Dans le contexte énergétique et environnemental actuel, les postes d’enrobage sont particulièrement concernées par les économies d’énergie et de matières premières. A l’horizon 2020, les organisations professionnelles des entreprises de Travaux Publics se sont engagées à réduire de 33% leurs consommations énergétiques et à recycler 100% des matériaux bitumineux de déconstruction. Dans l’industrie, l’amélioration de l’efficacité énergétique passe par une étude de la « chaleur fatale ». La « chaleur fatale » est un gisement d’économies possibles et encore peu exploitée par les industriels du génie civil. D’un point de vue générale, la problématique de la thèse s’intéresse à la récupération de la chaleur dite de « qualité moyenne » 100°𝐶 ≤ 𝑇 ≤ 300°𝐶 dissipée par les fours rotatifs servant à l’élaboration de l’enrobé bitumineux.
Les analyses exergétiques disponibles dans la littérature sur les fours rotatifs industriels utilisés pour l’élaboration des matériaux du génie civil montrent qu’une large partie de l’exergie est détruite au sein des fours rotatifs. Cette destruction résulte de la dégradation de l’énergie chimique en chaleur au niveau du brûleur (Penado et al., (2011) ; Atmaca et Yumrutas, (2014) ; Engin et Ari, (2005)). Ces analyses montrent que la chaleur fatale est dissipée vers l’environnement au niveau de la paroi du four et des fumées.
Afin d’éviter toute dégradation des matériaux au cours de la production, ces fours ne peuvent être isolés. La chaleur dissipée en paroi par le procédé est dite de « qualité moyenne » avec des températures s’échelonnant entre 150 et 250°C. A ce niveau de température la récupération de la source de chaleur diffusée en paroi s’effectue par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur afin de transférer la chaleur fatale en paroi à un fluide. L’échangeur se compose d’une seconde enveloppe appliqué en paroi du four, et d’une circulation de fluide permettant de contrôler la température en paroi.
Ensuite, la chaleur récupérée par le fluide contenue dans l’échangeur peut être valorisée : - soit au sein du procédé par le chauffage de matériaux ou des gaz à l’entrée du four, - soit sur le site de production par une production d’eau chaude, d’électricité (cycle
organique de Rankine) ou pour maintenir la cuve de stockage du bitume à 150°C. Toutefois, une valorisation extérieure de la chaleur n’est pas envisageable sur ce type de procédé du fait de la disponibilité de la ressource qui n’est que d’une dizaine d’heures par
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jours. Qui plus est, l’implantation des postes d’enrobage est souvent située loin de toutes zones industrielles et d’habitations, et proche des carrières.
Enfin, à l’échelle de l’usine, le dispositif de valorisation de la chaleur peut être réalisé à partir de la théorie du pincement. Cet outil, permettra de proposer un réseau d’échangeur optimisé en fonction des flux à échanger disponibles.
Ainsi, l’objectif de ce travail porte sur la caractérisation d’un échangeur thermique dédié à la récupération de chaleur dissipée en paroi de fours rotatifs et appliqué au cas des postes d’enrobage. Ce travail se base sur les premiers travaux réalisé par Laurédan Le Guen (Le Guen, (2012)) au sein du laboratoire GPEM. Ces travaux avaient consisté à étudier les mécanismes engendrés lors de l’opération de chauffage et de séchage des matériaux granulaires utilisés lors de la fabrication de l’enrobé bitumineux. L’objectif était de modéliser, en régime permanent, les transferts au sein d’un four rotatif industriel de poste d’enrobage. Une modélisation 1-D d’un four rotatif de poste d’enrobage a été développée et confrontée aux résultats expérimentaux mesurés à échelle industrielle. Les conclusions de ce travail mettent en évidence la complexité et la particularité des phénomènes thermiques mis en jeu lors de l’opération de chauffage des matériaux dans les fours rotatifs munis de releveurs. L’analyse de sensibilité réalisée sur le modèle souligne l’importance de la répartition des matériaux dans le four, jouant principalement sur les surfaces de transfert gaz/solide. Toutefois, dans le modèle 1-D présenté par Le Guen, (2012), la répartition des matériaux est estimée expérimentalement sur un pilote d’essai et ajustée, afin de valider le modèle sur l’ensemble des mesures expérimentales.
Basée sur ces travaux, la présente étude consiste dans un premier temps à améliorer le modèle 1-D énergétique existant, en y ajoutant une loi de déchargement afin de modéliser la dynamique de l’écoulement de matériaux. Cette loi de déchargement permet d’estimer la répartition transversale des matériaux dans le four, et par conséquent, de déterminer précisément les surfaces de transfert entre les gaz et les solides. Le modèle 1-D est confronté aux expérimentations réalisées par Le Guen, (2013) à l’échelle industrielle, et ensuite utilisé pour étudier l’optimisation énergétique du procédé. Les résultats du modèle permettent d’effectuer une étude des paramètres influents sur les transferts thermiques observés dans les fours rotatifs et ainsi intensifier l’efficacité énergétique du procédé par une estimation de la longueur optimale du four.
Dans un deuxième temps, un système de récupération de la chaleur pour les fours rotatifs est imaginé. Ce dispositif, appliqué au niveau de la paroi de four permet la récupération de la
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chaleur fatale perdue par rayonnement en paroi. La faisabilité technologique de l’échangeur de chaleur est démontrée par le développement d’un banc d’essai semi-industriel. Ce pilote a permis de caractériser le transfert thermique pariétal sous la forme d’une corrélation adimensionnelle. Ensuite, cette corrélation est appliquée au modèle 1-D énergétique afin de caractériser l’impact de l’échangeur sur la paroi, et ainsi estimer le gain énergétique potentiel de l’équipement. L’un des verrous technologiques importants est de maximiser le transfert thermique en paroi, afin de minimiser les pertes de chaleur entre les matériaux et la paroi. Enfin, des simulations en mécanique des fluides numériques (CFD) sont effectuées afin d’étudier les structures turbulentes de l’écoulement se développant dans l’échangeur suivant les conditions opératoires d’entrée.
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Chapitre 2
Modélisation 1-D des fours-rotatifs munis de
releveurs
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