Thèse
Auteur :
Ferrand Ludovic

Date de soutenance :
25 septembre 2003

Directeur(s) de thèse :
Clodic Denis



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Modélisation et expérimentation des fours de réchauffage sidérurgiques équipés de brûleurs régénératifs à Oxydation sans Flamme


Résumé : Ces travaux ont pour objectif d'étudier l'intégration d'une technologie de combustion récente, les brûleurs régénératifs à Oxydation sans Flamme, sur les fours de réchauffage sidérurgiques. La modélisation numérique a été utilisée pour étudier les enceintes équipées de tels brûleurs. Un accent particulier a été porté sur la validation expérimentale des modèles. L'outil CFD a d'abord permis d'étudier finement les caractéristiques de la combustion. Les modèles de fermeture ont d'abord été pré-sélectionnés. Le modèle a ensuite été confronté à des mesures de vitesses, espèces chimiques et températures dans la flamme pour choisir définitivement les modèles les plus adéquats.Une méthodologie de simplification a ensuite été mise en place pour optimiser le ratio précision / temps de calcul du modèle CFD, dans l'optique d'étudier les enceintes multi-brûleurs. Cette approche a été validée par rapport au modèle CFD détaillé.Enfin la simulation des régimes transitoires, essentielle dans l'analyse des performances des fours, a été traitée par une approche nodale, consistant à représenter les éléments du système sous la forme d'un réseau de composants simples. Les phénomènes physiques sont inclus dans les échanges entre les composants du réseau par l'intermédiaire d'une conductance dépendant du mode de transfert. Cette formulation rend la résolution des transferts radiatifs compatible avec la méthode zonale. Les facteurs d'échange radiatifs ont été calculés par le logiciel MODRAY. Un régulateur a également été inclus dans le modèle. Le réseau a été décrit et résolu sous l'environnement THERMETTE. Des essais à l'échelle semi-industrielle ont permis de valider ce modèle nodal.Avant-propos i

Table des matières ii

Table des figures v

Liste des tableaux xii

Liste des abréviations xiii

Liste des notations xvi

Introduction 1

1 - Les méthodes de réduction des polluants atmosphériques émis par les grandes installations de combustion - 3

1.1 Enjeux - 3

1.2 Les fours de réchauffage sidérurgiques - 4

1.2.1 Description anatomique des fours - 4

1.2.2 Description des brûleurs industriels conventionnels - 7

1.3 Les techniques d'amélioration des performances des fours - 9

1.3.1 Réduction de la consommation énergétique - 9

1.3.2 Réduction des émissions de NOx - 12

1.4 L'Oxydation sans Flamme - 17

1.4.1 Historique - 17

1.4.2 Description de la technique - 18

2 Modélisation fine d'un brûleur à Oxydation sans Flamme et validation expérimentale - 23

2.1 Objectifs / Méthodologie - 23

2.2 Pré-sélection des modèles de fermeture - 24

2.2.1 Modélisation de la turbulence - 25

2.2.2 Modélisation du rayonnement - 33

2.2.3 Modélisation de la combustion - 40

2.3 Validation expérimentale par des mesures dans la flamme - 44

2.3.1 Dispositif expérimental - 44

2.3.2 Mise en ?uvre de la simulation - 47

2.3.3 Confrontation expérimentale: bilan thermique - 51

2.3.4 Confrontation expérimentale: champ de vitesse - 53

2.3.5 Confrontation expérimentale: espèces chimiques - 54

2.3.6 Confrontation expérimentale: champ de température - 55

2.3.7 Choix des modèles - 56

2.4 Simplification de la représentation du brûleur - 58

2.4.1 Simplification des écoulements - 58

2.4.2 Simplification de la combustion - 62

2.4.3 Validation du modèle simplifié - 64

2.4.4 Optimisation du compromis précision / temps de calcul - 70

2.5 Synthèse et conclusions - 73

3 Modélisation nodale d'un four de réchauffage sidérurgique et validation sur un four prototype à l'échelle semi-industrielle - 75

3.1 Enjeux et choix de la stratégie de modélisation - 75

3.2 Développement d'un modèle nodal 3D instationnaire - 78

3.2.1 Description du solveur thermique THERMETTE® - 78

3.2.2 Représentation des éléments du four - 79

3.2.3 Contrôle/Commande - 87

3.2.4 Calcul des échanges radiatifs - 89

3.2.5 Architecture globale du modèle - 99

3.3 Description des essais sur un four prototype - 103

3.3.1 Objectifs - 103

3.3.2 Description du four d'essais - 103

3.3.3 Plan d'expérience - 114

3.3.4 Contrôle/Commande - 114

3.3.5 Résultats de la campagne d'essais - 118

3.3.6 Conclusions - 126

3.4 Validation expérimentale du modèle nodal - 127

3.4.1 Mise en ?uvre du modèle du four prototype - 127

3.4.2 Etude de sensibilité - 135

3.4.3 Validation expérimentale - 142

3.5 Synthèse et conclusions - 159

Conclusions et perspectives 160

A Conversion des unités d'émissions de NOx 165

B Calcul de l'interaction entre jets 167

C Calcul des chaleurs massiques des espèces chimiques 171

D Confrontation des résultats du modèle CFD détaillé aux mesures effectuées dans la flamme 173

E Interface utilisateur développée pour le modèle nodal 181

F Composition des parois du four prototype 185

G Caractéristiques thermophysiques de l'acier BISRA n°1 187

H Calcul du bilan thermique `a partir des données expérimentales 189

I Calcul de la température de paroi par méthode inverse 191

Bibliographie 194

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