Récupération de la chaleur fatale sur des fours industriels

Sur les fours rotatifs utilisés dans le domaine du génie civil, la majeure partie de la chaleur fatale se trouve au niveau des fumées et en paroi. Afin de récupérer ces pertes énergétiques, un échangeur de chaleur peut être appliqué en paroi de four. Comme pour les cimenteries, la paroi des fours rotatifs utilisés en centrale d’enrobage ne peut pas être isolée. Une isolation de

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la paroi conduirait à une forte augmentation de la température de paroi. Celle-ci doit-être maintenue entre 200 et 300°C afin de conserver les propriétés désirées de l’enrobé bitumineux en sortie de four. Par conséquent, l’utilisation d’un échangeur permettrait de maintenir une température de paroi proche de celle observée sans échangeur, et de récupérer la chaleur fatale au niveau de la paroi.

Dans la littérature, Weinert (1990) a été l’un des pionniers en suggérant d’employer un échangeur de chaleur au niveau de la paroi d’un four rotatif industriel utilisé dans la fabrication de “clinker”. Ensuite, plusieurs auteurs ont effectué une étude énergétique et exergétique de l’application de l’échangeur sur un four de cimenterie. Ils ont montré qu’il était possible de récupérer 15% de l’énergie totale apportée à l’entrée du four (Engin et Ari, 2005, Sögüt et al., (2010)).

Les auteurs Engin et al., (2005) proposent un audit énergétique des fours rotatifs utilisés en cimenterie en cherchant les différentes voies possibles pour la récupération des pertes énergétiques. Les auteurs ont montré que 40% de l’énergie fournie en entrée est perdu dans les fumées, 5% dans l’échangeur « ciment-air » et 15% en paroi. Pour la récupération de la chaleur piégée dans les fumées, les auteurs proposent d’utiliser un cycle thermodynamique afin de créer de l’électricité. Pour les pertes observées en paroi du four, les auteurs proposent de les récupérer à partir d’une seconde enveloppe permettant de réduire de 12% la consommation de combustible. Toutefois, leurs calculs se basent sur une étude globale du procédé possédant une température de paroi de 290°C, et une perte en paroi constante de 147 kW.

Les auteurs Mujumdar et al., (2006) ont développé un modèle 1-D permettant la modélisation de la fabrication de « clinker » dans une cimenterie avec l’ajout d’une seconde paroi sur le procédé de fabrication. Cet espace entre la surface du four et l’enveloppe est utilisé pour récupérer la chaleur s’échappant de la surface du four afin de minimiser les pertes vers le milieu extérieur. Les travaux de Mujumdar et al., (2006) présentent une étude sur la configuration de la double enveloppe et sur l’impact du débit d’air circulant dans l’espace annulaire entre la surface du four et l’enveloppe. Les simulations montrent que la température à la surface du four est principalement contrôlée par le débit massique d’air. Les températures de paroi observées par la modélisation de Mujumdar et al., (2006) sont assez proches des prédictions réalisées par Mastorakos et al., (1999) à partir de simulations CFD. Les auteurs Mujumdar et al., (2006) constatent que l’ajout de l’enveloppe sur le four augmente considérablement la température à la surface du four, passant de 550 K à 1000 K. Cependant,

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le fonctionnement des fours à ciment à de si hautes températures n’est pas réalisable. Par conséquent, il est essentiel de refroidir la paroi du four par convection forcée. L’augmentation du débit permet de réduire la température à la paroi du four, et ainsi d’accroitre la récupération de chaleur.

Le modèle 1-D présenté par Mujumdar et al., (2006) permet d’estimer les performances des fours rotatifs de cimenterie, et de dimensionner l’échangeur afin de réduire la consommation énergétique du procédé. D’après les auteurs, il est possible de récupérer 80% de la chaleur fatale perdue dans l’environnement en réalisant un choix judicieux sur le design de la double enveloppe et sur le débit d’air afin d’éviter de dégrader la qualité de la chaleur fatale récupérée. En effet, en l’absence d’enveloppe, l’énergie perdue vers le milieu extérieur équivaut à 150 kJ/(kg de clinker). L’ajout de la seconde enveloppe sans aucun flux gazeux dans l’espace annulaire réduit ces pertes à 10 kJ/(kg de clinker). Cependant, la paroi et les matériaux traversant le four se trouvent détériorés dans cette gamme de température.

Récemment, plusieurs audits énergétiques ont été proposés dans la littérature pour récupérer la chaleur fatale par les cimenteries. Les auteurs Sögüt et al., (2010), proposent une étude exergétique d’une cimenterie en Turquie. Cette étude montre que 51% de l’énergie fournie au procédé est perdue dans l’environnement. Les auteurs ont eux aussi proposé d’utiliser une seconde enveloppe. Dans l’entrefer, un réseau de faisceau tubulaire est ajouté permettant de faire circuler de l’eau possédant une meilleure capacité calorifique que l’air. Dans cette configuration de four, l’énergie perdue à la paroi par rayonnement est transférée vers le fluide circulant dans les tubes et l’énergie perdue par convection est transférée vers le flux d’air. La chaleur transmise au fluide caloporteur dans les tubes est essentiellement fournie par le rayonnement du four. Une autre partie est fournie par le flux d’air sous forme de convection. Les résultats obtenus par la modélisation ont montré qu’il est possible de récupérer 3044 kW, soit 73% de la chaleur fatale du four. En revanche, l’auteur ne présente pas l’impact de l’échangeur sur les températures de paroi ainsi que sur les transferts thermiques dans le four. D’autres auteurs Caputo et al., (2011) présentent un modèle mathématique permettant d’obtenir une estimation des performances d’un échangeur de chaleur muni d’un faisceau tubulaire adapté aux fours rotatifs de cimenterie. Les auteurs développent également un modèle économique permettant de déterminer la taille optimale de l’équipement. Pour réaliser leurs études, les auteurs ont choisi d’utiliser un échangeur de chaleur tubulaire. Les tubes sont disposés longitudinalement entourant la surface du four.

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Dans leurs travaux, les auteurs ont intégré un modèle économique au modèle de transfert de chaleur afin de déterminer les conditions de fonctionnement en recherchant la longueur optimale de l’échangeur. Les résultats des analyses ont confirmé la faisabilité économique et technique d’un projet d’échangeur de chaleur au niveau de la surface des fours à ciment. Les auteurs montrent que les échanges thermiques sont plus performants dans les 10 premiers mètres de l’échangeur, pour un coût d’échangeur estimé à 250 k€. Cependant, le modèle ne présente pas l’impact de l’échangeur sur le procédé et la température de paroi.

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