Récupération efficace de la chaleur perdue pour des opérations industrielles durables

Récupération de la chaleur perdue

La chaleur perdue est la chaleur générée dans un processus par la combustion de combustible ou par une réaction chimique, puis rejetée dans l'environnement sans être utilisée à des fins pratiques. Les sources de chaleur perdue comprennent les gaz de combustion chauds rejetés dans l'atmosphère, les gaz de procédé, les pertes conductives, convectives et radiatives des équipements et des produits chauffés quittant divers processus industriels (coke chaud, métal chaud, acier liquide, produits laminés à chaud, etc.), et le transfert de chaleur depuis les surfaces d'équipements chauds (chaleur transférée à l'eau de refroidissement).

La récupération de chaleur perdue consiste en la capture et la réutilisation de la chaleur perdue des processus industriels pour le chauffage ou pour la génération de travail mécanique ou électrique. Les utilisations typiques incluent le préchauffage de l'air de combustion, le préchauffage du gaz de combustible, le préchauffage de l'eau d'alimentation de chaudière, le préchauffage des matières premières, la génération de vapeur de procédé, et la production de vapeur pour la production d'énergie, etc. L'idée de base derrière la récupération de la chaleur perdue est d'essayer de récupérer un maximum de chaleur dans l'usine et de la réutiliser autant que possible, au lieu de la rejeter simplement dans l'environnement (air ou rivière voisine).

La chaleur perdue est inhérente à tous les processus de fabrication. Pendant les processus de fabrication industriels, environ 20 % à 50 % de l'énergie consommée est finalement perdue via la chaleur perdue contenue dans les flux de gaz d'échappement chauds et de liquides, ainsi que par conduction, convection et rayonnement depuis la surface des équipements chauds ainsi que depuis les produits chauffés. La récupération de chaleur perdue est une approche alternative précieuse pour améliorer l'efficacité énergétique globale des fours industriels. L'efficacité énergétique qui peut être atteinte grâce à la récupération de chaleur perdue se situe normalement entre 10 % et 50 %.

Le fait essentiel n'est pas la quantité de chaleur, mais plutôt sa valeur. Le mécanisme pour récupérer la chaleur inutilisée dépend de la température des fluides de chaleur perdue et de l'économie impliquée. Les technologies de récupération de chaleur perdue réduisent fréquemment les coûts d'exploitation des installations en augmentant leur productivité énergétique. La chaleur perdue capturée et réutilisée est un substitut sans émission pour les combustibles ou l'électricité achetés à prix élevé.

La Fig. 1 montre le flux d'énergie typique sans et avec récupération de chaleur.

Fig. 1 Flux d'énergie typique sans et avec récupération de chaleur

Trois composants essentiels nécessaires pour la récupération de chaleur perdue sont : (i) une source accessible de chaleur perdue telle que les gaz d'échappement de combustion, les gaz d'échappement de procédé, les gaz chauds des fours, l'eau de tour de refroidissement, etc., (ii) une technologie de récupération telle que régénérateur, récupérateur, économiseur, chaudière à chaleur perdue, générateur thermoélectrique, etc., et (iii) une utilisation pour l'énergie récupérée telle que le préchauffage de l'eau d'alimentation de chaudière, des matières premières et de l'air de combustion, la génération de vapeur et/ou d'énergie électrique, et le préchauffage des gaz de combustion à faible pouvoir calorifique comme le gaz de haut fourneau, etc.

Équipements de récupération de chaleur perdue

Il existe plusieurs équipements de récupération de chaleur utilisés dans une aciérie. Les principaux sont donnés ci-dessous. Les échangeurs de chaleur sont le plus couramment utilisés pour transférer la chaleur des gaz d'échappement de combustion à l'air de combustion entrant dans le four. Comme l'air de combustion préchauffé entre dans le four à une température plus élevée, moins d'énergie doit être fournie par le combustible. Les technologies typiques utilisées pour le préchauffage de l'air sont données ci-dessous.

• Récupérateurs – Les récupérateurs récupèrent la chaleur perdue des gaz d'échappement dans des applications à température moyenne à élevée. Les récupérateurs peuvent être basés sur le principe de transfert de chaleur par rayonnement, convection, ou combinaisons. Les récupérateurs sont construits soit en matériaux métalliques, soit en céramique. Les récupérateurs métalliques sont utilisés dans des applications avec des températures inférieures à 1050 °C, tandis que la récupération de chaleur à des températures plus élevées est mieux adaptée aux récupérateurs à tubes céramiques qui peuvent fonctionner avec des températures côté chaud allant jusqu'à 1500 °C et des températures côté froid d'environ 950 °C.
• Régénérateurs – Les régénérateurs consistent en deux chambres de « damier » en briques à travers lesquelles l'air chaud et froid circulent alternativement. Au fur et à mesure que les gaz d'échappement de combustion passent à travers une chambre, les briques absorbent la chaleur du gaz de combustion et leur température augmente. Après que les briques ont absorbé la chaleur, le flux est ensuite modifié de sorte que l'air de combustion entrant passe à travers le damier chaud, qui transfère la chaleur à l'air de combustion entrant dans le four. Un minimum de deux chambres est utilisé pour que pendant que l'une absorbe la chaleur des gaz d'échappement, l'autre transfère la chaleur à l'air de combustion. La direction du flux d'air est modifiée à intervalles de temps fixes. Les régénérateurs sont spécialement adaptés aux applications à haute température avec des gaz d'échappement sales. Un inconvénient majeur est la grande taille et les coûts en capital, qui sont significativement plus élevés que ceux des récupérateurs.
• Préchauffeurs d'air passifs – Ce sont des dispositifs de récupération de chaleur gaz-gaz pour des applications à basse et moyenne température où la contamination croisée entre les flux de gaz doit être évitée. Les préchauffeurs passifs sont généralement de deux types : (i) type à plaques et (ii) type à caloduc. Le préchauffeur à plaques consiste en plusieurs plaques parallèles qui créent des canaux séparés pour les flux de gaz chauds et froids. Les flux chauds et froids alternent entre les plaques et permettent des zones significatives pour le transfert de chaleur. L'échangeur de chaleur à caloduc se compose de plusieurs tubes avec des extrémités scellées. Chaque tube contient une structure de mèche capillaire qui facilite le mouvement du fluide de travail entre les extrémités chaude et froide du tube. Les gaz chauds passent sur une extrémité du caloduc, provoquant l'évaporation du fluide de travail à l'intérieur du tube. Les gradients de pression le long du tube font déplacer la vapeur chaude vers l'autre extrémité du tube, où elle se condense et transfère la chaleur au gaz froid. Le condensat revient ensuite au côté chaud du tube par action capillaire.
• Brûleurs récupératifs ou régénératifs – Les brûleurs qui intègrent des systèmes récupératifs ou régénératifs sont plus simples et plus compacts dans la conception et la construction que des récupérateurs ou régénérateurs autonomes. Ces systèmes offrent une efficacité énergétique accrue par rapport aux brûleurs fonctionnant avec de l'air ambiant. Un brûleur auto-récupératif incorpore des surfaces d'échange de chaleur dans la conception du corps du brûleur afin de capter l'énergie des gaz de combustion sortants, qui repassent à travers le corps. Les brûleurs auto-régénératifs font passer les gaz d'échappement à travers le corps du brûleur dans un boîtier de média réfractaire et fonctionnent par paires de manière similaire à un régénérateur. Généralement, les systèmes de brûleurs récupératifs ont moins de surface d'échange de chaleur et les systèmes de brûleurs régénératifs une masse plus faible que les unités autonomes. Par conséquent, leur récupération d'énergie est moindre, mais leurs coûts inférieurs et leur facilité de rétrofit en font une alternative attrayante pour la récupération d'énergie.
• Échangeurs de chaleur à tube et calandre – Lorsque le milieu contenant la chaleur perdue est un liquide ou une vapeur qui chauffe un autre liquide, l'échangeur de chaleur à tube et calandre est normalement utilisé car les deux chemins doivent être étanches pour contenir les pressions de leurs fluides respectifs. La calandre contient le faisceau de tubes, et généralement des déflecteurs internes, pour diriger le fluide dans la calandre sur les tubes en plusieurs passes. La calandre est intrinsèquement plus faible que le tube, donc le fluide à haute pression est fait circuler dans les tubes tandis que le fluide à basse pression traverse la calandre. Lorsque une vapeur contient la chaleur perdue, elle se condense généralement, cédant sa chaleur latente au liquide chauffé. Dans cette application, la vapeur est presque invariablement contenue dans la calandre. Si l'inverse est tenté, la condensation des vapeurs dans de petits tubes parallèles cause des instabilités d'écoulement. Les échangeurs de chaleur à tube et calandre sont disponibles dans une large gamme de tailles standard avec de nombreuses combinaisons de matériaux pour les tubes et les calandres.
• Échangeur de chaleur à tubes à ailettes ou économiseur – L'échangeur de chaleur à tubes à ailettes est utilisé pour récupérer la chaleur des gaz d'échappement à basse et moyenne température pour chauffer des liquides. Les applications incluent le préchauffage de l'eau d'alimentation de chaudière et des liquides de procédé chauds, etc. Le tube à ailettes se compose d'un tube rond avec des ailettes attachées qui maximisent la surface et les taux de transfert de chaleur. Le liquide circule à travers les tubes et reçoit la chaleur des gaz chauds circulant à travers les tubes. Un échangeur à tubes à ailettes où les gaz d'échappement de chaudière sont utilisés pour le préchauffage de l'eau d'alimentation est généralement appelé économiseur de chaudière.
• Chaudière à chaleur perdue – La chaudière à chaleur perdue est une chaudière à tubes d'eau qui utilise des gaz d'échappement à température moyenne à élevée pour générer de la vapeur. Les chaudières à chaleur perdue sont disponibles dans une variété de capacités permettant des admissions de gaz allant de 30 à 25 000 m³/min. Dans les cas où la chaleur perdue n'est pas suffisante pour produire les niveaux de vapeur désirés, des brûleurs auxiliaires ou un post-combusteur sont généralement ajoutés pour obtenir un rendement de vapeur plus élevé. La vapeur peut être produite pour des fins de procédé ou pour la production d'énergie. La génération de vapeur surchauffée nécessite normalement l'ajout d'un surchauffeur externe à la chaudière.
• Préchauffage de la charge – Cela fait référence à l'utilisation de la chaleur perdue quittant un système pour préchauffer la charge entrant dans le système. L'exemple le plus courant est le préchauffage de l'eau d'alimentation de chaudière, où un économiseur transfère la chaleur des gaz d'échappement de combustion chauds à l'eau entrant dans la chaudière. D'autres applications utilisent le transfert de chaleur direct entre les gaz d'échappement de combustion et les matériaux solides entrant dans les différents fours.
• Pompes à chaleur – La chaleur perdue est parfois disponible à une température inférieure à l'exigence de charge potentielle. Dans un tel cas, une mise à niveau de la chaleur perdue est nécessaire. La mise à niveau de la chaleur perdue fait référence à l'augmentation du niveau d'énergie d'un flux de chaleur perdue afin qu'il puisse effectuer une fonction utile qui sinon pourrait être réalisée. Cela est accompli par l'utilisation de pompes à chaleur ou par compression de vapeur directe lorsque la chaleur perdue est disponible sous forme de vapeur. La majorité des pompes à chaleur fonctionnent sur le principe du cycle de compression de vapeur. Dans ce cycle, la substance circulante est physiquement séparée de la source (chaleur perdue, à une température T_in) et de l'utilisateur (chaleur à utiliser dans le processus, T_out), et est réutilisée de manière cyclique, donc appelée pompe à chaleur à cycle fermé.

Les avantages de la chaleur perdue peuvent être classés en deux catégories : (i) avantages directs, (ii) avantages indirects.

• Les avantages directs se reflètent par la réduction de la consommation de ressources et de services publics ainsi que des coûts d'exploitation, car la récupération de chaleur perdue améliore la productivité énergétique du processus et a un effet direct sur l'efficacité du processus. Dans le scénario actuel de changement climatique mondial, le plus grand avantage de la récupération de chaleur perdue est qu'il s'agit d'une source d'énergie sans gaz à effet de serre.
• Les avantages indirects de la récupération de chaleur perdue sont la réduction de la pollution environnementale, la réduction de la consommation d'énergie pour les usages auxiliaires et la réduction de la taille des équipements. La récupération de chaleur perdue réduit la consommation de combustible, ce qui entraîne une réduction des gaz de combustion produits. Cela se traduit par une réduction de la taille des équipements de tous les équipements de manutention des gaz de combustion tels que ventilateurs, cheminées, conduits, brûleurs, etc. La réduction de la taille des équipements apporte des avantages supplémentaires sous forme de réduction de la consommation d'énergie auxiliaire comme l'électricité pour les ventilateurs, pompes, etc.

Les autres aspects du système de récupération de chaleur perdue sont qu'il y a besoin d'espace supplémentaire, de capital et de coûts d'exploitation qui doivent être justifiés par les gains en termes de chaleur récupérée.

Les technologies de récupération de chaleur perdue, bien qu'actuellement employées à des degrés divers dans de nombreux endroits dans les aciéries, font face à des barrières techniques et économiques qui entravent leur application plus large. Bien que de nombreuses technologies soient déjà bien développées pour la récupération de chaleur perdue (ex. récupérateurs et régénérateurs, etc.), il reste le défi que ces technologies ne sont pas toujours économiques pour une application donnée (ex. application avec des flux d'échappement sales).

Il existe de nombreuses barrières qui impactent l'économie et l'efficacité des équipements de récupération de chaleur et entravent leur installation plus large. Beaucoup de ces barrières sont interreliées, mais peuvent généralement être classées comme liées au coût, aux restrictions de température, à la composition chimique, aux spécificités d'application, et à l'inaccessibilité/transportabilité des sources de chaleur.

Les pratiques actuelles adoptées pour la récupération de chaleur perdue montrent que la chaleur perdue est normalement récupérée à partir de sources de chaleur perdue propres, à haute température, dans des systèmes de grande capacité. Donc, il y a des opportunités disponibles dans l'optimisation des systèmes existants, le développement de technologies pour les systèmes chimiquement corrosifs, la récupération de chaleur à partir de sources de chaleur non fluides, et la récupération de chaleur perdue à basse température.

Bien que l'économie limite souvent la faisabilité de la récupération de chaleur perdue à basse température, il existe diverses applications où la chaleur perdue de bas grade a été récupérée de manière rentable pour une utilisation dans des installations industrielles. Une grande quantité de chaleur perdue industrielle n'est disponible que dans la gamme de basse température. Par exemple, les systèmes de combustion tels que les chaudières utilisent fréquemment des technologies de récupération qui évacuent les gaz dans la plage de température de 120 °C à 150 °C. De plus, de grandes quantités de chaleur perdue peuvent être trouvées dans l'eau de refroidissement industrielle et l'air de refroidissement. Une aciérie intégrée au Japon a installé une centrale de production d'énergie d'une capacité de 3,5 MW utilisant de l'eau de refroidissement à seulement 98 °C.

Dans le cas des gaz d'échappement de combustion, une chaleur substantielle peut être récupérée si la vapeur d'eau contenue dans les gaz est refroidie à des températures plus basses. Des limites de température minimales autour de 120 °C à 150 °C sont fréquemment employées afin d'empêcher l'eau dans les gaz d'échappement de se condenser et de déposer des substances corrosives sur la surface de l'échangeur de chaleur. Cependant, refroidir davantage le gaz de combustion pourrait augmenter significativement la récupération de chaleur en permettant la récupération de la chaleur latente de vaporisation. Cette chaleur latente comprend une partie importante de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement. Les technologies qui peuvent minimiser l'attaque chimique tout en refroidissant les gaz d'échappement en dessous du point de condensation peuvent réaliser des augmentations significatives de l'efficacité énergétique via la récupération de la chaleur latente d'évaporation.

Actuellement, la récupération de chaleur à basse température fait face à au moins trois défis : (i) corrosion de la surface de l'échangeur de chaleur, (ii) grandes surfaces d'échange de chaleur requises pour le transfert de chaleur, et (iii) trouver une utilisation pour la chaleur à basse température.

Des technologies sont disponibles qui peuvent refroidir les gaz en dessous des températures de point de rosée pour récupérer la chaleur perdue à basse température. Ces technologies comprennent les économiseurs profonds, la récupération par condensation à contact indirect, la récupération par condensation à contact direct, et les condenseurs à membrane de transport récemment développés. La commercialisation de ces technologies a été limitée en raison des coûts élevés et parce que les installations manquent d'une utilisation finale pour la chaleur récupérée. Lorsque les installations manquent d'une utilisation finale pour la chaleur perdue, certaines ont trouvé d'autres moyens de récupération, y compris les pompes à chaleur et la production d'énergie à basse température. L'utilisation de ces technologies est également fréquemment limitée par des contraintes économiques.