Brûleurs de fours de réchauffage : types, efficacité et impact environnemental

Types de brûleurs dans les fours de réchauffage

Actuellement, l'industrie sidérurgique fait face à des défis majeurs : la réduction continue des émissions environnementales tout en améliorant la viabilité économique des processus. Les fours de réchauffage, en raison de leur forte consommation d'énergie, sont un domaine où l'attention de l'industrie sidérurgique est nécessaire. Ce sont des équipements importants qui contribuent à la productivité et à l'efficacité énergétique de l'usine sidérurgique.

Les fours de réchauffage modernes sont des fours à poutre mobile où les poutres soulèvent le matériau en acier à charger (billettes, blumes ou brames) à l'intérieur du four et le déplacent à la position suivante. Le chauffage est effectué dans ces fours par combustion directe du combustible à la fois au-dessus et au-dessous du matériau en acier chargé, en utilisant des brûleurs de voûte (pour chauffer la voûte qui rayonne ensuite la chaleur vers le matériau en acier chargé) et/ou des brûleurs à flamme longue (parois latérales et/ou paroi frontale). Les combustibles couramment utilisés dans les fours de réchauffage sont le gaz mélangé à faible pouvoir calorifique (gaz de haut fourneau mélangé au gaz de cokerie et au gaz de convertisseur), gaz de cokerie, fioul lourd, fioul lourd à faible teneur en soufre (LSHS), ou gaz naturel.

Les paramètres importants pour un four de réchauffage incluent le système de combustion composé du combustible utilisé, de l'alimentation et de la condition technologique de l'air de combustion, les brûleurs et leur emplacement pour une bonne distribution de la chaleur, le préchauffage de l'air de combustion et du gaz de combustible, le système de récupération de chaleur perdue, le ratio air/combustible, le contrôle de la tirage du four, le système d'échappement du four, et le système de mesure et de contrôle des paramètres du four. Le système de combustion du four, outre le soutien du niveau de productivité requis du four, assure une utilisation efficace de l'apport de chaleur, des pertes de chaleur moindres, une récupération efficace de la chaleur perdue, un dommage minimal aux réfractaires du four, et une génération plus faible de gaz à effet de serre, en particulier les NOx. Le système de combustion du four assure également une atmosphère de four qui minimise la formation d'écailles sur la surface de l'acier.

Les systèmes de récupération de chaleur ont été largement utilisés dans les aciéries afin de réduire les pertes de chaleur des gaz d'échappement des fours de réchauffage. Comme la perte de chaleur des gaz d'échappement représente un pourcentage élevé de la perte thermique, l'efficacité du four est améliorée et la consommation de combustible est réduite par l'utilisation d'un système de récupération de chaleur. Deux types de systèmes de récupération de chaleur sont normalement employés : le système centralisé et le système distribué. Le système centralisé de récupération de chaleur préchauffe l'air de combustion avec un récupérateur métallique par la chaleur des gaz d'échappement et est actuellement largement utilisé. Cependant, la température maximale d'air préchauffé atteignable par cette méthode est d'environ 600 °C avec une température de four d'environ 1300 °C en raison des limitations de température des matériaux. Le système distribué de récupération de chaleur consiste en un système de brûleurs régénératifs de type commuté avec l'utilisation de billes en céramique (généralement de l'alumine) comme milieu régénératif. Il fournit une température d'air préchauffé plus élevée que celle du système centralisé.

Les brûleurs utilisés dans les fours de réchauffage constituent un aspect important qui décide de l'efficacité énergétique du four de réchauffage. Différentes spécifications d'acier nécessitent différents profils de température dans le four de réchauffage. Donc, pour une bonne distribution de la chaleur à l'intérieur du four, il est important que les brûleurs aient de la flexibilité afin que le personnel d'exploitation puisse adapter les paramètres de combustion aux diverses conditions de processus. Les brûleurs doivent avoir un bon ratio de modulation, de faibles capacités NOx et une haute efficacité.

L'agencement des brûleurs dans un four de réchauffage est également très important pour les caractéristiques de chauffage du four. Selon la position des brûleurs dans le four, les arrangements sont classés en trois méthodes de chauffage : (i) Utilisation de brûleurs à flux axial dans la paroi frontale, (ii) utilisation de brûleurs latéraux dans les parois latérales, et (iii) utilisation de brûleurs radiants à flamme plate dans la voûte. Chaque méthode de chauffage a ses propres caractéristiques. Une méthode de chauffage particulière ou une combinaison de méthodes est adoptée pour un four de réchauffage pour s'adapter aux conditions locales de l'usine sidérurgique. Dans les usines sidérurgiques où plusieurs combustibles sont disponibles, les brûleurs doivent avoir la capacité d'utiliser plusieurs combustibles.

Le four de réchauffage doit être conçu pour garantir que dans un temps donné, le matériau en acier à charger est chauffé uniformément à une température désirée avec la quantité minimale de combustible. Puisque le chauffage est effectué avec l'utilisation de brûleurs, ce qui suit doit être assuré pour une bonne distribution de la chaleur :

• Le tir du four de réchauffage doit être effectué par des brûleurs situés à l'extrémité de décharge du four et situés au-dessus et/ou au-dessous du matériau en acier chargé.
• La flamme ne doit pas toucher ni être obstruée par un objet solide. Toute obstruction provoque la dé-atomisation des particules de combustible, ce qui affecte la combustion et cause de la fumée noire. Si la flamme frappe le matériau en acier chargé, les pertes d'écaillage augmentent. Si la flamme frappe les réfractaires, les produits de combustion incomplète peuvent se déposer et réagir avec les constituants du réfractaire à haute température, causant des dommages aux réfractaires du four.
• Les flammes des différents brûleurs doivent être dégagées les unes des autres, car les flammes qui se croisent provoquent une combustion incomplète. Il est également souhaitable de décaler les brûleurs sur les côtés opposés.
• La flamme du brûleur a tendance à se déplacer librement dans l'espace de combustion juste au-dessus du matériau. Pour cette raison, l'axe du brûleur dans le four ne doit pas être placé parallèlement au foyer mais sous un angle ascendant. Cependant, la flamme ne doit pas frapper le toit du four.
• Les gros brûleurs produisent des flammes plus longues, ce qui est généralement difficile à contenir dans les parois du four. Donc, un grand nombre de brûleurs de capacité moindre sont généralement employés pour assurer une meilleure distribution de la chaleur à l'intérieur du four et aussi pour augmenter la durée de vie du four.

Brûleur à flamme plate

Les brûleurs à flamme plate (BFP) sont généralement utilisés sur le toit du four de réchauffage. En raison de ces brûleurs, un transfert de chaleur radiatif indirect a lieu. La chaleur de la combustion du combustible est transférée au matériau en acier chargé non seulement directement depuis la flamme, mais aussi à travers le revêtement réfractaire de la voûte du four. La flamme, qui est normalement non lumineuse, est caractérisée par une température élevée et une émissivité relativement faible correspondant au rayonnement sélectif du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau. Faute d'impact de flamme sur le matériau en acier chargé, les fours chauffés par BFP sont connus comme des fours à chauffage indirect.

Les brûleurs sont conçus pour étaler la flamme sur la surface du toit en une mince couche. Comme le débit des gaz de combustion dans la direction de l'axe du brûleur est négligeable, la température du toit réfractaire augmente en raison du transfert de chaleur intensif de la flamme vers le toit. Ainsi, le toit réfractaire agit comme la surface rayonnante principale.

L'utilisation de brûleurs à flamme plate est considérée comme appropriée et avantageuse lorsque le matériau en acier chargé dans le four de réchauffage a une grande surface plane, éventuellement parallèle au toit du four et lorsque la température de chauffage du matériau en acier chargé est supérieure à 900 °C. Voici les principaux avantages et inconvénients des fours à brûleurs BFP :

• La distribution de température dans la chambre du four BFP et dans le matériau en acier chargé est plus uniforme. Il y a un contrôle satisfaisant de la température des zones individuelles permettant d'atteindre le rendement nécessaire du four.
• Les taux de chauffage plus rapides, dus aux BFP, diminuent le temps d'exposition du matériau en acier chargé à haute température. Ainsi, l'occurrence d'oxydation de surface ou de phénomènes comme la décarburation et la structure d'acier à gros grains est grandement réduite.
• Une réduction majeure de la consommation de combustible jusqu'à près de 40 % peut être atteinte suite à une diminution de 100 % à 50 % du rendement du four.
• Un mélange intensif du gaz combustible et de l'air de combustion assure une combustion rapide et complète du mélange à une faible valeur d'air en excès.
• Un inconvénient de base du chauffage par le toit est le risque de surchauffe de la surface du matériau en acier chargé suite à un changement soudain du rendement du four.
• Un taux de chauffage excessif au début de la chambre du four peut induire des contraintes thermiques indésirables et des déformations structurelles dans le matériau en acier chargé.

Brûleurs à flamme longue

Une grande variété de brûleurs à flamme longue de diverses caractéristiques et capacités différentes sont disponibles sur le marché. Ces brûleurs sont disponibles en diverses capacités et pour s'adapter à l'utilisation de différents combustibles tels que le fioul, le gaz ou les combustibles multiples.

Dans le four de réchauffage avec brûleurs à flamme longue, puisque la majeure partie du chauffage du matériau en acier chargé se fait par convection, la recirculation des produits de combustion contribue substantiellement à la vitesse de chauffage et à l'uniformité de la température. Les brûleurs à flamme longue produisent des gaz à haute vélocité qui entraînent et recirculent les gaz de combustion pour atteindre l'uniformité de température dans le four avec un minimum d'air en excès.

Les brûleurs sur la paroi frontale du four de réchauffage sont généralement à flamme plus longue, tandis que ceux sur la paroi latérale sont à flamme plus courte et variable. Les brûleurs sur la paroi frontale sont normalement de type combustion à flux axial et nécessitent une large gamme de réglage. Ce sont des brûleurs de grande capacité et ont une limitation de la longueur par zone dans la direction de la longueur du four. L'écoulement des gaz de combustion à l'intérieur du four est doux le long de la longueur du four. Les parties frontales des brûleurs compliquent la structure du four. Avec ces brûleurs, il y a uniformité de chauffage le long de la largeur du four mais la température a tendance à chuter au niveau des parties frontales dans la direction de la longueur du four. La maniabilité est relativement bonne, sauf autour des brûleurs en zone basse où la température est relativement élevée.

Les brûleurs sur la paroi latérale nécessitent une gamme étroite de réglages. Ces brûleurs sont également de grande capacité et ont une limitation dans la direction de la largeur du four. L'écoulement des gaz de combustion a tendance à dériver puisque la direction des brûleurs est à angle droit avec la direction de la longueur du four. Comme il n'y a pas de partie frontale dans ces brûleurs, ils ne compliquent pas la structure du four. Les brûleurs ont une bonne uniformité dans la direction de la longueur du four mais une mauvaise uniformité dans la direction de la largeur du four. La maniabilité est relativement bonne avec ces brûleurs.

Brûleurs régénératifs et récupératifs

Un brûleur régénératif est doté d'un système de récupération de chaleur qui récupère la chaleur perdue des gaz d'échappement du four pour chauffer l'air de combustion nécessaire à la combustion du combustible au brûleur. L'utilisation de brûleurs régénératifs pour les fours de réchauffage peut fournir des économies d'énergie significatives.

Les brûleurs régénératifs sont conçus pour récupérer la chaleur vers l'air d'entrée en transférant la chaleur du gaz d'échappement vers l'air d'entrée qui doit être utilisé dans la combustion. Le brûleur régénératif a deux ensembles de brûleurs chacun avec un régénérateur et une vanne de renversement. Le régénérateur utilise des billes en céramique (généralement de l'alumine) pour collecter la chaleur. Pendant que le premier brûleur régénératif tire, l'autre évacue les gaz du four. Le gaz d'échappement passe à travers le corps du brûleur régénératif et transfère la chaleur aux billes en céramique. Ainsi, la chaleur du gaz d'échappement est transférée à l'air d'entrée car il passe à travers les billes en céramique chauffées. La vanne de renversement définit la direction du flux d'air qui entre dans la tête du brûleur, ce qui rend la température de l'air d'entrée similaire à la température de fonctionnement. En raison d'une température élevée d'air de combustion préchauffé, le brûleur régénératif peut économiser le combustible et faire la combustion avec une haute efficacité.

Dans le cas d'un brûleur récupératif, la structure du brûleur est similaire au tube d'échangeur de chaleur par rayonnement qui chauffe l'air d'entrée jusqu'à une température plus élevée (environ 750 °C) en récupérant la chaleur du gaz d'échappement vers l'air d'entrée. Ainsi, la chaleur échangée dans le brûleur peut améliorer l'efficacité de la combustion et économiser le coût du combustible d'environ 25 % à 30 %.

Le principe du brûleur régénératif est illustré à la Fig. 1. Le premier brûleur est en mode tir tandis que le second est en mode évacuation. Le premier brûleur tire avec l'air de combustion chaud soufflant à travers son brûleur. Le second brûleur reçoit le gaz d'échappement chaud sortant du four vers ses billes en céramique afin de conserver la chaleur dans le brûleur. Ce n'est qu'après avoir cédé sa chaleur que le gaz d'échappement est libéré. Après une période de 30 secondes à une minute, le second brûleur est commuté en mode tir tandis que le premier commence à recevoir le gaz d'échappement chaud. Les modes de tir et de réception du brûleur fonctionnent alternativement et continuellement jusqu'à l'arrêt du four de réchauffage. La haute température d'air préchauffé rend le processus de combustion très efficace.

Le principe du brûleur récupératif est également montré à la Fig. 1. La température de l'air d'entrée est préchauffée avant la combustion dans le four par la technique d'échange de chaleur. Le gaz d'échappement circule à travers le brûleur équipé d'un échangeur de chaleur installé à l'intérieur du brûleur. La chaleur du gaz d'échappement est échangée vers l'air d'entrée avant qu'il ne sorte du brûleur. Le gaz d'échappement circule dans la zone autour de l'extérieur du brûleur et la chaleur est échangée à l'intérieur du brûleur.

Fig. 1 Principes des systèmes de brûleurs régénératifs et récupératifs

Brûleurs oxy-combustibles

L'oxy-combustible désigne la pratique consistant à remplacer totalement l'air comme source d'oxydant pour la combustion par de l'oxygène de qualité industrielle. La combustion oxy-combustible réduit ou élimine l'azote dans l'air de combustion et réduit substantiellement la chaleur perdue évacuée avec les gaz de combustion. Les brûleurs oxy-combustibles peuvent être utilisés dans les fours de réchauffage à haute température où l'uniformité de la température est critique et où des émissions de NOx extrêmement faibles sont souhaitées.

L'avantage général de remplacer l'air par de l'oxygène de qualité industrielle est que la teneur en azote présente dans l'air apportée au processus de combustion 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.

Les avantages de l'utilisation de l'oxy-combustible par rapport à la combustion air-combustible sont : (i) réduction de la consommation d'énergie, (ii) augmentation du taux de chauffage entraînant une production plus élevée sans augmentation du point de consigne de température du four, et (iii) réduction des émissions du four.

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-combustible 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.

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-combustible 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.