Comprendre la chaleur des déchets dans les usines de laminage à chaud

Les laminoirs à chaud fonctionnent en chauffant des dalles d'acier, des billettes ou des fleurs à des températures comprises entre 1100 et 1300°C avant de les passer par des rouleaux successifs pour obtenir les dimensions souhaitées et les propriétés mécaniques. Ce chemin thermique est intrinsèquement inefficace : seulement 30 à 40 % de l'énergie d'entrée est conservée dans le produit fini. Le reste est dissipé comme chaleur résiduelle par les gaz de combustion des fours, les radiations des surfaces chaudes, les systèmes d'eau de refroidissement et les pertes convectifs du matériau lui-même.

Les installations de laminage à chaud produisent de la chaleur résiduelle à travers plusieurs gradients de température. Les gaz d'échappement à haute température sortant des fours de réchauffage atteignent 600 à 900°C. La chaleur à température intermédiaire est émise par les postes de laminage et les tables de sortie, tandis que l'énergie thermique de faible qualité (60 à 200°C) est emportée par les systèmes d'eau de refroidissement et de lubrifiant.

La récupération de chaleur des déchets est l'un des outils les plus rentables pour réduire cette empreinte. Un ensemble croissant de recherches, y compris les travaux du U.S. Department of Energy , a souligné que la récupération d'une fraction seulement de chaleur des déchets provenant des laminoirs peut entraîner des économies d'énergie et des réductions d'émissions importantes.

Technologies innovantes pour la récupération de chaleur des déchets

Les progrès récents dans le transfert de chaleur, la science des matériaux et la production d'énergie ont introduit plusieurs méthodes pour capturer et utiliser plus efficacement la chaleur résiduelle dans les laminoirs à chaud.

Systèmes d'huile thermique

Les systèmes d'huile thermique utilisent un fluide de transfert de chaleur (généralement une huile synthétique ou minérale) pour absorber la chaleur résiduelle provenant des gaz d'échappement du four ou des surfaces de produits chauds. L'huile chauffée est ensuite distribuée à un échangeur de chaleur où elle peut produire de la vapeur, conduire un refroidisseur d'absorption pour le refroidissement ou préchauffer l'air de combustion pour le four de réchauffage.

Dans la pratique, les boucles d'huile thermique ont été réaménagées dans les cheminées d'échappement des usines européennes et asiatiques, ce qui a permis de récupérer 60 à 70 % de la chaleur résiduelle disponible. L'énergie récupérée peut être utilisée pour produire de la vapeur de procédé pour d'autres opérations de la fabrique, comme le décapage ou le décapage, réduisant ainsi le besoin de chaudières alimentées au combustible fossile.

Technologie des tuyaux de chauffage

Les tuyaux de chauffage sont des dispositifs passifs de transfert de chaleur qui utilisent le changement de phase (évaporation et condensation) d'un fluide de travail pour transporter l'énergie thermique avec une différence de température minimale. Dans les laminoirs à chaud, les récupérateurs à base de tuyaux de chaleur peuvent être placés dans des conduits d'échappement pour préchauffer l'air de combustion pour les fours à réchauffer.

Par exemple, Oak Ridge National Laboratory a collaboré avec des partenaires de l'industrie pour développer des tuyaux de chaleur à haute température utilisant le sodium ou le lithium comme fluides de travail, capables de fonctionner à plus de 800 °C. Ces dispositifs peuvent être insérés dans les murs du four à réchauffer pour capter la chaleur radiante et la transférer dans un circuit secondaire pour produire de l'énergie ou pour le chauffage par procédé.

Systèmes de cycle biologique de rankine (ORC)

Le cycle de rankine organique est un processus thermodynamique qui utilise un fluide de travail organique (comme les réfrigérants ou les hydrocarbures) avec un point d'ébullition inférieur à l'eau. Cela permet à ORC de produire de l'électricité à partir de flux de chaleur de déchets de température moyenne à basse (100 à 300 °C) qui ne sont pas assez chauds pour alimenter une turbine à vapeur conventionnelle.

Les installations commerciales des aciéries en Italie, en Allemagne et au Japon produisent systématiquement 1 à 5 MW d'électricité à partir de la chaleur résiduelle qui serait autrement perdue. Le coût de l'électricité (LCOE) pour ORC dans ces applications est tombé en dessous de 0,06 $/kWh dans de nombreux cas, ce qui rend économiquement attrayant sans subventions.

Récupérateurs et régénérateurs

Les récupérateurs et les régénérateurs sont des dispositifs d'échange de chaleur qui captent l'énergie des gaz de combustion et la transfèrent à l'air ou à la matière première de combustion entrante. Les récupérateurs sont des échangeurs de plaques fixes ou de tubes qui transfèrent continuellement la chaleur, tandis que les régénérateurs utilisent un milieu de stockage thermique (p. ex. briques céramiques ou laine métallique) qui stocke et libère alternativement la chaleur.

Les systèmes de récupération modernes intègrent désormais des matériaux avancés comme le carbure de silicium et les alliages à haute teneur en nickel qui résistent aux gaz de combustion corrosifs et au cycle thermique. Certains moulins ont déployé des récupérateurs sur plusieurs flux d'échappement, combinant la chaleur récupérée pour maximiser l'efficacité.

Matériaux de changement de phase (PCM) pour le stockage thermique

Une approche émergente utilise des matériaux de changement de phase, comme les hydrates de sel, les paraffines ou les sels fondus, pour stocker la chaleur résiduelle comme énergie latente. Ces matériaux absorbent la chaleur pendant la fusion et la libèrent pendant la solidification, permettant ainsi d'utiliser l'énergie captée sur demande, même lorsque la laminoir ne produit pas de chaleur résiduelle (p. ex. pendant les périodes de ralenti ou les changements de changement de poste).

Les unités de stockage de PCM de prototype ont été testées dans des aciéries européennes, démontrant la capacité de stocker 10 à 50 MWh d'énergie thermique par unité. La chaleur stockée peut ensuite être utilisée pour préchauffer les lingots froids ou générer de la vapeur pour les réseaux de chauffage urbain. L'intégration avec les sources d'énergie renouvelables est également possible: l'énergie solaire ou éolienne excédentaire peut être utilisée pour charger -- le PCM, créant un tampon d'énergie flexible pour le moulin.

Production thermoélectrique

Les générateurs thermoélectriques (TEG) convertissent directement une différence de température en électricité en utilisant l'effet Seebeck. Bien que les TEG se soient traditionnellement limités aux applications de niche en raison de leur faible efficacité (généralement 3–8%), de nouveaux matériaux comme les skuterudites et les alliages semi-heusler poussent des rendements supérieurs à 10%.

Bien que les TEG ne puissent pas remplacer les ORC pour la production d'électricité à grande échelle, ils offrent des avantages uniques pour les endroits éloignés ou restreints où l'espace est limité. Plusieurs aciéries japonaises pilotent des réseaux TEG sur les surfaces extérieures des fours à réchauffer, en vue de produire suffisamment d'électricité pour alimenter les capteurs locaux et les systèmes de contrôle.

Avantages de la récupération de chaleur des déchets

La mise en œuvre de méthodes innovantes de récupération de la chaleur des déchets offre une gamme d'avantages quantifiables qui vont au-delà des économies d'énergie simples.

Avantages économiques

Pour une usine de laminage à chaud qui consomme 500 000 MWh de gaz naturel par an, un gain d'efficacité de 20 % grâce à la récupération de chaleur permet d'économiser 100 000 MWh par an, soit de 3 à 5 millions de dollars aux prix actuels du gaz industriel.

Du côté des capitaux, le coût du matériel de récupération de chaleur a diminué de façon constante. Les systèmes d'huile thermique et les récupérateurs ont maintenant des périodes de récupération de 2 à 4 ans, tandis que les installations de l'ORC récupèrent leur investissement en 3 à 6 ans. Les subventions gouvernementales et les incitations fiscales pour la décarbonisation industrielle, telles que celles offertes par le du département de l'énergie des États-Unis ou le Fonds d'innovation de l'UE, peuvent réduire encore le remboursement.

Environnement et durabilité

Chaque unité de chaleur récupérée déplace directement la combustion des combustibles fossiles quelque part dans l'usine, ce qui se traduit par une réduction proportionnelle des émissions de CO2, de NOx, de SOx et de particules. Pour une usine qui récupère 100 000 MWh/an d'énergie thermique, les émissions de CO2 évitées sont d'environ 20 000 à 25 000 tonnes par an (selon le combustible déplacé).

La conservation de l'eau est un avantage souvent négligé.De nombreuses technologies de récupération de chaleur des déchets réduisent le besoin de tours de refroidissement par évaporation, ce qui réduit la consommation et le débit d'eau.

Améliorations opérationnelles

La récupération de chaleur peut améliorer la fiabilité globale de l'usine. Par exemple, la préchauffage de l'air de combustion avec des récupérateurs réduit le choc thermique sur les brûleurs, prolongeant ainsi leur durée de vie. De même, l'utilisation de la chaleur résiduelle pour maintenir l'huile lubrifiante ou l'huile hydraulique à des températures optimales réduit les problèmes de viscosité et l'usure de la pompe.

Défis et solutions de mise en œuvre

Malgré les avantages évidents, l'adoption généralisée de la récupération de la chaleur résiduelle dans les laminoirs à chaud est confrontée à plusieurs obstacles.

Coûts élevés en capital et périodes de remboursement prolongées

Bien que les périodes de récupération se soient améliorées, l'investissement initial dans un système complet de récupération de chaleur peut encore s'élever à 10 à 50 millions de dollars pour une grande usine. C'est un obstacle important pour les usines opérant sur des marges minces. Une solution consiste à utiliser des modèles de sociétés de services énergétiques (ESCO) où une tierce partie finance le projet en échange d'une part des économies d'énergie.

Contraintes spatiales et complexité de l'intégration

Les laminoirs à chaud sont souvent densément équipés, laissant peu de place à des échangeurs de chaleur, des canalisations ou des unités de production d'électricité supplémentaires. Les ingénieurs ont abordé cette question en concevant des unités modulaires compactes qui peuvent être installées sur les toits, au-dessus des équipements existants ou dans les couloirs de services publics à proximité.

Fouling et corrosion des gaz de combustion

Les gaz de combustion des fours à réchauffer contiennent des poussières, des balances et des composés corrosifs (p. ex. SO2, HCl), qui peuvent dégrader rapidement les surfaces d'échange de chaleur. Les solutions comprennent l'utilisation d'alliages résistant à la corrosion, la mise en place de systèmes de soufflage de suie pour le nettoyage périodique et le choix d'échangeurs de chaleur avec des géométries faciles à nettoyer (comme les échangeurs de surface raclés ou les échangeurs de lit fluidisés).

Préoccupations relatives à la fiabilité opérationnelle

Les usines de production craignent que l'ajout d'équipement de récupération de chaleur ne crée de nouveaux modes de panne ou ne réduise la disponibilité des installations. Les conceptions modernes permettent de régler ce problème en assurant l'isolement du système de récupération sans affecter la chaîne de production principale.

Perspectives d'avenir

Le paysage de la récupération de chaleur dans les laminoirs à chaud évolue rapidement. Plusieurs tendances indiquent une intégration et une efficacité encore plus grandes au cours de la prochaine décennie.

Capteurs intelligents et contrôle de l'IA

Les capteurs avancés (thermocouples, pyromètres, débitmètres) combinés à des algorithmes d'apprentissage de la machine peuvent optimiser la récupération de chaleur en temps réel. Par exemple, les modèles AI peuvent prédire la température et la composition des gaz d'échappement en fonction des calendriers de production et ajuster les vannes de dérivation ou les débits pour maximiser la récupération.

Intégration avec les énergies renouvelables et l'hydrogène

La récupération de chaleur peut compléter la production solaire thermique, géothermique ou d'hydrogène sur place. Par exemple, la chaleur résiduelle peut être utilisée pour alimenter les électrolyseurs pour la production d'hydrogène vert, qui peut à son tour être utilisée comme combustible propre pour réchauffer les fours.

Normalisation et scalabilité

À mesure que la technologie arrive à maturité, les fabricants d'équipements élaborent des paquets normalisés pour la récupération de chaleur des déchets adaptés aux tailles et aux configurations communes des usines.Ces unités -plug-and-play--- réduire le temps d'ingénierie et les coûts, rendant la technologie accessible aux petites usines.

Économie circulaire et Symbiose industrielle

Au-delà des portes de l'usine, la chaleur résiduelle peut être exportée vers des installations voisines ou des réseaux de chauffage urbain.Il existe des exemples de symbiose industrielle en Suède et en Allemagne, où les aciéries fournissent de la chaleur résiduelle aux zones résidentielles, aux serres ou à d'autres utilisateurs industriels.

Conclusion

Des systèmes d'huiles thermiques et de tuyaux thermiques aux générateurs d'oxygène et de chaleur, le paysage technologique offre de multiples voies de déploiement adaptées à différentes tailles, températures et priorités opérationnelles. Avec des politiques d'appui, des contrôles intelligents et une innovation continue, la récupération de chaleur des déchets deviendra une caractéristique standard de la fabrication moderne de l'acier, ce qui conduira l'industrie vers un avenir à faible intensité de carbone. La combinaison de coûts énergétiques réduits, de réductions des émissions et d'une fiabilité accrue de l'équipement fait une analyse de rentabilisation convaincante, une entreprise que les producteurs d'acier ne peuvent se permettre d'ignorer.