Technologies Avancées de Récupération de Chaleur Fatale

La chaleur fatale est l'énergie associée aux flux résiduels d'air, gaz d'échappement et/ou produits de procédé qui quittent un processus pour entrer dans l'atmosphère. C'est l'énergie générée dans divers processus et non utilisée concrètement, perdue ou gaspillée dans l'atmosphère. C'est l'énergie rejetée par un processus à une température assez élevée pour permettre la récupération économique d'une fraction pour des usages utiles.

Dans la définition, il est implicite que les flux véhiculant la chaleur se mélangent à l'air atmosphérique ou aux eaux souterraines et que l'énergie contenue devient indisponible comme énergie utile. L'absorption de cette énergie par l'environnement est souvent appelée pollution thermique.

La récupération de chaleur fatale peut être réalisée par différentes technologies (RCH - récupération de chaleur fatale) pour fournir des sources d'énergie précieuses et réduire la consommation globale. Plusieurs technologies RCH sont disponibles pour capturer et récupérer cette chaleur.

Une quantité considérable d'énergie dans les processus industriels est gaspillée sous forme de chaleur : gaz d'échappement, flux d'air, liquides/solides quittant le processus. Il n'est pas techniquement et économiquement faisable de récupérer toute la chaleur. L'usage accru des technologies RCH sert aussi à atténuer les émissions de gaz à effet de serre (GES).

Les technologies RCH consistent à capter et transférer la chaleur fatale d'un processus (gaz, liquide, solide) vers le système comme source d'énergie supplémentaire. Cette source peut créer de la chaleur additionnelle ou générer de l'énergie électrique et mécanique. La chaleur fatale peut être rejetée à toute température. Généralement, plus la température est élevée, plus la qualité est haute et plus l'optimisation du processus RCH est aisée. Il est donc important de découvrir la quantité maximale de chaleur récupérable au potentiel le plus élevé et d'assurer l'efficacité maximale du système RCH.

Sources de chaleur fatale : pertes par conduction, convection, rayonnement depuis produits, équipements, processus ; chaleur évacuée des processus de combustion. Les pertes de chaleur se classent en : (i) haute température (> 400 °C), (ii) moyenne (100-400 °C), (iii) basse (< 100 °C). Technologies RCH disponibles pour chaque type pour une efficacité optimale.

La haute température (> 400 °C) provient généralement de processus de combustion directs, la moyenne (100-400 °C) des gaz d'échappement d'unités de combustion, la basse (< 100 °C) des pièces, produits et équipements d'unités de processus.

Selon le type et la source, pour justifier quel système RCH utiliser, il est essentiel d'examiner la quantité et la qualité de chaleur récupérable. Trois paramètres importants pour quantifier la chaleur fatale : (i) quantité, (ii) qualité, (iii) disponibilité temporelle.

Quantité : calculée par Q = V × d × Cp × (T1-T2). Q = contenu thermique, V = débit du fluide porteur, d = densité, Cp = chaleur spécifique, (T1-T2) = différence de température entre sortie finale (T2) et entrée initiale (T1). Aussi exprimable en flux d'enthalpie : H = m × h (H = taux d'enthalpie total, m = débit massique, h = enthalpie spécifique).

Qualité : s'exprime grossièrement par la température du flux résiduel. Plus la température est haute, plus la chaleur est disponible. RCH depuis sources basse température (ex. eau de refroidissement machines, condenseurs) est plus difficile, impliquant typiquement pompes à chaleur pour élever la température à un niveau récupérable.

Disponibilité temporelle : mesure de la disponibilité de la chaleur fatale aux moments où elle est nécessaire. Adapter la disponibilité à la charge finale est crucial pour l'efficacité. L'utilité dépend non seulement de la quantité mais aussi de l'adéquation de la qualité aux besoins de la charge potentielle et de la disponibilité aux moments requis.

RCH rentable = identification de sources de chaleur fatale de qualité, quantité et disponibilité temporelle suffisantes, et de charges thermiques pouvant réutiliser la chaleur récupérée. Plusieurs procédés en gamme basse-moyenne peuvent réutiliser la chaleur, dans diverses industries. Ex. : certaines opérations de distillation idéales pour systèmes à pompe à chaleur en boucle ouverte recompressant mécaniquement la vapeur de tête qui condense dans le réchauffeur où elle vaporise le produit de fond. Ces applications impliquent typiquement de faibles différences de température et sont souvent plus rentables que combustion pour chauffer le réchauffeur et tour de refroidissement pour rejeter la chaleur du distillat.

L'évaluation de la faisabilité RCH nécessite la caractérisation de la source et du flux receveur. Paramètres importants du flux : (i) quantité de chaleur, (ii) température/qualité, (iii) composition, (iv) température minimale autorisée, (v) horaires de fonctionnement, disponibilité, logistique. Ces paramètres permettent d'analyser qualité/quantité et donnent un aperçu des limitations matériaux/design. Ex. : corrosion des milieux de transfert est une préoccupation majeure même si qualité/quantité acceptables.

Options et technologies RCH

Approches : (i) transfert chaleur entre gaz/liquides, (ii) transfert vers charge entrant fours, (iii) génération énergie mécanique/électrique, (iv) pompe à chaleur pour chauffage/refroidissement. Terminologie variable selon industries. Technologies majeures décrites ci-dessous.

Échangeurs de chaleur

Normalement utilisés pour transférer chaleur des gaz d'échappement de combustion vers l'air de combustion entrant le four. L'air préchauffé entrant à plus haute température, moins d'énergie fournie par le combustible. Technologies courantes pour préchauffage air : récupérateurs, régénérateurs de four, régénérateurs de brûleur, régénérateurs rotatifs, préchauffeurs passifs.

Récupérateur

Récupèrent chaleur fatale gaz d'échappement en applications moyenne-haute température. Basés sur rayonnement, convection, ou combinaison.

• Récupérateur par rayonnement simple : deux conduits concentriques. Gaz chauds dans conduit intérieur, transfert principalement par rayonnement vers paroi et air froid entrant dans enveloppe externe. Air préchauffé vers brûleurs.
• Récupérateur convectif ou tubulaire : gaz chauds dans tubes petit diamètre dans enveloppe. Air entrant dans enveloppe, bafflé autour des tubes, récupère chaleur.
• Récupérateur combiné rayonnement/convection : section rayonnement suivie de convection pour maximiser efficacité.

Construction : matériaux métalliques ou céramiques. Métalliques : applications < 1 100 °C. Céramiques : mieux pour températures plus hautes, côté chaud jusqu'à 1 550 °C, côté froid ~1 000 °C.

Régénérateur

Deux types : (i) régénérateurs de four, (ii) régénérateurs rotatifs ou roue thermique.

Régénérateur de four : fours régénératifs = deux chambres à damier de briques où air chaud/froid alternent. Gaz d'échappement traversent une chambre, briques absorbent chaleur, température monte. Flux d'air inversé : air de combustion entrant traverse le damier chaud, transférant chaleur. Deux chambres : pendant qu'une absorbe la chaleur des gaz, l'autre transfère à l'air. Sens d'écoulement inversé après intervalle. Fréquemment utilisés avec fours à coke, historiquement avec fours à foyer ouvert (aciérie). Aussi pour préchauffer l'air chaud des poches à air (blast stoves) en sidérurgie. Mais là, ce n'est pas récupération de chaleur fatale, mais transfert de chaleur de combustion vers air chaud. Régénérateurs adaptés aux applications haute température avec gaz sales. Inconvénient majeur : grande taille et coûts capitaux élevés.

Régénérateurs rotatifs : fonctionnement similaire aux fixes : stockage chaleur dans milieu poreux, alternance flux gaz chaud/froid. Aussi appelés préchauffeurs d'air ou roues thermiques. Disque poreux rotatif entre deux tuyaux parallèles : gaz chaud et gaz froid. Disque en matériau haute capacité thermique, tourne entre les tuyaux, transfère chaleur du gaz chaud vers gaz froid. Roues thermiques généralement limitées aux applications basse-moyenne température du fait des contraintes thermiques. Grandes différences de température = dilatation différentielle, déformations, compromettant l'étanchéité. Roues céramiques possibles pour plus hautes températures. Défi : contamination croisée entre flux gazeux, contaminants transportés dans matériau poreux.

Avantage : peut récupérer humidité et chaleur de flux gazeux propres. Avec matériaux hygroscopiques, humidité transférée d'un tuyau à l'autre. Utile en conditionnement d'air : air entrant chaud humide transfère chaleur et humidité à air sortant froid. Outre chauffage/climatisation, utilisé limité en applications moyenne température.

Préchauffeurs passifs d'air

Équipements récupération gaz-gaz pour usages basse-moyenne température où contamination croisée entre flux doit être évitée. Deux types : (i) type plaques, (ii) caloduc (heat pipe).

• Type plaques : plaques parallèles multiples créant canaux séparés pour flux chaud/froid. Flux alternent entre plaques, grandes surfaces de transfert. Moins sensibles à contamination que roues, mais plus encombrants, coûteux, sujets à encrassement.
• Échangeur caloduc : plusieurs tubes à extrémités scellées. Chaque tube contient structure capillaire facilitant mouvement fluide entre extrémités chaud/froid. Gaz chauds passent sur une extrémité, fluide s'évapore. Gradients de pression font monter vapeur vers autre extrémité, où elle condense et cède chaleur au gaz froid. Condensat revient côté chaud par action capillaire.

Brûleurs régénératifs/récupératifs

Intègrent systèmes régénératifs/récupératifs. Design plus simple, compact que fours régénératifs ou récupérateurs autonomes. Efficacité énergétique accrue vs brûleurs air ambiant. Brûleur auto-récupérateur : surfaces d'échange intégrées au corps pour capter énergie des fumées sortantes repassant par le corps. Brûleurs auto-régénératifs : gaz d'échappement passent dans corps vers milieu réfractaire, fonctionnent par paires comme four régénératif. Typiquement, systèmes récupératifs = moins de surface d'échange, régénératifs = moins de masse que unités autonomes. Récupération moindre mais coûts moindres et facilité de retrofit les rendent attractifs.

Échangeurs tubulaires à ailettes / économiseurs

Récupèrent chaleur de gaz d'échappement basse-moyenne température pour chauffer liquides. Tube à ailettes : tube rond avec ailettes fixées maximisant surface et taux de transfert. Liquide circule dans tubes, reçoit chaleur des gaz chauds traversant les tubes. Échangeur à ailettes où gaz de chaudière préchauffent l'eau d'alimentation = économiseur de chaudière.

Chaudière à chaleur fatale

Chaudière à tubes d'eau utilisant gaz d'échappement moyenne-haute température pour générer vapeur. Disponibles en diverses capacités : entrées gaz 1 500-1,5 million m³/h. Si chaleur fatale insuffisante pour vapeur désirée, brûleurs auxiliaires ou post-combustion ajoutés. Vapeur pour chauffage processus ou production électricité. Vapeur surchauffée nécessite surchauffeur externe.

Préchauffage de la charge

Tout effort d'utiliser chaleur fatale sortante pour préchauffer charge entrante. Exemple courant : préchauffage eau d'alimentation chaudière, économiseur transférant chaleur gaz combustion vers eau entrante. Autres applications : transfert direct chaleur gaz combustion vers matériaux solides entrant le four.

Si préchauffage eau chaudière est pratique standard, préchauffage charge avant fusion en systèmes à feu direct moins répandu. Raisons : difficultés contrôle qualité, émissions environnementales, complexité/coût accrus de systèmes chargement/récupération avancés. Néanmoins, récupération via préchauffage charge reçoit attention accrue. Technologies et barrières varient selon type four et charge.

Options et technologies récupération basse température

Si économie limite souvent faisabilité RCH basse température, plusieurs applications où chaleur fatale bas grade récupérée rentablement. Grandes quantités disponibles 40-200 °C, défis inhérents nécessitant investigation approfondie.

La plupart de la chaleur fatale industrielle est basse température. Ex. : systèmes combustion (chaudières) rejettent gaz ~150-180 °C. Grandes quantités dans eau et air de refroidissement. Ex. : refroidissement compresseurs d'air seul = quantité substantielle/an. Une usine sidérurgie intégrée (ISP) au Japon a installé centrale 3,5 MW utilisant eau refroidissement à seulement 98 °C.

Pour gaz combustion, chaleur considérable récupérable si vapeur d'eau refroidie à basses températures. Limites minimales ~120-150 °C souvent employées pour éviter condensation eau et dépôts corrosifs sur surface échangeur. Mais refroidir plus loin augmente considérablement récupération en permettant récupération chaleur latente de vaporisation. Chaleur latente = portion significative de l'énergie dans gaz. Technologies minimisant attaque chimique en refroidissant sous point de rosée = gains substantiels d'efficacité via récupération chaleur latente. Figure 1 : récupération énergie avec différentes températures sortie cheminée. Refroidissement 150→60 °C = +3 % efficacité. Refroidissement 38 °C = capture portion chaleur latente = +11 % efficacité.

Défis de la récupération basse température

• Corrosion surface échangeur : vapeur d'eau se condense, dépôts solides/liquides corrosifs. Échangeur doit résister : matériaux avancés ou remplacement fréquent composants, souvent antéconomique.
• Grandes surfaces d'échange nécessaires : taux transfert fonction conductivité matériau, différence température entre fluides, surface échangeur. Basse température = gradient plus faible = surfaces plus grandes = limite économie.
• Nécessité d'un besoin chaleur basse température : récupération n'a sens que si besoin dans l'usine. Usages : chauffage processus basse température. Options : pompe à chaleur pour « upgrader » vers température supérieure. Technologies production électricité basse température émergent lentement.

Technologies échange basse température

Technologies pour refroidir gaz sous point de rosée : économiseurs profonds, récupération condensation contact indirect, contact direct, condenseurs à membrane de transport (récents). Commercialisation limitée : coûts élevés, usines manquent d'usage final pour chaleur récupérée. Sans usage final, autres moyens : pompes à chaleur, production électricité basse température, aussi limitées économiquement.

Économiseurs profonds

Conçus pour refroidir gaz ~70 °C et résister condensats acides. Alternatives design : (i) section « jetable » bout froid, tuyaux se dégradent, remplacés souvent (fréquence selon composition gaz et matériau), (ii) tuyaux inox (résiste mieux aux gaz acides que acier doux), (iii) acier C pour majorité, inox bout froid où dépôts acides, (iv) tubes verre (principalement gaz-gaz ex. préchauffeurs air), matériaux avancés type Teflon.

Récupération condensation contact indirect

Refroidit gaz ~40 °C. Vapeur d'eau condense quasi complètement. Échangeurs coquille-tubes. Matériaux : inox, verre, Teflon, matériaux avancés.

Récupération condensation contact direct

Mélange direct flux processus et fluide refroidissement. Pas de paroi séparatrice = évite défis grandes surfaces contact indirect. Gaz entrent, refroidis par eau froide introduite en haut. Eau chauffée sort par bas, fournit chaleur à système externe. Défi : eau contaminée par substances dans gaz.

Condenseur à membrane de transport (TMC)

Technologie en développement pour capturer eau (et sa chaleur latente) de vapeur d'eau dans gaz d'échappement. Eau extraite au-dessus point de rosée par condensation capillaire, recyclée en eau d'alimentation chaudière. Comme contact direct, TMC extrait eau chaude directement du gaz. Mais récupération via membrane = eau non contaminée comme en contact direct. Démontré pour flux propres (chaudière gaz naturel). Nécessite développement matériaux avancés avant implémentation large pour flux sales.

Pompe à chaleur ou « upgradage » chaleur fatale basse température

Technologies échange ci-dessus = flux énergie « en descente » haute→basse température. Limite opportunités quand température chaleur fatale < température charge. Ex. : chaleur fatale eau ~35 °C, besoin eau ~85 °C. Pompe à chaleur permet « d'upgrader » vers température désirée. Pompes à chaleur utilisent énergie externe pour cycle absorbant énergie source basse température et la rejetant plus haute. Selon design, deux fonctions : upgrader chaleur fatale, ou l'utiliser comme entrée pour système absorption refroidissement. Plus applicables flux produits basse température industries de processus.

Upgradage peut être rentable selon différentiel température et coûts relatifs carburant/électricité. Si charge à température légèrement supérieure à source, pompe à chaleur peut fournir plus efficacement que combustion supplémentaire. Coefficient de performance (COP) = mesure performance : COP = Q/W (Q = chaleur utile sortie, W = travail entrée).

Considération importante : température chaleur fatale et élévation désirée. Type cycle et fluide influencent températures réception/rejet et élévation max. Efficacité diminue quand élévation désirée augmente.

Cycle compression fermé

Pompe à chaleur abaisse température eau refroidissement, utilise chaleur extraite pour augmenter température eau processus ailleurs. Composants : évaporateur, compresseur, condenseur, détendeur. Évaporateur : transfert énergie source chaleur fatale vers réfrigérant. Compresseur : température réfrigérant augmente. Surchauffé → condenseur : transfert vers puits chaleur. Détendeur : réfrigérant détendu avant retour évaporateur.

Recompression vapeur cycle ouvert

Compression pour augmenter pression (donc température) vapeur fatale. Recompression vapeur mécanique = compresseur mécanique. Recompression thermique = éjecteur vapeur, donc pilotée par chaleur pas mécanique.

Pompes à chaleur par absorption

Similaires cycle compression fermé, mais compresseur remplacé par mécanisme absorption piloté par chaleur, plus complexe. Selon besoins, configuration multiple. Type 1 : entrées basse et haute température → rejet température intermédiaire (upgrader basse). Type 2 : entrée moyenne → rejet un flux basse et un haute température. Application climatisation/réfrigération.

Production d'électricité

Générer électricité à partir de chaleur fatale = utiliser chaleur chaudières pour créer énergie mécanique → générateur électrique. Cycles bien développés. Nouvelles technologies : génération directe électricité depuis chaleur (thermoélectrique, piézoélectrique). Facteur important : limitations thermodynamiques production électricité à différentes températures. Efficacité fortement dépendante de température source. Généralement limitée sources moyenne-haute température. Avancées cycles alternatifs augmentent faisabilité basses températures. Rendement max plus bas mais peuvent être rentables pour récupérer grandes quantités d'énergie.

Cycle Rankine vapeur

Système le plus fréquent : chaleur → vapeur → turbine vapeur. Cycle Rankine vapeur traditionnel = option la plus efficace pour récupération flux d'échappement > 340 °C. Températures plus basses = cycles vapeur moins rentables (vapeur basse pression = équipements plus gros). Basse température = énergie insuffisante pour surchauffer vapeur (requis pour éviter condensation et érosion pales turbine). Applications basse température mieux adaptées cycle Rankine organique (ORC) ou Kalina, fluides point ébullition plus bas que vapeur.

Cycle Rankine organique (ORC)

Fonctionne comme Rankine vapeur mais fluide organique au lieu de vapeur. Alternatives : huile silicone, propane, halo-alcanes (ex. frigorigènes), iso-pentane, iso-butane, p-xylène, toluène : point ébullition plus bas, pression vapeur plus haute que eau. Permet ORC avec températures fatales significativement plus basses. Gamme appropriée dépend fluide (propriétés thermodynamiques influencent efficacité à diverses températures). Comparé à vapeur : fluides ont masse moléculaire plus haute → designs compacts, débit massique plus haut, rendements turbine plus hauts. Mais ORC à basses températures = efficacité globale faible, dépend température condenseur/évaporateur. Bien que rendement < centrale vapeur haute température, cycles basse température intrinsèquement moins efficaces. Limites selon efficacité Carnot (max possible entre deux températures). Moteur Carnot source 150 °C, rejet 25 °C = ~30 % efficace. Rendement 10-20 % ORC = pourcentage substantiel efficacité théorique, surtout vs alternatives basse température (génération piézoélectrique ~1 %).

Économie ORC à analyser soigneusement par application. Alternative utile industries sans usage interne chaleur additionnelle ou usines voisines pour usage économique.

Cycle Kalina

Variation Rankine avec mélange ammoniac-eau comme fluide. Différence clé cycles mono-fluide vs fluides binaires : profil température pendant ébullition/condensation. Mono-fluide : température constante pendant ébullition. Eau : température monte lentement à ébullition, reste constante jusqu'à évaporation complète. Mélange binaire eau-ammoniac (points ébullition différents) : température augmente pendant évaporation. Permet meilleur accord thermique avec source chaleur fatale et milieu refroidissement condenseur. Efficacité énergétique considérablement supérieure. Cycle inventé années 1980.

Technologies conversion électrique directe

Cycles traditionnels : chaleur → énergie mécanique → électrique. Nouvelles : génération directe électricité depuis chaleur. Thermoélectrique, thermionique, piézoélectrique. Stade développement. Quelques tests prototypes : récupération chaleur véhicules automobiles.

Génération thermoélectrique

Matériaux thermoélectriques (TE) = semi-conducteurs solides permettant génération directe électricité sous différence température. Basé sur effet Seebeck : deux semi-conducteurs différents soumis source/puits chaleur → tension entre eux. Inversement, matériaux TE pour refroidissement/chauffage par électricité sur semi-conducteurs dissemblables. Technologie existe longtemps (effet découvert 1821), usage limité : faibles rendements, coûts hauts. Systèmes TE en usage : rendements 2-5 %. Principalement instruments spatiales ou sites très isolés. Avancées récentes nano-technologies : matériaux TE avancés rendements 15 %+.

Étude récente : modules TE avancés appropriés flux d'échappement moyenne-haute température, haut débit, où usines peu d'usage chaleur récupérée. Développement nécessaire. Méthodes production bas coût, haut volume pour matériaux TE à développer. Maintenir haut différentiel température sur dispositifs TE minces = défi ingénierie significatif. Taux transfert chaleur élevés nécessitent avancées matériaux transfert et systèmes échange à coefficients élevés.

Génération piézoélectrique

Option conversion chaleur fatale basse température 100-150 °C en électricité. Convertit énergie mécanique (vibrations ambiantes) en électricité. Membrane mince piézoélectrique peut exploiter expansion gazeuse oscillatoire pour créer tension. Défis techniques : (i) faible rendement (~1 %), (ii) difficultés fréquences oscillatoires assez hautes (dispositifs actuels ~100 Hz, besoin ~1 000 Hz), (iii) impédance interne haute, (iv) dynamique fluide oscillatoire complexe chambre liquide/vapeur, (v) besoin fiabilité/durabilité long terme, (vi) coûts élevés.

Rendement conversion actuel très bas (1 %), mais perspectives cascadage PEPG : rendements ~10 %. Enjeux : coûts fabrication dispositifs piézo, design échangeurs pour taux transfert suffisants sur faible différence température.

Génération thermionique

Dispositifs thermioniques ~ thermoélectriques. Mais : thermoélectrique = effet Seebeck, thermionique = émission thermionique. Différence température entraîne flux électrons vide métal→oxyde métallique. Inconvénient clé : limité applications hautes températures > 1 000 °C. Développements récents : utilisation ~100-300 °C.

Générateur thermophotovoltaïque

Convertit énergie radiante en électricité. Source chaleur, émetteur, filtre radiatif, cellule photovoltaïque (PV) (type panneaux solaires). Émetteur chauffé → rayonnement électromagnétique. Cellule PV → électricité. Filtre : passe longueurs d'onde匹配 cellule PV, reflète reste vers émetteur. Potentiel nouvelles méthodes RCH. Quelques prototypes : petits brûleurs, turbine gaz hélicoptère.

RCH et industrie sidérurgique

Industrie fer-acier : fours haute température (coke, sinter, fonte, acier) = forte consommation énergie. Récupération flux gazeux propres courante, mais gaz sales four à coke, haut fourneau (HF), convertisseur (BOF), four arc (EAF) = défi pour RCH économique. Techniques récupération flux sales existent, implémentation limitée : coûts capitaux élevés.

Industrie acier : plus gros progrès réduction intensité énergétique. Par : coulée continue, optimisation HF, recyclage acier, remplacement combustibles fossiles par gaz sous-produits recyclés (gaz coke, gaz HF, gaz convertisseur). RCH in-situ implémentée où possible : recirculation gaz chauds dans four pour baisser demande externe, ou préchauffage air/combustible par gaz chauds. Améliorations laissent encore opportunités résiduelles : produire vapeur pour autres parties processus ou électricité.

Production coke

Coke = matière charge essentielle HF. Produit en fours à coke : charbon chauffé atmosphère pauvre O₂. Deux procédés : (i) sous-produits, (ii) non-récupération. Sous-produits : produits chimiques (goudron brut, ammoniac, huiles légères) dans gaz coke (COG) récupérés, reste COG nettoyé et recyclé dans usine. Non-récupération : tout COG brûlé dans processus. Sous-produits = plus courant.

Deux zones perte sensible chaleur : (i) COG refroidi nettoyage gaz, (ii) gaz résiduel sortant four. Plusieurs chambres four séparées par canaux chauffage. COG recyclé, parfois gaz HF, utilisés comme combustible canaux, chauffant chambres où carbonisation charbon. Charbon carbonisé : gaz et humidité (~8-11 % charbon chargé) chassés par tuyaux. COG pouvoir calorifique élevé ~4 000-4 400 kcal/m³ → recyclable comme combustible après nettoyage.

Température COG brut sortie four : 650-1 000 °C. Source chaleur sensible. Universellement gaspillée : goudron et matériaux causant dépôts surfaces échangeurs. Sortie four : COG refroidi par aspersion liqueur ammoniac puis refroidisseurs primaires. Technologies pour éliminer goudron, composés soufrés, ammoniac, huiles légères. Après nettoyage, COG utilisé combustible dans usine. Ici, seule énergie chimique récupérée, chaleur sensible gaspillée.

La plupart usines n'emploient pas RCH COG, mais niveau limité possible, prouvé au Japon. Installations coke japonaises : récupération par fluide caloporteur basse pression. Température min admissible COG échangeur ~450 °C. En dessous, goudron condense → suie surface échangeur. Refroidissement 450 °C = ~1/3 chaleur sensible récupérable. Improbable que ISP autres pays poursuivent nouvelles technologies RCH COG brut : barrières coûts flux sales. Procédé sous-produits peut devenir non pertinent. Probable passage au non-récupération (raisons environnementales). Non-récupération : COG brûlé dans processus, chaudière chaleur fatale (WHB) récupère chaleur sensible gaz départ.

Autre perte sensible : gaz résidus combustion gaz combustibles recyclés. Gaz combustibles dans canaux chauffage adjacents chambres. Combustion → gaz chauds sortent canaux, passent régénérateur → transfèrent chaleur air/fuel entrant. Gaz résidus quittent régénérateur ~200 °C moyenne. Certaines usines : chaleur récupérée par caloduc ou préchauffage charge charbon (réduit humidité). Température gaz ~60 °C.

Production sinter

Usine sinter : deux sections majeures, sinter et refroidissement sinter. Récupération développée des deux : (i) gaz d'échappement section sinter, (ii) gaz refroidissement section refroidissement. Grande différence température selon position. Température moyenne gaz les deux sections ~100-150 °C, trop bas pour RCH efficace. RCH limitée zone haute température : partie finale section sinter et partie primaire section refroidissement, où gaz ≥ 300 °C. Bien que zone limitée, volume gaz sinter assez grand pour RCH pratique.

Système récupération énergie gaz résiduel : hotte, cyclone, chaudière récupération, ventilateur circulation, déaérateur. Gaz échappement machine sinter corrosif avec poussières. RCH limitée zone haute température (température moyenne agrégée basse). Du fait corrosivité, température gaz après RCH maintenue au-dessus point rosée acide. Gaz refroidissement = air atmosphère + poussières. Refroidisseur sinter = même principe. Distribution température le long refroidisseur = RCH limitée zone haute température.

Récupération chaleur gaz machine sinter : type circulation et non-circulation. Circulation : gaz après RCH recirculés vers machine comme gaz remplacement refroidissement. Non-circulation : gaz après RCH vers traitement gaz direct. Circulation adoptée pour améliorer efficacité.

Récupération chaleur refroidisseur : gaz = air. Système : circulation/non-circulation. Non-circulation : après RCH zone chaude, gaz refroidissement relâché atmosphère. Circulation : après RCH zone chaude, gaz vers refroidisseur réutilisé pour refroidissement sinter. Température gaz monte par recirculation → récupération plus haute. Mais si température gaz monte ~180 °C, capacité refroidissement peut baisser. Temp sortie sinter ~30 °C plus haute type circulation. Différence faible, n'affecte pas exploitation. Énergie récupérée +50 % circulation vs non-circulation. Consommation ventilateur plus haute circulation. Mais puissance récupérée bien plus grande.

Production fonte en HF

HF = unité principale ISP. Convertit minerai en fonte. Chargement sommet : matériaux ferreux (minerai gros, sinter, pellets), fondants, coke. Air chaud + combustibles injectés par tuyères fond. Charge descend, rencontre courant gaz chauds montant. Air chaud fourni par plusieurs poches à air (hot blast stoves). Dans poche : gaz mélangé (gaz HF + COG) combusté. Chaleur gaz combustion transférée à régénérateur damier. Régénérateur température appropriée → flux air inversé, air froid forcé traversant régénérateur → chauffe air. Air chauffé injecté four. Système = mêmes principes régénérateur RCH. Mais ici : pas récupération chaleur fatale, mais mécanisme transfert chaleur poches→air chaud. Sources chaleur fatale gaz HF : gaz échappement poches + gaz HF (BFG) sortant HF.

Perte sensible BFG. Nouveaux HF : transfert chaleur efficace → gaz sommet HF gamme basse température. BFG récupéré combustible : chauffage air blast, fours réchauffage laminage, chauffage fours coke, production électricité, génération vapeur. BFG faible pouvoir calorifique → souvent mélangé COG ou gaz convertisseur. BFG nettoyé avant usage combustible, chaleur sensible rarement récupérée. Certains cas : HF pression suffisante (≥ 2,5 atm) pour turbine récupération pression sommet (TRT) économique pour « énergie pression » BFG. Gaz nettoyé avant TRG, généralement nettoyage humide → chaleur sensible perdue. Alternative : nettoyage sec, température gaz entrée TRT ~120 °C. TRT sec déjà en fonctionnement plusieurs sites. Mais plus cher.

Autre opportunité : gaz échappement combustion poches à air. Gaz ~250 °C. Gaz poches relativement propre, plus compatible dispositifs RCH = pratique plus courante. Chaleur pour préchauffer air/fuel combustion. Échangeurs : régénérateurs rotatifs, échangeurs plaques fixes, systèmes fluide caloporteur circulant.

Production acier liquide en BOF

BOF : oxygène oxyde impuretés fonte. Semi-continu : chargement fonte+ferraille, injection O₂, fondants pour contrôle érosion, échantillonnage, coulée. Température fusion fournie par réaction exothermique oxydation → pas source chaleur externe.

Gaz départ BOF : haute température, haute concentration CO. Comme COG, BFG : opportunités récupération énergie chimique et sensible. Défis : coûts capitaux élevés, maintenance substantielle gaz chauds sales. Contaminants : oxydes fer, métaux lourds, SOx, NOx, fluorures.

Méthodes commerciales diverses. Deux principales : « combustion ouverte » et « combustion supprimée ». Ouverte : air introduit conduit gaz BOF pour brûler CO. Chaleur récupérée chaudière chaleur fatale. Supprimée : jupe ajoutée bouche convertisseur pour réduire infiltration air et combustion CO. Gaz nettoyé, collecté, utilisé combustible. Possible récupérer gaz et chaleur sensible via système combiné chaudière/récupération gaz combustion supprimée.

Production acier liquide par EAF

Croissance significative production acier recyclé ferraille via fusion électrique. EAF et four induction = deux types pour fondre ferraille. EAF = four prédominant. Four réfractaire, toit rétractable, électrodes C abaissées. Chargements par toit. Fondants et agents alliage pour contrôler qualité. Électrodes abaissées ~1 pouce au-dessus métal, courant = chaleur fusion ferraille. Pendant opération : gaz et émissions particulaires (CO, SOx, NOx, oxydes métalliques, COV, polluants). Températures gaz pointe : 1 350-1 950 °C. Gaz échappement = pertes ~20 % puissance entrée. Moitié = énergie chimique gaz, moitié = chaleur sensible. Supplémentaire ~8-10 % énergie perdue par eau refroidissement « chemise » EAF.

Méthode RCH la plus courante : préchauffage ferraille, largement utilisée. Gaz départ pour préchauffer ferraille = économie 5-10 % consommation totale EAF. Designs initiaux : tuyautage gaz vers godet chargement. Défis : transport ferraille préchauffée contenant non-ferraille semi-brûlée (plastiques), évaporation volatils = odeurs, problèmes contrôle environnemental. Alternatives : procédé Consteel, four shaft Fuchs, four double coquille (Twin shell). Installés divers sites.

Consteel : chargement continu ferraille, convoyeur, système alimentation, préchauffeur. Préchauffeur = tunnel réfractaire où gaz départ flux opposé charge ferraille. Air introduit pour brûler CO/CO₂ → énergie chimique + sensible gaz utilisée. Post-combustion parfois pour brûler CO résiduel et composés.

Four shaft Fuchs : shaft au-dessus toit four arc. Chargement paniers 3 étages. Paniers réfractaires, joint étanche empêchant fuite fumées. Chauffage assisté brûleurs oxy-combustibles auxiliaires. Post-combustion pour combustion complète CO. Avantage : charge agit filtre poussière, capture ~40 % poussières → retour four, léger gain rendement.

Avantages/inconvénients préchauffage ferraille selon opération. Parfois : électricité réduite, productivité accrue. Autres : maintenance difficile. EAF de plus en plus efficaces, temps coupée-à-coupée réduits → manutention ferraille peut réduire productivité, créer maintenance lourde. Un cas : économies énergie préchauffage réduites ~moitié quand temps coupée-à-coupée réduit tiers.

Chaudières centrales

Chaudières ISP : combustibles BFG et COG. Température gaz échappement variable selon âge/contrôles. Températures assez hautes (340-450 °C), O₂ 3-7,5 %. Chaleur fatale = gaz propres, sans contamination, sans conditionnement supplémentaire. Zones RCH chaudières/systèmes vapeur : (i) gaz échappement pour préchauffer BFG/COG, (ii) production électricité basse température si justifiable, (iii) préchauffage eau service/rivière si possible/requis, vapeur basse pression condensée réutilisée eau chaudière au lieu évacuation.

Four de réchauffage

Équipement clé laminoirs à chaud. Fonction : chauffer continuellement billettes, brames, blooms tailles/nuances différentes jusqu'à 1 250 °C. Nouveaux fours = fours à poutre mobile (WBF). Chauffage dessus/dessous produits, manutention côté chargement→déchargement par poutres isolées/réfrigérées (skids). Critère performance : homogénéité chauffage. 20-30 % énergie entrée gaspillée, répartie : (i) température gaz échappement entre récupérateur air combustion et cheminée : 250-300 °C gaz naturel, plus haut combustible pouvoir calorifique inférieur, (ii) systèmes manutention produits dans four (skids, post-refroidissement), (iii) pertes parois/portes, difficilement récupérables.

Eau refroidit constamment système skids en contact atmosphère très chaude. Boucle eau : entrée ~40 °C, chauffée 15 °C avant circuit refroidissement dédié.

Plusieurs sites : RCH sur système refroidissement skids par production vapeur quand besoin dans usine. Seul, cette installation réduit pertes skids grâce à tuyaux eau froide à plus haute température. Si vapeur non nécessaire, ORC (adapté ~200 °C) sur circuit vapeur pour produire électricité. Avantage : exploitation facile/sûre surtout variabilité pertes grâce température constante par changement phase eau. Souvent non installé : retour investissement long, énergie gaz échappement gaspillée.

Système production électricité possible depuis gaz échappement. Selon température source : cycle eau-vapeur (faible efficacité four) ou ORC (meilleure efficacité). Mais souvent non installé : retour long. Autre solution : combiner chaleur boucle refroidissement skids à pression/température plus hautes → mélange vapeur/eau ~215 °C boucle fermée et chaleur gaz échappement. Deux sources récupérées séparément boucles fluide organique puis combinées source commune.

Fluctuations chaleur gaz (température/volume modifiées) variations puissance four (production/produit) équilibrées grâce température constante chaleur boucle skids. Exploitation facile, source globale plus stable surtout fortes fluctuations.

Production four réchauffage peut fluctuer en quelques minutes, affectant chaleur gaz entrant RCH. ORC flexible : accommode variations jusqu'à un point. ORC typique : fonctionne jusqu'à 30 % capacité nominale, arrêt auto si chaleur < seuil. Aspect économique affecté : production électricité diminue aussi.

Solutions stockage chaleur adaptées variations quotidiennes disponibles applications industrielles, combinables ORC pour lisser production. Huile = milieu stockage approprié à ce niveau. Bénéfices économiques évalués cas par cas.

Chaleur fatale flux solides

Outre pertes gaz, flux solides et eau refroidissement = pertes sensibles supplémentaires. Produits/sous-produits solides pertes significatives : coke chaud, sinter chaud, laitier HF, laitier BOF, acier coulé, acier laminé à chaud. Bien que chaleur flux solides souvent plus difficile à récupérer, pertes élevées. Perte sensible coke récupérée بعض usines par quenching sec coke (CDQ) alternative quenching humide. CDQ : coke incandescent attrapé godet spécial, déchargé vessel CDQ. Gaz inerte (azote) passe sur coke, récupère chaleur sensible. Gaz chaud → chaudière chaleur fatale. Économie : 0,2-0,25 million kcal/tonne coke. Tentatives récupération autres flux solides via chaudières radiantes : échec laitiers HF/BOF, mais commercialisé récupération chaleur acier coulé quelques sites Japon/Allemagne.

Autre option réduire pertes acier coulé : chargement à chaud, produits coulés chargés four réchauffage encore chauds. Chargement chaud = économie ~0,12 million kcal/tonne. Perte sensible acier laminé à chaud partiellement récupérable par refroidissement eau. Température finale eau généralement basse (~80 °C), peut être upgradée pour autres chauffages par pompe à chaleur.