potentiel d’economie d’energie dans le four tunnel

7/28/2019 POTENTIEL DECONOMIE DENERGIE DANS LE FOUR TUNNEL

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POTENTIEL DECONOMIE DENERGIE DANS LE FOUR TUNNEL

Aujourdhui, les thmes des conomies dnergie et de la rduction dmissions gagnent de limportance dans

lindustrie de la brique et de la tuile, notamment en raison de la hausse des prix de lnergie et du ngoce de

certificats dmission. Ainsi les constructeurs dinstallations industrielles se concentrent actuellement sur

loptimisation nergtique de leurs gros consommateurs de combustibles fossiles (schoirs et fours) pourlesquels le potentiel doptimisation est loin dtre puis. De plus, en cas de hausse supplmentaire des prix de

lnergie, des mesures jusquici juges comme conomiquement non rentables, seront galement mises en

oeuvre. Des calculs de simulation sont de plus en plus utiliss dans la conception de nouvelles installations ainsi

que dans loptimisation de schoirs et de fours existants. Un logiciel Lingl destin raliser des simulations

techniques de fours tunnels permet didentifier des potentiels dconomie nergtique en fonction des besoins de

chaque client. Des exemples slectionns doivent montrer que le succs des diffrentes mesures dconomies

dpend fortement des conditions locales, et que ces mesures prsentent des potentiels dconomies plus ou

moins levs. Enfin les potentiels dconomies des investissements requis seront compars laide dun

exemple.

Au cours des dernires dcennies, une attention toute particulire tait accorde au cot de linvestissement

dans ltude de nouvelles installations et la transformation dinstallations existantes. Les charges dexplo itation

ntaient prises en compte que dans une faible mesure. Cela tait en partie justifi par le fait que des hausses

futures des prix de lnergie ne pouvaient pas tre planifies au pralable ou que des investissements

supplmentaires dpassaient le budget disponible.

Actuellement, les prix de lnergie des matires premires sont en hausse et font augmenter les charges

dexploitation des exploitants dinstallations. Cette tendance conduit une rvision de la faon de penser, dans

lconomie. Des dveloppements actuels montrent que, ds la phase dtude de nouvelles installations, les

charges dexploitation, cest--dire la consommation dnergie et de matires premires ainsi que le travail du

personnel, sont de plus en plus prises en compte sur toute la dure de vie de linstallation. La rduction de cette

consommation de ressources peut tre atteinte tant par des investissements supplmentaires que par

loptimisation du mode de fonctionnement.

Potentiel dconomie dnergie sur les fours tunnels

INFLUENCES DES FOURS TUNNELS SUR LA CONSOMMATION DNERGIE

Tableau 1 : Consommation dnergie (valeurs mesures) et missions de CO2 (calcules avec 0,198 kg CO2/ kWh) de fours tunnels Linglchauffs au gaz, de 1990 2010

Les principaux consommateurs de combustibles fossiles dans lindustrie de la brique et de la tuile sont les

schoirs et les fours, sachant que la quantit dnergie ncessaire pour le schage et la cuisson est presque la

mme. Dans une briqueterie-tuilerie, la consommation de courant, qui est non ngligeable, reprsente en fonction

du produit 10 25 % environ. de la consommation de combustible.

Loptimisation nergtique dune installation a un impact positif sur sa consommation dnergie, mais peut


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entraner un surcrot de consommation dans les installations situes en amont ou en aval. Cest pourquoi il est

crucial pour une briqueterie-tuilerie de toujours considrer lusine dans son intgralit lors de ltablissement dun

bilan nergtique cest-dire de la prparation jusqu lemballage du produit final. Actuellement, les schoirs et

les fours fonctionnent en interconnexion. Sils sont thermiquement dcoupls, alors une optimisation nergtique

individuelle de chaque installation est possible. Cela prsente des avantages, en particulier avec les nouveaux

procds de schage avec lair ambiant [3-7]. Dans cet article, sont exposs les potentiels dconomies sur desfours tunnels qui ne sont pas en interconnexion thermique avec le schoir. La consommation dnergie des fours

Lingl nouvellement cons truits au cours des vingt dernires annes est rcapitule dans le tableau 1. Elle sest

parfois rduite denviron 20 %, notamment sur les fours pour briques de maonnerie.

Cette rduction est imputable dune part lutilisation accrue dagents porognes organiques pour les briques de

maonnerie, la diminution des pertes de sortie par la rduction de la masse des wagons de four tunnel (WFT) et

des adjuvants de combustion, notamment pour les tuiles, et dautre part une commande optimise des

processus de schage et de cuisson. Les paramtres suivants influencent la consommation de combustible et

donc les missions de CO2 du four tunnel :

Matire premire (enthalpie dpendant de la temprature, temprature de cuisson, temps de cuisson en raison

de sa composition matrielle) Produit (paisseur du matriau, proportion de trous, structure de lempilage, adjuvants de combustion requis,

temps de cuisson)

Isolation (mur et plafond, tuyauterie et quipement)

Flux dair (gaz rejet, air de combustion, air admis, tanchements)

WFT + adjuvants de combustion (masse, tempratures dentre et de sortie)

Les missions de CO2 dpendent en outre du type de combustible, des matires premires et des agents

porognes mis en oeuvre. Linfluence des paramtres mentionns sur la consommation dnergie dun four a t

calcule laide dune simulation par ordinateur et doit tre prsente ici.

Figure 1 : Rsultat de la simulation de four : graphique de Sankey du flux nergtique

SIMULATION DE FOURS PAR ORDINATEUR POUR DIFFRENTS PRODUITS

Le logiciel Lingl permet de dimensionner le four tunnel en tant quchangeur thermique contrecourant. Pourcela, le four est dcompos en deux dimensions dans le sens de pousse selon des points dinterpolation finis.


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chaque point dinterpolation sont calculs par itration les bilans massiques et nergtiques pour le gaz, la

charge et les WFT. Avant le calcul est tablie une courbe de cuisson pour la charge qui doit tre atteinte avec

lquipement configur. La rduction de la consommation de combustible est assure par minimalisation de la

puissance des brleurs et des flux dair dans le four. Dans loptimisation nergtique du four tunnel, lobjectif

prioritaire est toujours datteindre la courbe de cuisson programme de la charge.

Cest seulement ensuite que commence le programme visant rduire les flux dair et donc la consommationdnergie du four. Dans un calcul, tous les quipements peuvent varier librement entre 0 et 100 % de leur

puissance maximale. Il est galement possible de rgler chaque quipement, par exemple les systmes

daspiration de lair chaud, sur une puissance constante. Ainsi, linterconnexion thermique avec le schoir peut

tre par exemple simule.

Les paramtres suivants sont pris en compte dans une simulation:

Matire premire (composition minralogique, en particulier les lments importants pour la consommation

dnergie et les dgagements e gaz la cuisson, tels que calcite, composs organiques, pyrite, m inraux

argileux, humidit rsiduelle)

Combustible (composition chimique pour le calcul de la combustion de combustibles gazeux, solides et liquides,galement sous-stoechiomtrique)

Produit (format, masse, proportion de trous, temps de cuisson)

Charge (structure des couches pour le passage de lair travers tous les canaux dans et autour de

lempilement, tant pris en compte les mcanismes de transmission thermique conduite, rayonnement et

convection en fonction de la temprature, du flux massique de gaz et de sa composition)

WFT, mur et dalle (construction rfractaire et isolante, tempratures dentre et de sortie des WFT, surfaces

dissipatrices de louvrage pour le calcul du transfert thermique avec les courbes de cuisson respectives)

quipements techniques (puissance de brleurs, chauffages supplmentaires, injections, aspirations et

recirculations ; prise en compte des flux dair et des tempratures des brleurs)

tanchit du four (rigole sable, faces de contact des wagons, temprature sous les wagons, le profil de

pression dans le four)

Courbe de cuisson (tempratures dans le sens de pousse)

Le bilan nergtique est sorti aprs un calcul. Ici les entres dnergie telles que combustible, matire premire

avec enthalpie exothermique de la matire premire, prchauffage de lair de combustion, wagons entrants et

charge sont compares aux sorties dnergie telles que pertes dair, d isolation et de sortie, et/ou la

consommation dnergie dune matire premire consommant de lnergie (figure 1).

Figure 2 : Pertes dnergie pour gaz rejet et aspirations en cas dlvation de la temprature du gaz rejet lexemple dun four de tuiles

Les calculs de simulation ont t respectivement effectus pour un four de clinkers, de tuiles et de briques de

maonnerie. La configuration du logiciel a t effectue sur la base du dimensionnement de trois fours Lingl

nouvellement construits, pour lesquels les valeurs mesures de consommation dnergie taient disponibles :Sans moyens financiers ou techniques notables, le logiciel permet de localiser des potentiels dconomie ainsi


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que des tats de fonctionnements optimaux, et de les raliser dans la pratique avec lexprience du personnel

dexploitation. Dans le rsultat de la simulation taient mentionns les paramtres suivants qui prsentaient dj

des effets dconomie relativement importants avec des modifications minimes :

Abaissement de la temprature maximale de cuisson pour les briques de parement suite des temps de

cuisson longs et des tempratures de cuisson leves, et pour les briques pleines, par une plus grande

paisseur de matriau ncessitant plus de temps pour la conduction thermique, Formation de pores sur les briques de maonnerie : la mise en oeuvre dun agent porogne devrait toutefois se

faire sans dpasser une teneur organique en carbone de 3 M.-%, car elle provoque une surchauffe dans la zone

dchauffement ainsi quune lvation de la temprature du gaz rejet,

Llvation de lenthalpie endothermique de la matire premire entrane comme on le sait un surcrot de

consommation dnergie, mais pour les tuiles, la consommation de combustible se rduit, car en raison de la

demande accrue, les quantits de gaz aspires et rejetes sinon souffles travers le toit peuvent tre rduites,

La diminution du flux dair de combustion est recommande pour les briques de parement, notamment en raison

des

temps de cuisson longs et des tempratures

de cuisson leves, Mise en oeuvre du prchauffage de lair de combustion avec tous les produits, mais dans ce cas, i l devrait y

avoir de lnergie en excdent dans la zone froide du four, et le schoir devrait tre intgr dans lobserva tion

nergtique,

En raison du produit, le temps de pousse nest variable que dans dtroites limites, mais le calcul montre

cependant quen cas de prolongation du temps de pousse, la consommation dnergie augmente fortement,

La temprature du gaz rejet stablit pendant les calculs sur la base des tempratures de la charge, du gaz et

des wagons ainsi que des flux dair prsents dans le four : plus la temprature du gaz rejet est leve dans la

plage de temprature indique, plus la consommation de combustible est faible,car moins dair doit tre aspir

sur les dispositifs daspiration de la zone froide (figure 2) ; cet effet est le plus important avec les tuiles,

Avec une lvation de la temprature du produit cuit sortant, une rduction de la consommation dnergie est

possible, en particulier avec des tuiles entre 75 et 120 C; au-dessus de 120 C ainsi que dans les fours de

briques de parement, la consommation dnergie augmente de nouveau quand la temprature de la charge

saccrot,

La diminution de la masse des wagons entrane une rduction des pertes de sortie qui se remarque

particulirement avec les produits exigeant beaucoup dnergie tels que les briques de parement et les tuiles,

La dispersion de la charge ainsi que la pose des briqu es sur leur face frontale avec les trous dans le sens

dcoulement, elle dpend toutefois de chaque produit,

tanchement du four : les nouveaux fours sont dj relativement tanches ; si lentretien nest pas suffisant

pendant lexploitation, la consommation dnergie augmente cause de laspiration dair parasite dans la zone

dchauffement et de soufflages dans la zone froide,

Rduction de la masse des adjuvants de combustion pour les tuiles ; les cots dinvestissement levs sontrentables en particulier dans la construction dun nouveau four.

Par contre avec des modifications relativement importantes, par exemple doublement de lisolation du four, on ne

constate quun faible effet dconomie. Avec 0,1 1,3 %, leffet dconomie tait peine mesurable.

MISSIONS DE CO2 AVEC LA MISE EN OEUVRE DE DIFFRENTS COMBUSTIBLES


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Tableau 2 : Teneur en carbone, valeur calorifique et missions de CO2 par kilowattheure

Rien que par le choix du combustible, les missions de CO2 peuvent tre rduites pour une mme

consommation dnergie. Dans le tableau 2 sont compares, pour diffrents combustibles fossiles, la teneur en

carbone, le pouvoir calorifique ainsi que les missions de CO2 auxquelles il faut sattendre par kilowattheure. On

constate quavec le gaz naturel High sont gnres les plus faibles missions de CO2 en raison de son hautpouvoir calorifique et de sa teneur en carbone relativement faible. Par contre avec le ptrole, les missions sont

de 1,4 1,5 fois plus importantes quavec le gaz naturel. L es plus fortes missions de CO2 sont libres lors de

la combustion de lignites hydrats faible pouvoir calorifique et teneur moyenne en carbone. Elles peuvent tre

de 4,0 5,2 plus importantes que les missions du gaz naturel.

Amortissement du prchauffage de lair de combustion

Il a t montr o et quels potentiels dconomie dnergie existent sur le four. Il est ici possible deffectuer des

travaux de maintenance, par exemple sur ltanchement du four, ainsi que de modifier de manire cible les

rglages du four. Pour ces mesures, il est conseill de procder une analyse des processus du four en tenantcompte des installations en aval. Mais pour des mesures dconomie supplmentaires, dautres cots

dinvestissement sont ncessaires. lexemple du prchauffage de lair de combustion, il doit tre montr au bout

de combien de temps ces investissements sont amortis pour un prix du gaz naturel de 3 centimes/ kWh.

Le prchauffage de lair de combustion exige des investissements supplmentaires pour les mesures suivantes :

Plus grand diamtre des conduites pour le tube darage central ainsi que pour les conduites de distribution dair

vers les brleurs,

Isolation pour les conduites et les ttes de brleur,

Dimensionnement des ventilateurs et desttes de brleur pour des tempratures de lair suprieures 300 C.


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Figure 3 : Cots dnergie et dinvestissement pour diffrentes tempratures de lair de combustion Amortissement du prchauffage de lair decombustion

La figure 3 montre les cots dnergie et dinvestissement pour le prchauffage de lair de combustion

diffrentes tempratures. Les cots dinvestissement sont les cots supplmentaires ncessaires par rapport

une installation de brleurs fonctionnant avec une temprature de la ir de combustion gale 20 C. Plus la

temprature de lair de combustion est leve, plus ces cots dinvestissement (en rouge) augmentent. De plus

sont reprsents les cots dnergie conomiss par anne (en vert), qui diminuent au fur et mesure que la

temprature de lair de combustion augmente. La courbe bleue est la courbe cumule de ces deux courbes sur

une anne. 100 C au bout dun an, les cots dinvestissement sont tout dabord suprieurs aux cots dnergie

conomiss. Mais ces mesures samortissent ds la deuxime anne. 300 C, la courbe cumule prsente un

minimum, cest--dire quavec 0,7 an, la dure damortissement est la plus courte. partir de 400 C, les cots

dinvestissement augmentent dune manire disproportionne, car des brleurs et des ventilateurs plus coteux

conus pour des tempratures plus leves sont mis en oeuvre. Ici aussi, linvestissement samortit relativement

rapidement. Une condition pralable un prchauffage de lair de combustion est que le four mette di sposition

suffisamment dair chaud pour cette option. De plus du point de vue constructif, le prchauffage de lair de

combustion est judicieux en particulier dans la construction de nouveaux fours. Une optimisation nergtiquesupplmentaire peut tre obtenue par lisolation des ttes de brleur, ce que montre lexemple suivant.

Le tableau 3 reprsente, pour un prchauffage de lair de combustion 300 C, les cots dnergie et

dinvestissement avec et sans isolation des ttes de brleur en comparaison av ec un air de combustion

temprature ambiante sur un four de briques de parement ayant une capacit de 325 t/j.

Avec le prchauffage de lair de combustion, la consommation dnergie du four se rduit de 9,1 % sans isolation

des ttes de brleur et de 10,7 % avec isolation. 300 C, une isolation des conduites est imprativement

ncessaire en raison de la protection du travail, et semble galement judicieuse pour les ttes de brleur. Lair de

combustion prchauff entrane ainsi une conomie annuelle de 171 270 sans isolation ou de 202 551 avec

isolation. Les cots dinvestissement(en rouge) slvent 91254 sans isolation et 150488 avec isolation.

Dans cet exemple, linvestissement dans un prchauffage de lair de combustion est dj amorti au bout de 6,5

mois sans isolation et de 9 mois avec isolation des ttes de brleur.

Conclusion et perspectives

Tableau 3 : Cots dnergie et dinvestissement avec et sans prchauffage de lair de combustion 300 C sur un four de briques de parementayant une capacit de 325 t/j

Les possibilits et les limites de lconomie dnergie ont t exposes laide du logiciel propre Lingl pour des

simulations techniques de fours tunnels. Ces calculs sont actuellement mis profit pour la conception de

nouvelles installations, ainsi quavec lanalyse technique des processus chez le client, pour optimiser des

installations existantes.


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Il a t constat que ce sont surtout les f lux dair qui sont la part principale dans le rendement nergtique du four

tunnel. Lconomie dnergie et donc dmissions de CO2 peut tre atteinte dune part par la maintenance, par

exemple des tanchements du four, ainsi que par une optimisation de la conduite des processus. Dautre part,

des investissements supplmentaires sont ncessaires. lavenir, pour faire face la hausse continuelle du cot

de lnergie, outre loptimisation des schoirs lors de la construction de nouveaux fours, le prchauffage de lair

de combustion, des WFT plus lgers, lutilisation la chaleur dissipe dans le processus ORC et les changeursthermiques, la production dcentralise de courant ainsi que lisolation des ouvrages gagneront de limportance.

LE SCHOIR FLUX CONTINU TYPE OPTIFLOW

Il sagit dun schoir continu dot de chariots roulants sur rails, combin avec les proprits des schoirs flux

continu. Le schoir Optiflow se caractrise par sa construction trs simplifie et son cot dinvestissement rduit.

Ainsi, des chariots plate-forme sans tagre sont utiliss. Des claies charges de briques sont superposes les

unes sur les autres sur ces chariots. Cela permet une simplification des oprations de dpilage et dempilage du

schoir Anjou, tout en liminant les inconvnients du couplage avec le dispositif de transport chane.

Les claies charges de briques sont empiles les unes sur les autres sur les chariots. Les chariots de schoir

chargs sont ensuite dirigs en sens inverse de lcoulement dair. Ensuite, les chariots sont transfrs vers un

canal retour laide dun dispositif de transfert comme dans un schoir Anjou. Cependant le transfert sopre

dans le plan horizontal moyennant un dispositif roulant sur rails. La diffrence avec le schoir Anjou est que, dans

ce dernier, les balancelles sont transfres moyennant des chanes (pas de dispositif de transfert roulant sur

rails) et linversion se fait plutt dans le plan vertical dans un mouvement semblable au Paternoster.La construction horizontale du schoir Optiflow simplifie le transport des chariots dun point de vue mcanique.

De plus, cause de llimination du systme Paternoster propre au schoir Anjou, la distance entre les chariots

du schoir est rduite denviron 2/3. Ceci a pour consquence une rduction des dimensions ncessaires au

btiment. De plus, la couverture complte de lespace de schage ainsi que lutilisation des sas de la zone

dentre et de sortie rduisent les fuites et les entres dair, ce qui contribue la rduction de la consommation

dnergie. Du fait de la construction tanche du canal de transfert, les pertes du schoir sont rduites de manire

significative, permettant ainsi une utilisation plus optimale des capacits des ventilateurs pendant le processus de

schage. Ce qui est aussi nouveau, cest que plusieurs canaux de schage peuvent tre construits cte cte

aussi bien dans le canal davance que dans le canal de retour.

Le type de construction pour le schoir Optiflow permet une structure simple de la fondation et du btiment,

combine avec une hauteur de btiment basse en comparaison avec le schoir Anjou. Il est aussi possible de


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faire construire le btiment par des fournisseurs locaux, ce qui favorise en plus une rduction des cots. Les

composants de lunit comme par exemple le ventilateur et le groupe additionnel sont nettement plus accessibles

dans le btiment simplifi du schoir Optiflow puis quils peuvent tre installs au-dessus de ce dernier. Comme

lquipement de transport est situ lextrieur de zone de schage, lusure et ainsi la maintenance sont rduites.

Lquipement peut tre dimensionn pour une capacit de production journalire allant de 300 tonnes/jour jusqu

1000 tonnes/jour.

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