Étude et modélisation de fours à gaz sidérurgiques en vue d’améliorer leur efficacité énergétique

Study and modeling of gas-fired furnaces in the steel industry in order to improve their energy efficiency

• Auteur / Autrice : Wassim Nehme
• Direction : Denis Clodic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Centre énergétique et procédés (Paris ; Fontainebleau, Seine et Marne ; Sophia-Antipolis, Alpes Maritimes ; 2004-2012)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion

Brûleurs à gaz

Sidérurgie

Économies d'énergie

Fours industriels

Résumé

Les fours industriels à gaz présentent un potentiel important de réduction de consommation d'énergie. L'amélioration de l'efficacité énergétique des fours passe par une modification du type de récupération sur les fumées. Suivant l'application, un choix optimal de brûleur est nécessaire. Le but de la thèse est de quantifiER l'effet d'un changement de brûleur sur la qualité du produit, la consommation et la productivité du four. Une étude expérimentale comparative de trois brûleurs industriels à gaz naturel a été menée sur une cellule expérimentale de 200 kW. Sur différents points de la cellule, dans le plan du brûleur, la composition des fumées (O2, CO2, CO, NO, NO2, NOx), le champ de température, le flux total et le flux radiatif sont relevés pour des brûleurs régénératif, auto–récupérateur ET auto–régénératif. Pour chaque type de brûleur, différents modes de fonctionnement sont testés en variant la température du four, l'excès d'air, le mode de flamme, la puissance du brûleur et la température de préchauffage du comburant. Les mesures effectuées sont corrigées par modélisation de d'outil de mesure et par méthode inverse. Les mesures corrigées sont utilisées pour valider les choix de fermeture de la résolution des équations de la turbulence, de combustion et du rayonnement du modèle CFD détaillé pour chaque brûleur. La validation est basée sur une comparaison du modèle CFD et des données expérimentales de température et de composition des espèces chimiques. Sur la base des modèles CFD validés, une méthode générique de représentation de la flamme sous forme de volumes d'émission est mise en place. La méthode consiste à reproduire l'effet radiatif de la flamme par une série de volumes d'émission sous forme de cylindres concentriques. La méthode permet de représenter la flamme en vue d'une modélisation dynamique rapide de four sous forme de réseaux de composants. Enfin, un four de réchauffage de tube est étudié dans le cadre de la réhabilitation et une étude comparative entre les trois types de brûleurs est menée. La comparaison porte sur la qualité du produit, l'efficacité énergétique et la productivité du four.

Gas industrial furnaces have an important potential for reducing energy consumption. To improve energy efficiency of furnaces, a modification of heat recovery system on the stake is required. Depending on the application, an optimal choice of burner type is required. The aim of the thesis is to quantify the effect of burner change on the heated product quality, energy efficiency, and furnace productivity. An experimental comparative study is performed for three types of industrial natural gas burners. The characterization was carried out in a 200 kW experimental cell. At different locations inside the cell in the burner plane, the flue gas composition (O2, CO2, CO, NO, NO2, NOx), the flue gas temperature, the total flux and the radiative flux are measured. The three types of burners are: a regenerative burner, a recuperative burner, and an self-regenerative burner. For each type of burner, different settings are tested by changing the wall temperature, the excess air ratio, the flame mode, the burner capacity, and the combustion air temperature. All measurements were corrected by modeling the measurement probes and using inverse methods. The adjusted measurements were used to validate the choice of the closer models for the resolution of turbulence, combustion, and radiative transfer equations. For each burner, the CFD calculations are compared to measured temperatures and flue gas compositions. Based on the validated CFD models, a generic method for flame representation is developed. In this method the flame is considered as the hot flue gases resulting from combustion. Then flame Emissive Volume Approach (EVA) consists in dividing the flame into concentric isothermal volumes. The method can better represent the flame in a dynamic furnace modeling on component network approach. Finally, a dynamic model of a tube reheating furnace is developed and a comparative study between the three types of burners is carried out. The comparison focuses on product quality, energy efficiency, and furnace productivity.