La combustion est aujourd’hui un des principaux moyens de production d’énergie. Elle est utilisée dans des nombreux systèmes pratiques aussi bien pour produire de la chaleur (chaudières ou fours domestiques et industriels), de l’électricité (centrales thermiques), que pour le transport (moteurs automobiles et aéronautiques, moteurs fusée …) ou encore la destruction de déchets (incinérations). Malgré cette importance, les principaux processus de la combustion ne sont pas encore complètement maitrisés.
GENERALITES SUR LES FOURS A COMBUSTIBLE
Définition
Un four est un type d’appareil utilisé pour soumettre une substance à la chaleur, soit par un combustible ou une réaction chimique, soit par l’énergie électrique, soit par l’énergie solaire dans le but de lui faire subir des transformations physiques ou chimiques.
Classification des fours
Les réactions chimiques à haute température ont lieu généralement dans différents types de fours d’appareils à contact d’autoclaves, d’évaporateurs, de chaudières, de foyer, etc. Ce qui est caractéristique pour tous ces fours industriels c’est l’existence dans le même appareil de deux processus distincts :
– La réalisation d’un procédé de fabrication donné.
– Le dégagement et l’utilisation de la chaleur.
Par conséquent, ces appareils doivent être conçu de façon à satisfaire à la fois aux exigences d’ordre technologique et énergétique. Leur construction doit prévoir :
– Une capacité maximale de transmission de la chaleur depuis la source d’énergie vers la zone où se fait la transformation.
– Un coefficient maximal d’utilisation de la chaleur avec, en même temps, des pertes de chaleur réduites au maximum.
– Une qualité parfaite du produit fini avec son rendement maximum.
– Une simplicité et une solidité de l’appareil.
– Une marche totalement mécanisée et automatique.
D’une manière générale, on peut les classer selon le processus technologique, la source d’énergie, le mode de chauffage, la disposition etc…
Classification selon le processus technologique
On distingue :
– Les fours séchoirs destinés à éliminer l’eau des corps solides.
– Les fours chauffants pour réchauffer les matières sans modification de leur état d’agrégation (traitement thermique des métaux, recuit du verre).
– Les fours à calcination, dans lesquels les minerais sont traités à haute température (grillage des pyrites et de la pierre à chaux, des produits céramiques,…).
– Les fours de fusion, destinés à fondre les matières traitées (cubilots, fours à arc,…).
Classification des fours selon la nature de l’énergie fournie
On distingue :
– Les fours à combustible utilisant comme source de chaleur les combustibles solides, pulvérulents, liquide ou gazeux.
– Les fours électriques, utilisant l’énergie électrique.
– Les fours dans lesquels la chaleur provient des réactions chimiques mêmes qui se produisent à l’intérieur de ces fours (four de grillage des pyrites, et d’autre minerais de sulfure, hauts fourneaux, convertisseurs).
Classification des fours selon le mode de chauffage
On distingue :
– Les fours à chauffage direct qui, à leur tour se subdivise en plusieurs groupes :
o Fours dans lesquels la source d’énergie thermique se trouve en contact direct avec la matière à chauffer (four à ciment, four à calcination dans l’industrie d’alumine, four à arc).
o Fours dans lesquels la chaleur se dégage au sein du corps même que l’on chauffe (fours à cuve, grillage des pyrites, pyrolyse du méthane par thermo-oxydation).
o Fours dans lesquels la chaleur provenant du combustible est transmise aux corps à chauffer par l’intermédiaire de l’air chaud ou de gaz brûlés ou encore par rayonnement de corps solides chauffés (four tunnel, fours à réverbère, fours à sécher).
– Dans les fours à chauffage indirect, la chaleur est transmise au corps à réchauffer à travers les parois chaudes (four à coke à chauffage extérieur, four à cornue, four à creuset, four à moufle, four tubulaire).
Classification des fours selon la disposition
On distingue :
– Les fours verticaux : l’espace utile s’étend dans la direction verticale de manière à constituer une cuve de section circulaire ou rectangulaire. La cuve est remplie de matériau morcelé formant une couche filtrante qui se déplace lentement vers le bas, tandis qu’un courant de gaz chauds ascendant la traverse à contre-courant et réagit avec le matériau solide à la surface et dans les pores des morceaux (haut fourneau, four à chaux,…) .
– Les fours horizontaux : dans lesquels les matériaux à traiter se déplacent lentement dans la direction horizontale (four à tambour tournant, four tunnel ou à canal, …).
Eléments constitutifs typiques d’un four
Le four est essentiellement composé d’un foyer, des appareils d’alimentation, d’un couvercle, d’un système d’évacuation de fumées et d’un système de récupérateur de chaleur des fumées de combustion à la sortie du foyer.
Le foyer ou la chambre de fusion
Dimensionnement du foyer
La forme et les dimensions de la chambre de fusion dépendent de la forme et des dimensions du creuset d’une part et d’ autre part de l’espace requis pour une bonne manipulation de creuset. Elles dépendent aussi du volume des gaz de fumées ou bien du débit de combustible et de comburant c’est-à-dire de la puissance du four.
Dimensionnement des parois réfractaires
Parois réfractaires interne
La paroi interne du four est soumise à la température des gaz des fumées. Comme cette température est élevée, il faut la réaliser en briques (ou en béton) réfractaires capables de supporter des températures de l’ordre de 1500°C. Par ailleurs la température des gaz de fumée étant presque identique de part et d’autre de la paroi interne, en régime permanant, cette dernière n’a aucun rôle d’isolation. On peut donc réduire au minimum son épaisseur de façon à minimiser l’inertie thermique du four.
Dimensionnement des parois externes
La paroi externe, contrairement à l’interne, est soumise à des températures relativement faibles. Donc on peut penser la réaliser en béton ordinaire. Pour permettre de réduire le coût de revient du four. Le problème ici est de limiter les pertes de chaleur vers l’extérieur du four. Cependant il ne faut pas perdre de vue qu’une trop grande épaisseur augmenterait l’encombrement du four.
Isolation des parois externe
La paroi externe sera recouverte d’une couche de laine de verre afin de renforcer l’isolation thermique du four.
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