POTENTIEL D’ECONOMIE D’ENERGIE DANS LE FOUR TUNNEL Aujourd’hui, les thèmes des économies d’énergie et de la réduction d’émissions gagnent de l’importance dans l’industrie de la brique et de la tuile, notamment en raison de la hausse des prix de l’énergie et du négoce de certificats d’émission. Ainsi les constructeurs d’installations industrielles se concentrent actuellement sur l’optimisation énergétique de leurs gros consommateurs de combustibles fossiles (séchoirs et fours) pour lesquels le potentiel d’optimisation est loin d’être épuisé. De plus, en cas de hausse supplémentaire des prix de l’énergie, des mesures jusqu’ici jugées comme économiquement non rentables, seront également mises en oeuvre. Des calculs de simulation sont de plus en plus utilisés dans la conception de nouvelles installations ainsi que dans l’optimisation de séchoirs et de fours existants. Un logiciel Lingl destiné à réaliser des simulations techniques de fours tunnels permet d’identifier des potentiels d’économie énergétique en fonction des besoins de chaque client. Des exemples sélectionnés doivent montrer que le succès des différentes mesures d’économies dépend fortement des conditions locales, et que ces mesures présentent des potentiels d’économies plus ou moins élevés. Enfin les potentiels d’économies des investissements requis seront comparés à l’aide d’un exemple. Au cours des dernières décennies, une attention toute particulière était accordée au coût de l’investissement dans l’étude de nouvelles installations et la transformation d’installations existantes. Les charges d’exploitation n’étaient prises en compte que dans une faible mesure. Cela était en partie justifié par le fait que des hausses futures des prix de l’énergie ne pouvaient pas être planifiées au préalable ou que des investissements supplémentaires dépassaient le budget disponible. Actuellement, les prix de l’énergie des matières premières sont en hausse et font augmenter les charges d’exploitation des exploitants d’installations. Cette tendance conduit à une révision de la façon de penser, dans l’économie. Des développements actuels montrent que, dès la phase d’étude de nouvelles installations, les charges d’exploitation, c’est-à-dire la consommation d’énergie et de matières premières ainsi que le travail du personnel, sont de plus en plus prises en compte sur toute la durée de vie de l’installation. La réduction de cette consommation de ressources peut être atteinte tant par des investissements supplémentaires que par l’optimisation du mode de fonctionnement.
Potentiel d’économie d’énergie sur les fours tunnels INFLUENCES DES FOURS TUNNELS SUR LA CONSOMMATION D’ÉNERGIE
Tableau 1 : Consommation d’énergie (valeurs mesurées) et émissions de CO2 (calculées avec 0,198 kg CO2/ kWh) de fours tunnels Lingl chauffés au gaz, de 1990 à 2010
Les principaux consommateurs de combustibles fossiles dans l’industrie de la brique et de la tuile sont les séchoirs et les fours, sachant que la quantité d’énergie nécessaire pour le séchage et la cuisson est presque la même. Dans une briqueterie-tuilerie, la consommation de courant, qui est non négligeable, représente en fonction du produit 10 à 25 % environ. de la consommation de combustible. L’optimisation énergétique d’une installation a un impact positif sur sa consommation d’énergie, mais peut
entraîner un surcroît de consommation dans les installations situées en amont ou en aval. C’est pourquoi il est crucial pour une briqueterie-tuilerie de toujours considérer l’usine dans son intégralité lors de l’établissement d’un bilan énergétique c’est-àdire de la préparation jusqu’à l’emballage du produit final. Actuellement, les séchoirs et les fours fonctionnent en interconnexion. S’ils sont thermiquement découplés, alors une optimisation énergétique individuelle de chaque installation est possible. Cela présente des avantages, en particulier avec les nouveaux procédés de séchage avec l’air ambiant [3-7]. Dans cet article, sont exposés les potentiels d’économies sur des fours tunnels qui ne sont pas en interconnexion thermique avec le séchoir. La consommation d’énergie des fours Lingl nouvellement cons truits au cours des vingt dernières années est récapitulée dans le tableau 1. Elle s’est parfois réduite d’environ 20 %, notamment sur les fours pour briques de maçonnerie. Cette réduction est imputable d’une part à l’utilisation accrue d’agents porogènes organiques pour les briques de maçonnerie, à la diminution des pertes de sortie par la réduction de la masse des wagons de four tunnel (WFT) et des adjuvants de combustion, notamment pour les tuiles, et d’autre part à une commande optimisée des processus de séchage et de cuisson. Les paramètres suivants influencent la consommation de combustible et donc les émissions de CO2 du four tunnel : • Matière première (enthalpie dépendant de la température, température de cuisson, temps de cuisson en raison de sa composition matérielle) • Produit (épaisseur du matériau, proportion de trous, structure de l’empilage, adjuvants de combustion requis, temps de cuisson) • Isolation (mur et plafond, tuyauterie et équipement) • Flux d’air (gaz rejeté, air de combustion, air admis, étanchements) • WFT + adjuvants de combustion (masse, températures d’entrée et de sortie) Les émissions de CO2 dépendent en outre du type de combustible, des matières premières et des agents porogènes mis en oeuvre. L’influence des paramètres mentionnés sur la consommation d’énergie d’un four a été calculée à l’aide d’une simulation par ordinateur et doit être présentée ici.
Figure 1 : Résultat de la simulation de four : graphique de Sankey du flux énergétique
SIMULATION DE FOURS PAR ORDINATEUR POUR DIFFÉRENTS PRODUITS Le logiciel Lingl permet de dimensionner le four tunnel en tant qu’échangeur thermique à contrecourant. Pour cela, le four est décomposé en deux dimensions dans le sens de poussée selon des points d’interpolation finis. À
chaque point d’interpolation sont calculés par itération les bilans massiques et énergétiques pour le gaz, la charge et les WFT. Avant le calcul est établie une courbe de cuisson pour la charge qui doit être atteinte avec l’équipement configuré. La réduction de la consommation de combustible est assurée par minimalisation de la puissance des brûleurs et des flux d’air dans le four. Dans l’optimisation énergétique du four tunnel, l’objectif prioritaire est toujours d’atteindre la courbe de cuisson programmée de la charge. C’est seulement ensuite que commence le programme visant à réduire les flux d’air et donc la consommation d’énergie du four. Dans un calcul, tous les équipements peuvent varier librement entre 0 et 100 % de leur puissance maximale. Il est également possible de régler chaque équipement, par exemple les systèmes d’aspiration de l’air chaud, sur une puissance constante. Ainsi, l’interconnexion thermique avec le séchoir peut être par exemple simulée. Les paramètres suivants sont pris en compte dans une simulation: • Matière première (composition minéralogique, en particulier les éléments importants pour la consommation d’énergie et les dégagements e gaz à la cuisson, tels que calcite, composés organiques, pyrite, minéraux argileux, humidité résiduelle) • Combustible (composition chimique pour le calcul de la combustion de combustibles gazeux, solides et liquides, également sous-stoechiométrique) • Produit (format, masse, proportion de trous, temps de cuisson) • Charge (structure des couches pour le passage de l’air à travers tous les canaux dans et autour de l’empilement, étant pris en compte les mécanismes de transmission thermique conduite, rayonnement et convection en fonction de la température, du flux massique de gaz et de sa composition) • WFT, mur et dalle (construction réfractaire et isolante, températures d’entrée et de sortie des WFT, surfaces dissipatrices de l’ouvrage pour le calcul du transfert thermique avec les courbes de cuisson respectives) • Équipements techniques (puissance de brûleurs, chauffages supplémentaires, injections, aspirations et recirculations ; prise en compte des flux d’air et des températures des brûleurs) • Étanchéité du four (rigole à sable, faces de contact des wagons, température sous les wagons, le profil de pression dans le four) • Courbe de cuisson (températures dans le sens de poussée) Le bilan énergétique est sorti après un calcul. Ici les entrées d’énergie telles que combustible, matière première avec enthalpie exothermique de la matière première, préchauffage de l’air de combustion, wagons entrants et charge sont comparées aux sorties d’énergie telles que pertes d’air, d’isolation et de sortie, et/ou à la consommation d’énergie d’une matière première consommant de l’énergie (figure 1).
Figure 2 : Pertes d’énergie pour gaz rejeté et aspirations en cas d’élévation de la température du gaz rejeté à l’exemple d’un four de tuiles
Les calculs de simulation ont été respectivement effectués pour un four de clinkers, de tuiles et de briques de maçonnerie. La configuration du logiciel a été effectuée sur la base du dimensionnement de trois fours Lingl nouvellement construits, pour lesquels les valeurs mesurées de consommation d’énergie étaient disponibles : Sans moyens financiers ou techniques notables, le logiciel permet de localiser des potentiels d’économie ainsi
que des états de fonctionnements optimaux, et de les réaliser dans la pratique avec l’expérience du personnel d’exploitation. Dans le résultat de la simulation étaient mentionnés les paramètres suivants qui présentaient déjà des effets d’économie relativement importants avec des modifications minimes : • Abaissement de la température maximale de cuisson pour les briques de parement suite à des temps de cuisson longs et à des températures de cuisson élevées, et pour les briques pleines, par une plus grande épaisseur de matériau nécessitant plus de temps pour la conduction thermique, • Formation de pores sur les briques de maçonnerie : la mise en oeuvre d’un agent porogène devrait toutefois se faire sans dépasser une teneur organique en carbone de 3 M.-%, car elle provoque une surchauffe dans la zone d’échauffement ainsi qu’une élévation de la température du gaz rejeté, • L’élévation de l’enthalpie endothermique de la matière première entraîne comme on le sait un surcroît de consommation d’énergie, mais pour les tuiles, la consommation de combustible se réduit, car en raison de la demande accrue, les quantités de gaz aspirées et rejetées sinon soufflées à travers le toit peuvent être réduites, • La diminution du flux d’air de combustion est recommandée pour les briques de parement, notamment en raison des temps de cuisson longs et des températures de cuisson élevées, • Mise en oeuvre du préchauffage de l’air de combustion avec tous les produits, mais dans ce cas, il devrait y avoir de l’énergie en excédent dans la zone froide du four, et le séchoir devrait être intégré dans l’observation énergétique, • En raison du produit, le temps de poussée n’est variable que dans d’étroites limites, mais le calcul montre cependant qu’en cas de prolongation du temps de poussée, la consommation d’énergie augmente fortement, • La température du gaz rejeté s’établit pendant les calculs sur la base des températures de la charge, du gaz et des wagons ainsi que des flux d’air présents dans le four : plus la température du gaz rejeté est élevée dans la plage de température indiquée, plus la consommation de combustible est faible,car moins d’air doit être aspiré sur les dispositifs d’aspiration de la zone froide (figure 2) ; cet effet est le plus important avec les tuiles, • Avec une élévation de la température du produit cuit sortant, une réduction de la consommation d’énergie est possible, en particulier avec des tuiles entre 75 et 120 °C; au-dessus de 120 °C ainsi que dans les fours de briques de parement, la consommation d’énergie augmente de nouveau quand la température de la charge s’accroît, • La diminution de la masse des wagons entraîne une réduction des pertes de sortie qui se remarque particulièrement avec les produits exigeant beaucoup d’énergie tels que les briques de parement et les tuiles, • La dispersion de la charge ainsi que la pose des briques sur leur face frontale avec les trous dans le sens d’écoulement, elle dépend toutefois de chaque produit, • Étanchement du four : les nouveaux fours sont déjà relativement étanches ; si l’entretien n’est pas suffisant pendant l’exploitation, la consommation d’énergie augmente à cause de l’aspiration d’air parasite dans la zone d’échauffement et de soufflages dans la zone froide, • Réduction de la masse des adjuvants de combustion pour les tuiles ; les coûts d’investissement élevés sont rentables en particulier dans la construction d’un nouveau four. Par contre avec des modifications relativement importantes, par exemple doublement de l’isolation du four, on ne constate qu’un faible effet d’économie. Avec 0,1 à 1,3 %, l’effet d’économie était à peine mesurable.
ÉMISSIONS DE CO2 AVEC LA MISE EN OEUVRE DE DIFFÉRENTS COMBUSTIBLES
Tableau 2 : Teneur en carbone, valeur calorifique et émissions de CO2 par kilowattheure
Rien que par le choix du combustible, les émissions de CO2 peuvent être réduites pour une même consommation d’énergie. Dans le tableau 2 sont comparées, pour différents combustibles fossiles, la teneur en carbone, le pouvoir calorifique ainsi que les émissions de CO2 auxquelles il faut s’attendre par kilowattheure. On constate qu’avec le gaz naturel High sont générées les plus faibles émissions de CO2 en raison de son haut pouvoir calorifique et de sa teneur en carbone relativement faible. Par contre avec le pétrole, les émissions sont de 1,4 à 1,5 fois plus importantes qu’avec le gaz naturel. Les plus fortes émissions de CO2 sont libérées lors de la combustion de lignites hydratés à faible pouvoir calorifique et à teneur moyenne en carbone. Elles peuvent être de 4,0 à 5,2 plus importantes que les émissions du gaz naturel.
Amortissement du préchauffage de l’air de combustion Il a été montré où et quels potentiels d’économie d’énergie existent sur le four. Il est ici possible d’effectuer des travaux de maintenance, par exemple sur l’étanchement du four, ainsi que de modifier de manière ciblée les réglages du four. Pour ces mesures, il est conseillé de procéder à une analyse des processus du four en tenant compte des installations en aval. Mais pour des mesures d’économie supplémentaires, d’autres coûts d’investissement sont nécessaires. À l’exemple du préchauffage de l’air de combustion, il doit être montré au bout de combien de temps ces investissements sont amortis pour un prix du gaz naturel de 3 centimes/ kWh. Le préchauffage de l’air de combustion exige des investissements supplémentaires pour les mesures suivantes : • Plus grand diamètre des conduites pour le tube d’aérage central ainsi que pour les conduites de distribution d’air vers les brûleurs, • Isolation pour les conduites et les têtes de brûleur, • Dimensionnement des ventilateurs et des têtes de brûleur pour des températures de l’air supérieures à 300 °C.
Figure 3 : Coûts d’énergie et d’investissement pour différentes températures de l’air de combustion – Amortissement du préchauffage de l’air de combustion
La figure 3 montre les coûts d’énergie et d’investissement pour le préchauffage de l’air de combustion à différentes températures. Les coûts d’investissement sont les coûts supplémentaires nécessaires par rapport à une installation de brûleurs fonctionnant avec une température de l’air de combustion égale à 20 °C. Plus la température de l’air de combustion est élevée, plus ces coûts d’investissement (en rouge) augmentent. De plus sont représentés les coûts d’énergie économisés par année (en vert), qui diminuent au fur et à mesure que la température de l’air de combustion augmente. La courbe bleue est la courbe cumulée de ces deux courbes sur une année. À 100 °C au bout d’un an, les coûts d’investissement sont tout d’abord supérieurs aux coûts d’énergie économisés. Mais ces mesures s’amortissent dès la deuxième année. À 300 °C, la courbe cumulée présente un minimum, c’est-à-dire qu’avec 0,7 an, la durée d’amortissement est la plus courte. À partir de 400 °C, les coûts d’investissement augmentent d’une manière disproportionnée, car des brûleurs et des ventilateurs plus coûteux conçus pour des températures plus élevées sont mis en oeuvre. Ici aussi, l’investissement s’amortit relativement rapidement. Une condition préalable à un préchauffage de l’air de combustion est que le four mette à disposition suffisamment d’air chaud pour cette option. De plus du point de vue constructif, le préchauffage de l’air de combustion est judicieux en particulier dans la construction de nouveaux fours. Une optimisation énergétique supplémentaire peut être obtenue par l’isolation des têtes de brûleur, ce que montre l’exemple suivant. Le tableau 3 représente, pour un préchauffage de l’air de combustion à 300 °C, les coûts d’énergie et d’investissement avec et sans isolation des têtes de brûleur en comparaison avec un air de combustion à température ambiante sur un four de briques de parement ayant une capacité de 325 t/j. Avec le préchauffage de l’air de combustion, la consommation d’énergie du four se réduit de 9,1 % sans isolation des têtes de brûleur et de 10,7 % avec isolation. À 300 °C, une isolation des conduites est impérativement nécessaire en raison de la protection du travail, et semble également judicieuse pour les têtes de brûleur. L’air de combustion préchauffé entraîne ainsi une économie annuelle de 171 270 € sans isolation ou de 202 551 € avec isolation. Les coûts d’investissement(en rouge) s’élèvent à 91254 € sans isolation et à 150488 € avec isolation. Dans cet exemple, l’investissement dans un préchauffage de l’air de combustion est déjà amorti au bout de 6,5 mois sans isolation et de 9 mois avec isolation des têtes de brûleur.
Conclusion et perspectives
Tableau 3 : Coûts d’énergie et d’investissement avec et sans préchauffage de l’air de combustion à 300 °C sur un four de briques de parement ayant une capacité de 325 t/j
Les possibilités et les limites de l’économie d’énergie ont été exposées à l’aide du logiciel propre à Lingl pour des simulations techniques de fours tunnels. Ces calculs sont actuellement mis à profit pour la conception de nouvelles installations, ainsi qu’avec l’analyse technique des processus chez le client, pour optimiser des installations existantes.
Il a été constaté que ce sont surtout les flux d’air qui sont la part principale dans le rendement énergétique du four tunnel. L’économie d’énergie et donc d’émissions de CO2 peut être atteinte d’une part par la maintenance, par exemple des étanchements du four, ainsi que par une optimisation de la conduite des processus. D’autre part, des investissements supplémentaires sont nécessaires. À l’avenir, pour faire face á la hausse continuelle du coût de l’énergie, outre l’optimisation des séchoirs lors de la construction de nouveaux fours, le préchauffage de l’air de combustion, des WFT plus légers, l’utilisation la chaleur dissipée dans le processus ORC et les échangeurs thermiques, la production décentralisée de courant ainsi que l’isolation des ouvrages gagneront de l’importance.
LE SÉCHOIR À FLUX CONTINU TYPE “OPTIFLOW” Il s’agit d’un séchoir continu doté de chariots roulants sur rails, combiné avec les propriétés des séchoirs à flux continu. Le séchoir Optiflow se caractérise par sa construction très simplifiée et son coût d’investissement réduit.
Ainsi, des chariots à plate-forme sans étagère sont utilisés. Des claies chargées de briques sont superposées les unes sur les autres sur ces chariots. Cela permet une simplification des opérations de dépilage et d’empilage du séchoir Anjou, tout en éliminant les inconvénients du couplage avec le dispositif de transport à chaîne. Les claies chargées de briques sont empilées les unes sur les autres sur les chariots. Les chariots de séchoir chargés sont ensuite dirigés en sens inverse de l’écoulement d’air. Ensuite, les chariots sont transférés vers un canal retour à l’aide d’un dispositif de transfert comme dans un séchoir Anjou. Cependant le transfert s’opère dans le plan horizontal moyennant un dispositif roulant sur rails. La différence avec le séchoir Anjou est que, dans ce dernier, les balancelles sont transférées moyennant des chaînes (pas de dispositif de transfert roulant sur rails) et l’inversion se fait plutôt dans le plan vertical dans un mouvement semblable au “Paternoster”. La construction horizontale du séchoir Optiflow simplifie le transport des chariots d’un point de vue mécanique. De plus, à cause de l’élimination du système “Paternoster” propre au séchoir Anjou, la distance entre les chariots du séchoir est réduite d’environ 2/3. Ceci a pour conséquence une réduction des dimensions nécessaires au bâtiment. De plus, la couverture complète de l’espace de séchage ainsi que l’utilisation des sas de la zone d’entrée et de sortie réduisent les fuites et les entrées d’air, ce qui contribue à la réduction de la consommation d’énergie. Du fait de la construction étanche du canal de transfert, les pertes du séchoir sont réduites de manière significative, permettant ainsi une utilisation plus optimale des capacités des ventilateurs pendant le processus de séchage. Ce qui est aussi nouveau, c’est que plusieurs canaux de séchage peuvent être construits côte à côte aussi bien dans le canal d’avance que dans le canal de retour. Le type de construction pour le séchoir Optiflow permet une structure simple de la fondation et du bâtiment, combinée avec une hauteur de bâtiment basse en comparaison avec le séchoir Anjou. Il est aussi possible de
faire construire le bâtiment par des fournisseurs locaux, ce qui favorise en plus une réduction des coûts. Les composants de l’unité comme par exemple le ventilateur et le groupe additionnel sont nettement plus accessibles dans le bâtiment simplifié du séchoir Optiflow puis qu’ils peuvent être installés au-dessus de ce dernier. Comme l’équipement de transport est situé à l’extérieur de zone de séchage, l’usure et ainsi la maintenance sont réduites. L’équipement peut être dimensionné pour une capacité de production journalière allant de 300 tonnes/jour jusqu’à 1000 tonnes/jour.
