Amélioration de l'efficacité du réchauffage de l'acier par combustion oxy-combustible et brûleurs régénératifs

Oxy-combustion et son application dans les fours de réchauffage

Le réchauffage de l'acier est un processus à forte intensité énergétique nécessitant une distribution uniforme de la température dans les fours de réchauffage. Historiquement, des récupérateurs ont été utilisés pour préchauffer l'air de combustion, économisant ainsi l'énergie. Des innovations plus récentes incluent l'enrichissement en oxygène (O₂) et l'utilisation de brûleurs régénératifs, qui fournissent des températures d'air préchauffé plus élevées que les récupérateurs. Ces processus présentent des limitations telles que la détérioration de l'équipement, la diminution de l'efficacité énergétique au fil du temps, des coûts de maintenance élevés et une augmentation des émissions de NOx avec l'augmentation de la température de préchauffage de l'air, à moins qu'un équipement spécial ne soit utilisé.

Trois éléments sont nécessaires pour le démarrage et le maintien de la combustion : le combustible, l'oxygène et une énergie suffisante pour l'inflammation. L'efficacité du processus de combustion est maximale si le combustible et l'oxygène peuvent se rencontrer et réagir sans restrictions. Mais pendant la pratique du chauffage, outre une combustion efficace, le transfert de chaleur est également une considération pratique.

L'air normal utilisé pour la combustion contient de l'azote (N₂) et de l'argon (Ar) en plus de l'oxygène. Dans un brûleur air-combustible, la flamme contient de l'azote de l'air de combustion. Une quantité significative de l'énergie du combustible est utilisée pour chauffer cet azote. L'azote chaud s'échappe par la cheminée, créant des pertes d'énergie. Par conséquent, l'air ne fournit pas des conditions optimales pour la combustion ainsi que pour le transfert de chaleur. La chaleur absorbée par l'azote est soit gaspillée, soit doit être récupérée pour la conservation de l'énergie. Les meilleurs systèmes de chauffage air-combustible actuels dans les fours de réchauffage nécessitent au moins 310 Mcal par tonne d'acier pour atteindre la bonne température du produit en acier pour le laminage.

Historiquement, l'utilisation principale de l'oxy-combustion a été le soudage et la coupe des métaux, en particulier l'acier, car l'oxy-combustion permet des températures de flamme plus élevées que celles atteignables avec une flamme air-combustible. L'introduction d'une technologie innovante de brûleur oxy-combustible (utilisant 100 % d'oxygène) pour le réchauffage de l'acier est un phénomène relativement très récent. Le concept d'oxy-combustion a été proposé en 1982 par Abraham dans le contexte de la fourniture d'un gaz de combustion riche en dioxyde de carbone (CO₂). En raison des avantages potentiels, le Laboratoire national d'Argonne (ANL) a mené des activités de recherche, y compris une étude techno-économique et des études à l'échelle pilote sur le sujet.

L'oxy-combustion désigne la pratique consistant à remplacer totalement l'air comme source d'oxydant pour la combustion par de l'oxygène de qualité industrielle. L'oxygène de qualité industrielle est défini comme de l'oxygène liquide vaporisé en gaz ou de l'oxygène généré sur site. L'approvisionnement en oxygène liquide a généralement une pureté supérieure à 99,99 %, tandis que la pureté de l'oxygène généré sur site se situe généralement entre 90 % et 93 %. L'avantage de l'oxygène généré sur site est son coût inférieur, car le produit n'a pas besoin d'être liquéfié ou transporté et est livré à une pression plus faible pour minimiser la consommation d'énergie. Dans une aciérie intégrée où existe une usine de séparation d'air pour la fabrication de l'acier, de l'oxygène de haute pureté (99,99 %) peut être fourni par pipeline depuis l'usine de séparation d'air.

Lorsque le gaz azote est évité grâce à l'utilisation d'oxygène de qualité industrielle comme dans le cas de l'oxy-combustion, non seulement la combustion elle-même est plus efficace, mais aussi le transfert de chaleur. L'oxy-combustion influence le processus de combustion de plusieurs manières. Le premier résultat évident est l'augmentation de l'efficacité thermique due au volume réduit des gaz d'échappement, un résultat fondamental et valable pour tous les types de brûleurs oxy-combustibles. De plus, la concentration des produits de combustion hautement rayonnants, CO₂ et H₂O, est augmentée dans l'atmosphère du four. Pour les opérations de chauffage, ces deux facteurs conduisent à un taux de chauffage plus élevé, des économies de combustible, une réduction des émissions de CO₂ et de NOx, et une réduction des émissions de SOx si le combustible contient du soufre. La Fig. 1 montre les processus de combustion oxy-combustible et air-combustible.

Fig. 1 Processus de combustion oxy-combustible et air-combustible

L'oxy-combustion diffère de la combustion à l'air à bien des égards, notamment par une température de flamme réduite et un allumage retardé. De nombreux effets de l'oxy-combustion peuvent être expliqués par les différences de propriétés des gaz entre le CO₂ et le N₂, les principaux gaz diluants dans l'oxy-combustion et l'air respectivement. Le CO₂ a des propriétés différentes du N₂ qui influencent à la fois le transfert de chaleur et la cinétique de réaction de combustion. Ces différences sont décrites ci-dessous.

• Densité : Le poids moléculaire du CO₂ est de 44, contre 28 pour le N₂, donc la densité du gaz de combustion est plus élevée en oxy-combustion.
• Capacité thermique : La capacité thermique du CO₂ est supérieure à celle du N₂.
• Diffusivité : Le taux de diffusion de l'oxygène dans le CO₂ est 0,8 fois celui dans le N₂.
• Propriétés radiatives des gaz du four : L'oxy-combustion a des niveaux plus élevés de CO₂ et H₂O, tous deux ayant un fort pouvoir émetteur.

Comparée à l'air-combustible, l'oxy-combustion entraîne un chauffage de l'acier beaucoup plus efficace et plus rapide. L'efficacité thermique de l'oxy-combustion est d'environ 80 % contre 40 % à 60 % pour l'air-combustible. Avec l'oxy-combustion, on observe une amélioration de la productivité et une diminution de la consommation de combustible pour chauffer l'acier à la température désirée. L'utilisation de l'oxy-combustion améliore également l'uniformité de la température et produit moins d'émissions pour l'environnement.

L'avantage général de remplacer l'air par de l'oxygène de qualité industrielle est que la teneur en azote apportée au processus de combustion par l'air est presque ou complètement éliminée. La réduction de l'azote dans la combustion permet des températures de flamme plus élevées et une efficacité de combustion accrue, car un volume de gaz de combustion plus faible réduit la quantité de chaleur prélevée sur la flamme et perdue dans les gaz d'échappement. Lors de l'oxy-combustion, un gaz composé principalement de CO₂ et d'eau est généré.

Le transfert thermique par oxy-combustion se caractérise par un transfert localisé considérable en raison d'une émissivité élevée (concentrations considérables de CO₂ et H₂O dans les flammes) et d'un volume de flamme réduit, conduisant d'abord à une capacité accrue de transférer son énergie à la charge, puis à un gain supplémentaire en efficacité énergétique.

Pour les opérations de chauffage continu, il est également possible d'exploiter économiquement le four de réchauffage à une température plus élevée du côté d'entrée du four. Cela augmente encore le débit possible du four de réchauffage. Il a été observé que l'efficacité énergétique de l'oxy-combustion est équivalente, voire meilleure, que celle des fours de réchauffage équipés pour un air de combustion fortement préchauffé. Ainsi, les avantages de l'utilisation de l'oxy-combustion par rapport à la combustion air-combustible sont les suivants :

• L'oxy-combustion entraîne des augmentations substantielles de la chaleur disponible (énergie totale fournie moins énergie perdue dans les gaz d'échappement) par rapport à la combustion air-combustible. L'augmentation de la chaleur disponible est directement liée aux réductions de la consommation d'énergie.
• Une augmentation de la chaleur disponible de la combustion signifie que moins de chaleur est perdue dans les gaz d'échappement et qu'un pourcentage plus important de l'énergie totale fournie reste pour effectuer le travail dans le four. Ainsi, lorsque la chaleur disponible augmente, la quantité d'énergie totale requise pour effectuer une quantité constante de travail diminue.
• L'augmentation du taux de chauffage entraîne une production plus élevée. La limite pratique de l'augmentation de la production dépend de la capacité de la charge à absorber la chaleur et du temps et de la température auxquels la charge est exposée à la chaleur. L'expérience de diverses installations oxy-combustibles montre que le débit du produit peut être augmenté dans la plupart des opérations sans augmenter le point de consigne de température du four, à l'exception de ceux qui respectent déjà une limite de rampe de température définie. Outre l'augmentation de la chaleur disponible, la température de flamme oxy-combustible plus élevée et le potentiel de rayonnement des gaz de combustion ont un impact positif sur la capacité de chauffage et le taux de production.
• Comme le transfert de chaleur par rayonnement dépend de la différence de température entre la source et le récepteur à la puissance quatre, l'oxy-combustion entraîne une forte augmentation du potentiel de rayonnement flamme-charge. Les produits de combustion de l'oxy-combustion sont également de meilleures sources de transfert de chaleur par rayonnement. En effet, la majorité du produit de combustion air-combustible est l'azote, qui n'est pas un mécanisme de transfert de chaleur par rayonnement aussi efficace que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau qui constituent la majorité des produits de combustion oxy-combustible.
• Réduction des émissions du four : Le volume des gaz d'échappement est substantiellement plus faible avec l'oxy-combustion. Le volume total d'échappement avec l'oxy-combustion est généralement de 70 % à 90 % inférieur au volume total d'échappement air-combustible. Le résultat le plus évident de l'utilisation de l'oxy-combustion est la réduction de la consommation de combustible. Avec la réduction de la consommation de combustible, l'émission de CO₂ est plus faible sur une période donnée ou par unité de charge chauffée. Avec l'oxy-combustion, la pression partielle d'azote dans les produits de combustion est drastiquement réduite, diminuant le potentiel de formation de NOx même à température de flamme élevée.
• La concentration des polluants dans les gaz de combustion est plus élevée, ce qui facilite leur séparation.
• Le gaz de combustion est principalement du CO₂, adapté au stockage.

En plus des avantages mentionnés ci-dessus, l'option d'utiliser l'oxy-combustion peut parfois entraîner un investissement en capital inférieur par rapport à d'autres méthodes d'amélioration de l'efficacité telles que les récupérateurs ou les équipements de contrôle des émissions. L'oxy-combustion permet à toutes les tuyauteries et trains d'écoulement d'installation d'être compacts sans aucun besoin d'unités de récupération de chaleur récupératives ou régénératives. Elle réduit également drastiquement la taille physique des brûleurs, des fours et des conduits de gaz de combustion, ainsi que la nécessité de ventilateurs électriques. De plus, les ventilateurs d'air de combustion et les problèmes de bruit de basse fréquence associés sont évités. De plus, dans certains cas, la conversion à l'oxy-combustion a entraîné une perte d'écaillage moindre due à un meilleur contrôle et à un temps de chauffage plus court.

Les flammes oxy-combustibles ont une température plus élevée avec moins de volume et de longueur que les flammes air-combustibles. La caractéristique de flamme avec l'oxy-combustion doit être prise en compte lors de la conception de systèmes de brûleurs oxy-combustibles pour les applications de réchauffage de l'acier. En général, le chauffage de l'acier exige une distribution uniforme de la température afin d'éviter une surchauffe ou une sous-chauffe localisée du produit. Le type et le placement des brûleurs oxy-combustibles dépendent du type de four et de la proximité des flammes par rapport au produit en acier.

Bien qu'elle fournisse des avantages substantiels en termes d'efficacité, le faible volume des produits de combustion avec l'oxy-combustion nécessite une attention particulière lors de la conception des systèmes de contrôle de combustion. Un contrôle adéquat du ratio de combustion est critique pour les processus de chauffage de l'acier car les produits de combustion constituent l'atmosphère de chauffage et influencent finalement le taux et le type de formation d'écailles. Dans les systèmes de combustion air-combustible, le volume élevé d'azote apporté dans le processus de combustion par l'air fournit un amortisseur ou un facteur de sécurité contre les changements de ratio air/combustible. Avec l'oxy-combustion, cet amortisseur est presque complètement éliminé. Cela signifie qu'un changement de pourcentage dans le ratio oxygène/combustible avec l'oxy-combustion aura un impact plus important sur l'atmosphère du four de chauffage que le même changement avec l'air-combustible.

Le changement d'atmosphère du four avec l'oxy-combustion n'a pas d'effet néfaste sur la formation d'écailles et s'est même avéré bénéfique dans certains cas. La pression partielle plus élevée de CO₂ et H₂O dans les produits de combustion fournit un mécanisme de transfert de chaleur plus efficace, permettant un taux de chauffage accru qui réduit le facteur temps pour la formation d'écailles. De plus, la comparaison entre l'air-combustible et l'oxy-combustible montre que les caractéristiques de formation d'écailles changent avec l'oxy-combustion. L'échelle formée à la surface de l'acier est en une couche plus mince que celle formée avec le tir air-combustible. La raison du changement de caractéristique d'écaillage est pensée être que l'atmosphère oxy-combustible produit rapidement une couche d'oxide mince et dense qui empêche une oxydation et une formation d'écailles supplémentaires.

Oxy-combustion sans flamme

Ces dernières années, la « combustion oxy-combustible sans flamme » a été employée. L'expression communique l'aspect visuel du type de combustion, c'est-à-dire que la flamme n'est plus visuellement vue ou facilement détectée par l'œil humain. Une autre description pourrait être que la combustion est « étendue » dans le temps et l'espace – elle est répartie dans de grands volumes, et c'est pourquoi elle est parfois appelée « combustion volumique ». Une telle flamme a une température uniforme et plus basse, tout en contenant la même quantité d'énergie.

Dans la combustion oxy-combustible sans flamme, la flamme est diluée par les gaz chauds du four. Cela réduit la température de flamme pour éviter la création de NOx thermiques et pour obtenir un chauffage plus homogène de l'acier.

Dans l'oxy-combustion sans flamme, le mélange de combustible et d'oxydant réagit uniformément à travers le volume de flamme, le taux étant contrôlé par les pressions partielles des réactifs et leur température. Les brûleurs oxy-combustibles sans flamme dispersent efficacement les gaz de combustion dans tout le four, assurant un chauffage plus efficace et uniforme du matériau même avec un nombre limité de brûleurs installés – la flamme dispersée contient toujours la même quantité d'énergie mais est répartie sur un volume plus grand. La température de flamme plus basse réduit considérablement la formation de NOx. La faible émission de NOx est également importante d'un point de vue du réchauffement climatique ; le NO₂ a un potentiel de réchauffement climatique global presque 300 fois supérieur à celui du CO₂. De plus, l'utilisation de combustibles à faible pouvoir calorifique est réalisable, ce qui a été souligné récemment, par exemple en utilisant le gaz de tête de haut fourneau.

Les brûleurs oxy-combustibles ont toujours été puissants et compacts, et la nouvelle génération de brûleurs oxy-combustibles sans flamme a conservé sa conception compacte pour faciliter l'échange des brûleurs oxy-combustibles déjà installés et pour une rénovation facile des installations air-combustibles. De plus, la combustion oxy-combustible sans flamme n'ajoute pas seulement d'autres avantages, mais ouvre la voie à de nouvelles applications, toutes soutenant une diminution substantielle de l'impact environnemental.

Dans les aciéries où la technologie de combustion oxy-combustible a déjà été mise en œuvre, les résultats suivants sont obtenus :

• Amélioration de la capacité de débit du four de réchauffage jusqu'à 50 %
• Économie de consommation de combustible jusqu'à 50 %
• Diminution des émissions de CO₂ jusqu'à 50 %
• Quantité moindre d'émissions de NOx
• Réduction de la perte d'écaillage pendant le réchauffage
• Aucun impact négatif sur la qualité de surface de l'acier
• Impact positif sur l'uniformité de la température de l'acier
• Il est possible d'atteindre plus facilement la courbe de chauffage idéale suggérée par le système de contrôle
• Il y a moins de fumée émanant de la cheminée du four, ce qui améliore grandement l'environnement de l'usine.