On pourrait essentiellement assimiler un chauffe-eau ou une chaudière à feu direct à un four. La chaleur est transférée directement au produit du processus, essentiellement des hydrocarbures ou des solutions chimiques. C’est pourquoi, dans les usines pétrochimiques ou les raffineries de l’industrie pétrolière, on utilise parfois l’expression Process Heater. Selon le combustible utilisé, on peut trouver Direct Gas Heater ou Direct Fuel Heater.
Les chauffages à feu direct sont utilisés pour des applications spécifiques. On pourrait les considérer comme des équipements conçus sur mesure, car le transfert direct de chaleur au produit du processus peut rendre l’équipement inefficace pour les nouvelles conditions du processus ou même entraîner la destruction du produit ou de l’équipement en cas d’inadéquation.
Leurs principales applications sont :
Dans le secteur pétrochimique et les raffineries :
- Chauffage des bruts vers les séparateurs
- Chauffage des gazoducs
- Systèmes de contrôle des points de rosée des gaz combustibles associés aux centrales de turbines à gaz
- Chauffage des flux de gaz hydrocarbures haute pression dans les stations de réduction de pression
- Surchauffeurs de vapeur
- Procédés de craquage
- Fours aromatiques
- Vaporisation de liquides et gaz
- Chauffages d’oxygène
- Chauffages de gaz de régénération
Autres secteurs, cas particuliers :
- Chauffage de l’air – secteur de la construction –
- Mine
- Industrie alimentaire
Secteur pétrochimique
Le type de chauffage à feu direct utilisé dans le secteur pétrochimique correspond à celui montré dans la Fig.1.
Dans ces cas, ce sont généralement des équipements de haute puissance – supérieurs à 6000 kW dans la plupart des cas – et extrêmement coûteux, car leur conception est pratiquement unique pour chaque application spécifique.
Ce sont des équipements très volumineux, ce qui implique dans la plupart des cas qu’ils soient de conception verticale, bien que pour des puissances entre 40 000 kW et 125 000 kW, on utilise la conception horizontale en raison de leurs grandes dimensions. Leur taille dépend évidemment de la puissance, mais il n’est pas rare d’avoir des zones de radiation de plus de 15 mètres de hauteur, et des ensembles d’équipements de plus de 40 mètres – voir Fig 2.-
Dans ce secteur pétrochimique, on utilise parfois des chauffages à feu direct comme chaudières à fluide thermique, donc comme chauffages indirects. La bonne connaissance du service de maintenance des usines chimiques et raffineries concernant les chauffages à feu direct et l’uniformité des pièces de rechange sont les principales raisons de cette assimilation, car comme nous le verrons plus loin, les avantages des chauffages à fluide thermique dans leurs fonctions spécifiques sont évidents.
Dans les chaudières à feu direct, la disposition de base est indiquée dans la Fig 1.
Une zone de radiation, que l’on assimilerait plus facilement à un four, où se trouve un serpentin (8), qui peut être horizontal/cylindrique comme montré, mais aussi vertical, où se réalise la partie finale du chauffage du produit, qui a été préalablement chauffé dans la zone de convection, où se trouve également un serpentin (4).
Les températures atteintes dans la zone de radiation peuvent être importantes, car le serpentin de cette zone n’est pas étanche aux gaz de combustion, ce qui fait que les parois du four atteignent des températures élevées, nécessitant un revêtement complet de cette zone avec du béton réfractaire et des ancrages des serpentins.
Cela implique une grande inertie thermique en cas d’arrêt de l’équipement, mais les applications pour lesquelles ces équipements sont conçus impliquent un fonctionnement continu – 24 h/jour, 365 j/an -. Les arrêts de maintenance doivent être programmés longtemps à l’avance, et comme ils sont peu fréquents, ils impliquent de longues périodes d’arrêt, car les dysfonctionnements à réparer après une longue période de service sont nombreux.
Une particularité de ces équipements est l’utilisation d’un volet ou damper pour contrôler la température de la zone de radiation – four -. En effet, sa fonction est d’éviter l’entrée d’air comburant excessive en fermant le volet. Cela augmente le tirage de la cheminée, obligeant le ventilateur du brûleur à travailler avec des pressions d’air plus élevées et donc avec un débit moindre.
Alors que dans les chauffages à feu indirect, la seule variable pratiquement à contrôler est la température de sortie du fluide intermédiaire – Fluid Transfer –, en tenant toujours compte de ne pas dépasser la température de film de ce fluide intermédiaire, dans les chaudières à feu direct, cette variable est également importante et critique, mais doit partager son importance avec la température existante dans la zone de radiation. Cela nécessite un système de contrôle plus sophistiqué que dans les chauffages à feu indirect.
Chauffage de l’air dans le secteur de la construction
Une application particulière des chaudières à feu direct, qui bien qu’exigeant une conception spécifique, n’est pas très sophistiquée, et dont la configuration est très différente de celle montrée en Fig.1, est le chauffage pour le séchage ou le chauffage sur les chantiers de construction – voir Fig 3-. Cette méthode est très utilisée surtout aux USA, sur les grands chantiers et au début, lorsque le processus de fabrication se déroule souvent en espaces ouverts. Elle est aussi utilisée pour le chauffage de grands entrepôts.
L’air introduit (1) est à la fois l’air comburant nécessaire à la combustion et le produit du processus, pour le séchage du béton et même pour le chauffage des zones de travail, évidemment avec des besoins importants de ventilation, et un contrôle des gaz expulsés pour qu’ils ne soient pas nuisibles à la santé des travailleurs.
Parmi les avantages, on peut citer :
- Unités petites comparées aux chauffages indirects – Fig 4 – pour la même fonctionnalité et donc faciles à transporter
- Moins coûteux
- Moins de coûts de maintenance
Leurs inconvénients, comme déjà indiqué, sont sanitaires, avec un contrôle strict du renouvellement d’air et de la combustion afin d’éviter les intoxications, ajoutant humidité et monoxyde de carbone à l’air ambiant.
En revanche, les chauffages indirects fournissent de l’air sec et propre à 100 %, pouvant fonctionner dans des espaces fermés – lorsque le chantier est déjà en phase avancée -.
Mine
Une autre application spécifique des chauffages à feu direct, nécessitant une conception spécifique, est dans l’industrie minière, les chauffages dits Elution Heaters.
En chimie analytique et organique, l’élution est le processus d’extraction d’un matériau d’un autre par lavage avec un solvant, dans presque tous les cas avec apport de chaleur.
Dans l’extraction de certains minéraux, comme l’or par exemple, ce procédé était et est encore réalisé au moyen d’échangeurs par lesquels circulaient la solution du minerai et le solvant d’un côté, et un fluide transmetteur de chaleur – habituellement fluide thermique – de l’autre, utilisant donc des chauffages à feu indirect.
Actuellement, dans certains pays comme l’Afrique du Sud, on expérimente des chaudières à feu direct, de configuration très proche des chauffages à fluide thermique – voir Fig 5 -. Les filtres nécessaires au bon fonctionnement des Elution Heaters sont le plus grand défi dans cette application des chauffages à feu direct.
Industrie alimentaire
Surtout dans les lignes de friture – pommes de terre, snacks, produits précuits –, la méthode utilisée est par des Heat Transfer Fluid Heaters où circule un fluide thermique chauffé dans l’équipement et qui cède sa chaleur dans un échangeur à l’huile qui frit les produits indiqués.
Ici aussi, comme dans le procédé d’élution minier, certaines installations ont été réalisées où l’huile de friture circule directement dans la chaudière, qui est alors utilisée comme chaudière à feu direct. Comme dans le procédé minier, la nécessité de filtres très fins rend ce système peu courant. L’oxydation rapide de l’huile de friture est un facteur supplémentaire dans la complexité du système.
Carles Ferrer est ingénieur industriel diplômé de l’Université de Barcelone. Il est le directeur commercial de Pirobloc et a participé au développement de projets de fluide thermique dans plus de 80 pays.
