PROCEDE ET INSTALLATION DE RECUPERATION D'ENERGIE CALORIFIQUE SUR UN FOUR A LONGERONS TUBULAIRES ET DE CONVERSION DE CELLE-CI EN ELECTRICITE AU MOYEN D'UNE TURBINE PRODUISANT DE L'ELECTRICITE PAR LA MISE EN OEUVRE D'UN CYCLE DE RANKINE

Description

[0001] L'invention concerne le domaine de la récupération d'énergie calorifique provenant de fours à longerons tubulaires et sa conversion en électricité au moyen d'une turbine à cycle de détente utilisant un autre fluide que la vapeur d'eau.

[0002] L'invention concerne notamment les fours de réchauffage sidérurgiques destinés à réchauffer des produits, notamment des brames, des blooms, des ébauches ou des billettes, fonctionnant à une température adéquate pour leur laminage à chaud, et tout particulièrement les fours à longerons mobiles. Un four de réchauffage permet de porter les produits à des températures élevées, par exemple à une température d'environ 1200 °C pour un acier au carbone. Le chauffage du four est communément réalisé par des brûleurs alimentés en air préchauffé et en combustible et fonctionnant en léger excès d'air.

[0003] EP0971192 décrit un exemple de four à longerons équipé de longerons fixes, et de longerons mobiles. Les produits sont déposés sur des longerons et sont chauffés par des brûleurs disposés au-dessus et en dessous des produits. Les longerons sont constitués de chenets et quilles refroidis. Les longerons mobiles permettent le transport des produits dans le four en suivant un cycle comportant une première phase de montée par les longerons mobiles, depuis une position initiale, qui permet de soulever les produits. La première phase est suivie d'une deuxième phase de transport horizontal par les longerons mobiles puis d'une troisième phase de dépose des produits sur les longerons fixes. Les produits sont ainsi déplacés d'un pas sur les longerons fixes avant la quatrième phase de retour en arrière des longerons mobiles dans leur position initiale. Les chenets des longerons fixes sont portés par des quilles solidaires de la sole du four. Les chenets des longerons mobiles sont portés par des quilles traversant la sole du four et fixés, sous le four, sur un châssis de translation. Le châssis de translation repose sur une mécanique qui assure un cycle rectangulaire par le déplacement horizontal et vertical de l'ensemble châssis, quilles et chenets des longerons mobiles.

[0004] La structure des longerons est réalisée par des tubes ou des profilés creux qui sont refroidis par un fluide caloporteur en circulation, qui est traditionnellement de l'eau à basse température et basse pression, par exemple 30 à 55 °C et 5 bars. La quantité d'énergie évacuée par unité de temps par le fluide caloporteur est importante afin de limiter la température et d'avoir une résistance mécanique suffisante de la structure des longerons. La puissance évacuée est par exemple de 10 MW_th pour un four d'une capacité de 450 t/h. L'eau chaude récupérée en sortie des longerons peut alors être utilisée dans l'usine, par exemple pour un usage sanitaire, le chauffage de bâtiments, ou des procédés pour lesquels des températures relativement basses sont nécessaires. Il est connu que l'on peut remplacer l'eau à basse température et basse pression refroidissant les longerons par de l'eau surchauffée à haute pression, laquelle se transforme partiellement en vapeur saturée dans les chenets. La vapeur obtenue peut être utilisée dans l'usine pour différents besoins. Le refroidissement de la structure des longerons par un mélange eau et vapeur saturée est avantageux, notamment car il permet d'assurer le fonctionnement de la structure des longerons à une température stable. En effet, le changement d'état de la phase liquide à la phase vapeur se faisant à une température sensiblement constante, la température de sortie du fluide de refroidissement des longerons est constante, quel que soit le régime de fonctionnement du four, seule la quantité d'eau passant en phase vapeur évoluant. La température de sortie du fluide de refroidissement est, par exemple, de 215 °C pour une pression du fluide de 21 bars absolus.

[0005] Un récupérateur de chaleur est traditionnellement disposé dans un carneau de fumées de combustion du four. Il permet une récupération d'énergie sur ces fumées par le préchauffage de l'air de combustion des brûleurs et parfois du combustible. En aval de ce récupérateur, la température des fumées est encore relativement élevée, par exemple de 300 °C. Il est connu d'ajouter d'autres échangeurs de chaleur, ou une chaudière de récupération, dans des carneaux pour épuiser davantage les fumées. Dans le cas où le refroidissement de la structure des longerons est réalisé par de l'eau surchauffée avec production de vapeur, il peut par exemple s'agir d'un économiseur d'eau surchauffée ou d'un surchauffeur de vapeur.

[0006] Les fours de réchauffage sidérurgiques fonctionnent en continu et ont des capacités de production importantes, par exemple de 450 t/h. Leur régime de fonctionnement varie fréquemment, notamment selon la nature et la température des produits enfournés et le cadencement du four. Il en résulte que le volume des fumées de combustion varie également fréquemment, celui-ci étant sensiblement proportionnel au tonnage horaire des produits réchauffés dans le four. Les changements du débit de fumées s'accompagnent également d'une variation de température desdites fumées. Ces fluctuations sur la température des fumées conduisent à une variation importante des performances des échangeurs disposés dans des carneaux ou des chaudières de récupération. A tonnage réduit, la température des fumées ne permet plus de valoriser l'énergie résiduelle des fumées en vapeur.

[0007] Les produits à réchauffer dans le four devant toujours être chauffés à la température de laminage, et celle-ci étant relativement constante, la température des parois du four varie peu. Les pertes thermiques par les longerons fluctuant peu, la génération de vapeur par un système de refroidissement de la structure des longerons est moins dépendante du tonnage horaire du four.

[0008] Les énergies thermiques contenues dans les fumées et le fluide de refroidissement des longerons représentent chacune environ 10 MW_th sur un four de 450 t/h avec des températures respectivement de l'ordre de 300 °C et 200° C. L'utilisation d'un cycle eau-vapeur pour la production d'électricité à partir de ces énergies est difficile à mettre en oeuvre et n'est pas économiquement rentable avec ces niveaux de températures et de puissance thermique, ainsi que ces amplitudes de variations de puissance.

[0009] KR20140036363 décrit une solution de récupération d'énergie sur un four de réchauffage sidérurgique permettant de valoriser les pertes énergétiques du four contenues dans les fumées et dans le système de refroidissement des longerons, en exploitant celles-ci dans une installation commune de production d'électricité, tout en s'affranchissant des problématiques de variabilités de celles-ci. Elle met en oeuvre une installation de génération d'électricité par un cycle thermodynamique de Rankine utilisant un fluide organique comme fluide de travail. Une machine à cycle organique de Rankine, dites « ORC » pour l'acronyme des termes anglais Organic Rankine Cycle, permet de convertir de la chaleur de moyenne ou basse température en électricité, grâce à l'utilisation d'un fluide de travail organique de densité supérieure à celle de l'eau. Dans la machine ORC, le fluide de travail à l'état liquide est comprimé puis vaporisé. La vapeur de fluide organique est ensuite détendue avant d'être condensée. La machine comprend notamment un évaporateur, une turbine de détente, un condenseur et une pompe de surpression. La turbine de détente est par exemple de type radial ou axial, avec un ou deux étages, dont la rotation entraîne un alternateur qui produit l'électricité.

[0010] Le fluide organique a une faible température d'ébullition, par exemple inférieure à 50 °C à la pression atmosphérique, et est de type mouillant, c'est-à-dire qu'il n'est pas nécessaire de surchauffer la vapeur de ce fluide après évaporation pour éviter de créer des gouttelettes dans la turbine lors de la détente. Ce type de fluide peut ainsi permettre, malgré une faible température de la source chaude, d'extraire un maximum de travail dans la turbine et ainsi d'avoir un meilleur rendement qu'un cycle à vapeur d'eau à des températures faible, par exemple inférieures à 350 °C.

[0011] Ainsi le choix de la technologie ORC, parmi les différents cycles thermodynamiques permettant de produire de l'électricité, permet d'obtenir un meilleur rendement de machine thermodynamique, c'est-à-dire le rapport entre énergie thermique disponible et électricité nette produite.

[0012] Les calories nécessaires à la vaporisation du fluide organique de la machine ORC sont apportées par l'énergie récupérée sur le four de réchauffage, en partie sur le fluide de refroidissement des longerons et en partie sur les fumées de combustion.

[0013] Dans la solution divulguée par KR20140036363, le fluide de refroidissement des chenets et quilles est un mélange de sels fondus. Ce mélange est par exemple composé, en masse, de 52 % de KNO₃, 18 % de NaNO₃ et 30 % de LiNO₃. Pour maintenir ces sels fondus dans la plage de températures requises pour un bon fonctionnement du four, et notamment pour leur maintien en phase liquide, l'installation comprend une boucle de recirculation 40 avec des équipements complémentaires ce qui rend l'installation plus couteuse et relativement complexe à exploiter par rapport à une solution dans laquelle le fluide de refroidissement est de l'eau ou un mélange eau/vapeur. Des calories des sels fondus sont transmises au fluide organique de l'ORC au moyen d'un échangeur 21. En cas de détérioration de cet échangeur, les sels fondus peuvent venir en contact avec le fluide organique de l'ORC ce qui représente un risque pour l'installation. De plus, cette solution ne permet pas de moduler l'apport calorifique des sels fondus vers le fluide organique de l'ORC. En cas d'arrêt de l'ORC, l'apport continu de calories par les sels fondus peut conduire à une élévation très importante de la température du fluide organique d'où un risque pour l'installation.

[0014] Par ailleurs, KR20140036363 décrit une solution dans laquelle une partie des fumées échange directement des calories avec le fluide organique de l'ORC au moyen d'un échangeur 51. En cas de détérioration de cet échangeur, il y a un risque d'incendie si le fluide organique de l'ORC vient en contact avec les fumées.

[0015] L'état de la technique ne permet donc pas une double récupération d'énergie sur les fumées du four de réchauffage et sur le fluide de refroidissement des chenets et quilles dans des conditions permettant une performance énergétique optimale, une souplesse de régulation du fonctionnement de l'ORC et des conditions d'exploitation sûres.

[0016] Cet objectif est atteint avec, selon un premier aspect de l'invention, un procédé de récupération d'énergie par une installation de récupération d'énergie, apte à être reliée à au moins un four de réchauffage à longerons équipé de brûleurs, ledit four de réchauffage comprenant un circuit de refroidissement desdits longerons, dans lequel circule de l'eau, celle-ci étant à l'état liquide à l'entrée des longerons et à l'état mélange liquide/vapeur à la sortie des longerons, ledit mélange étant séparé en aval des longerons en de l'eau liquide d'un côté et de la vapeur de l'autre, la vapeur cédant directement ou indirectement des calories à une première boucle de recirculation intermédiaire, et en outre un système de récupération d'énergie permettant d'absorber une partie des calories du circuit de fumées évacuées par le four, lesdites calories étant cédées à une seconde boucle de recirculation intermédiaire, lesdites première et seconde boucles de recirculation intermédiaire cédant directement ou indirectement des calories à une boucle de fluide organique disposée de manière à alimenter une turbine produisant de l'électricité par la mise en oeuvre d'un cycle de Rankine organique.

[0017] Dans une configuration dans laquelle le refroidissement des chenets et quilles est réalisé par de l'eau et un mélange eau/vapeur, la condensation des vapeurs dans l'échangeur permet un transfert important de calories entre la vapeur et le fluide organique de l'ORC.

[0018] Selon l'invention, les calories provenant de la vapeur et celles provenant du circuit de fumées sont cédées de manière indirecte au fluide organique de l'ORC, par l'intermédiaire d'une première boucle de recirculation intermédiaire disposée entre un circuit comportant la vapeur et le fluide organique, respectivement par l'intermédiaire d'une seconde boucle de recirculation intermédiaire disposée entre le circuit des fumées et le fluide organique.

[0019] Le circuit de vapeur est isolé du fluide organique par au moins deux équipements, par exemple deux échangeurs.

[0020] Le circuit des fumées est isolé du fluide organique par au moins deux équipements, par exemple deux échangeurs.

[0021] Ainsi, selon l'invention, les calories provenant de la vapeur sont d'abord cédées à une première boucle de recirculation intermédiaire avant d'être cédées au fluide organique mis en oeuvre dans le cycle de Rankine. Aussi, bien que la vapeur présente une pression très élevée par rapport à celle du fluide organique, il n'y a pas de risque important d'explosion si l'échangeur se perce, même si le fluide organique de l'ORC est très souvent un hydrocarbure ou un fluide frigorigène inflammable, car la vapeur ne peut pas venir en contact avec ledit fluide organique.

[0022] Par ailleurs, selon l'invention, les calories provenant des fumées sont d'abord cédées à une seconde boucle de recirculation intermédiaire avant d'être cédées au fluide organique mis en oeuvre dans le cycle de Rankine. Aussi, il n'y a pas d'échange possible entre le fluide organique mis en oeuvre dans le cycle de Rankine et les fumées, ce qui évite un risque d'incendie qui est présent dans l'art antérieur.

[0023] Le procédé selon l'invention présente donc plus de sécurité que celui selon l'art antérieur.

[0024] La combinaison des deux sources d'énergie provenant des fumées et du système de refroidissement permet d'une part de pouvoir augmenter la production d'électricité globale annuelle et d'autre part de pouvoir limiter l'investissement. En effet, cette combinaison permet d'obtenir une plus grande quantité d'énergie exploitable dans une seule machine ORC de grande capacité (avec un meilleur rendement et moins coûteux), que si les deux sources de chaleur étaient exploitées séparément par deux machines ORC de plus petite capacité (à plus faible rendement et proportionnellement plus cher).

[0025] En outre, la combinaison des deux sources d'énergie provenant des fumées et du système de refroidissement peut permettre de stabiliser l'apport énergétique fourni à la machine ORC. La combinaison des deux sources d'énergie provenant des fumées et du système de refroidissement peut permettre de faire plus souvent fonctionner la machine ORC dans sa plage de fonctionnement optimale.

[0026] Le dimensionnement de la machine ORC permet de limiter le montant de l'investissement, et donc le temps nécessaire pour le retour sur investissement, accroissant ainsi l'intérêt économique de sa mise en oeuvre. Lors de sa conception, un four de réchauffage est dimensionné pour une capacité de production nominale correspondant au chauffage d'un nombre de tonnes par heure d'un produit de référence d'une température initiale à une température de défournement. Par expérience, en exploitation, le four fonctionne en moyenne à environ 70 % de sa capacité nominale.

[0027] Par ailleurs, une machine ORC fonctionne correctement sur une large plage de variations de la source de chaleur, la puissance thermique entrante pouvant généralement varier entre 30 % et 100 %. Le rendement maximum de la machine ORC est obtenu pour la puissance maximale de dimensionnement et il diminue avec la puissance thermique entrante. Une machine ORC doit être arrêtée lorsque l'apport en calories au fluide organique de la machine ORC est inférieur à un seuil minimum généralement compris entre 20 et 30 % de la capacité maximale admise par la machine ORC.

[0028] En combinant les deux sources d'énergie thermique, l'invention permet, grâce à la stabilité et à la capacité de la source de chaleur provenant du système de refroidissement des longerons, de ne jamais être inférieur à 30 % de la charge thermique. Ainsi la machine ORC est toujours en fonctionnement, sauf en cas d'arrêt de l'installation, et ne nécessite pas de régulation complexe.

[0029] Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une installation de récupération d'énergie apte à être reliée à au moins un four de réchauffage à longerons équipé de brûleurs, ledit four de réchauffage comprenant un circuit de refroidissement desdits longerons, dans lequel circule de l'eau, celle-ci étant à l'état liquide à l'entrée des longerons et à l'état mélange liquide/vapeur à la sortie des longerons, ledit mélange étant séparé en aval des longerons en de l'eau liquide d'un côté et de la vapeur de l'autre, ladite installation comprenant une turbine agencée pour produire de l'électricité par la mise en oeuvre d'un cycle de Rankine sur un fluide organique, ladite installation comprenant en outre au moins des échangeurs de chaleur fonctionnellement disposés de manière à transférer audit fluide organique, au moins une partie des calories contenues dans des fumées de combustion des brûleurs, via un fluide caloporteur, et au moins une partie des calories contenues dans la vapeur, via un fluide caloporteur.

[0030] Selon une possibilité de l'installation, au moins un four de réchauffage peut comporter un échangeur de chaleur qui est disposé dans un carneau d'évacuation de fumées de combustion dudit au moins un four de réchauffage pour collecter des calories provenant desdites fumées de combustion et les transmettre au fluide caloporteur circulant dans ledit échangeur de chaleur.

[0031] L'échangeur placé dans le carneau d'évacuation des fumées selon l'invention peut être éventuellement disposé en aval dans le sens d'écoulement des fumées d'autres équipements de récupération d'énergie sur les fumées. Les autres équipements de récupération d'énergie peuvent être, par exemple, un récupérateur de préchauffage de l'air de combustion des brûleurs.

[0032] Selon l'un des aspects de l'invention, l'installation comprend un premier échangeur de chaleur fonctionnellement disposé de manière à transférer directement ou indirectement de l'énergie de la vapeur à un fluide intermédiaire caloporteur, et un second échangeur de chaleur disposé de manière à transférer de l'énergie thermique dudit fluide intermédiaire caloporteur au fluide organique de la machine ORC.

[0033] Selon l'invention, le fluide intermédiaire caloporteur peut être un fluide organique à l'état liquide, dans les conditions de son utilisation, par exemple une huile thermique. Avantageusement, le fluide intermédiaire caloporteur est non inflammable à la température à laquelle il est utilisé, sa température d'inflammation étant sensiblement supérieure à celle du fluide organique de l'ORC.

[0034] Cette configuration permet d'améliorer la robustesse de l'équipement en limitant les variations brusques de températures d'échange avec le fluide organique de l'ORC en cas d'arrêt du four grâce à la capacité d'accumulateur d'énergie de la masse de fluide intermédiaire. Elle permet en outre d'améliorer la sécurité du système d'échange avec l'échangeur de calories provenant de la vapeur en contrôlant localement les comportements de cet échange sans perturber la boucle alimentant l'échangeur ORC. La vapeur étant à une pression sensiblement plus élevée que celle du fluide intermédiaire (environ 20 bars côté vapeur pour environ 4 à 7 bars côté fluide intermédiaire), en cas de percement de l'échangeur, l'écoulement de fluide se ferait du circuit vapeur vers le circuit de fluide intermédiaire évitant ainsi que le fluide intermédiaire ne se répande dans les chenets et quilles.

[0035] Par ailleurs, la présence d'un circuit intermédiaire entre le circuit vapeur et le circuit de l'ORC, permet d'éviter que de la vapeur n'entre en contact avec le fluide organique de l'ORC, ledit contact pouvant être source d'explosion.

[0036] Cette solution permet également l'utilisation d'un échangeur de technologie robuste pour l'échange entre le fluide intermédiaire et le fluide organique de l'ORC, les deux fluides ayant des propriétés similaires. Elle permet ainsi de renforcer la sécurité de fonctionnement de la machine ORC en cas de problème sur le circuit vapeur de refroidissement des longerons.

[0037] Pour renforcer encore la sécurité de l'installation, une boucle intermédiaire supplémentaire peut être ajoutée entre la vapeur et le fluide intermédiaire décrit précédemment.

[0038] Une utilisation d'un fluide organique intermédiaire pour récupérer des calories provenant de fumées de combustion qui reste à l'état liquide, quelles que soient les fluctuations de température et de volume des fumées de combustion dans le carneau, a pour avantage de faciliter grandement l'exploitation de l'installation par rapport à la mise en oeuvre d'une chaudière de récupération dans laquelle un changement de phase dans l'échangeur s'opère à plus haute pression.

[0039] Avantageusement selon l'invention, une régulation de l'apport de calories à la machine ORC peut être réalisée sur le circuit de fumées, au moyen d'un contournement partiel de l'échangeur d'épuisement de fumées de combustion placé dans le carneau ou une dilution des fumées avec de l'air froid pour en baisser la température. Du fait du dimensionnement de l'ORC pour un fonctionnement du four à 70% de sa capacité nominale, si l'apport calorifique à la machine ORC devient trop important, une partie des fumées contourne l'échangeur du circuit d'épuisement de fumées de combustion ou bien les fumées seront diluées sans que cela n'interfère sur le fonctionnement du four.

[0040] Le fluide caloporteur utilisé pour collecter des calories provenant des fumées de combustion et celui utilisé indirectement pour collecter des calories provenant des chenets et quilles peuvent être de même nature, mais cette méthode permet aussi d'utiliser des fluides caloporteurs de propriétés différentes. Cela peut permettre d'optimiser la récupération d'énergie avec des fluides utilisés à des niveaux de températures différentes et de renforcer la sécurité de l'installation en choisissant des fluides minimisant les risques d'incendie ou d'explosion en cas de contact entre les fumées ou la vapeur et ces fluides.

[0041] En variante de réalisation, l'ajout d'un stockage d'énergie sur les circuits intermédiaires permet d'améliorer l'efficacité de l'ensemble sans perturber le circuit d'échange principal vers l'ORC.

[0042] Avantageusement, le fonctionnement du circuit de refroidissement des longerons peut ne pas être modifié par la présence de la machine ORC. Le pilotage de l'installation peut ainsi être simplifié.

[0043] La puissance calorifique transmise à un fluide thermique utilisé dans le circuit d'épuisement des fumées peut être directement déterminée par l'élévation de température dudit fluide dans un échangeur du circuit d'épuisement de fumées de combustion.

[0044] En cas d'arrêt de la machine ORC, un contournement des fumées disposé sur le circuit des fumées peut permettre d'éviter l'échauffement du fluide thermique utilisé dans le circuit d'épuisement des fumées. Une autre méthode consiste à utiliser un fluide caloporteur fonctionnant à plus haute température sur la boucle intermédiaire et/ou à diminuer la température des fumées en les diluants, par exemple avec une entrée d'air en amont du récupérateur placé sur le carneau de fumées. Des aéroréfrigérants peuvent par ailleurs être disposé sur le circuit eau surchauffée/vapeur de sorte d'évacuer des calories provenant des longerons.

[0045] Avantageusement selon l'invention, la machine ORC est dimensionnée selon le régime de fonctionnement moyen du four de réchauffage et non selon la capacité nominale du four. Cela présente un double avantage : la machine ORC étant plus petite, le montant de l'investissement peut être réduit, et la machine ORC peut fonctionner un maximum du temps sur un point optimal (rendement maximum) produisant donc un maximum d'électricité pour un retour sur investissement plus rapide.

[0046] L'installation selon l'invention peut en outre comprendre un autre échangeur de chaleur fonctionnellement disposé de sorte à transférer de l'énergie thermique d'au moins une autre source au fluide organique.

[0047] Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un four de réchauffage à longerons équipé de brûleurs, caractérisé en ce qu'il est équipé d'une installation de récupération d'énergie selon l'invention, ladite installation d'énergie étant reliée audit four.

[0048] D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lumière de la description des modes de réalisation préférés de l'invention accompagnée des figures dans lesquelles :

• la Figure 1 représente schématiquement une installation selon un premier mode de réalisation dans laquelle le fluide organique de la machine ORC est préchauffé en série par la récupération d'énergie sur les deux sources, vapeur et fumées,
• la Figure 2 représente schématiquement une installation selon un second mode de réalisation similaire à celui de la figure 1, mais dans lequel le fluide organique de la machine ORC est préchauffé en une seule étape, après l'addition en amont des deux sources vapeur et fumées,
• la Figure 3 représente schématiquement une installation selon un troisième mode de réalisation similaire à celui de la figure 2 dans lequel un circuit intermédiaire supplémentaire est ajouté coté vapeur, et,
• la Figure 4 représente schématiquement une installation selon un quatrième mode de réalisation dans lequel des fluides organiques collectant les calories provenant des longerons et des fumées de combustion sont mélangés en amont de la machine ORC et l'énergie est récupérée parallèlement.

[0049] Ces modes de réalisation n'étant nullement limitatifs, on pourra notamment réaliser des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite, telles que décrites ou généralisées, isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique.

[0050] Sur la Figure 1, on peut voir schématiquement représentée une installation selon un premier exemple de réalisation de l'invention. Pour simplifier la description, ne sont représentés sur cette figure que les équipements nécessaires à la compréhension de l'invention. Des équipements indispensables au fonctionnement de l'installation, tels que pompes, vannes, bâche alimentaire, vase d'expansion, etc., ne sont pas représentés sur cette figure et les suivantes, ni décrits dans cette description, l'homme du métier sachant les définir, les dimensionner et les implanter au mieux sur l'installation.

[0051] Des produits 1 sont réchauffés en continu dans un four 2 de réchauffage à longerons tubulaires. Le déplacement et le maintien des produits dans le four sont assurés par des longerons fixes et des longerons mobiles. Les longerons comprennent des chenets 3a et des quilles 3b dans lesquels circule un fluide de refroidissement. Des brûleurs 5 assurent le chauffage du four 2 et des produits 1. Des fumées de combustion provenant des brûleurs 5 sont évacuées hors du four par un carneau de fumées 6.

[0052] A l'entrée des longerons, le fluide de refroidissement est, par exemple, de l'eau surchauffée à une température de 215 °C et à une pression de 21 bars absolus. Lors de son écoulement dans les longerons, l'eau surchauffée se transforme partiellement en vapeur saturée 4. A la sortie des longerons, le fluide de refroidissement est composé d'un mélange d'eau surchauffée et de vapeur saturée 4. Un ballon 7 permet la séparation de l'eau à l'état liquide et de la vapeur saturée 4.

[0053] L'installation comporte une machine ORC mettant en oeuvre un cycle de Rankine sur un fluide organique 21 en circulation dans un circuit 13.

[0054] L'installation comprend une boucle de recirculation intermédiaire 16 disposée entre le circuit vapeur et le circuit 13 de la machine ORC. Un fluide intermédiaire caloporteur 17 circule dans la boucle de recirculation intermédiaire 16, de préférence organique, maintenu à l'état liquide.

[0055] La boucle de recirculation intermédiaire 16 comprend notamment deux échangeurs de chaleur 8 et 18 et une pompe de circulation non représentée. Ainsi la vapeur saturée 4 cède des calories au fluide intermédiaire caloporteur 17 au moyen de l'échangeur 18 dans lequel elle se condense, puis le fluide intermédiaire caloporteur 17 cède à son tour des calories au fluide organique 21 de la machine ORC au moyen de l'échangeur 8.

[0056] L'ajout de la boucle de recirculation intermédiaire 16 peut permettre de renforcer la sécurité de l'installation et d'utiliser des fluides thermiques de propriétés différentes. Ainsi le fluide intermédiaire caloporteur 17 pourra avoir une compatibilité plus grande avec la vapeur que le fluide organique 21 de l'ORC limitant ainsi le risque d'incendie ou d'explosion.

[0057] Un échangeur de chaleur 9 peut être disposé dans le carneau de fumées 6, éventuellement en aval, dans le sens d'écoulement des fumées, par rapport à d'autres équipements de récupération d'énergie sur les fumées, par exemple un récupérateur de préchauffage de l'air de combustion des brûleurs.

[0058] L'échangeur de chaleur 9 peut être alimenté avec un fluide caloporteur 10, de préférence organique à l'état liquide, circulant dans une boucle de recirculation 11. Le fluide caloporteur 10 peut être de même nature que le fluide intermédiaire caloporteur 17, côté vapeur, mais il peut également être de nature différente. Les fumées cèdent une partie de leurs calories au fluide caloporteur 10 dans l'échangeur de chaleur 9. Un deuxième échangeur de chaleur 12 est disposé sur la boucle de recirculation 11. Le deuxième échangeur 12 permet le transfert des calories captées par le fluide caloporteur 10 au fluide organique 21 de la machine ORC.

[0059] Le fluide organique 21 circule dans la machine ORC dans la boucle de recirculation 13 comprenant notamment, de préférences successivement dans le sens de l'écoulement du fluide, les échangeurs de chaleur 8 et 12, une turbine de détente 14, un échangeur 15 de condensation du fluide organique 21 de la machine ORC et une pompe de surpression 24. L'énergie thermique cédée au fluide organique 21 de la machine ORC dans les échangeurs de chaleur 8 et 12 permet de porter celui-ci en phase vapeur. La détente de la vapeur entraîne en rotation la turbine de détente 14 qui est accouplée à un alternateur qui produit de l'électricité. En sortie de la turbine de détente 14, l'échangeur 15 permet de condenser le fluide organique 21, avant qu'il ne soit retourné vers les échangeurs de chaleur 8 et 12 pour subir un nouveau cycle de Rankine. Le fluide organique 21 cède des calories dans l'échangeur 15 à un fluide caloporteur circulant dans un circuit 22.

[0060] Un ensemble de registres 23 permet de faire contourner l'échangeur de chaleur 9, par tout ou partie des fumées de combustion.

[0061] Un échangeur thermique 25 permet de capter des calories d'un fluide 26 disponible sur le site et de les transmettre au fluide organique 21 de la machine ORC. L'installation selon l'invention permet ainsi de valoriser également une ou plusieurs autres sources de chaleur pour une performance globale accrue du site industriel sur lequel elle est installée.

[0062] La Figure 2 représente schématiquement une variante de réalisation de l'invention dans laquelle les calories des fumées sont apportées au fluide intermédiaire 17 et non directement au fluide 21 de l'ORC. De même, l'apport complémentaire de calories du fluide 26 se fait au fluide intermédiaire 17 et non directement au fluide 21 de l'ORC. Cette configuration permet un contrôle simplifié de l'ORC, et renforce sa sécurité, avec un seul échangeur dans lequel est réalisé l'ensemble des apports calorifiques au fluide 21 et sa vaporisation.

[0063] La Figure 3 représente schématiquement une autre variante de réalisation de l'invention dans laquelle une boucle intermédiaire 30 est ajoutée côté vapeur dans laquelle circule un fluide caloporteur 31. La vapeur 4 cède des calories au fluide caloporteur 31 en se condensant dans l'échangeur 18, puis le fluide caloporteur 31 cède à son tour ces calories au fluide caloporteur 17 au moyen d'un échangeur de chaleur 32. Cette configuration permet de renforcer la sécurité de l'installation, et la souplesse de sa régulation, la technologie des échangeurs 8, 18, 31 et la nature des fluides caloporteurs 31, 17, 21 étant choisis de sorte de disposer de technologies éprouvées sur les échangeurs et de limiter les risques d'incendie ou d'explosion en cas de contact entre les fluides suite au perçage des échangeurs.

[0064] La Figure 4 représente schématiquement une autre variante de réalisation de l'invention dans laquelle un mélange est réalisé entre une partie du fluide caloporteur 10 circulant dans la boucle de recirculation 11 et une partie du fluide intermédiaire caloporteur 17, de préférence organique, circulant dans la boucle de recirculation 16, les fluides 10 et 17 étant de même nature. Ce mélange, par exemple réalisé au moyen de vannes trois voies 20, est ensuite conduit à un échangeur de chaleur 19 dans lequel il cède des calories au fluide organique 21 de la machine ORC. En sortie de l'échangeur 19, le mélange de fluide est de nouveau réparti entre les deux boucles de recirculation 11 et 16, par exemple au moyen de vannes trois voies.

[0065] La quantité d'énergie disponible sur les fumées et le fluide de refroidissement des longerons est généralement du même ordre de grandeur, par exemple de 10 MW_th sur les fumées et sur les longerons pour un four d'une capacité de 450 t/h.

[0066] Sur l'échangeur de chaleur 18, la température de la vapeur saturée 4 étant sensiblement constante, par exemple de 215 °C pour une pression de 21 bars absolus, l'échange thermique avec le fluide intermédiaire caloporteur 17 de la boucle de recirculation 16 est toujours optimum.

[0067] Sur l'échangeur de chaleur 9, la température des fumées peut varier, par exemple de 300 °C, pour une capacité maximale du four, à 280 °C pour 70 % de sa capacité. Ainsi, l'échange thermique avec le fluide caloporteur 10 de la boucle de recirculation 11 est variable et les conditions de fonctionnement du fluide commun de la boucle 20 entrant dans la machine ORC peuvent varier, dans le cas d'une huile thermique, de 225 °C à 215 °C en température et de 70 kg/s à 50 kg/s en débit respectivement selon les deux cas de fonctionnement décrits plus haut. Pour de telles températures, le fluide organique 21 de la machine ORC le mieux adapté est le pentane, celui-ci étant porté en amont de la turbine de détente 14 à une température par exemple comprise entre 135 °C et 160 °C respectivement selon les deux cas de fonctionnement, afin que la puissance nette délivrée par la machine ORC soit maximale, respectivement de 1,2 MW_e et 0,9 MW_e.

[0068] Selon un exemple de réalisation de l'invention, l'installation de récupération d'énergie permet de collecter des calories provenant d'au moins deux fours. Un échangeur de chaleur 9 peut être disposé dans le carneau de fumées de chaque four ou d'un seul four. De même, des calories peuvent être récupérées sur la vapeur provenant des longerons des deux fours ou d'un seul.

[0069] Comme nous venons de le voir, l'invention permet une récupération d'énergie efficace sur les pertes thermiques du four par les fumées de combustion et les longerons, grâce à un dimensionnement de la machine ORC bien adapté au régime de fonctionnement du four et une stabilité de fonctionnement de celui-ci qui résulte de la combinaison de deux sources de chaleur.

Revendications

1. Procédé de récupération d'énergie par une installation de récupération d'énergie apte à être reliée à au moins un four de réchauffage (2) à longerons équipé de brûleurs (5), ledit four de réchauffage comprenant un circuit de refroidissement desdits longerons, dans lequel circule de l'eau, celle-ci étant à l'état liquide à l'entrée des longerons et à l'état mélange liquide/vapeur à la sortie des longerons, ledit mélange étant séparé en aval des longerons en de l'eau liquide d'un côté et de la vapeur (4) de l'autre, ladite installation comprenant une turbine (14) produisant de l'électricité par la mise en oeuvre d'un cycle de Rankine sur un fluide organique (21), ledit procédé comprenant une étape de transfert direct ou indirect d'énergie thermique provenant de la vapeur (4) à un fluide intermédiaire caloporteur (17), de préférence organique à l'état liquide, au moyen d'un échangeur de chaleur (18), une étape de transfert d'énergie thermique dudit fluide intermédiaire caloporteur au fluide organique (21) au moyen d'un échangeur de chaleur (8, 19), et une étape de transfert d'énergie thermique direct ou indirect d'au moins une partie des fumées de combustion des brûleurs (5) au fluide organique (21) au moyen d'un échangeur de chaleur (12, 19) fonctionnellement disposé de manière à transférer audit fluide organique (21), au moins une partie des calories contenues dans des fumées de combustion des brûleurs (5), via un fluide caloporteur (10) et un échangeur (9).

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le fluide caloporteur (10) destiné à transférer au moins une partie des calories contenues dans des fumées de combustion des brûleurs (5) au fluide organique (21) est un fluide organique à l'état liquide, de préférence une huile thermique.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le fluide caloporteur (10) destiné à transférer au moins une partie des calories contenues dans des fumées de combustion des brûleurs (5) au fluide organique (21) et le fluide intermédiaire caloporteur (17) destiné à transférer de l'énergie thermique au fluide organique (21) sont de même nature, ces deux fluides caloporteur (10, 17) étant mélangés en amont de l'échangeur (19) dans lequel est réalisé le transfert thermique entre ces fluides et le fluide organique (21).

4. Installation de récupération d'énergie apte à être reliée à au moins un four de réchauffage (2) à longerons équipé de brûleurs (5), ledit four de réchauffage comprenant un circuit de refroidissement desdits longerons, dans lequel circule de l'eau, celle-ci étant à l'état liquide à l'entrée des longerons et à l'état mélange liquide/vapeur à la sortie des longerons, ledit mélange étant séparé en aval des longerons en de l'eau liquide d'un côté et de la vapeur (4) de l'autre, ladite installation comprenant une turbine (14) agencée pour produire de l'électricité par la mise en oeuvre d'un cycle de Rankine sur un fluide organique (21), ladite installation comprenant un échangeur de chaleur (18) fonctionnellement disposé de manière à transférer directement ou indirectement de l'énergie thermique de la vapeur (4) à un fluide intermédiaire caloporteur (17), de préférence organique à l'état liquide, l'au moins un échangeur de chaleur (8, 19) étant disposé de manière à transférer de l'énergie thermique dudit fluide intermédiaire caloporteur au fluide organique (21), ladite installation comprenant en outre au moins un échangeur de chaleur (12, 19) fonctionnellement disposé de manière à transférer directement ou indirectement audit fluide organique (21), au moins une partie des calories contenues dans des fumées de combustion des brûleurs (5), via un fluide caloporteur (10) et un échangeur (9).

5. Installation selon la revendication 4, dans laquelle l'au moins un four de réchauffage (2) comporte l'échangeur de chaleur (9) qui est disposé dans un carneau (6) d'évacuation de fumées de combustion dudit au moins un four de réchauffage pour collecter des calories provenant desdites fumées de combustion et les transmettre au fluide caloporteur (10) circulant dans ledit échangeur de chaleur.

6. Installation selon les revendications 4 ou 5, dans laquelle le fluide caloporteur (10) et le fluide intermédiaire caloporteur (17) sont de même nature.

7. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, comprenant en outre un autre échangeur de chaleur (25) fonctionnellement disposé de sorte à transférer directement ou indirectement de l'énergie thermique d'au moins une autre source (26) au fluide organique (21).

Ansprüche

1. Verfahren zur Energierückgewinnung mittels einer Energierückgewinnungsanlage, die an mindestens einen Nachwärmofen (2) mit Längsträgern, der mit Brennern (5) ausgestattet ist, angeschlossen werden kann, wobei der Nachwärmofen einen Kühlkreislauf für die Längsträger aufweist, in dem Wasser zirkuliert, wobei sich Letztere am Eingang der Längsträger in flüssigem Zustand und am Ausgang der Längsträger im Zustand eines Flüssigkeit/Dampf-Gemischs befindet, wobei das Gemisch den Längsträgern nachgelagert in flüssiges Wasser auf einer Seite und Dampf (4) auf der anderen Seite getrennt wird, wobei die Anlage eine Turbine (14) umfasst, die Strom erzeugt, indem sie einen Rankine-Zyklus mit einem organischen Fluid (21) durchführt, wobei das Verfahren einen Schritt der direkten oder indirekten Übertragung von Wärmeenergie von dem Dampf (4) auf ein Zwischen-Wärmeübertragungsfluid (17), vorzugsweise organisch in flüssigem Zustand, mittels eines Wärmetauschers (18) und einen Schritt der Übertragung von Wärmeenergie von dem Zwischen-Wärmeübertragungsfluid auf das organische Fluid (21) mittels eines Wärmetauschers (8, 19) umfasst, sowie einen Schritt der direkten oder indirekten Übertragung von Wärmeenergie von mindestens einem Teil der Verbrennungsabgase der Brenner (5) auf das organische Fluid (21) mittels eines Wärmetauschers (12, 19), der funktionell so angeordnet ist, dass er mindestens einen Teil der in den Verbrennungsabgasen der Brenner (5) enthaltenen Kalorien über ein Wärmeübertragungsfluid (10) und einen Tauscher (9) auf das organische Fluid (21) überträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungsfluid (10) zur Übertragung mindestens eines Teils der in den Verbrennungsabgasen von Brennern (5) enthaltenen Kalorien auf das organische Fluid (21) ein organisches Fluid im flüssigen Zustand, vorzugsweise ein Thermoöl, ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Wärmeübertragungsfluid (10), das dazu bestimmt ist, zumindest einen Teil der in den Verbrennungsabgasen der Brenner (5) enthaltenen Kalorien auf das organische Fluid (21) zu übertragen, und das Zwischen-Wärmeübertragungsfluid (17), das dazu bestimmt ist, Wärmeenergie auf das organische Fluid (21) zu übertragen, vom gleichen Typ sind, wobei diese beiden Wärmeübertragungsfluide (10, 17) vor dem Tauscher (19) gemischt werden, in dem die Wärmeübertragung zwischen diesen Fluiden und dem organischen Fluid (21) durchgeführt wird.

4. Anlage zur Energierückgewinnung, die an mindestens einen mit Brennern (5) ausgestatteten Nachwärmofen (2) mit Längsträgern angeschlossen werden kann, wobei der Nachwärmofen einen Kühlkreislauf der Längsträger umfasst, in dem Wasser zirkuliert, wobei sich das Wasser am Eingang der Längsträger in flüssigem Zustand und am Ausgang der Längsträger im Zustand eines Flüssigkeit/Dampf-Gemischs befindet, wobei das Gemisch den Längsträgern nachgelagert in flüssiges Wasser auf der einen Seite und Dampf (4) auf der anderen Seite getrennt wird, wobei die Anlage eine Turbine (14) umfasst, die so angeordnet ist, dass sie Strom erzeugt, indem sie einen Rankine-Zyklus mit einem organischen Fluid (21) durchführt, wobei die Anlage einen Wärmetauscher (18) umfasst, der funktionell so angeordnet ist, dass er direkt oder indirekt Wärmeenergie von Dampf (4) auf ein Zwischen-Wärmeübertragungsfluid (17) überträgt, das vorzugsweise in flüssigem Zustand organisch ist, wobei der mindestens eine Wärmetauscher (8, 19) so angeordnet ist, dass er Wärmeenergie von dem Zwischen-Wärmeübertragungsfluid auf das organische Fluid (21) überträgt, wobei die Anlage außerdem mindestens einen Wärmetauscher (12, 19) umfasst, der funktionell so angeordnet ist, dass er direkt oder indirekt über ein Wärmeübertragungsfluid (10) und einen Tauscher (9) mindestens einen Teil der in den Verbrennungsabgasen der Brenner (5) enthaltenen Kalorien auf das organische Fluid (21) überträgt.

5. Anlage nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine Nachwärmofen (2) den Wärmetauscher (9) umfasst, der in einem Kamin (6) zum Abführen von Verbrennungsabgasen des mindestens einen Nachwärmofens angeordnet ist, um Kalorien aus den Verbrennungsabgasen zu sammeln und sie an das Wärmeübertragungsfluid (10) zu übertragen, das in dem Wärmetauscher zirkuliert.

6. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Wärmeübertragungsfluid (10) und das Zwischen-Wärmeübertragungsfluid (17) vom gleichen Typ sind.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner umfassend einen weiteren Wärmetauscher (25), der funktionell angeordnet ist, um direkt oder indirekt Wärmeenergie von mindestens einer weiteren Quelle (26) auf das organische Fluid (21) zu übertragen.

Claims

1. A method for recovering energy by means of an energy recovery installation that can be connected to at least one beam reheating furnace (2) equipped with burners (5), said beam reheating furnace comprising a cooling system for said beams, in which water flows, being in liquid state at the inlet of the beams and in a mixture of liquid/vapour state at the outlet of the beams, said mixture being separated downstream of the beams in the form of liquid water on the one side and steam (4) on the other, said installation comprising a turbine (14) generating electricity by performing a Rankine cycle on an organic fluid (21), said method comprising a step of directly or indirectly transferring thermal energy from the vapour (4) to an intermediate heat transfer fluid (17), preferably organic in liquid state, by means of a heat exchanger (18), a step of thermal energy transfer of said intermediate heat transfer fluid to the organic fluid (21) by means of a heat exchanger (8, 19), and a step of direct or indirect thermal energy transfer of at least a portion of the flue gases from the burners (5) to the organic fluid (21) by means of a heat exchanger (12, 19) functionally arranged to transfer to said organic fluid (21) at least a portion of the calories contained in the flue gases of the burners (5) via a heat transfer fluid (10) and an exchanger (9).

2. Method according to Claim 1, wherein the heat transfer fluid (10) for transferring at least a portion of the calories contained in flue gases from the burners (5) to the organic fluid (21) is an organic fluid in liquid state, preferably a thermal oil.

3. Method according to Claim 1 or 2, wherein the heat transfer fluid (10) for transferring at least a portion of the calories contained in flue gases from the burners (5) to the organic fluid (21) and the intermediate heat transfer fluid (17) for transferring thermal energy to the organic fluid (21) are of the same nature, these two heat transfer fluids (10, 17) being mixed upstream of the exchanger (19) in which the heat transfer between these fluids and the organic fluid (21) is carried out.

4. Heat energy recovery installation that can be connected to at least one beam reheating furnace (2) equipped with burners (5), said beam reheating furnace comprising a cooling system for said beams, in which water flows, being in liquid state at the inlet of the beams and in a mixture of liquid/vapour state at the outlet of the beams, said mixture being separated downstream of the beams in the form of liquid water on the one side and steam (4) on the other, said installation comprising a turbine (14) arranged to generate electricity by implementing a Rankine cycle on an organic fluid (21), said installation comprising a heat exchanger (18) functionally arranged to directly or indirectly transfer thermal energy from the vapour (4) to an intermediate heat transfer fluid (17), preferably organic in liquid state, the at least one heat exchanger (8, 19) being arranged to transfer heat energy from said intermediate heat transfer fluid to the organic fluid (21), said installation further comprising at least one heat exchanger (12, 19) functionally arranged to transfer to said organic fluid (21) at least a portion of the calories contained in the flue gases of the burners (5) via a heat transfer fluid (10) and an exchanger (9).

5. Installation, according to Claim 4, wherein the at least one beam reheating furnace (2) comprises the heat exchanger (9) which is arranged in a flue gas discharge of said at least one beam reheating furnace to collect calories from said flue gases and transmit them to the heat transfer fluid (10) flowing in said heat exchanger.

6. Installation according to Claims 4 or 5, wherein the heat transfer fluid (10) and the intermediate heat transfer fluid (17) are of the same nature.

7. Installation according to any one of Claims 4 to 6, further comprising another heat exchanger (25) functionally arranged to directly or indirectly transfer heat energy from at least one other source (26) to the organic fluid (21).

Dessins