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HAL Id: tel-00005744 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-00005744 Submitted on 5 Apr 2004 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Modélisation et expérimentation des fours de réchauffage sidérurgiques équipés de brûleurs régénératifs à Oxydation sans Flamme Ludovic Ferrand To cite this version: Ludovic Ferrand. Modélisation et expérimentation des fours de réchauffage sidérurgiques équipés de brûleurs régénératifs à Oxydation sans Flamme. Energie électrique. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2003. Français. tel-00005744 Coll` ege doctoral N attribu´ e par la biblioth` eque THESE pour obtenir le grade de Docteur de l’Ecole des Mines de Paris Sp´ ecialit´ e « Energ´ etique » pr´ esent´ ee et soutenue publiquement par Ludovic FERRAND le 25 septembre 2003 Mod´ elisation et exp´ erimentation des fours de r´ echauﬀage sid´ erurgiques ´ equip´ es de brˆ uleurs r´ eg´ en´ eratifs ` a Oxydation sans Flamme Directeur de th` ese : Denis CLODIC Jury : Rapporteur P. LYBAERT Facult´ e Polytechnique de Mons Pr´ esident J-F. SACADURA INSA de Lyon Examinateur D. CLODIC Ecole des Mines de Paris Examinateur P. DUBOIS Stein-Heurtey Examinateur K. EL KHOURY Universit´ e Libanaise Examinateur J-P. SUTEAU ADEME ` a St´ ephanie Avant-propos Le travail pr´ esent´ e dans ce m´ emoire a ´ et´ e eﬀectu´ e au d´ epartement Recherche & D´ eveloppement de la soci´ et´ e Stein-Heurtey, dans le cadre d’une bourse de l’Agence de l’Environnement et de la Maˆ ıtrise de l’Energie (ADEME), en collaboration avec le Centre d’Energ´ etique de l’Ecole des Mines de Paris. Ces travaux ont ´ egalement fait partie int´ e- grante du projet INTERNOx soutenu par l’ADEME, r´ eunissant Gaz de France, IRSID/Arce- lor et Stein-Heurtey. Je tiens ` a remercier Monsieur Patrick Dubois, Directeur Technique de Stein-Heurtey, pour son accueil dans son d´ epartement et son enthousiasme pour mes travaux. Je voudrais ´ egalement remercier mon directeur de th` ese Monsieur Denis Clodic de m’avoir donn´ e sa conﬁance pour mener ` a bien ce travail. J’ai particuli` erement appr´ eci´ e le soutien qu’il a pu m’apporter et les moyens mat´ eriels et scientiﬁques qu’il sait mettre ` a disposition. Je suis tr` es sensible ` a l’honneur que mon font Messieurs Paul Lybaert, professeur ` a la facult´ e Polytechnique de Mons et Jean-Fran¸ cois Sacadura, professeur ` a l’INSA de Lyon en acceptant la charge de rapporteur. Je remercie Monsieur Patrick Suteau, dont la participation au jury marque le rˆ ole essentiel de l’ADEME dans l’aboutissement de ce sujet de recherche. Ce travail a ´ et´ e suivi pour Stein-Heurtey par Benoˆ ıt Crunelle puis Fr´ ed´ eric Marmonier. Je les remercie vivement de leur support et leurs conseils pertinents. Je remercie Khalil El Khoury, responsable scientiﬁque du Centre d’Energ´ etique de l’Ecole des Mines de Paris, pour son encadrement scientiﬁque tr` es pr´ ecieux et la qualit´ e de ses rapports humains. Mes remerciements vont aussi aux chercheurs de la Direction de la Recherche de Gaz de France, en particulier Messieurs Alain Quinqueneau et Fr´ ed´ eric Aguil´ e pour le suivi du projet INTERNOx et leur relecture de la th` ese, Monsieur Philippe Boineau et Madame Lynda Porcheron pour leurs conseils en simulation num´ erique, et Monsieur St´ ephane Maurel pour sa disponibilit´ e concernant l’exploitation des travaux exp´ erimentaux. i Avant-Propos J’exprime ´ egalement ma gratitude ` a Messieurs G´ erard Griﬀay et J´ erˆ ome Muller du centre de recherche IRSID du groupe Arcelor, pour leurs conseils et leur aide concernant la mise en œuvre des essais ` a ´ echelle semi-industrielle. J’ai ´ et´ e tr` es sensible au professionalisme de Messieurs Michel Capovilla et Patrice Sedmak, sans lesquels la campagne d’essais n’aurait pu aboutir. Qu’ils soient de plus remerci´ es de leur accueil chaleureux au Centre d’Essais de Stein-Heurtey. Je tiens ` a exprimer ma reconnaissance aux ing´ enieurs de Stein-Heurtey qui ont su me transmettre leurs connaissances et pour leur aide amicale. Messieurs Philippe Marcille, Jean-Claude Montgermont et Patrick Giraud en ce qui concerne la combustion et les brˆ uleurs, Madame Genevi` eve Delaunay pour son exp´ erience des fours de r´ echauﬀage. Mes remerciements vont aussi ` a Monsieur Jean-Pierre Reboul pour sa disponibilit´ e dans la r´ ealisation des plans de la cellule d’essais. Je d´ esire ´ egalement remercier Madame Anne-Marie Pougin, assistante de Monsieur Clodic, ainsi que Mesdames Aline Garnier, Marie-Andr´ ee Lallemand, Josiane Moreau et Claire Rochas pour leur soutien logistique et leur aide concernant notamment les re- cherches bibliographiques. Je n’oublie pas l’´ equipe R & D de Stein-Heurtey, Mesdames Annick Joseph et Cathe- rine Pasquinet, Messieurs Guillaume Antier, Wolf Khun et Camille Moukarzel, pr´ eparant sa th` ese durant la mˆ eme p´ eriode, pour leur sympathie et leur soutien. Ils ont largement contribu´ e ` a ce que cette th` ese se passe dans d’excellentes conditions. ii Table des mati` eres Avant-propos i Table des mati` eres ii Table des ﬁgures v Liste des tableaux xii Liste des abr´ eviations xiii Liste des notations xvi Introduction 1 1 Les m´ ethodes de r´ eduction des polluants atmosph´ eriques ´ emis par les grandes installations de combustion 3 1.1 Enjeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Les fours de r´ echauﬀage sid´ erurgiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.1 Description anatomique des fours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.2 Description des brˆ uleurs industriels conventionnels . . . . . . . . . . 7 1.3 Les techniques d’am´ elioration des performances des fours . . . . . . . . . . 9 1.3.1 R´ eduction de la consommation ´ energ´ etique . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 R´ eduction des ´ emissions de NOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4 L’Oxydation sans Flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.1 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.2 Description de la technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2 Mod´ elisation ﬁne d’un brˆ uleur ` a Oxydation sans Flamme et validation exp´ erimentale 23 2.1 Objectifs / M´ ethodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2 Pr´ e-s´ election des mod` eles de fermeture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.1 Mod´ elisation de la turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2 Mod´ elisation du rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.3 Mod´ elisation de la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3 Validation exp´ erimentale par des mesures dans la ﬂamme . . . . . . . . . . 44 2.3.1 Dispositif exp´ erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 iii TABLE DES MATI` ERES 2.3.2 Mise en œuvre de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.3 Confrontation exp´ erimentale : bilan thermique . . . . . . . . . . . . 51 2.3.4 Confrontation exp´ erimentale : champ de vitesse . . . . . . . . . . . 53 2.3.5 Confrontation exp´ erimentale uploads/Science et Technologie/ tel-00005744.pdf