Certificats d économies d énergie Fiche explicative n 86 FICHE EPLICATIVE Récupération de chaleur dans un brûleur sur four industriel Fiches d opérations standardisées concernées : IND-UT-118 Cette fiche contient les éléments suivants : 1 / Une présentation générale de la récupération de chaleur dans un brûleur. 2 / Une précision des termes techniques (pour les matériels comme pour les professionnels) contenus dans les fiches CEE concernées, 3 / Les modes de preuves nécessaires à la valorisation des fiches d opérations standardisées, 4 / Des recommandations de mise en œuvre de la technologie, 5 / Des réponses aux questions les plus posées sur cette technologie I. Généralités Cette fiche concerne la mise en place d un brûleur autorécupérateur ou d un brûleur régénératif (autorégénératif ou paire de brûleurs régénératifs) ou d un dispositif centralisé de récupération de chaleur sur les fumées pour préchauffer l air comburant sur un four industriel fonctionnant au gaz naturel et à une température de plus de 600 C. Un brûleur gaz est un élément mécanique qui assure la production de chaleur en mélangeant un combustible gaz, avec de l air chargé d oxygène. Ce mélange produit une combustion Sauf dans les quelques cas où l on arrive à épuiser une majeure partie de la chaleur qu elles contiennent les fumées quittent le four à une température qui peut être encore relativement élevée, souvent proche de la température de l application. Il est donc intéressant, pour limiter les consommations énergétiques, de récupérer l énergie thermique contenue dans les fumées avant leur sortie à l atmosphère pour préchauffer l air de combustion. L air ainsi préchauffé, injecté dans l enceinte, permet une diminution d autant de la puissance gaz à fournir. Les dispositifs permettant cette récupération sont décrits ci-dessous : Les brûleurs à air chaud : récupérateur de chaleur sur les fumées ou récupération centralisée Ce récupérateur de chaleur se fait dans un échangeur de chaleur gaz/gaz placé en sortie de four pour préchauffer l air d admission. La récupération de chaleur est dites centralisée car l intégralité des fumées quittant le four ainsi que l ensemble de l air injecté dans le four passent dans cet échangeur Page 1 sur 5
Figure 1:récupération centralisée Les efficacités de récupération entre les différents types de récupérateur sont liées à la capacité du dispositif à préchauffer l air comburant, exprimée par le paramètre ε : ε = T préchauffage T ambiance T fumées T ambiance L efficacité de récupération de ce type de brûleur est entre 40% et 50%. Cette configuration consiste à ajouter un échangeur en sortie de four pour préchauffer l air comburant utilisé par les brûleurs. Dans certains cas, les fumées en sortie du four sont diluées par de l'air frais pour être refroidies avant d'entrer dans l échangeur de récupération afin d éviter d'abîmer ce dernier. Afin d éviter de survaloriser en CEE la récupération de chaleur centralisée avec une dilution des fumées en aval et inciter plutôt à l installation de brûleurs performants neufs, nous avons choisi de limiter les gains énergétiques au cas 600-750 C quelle que soit la température du four. Les brûleurs auto-récupérateurs : La chambre de combustion de ce type de brûleurs est un tube métallique ou céramique ouvert à l extrémité. L entrée d air passe à proximité du retour des fumées chaudes. Le brûleur dispose d un système de recirculation des fumées (ailettes, aspérités sur le tube du brûleur) pour augmenter la surface d échange avec l air comburant entrant. Il est utilisé «seul» en chauffage direct ou encapsulé dans un tube radiant. Ces brûleurs sont utilisés dans deux gammes de température : 600-1000 C (avec tube métallique Cr-Ni par ex) et 1000-1300 C (avec tube Si-SiC ou autre céramique). Les domaines d utilisation sont avant tout les fours de traitement thermique à chauffage direct en four batch ou à passage avec des durées de traitement longues. L efficacité de récupération de ce type de brûleur est entre 50% et 70%. Figure 2: auto-récupérateur Les brûleurs auto-régénératifs et paire de brûleurs régénératifs : Ces brûleurs sont associés par paire : l un fonctionne pendant que l autre, à l arrêt, «aspire» les fumées du premier pour chauffer une masse thermique en céramique (le régénérateur). Puis l air du second se réchauffera en passant au travers du régénérateur. Il y a alternance de fonctionnement de l ordre de la minute. Page 2 sur 5
Doté de vannes étanches et de systèmes complets de commande, le brûleur peut être auto-régénératif en aspirant ses propres fumées au travers d un jeu de charges thermiques disposées localement autour du nez du brûleur. Ces brûleurs utilisés aux hautes températures (700 C 1400 C) sont très économiques en exploitation mais demandent cependant un plus gros investissement et doivent fonctionner dans un environnement propre (absence d encrassement, de pollution par métaux évaporés). Ces systèmes permettent de préchauffer l air jusqu à 50 C en dessous de la température du procédé. Les principaux domaines d application sont ceux où la température est suffisamment élevée pour que l investissement soit pertinent. Aujourd hui cela concerne essentiellement les fours de fusion de verre, les fours de refusions d aluminium, les fours de réchauffage des aciers et les fours de traitement thermique. L efficacité de récupération de ce type de brûleur est entre 70% et 90%. Figure 3: paire de brûleurs régénératifs Figure 4: auto-régénératif Les données issues de la littérature et des constructeurs montrent que ces brûleurs n apportent de gain d énergie sensible que sur les fours de plus de 600 C. Le parc considéré concerne donc les fours industriels dont la température d utilisation est supérieure à 600 C. Application 600-750 C 750-1000 C 1000-1250 C Fusion de ferreux Fusion d alliages légers (aluminium ) Fusion d autres non ferreux (cuivre, bronze ) Traitement thermique de ferreux Traitement thermique de non ferreux Chauffage avant formage de ferreux (forge) Chauffage avant formage de non ferreux (forge) Tableau 1:Température usuellement rencontrées selon l usage > 1250 C Les données statistiques disponibles sont basées sur l étude CEREN n 0305 «extrapolation du parc d équipements en 2008 dans l industrie» de septembre 2011 et fonctionnant eux à des températures comprises entre 600 et 1250 C. II. Précisions sur les termes employés dans la fiche pouvant porter à interprétation : Les économies d énergie apportées par la mise en place d un brûleur avec le dispositif de récupération de chaleur en remplacement d un brûleur de référence, viennent uniquement du préchauffage de l air dans le brûleur. Elles dépendent des critères suivants : Critère 1 : Puissance nominale du brûleur. Cette puissance représente la puissance de gaz à fournir au four. Page 3 sur 5
Critère 2 : Taux de charge moyen annuel du brûleur. C est le rapport entre l'énergie effectivement fournie, durant un intervalle de temps déterminé, et la puissance nominale en régime continu multiplié par cet intervalle de temps. Critère 3 : Durée annuelle de fonctionnement qui est lié au rythme de fonctionnement du site. Critère 4 : Gain lié au réchauffage de l air comburant. C est une fonction de la température des fumées à la sortie du four et de la température de l air préchauffé. Le critère 2, taux de charge moyen annuel du brûleur pondéré est pris en compte dans le forfait de la fiche de calcul. Le critère 3, durée annuelle de fonctionnement, est lié au rythme de fonctionnement du site. Le critère 4, gain lié au réchauffage de l air comburant, est calculé par l abaque suivante : 70% Gains énergétiques obtenus par la mise en place de brûleurs régénératifs 60% 50% Economies d'énergie en % 40% 30% 20% 10% 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 0% 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 Température des fumées en C avant conversion T fumées ( C) Gain préchauffage (%) T préchauf = T fumées + (1- )T ambiante ( C) Figure 5: Le gain de préchauffage en fonction de température des fumées et la température de l'air préchauffé Rappelons que les valeurs de l efficacité de récupération ε pour différents types de récupérateur sont les suivantes : - 40% à 50% pour les récupérateurs de chaleurs centralisés qui préchauffent l air pour un brûleur à air chaud. - 50% à 70% pour les brûleurs auto-récupérateur - 70% à 90% pour les brûleurs (auto-)régénératif. Pour simplifier le calcul, seules les valeurs moyennes de ε pour chaque type de brûleurs sont considérées (45% pour les récupérateurs centralisés, 60% pour les brûleurs auto-récupérateur et 80% pour les brûleurs (auto-)régénératif). De même, pour simplifier les calculs, seules sont considérées les températures moyennes de 675 C, 875 C, 1125 C et 1300 C pour représenter les quatre plages de température 600-750 C, 750-1000 C, 1000-1250 C et >1250 C.(sauf les récupérateur de chaleur sur les fumées) Page 4 sur 5
On peut déduire la température de l air après préchauffage T préchauffage par la température de fumées T fumées et l efficacité de récupération ε, puis déduire le gain de préchauffage par la Figure 5. Par exemple, pour le brûleur auto-récupérateur qui utilise dans la plage de température de 750-1000 C, la température de l air après préchauffage (on suppose T ambiance égale à 25 C) T préchauff = ε T fumées + (1 ε) T ambiance = 60% 875 + (1 60%) 25 = 535 C Sur la figure 5, le gain correspondant à T fumées = 875 C et T préchauff =535 C est de 26%. Situation de référence : L économie d énergie standardisée se calcule par rapport une référence moyenne du parc équipé de brûleurs à récupération (environ 14% du parc) et du parc de brûleurs sans récupération (environ 86% du parc). La référence est un brûleur «fictif» dont les caractéristiques techniques correspondent à cette moyenne. L efficacité de ce brûleur «fictif» est de 9%. Cette efficacité est obtenue par la moyenne pondérée des efficacités de récupération de chaque brûleur type. Au final, les trois critères liés à cette action sont : La puissance nominale du brûleur : - La puissance nominale des anciens brûleurs dans le cas de l installation d une récupération centralisée. - La puissance nominale des nouveaux brûleurs dans le cas de l installation des brûleurs auto-récupérateurs, de brûleurs auto-régénératif ou de paire(s) de brûleurs régénératifs. Le rythme de fonctionnement du site. La plage de la température du four. (sauf les récupérateurs de chaleur sur les fumées) III. Précisions sur les modes de preuves : Néant IV. Recommandations de mise en œuvre : Pas de DTU ni avis technique de mise en œuvre. Page 5 sur 5