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extrait TI 42209210

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ÉNERGIES
Ti203 - Thermique industrielle
Chaudières et fours industriels
Réf. Internet : 42209
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III
Cet ouvrage fait par tie de
Thermique industrielle
(Réf. Internet ti203)
composé de :
Chaudières et fours industriels
Réf. Internet : 42209
Échangeurs de chaleur
Réf. Internet : 42376
Fluides, contrôle et isolation thermiques
Réf. Internet : 42595
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IV
Cet ouvrage fait par tie de
Thermique industrielle
(Réf. Internet ti203)
dont les exper ts scientifiques sont :
Michel FEIDT
Ingénieur, docteur ès sciences, Professeur à l'Université Henri-Poincaré Nancy
1, Ingénieur physicien de l'Institut national des sciences appliquées de Lyon
Christian NGÔ
Docteur Gérant d'EDMONIUM
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V
Les auteurs ayant contribué à cet ouvrage sont :
Robert BASTIER
Pablo MILLA GRAVALOS
Pour les articles : BE8844 – BE8845 –
BE8846
Pour l’article : BE8843
Gérard PANIEZ
Alexandre BOCAN
Pour l’article : BE9510
Pour les articles : BE8844 – BE8845 –
BE8846
Jean PARISOT
Pour les articles : B1461 – B1462 – B1463
Sébastien CAILLAT
Esperanza PERDRIX
Pour l’article : BE8752
Pour l’article : BE8752
Jacques FOURMENT
Pour l’article : BE8848
Alain REGNAULT
Jean FROMENTIN
Pour les articles : BE8844 – BE8845 –
BE8846
Pour l’article : BE8848
Yann ROGAUME
Jean-Pierre GAUCHÉ
Pour les articles : BE8747 – BE8748
Pour les articles : M3603 – M3612
Philippe SEGUIN
Bernard GILBERT
Pour les articles : BE8844 – BE8845 –
BE8846
Pour les articles : BE8730 – BE8731 –
BE8732
Karim TABET
Markus HAIDER
Pour l’article : BE8752
Pour les articles : BE8730 – BE8731 –
BE8732
Benoît TAUPIN
Pour l’article : BE8752
Isidore JACUBOWIEZ
Pour l’article : BE8842
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VI
Chaudières et fours industriels
(Réf. Internet 42209)
SOMMAIRE
1– Chaudières
Réf. Internet page
Chaudières. Bilans et dimensionnement
BE8730
11
Chaudières. Systèmes de combustion, circuits eau/vapeur et air/fumées
BE8731
15
Chaudières de puissance, à déchets, à biomasse et de récupération
BE8732
23
Conception et calcul des chaudières : foyer et circulation
B1461
31
Conception et calcul des chaudières : échangeurs et circuits air/fumées
B1462
37
Conception et calcul des chaudières : comportement et performances
B1463
41
2– Fours
Réf. Internet page
Production de chaleur à partir du bois. Combustible et appareillage
BE8747
47
Production de chaleur à partir du bois. Installations industrielles
BE8748
51
Thermique des fours
BE9510
55
Cocombustion de charbon et de biomasse. Cas des chaudières industrielles
BE8752
61
Fours industriels
BE8842
65
Fours de réchaufage de la sidérurgie
BE8843
69
Fours à induction à creuset pour la fusion des métaux ferreux et non ferreux
M3603
73
Garnissage réfractaire des fours de maintien à induction pour la fonderie
M3612
77
Fours de cimenterie. Ateliers de cuisson du clinker
BE8844
81
Fours de cimenterie. Fours rotatifs
BE8845
87
Fours de cimenterie. Refroidisseurs à clinker
BE8846
91
Fours de verrerie
BE8848
95
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VII

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Chaudières et fours industriels
(Réf. Internet 42209)
Q
1– Chaudières
Réf. Internet page
Chaudières. Bilans et dimensionnement
BE8730
11
Chaudières. Systèmes de combustion, circuits eau/vapeur et air/fumées
BE8731
15
Chaudières de puissance, à déchets, à biomasse et de récupération
BE8732
23
Conception et calcul des chaudières : foyer et circulation
B1461
31
Conception et calcul des chaudières : échangeurs et circuits air/fumées
B1462
37
Conception et calcul des chaudières : comportement et performances
B1463
41
2– Fours

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Y
Q
QP
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
beXWSP
Chaudières.
Bilans et dimensionnement
Q
par
Markus HAIDER
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
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
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.
p。イオエゥッョ@Z@。カイゥャ@RPQR
L
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. – © Editions T.I.
QQ
BE 8 730 – 1
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
beXWSP
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.
Q
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.
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
amb
ambiante
vap
vapeur
Ash
cendres (ash )
vent
ventilateur
B
BE 8 730 − 2
0
chaudière (boiler )
stoechiométrique
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Editions T.I.
QR
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beXWSP
___________________________________________________________________________________________ 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.
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QS
BE 8 730 – 3
Q
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CHAUDIÈRES. BILANS ET DIMENSIONNEMENT ___________________________________________________________________________________________
Q
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.
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.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. – © Editions T.I.
QT
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beXWSQ
Chaudières.
Systèmes de combustion,
circuits eau/vapeur et air/fumées
par
Q
Markus HAIDER
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.
p。イオエゥッョ@Z@ッ」エッ「イ・@RPQR
L
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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
1.1.1 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
Combustible
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
C
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
H
20 000
Carbone fixe Cfix
40
PCI de la matière combustible
(hors humidité et cendres) (kj/kg)
C
(%)
Mat. comb.
Q
1.1 Combustibles et combustion
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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QV
PCI
(MJ/kg)
30
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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
Q
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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QW
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
Q
Combustible
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
Q
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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QY
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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.
Q
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
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]
BE 8 731 – 6
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RP
grille à rouleaux
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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).
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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RQ
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Q
Q
RR
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beXWSR
Chaudières de puissance, à déchets,
à biomasse et de récupération
Q
par
Markus HAIDER
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
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 ...........................................................................................
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—
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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est strictement interdite. – © Editions T.I.
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CHAUDIÈRES DE PUISSANCE, À DÉCHETS, À BIOMASSE ET DE RÉCUPÉRATION _________________________________________________________________
1. Chaudières de puissance
1
Q
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.
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
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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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Brûleurs
frontaux
3
2
7
5
4
Zones à risque
d'encrassement
6
7
Les flèches indiquent les arrivées
de l’air de combustion
et du charbon pulvérisé
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.
Q
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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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
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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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
Q
Avant-foyer
Avant-foyer
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
Q
par
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...........................................................................................
D
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—
2
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24
26
26
Doc. B 1 464
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
SQ
B 1 461 − 1
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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
Q
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
Q
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
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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13
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16
16
Doc. B 1 464
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.
L
L’ensemble Conception et calcul des chaudières fait l’objet de plusieurs articles :
p。イオエゥッョ@Z@ョッカ・ュ「イ・@QYYS
— 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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SW
B 1 462 − 1
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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
Q
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 ;
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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SY
B 1 462 − 3
Q
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CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : ÉCHANGEURS ET CIRCUITS AIR/FUMÉES _______________________________________________________________
Q
— 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.
■ 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.
B 1 462 − 4
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TP
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Conception et calcul des chaudières :
comportement et performances
Q
par
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.
p。イオエゥッョ@Z@。ッエ@QYYS
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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B 1 463 − 1
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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
Q
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.
B 1 463 − 2
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________________________________________________________________ CONCEPTION ET CALCUL DES CHAUDIÈRES : COMPORTEMENT ET PERFORMANCES
Q
Figure 1 – Variations de différentes caractéristiques pour une chaudière au charbon à pression glissante : 1 792 t/h à 211 bar (doc. Stein Industrie)
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Chaudières et fours industriels
(Réf. Internet 42209)
R
1– Chaudières
2– Fours
Réf. Internet page
Production de chaleur à partir du bois. Combustible et appareillage
BE8747
47
Production de chaleur à partir du bois. Installations industrielles
BE8748
51
Thermique des fours
BE9510
55
Cocombustion de charbon et de biomasse. Cas des chaudières industrielles
BE8752
61
Fours industriels
BE8842
65
Fours de réchaufage de la sidérurgie
BE8843
69
Fours à induction à creuset pour la fusion des métaux ferreux et non ferreux
M3603
73
Garnissage réfractaire des fours de maintien à induction pour la fonderie
M3612
77
Fours de cimenterie. Ateliers de cuisson du clinker
BE8844
81
Fours de cimenterie. Fours rotatifs
BE8845
87
Fours de cimenterie. Refroidisseurs à clinker
BE8846
91
Fours de verrerie
BE8848
95

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TU
R
TV
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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
R
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.
p。イオエゥッョ@Z@。カイゥャ@RPPU
L
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
TW
BE 8 747 − 1
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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
R
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
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
BE 8 747 − 2
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].
(0)
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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..............................................................................................
R
BE 8 748 — 2
—
2
—
2
—
2
—
3
—
4
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....................................................................................................
—
—
—
—
—
—
—
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—
—
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—
—
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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L
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BE 8 748 − 1
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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
R
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.
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
BE 8 748 − 2
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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PRODUCTION DE CHALEUR À PARTIR DU BOIS _______________________________________________________________________________________________
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
R
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).
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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beYUQP
Thermique des fours
par
Gérard PANIEZ
Ingénieur des Arts et Métiers
Société française d’études énergétiques
R
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..........................................
—
—
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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 ...........................................................................
—
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5
5
6
6
6
7
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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 ...................................................................................
—
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12
12
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17
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18
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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 ....................................................................................................
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3
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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est strictement interdite. – © Editions T.I.
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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
Usages
– séchage de pièces après
lavage/dégraissage
– désolvatation et cuisson de peinture
– fusion de cire (fonderie)
– revenu des aciers ordinaires
– recuit des aciers
– recuit des soudures
– recuit des métaux cuivreux
– stabilisation de la fonte
– fusion des alliages légers
de 700 à 850-900 oC
– cémentation au carbone,
carbonitruration
– recuit des aciers
– trempe des aciers
– recuit des maillechorts
et des cupronickels
L’utilisateur installe le four, en général, au sein d’une usine déjà
en exploitation. Aussi, doit-il tenir compte de diverses contraintes :
– 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.).
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
1.2.2 Contraintes d’exploitation
– stabilisation des aciers
– revenu des aciers à haute teneur
en carbone
– revenu et vieillissement des alliages
légers
– bleuissage des aciers
de 500 à 700-750 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).
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).
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Moufle
2.2 Classification par groupe
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
R
par
Sébastien CAILLAT
Département Énergétique industrielle, École des mines de Douai
Enseignant-chercheur
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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—
2
—
2
—
2
—
—
—
—
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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BE 8 752 – 1
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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.
R
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.
1. Contexte général
« propres », son utilisation n’est pas encore systématique dans les
centrales actuellement exploitées.
1.1 Réduction des émissions de CO 2
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.
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
BE 8 752 – 2
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.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. – © Editions T.I.
VR
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_________________________________________________________________________________________ COCOMBUSTION DE CHARBON ET DE BIOMASSE
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
400
0
0
100
200
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
200
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, switchgrass
(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
200
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.
R
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 :
– 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
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—
3
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R
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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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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 :
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
BE 8 842 - 4
Figure 3 – Ventilateur de circulation de gaz dans un four
de réchauffage de pièces en métaux non ferreux
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VX
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Fours de réchauffage
de la sidérurgie
par
R
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
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—
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13
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14
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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 ;
R
■ continus pour le chauffage économique de très grandes séries de
produits identiques, exigeant le même cycle thermique.
4 900
Les fours continus utilisés en sidérurgie sont :
— poussants ;
— à longerons (tubulaires et réfractaires) ;
— à sole tournante ;
— à rouleaux.
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
R
Air froid
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]).
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Fours à induction à creuset
pour la fusion des métaux ferreux
et non ferreux
par
Jean-Pierre GAUCHÉ
Ingénieur physico-chimiste (EOA de Paris)
Professeur à l’École Supérieure de Fonderie et de Forge, Sèvres
Expert auprès du Centre Technique des Industries de la Fonderie, Sèvres, France
R
1.3
1.4
Effets des champs électromagnétiques .....................................
Champs électromagnétiques appliqués aux matériaux
conducteurs ........................................................................................
1.1.1 Équations fondamentales ........................................................
1.1.2 Loi de Lenz ...............................................................................
1.1.3 Loi de Faraday .........................................................................
1.1.4 Effet Kelvin ou effet pelliculaire ..............................................
Phénomènes magnétiques.................................................................
1.2.1 Diamagnétisme et paramagnétisme .......................................
1.2.2 Ferromagnétisme .....................................................................
1.2.3 Point de Curie ..........................................................................
Conductivité électrique et induction .................................................
Transferts thermiques ........................................................................
2.
2.1
2.2
2.3
Principes fondamentaux de l’induction .....................................
Transformateurs .................................................................................
Inducteurs ...........................................................................................
Alimentations et convertisseurs électriques .....................................
—
—
—
—
7
7
8
8
3.
3.1
3.2
Four à induction à creuset ............................................................
Principes et lois fondamentales.........................................................
Fours à basse et moyenne fréquence................................................
—
—
—
10
10
12
4.
4.1
4.2
Garnissage réfractaire du creuset ...............................................
Conduite du creuset ...........................................................................
Choix du matériau ..............................................................................
—
—
—
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 électriques offre l’avantage d’un rendement d’utilisation de l’énergie thermique beaucoup plus élevé que celui des fours à combustible. Cela tient presque essentiellement à la réduction des pertes par les
fumées.
Pour comparer les possibilités de l’électrothermie au chauffage des fours industriels par combustible, il est commode de considérer le coefficient de substitution
qui est de l’ordre de deux à trois fois plus pour le rendement de l’électricité.
La maturité du développement des diodes et des thyristors de puissance autorise la construction de générateurs électriques basés sur l’utilisation de champ
magnétique variable. En effet, les courants induits, ou courants de Foucault,
produits par ces équipements permettent d’obtenir, par effet Joule, des puissances thermiques suffisamment importantes pour qu’elles puissent assurer
industriellement la fusion des métaux.
Ce type de générateur thermoélectrique de fusion, pour la fonderie, est le four
électrique à induction. À partir de ce modèle d’équipement, les constructeurs de
p。イオエゥッョ@Z@ェオゥョ@RPQT
L
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WS
M 3 603 – 1
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FOURS À INDUCTION À CREUSET POUR LA FUSION DES MÉTAUX FERREUX ET NON FERREUX –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
four ont décliné plusieurs types de capacité et de puissance électrique destinés
à l’industrie, notamment celle de la fonderie.
Après une introduction sur les champs magnétiques, le rappel des principes
de l’application des champs électromagnétiques, le présent article expose ce
procédé moderne de fusion des métaux et la conception des fours à induction
à creuset. Y sont également décrits le revêtement réfractaire du creuset, les
conditions d’exploitation de ce type de four et son usage en fonderie.
Bref historique du développement industriel du four à induction
R
L’électricité gagne la sidérurgie avec le four à arc (1815) et ensuite la fonderie avec les
fours à induction (1899).
Parmi les pionniers de cette technologie, citons Kjellin, Rodenhauser, Wyatt et Russ. À
partir de 1920, les progrès apportés aux condensateurs statiques et aux convertisseurs
permettent la poursuite du développement des fours à induction.
Néanmoins, il faut attendre 1930 pour voir apparaı̂tre en fonderie des fours jusqu’à 4 tonnes de capacité [1]. À partir de 1955, la progression est rapide, notamment en fonderie de
fonte et d’alliages cuivreux.
Dès la crise pétrolière de 1973, il faut économiser l’énergie en améliorant le rendement de
la fusion électrique. La maturité du développement des diodes et des thyristors de puissance autorise le développement de la moyenne fréquence, notamment en fonderie
d’acier et de fonte.
Ces nouvelles possibilités, la stabilité du coût de l’électricité et le renforcement des
contraintes environnementales des années 1990 orientent définitivement les investissements, en fonderie, vers la fusion électrique à induction.
Glossaire
bec
rigole ou chenal de vidange d’un four
entrefer
distance entre la bobine d’induction et la
charge métallique à fondre
striction
pression exercée par le champ magnétique sur
le métal liquide
vortex
zone du bain métallique où l’activité est très
faible
laitier
mélange d’oxydes divers fondus
tape and charge
chargement et prélèvement alternés lors des
fusions
cubilot
appareil de 2e fusion des déchets ferreux en
fonderie
1. Effets des champs
électromagnétiques
1.1 Champs électromagnétiques
appliqués aux matériaux conducteurs
Le lecteur est invité à consulter l’ouvrage [2] pour une approche
plus complète.
Les mécanismes de transformation de l’énergie magnétique en
énergie thermique ne sont pas encore totalement vulgarisés, ils
ont pourtant été établis dès le début de l’année 1830 à partir des
travaux d’Oersted.
1.1.1 Équations fondamentales
D’après Maxwell, la puissance électromagnétique peut s’écrire :
Ce sont Maxwell, Faraday et Lenz qui ont plus précisément défini
les principales lois de l’électromagnétisme. Les équations de
Maxwell permettent de calculer tous les phénomènes électromagnétiques. Les lois de Faraday et Lenz permettent de les expliquer
et de les démontrer.
P = H.
avec
Ces phénomènes sont respectivement appelés : champ électrique,
champ magnétique, induction électrique et induction magnétique.
M 3 603 – 2
H
champ magnétique,
B
induction magnétique,
E
champ électrique,
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WT
∂B
∂D
+ E .J + E .
∂t
∂t
(1)
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––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– FOURS À INDUCTION À CREUSET POUR LA FUSION DES MÉTAUX FERREUX ET NON FERREUX
J
densité du courant,
D
induction électrique.
du mouvement de l’aimant. L’énergie transmise est sensiblement
égale à la puissance du champ magnétique de l’aimant utilisé.
1.1.2 Loi de Lenz
Le premier terme représente la puissance magnétique ; le
deuxième correspond aux pertes dues au passage du courant ; le
troisième représente la densité de puissance électrique. Ce sont
les pertes E.J qui produisent, par effet Joule, un échauffement du
matériau.
Sur la base de l’exemple de la figure 1, la loi de Lenz permet
d’expliquer qu’en cas de variation du flux magnétique à l’intérieur
d’un circuit, il apparaı̂t une force contre électromotrice. La définition principale de cette loi est la suivante :
Le champ magnétique H est dû au déplacement des charges
mobiles ou à la présence d’un moment magnétique tel que celui
créé par un aimant à l’intérieur d’un solénoı̈de. Ce déplacement
crée une force électromotrice induite.
« La force électromotrice induite produit un courant qui s’oppose
à la cause qui l’a produite ».
La figure 1 visualise le champ magnétique d’un aimant en mouvement alternatif à l’intérieur d’un solénoı̈de et la force électromotrice induite.
« Le courant induit circule de manière à produire un champ
magnétique induit dont l’effet est de contrer la variation de flux du
champ extérieur qui produit ce courant ».
Un champ magnétique constant ne produit pas de courant
(figure 1b), par contre le mouvement alternatif de l’aimant à l’intérieur de la bobine crée une sinusoı̈de (figures 1c, d, e) dont la force
électromotrice est soit positive, soit négative et ce, à la fréquence
La figure 2a montre cette opposition de champ entre un solénoı̈de et un aimant entrant, le courant est positif.
Elle peut encore s’écrire de la manière suivante :
La figure 2b montre le changement de polarité du courant
lorsque l’aimant est sortant, le courant est alors négatif.
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 magnétique d’un aimant en mouvement alternatif à l’intérieur d’un solénoı̈de
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M 3 603 – 3
R
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FOURS À INDUCTION À CREUSET POUR LA FUSION DES MÉTAUX FERREUX ET NON FERREUX –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
B1
B1
S
N
I
R
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
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 phénomène d’induction se produit non seulement à partir
d’un aimant mobile dans une bobine, mais également dans les
masses métalliques des conducteurs. Les courants induits qui y
prennent naissance sont appelés « courants de Foucault ». Ils dissipent de l’énergie 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’énoncer ainsi :
« La force électromotrice induite dans un circuit fermé est proportionnelle au taux de variation du flux du champ magnétique traversant la surface délimitée par le circuit par rapport au temps ».
A
I
Le flux F du champ magnétique à travers une surface S
s’appuyant sur un circuit conducteur est donné par la relation
suivante :
Φ = ∫∫ B .dS
(2)
s
avec
B
induction magnétique (en T),
S
surface déterminée par la bobine (en m2),
F
flux magnétique (en Wb).
Figure 3 – Couplage inductif sur un barreau ferreux
Le schéma de la figure 3 présente une bobine Bi alimentée en A
et B par un courant alternatif. Il se crée un champ magnétique
autour de la bobine et de toutes ses spires. Tant que la bobine est
vide, il ne se développe aucune force contre électromotrice. Dès
l’instant où est introduit un noyau magnétique au cœur de la
bobine, il se produit des boucles de courant dans ce noyau métallique. Il génère un courant induit Ii qui circule en sens opposé au
courant I circulant dans la bobine.
La loi de Faraday introduit la géométrie de la bobine, elle tient
particulièrement compte du nombre de spires, du diamètre et de
sa surface. Par rapport à cette loi, il faut retenir les principaux effets
suivants :
Ces boucles génèrent ainsi leur propre champ magnétique qui
s’oppose à celui de la bobine (loi de Lenz). Ce phénomène s’appelle
couramment le couplage inductif les courants induits Ii générés
sont nommés courants de Foucault.
plus le nombre de spires est important, plus la force électromotrice est élevée,
plus le diamètre est important, plus les courants induits
seront élevés.
E = −N
avec
ΔΦ
Δt
force électromotrice (en V),
N
nombre de spires de la bobine,
F
flux magnétique (en Wb).
M 3 603 – 4
1.1.4 Effet Kelvin ou effet pelliculaire
(3)
E
B
Le couplage inductif se développe au droit de la bobine, c’est-àdire dans la zone où le champ magnétique est maximum. Les courants induits sont concentrés et circulent en surface (figure 4), c’est
l’effet pelliculaire [3].
Cette remarque ne vaut qu’au tout début de la mise sous tension.
Après quelques minutes de chauffage sans variation de la
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Garnissage réfractaire des fours
de maintien à induction
pour la fonderie
par
Jean-Pierre GAUCHÉ
Ingénieur Physico-Chimiste (EOA de Paris)
Professeur à l’École Supérieure de Fonderie et de Forge
Expert auprès du Centre Technique des Industrie de la Fonderie
R
1.
1.1
1.2
Four de maintien à induction à 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
Étude du garnissage d’un four à canal de maintien.................
Questions nécessaires à l’étude d’un revêtement ............................
Garnissage sec ou humide, comment choisir ? ................................
Conception du garnissage .................................................................
Choix des matériaux ..........................................................................
2.4.1 Mise en œuvre du revêtement ................................................
—
—
—
—
—
—
4
4
5
5
5
5
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
Frittage et démarrage des inducteurs ........................................
Frittage du canal réfractaire ...............................................................
Comment fritter le canal réfractaire d’un inducteur ? ......................
Démarrage des inducteurs .................................................................
Évaluation et interprétation de l’origine des incidents .....................
—
—
—
—
—
6
6
8
9
10
4.
4.1
4.2
4.3
Conduite et maintenance ..............................................................
Suivi et contrôles ...............................................................................
Changement de l’inducteur ...............................................................
Durée de vie des garnissages ............................................................
—
—
—
—
10
10
10
10
5.
Conclusion........................................................................................
—
11
Pour en savoir plus..................................................................................
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—
2
—
2
—
3
—
3
Doc. M 3 612
n fonderie, l’évolution des moyens de fusion, cubilot longue campagne et
four à induction à moyenne fréquence, a obligé les fondeurs à implanter
des fours de maintien pour réguler la production, favoriser l’homogénéité du
métal liquide et stabiliser la température. L’augmentation des besoins et l’automatisation de la coulée ont entraı̂né l’accroissement rapide de la capacité des
fours de maintien, hier 50 tonnes de fonte, aujourd’hui plus de 100 tonnes. C’est
définitivement le four à induction à canal de maintien qui est le mieux adapté à
cette fonction et à cette évolution.
C’est particulièrement en fonderie de fonte que ce développement a fait apparaı̂tre de nombreuses difficultés de tenue des garnissages réfractaires. Il faut en
effet savoir que cuve et inducteur sont soumis à une pression métallostatique
importante, celle-ci peut générer des dégradations ou des infiltrations pouvant
aller jusqu’à la percée du revêtement réfractaire et à l’arrêt du four.
Face à cette situation préoccupante, notamment pour les fours de maintien,
les constructeurs de fours, les fabricants de matériaux réfractaires et les fondeurs se sont associés pour concevoir et mettre au point des revêtements
plus fiables et plus performants. Rapidement ces efforts conjoints ont permis
de doubler la durée de vie des fours et de leurs inducteurs.
p。イオエゥッョ@Z@ェオゥョ@RPQS
E
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est strictement interdite. – © Editions T.I.
WW
M 3 612 – 1
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mSVQR
GARNISSAGE RÉFRACTAIRE DES FOURS DE MAINTIEN À INDUCTION POUR LA FONDERIE ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Le présent article décrit ces nouvelles conceptions [1] qui tiennent compte des
nouveaux alliages métalliques, de l’accroissement nécessaire de la capacité des
fours et de l’augmentation de la puissance électrique des inducteurs.
R
un transformateur avec circuit magnétique fermé, dont le canal
constitue la spire de l’enroulement secondaire.
1. Four de maintien
à induction à canal
Le métal s’échauffe dans le canal par effet Joule sous l’action des
courants induits (courants de Foucault). La circulation du métal
liquide dans le canal s’effectue par effet de thermosiphon et par
effet électromagnétique, permettant ainsi le transfert de chaleur du
canal au réservoir. Cet échange entre l’inducteur et la cuve crée un
léger brassage (beaucoup plus faible que dans le cas du four à
induction à creuset), plus visible lorsque le four est à son pied de
bain, alors qu’il devient à peine visible lorsque le four est plein.
Historique du four à induction
Les années 1930 voient apparaı̂tre en fonderie les premières
applications des fours électriques à induction. C’est le four à
canal qui est le premier à être utilisé industriellement. À partir
de 1955, les besoins de l’automobile sont importants, la progression de ces équipements est rapide, notamment en fonderie de fonte et d’alliages cuivreux. Jusqu’aux années 1970, les
fours à induction fonctionnent principalement à la fréquence
réseau (50 Hz) et le développement est centré sur l’augmentation de leur capacité pour atteindre une centaine de tonnes
pour les fours de maintien.
Pour mettre en service ce type de four, on doit d’abord préchauffer le canal et le remplir de métal liquide au-delà des orifices afin de
fermer la boucle, sans toutefois dépasser le niveau du pied de bain.
L’inducteur est alors mis sous tension, le métal liquide s’échauffe
dans le canal, puis il commence à circuler et à échanger avec la
cuve (figure 1).
Le four à canal n’est pas un four de fusion, sa puissance est trop
faible, c’est un four de maintien. Néanmoins, il doit être capable
d’assurer des surchauffes du métal liquide en cas de besoin ;
c’est-à-dire que la puissance nominale de l’inducteur devra être suffisante pour maintenir le métal en température, compenser les pertes par les parois et permettre d’assurer aussi les surchauffes.
Le four de maintien à induction à canal est le premier four à
induction qui ait existé en fonderie, il est composé de deux parties
principales (figures 1 et 2) :
la cuve, ou le réservoir de métal liquide, qui se trouve en communication avec les deux extrémités du canal ; ce réservoir
est revêtu d’un garnissage réfractaire isolant et contient la
majeure partie du métal liquide ;
l’inducteur, qui comprend la bobine d’induction et son circuit
magnétique ; le canal est rempli de métal liquide, présente la
forme d’une boucle torique dont les deux extrémités débouchent au fond de la cuve.
1.2 Inducteurs
Les inducteurs se distinguent par leur puissance électrique et le
nombre de leurs canaux :
la puissance électrique (basse fréquence 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 à canal est basé sur les mêmes principes fondamentaux [2] [3] [4] que le four à induction à creuset. Du
point de vue électrique, le four à induction à canal est équivalent à
Réfractaire
Isolation
Métal liquide
Noyau
magnétique
Bobine
d’induction
Canal
Figure 2 – Four à induction à canal de 80 tonnes de fonte (source : ABP
Induction)
Figure 1 – Schéma en coupe d’un four à canal
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GARNISSAGE RÉFRACTAIRE DES FOURS DE MAINTIEN À 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 métal
liquide
Bobine
Réfractaire
1.2.1 Inducteur monocanal
L’inducteur monocanal est le modèle le plus couramment utilisé [3]. Thermiquement c’est le plus compact, donc le plus économe en énergie. Les constructeurs savent aujourd’hui construire
des bobines monocanal développant plus de 2500 kW, ce qui permet leur utilisation sur des fours de grandes capacités.
Circulation de métal liquide Canal
Figure 6 – Coupe d’un inducteur bi-canal avec circulation du métal
liquide
Comme le montre la figure 4, le métal liquide ne circule pas vraiment dans un inducteur monocanal. Il faut considérer que le processus de circulation est du type « pulsé » ou « alternatif », selon
le sens des flèches du schéma. De ce fait, il y a une différence de
température notable, 100 à 150 C, entre les sorties du canal et la
partie inférieure, sous la bobine. Le choix du réfractaire doit tenir
compte de cet aspect notamment pour les alliages à haute température de maintien.
1.2.2 Inducteur bi-canal
Ce type d’inducteur est utilisé sur les fours de très grande capacité
(supérieure à 150 tonnes pour la fonte). Il fonctionne à partir d’un
courant triphasé, à basse fréquence, qui alimente 2 bobines refroidies à l’eau, sa puissance peut atteindre 4 000 kW. Il est quelque
fois utilisé en sidérurgie sur des mélangeurs à fonte dont la capacité
est supérieure à 1 000 tonnes, dans ce cas le mélangeur peut comporter plusieurs inducteurs pour assurer le maintien en température.
Il faut aussi noter que plus la puissance est élevée, meilleurs sont
les échanges avec le métal de la cuve. Autrement dit, lors du choix
d’un four et de son inducteur, il faut éviter le surdimensionnement
de l’inducteur par précaution. Idéalement, lors du maintien de nuit
ou de week-end, l’inducteur doit travailler au 2/3 de sa puissance
nominale.
Grace à ses 2 bobines de sens opposé, à un canal central plus
gros que les canaux extérieurs et à une différence de niveau au
centre (figures 6 et 7), il existe une réelle circulation du métal
liquide. Cette technique de circulation appelée « jet flow » a été
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WY
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R
XP
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Fours de cimenterie
Ateliers de cuisson du clinker
par
Robert BASTIER
Ingénieur des Arts et Manufactures
Directeur Central Technologie Adjoint
R
Alexandre BOCAN
Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucarest
Bernard GILBERT
Ingénieur des Arts et Métiers
et
Alain REGNAULT
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 ...........................................................................................
BE 8 844 - 2
Doc. BE 8 847
p。イオエゥッョ@Z@ェオゥャャ・エ@RPPP
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
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BE 8 844 − 1
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FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________
R
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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S hage
Préchauffage
Décarbonatation
Clinkerisation
Refroidissement
Clinker
Four voie humide
Pâte
Farine
Broyeursécheur
Four voie sèche
R efroidisseur
Échangeur
Clinker
R
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)
R
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 5 0 0
4 0 0 0
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
R
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
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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BE 8 844 − 5
R
XV
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Fours de cimenterie
Fours rotatifs
par
Robert BASTIER
Ingénieur des Arts et Manufactures
Directeur Central Technologie Adjoint
R
Alexandre BOCAN
Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucarest
Bernard GILBERT
Ingénieur des Arts et Métiers
et
Alain REGNAULT
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
p。イオエゥッョ@Z@ェ。ョカゥ・イ@RPPQ
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.
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BE 8 845 − 1
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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.
R
1. Conception
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.
BE 8 845 − 2
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
R
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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BE 8 845 − 3
R
YP
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Fours de cimenterie
Refroidisseurs à clinker
par
Robert BASTIER
Ingénieur des Arts et Manufactures
Directeur Central Technologie Adjoint
R
Alexandre BOCAN
Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucarest
Bernard GILBERT
Ingénieur des Arts et Métiers
et
Alain REGNAULT
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
p。イオエゥッョ@Z@ェオゥャャ・エ@RPPP
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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100
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
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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
R
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
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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BE 8 846 − 3
R
YT
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beXXTX
Fours de verrerie
par
Jacques FOURMENT
Ingénieur, ancien Directeur Technique Verre chez Stein Heurtey
et
R
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.
p。イオエゥッョ@Z@。カイゥャ@RPPP
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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● 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 :
R
— 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.
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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Régénérateur
Composition
Conduit de brûleur
Voûte
Point chaud
Pignon gorge
Gorge
Bain de verre
en fusion
Avant-bassin
Feeders
Gorge
Bouillonneurs
Mur antiretour
R
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
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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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
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.
R
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
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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