lors de leur construction (bâtiments, ponts roulants, tables à rouleaux, etc.) ; — produits : diversité des caractéristiques (température de laminage, diffusivité, résistance au fluage, dimensions, température d’enfournement) ; — combustibles : gaz sidérurgiques avec fluctuations de qualité et de quantité, et réaliser le meilleur compromis pour la satisfaction de critères suivants, souvent contradictoires : productivité, homogénéité des températures, flexibilité, fiabilité, économie, etc. Cet article est divisé en deux paragraphes : — le premier décrit succinctement les divers types de fours de réchauffage ; — le second traite plus en détail les fours poussants et à longerons compte tenu de leur importance économique et technique (ces types de fours équipent les laminoirs de grande capacité et assurent le réchauffage de plus de 90 % des demi-produits avec des unités dont la production horaire peut atteindre 500 t/h).

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FOURS DE RÉCHAUFFAGE DE LA SIDÉRURGIE

1. Principaux types de fours Les fours de réchauffage peuvent être divisés en deux groupes d’inégale importance : ■ discontinus pour traiter les produits très lourds, et les petites séries de qualité ou de dimensions différentes. En effet, ces fours permettent : — de recevoir sur leur sole une grande diversité de dimensions ; — d’adapter des cycles de chauffage appropriés à chaque charge. Les trois types principaux de fours discontinus sont : — pits ; — dormants ; — à sole mobile ; ■ continus pour le chauffage économique de très grandes séries de produits identiques, exigeant le même cycle thermique. Les fours continus utilisés en sidérurgie sont : — poussants ; — à longerons (tubulaires et réfractaires) ; — à sole tournante ; — à rouleaux.

4 900

Ｒ

1.1 Fours discontinus 1.1.1 Fours pits

+ –0

8 000 00

26

– 4 520

Les soaking pits (puits d’égalisation), sont des chambres en forme de puits (figure 1), munies de couvercles de fermeture et chauffées, dans lesquelles sont introduits les lingots fraîchement coulés, avec le cœur encore liquide, pour atteindre leur solidification complète tout en assurant le niveau et l’uniformité de températures appropriés pour le laminage. La capacité de chauffage doit permettre le réchauffage de lingots froids.

19 020 Les cotes sont en mm Figure 1 – Four pit équipé d’un seul brûleur dans la partie supérieure d’un petit côté, one way top fired, et d’un récupérateur métallique multitubulaire (Document Stein Heurtey)

Les lingots réchauffés dans les pits sont mis en forme de brames (slabs) ou de blooms par des laminoirs appelés respectivement slabbings et bloomings.

» 1 300 oC) et l’exposition de trois côtés des produits au flux calorifique, permettent des chauffages plus rapides que ceux obtenus dans les fours continus.

Les coulées continues des installations modernes, produisant directement des brames et des blooms, ont fait pratiquement disparaître les fours pits.

La consommation spécifique est, en général, très élevée (jusqu’à 5 000 MJ/t).

1.1.2 Fours dormants 1.1.3 Fours à sole mobile

Ce type de fours est généralement utilisé pour le réchauffage de blooms épais, de caractéristiques (nuance ou dimensions) trop spécifiques pour être mélangés à d’autres produits dans les fours continus. Ces fours ont des dimensions extrêmement variées (surface de sole comprise entre 0,5 et 90 m2). Ils sont constitués d’une chambre de chauffage parallélépipédique (figure 2), équipée de brûleurs latéraux et de portes en façade (multiples dans les fours de grandes dimensions) qui permettent l’accès facile à toute la sole. Les produits reposent soit directement sur cette sole, soit sur des murettes pour favoriser leur chauffage inférieur et leur reprise au défournement. Les fumées sont évacuées par l’arrière ou par la sole et traversent des récupérateurs qui préchauffent l’air de combustion. Ils sont équipés de systèmes de contrôle des températures, du rapport comburant-combustible et de pression. Les produits sont manutentionnés par des enfourneuses-défourneuses à pinces. Lorsque la qualité de l’acier le permet, l’enfournement dans un four préalablement chaud (à la température de fin de chauffe

Ce type de fours a été conçu pour le chauffage de très gros lingots (jusqu’à 400 tonnes) pour forger des pièces spéciales, destinées à la sidérurgie, à la construction navale ou aux industries électromécaniques. Leur sole, montée sur un chariot, sort complètement du four, ce qui permet d’utiliser les moyens de l’atelier pour la manutention des pièces (figure 3). L’étanchéité sole-four est assurée par des joints de sable (canaux fixés sur les côtés de la sole, remplis de sable réfractaire, dans lesquels s’enfoncent des couteaux solidaires du four). L’étanchéité porte-façade est obtenue par des cordons en réfractaire fibreux. Les grandes dimensions des lingots et la qualité des aciers exigent souvent des températures très homogènes dans leur masse (écarts < 20 oC) et, en conséquence, des montées en température longues et précises. Ceci est obtenu avec de nombreux brûleurs d’impulsion élevée qui brassent fortement et homogénéisent l’atmosphère du four, ou plus rarement, par des brûleurs à flamme plate qui assurent un rayonnement homogène sur la charge.

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BE 8 843 - 3

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FOURS DE RÉCHAUFFAGE DE LA SIDÉRURGIE ________________________________________________________________________________________________

Joints mobiles Air chaud

Brûleur

Portes

Portes

Brûleur

Sole

Air froid

Ｒ Récupérateur

Récupérateur

Figure 2 – Four dormant avec deux portes de trois éléments et des récupérateurs à poteries (d’après [20])

Tableau 1 – Caractéristiques des fours à sole mobile Charge nominale............................................ (t) Température moyenne au

défournement .(oC)

3 à 400 1 250

Surface de sole.............................................(m2)

3 à 120

Combustible .......................................................

GFC, GN, GPL, fioul

Température de préchauffage de l’air de combustion .............................................(oC)

350

Les caractéristiques principales de ce type de fours sont données dans le tableau 1.

1.2 Fours continus 1.2.1 Fours poussants Ce sont les premiers fours continus utilisés pour le réchauffage des aciers. Des glissières disposées dans un plan horizontal traversent le four dans le sens de la longueur et supportent une nappe de produits enfournés les uns à la suite des autres. La nappe de produits glisse vers le défournement mue par une pousseuse extérieure au four, située côté enfournement. Des brûleurs, situés côté défournement, produisent des fumées qui traversent le four à contre-courant des produits et sortent côté enfournement après épuisement dans la zone appelée de récupération.

Les joints de sable sont visibles sous le chariot

Figure 3 – Coupe transversale d’un four à sole mobile équipé de brûleurs à flamme plate (Document Stein Heurtey)

Les glissières et leurs supports sont généralement constitués par des tubes sans soudure, refroidis à l’eau. Les glissières sont surmontées de pièces d’usure soudées, sur lesquelles glissent les produits à chauffer. Les pertes sont limitées par isolement thermique des tubes.

Ces fours sont très souvent équipés de récupérateurs métalliques à rayonnement capables de supporter des températures de fumées élevées et des fortes pressions d’air nécessaires aux brûleurs (cf. [31]).

BE 8 843 - 4

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｍＳＶＰＳ

Fours a` induction a` creuset pour la fusion des me´taux ferreux et non ferreux par

Jean-Pierre GAUCHE´ Inge´nieur physico-chimiste (EOA de Paris) Professeur a` l’E´cole Supe´rieure de Fonderie et de Forge, Se`vres Expert aupre`s du Centre Technique des Industries de la Fonderie, Se`vres, France

1.3 1.4

Effets des champs e´lectromagne´tiques ..................................... Champs e´lectromagne´tiques applique´s aux mate´riaux conducteurs ........................................................................................ 1.1.1 E´quations fondamentales ........................................................ 1.1.2 Loi de Lenz ............................................................................... 1.1.3 Loi de Faraday ......................................................................... 1.1.4 Effet Kelvin ou effet pelliculaire .............................................. Phe´nome`nes magne´tiques................................................................. 1.2.1 Diamagne´tisme et paramagne´tisme ....................................... 1.2.2 Ferromagne´tisme ..................................................................... 1.2.3 Point de Curie .......................................................................... Conductivite´ e´lectrique et induction ................................................. Transferts thermiques ........................................................................

2. 2.1 2.2 2.3

Principes fondamentaux de l’induction ..................................... Transformateurs ................................................................................. Inducteurs ........................................................................................... Alimentations et convertisseurs e´lectriques .....................................

— — — —

7 7 8 8

3. 3.1 3.2

Four a` induction a` creuset ............................................................ Principes et lois fondamentales......................................................... Fours a` basse et moyenne fre´quence................................................

— — —

10 10 12

4. 4.1 4.2

Garnissage re´fractaire du creuset ............................................... Conduite du creuset ........................................................................... Choix du mate´riau ..............................................................................

— — —

14 14 14

5.

Conclusion........................................................................................

—

15

1. 1.1

1.2

Pour en savoir plus..................................................................................

M 3 603 – 2 — — — — — — — — — — —

2 2 3 4 4 5 6 6 6 7 7

Doc. M 3 603

’apparition des fours e´lectriques offre l’avantage d’un rendement d’utilisation de l’e´nergie thermique beaucoup plus e´leve´ que celui des fours a` combustible. Cela tient presque essentiellement a` la re´duction des pertes par les fume´es. Pour comparer les possibilite´s de l’e´lectrothermie au chauffage des fours industriels par combustible, il est commode de conside´rer le coefficient de substitution qui est de l’ordre de deux a` trois fois plus pour le rendement de l’e´lectricite´. La maturite´ du de´veloppement des diodes et des thyristors de puissance autorise la construction de ge´ne´rateurs e´lectriques base´s sur l’utilisation de champ magne´tique variable. En effet, les courants induits, ou courants de Foucault, produits par ces e´quipements permettent d’obtenir, par effet Joule, des puissances thermiques suffisamment importantes pour qu’elles puissent assurer industriellement la fusion des me´taux. Ce type de ge´ne´rateur thermoe´lectrique de fusion, pour la fonderie, est le four ` partir de ce mode`le d’e´quipement, les constructeurs de e´lectrique a` induction. A

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｍＳＶＰＳ FOURS A` INDUCTION A` CREUSET POUR LA FUSION DES ME´TAUX FERREUX ET NON FERREUX –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

four ont de´cline´ plusieurs types de capacite´ et de puissance e´lectrique destine´s a` l’industrie, notamment celle de la fonderie. Apre`s une introduction sur les champs magne´tiques, le rappel des principes de l’application des champs e´lectromagne´tiques, le pre´sent article expose ce proce´de´ moderne de fusion des me´taux et la conception des fours a` induction a` creuset. Y sont e´galement de´crits le reveˆtement re´fractaire du creuset, les conditions d’exploitation de ce type de four et son usage en fonderie. Bref historique du de´veloppement industriel du four a` induction

Ｒ

L’e´lectricite´ gagne la side´rurgie avec le four a` arc (1815) et ensuite la fonderie avec les fours a` induction (1899). Parmi les pionniers de cette technologie, citons Kjellin, Rodenhauser, Wyatt et Russ. A` partir de 1920, les progre`s apporte´s aux condensateurs statiques et aux convertisseurs permettent la poursuite du de´veloppement des fours a` induction. Ne´anmoins, il faut attendre 1930 pour voir apparaıˆtre en fonderie des fours jusqu’a` 4 tonnes de capacite´ [1]. A` partir de 1955, la progression est rapide, notamment en fonderie de fonte et d’alliages cuivreux. De`s la crise pe´trolie`re de 1973, il faut e´conomiser l’e´nergie en ame´liorant le rendement de la fusion e´lectrique. La maturite´ du de´veloppement des diodes et des thyristors de puissance autorise le de´veloppement de la moyenne fre´quence, notamment en fonderie d’acier et de fonte. Ces nouvelles possibilite´s, la stabilite´ du couˆt de l’e´lectricite´ et le renforcement des contraintes environnementales des anne´es 1990 orientent de´finitivement les investissements, en fonderie, vers la fusion e´lectrique a` induction.

Glossaire bec

rigole ou chenal de vidange d’un four

entrefer

distance entre la bobine d’induction et la charge me´tallique a` fondre

striction

pression exerce´e par le champ magne´tique sur le me´tal liquide

vortex

zone du bain me´tallique ou` l’activite´ est tre`s faible

laitier

me´lange d’oxydes divers fondus

tape and charge

chargement et pre´le`vement alterne´s lors des fusions

cubilot

appareil de 2e fusion des de´chets ferreux en fonderie

1. Effets des champs e´lectromagne´tiques

1.1 Champs e´lectromagne´tiques applique´s aux mate´riaux conducteurs Le lecteur est invite´ a` consulter l’ouvrage [2] pour une approche plus comple`te.

Les me´canismes de transformation de l’e´nergie magne´tique en e´nergie thermique ne sont pas encore totalement vulgarise´s, ils ont pourtant e´te´ e´tablis de`s le de´but de l’anne´e 1830 a` partir des travaux d’Oersted.

1.1.1 E´quations fondamentales D’apre`s Maxwell, la puissance e´lectromagne´tique peut s’e´crire :

Ce sont Maxwell, Faraday et Lenz qui ont plus pre´cise´ment de´fini les principales lois de l’e´lectromagne´tisme. Les e´quations de Maxwell permettent de calculer tous les phe´nome`nes e´lectromagne´tiques. Les lois de Faraday et Lenz permettent de les expliquer et de les de´montrer.

P = H. avec

Ces phe´nome`nes sont respectivement appele´s : champ e´lectrique, champ magne´tique, induction e´lectrique et induction magne´tique.

M 3 603 – 2

H

champ magne´tique,

B

induction magne´tique,

E

champ e´lectrique,

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∂B ∂D + E .J + E . ∂t ∂t

(1)

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｍＳＶＰＳ ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– FOURS A` INDUCTION A` CREUSET POUR LA FUSION DES ME´TAUX FERREUX ET NON FERREUX

J

densite´ du courant,

D

induction e´lectrique.

du mouvement de l’aimant. L’e´nergie transmise est sensiblement e´gale a` la puissance du champ magne´tique de l’aimant utilise´.

1.1.2 Loi de Lenz

Le premier terme repre´sente la puissance magne´tique ; le deuxie`me correspond aux pertes dues au passage du courant ; le troisie`me repre´sente la densite´ de puissance e´lectrique. Ce sont les pertes E.J qui produisent, par effet Joule, un e´chauffement du mate´riau.

Sur la base de l’exemple de la figure 1, la loi de Lenz permet d’expliquer qu’en cas de variation du flux magne´tique a` l’inte´rieur d’un circuit, il apparaıˆt une force contre e´lectromotrice. La de´finition principale de cette loi est la suivante :

Le champ magne´tique H est duˆ au de´placement des charges mobiles ou a` la pre´sence d’un moment magne´tique tel que celui cre´e´ par un aimant a` l’inte´rieur d’un sole´noı¨de. Ce de´placement cre´e une force e´lectromotrice induite.

« La force e´lectromotrice induite produit un courant qui s’oppose a` la cause qui l’a produite ».

La figure 1 visualise le champ magne´tique d’un aimant en mouvement alternatif a` l’inte´rieur d’un sole´noı¨de et la force e´lectromotrice induite.

« Le courant induit circule de manie`re a` produire un champ magne´tique induit dont l’effet est de contrer la variation de flux du champ exte´rieur qui produit ce courant ».

Un champ magne´tique constant ne produit pas de courant (figure 1b), par contre le mouvement alternatif de l’aimant a` l’inte´rieur de la bobine cre´e une sinusoı¨de (figures 1c, d, e) dont la force e´lectromotrice est soit positive, soit ne´gative et ce, a` la fre´quence

La figure 2a montre cette opposition de champ entre un sole´noı¨de et un aimant entrant, le courant est positif.

Elle peut encore s’e´crire de la manie`re suivante :

La figure 2b montre le changement de polarite´ du courant lorsque l’aimant est sortant, le courant est alors ne´gatif.

Ｒ

a la force électromotrice (f.é.m.) est nulle

c la force électromotrice devient nulle

b sous l'effet de l'aimant la force électromotrice croît

d

la force électromotrice décroît

e la force électromotrice est de nouveau nulle

Figure 1 – Champ magne´tique d’un aimant en mouvement alternatif a` l’inte´rieur d’un sole´noı¨de

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M 3 603 – 3

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｍＳＶＰＳ FOURS A` INDUCTION A` CREUSET POUR LA FUSION DES ME´TAUX FERREUX ET NON FERREUX –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

B1

B1

S

N

I

N

S

la bobine est traversée par un champ qui diminue vers la droite

I

N

S

I

S

N

la bobine est traversée par un champ qui diminue vers la gauche

I

ampèremètre

Ｒ

ampèremètre

a lorsque les polarités sont du même sens, le courant est positif.

b lorsque les polarités sont de sens opposé, le courant est négatif

Figure 2 – Illustration de la loi de Lenz

Le phe´nome`ne d’induction se produit non seulement a` partir d’un aimant mobile dans une bobine, mais e´galement dans les masses me´talliques des conducteurs. Les courants induits qui y prennent naissance sont appele´s « courants de Foucault ». Ils dissipent de l’e´nergie sous forme d’effet Joule, c’est le principe du chauffage par induction.

1.1.3 Loi de Faraday

Ii

Bi

La loi de Faraday peut s’e´noncer ainsi : « La force e´lectromotrice induite dans un circuit ferme´ est proportionnelle au taux de variation du flux du champ magne´tique traversant la surface de´limite´e par le circuit par rapport au temps ».

A I

Le flux F du champ magne´tique a` travers une surface S s’appuyant sur un circuit conducteur est donne´ par la relation suivante :

Φ = ∫∫ B .dS

(2)

s

avec

B

induction magne´tique (en T),

S

surface de´termine´e par la bobine (en m2),

F

flux magne´tique (en Wb).

Figure 3 – Couplage inductif sur un barreau ferreux

Le sche´ma de la figure 3 pre´sente une bobine Bi alimente´e en A et B par un courant alternatif. Il se cre´e un champ magne´tique autour de la bobine et de toutes ses spires. Tant que la bobine est vide, il ne se de´veloppe aucune force contre e´lectromotrice. De`s l’instant ou` est introduit un noyau magne´tique au cœur de la bobine, il se produit des boucles de courant dans ce noyau me´tallique. Il ge´ne`re un courant induit Ii qui circule en sens oppose´ au courant I circulant dans la bobine.

La loi de Faraday introduit la ge´ome´trie de la bobine, elle tient particulie`rement compte du nombre de spires, du diame`tre et de sa surface. Par rapport a` cette loi, il faut retenir les principaux effets suivants :

Ces boucles ge´ne`rent ainsi leur propre champ magne´tique qui s’oppose a` celui de la bobine (loi de Lenz). Ce phe´nome`ne s’appelle couramment le couplage inductif les courants induits Ii ge´ne´re´s sont nomme´s courants de Foucault.

 plus le nombre de spires est important, plus la force e´lectromotrice est e´leve´e,  plus le diame`tre est important, plus les courants induits seront e´leve´s.

E = −N avec

ΔΦ Δt

force e´lectromotrice (en V),

N

nombre de spires de la bobine,

F

flux magne´tique (en Wb).

M 3 603 – 4

1.1.4 Effet Kelvin ou effet pelliculaire

(3)

E

B

Le couplage inductif se de´veloppe au droit de la bobine, c’est-a`dire dans la zone ou` le champ magne´tique est maximum. Les courants induits sont concentre´s et circulent en surface (figure 4), c’est l’effet pelliculaire [3]. Cette remarque ne vaut qu’au tout de´but de la mise sous tension. Apre`s quelques minutes de chauffage sans variation de la

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Garnissage re´fractaire des fours de maintien a` induction pour la fonderie par

Jean-Pierre GAUCHE´ Inge´nieur Physico-Chimiste (EOA de Paris) Professeur a` l’E´cole Supe´rieure de Fonderie et de Forge Expert aupre`s du Centre Technique des Industrie de la Fonderie

1. 1.1 1.2

Four de maintien a` induction a` canal ......................................... Principes et lois fondamentales......................................................... Inducteurs ........................................................................................... 1.2.1 Inducteur monocanal ............................................................... 1.2.2 Inducteur bi-canal ....................................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4

´ tude du garnissage d’un four a` canal de maintien................. E Questions ne´cessaires a` l’e´tude d’un reveˆtement ............................ Garnissage sec ou humide, comment choisir ? ................................ Conception du garnissage ................................................................. Choix des mate´riaux .......................................................................... 2.4.1 Mise en œuvre du reveˆtement ................................................

— — — — — —

4 4 5 5 5 5

3. 3.1 3.2 3.3 3.4

Frittage et de´marrage des inducteurs ........................................ Frittage du canal re´fractaire ............................................................... Comment fritter le canal re´fractaire d’un inducteur ? ...................... De´marrage des inducteurs ................................................................. E´valuation et interpre´tation de l’origine des incidents .....................

— — — — —

6 6 8 9 10

4. 4.1 4.2 4.3

Conduite et maintenance .............................................................. Suivi et controˆles ............................................................................... Changement de l’inducteur ............................................................... Dure´e de vie des garnissages ............................................................

— — — —

10 10 10 10

5.

Conclusion........................................................................................

—

11

Pour en savoir plus..................................................................................

M 3 612 – 2 — 2 — 2 — 3 — 3

Doc. M 3 612

n fonderie, l’e´volution des moyens de fusion, cubilot longue campagne et four a` induction a` moyenne fre´quence, a oblige´ les fondeurs a` implanter des fours de maintien pour re´guler la production, favoriser l’homoge´ne´ite´ du me´tal liquide et stabiliser la tempe´rature. L’augmentation des besoins et l’automatisation de la coule´e ont entraıˆne´ l’accroissement rapide de la capacite´ des fours de maintien, hier 50 tonnes de fonte, aujourd’hui plus de 100 tonnes. C’est de´finitivement le four a` induction a` canal de maintien qui est le mieux adapte´ a` cette fonction et a` cette e´volution. C’est particulie`rement en fonderie de fonte que ce de´veloppement a fait apparaıˆtre de nombreuses difficulte´s de tenue des garnissages re´fractaires. Il faut en effet savoir que cuve et inducteur sont soumis a` une pression me´tallostatique importante, celle-ci peut ge´ne´rer des de´gradations ou des infiltrations pouvant aller jusqu’a` la perce´e du reveˆtement re´fractaire et a` l’arreˆt du four. Face a` cette situation pre´occupante, notamment pour les fours de maintien, les constructeurs de fours, les fabricants de mate´riaux re´fractaires et les fondeurs se sont associe´s pour concevoir et mettre au point des reveˆtements plus fiables et plus performants. Rapidement ces efforts conjoints ont permis de doubler la dure´e de vie des fours et de leurs inducteurs.

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｍＳＶＱＲ GARNISSAGE RE´FRACTAIRE DES FOURS DE MAINTIEN A` INDUCTION POUR LA FONDERIE ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Le pre´sent article de´crit ces nouvelles conceptions [1] qui tiennent compte des nouveaux alliages me´talliques, de l’accroissement ne´cessaire de la capacite´ des fours et de l’augmentation de la puissance e´lectrique des inducteurs.

un transformateur avec circuit magne´tique ferme´, dont le canal constitue la spire de l’enroulement secondaire.

1. Four de maintien a` induction a` canal

Le me´tal s’e´chauffe dans le canal par effet Joule sous l’action des courants induits (courants de Foucault). La circulation du me´tal liquide dans le canal s’effectue par effet de thermosiphon et par effet e´lectromagne´tique, permettant ainsi le transfert de chaleur du canal au re´servoir. Cet e´change entre l’inducteur et la cuve cre´e un le´ger brassage (beaucoup plus faible que dans le cas du four a` induction a` creuset), plus visible lorsque le four est a` son pied de bain, alors qu’il devient a` peine visible lorsque le four est plein.

Historique du four a` induction

Ｒ

Les anne´es 1930 voient apparaıˆtre en fonderie les premie`res applications des fours e´lectriques a` induction. C’est le four a` canal qui est le premier a` eˆtre utilise´ industriellement. A` partir de 1955, les besoins de l’automobile sont importants, la progression de ces e´quipements est rapide, notamment en fonderie de fonte et d’alliages cuivreux. Jusqu’aux anne´es 1970, les fours a` induction fonctionnent principalement a` la fre´quence re´seau (50 Hz) et le de´veloppement est centre´ sur l’augmentation de leur capacite´ pour atteindre une centaine de tonnes pour les fours de maintien.

Pour mettre en service ce type de four, on doit d’abord pre´chauffer le canal et le remplir de me´tal liquide au-dela` des orifices afin de fermer la boucle, sans toutefois de´passer le niveau du pied de bain. L’inducteur est alors mis sous tension, le me´tal liquide s’e´chauffe dans le canal, puis il commence a` circuler et a` e´changer avec la cuve (figure 1). Le four a` canal n’est pas un four de fusion, sa puissance est trop faible, c’est un four de maintien. Ne´anmoins, il doit eˆtre capable d’assurer des surchauffes du me´tal liquide en cas de besoin ; c’est-a`-dire que la puissance nominale de l’inducteur devra eˆtre suffisante pour maintenir le me´tal en tempe´rature, compenser les pertes par les parois et permettre d’assurer aussi les surchauffes.

Le four de maintien a` induction a` canal est le premier four a` induction qui ait existe´ en fonderie, il est compose´ de deux parties principales (figures 1 et 2) :  la cuve, ou le re´servoir de me´tal liquide, qui se trouve en communication avec les deux extre´mite´s du canal ; ce re´servoir est reveˆtu d’un garnissage re´fractaire isolant et contient la majeure partie du me´tal liquide ;  l’inducteur, qui comprend la bobine d’induction et son circuit magne´tique ; le canal est rempli de me´tal liquide, pre´sente la forme d’une boucle torique dont les deux extre´mite´s de´bouchent au fond de la cuve.

1.2 Inducteurs Les inducteurs se distinguent par leur puissance e´lectrique et le nombre de leurs canaux :  la puissance e´lectrique (basse fre´quence de 50 Hz) est comprise entre 100 kW et plus de 4000 kW pour les plus gros ;

1.1 Principes et lois fondamentales

 les inducteurs les plus courants sont soit monocanal (figure 3), soit bi-canal (figure 5).

Le fonctionnement du four a` canal est base´ sur les meˆmes principes fondamentaux [2] [3] [4] que le four a` induction a` creuset. Du point de vue e´lectrique, le four a` induction a` canal est e´quivalent a`

Réfractaire

Isolation

Métal liquide Noyau magnétique

Bobine d’induction

Canal

Figure 2 – Four a` induction a` canal de 80 tonnes de fonte (source : ABP Induction)

Figure 1 – Sche´ma en coupe d’un four a` canal

M 3 612 – 2

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｍＳＶＱＲ ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

GARNISSAGE RE´FRACTAIRE DES FOURS DE MAINTIEN A` INDUCTION POUR LA FONDERIE

Ｒ

Figure 3 – Inducteur monocanal sur four de 30 tonnes de fonte (source : Otto Junker Gmbh)

Figure 5 – Inducteur bi-canal sur four de 110 tonnes de fonte

Canal de fusion Métal liquide au fond du four Noyau d'acier feuilleté

Réfractaire

Alimentation électrique

Bobine induction Bobine

Figure 4 – Coupe d’un inducteur monocanal avec circulation du me´tal liquide

Bobine

Réfractaire

1.2.1 Inducteur monocanal L’inducteur monocanal est le mode`le le plus couramment utilise´ [3]. Thermiquement c’est le plus compact, donc le plus e´conome en e´nergie. Les constructeurs savent aujourd’hui construire des bobines monocanal de´veloppant plus de 2500 kW, ce qui permet leur utilisation sur des fours de grandes capacite´s.

Circulation de métal liquide Canal Figure 6 – Coupe d’un inducteur bi-canal avec circulation du me´tal liquide

Comme le montre la figure 4, le me´tal liquide ne circule pas vraiment dans un inducteur monocanal. Il faut conside´rer que le processus de circulation est du type « pulse´ » ou « alternatif », selon le sens des fle`ches du sche´ma. De ce fait, il y a une diffe´rence de tempe´rature notable, 100 a` 150  C, entre les sorties du canal et la partie infe´rieure, sous la bobine. Le choix du re´fractaire doit tenir compte de cet aspect notamment pour les alliages a` haute tempe´rature de maintien.

1.2.2 Inducteur bi-canal Ce type d’inducteur est utilise´ sur les fours de tre`s grande capacite´ (supe´rieure a` 150 tonnes pour la fonte). Il fonctionne a` partir d’un courant triphase´, a` basse fre´quence, qui alimente 2 bobines refroidies a` l’eau, sa puissance peut atteindre 4 000 kW. Il est quelque fois utilise´ en side´rurgie sur des me´langeurs a` fonte dont la capacite´ est supe´rieure a` 1 000 tonnes, dans ce cas le me´langeur peut comporter plusieurs inducteurs pour assurer le maintien en tempe´rature.

Il faut aussi noter que plus la puissance est e´leve´e, meilleurs sont les e´changes avec le me´tal de la cuve. Autrement dit, lors du choix d’un four et de son inducteur, il faut e´viter le surdimensionnement de l’inducteur par pre´caution. Ide´alement, lors du maintien de nuit ou de week-end, l’inducteur doit travailler au 2/3 de sa puissance nominale.

Grace a` ses 2 bobines de sens oppose´, a` un canal central plus gros que les canaux exte´rieurs et a` une diffe´rence de niveau au centre (figures 6 et 7), il existe une re´elle circulation du me´tal liquide. Cette technique de circulation appele´e « jet flow » a e´te´

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Fours de cimenterie Ateliers de cuisson du clinker par

Robert BASTIER Ingénieur des Arts et Manufactures Directeur Central Technologie Adjoint

Alexandre BOCAN Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucarest

Bernard GILBERT Ingénieur des Arts et Métiers et

Alain REGNAULT

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Diplômé du Conservatoire National des Arts et Métiers Centre Technique Groupe Italcementi

1.

Four rotatif et atelier de cuisson.........................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Différents types d'atelier de cuisson ................................................. Généralités ................................................................................................... Procédé par voie humide. Four long (WL)................................................. Procédé par « voie semi-sèche ». Four court (DG-N) ................................ Procédé par voie sèche. Four court DS-X .................................................. Comparaison des consommations énergétiques standards et des ratios de production...............................................................................................

— — — — —

3 3 3 5 7

—

8

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Précalcination. Fours DS-X-SF et DS-X-PC ...................................... Généralités ................................................................................................... Réalisations industrielles ............................................................................ Conduite de la précalcination ..................................................................... Caractéristiques de la précalcination ......................................................... Avantages et inconvénients........................................................................ Données standards de fonctionnement.....................................................

— — — — — — —

9 9 13 17 19 21 21

4. 4.1 4.2

Dimensionnement des fours en voie sèche ...................................... Méthode théorique ...................................................................................... Méthodes empiriques .................................................................................

— — —

22 22 23

Pour en savoir plus ...........................................................................................

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Doc. BE 8 847

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L

a cuisson du clinker est l’étape intermédiaire des trois étapes importantes du processus de fabrication du ciment, qui sont : — la préparation des matières premières ; — la cuisson du clinker ; — le broyage du clinker. Dans une approche systématique, on dira que la fonction de l’atelier de cuisson consiste à transformer, par traitement thermique, un matériau « cru » en un semi-produit désigné sous le nom de clinker. La préparation du « cru » consiste à mélanger et broyer les matières premières de manière à obtenir un produit ayant une composition et une finesse prédéfinies. Toute la problématique de la cuisson du clinker consiste à rechercher l'économie optimale de moyens, aussi bien en ce qui concerne le coût d’investissement que le coût d’exploitation. Pour satisfaire ce double objectif, face à

T oute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique

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FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________

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l'évolution technico-économique des variables d’entrée et de sortie du système, l'évolution technologique est une suite de réponses, telle que, par exemple : — la diversité des matières premières ; — la diversité des combustibles ; — les contraintes socio-économiques ; — les performances exigées du clinker ; — les contraintes environnementales ; — les capacités de production unitaire. Ainsi l’évolution technologique a permis d'utiliser des matières premières de plus en plus diversifiées en allant du « cru » naturel vers un « cru » synthétique ; elle a permis l’utilisation de mélanges de combustibles de moins en moins traditionnels (résidus de broyage d'automobiles, déchets industriels spéciaux, huiles, pneus...), sous la pression économique, tout en réduisant les émissions (poussières, NOx, SO2...) ; elle a permis, également, de diviser par deux la consommation en énergie thermique. Cette évolution s'est faite parallèlement à l’accroissement des capacités de production unitaires qui ont été multipliées par 100 en cinquante ans. Le coût d'investissement d'une cimenterie est élevé, environ l’équivalent de 3 ans de chiffre d'affaires ; cela a pour conséquence que les progrès technologiques ne sont mis en œuvre dans l’industrie que progressivement, soit lors de la création d’une nouvelle ligne de production, soit lors de l’augmentation de capacité d’une ligne déjà en service, de sorte qu’il existe toujours, en production, des ateliers de cuisson relevant de technologies anciennes telles que la voie humide. L’article « Fours de cimenterie » fait l’objet de plusieurs fascicules : — BE 8 844 Ateliers de cuisson du clinker ; — BE 8 845 Fours rotatifs ; — BE 8 846 Refroidisseurs à clinker. Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules.

1. Four rotatif et atelier de cuisson

sentent donc 100 % de l’atelier de cuisson. Les dimensions de ces fours sont très importantes eu égard à la capacité de production journalière, par exemple : 3 600 t/j ; diamètre : 6,91/6,40/7,62 m ; longueur : 232 m ; Clarcksville (USA).

À l'exception des fours droits verticaux, désormais obsolètes, mais encore en service en Extrême-Orient (la Chine, premier producteur mondial, assure les 2/3 de sa production avec des fours droits) et de fours expérimentaux en cours de développement (lit fluidisé au Japon), tous les fours sont désormais du type « four rotatif ».

En revanche, les fours rotatifs récents des ateliers de cuisson dits à « voie sèche » (§ 2.4), alimentés en farine sèche, possédant un broyeur-sécheur, un préchauffeur, un précalcinateur et un refroidisseur indépendants sont désormais de dimensions beaucoup plus modestes pour des capacités de production plus élevées, par exemple :

L'évolution de la technologie du procédé de clinkerisation a conduit à une diminution de l'importance relative du four rotatif à l’intérieur de l’atelier de cuisson. Les cinq opérations essentielles à réaliser dans l’atelier de cuisson sont (figure 1) : — le séchage, — le préchauffage jusqu’à 500 °C, — la décarbonatation de 700 à 1 050 °C, — la clinkerisation de 1 200 à 1 450 °C, — le refroidissement de 1 450 à 80 °C.

4 500 t/j ; diamètre : 4,8 m ; longueur : 65 m. Ces fours rotatifs ne réalisent plus les opérations de séchage, de préchauffage et de refroidissement qui sont en quelque sorte délocalisées dans d’autres secteurs de l’atelier de cuisson. Ces nouveaux fours ne réalisent, dans leur partie rotative, que la fin de la décarbonatation (10 %) et la phase de clinkerisation. Une enquête portant sur 11 pays d’Europe occidentale, pour une production totale de 110 millions de tonnes de clinker, montre que 6 % de la production de clinker est assurée par les anciens ateliers de cuisson à « voie humide », tandis que 35 % est assurée par les nouveaux ateliers de cuisson à « voie sèche » équipés de préchauffeur et de précalcinateur. Environ 60 % du clinker est produit par des ateliers de procédés variés dont les principaux sont le procédé

Ces opérations sont effectuées totalement ou partiellement dans le four rotatif. Ainsi, les premiers fours rotatifs des ateliers de cuisson dits à « voie humide » (§ 2.2), alimentés en pâte, équipés d’un refroidisseur à satellites embarqués réalisent ces cinq opérations et repré-

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_________________________________________________________________________________________________________________ FOURS DE CIMENTERIE

S
hage

Préchauffage

Décarbonatation

Clinkerisation

Refroidissement Clinker

Four voie humide

Pâte Farine

Broyeursécheur

Four voie sèche R efroidisseur

Échangeur

Clinker

Figure 1 – Les cinq opérations principales réalisées dans l’atelier de cuisson

« voie semi-sèche » et le procédé « voie sèche » équipé seulement d’un préchauffeur.

Tableau 1 – Pourcentage de la production assurée par les types de fours courants

2. Différents types d'atelier de cuisson

Région productrice

WL (%)

DG - N (%)

DS-X (%)

DS-X - PC (%)

Total (%)

Europe occidentale

6

18

35

35

94

Japon

0

6

18

76

100

2.1 Généralités Nous examinerons pour chacun des trois procédés le type d'atelier de cuisson le plus répandu, c’est-à-dire : — le four long à voie humide (WL), avec récupérateur intégré à chaînes, alimenté en pâte ; — le four court à préchauffeur à grille (DG-N), alimenté en nodules de farine ; — le four court à préchauffeur à X étages de cyclones (DS-X), alimenté en farine sèche. Les fours à précalcination (DS-X-PC) font l'objet du paragraphe 3.

■ Il est d'usage courant de classer les ateliers de cuisson selon trois procédés : — la voie humide ; — la voie semi-sèche ; — la voie sèche avec ou sans précalcinateur. Ces trois types d'ateliers de cuisson seront décrits dans ce paragraphe 2 en attirant l’attention sur leurs avantages et inconvénients et, plus particulièrement, sur les conditions qui font que des ateliers techniquement obsolètes restent économiquement viables. La précalcination fera l'objet d’un développement particulier au paragraphe 3.

Le tableau 1 donne un ordre de grandeur des productions relatives assurées par ces quatre types de fours.

2.2 Procédé par voie humide. Four long (WL)

■ Chacun de ces procédés se décline en différents types. ●

Pour la v oie humide, on distingue :

— le four long à voie humide (WL, Wet Long), avec récupérateur intégré à chaînes ; — le four long à voie semi-humide (DL-F, Dry Long-Filter), alimenté par des gâteaux de filtration ; — le four court à voie humide, avec préchauffeur à tambour indépendant (WK, Wet Koncentrator) ; — le four court à voie semi-humide, avec préchauffeur à grille indépendante (DG-F, Dry Grate-Filtrate). ●

2.2.1 Généralités ■ Ce procédé a été développé pour l’utilisation de matières premières très humides (jusqu'à 40 %), broyées, mélangées et homogénéisées sous forme de pâte qui est introduite directement dans le four rotatif où se déroulent toutes les phases du procédé conduisant du séchage à la clinkerisation (figure 2).

Pour la voie semi-sèche, on distingue :

■ Les fours longs à voie humide sont caractérisés par des dimensions importantes par rapport à leur capacité de production (maximum 3 600 t/j). Cela apparaît sur les courbes donnant les relations entre production et diamètre intérieur du briquetage (figure 3), d’une part, et entre production et volume intérieur du briquetage (figure 4), d'autre part. L'examen statistique des données de production, de plus de cent fours en voir humide, de capacité variant de 250 t/j à 3 600 t/j, permet de donner les fourchettes à l’intérieur desquelles se situent quelques ratios caractéristiques. La production volumique Ps varie dans une fourchette allant de 0,3 à 0,9 t/j · m3 avec une moyenne de 0,6 t/j · m3. On constate une tendance à la diminution de ce ratio parallèlement à l'augmentation du diamètre du four.

— le four long à nodules de farine crue (DL-N, Dry Long-Noddle) ; — le four court avec préchauffeur indépendant à grille, alimenté en nodules de farine (DG-N, Dry Grate-Noddle). ●

Pour la voie sèche, on distingue :

— le four long à voie sèche (DL-M, Dry Long-Meal ), alimenté en farine ; — le four court à voie sèche, avec préchauffeur indépendant à X étages de cyclones (DS-X, Dry Short X) ; — le four court à voie sèche, avec préchauffeur et précalcinateur en air tertiaire (DS-X-PC) ; — le four court à voie sèche, avec préchauffeur et précalcinateur en excès d’air de four (DS-X-SF, Suspension Furnace).

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FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________

Gaz d'exhaure Matières premières

Concasseur Broyeur Homogénéisateur Eau

Pâte

Énergie

Four rotatif Combustible

Atelier de préparation

Air en exhaure

Air secondaire

Refroidisseur

Air primaire

Clinker

Air

Atelier de cuisson

Figure 2 – Procédé par voie humide (WL)

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Production (t / j) 7 500 7 000 6 500 6 000 5 500 5 000 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 2,5 3

Production (t / j) 6 500 6 000 5 500 5 0 0 0 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 0

R 2 = 0,7105

R 2 = 0,9108

R 2 = 0,7778 R 2 = 0,8753

3,5

4

5

10

Voie humide WL

Voie sèche DSX Voie sèche DS-4-PC

15

20

25

30

35

Voie sèche DS-4-PC

Voie sèche DS-4 Figure 5 – Ateliers de cuisson : relation moyenne entre production et charge thermique pour les procédés par voie humide et par voie sèche [WL ; DS-4] et pour le four à voie sèche avec précalcination (DS-4-PC) par air tertiaire

Figure 3 – Ateliers de cuisson : relation moyenne entre production et diamètre intérieur du briquetage du four, en zone de cuisson, pour les trois procédés [WL ; DG-N ; DS-X] et pour le four à voie sèche avec précalcination (DS-4-PC) par air tertiaire

La c harge thermique C t en zone de cuisson (pour la section transversale de cette zone mesurée à l'intérieur du briquetage), varie dans la fourchette allant de 14,2 à 29,7 GJ/m2 · h avec une valeur moyenne de 19,6 GJ/m2 · h. La charge thermique a tendance à augmenter en même temps que le diamètre du four. Une corrélation assez bonne (R2 = 0,91) est obtenue entre charge thermique et production (figure 5).

Production (t / j) 6 000 5 500 5 000 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0

R2 = 0,9144

Charge thermique (GJ / m2 . h)

4,5 5 5,5 6 6,5 Diamètre intérieur du briquetage (m)

Voie humide WL Voie semi-sèche DG-N

R2 = 0,8409

R2 = 0,8936

La consommation thermique des fours par voie humide est très élevée. On observe, en effet, des valeurs pouvant aller de 4 500 à 7 000 kJ/kg de clinker ; c’est ce qui a condamné ces fours, sauf dans certains cas particuliers où leur aptitude à coïncinérer des combustibles de substitution a permis de compenser cette consommation élevée par une réduction sensible du coût unitaire de l'énergie thermique.

R2 = 0,96 R2 = 0,9479

2.2.2 Avantages et inconvénients du procédé 0

500

1 000

1 500 2 000

2 500 3 000 3 500

■ Les avantages de l'atelier de cuisson par voie humide sont essentiellement : — l'aptitude à coïncinérer les combustibles de substitution ou déchets industriels jusqu’à 100 % ; — une tolérance plus grande à l’égard des éléments mineurs (chlorures et sulfates alcalins) que le procédé par voie sèche ; — une fiabilité mécanique élevée liée à la simplicité de l’outil ; — une économie au niveau de l'énergie électrique de l'ordre de 15 à 20 % par rapport au procédé par voie sèche (pour l’ensemble de l’usine).

4 000 4 500

Volume intérieur du briquetage (m3) Voie humide WL

Voie sèche DSX

Voie semi-sèche DG-N Figure 4 – Ateliers de cuisson : relation moyenne entre production et volume intérieur du briquetage du four, pour les trois procédés [WL ; DG-N ; DS-X]

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_________________________________________________________________________________________________________________ FOURS DE CIMENTERIE

Gaz d'exhaure

Matières premières

Concasseur Broyeur Farine Sécheur Homogénéisateur

Gaz d'exhaure

Granulateur

Énergie

Grille Lepol

Air en exhaure

Air sec Clinker Four rotatif Clinker Refroidisseur

Eau

Air primaire

Air

Combustible Atelier de cuisson Figure 6 – Procédé par voie semi-sèche (Lepol ; DG-N)

■ En revanche, les inconvénients majeurs sont les suivants :

Dépoussiérage

— la consommation d'énergie thermique peut atteindre 2 à 2,4 fois celle du procédé par voie sèche ; — la capacité de production unitaire est limitée à 3 600 t/j alors qu’il existe des fours par voie sèche à 7 500 t/j.

Arrivée d'eau

Arrivée de farine

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2.2.3 Données standards de fonctionnement Les données standards de fonctionnement d’un atelier de cuisson selon le procédé à voie humide, dans des conditions d'exploitation normales, sont les suivantes :

Assiette

— humidité de la pâte ........................................................ 30 à 40 % — consommation massique de chaleur ..... 4 500 à 5 500 kJ/kg de clinker — consommation massique d'électricité ........ 12 à 13 kWh/t de clinker — température des fumées .......................................... 160 à 200 °C — volume des fumées ................................. 2,8 à 3,2 Nm3/kg de clinker.

Figure 7 – Granulateur

Nota : on rappelle que 1 Nm3 est une unité non normalisée ; il s’agit d’un volume de 1 m3 dans les conditions normales de température et de pression.

La charge thermique Ct, en zone de cuisson, varie dans une fourchette allant de 10,2 à 19,2 GJ/m2 · h avec une valeur moyenne de 14,5 GJ/m2 · h, sans aucune corrélation avec la production.

2.3 Procédé par « voie semi-sèche ». Four court (DG-N)

La consommation thermique du procédé par voie semi-sèche est inférieure à celle du procédé par voie humide. On constate qu’elle peut varier dans une fourchette assez large, de 3 200 à 5 000 kJ/kg de clinker, selon les conditions opératoires.

2.3.1 Généralités 2.3.2 Granulation ■ Ce procédé s’est développé à partir des années 1930 en alternative avec le procédé par voie humide ; par rapport à celui-ci, il offre l’intérêt d’une forte réduction (− 20 à − 30 %) de la consommation spécifique thermique du système de cuisson.

L'opération de cuisson est précédée d’une phase de granulation à l’eau ou à la pâte. Elle permet de transformer la matière première (farine) en granulés acceptables par la grille Lepol : les granules doivent laisser passer les gaz du four et ne pas passer au travers de la grille. Le granulateur (figure 7) est constitué d’une assiette de 4 à 5 m de diamètre dont l’axe est incliné de 32 à 35° sur la verticale et tournant à une vitesse de rotation de 6 à 8 tr/min.

Le séchage et une partie de la décarbonatation sont effectués sur une grille mobile (§ 2.3.3). Cette grille est désignée sous le nom de Lepol, contraction du nom de l’inventeur M. Leppel et de celui du constructeur Polysius. La fin de la décarbonatation et la clinkerisation se font dans la partie rotative du système de cuisson (figure 6). ■ À l'aide d’une base statistique de 25 fours, on a établi les relations entre production et diamètre intérieur des briques (figure 3), d’une part, puis entre production et volume intérieur des briques (figure 4), d’autre part.

2.3.3 Grille Lepol La grille Lepol (figure 8) est un échangeur dans lequel les fumées, venant du four rotatif à une température de 1 000 °C environ, traversent le lit de granules à deux reprises, cédant une grande partie de leur chaleur pour sortir de la grille à 100-120 °C. Au cours de cet échange, les granules sont séchés et partiellement décarbonatés (20 à 30 %). Ils entrent dans le four à une température de 840 °C.

La production volumique, Ps varie dans une fourchette allant de 1,5 à 3,2 t/j · m3 avec une valeur moyenne de 2,1 t/j · m3. Comme pour les fours à voie humide, on constate une tendance à la diminution de la production volumique avec l’augmentation du diamètre du four.

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Fours de cimenterie Fours rotatifs par

Robert BASTIER Ingénieur des Arts et Manufactures Directeur Central Technologie Adjoint

Alexandre BOCAN Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucarest

Bernard GILBERT Ingénieur des Arts et Métiers et

Alain REGNAULT

Ｒ

Diplômé du Conservatoire National des Arts et Métiers Centre Technique Groupe Italcementi

BE 8 845 - 2

1.

Conception.................................................................................................

2. 2.1 2.2

Technologie ............................................................................................... Stations de roulement. Galets .................................................................... Stations de roulement. Bandages .............................................................. 2.2.1 Généralités .......................................................................................... 2.2.2 Dimensionnement des bandages...................................................... 2.2.3 Contraintes maximales de flexion dans la section du bandage ..... 2.2.4 Pression de Hertz ................................................................................ 2.2.5 Ovalisation du bandage ..................................................................... Réglage des axes des galets par rapport à celui du bandage ................. Viroles........................................................................................................... 2.4.1 Généralités .......................................................................................... 2.4.2 Calcul des viroles................................................................................ 2.4.3 Ovalisation des viroles ....................................................................... 2.4.4 Déplacement relatif virole-bandage.................................................. 2.4.5 Maîtrise de l’ovalisation de la virole ................................................. 2.4.6 Surveillance du jeu pendant l’allumage ........................................... Entraînement................................................................................................ 2.5.1 Généralités .......................................................................................... 2.5.2 Entraînement direct ............................................................................ 2.5.3 Calcul de la puissance ........................................................................

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

3 3 4 4 4 4 5 5 6 7 7 7 8 8 8 9 10 10 10 11

3.

Maintenance ..............................................................................................

—

12

4.

Four à deux appuis ..................................................................................

—

12

2.3 2.4

2.5

Pour en savoir plus...........................................................................................

Doc. BE 8 847

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A

l’exception des fours droits verticaux, désormais obsolètes, mais encore en service en Extrême-Orient (la Chine, premier producteur mondial, assure les 2/3 de sa production avec des fours droits) et de fours expérimentaux en cours de développement (lit fluidisé au Japon), tous les fours sont désormais du type « four rotatif ». Au fil des années, les progrès réalisés dans le domaine des procédés ont conduit à une diminution progressive des dimensions des fours alors que les capacités de production étaient en augmentation.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique

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FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________

D’un point de vue conception, il existe toutefois des invariants quelle que soit la dimension du four. L’article « Fours de cimenterie » fait l’objet de plusieurs fascicules : — BE 8 844 Ateliers de cuisson du clinker ; — BE 8 845 Fours rotatifs ; — BE 8 846 Refroidisseurs à clinker. Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules.

1. Conception

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Introduction de matière

■ Les grands fours à voie humide (par exemple, capacité : 3 000 t/j ; diamètre D : 6,3 m, longueur L : 227 m, reposant sur huit appuis) ont fait place, dans les années 1980, aux fours à voie sèche reposant sur trois appuis, équipés d’un précalcinateur qui, pour une même production, ont les dimensions suivantes (figure 1a ) : D : 4,20 m ; L : 60,00 m.

Bandage d'appui

Plus récemment, une étape supplémentaire a été accomplie en proposant une réduction de la longueur du four de manière à la faire reposer sur deux appuis au lieu de trois ; le rapport L/D passe alors de valeurs comprises entre 14 et 18 à des valeurs comprises entre 10 et 13, à capacité de production égale (figure 1b ) : D : 4,40 m ; L : 48,00 m.

Capot de chauffe

a trois appuis

Introduction de matière

Simultanément, une augmentation de la capacité de production est proposée ; par exemple, un four de 7 500 t/j peut avoir les dimensions suivantes : D : 5,60 m ; L : 82 m. Si l’offre actuelle est limitée aux fours à voie sèche à deux ou à trois appuis, il n’en reste pas moins vrai que des fours anciens de dimensions très importantes tel que le four à voie humide ([BE 8 844] § 2.2) sont toujours en service et mobilisent l’attention des services chargés de leur maintenance et de leur exploitation.

Bandage d'appui

L/D = 11 Couronne d'entraînement

Capot de chauffe

b deux appuis

■ Comme dit dans l’introduction, d’un point de vue conception, il existe des invariants quelle que soit la dimension du four. ● Le four est un tube en appui sur des stations de roulement (deux, trois, ... huit) ayant une inclinaison de l’ordre de 3,5 % par rapport à l’horizontale et tournant à des vitesses de rotation comprises entre 1,8 et 3,5 tr/min. ● La mise en rotation du four peut être assurée de deux façons : — sur le four à trois appuis et plus, elle est effectuée par un ou deux groupes de commande ; 1 ou 2 pignons attaquent une couronne dentée fixée sur la virole ; — avec la nouvelle technologie du four sur deux appuis, la rotation du four peut être obtenue directement par un ou deux galets d’une station de roulement eux-mêmes entraînés par deux ou quatre moteurs électrohydrauliques ou électromécaniques. ● Le guidage axial du four est assuré par une ou deux butées hydrauliques. Elles impriment au four un mouvement axial limité, afin de répartir, de façon uniforme, l’usure des surfaces de contact entre bandages et galets. ● À l’intérieur du four à clinker, la température des fumées évolue de 2 000 - 2 350 oC (flamme) à 1050 oC, tandis que la matière passe de 850 - 900 oC à 1420 oC - 1450 oC.

Figure 1 – Fours à voie sèche (KHD Humboldt Wedag)

● Les charges mécaniques, mises en œuvre ou appliquées, peuvent être : — uniformément réparties : poids propre de la virole, poids du réfractaire, poids de la matière ; — concentrées : poids de la couronne, poids sur les extrémités du four (joints, satellites), force et couple d’entraînement ; — évolutives : croûtage, anneaux. ● Les sollicitations dues à la charge thermique sont : — la variation de température sur la longueur du four ; — une distribution de température non homogène dans une section transversale.

Ces sollicitations engendrent des contraintes et des déformations qui sont évaluées par le calcul lors de la conception, de manière à rester dans des limites acceptables (§ 2.4). On peut citer comme défauts de géométrie : — les alignements imparfaits des supports (horizontal et vertical) ; — la construction défectueuse au montage (axe de virole non rectiligne) ; — les déformations permanentes créées par des surchauffes. ●

Un revêtement réfractaire, principalement du type briquetage, protège la virole et réduit les pertes de chaleur. ■ Le four à clinker est soumis à des sollicitations ayant pour origine les charges mécaniques mises en œuvre ou appliquées, la charge thermique, des défauts de géométrie.

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L/D = 14 Couronne d'entraînement

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_________________________________________________________________________________________________________________ FOURS DE CIMENTERIE

2. Technologie Bandage

Les charges radiales de la virole sont transmises aux fondations par l’intermédiaire des bandages, galets et paliers (figure 2).

α Virole

Briquetage interne

2.1 Stations de roulement. Galets La charge radiale du four, Q , se répartit, par hypothèse, uniformément sur les deux galets, soit une charge par galet de :

Q Q g = -----------------2 cos α soit :

Qg = 0,577 Q

Q

Lit de matière

Galet

Qg

Qg

pour α = 30o

La valeur de 30o est communément admise comme le compromis entre une charge acceptable sur les galets et la stabilité du four sur ses appuis.

Système de réglage de station de roulement

Station de roulement

■ On distingue quatre catégories de stations de roulement (figure 3) : rigide, rigide rotulée, autoalignante, autoalignante rotulée.

Figure 2 – Station de roulement : schéma

Les stations de roulement autoalignantes rotulées (figure 3d ) sont recommandées pour les fours à deux appuis. En cas de déformation accidentelle du four (mise en vilebrequin), il n’y aura pas de perte de surface de contact entre bandage et galets évitant ainsi les contraintes excessives qui auraient causé des fissures et la formation de petites cavités (pitting ). Ces stations sont calculées pour une pression de Hertz (§ 2.2.4) supérieure de 25 % à celle qui est prise en compte pour les stations de roulement traditionnelles.

Plots en élastomère

■ Les galets de roulement (figure 4a ) sont du type « plein », la tendance étant d’abandonner les galets type « creux » (figure 4b ) pour des raisons de fragilité. ● Les galets ont, en général, un diamètre extérieur compris entre 1 et 2 m.

, ,

, ,

c station autoalignante

a station rigide

Exemple : pour un four de 1500 t/j, on observe les dimensions suivantes de galets : — diamètre extérieur Dg : .................................... 1,500 à 1,750 m ; — largeur , g :...................................................... 0,950 à 1,100 m. Un cas particulier peut se présenter lorsque le système de refroidissement du clinker [BE 8 846] est monté en porte-à-faux à l’extrémité aval du four (refroidisseurs à ballonnets ou satellites). Les dimensions des galets de la station porteuse aval sont alors beaucoup plus importantes.

b station rigide rotulée

d station autoalignante rotulée

Figure 3 – Station de roulement : différentes catégories

Exemples : on a les dimensions suivantes : — pour un four de 1500 t/j avec D = 4,55 m :

D g = 2,50 m ; , g = 1,20 m — pour un four de 4 200 t/j avec D = 5,60 m :

D g = 3,60 m ; , g = 1,40 m. a deux types de galet plein

● Le matériau employé pour la réalisation des galets est un acier moulé ayant subi un traitement thermique de normalisation, puis un revenu. Les caractéristiques mécaniques ainsi obtenues sont : — résistance maximale à la rupture :........ R m > 650 MPa ; — résistance élastique :............................... R e > 380 MPa ; — allongement : ........................................... A > 14 % ; 2 — résilience : ................................................ KCU > 3,5 daJ ⁄ cm . ● Du fait de la dilatation du four, il est nécessaire de prévoir une largeur des galets supérieure à celle des bandages de 40 à 80 mm.

b

l t

Figure 4 – Galets de roulement : différents types

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Fours de cimenterie Refroidisseurs à clinker par

Robert BASTIER Ingénieur des Arts et Manufactures Directeur Central Technologie Adjoint

Alexandre BOCAN Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucarest

Bernard GILBERT Ingénieur des Arts et Métiers et

Alain REGNAULT

Ｒ

Diplômé du Conservatoire National des Arts et Métiers Centre Technique Groupe Italcementi

1.

Présentation ..............................................................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Refroidisseurs à grilles........................................................................... Technologie .................................................................................................. Plaques de grilles......................................................................................... Concasseurs ................................................................................................. Ventilation .................................................................................................... Mise en œuvre du refroidisseur .................................................................

— — — — — —

2 2 3 4 4 6

3. 3.1 3.2

Refroidisseurs à ballonnets................................................................... Technologie .................................................................................................. Mise en œuvre du refroidisseur .................................................................

— — —

8 8 9

4.

Refroidisseurs rotatifs............................................................................

—

10

5.

Comparaison des refroidisseurs ..........................................................

—

10

Pour en savoir plus...........................................................................................

BE 8 846 - 2

Doc. BE 8 847

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L

e clinker à la sortie du four rotatif a une température comprise entre 1 200 et 1 400 oC. Il doit subir un traitement thermique sous la forme d’une trempe à l’air pour des raisons de facilité de transport, de stockage, de récupération d’énergie et de qualité. Les refroidisseurs par leur fonction d’échange permettent d’atteindre ces trois objectifs : — refroidir le clinker (manutention) ; — récupérer le maximum d’énergie thermique (rendement) ; — tremper le clinker (qualité). À ce titre, le refroidisseur à clinker doit être considéré comme l’un des trois constituants importants du système thermique global de la cuisson, à savoir l’échangeur avec ou sans précalcinateur, le four rotatif et le refroidisseur. L’article « Fours de cimenterie » fait l’objet de plusieurs fascicules : — BE 8 844 Ateliers de cuisson du clinker ; — BE 8 845 Fours rotatifs ; — BE 8 846 Refroidisseurs à clinker. Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules.

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BE 8 846 − 1

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FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________

Volume de production (%)

1. Présentation Trois types de refroidisseurs sont actuellement proposés sur le marché. Ils sont rotatifs (§ 4), à ballonnets (§ 3), ou à grilles (§ 2). La figure 1 représente la répartition des technologies de refroidissement du clinker en fonction du volume de clinker produit.

Ｒ

La position dominante du refroidisseur à grilles n’existait pas dans les années 1970, époque où il était fortement concurrencé par le refroidisseur à ballonnets pour des raisons de fiabilité, de coût de maintenance, de simplicité de conduite, de coût d’investissement (absence de dépoussiérage). Simultanément, sont apparues : — des contre-performances pour les refroidisseurs à ballonnets de four de grandes dimensions (4 000 t/j) ; — des améliorations décisives dans la technologie des refroidisseurs à grilles ; — la nécessité de produire de l’air tertiaire à 800-900 oC pour le précalcinateur, que le refroidisseur à ballonnets est incapable de fournir.

95 %

80

70 %

60 40 28 % 20 5%

2%

0

Rotatifs

Ballonnets

Pays de l'Europe de l'Ouest

Grilles France

Figure 1 – Répartition des types de refroidisseurs

,,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,, , ,,,, , ,,,,,, ,,, ,, ,,, ,,

Le retournement de tendance est tel que désormais : — les refroidisseurs à ballonnets existants sont remplacés par des refroidisseurs à grilles dès que l’opportunité technico-économique se présente ; — les refroidisseurs à grilles conventionnels sont modifiés pour bénéficier de la fiabilité apportée par les plaques « caisson » ou assimilées ; — les nouveaux refroidisseurs à grilles sont les seuls qui permettent l’augmentation des capacités de production par la précalcination en air tertiaire.

Concasseur à rouleaux

Plan incliné de la grille

Four

Grille IKN

,,,,,,,

2. Refroidisseurs à grilles

Transport de clinker

2.1 Technologie

Compartiments

Figure 2 – Refroidisseur à grilles inclinées, à suspension pendulaire, avec grilles IKN et concasseur à rouleaux

Le refroidissement s’effectuant selon le principe d’un échangeur à courants croisés, le refroidisseur à grilles est constitué de deux enceintes séparées horizontalement par un ou plusieurs plans de grilles.

■ Le mode de supportage du plan de grille conduit à distinguer deux familles de refroidisseurs : les pendulaires et les conventionnels. ● Les refroidisseurs pendulaires, apparus en 1989, sont à plan de grilles incliné et commande unique avec concasseur à la sortie du refroidisseur (figure 2). Ils couvrent une gamme de production de 1 900 t/j à 9 100 t/j. ● Les refroidisseurs conventionnels peuvent être constitués de un à quatre plans de grilles. Ces plans sont horizontaux ou inclinés (15o à 5o) et peuvent être étagés. La situation du concasseur est soit intermédiaire, soit en sortie du refroidisseur. Les diverses combinaisons possibles de ces éléments permettent de couvrir une gamme de production jusqu’à 10 000 t/j.

Le corps du refroidisseur au-dessus des plans de grilles est entièrement protégé par un revêtement réfractaire. Des ventilateurs extérieurs alimentent les caissons situés en dessous de la grille ; l’air de refroidissement est alors réparti et insufflé à travers les plaques de grilles. ■ Le dimensionnement du refroidisseur est fonction de la capacité de production du four actuelle ou envisagée dans le futur. En une dizaine d’années, la charge spécifique (production du four rapportée à la surface du refroidisseur) est passée de 35 à 60 t/j · m2. Cette évolution, liée à l’augmentation de la couche de clinker admissible (800 mm environ) sur le plan de grilles, a été facilitée par une conception nouvelle des plaques (§ 2.2) constituant le plan de grilles. De même, le soufflage massique, qui était, il y a 10 ans, de 2,80 Nm3/kg de clinker, est actuellement proposé à 1,80 Nm3/kg de clinker, voire 1,4 Nm3/de clinker. Le refroidisseur pendulaire équipé de nouvelles plaques permet d’atteindre ce ratio.

La coupe longitudinale d’un refroidisseur conventionnel à quatre plans de grilles (figure 3) permet de repérer les organes essentiels. La figure 4 représente respectivement un refroidisseur à deux plans de grilles inclinés pour une capacité de 4 000 t/j et un refroidisseur étagé à un plan de grilles incliné en partie amont et un plan de grilles horizontal en aval pour un capacité de 5 000 t/j.

Nota : on rappelle que 1 Nm3 est une unité non normalisée, mais couramment usitée ; il s’agit d’un volume de 1 m3 dans les conditions normales de température et de pression.

■ Du fait de la rotation du four, pour centrer la chute du clinker dans l’axe du refroidisseur, il y a lieu de prévoir un écart entre axe du four et axe du refroidisseur (figure 5). Cet entre axes est fonction du sens de rotation, du diamètre du four, de la charge du four et des caractéristiques du clinker.

Afin de répondre à l’accroissement de capacité de production des fours, aux exigences en matière d’efficacité, de fiabilité et de réduction des coûts, les fabricants ont fait varier plusieurs des éléments constitutifs des refroidisseurs.

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_________________________________________________________________________________________________________________ FOURS DE CIMENTERIE

Air d'exhaure

Four

6 8

7

Grilles

13 1 15

2

5

3

12

4

Ventilateur de trempe

9 10

11

1 plan de grilles de trempe 2 plan de grilles amont incliné 3 plan de grilles médian horizontal

Transport de poussières

4 plan de grilles aval horizontal 5 marche ou saut dont la hauteur communément admise

Concasseur

a deux plans de grilles inclinés (4 000 t/j)

est de 600 mm 6 prise d'air chaud dans le cadre d'une utilisation vers une précalcination par exemple

Air secondaire

Air tertiaire

7 prise d'air excédentaire ou d'exhaure

Concasseur intermédiaire Air d'exhaure

8 injection d'eau possible mais rare 9 trémies de récupération des fines 10 sas d'étanchéité 11 chaîne traînante ou système de transport du clinker 12 concasseur 13 rideau de protection 15 groupe de commande plan grille amont

Figure 3 – Refroidisseur conventionnel à grilles : coupe longitudinale Grille de récupération

Grille du refroidissement final

b un plan de grilles incliné et un plan de grilles horizontal (5 000 t/j)

Avec une production de 2 200 t/j et un diamètre de 4,200 m, l’entre-axes est de 533 mm ; pour une production de 5 500 t/j et un diamètre de 5,000 m, il est de 800 mm.

Figure 4 – Refroidisseurs conventionnels à grilles CPAG

2.2 Plaques de grilles Four

■ Pour caractériser les différentes plaques de grilles proposées, on utilise les grandeurs suivantes : Sg (m2) surface totale de la plaque de grille ; Sp (m2) surface réelle de passage de l’air ; ∆p (Pa) perte de charge de la plaque de grille ; Q (Nm3/s) débit d’air soufflé par plaque de grille ; vE (m/s) vitesse d’air sous la plaque ; vS (m/s) vitesse d’air à la sortie des orifices de la plaque ; γ masse volumique de l’air (= 1,293 kg/Nm3). Ces grandeurs sont reliées entre elles par les relations suivantes où il est fait abstraction des jeux de montage entre les plaques de grilles :

Grille

2

Ventilateur

vS · γ ∆ p = ------------2 Q v S = -----Sp

;

Q v E = -----Sg

;

v S -----S- = ------g vE Sp

Compartiment de soufflage

La densité de soufflage d exprime le rapport entre le débit d’air soufflé sous la plaque de grille et la surface totale de la plaque de grille. Elle s’exprime en Nm3/s · m2 et a les dimensions d’une vitesse (m/s) : Q d = ------ = v E Sg

Transport de poussières

Figure 5 – Refroidisseur pendulaire à grilles : coupe

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Fours de verrerie par

Jacques FOURMENT Ingénieur, ancien Directeur Technique Verre chez Stein Heurtey

et

Jean FROMENTIN Ingénieur, Directeur de la Division Verre chez Stein Heurtey

1.

Généralités sur le verre ..........................................................................

2.

Fours à flammes .......................................................................................

BE 8 848 - 2 —

3

3.

Fours de fusion chauffés électriquement .........................................

—

15

4.

Fours à flammes avec appoint électrique .........................................

—

18

5.

Réalisation et dimensionnement des fours ......................................

—

18

6.

Réfractaires des fours à bassin............................................................

—

19

7.

Four à pots .................................................................................................

—

23

8.

Four « day tank » .....................................................................................

—

24

9.

Feeder..........................................................................................................

—

24

Référence bibliographique .............................................................................

—

26

’est dans le four de fusion que se réalise le processus d’élaboration du verre à partir du mélange vitrifiable ; celui-ci est obtenu par un mélange intime des matières premières préalablement dosées auquel on ajoute au minimum 10 % de verre broyé appelé calcin ou groisil. Cette adjonction de verre broyé est indispensable pour obtenir une qualité de verre correcte, et peut atteindre 90 % du fait de l’utilisation croissante du verre de récupération. Ce mélange vitrifiable est appelé « composition » par les verriers.

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C

■ L’élaboration s’effectue à des températures comprises entre 1 200 et 1 600 oC et comporte essentiellement quatre phases : — la fusion du mélange vitrifiable qui passe de l’état pulvérulent à l’état liquide ; — l’affinage qui assure l’élimination des composés gazeux résultant des réactions chimiques produites pendant la fusion ; — l’homogénéisation chimique et physique de la masse vitreuse ; — le conditionnement qui abaisse la masse vitreuse à une température compatible avec son utilisation ultérieure, en général de l’ordre de 1 000 à 1 300 oC. Dans la plupart des cas, le conditionnement se termine dans des canaux réalisés en matériaux réfractaires reliant le four à chacune des machines de formage. Ces canaux, équipés de dispositifs de chauffage et de refroidissement, sont appelés « feeders » par les verriers. ● Ces différentes phases du processus d’élaboration peuvent se réaliser : — soit, simultanément, dans différentes parties du four, dans le cas des fours à bassin continus ; — soit, successivement, dans le cas des fours à creusets (fours à pots) ou des fours « day tank ».

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FOURS DE VERRERIE ____________________________________________________________________________________________________________________

● Dans tous ces fours, la répartition du chauffage a une grande importance dans la mesure où les courants de verre engendrés par les gradients thermiques dans la masse vitreuse en fusion jouent un rôle primordial dans la qualité de l’affinage et de l’homogénéisation.

■ En fonction du mode de chauffage, on peut classer les fours de fusion en deux grandes catégories :

— les fours à flammes utilisant des combustibles fossiles, dans lesquels l’énergie thermique est transmise au verre par échange thermique entre les flammes et la surface du bain de verre ; — les fours électriques dans lesquels l’énergie thermique est produite par effet Joule dans la masse du verre en fusion. Un chauffage d’appoint électrique est souvent installé sur les fours à flammes, soit pour augmenter momentanément la production du four, soit pour améliorer la qualité du verre.

Ｒ 1. Généralités sur le verre

— les fours de trempe (verre plat et verrerie de table) ; — les fours de bombage de verre plat (pare-brise et autres). Le tableau 1 reprend quelques exemples de procédés d’élaboration des produits courants.

Dans le texte, nous utiliserons systématiquement les termes spécifiques à l’industrie verrière (composition, feeders), tels que définis dans l’introduction.

Nous ne traiterons ici que des fours de fusion, proprement dit, et des canaux de conditionnement qui sont étroitement liés aux fours de fusion de verre creux.

1.1 Élaboration des produits verriers 1.2 Composition du verre L’élaboration des produits verriers fait appel, aux différentes étapes du processus de fabrication, à des équipements thermiques : — les fours de fusion assurent l’élaboration du verre de base à partir du mélange des matières premières (appelé aussi « composition ») ; — les canaux de conditionnement (appelés « feeders ») relient le four de fusion aux machines de formage ; — les fours ou arches de recuisson éliminent les contraintes thermiques apparues au cours du formage (appelés étenderies dans le verre plat) ; — les fours ou arches de cuisson de décors ;

■ Le verre est obtenu par fusion d’un mélange de plusieurs composants (la composition) dont l’élément principal est la silice apportée généralement sous forme de sable. Le verre le plus simple comporte : SiO2

: (formateur de réseau) ;

Na2O : qui permet la fusion (modificateur de réseau ou fondant); CaO

: qui joue le rôle de stabilisant et évite une dégradation hydrolitique de la surface du verre.

Tableau 1 – Procédés d’élaboration de produits verriers courants Processus

Verre plat (procédé « float »)

Verre creux

Mélange des matières premières

Atelier de composition

Fusion et affinage

Bassin de fusion

Atelier de composition Bassin de fusion

Conditionnement (température)

Bassin travail incorporé au four

Bassin travail + canaux (feeders)

Formage

Bain d’étain

Machine de soufflage ou presse

Recuisson

Étenderie

Arche

Mise en forme/préparation

Découpe

Décor

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___________________________________________________________________________________________________________________

■ Verre armé : il est fabriqué par un procédé analogue, comportant, en amont, un dispositif permettant l’insertion d’un treillis métallique dans la masse vitreuse.

Tableau 2 – Composition du verre sodocalcique Matières premières

Composant

Pourcentage

Sable

SiO2

70/75

Na2O

11/16

Chaux

CaO }

Dolomite

MgO }

Feldspath

Al2O3 }

Oxydes métalliques

■ Verre creux. Verrerie de table : il s’agit de la verrerie dite « mécanique », les objets tels que bouteilles, flacons, bocaux, gobelets, saladiers, briques de verre, etc., sont fabriqués automatiquement par des machines de soufflage ou de pressage ou par des machines combinant pressage et soufflage.

(%)

Carbonate de sodium Sulfate de sodium

FOURS DE VERRERIE

■ Verres techniques : ce sont, principalement, les tubes pour fabrication d’ampoules pharmaceutiques et électriques, la verrerie de laboratoire, les tubes pour téléviseurs (les verriers utilisent le terme « tubes télévision »), les fibres de verre d’isolation, les fibres de verre de renforcement et les vitrocéramiques (articles culinaires, plaques de cuisson).

10/15

colorants

■ Verrerie à la main : il s’agit essentiellement de verreries artistiques et, d’une façon générale, d’objets fabriqués en petite série, principalement dans le domaine du cristal.

Le verre le plus anciennement connu et encore le plus utilisé pour la fabrication du verre plat et du verre d’emballage est le verre sodocalcique, dont la composition est résumée dans le tableau 2. D’autres éléments peuvent être ajoutés pour modifier les caractéristiques physiques du verre et pour faciliter son affinage.

La quantité de verre nécessaire à la fabrication de l’objet (la paraison) est cueillée manuellement au moyen d’un tube creux (la canne) pour être soufflée, ou d’une tige métallique (le ferret) pour être pressée. Il existe maintenant des robots permettant de mécaniser ces opérations.

■ Les principaux types de verre sont : — le verre sodocalcique ; — le verre borosilicate ;

Nota : les verriers utilisent le verbe « cueiller » pour cueillir.

2. Fours à flammes

Nota : l’adjonction du bore permet l’obtention d’un verre à faible dilatation et à bonne résistance aux chocs thermiques. Les principales applications sont : verrerie culinaire, éclairage, laboratoire, industrie chimique. Les verres au bore à faible teneur en soude (dits « verres neutres ») sont utilisés pour le conditionnement des produits pharmaceutiques injectables du fait de leur résistance hydrolitique). Ce type de verre est plus difficile à élaborer que les verres sodocalciques.

2.1 Conception générale

— le cristal (verre au plomb et à la potasse) ; Nota : l’incorporation du plomb modifie les caractéristiques physiques du verre en modifiant la densité, la réfraction (brillance) la sonorité et rend le verre plus tendre à la taille. Les applications sont nombreuses : verrerie de table, d’art, lustrerie, verre technique.

2.1.1 Présentation

— les verres techniques ; — le verre opale ; — les verres d’optique ; — les fibres de verre pour l’isolation ; — les fibres de renforcement (verre textile) utilisées dans l’industrie des plastiques ; — les « frittes » utilisées pour l’émaillage, obtenues par broyage de verres de couleur ayant une composition particulière ; les frittes sont élaborées dans des fours très spéciaux ; — le silicate vitreux.

La gamme de production des fours à flammes est très étendue puisqu’elle va de 5 à 1 000 t/j ; par exemple, on a : — 5 t/j pour un four destiné au travail manuel ayant une surface de 8 m2 et dont la masse du garnissage réfractaire est d’environ 50 t ; — 1 000 t/j pour un four « float » de grande capacité ayant une surface de 1 100 m2 et dont la masse du garnissage réfractaire, incluant les régénérateurs, est d’environ 8 000 t. Les principaux éléments d’un four à flammes sont : — le bassin de fusion ; — l’avant-bassin ; — le système de chauffage ; — le dispositif d’enfournement de la composition ; — éventuellement, un dispositif de dépollution des fumées.

Nota : le silicate vitreux, élaboré à partir d’un mélange sable carbonate de soude, est soluble dans l’eau, c’est le produit de base pour la fabrication de silice précipitée utilisée comme charge dans des domaines très divers comme industries du caoutchouc, des peintures, des papiers, etc.

■ La cuve en réfractaires, contenant le verre en fusion (figures 1 et 2), comporte deux compartiments distincts : — le bassin de fusion, à l’extrémité duquel est enfournée la composition et dans lequel se produit la fusion, l’affinage et l’homogénéisation ; — l’avant-bassin, appelé aussi bassin de travail ou distributeur.

1.3 Produits verriers ■ Verre plat : il est réalisé par le procédé « float » qui consiste à déverser le verre à la sortie du four sur un bain d’étain en fusion permettant ainsi d’obtenir une feuille de verre ayant des surfaces planes et parallèles.

Dans la plupart des fours, ces deux parties sont complètement distinctes et reliées entre elles par un conduit appelé « gorge » (figures 1, 2 et 3) situé au niveau de la sole du bassin de fusion ou à un niveau inférieur (gorge dite « sous-marine »). Dans le cas du verre plat (procédé « float ») la séparation entre les deux bassins est constituée par un rétrécissement appelé « corset » (figure 2). Cet avant-bassin, appelé également « bassin de braise », alimente directement le bain d’étain sur la surface duquel s’étale le verre, donnant à la feuille sa largeur et son épaisseur définitives. Le verre se refroidit progressivement et se solidifie avant de traverser l’étenderie de recuisson.

Le verre plat, obtenu par le procédé « float », a remplacé à la fois le verre à vitre obtenu par étirage vertical ou horizontal et la glace obtenue par laminage et usinage. ■ Verre imprimé : comporte des motifs imprimés dans la masse. Il est utilisé dans le bâtiment. Le formage se fait par passage du verre liquide entre deux rouleaux en acier allié. L’un des rouleaux, et, pour certains modèles, les deux, comporte des motifs gravés qui s’impriment dans le verre.

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FOURS DE VERRERIE ____________________________________________________________________________________________________________________

Régénérateur

Composition

Conduit de brûleur Voûte

Point chaud Pignon gorge Gorge

Bain de verre en fusion

Avant-bassin Feeders

Gorge

Bouillonneurs Mur antiretour Figure 3 – Courants de verre dans la cuve Cuve (bassin de fusion et d’affinage) Carneau Dog house

Piédroit

Ces courants sont essentiellement induits par un point chaud qui doit se trouver approximativement aux deux tiers de la longueur du bassin. Ce point chaud, appelé aussi « point source », crée un mouvement de « courroie » dans le verre : — le verre plus froid dans la zone d’enfournement, donc plus dense, a tendance à s’écouler vers le fond de la cuve ; — le verre chaud moins dense a tendance à remonter au point chaud.

Figure 1 – Four pour verre creux. Régénérateurs, flammes en boucle

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Conduit de brûleur

Pignon d’enfournement

Piédroit

Vers bain d’étain

Pignon

Voûte

On contrôle la position du point chaud en agissant sur la répartition de la puissance thermique. Pour stabiliser le point chaud on prévoit quelquefois : — en aval du point chaud, un mur barrage, (mur antiretour) en réfractaires, encastré dans la sole et noyé dans le verre en fusion ; — un dispositif « bouillonneurs » constitué par un système d’injection d’air au niveau de la sole, les bulles d’air créant un mouvement ascensionnel du verre (surtout efficace avec le verre coloré).

Avant-bassin Corset Chambres

Régénérateur gauche Bassin de fusion Dog house et d’affinage (enfournement)

Empilages

Il en résulte que l’on a intérêt à avoir une cuve profonde pour autant que le verre du fond soit assez fluide, donc suffisamment chaud pour participer aux courants de convection. ■ La profondeur de la cuve de fusion sera donc fonction de la transparence du verre vis-à-vis de la radiation des flammes (donc de sa couleur), et de la température de flamme.

Figure 2 – Four « float ». Régénérateurs ; brûleurs latéraux

Certains verres nécessitent des hauteurs de cuve réduites, du fait de leur tendance à se répartir en couches de compositions chimiques différentes (verres borosilicate, cristal en particulier). En pratique, la hauteur de verre du bassin de fusion s’étage entre 600 et 1 600 mm.

Bassin de fusion et avant-bassin sont constitués chacun par une cuve en réfractaires contenant le verre en fusion. ■ Au-dessus des deux compartiments se trouve un espace fermé, également en matériaux réfractaires, appelé « laboratoire », et constitué (figures 1 et 2) : — de murs latéraux ou piédroits ; — de murs d’extrémité ou pignons ; — d’une voûte qui coiffe l’ensemble ; — d’une niche d’enfournement appelée « dog house ». C’est dans le laboratoire que se développent les flammes.

2.1.3 Avant-bassin

Le chauffage du verre est obtenu par des flammes qui se développent au-dessus de la surface du bain. Une partie de l’énergie thermique dégagée par la combustion est transmise directement au bain par rayonnement et convection, une autre partie est transmise à la voûte qui la restitue au bain par rayonnement.

■ L’avant-bassin alimente les machines par l’intermédiaire des « feeders » ou directement le bain d’étain dans le cas des fours « float ». Il comporte des dispositifs de chauffage et de refroidissement et son rôle est de : — constituer un volume tampon permettant l’homogénéisation du verre provenant du bassin de fusion ; — éviter, dans le cas où le four alimente plusieurs machines, qu’une modification du débit ou l’arrêt de l’alimentation de l’une d’elles perturbent les autres ; — limiter l’influence de la température du bassin de fusion sur celle du verre fourni par l’avant-bassin ; — assurer un préconditionnement du verre ou son conditionnement final dans le cas du verre plat.

■ La qualité de l’affinage, qui conditionne celle du verre sortant du four, est basée sur l’existence de courants thermiques dans la masse vitreuse. Ces courants de convection (figure 3) : — opèrent un brassage du verre ; — augmentent le temps de séjour du verre dans le four ; — évitent que du verre incomplètement fondu ou mal affiné s’écoule directement vers la gorge.

■ Il existe différentes géométries d’avant-bassins : — l’avant-bassin demi-rond qui a tendance à être abandonné, car sa voûte en demi-coupole est d’une construction assez complexe ; — l’avant-bassin rectangulaire ; — l’avant-bassin constitué par un canal transversal, appelé souvent distributeur, celui-ci est installé à la sortie de la gorge per-

2.1.2 Bassin de fusion

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FOURS DE VERRERIE

pendiculairement à l’axe du bassin de fusion. Il est chauffé par des multibrûleurs (analogues à ceux installés sur les canaux de feeder).

Voûte

■ Dans le cas des fours comportant une gorge, la profondeur de l’avant-bassin est nettement plus faible que celle du bassin de fusion, généralement 400 à 600 mm, alors que dans les fours « float » elle est du même ordre ou un peu plus faible que celle du bassin de fusion. Dans les fours « float », afin d’améliorer l’homogénéisation du verre, l’avant-bassin peut comporter un dispositif de brassage mécanique.

Dog house (enfournement)

Pignon gorge

Départ de verre

Ces brûleurs peuvent être groupés par zones, ce qui permet une meilleure régulation de la température du verre à l’entrée de chacun des « feeders ». Pour cette raison, ce type d’avant-bassin est quelquefois appelé « préfeeder ».

Bain de verre en fusion

Cuve

2.1.4 Caractéristiques d’un four Il est usuel de caractériser un four par le tonnage journalier maximal qu’il est capable de fournir aux machines, ce que les verriers désignent sous le nom de « tirée journalière ».

Brûleur

Gorge sous-marine

Ｒ

De même, on caractérise l’efficacité d’un four par sa « tirée spécifique », définie par : P T = ----S avec

P

(t/j) production journalière,

S

(m2) surface de fusion (surface du bassin avant la gorge ou surface couverte par les flammes dans le cas des fours « float »).

Avant-bassin Figure 4 – Four à brûleurs à air froid, type Unit Melter

Cette tirée spécifique dépend d’un certain nombre d’éléments : — le type de verre ; — la qualité recherchée (à partir d’une certaine production d’un four, une augmentation de celle-ci entraîne une dégradation de la qualité) ; — la taille du four (la tirée spécifique du four augmente avec celle-ci) ; — la température de flamme qui dépend du mode de chauffage.

Ce four chauffé par des brûleurs alimentés en air froid est généralement connu sous le nom de four « unit Melter », nom commercial déposé par la Société Emhart (États-Unis). Il n’existe pratiquement plus de fours de ce type en service, ceux qui subsistent ayant été modifiés par l’adjonction d’un récupérateur métallique. ■ Caractéristiques ● Rapport longueur/largeur important (supérieur à 4). ● Faible profondeur de verre. ● Chauffage par brûleurs latéraux alimentés en air froid. ● Enfournement en extrémité du four. ● Départ de fumée en extrémité du four (au-dessus de l’enfournement), donc avec une circulation des fumées à contre-courant par rapport à l’écoulement du verre.

2.2 Différents systèmes de chauffage La solution la plus simple consiste à utiliser des brûleurs alimentés en air froid. Toutefois, pour augmenter les performances du four en capacité de fusion et en rendement thermique, il est souhaitable de disposer d’une température de flamme la plus élevée possible. Les deux techniques les plus utilisées sont : — le préchauffage de l’air de combustion par utilisation de la chaleur sensible contenue dans les fumées qui sortent du four entre 1 300 et 1 500 oC, soit dans des régénérateurs en matériaux réfractaires, soit dans des échangeurs métalliques air/fumée (appelés récupérateurs dans l’industrie verrière) ; — l’utilisation d’oxygène ou d’air suroxygéné comme comburant.

Du fait du rapport longueur/largeur important et de la faible profondeur, les courants de retour sont inexistants ; l’affinage est cependant bon, grâce à la grande longueur et la faible épaisseur du verre. ■ Avantages ● Faible coût d’investissement. ● Grande souplesse d’utilisation : facilité de changement de couleur du verre et facilité d’arrêt et de redémarrage.

De ce fait, les fours à flammes sont généralement classés par leur système de combustion : — four à brûleurs à air froid (§ 2.2.1) ; — four à régénérateurs (§ 2.2.2) ; — four à récupérateur métallique (§ 2.2.3) ; — four à oxycombustion (§ 2.2.4).

Nota : pour des raisons commerciales, il peut être intéressant de changer de couleur de verre (si la profondeur de la cuve le permet). Comme il n’est pas possible de vider le four pour ne pas détériorer les réfractaires, on produit une certaine quantité de verre d’une couleur intermédiaire inutilisable. Le tonnage de verre perdu est d’autant plus faible que la capacité de la cuve est réduite. Ce n’est pas utilisable pour les frittes qui sont élaborées dans des fours très spéciaux. ●

2.2.1 Four à brûleurs à air froid

Verre de bonne qualité.

■ Inconvénients ● Consommation d’énergie importante. ● Faible tirée spécifique. ● Mauvaise adaptation aux grandes productions.

La figure 4 donne le schéma de principe d’un tel four. Son intérêt est de représenter tous les types de four. On peut noter également que les fours chauffés par oxycombustion sont très similaires (seul le type de brûleurs change).

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● Mauvaise tenue des réfractaires dans la zone d’enfournement fragilisée par le départ des fumées. ● Difficultés d’utiliser du fioul lourd particulièrement dans la zone d’affinage, les débits unitaires des brûleurs étant trop faibles.

Voûte

Ce type de four avait été, en fait, conçu comme un four d’appoint complétant des unités plus importantes et apportant de la souplesse commerciale aux verreries.

Mur de frappe

Pignon des brûleurs (four en boucle) ou Piédroit (four à brûleurs transversaux)

Conduit de brûleur

Cerveau chambre

Collier de brûleur

2.2.2 Four à régénérateurs

Ｒ

Bain de verre en fusion

Vanne d’inversion air-fumées

2.2.2.1 Principe Le four à régénérateurs ou four à inversion est basé sur le principe du four Siemens Martin (utilisé en aciérie). Il est équipé de deux séries d’orifices appelés colliers de brûleurs, localisés dans les piédroits ou dans le pignon du four. Ces orifices fonctionnent alternativement : — soit comme départ de fumée ; — soit comme arrivée d’air de combustion ;

Empilages Cuve Injecteur

Ventilateur d’air de combustion Vers cheminée Voûtains sous empilages

l’intervalle entre deux inversions se situant entre 20 et 30 min. Des conduits (figures 1 et 2) relient les colliers de brûleurs à deux ensembles de régénérateurs constitués par des chambres en maçonnerie à l’intérieur desquelles sont installées des pièces en réfractaires, « l’empilage », au travers duquel circulent soit les fumées, soit l’air de combustion à réchauffer (figure 5). Les pièces réfractaires constituant l’empilage reposent sur des entretoises supportées par des voûtains. Lorsque les fumées traversent l’empilage, elles lui cèdent une partie de leur chaleur sensible ; l’empilage restitue ensuite cette chaleur à l’air de combustion.

Rang d’entretoises

Figure 5 – Chambre de régénérateur

Le combustible est injecté dans la veine d’air de combustion réchauffé (flamme de diffusion). Suivant l’importance du débit de combustible, il peut y avoir de 1 à 4 injecteurs par conduit.

Conduit de brûleur

Cerveau chambre

Malgré le développement d’autres types de four, celui-ci reste encore le plus utilisé, car le régénérateur est le seul dispositif permettant d’obtenir de l’air réchauffé à des températures de 1 1001 250 oC.

Collier de brûleur Injecteur de combustible Voûte

Mur de frappe Régénérateurs

Ce four n’est, toutefois, guère utilisable pour la fusion de certains verres, car les empilages sont rapidement détériorés par les poussières de composition entraînées par les fumées. C’est, en particulier, le cas : — des verres au bore (verre neutre, verre « Pyrex ») ; — des verres borosodiques (verre isolation) ; — des verres au plomb (cristal).

Bain de verre en fusion

Vanne d’inversion air-fumées Ventilateur d’air de combustion

Gorge

On distingue deux types de fours à régénérateurs : — le four à flamme en boucle (brûleurs dans le pignon) ; — le four à brûleurs transversaux (brûleurs dans les piédroits).

Registre pivotant (réglage de la pression du four)

2.2.2.2 Four type à flamme en boucle

Chambre gauche

C’est le four qui s’est le plus développé à partir des années 1970 dans l’industrie du verre d’emballage. Pendant longtemps, on a pensé qu’il n’était pas souhaitable de dépasser une surface de 3035 m2 pour ce type de four. L’utilisation du fioul ou du gaz naturel et les améliorations apportées aux injecteurs de combustible font que l’on construit maintenant des fours de 150 m2 qui permettent d’atteindre des productions de 300 à 400 t/j.

Piédroits

Pignon gorge

Canal de feeder

Les figures 6 et 7 donnent des schémas de ce type de four. ■ Caractéristiques ● Les colliers de brûleurs sont placés dans le pignon arrière du four et les régénérateurs sont placés derrière le four. ● L’enfournement se fait latéralement par un ou deux « dog houses » suivant la capacité du four. ● Les régénérateurs peuvent être à simple ou double passage.

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Chambre droite

Pignon brûleur

Dog house (enfournement) Avant-bassin

Figure 6 – Four à régénérateurs, chauffage par flammes en boucle (simple chambre)

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