Volume 21, numéro 3, septembre 2007

Améliorer l’efficacité énergétique des fours industriels

Les cheminées des fours industriels rejettent souvent de grandes quantités d’énergie dans l’atmosphère. Un des moyens pour améliorer l’efficacité consiste à récupérer l’énergie des fumées pour préchauffer l’air de combustion des brûleurs des fours.

Plusieurs entreprises industrielles au Québec utilisent la chaleur rejetée dans leurs cheminées afin de préchauffer l’air de combustion. Pour accomplir cette fonction, il existe différentes technologies performantes pouvant récupérer de grandes quantités d’énergie tels le récupérateur sur la cheminée, le récupérateur sur tube radiant et les brûleurs régénératifs. Le tableau I illustre le pourcentage d’économie d’énergie en fonction de la température du four et de l’air de combustion.

Tableau I : Données de performance selon North American Manufacturing Company

Température du four
(°F)
Température de l’air de combustion
(°F)
Température des produits de combustion
(°F)
%
d’économie de gaz naturel
1 470 1 220 270 30
1 830 1 560 330 42
2 190 1 900 370 52
2 640 2 280 460 69

Récupérateur sur la cheminée

Certains procédés industriels requièrent un flux d’énergie de type indirect tels que les bassins de métal fondu de plomb ou de zinc. Pour le chauffage, des brûleurs sont installés dans une double paroi autour du bassin contenant le métal en fusion. Les fumées chaudes sont évacuées par une cheminée commune (voir figure 1). Pour ce type d’application, l’installation d’un récupérateur sur la cheminée pour préchauffer l’air de combustion s’avère une mesure d’efficacité énergétique (MEÉ) performante.

Figure 1 : Récupérateur sur la cheminée

Une industrie au Québec a implanté cette MEÉ. Son procédé est doté de creusets de zinc en ébullition à 1 672°F, et les fumées arrivent à la cheminée à 1 750°F.

Le récupérateur consiste en un échangeur à plaque céramique de trois passes du côté air et d’une passe du côté fumée. Il permet d’extraire l’énergie des fumées et de la transférer du côté de l’air de combustion. Avec les températures en présence, le mode de transfert de chaleur s’effectue par rayonnement du côté des fumées chaudes et par convection du côté de l’air de combustion. Ceci permet de préchauffer l’air de combustion à 912°F, et l’économie d’énergie représente 26,7%. La pério-de de retour sur l’investissement (PRI) a été de 1,8 année.

De plus, puisque l’air de combustion est préchauffé, la température de la flamme atteint une plus haute température. Le transfert de chaleur au creuset est donc plus élevé, car il y a plus de radiation. Cela amène une augmentation de la productivité de 7%.

Récupérateur sur tube radiant

Dans les fours en continu à atmosphère contrôlée, la combustion s’effectue dans un tube en U. Le tube est chauffé de l’intérieur puis transmet la chaleur au four par radiation. Un four peut être équipé de plusieurs tubes en U pour atteindre la puissance et la température que nécessite le traitement thermique. Chaque tube est équipé d’un brûleur à une extrémité et les produits de combustion sont évacués à l’autre extrémité, puis vers l’extérieur. Il est possible d’intégrer un récupérateur à l’extrémité du tube qui évacue les gaz chauds (voir figure 2). Ce récupérateur a pour rôle d’extraire l’énergie contenue dans les produits de la combustion et de la transférer à l’air de combustion. Une entreprise au Québec a appliqué cette MEÉ à ses fours à atmosphère contrôlée riche en hydrogène, nécessaire pour la réduction de l’acier. Ce traitement thermique s’effectue à haute température, soit à 1 800°F.

Figure 2 : Récupérateur sur tube radiant

Le gaz naturel fournit l’apport énergétique requis, et les produits de combustion, avant d’être évacués, passent dans un récupérateur de type indirect pour en extraire le contenu énergétique. L’air de combustion est ainsi préchauffé à 1 000°F et l’économie d’énergie atteint 31%. La PRI était de 3,6 années et elle inclut de nouveaux tubes et brûleurs, des récupérateurs ainsi que l’amélioration des contrôles. Cette MEÉ apporte d’autres bénéfices à cette entreprise. L’air de combustion étant préchauffé, la température de la flamme atteint une plus haute température et le transfert de chaleur par radiation à l’intérieur du four est plus élevé, ce qui permet au four d’atteindre une plus haute température. Ainsi, de nouveaux produits ont pu être traités, élargissant du coup la clientèle de l’entreprise.

Brûleurs régénératifs

Ces brûleurs sont installés dans les fours de fusion de verre, les fours de refonte de l’aluminium et les fours de forge d’acier. Ces brûleurs fonctionnent par paire et le préchauffage de l’air de combustion s’effectue à l’intérieur des brûleurs.

Les deux brûleurs sont munis d’un accumu-lateur en céramique poreuse pour la récu-pération de la chaleur des produits de la combustion et ils fonctionnent en mode cyclique. Tout d’abord, comme on peut le voir à la figure 3, le brûleur n° 2 est en fonction, la flamme chauffe le four et les produits de la combustion circulent à l’intérieur du four. Avant de sortir du four, les produits de la combustion passent dans le brûleur n° 1, où ils libèrent leur chaleur en réchauffant un lit de céramique poreuse.

Dans la seconde partie du cycle, dans la partie de droite de la figure 3, le brûleur n° 2 est à l’arrêt, en mode récupération, et le brûleur n° 1 fonctionne. L’air de combustion du brûleur n° 1 est alors préchauffé en passant dans le lit de céramique poreuse.

Figure 3 : Brûleurs régénératifs

Puis, le cycle reprend. La durée typique d’un cycle est de 20 secondes et varie selon différents paramètres de conception.

Une industrie au Québec a remplacé quatre fours rendus moins efficaces, dont l’un a été démantelé pour laisser place à un nouveau four à grande capacité de production doté de brûleurs régénératifs.

La température de fonctionnement du four est de 2 300°F et, avec la récupération, l’air de combustion atteint 2 000°F. L’économie d’énergie de cette MEÉ est de 55% et la PRI a atteint 2,2 années.

D’autres avantages découlent de ce nouveau four, telle la réduction de l’intensité des émissions de gaz à effet de serre. Par ailleurs, il emploie des brûleurs à très faibles émissions d’oxyde d’azote. De plus, le nouveau four, mieux isolé, permet de maintenir une pression positive à l’intérieur. Comme cela réduit les infiltrations, il est plus facile de maintenir une température intérieure uniforme et le nombre de brûleurs requis est moindre par rapport aux anciens fours.

Conclusion

Diverses technologies permettent d’améliorer l’efficacité énergétique et contribuent à la productivité des entreprises industrielles du Québec.

Puisque la combustion du gaz naturel génère des fumées propres, à moins que le procédé industriel ne les contamine, la récupération d’énergie pour préchauffer l’air de combustion permet d’obtenir des économies d’énergie substantielles.

Guy Desrosiers, ing.
Conseiller technique grandes entreprise
Groupe DATECH