four (suite)

Industrie du pétrole

La plupart des procédés de raffinage et de pétrochimie exigent des températures élevées, soit pour vaporiser les hydrocarbures afin de les séparer ensuite par distillation fractionnée, soit pour créer les conditions de réactivité, température et pression, nécessaires aux réactions de craquage ou de synthèse.

Les fours jouent donc un rôle fondamental dans cette industrie et font l’objet de perfectionnements constants : les plus gros d’entre eux dépassent aujourd’hui une puissance calorifique unitaire de 200 000 th/h.

Principe de fonctionnement

Les premiers fours pétroliers n’étaient que de simples marmites, gros cylindres horizontaux, comportant un ou plusieurs tunnels chauffants. Il y a environ cinquante ans, un progrès décisif, aussi bien des fours que des chaudières à vapeur, fut réalisé avec la mise au point des premiers fours tubulaires. Le produit à chauffer circule dans des tubes formant un serpentin continu qui tapisse les parois de la chambre de combustion et y recueille la chaleur de radiation émise directement par les brûleurs. Les fumées se rendant à la cheminée doivent ensuite se frayer un passage à travers un faisceau serré de tubes auxquels elles abandonnent une grande partie de la chaleur de convection. Bien entendu, la chaleur reçue par les tubes se transmet par conduction à travers leur paroi métallique et se trouve ainsi communiquée au produit à chauffer.

Types de fours

De nombreuses dispositions différentes des sections « radiante » et « convection » sont proposées par les constructeurs, le type le plus courant comportant les brûleurs installés dans la sole, ou plancher du four, plutôt que sur les côtés. Les tubes, qui peuvent être disposés horizontalement (fours rectangulaires) ou verticalement (fours cylindriques), sont en acier ordinaire ou allié à 5 p. 100 de chrome, parfois en acier inoxydable. Ils sont reliés les uns aux autres soit par des coudes soudés, soit par des « boîtes » en acier moulé comportant des orifices dans lesquels les extrémités des tubes sont serties par mandrinage. Les tubes de la zone de convection sont munis d’ailettes ou de goujons destinés à augmenter la surface susceptible de capter la chaleur des fumées.

Les gros brûleurs les plus récents, avec une capacité de près de 20 000 th/h, utilisent une combustion dite « toroïdale » : l’air, introduit sous pression à contre-courant du combustible, forme un vortex (tourbillon) qui assure un mélange intime et un préchauffage à 1 000 °C.

Rendement

Un four moderne transmet 84 p. 100 de la chaleur émise par les brûleurs au produit circulant dans les tubes ; les pertes calorifiques à travers les parois du four, des carneaux et de la cheminée sont en effet de 4 p. 100 environ, malgré l’isolant en brique ou en ciment réfractaire. Quant à la chaleur perdue dans les fumées, elle peut difficilement être inférieure à 12 p. 100.

Le coût d’un four, assez variable suivant l’utilisation de celui-ci et la hauteur de la cheminée, qui atteint 100 m pour une grosse unité, est de l’ordre de 2 millions de francs par 10 000 th/h.

La consommation de combustible étant, de loin, la plus importante dépense d’exploitation d’un procédé de raffinage ou de chimie, l’étude des fours est donc une des branches fondamentales de l’engineering.

Industrie du ciment et des liants hydrauliques

Fours pour ciments Portland

La cuisson des « crus » (mélange d’argile et de calcaire finement broyé et homogénéisé sous forme d’une pâte aqueuse) se fait dans deux types de fours :
— soit les fours fixes en maçonnerie ;
— soit les fours rotatifs en tôle.

• Les fours fixes en maçonnerie sont des fours verticaux. Les premiers fours fixes étaient des fours à cuve assez semblables à ceux qui sont parfois utilisés de nos jours pour la fabrication du plâtre et celle de la chaux hydraulique. Dans les fours verticaux modernes, on distingue trois zones : celle où les produits préparés sèchent, celle où ils cuisent et celle où ils se refroidissent. Le système est à échangeur de température. Les fours actuels sont à enfournement et à défournement automatiques. La vitesse de refroidissement est réglée par la trempe que les « clinkers » (nodules scorifiés) doivent acquérir.

• Les fours rotatifs, de beaucoup les plus employés, se composent d’un très grand cylindre en tôle épaisse légèrement incliné sur l’horizontale, le diamètre étant compris entre 2 et 4 m, pour une longueur de 50 à 100 m. L’intérieur possède un revêtement en briques réfractaires, et la tête du four comporte une tuyère de brûleur à charbon pulvérisé ou à mazout. Les gaz de la combustion traversent le four en long, puis sortent dans un dépoussiéreur et un récupérateur de chaleur avant d’être évacués. La pâte de ciment crue suit un trajet en sens inverse des gaz.

Fours pour ciments alumineux

Ces ciments sont obtenus par la cuisson d’un mélange de bauxite et de chaux vive (ou de calcaire pur) : c’est le procédé français du ciment fondu, dont le type le plus récent est le ciment électrofondu. Les conditions de refroidissement du mélange fondu sont importantes ; on coule dans des lingotières, on démoule, on concasse, puis on broyé les éléments cuits. Après broyage et séchage préalable des « crus », on fond à 1 425 °C :
— soit au water-jacket, variété de four à cuve ou petit haut fourneau à parois métalliques refroidies par une circulation d’eau, d’où les tuyères insufflent de l’air réchauffé par récupération dans des chambres où circulent les gaz de la combustion ;
— soit au four à réverbère, ou four à sole allongée, utilisant le charbon pulvérisé ;
— ou encore au four électrique chauffé par un arc à une ou deux électrodes, procédé le plus moderne si l’on dispose d’électricité à bon marché.

Fours à chaux

Qu’il s’agisse de chaux aérienne ou de chaux hydraulique, la cuisson des calcaires purs ou marneux s’effectue dans un four en maçonnerie pourvu d’un revêtement réfractaire.

Les fours de calcination possèdent un foyer distinct, alors que, dans les fours à stratification, les cendres de charbon restent mélangées à la chaux.