Brûleurs industriels : la tuyère sonique à col variable

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La direction de la recherche de Gaz de France a adapté le procédé de la tuyère sonique à col variable aux brûleurs industriels de forte puissance.

Le système est au point techniquement et devrait être l'objet d'une prochaine commercialisation. Les avantages d'une telle technique sont nombreux et permettent, outre un gain de place et une plus grande facilité d'installation et de régulation, de réduire la consommation spécifique de gaz naturel des brûleurs industriels.

Située face au Stade de France, la direction de la recherche de Gaz de France est une forteresse bien gardée. Parmi les nombreuses applications industrielles, développées chaque année au sein des différents services, figure la tuyère sonique à col variable. Certes le procédé n'est pas nouveau et a été breveté par GDF voilà plus de 20 ans déjà, mais son utilisation était jusqu'alors limitée au seul poste de détente intégré multifonctions (PDIM) utilisé sur les réseaux de transport et de distribution.

La panoplie air/gaz de nouvelle génération est le résultat de l'adaptation de ce procédé éprouvé à l'alimentation et à la régulation de la combustion des brûleurs industriels de forte puissance qui équipent les fours fonctionnant à haute température. "Sa conception le destine plus particulièrement à être installé sur les grands fours utilisés dans les industries des métaux, du verre, de la chaux ou de la céramique, mais il devrait aussi trouver sa place sur le marché des équipements de chaudière vapeur", indique Rémy Cordier, du département utilisations - pôle industrie - de la direction de la recherche de GDF.

Un actionneur multifonctions

Simplicité de la ligne air/gaz, tel est le maître mot de la tuyère sonique à col variable. Un actionneur met en oeuvre le principe de l'écoulement du gaz à travers la tuyère, dont la section de passage est modulée par le déplacement contrôlée d'une ogive conique.

Et c'est bel et bien l'originalité de cette technologie. L'actionneur assure en effet les fonctions de détendeur, de débitmètre et de vanne de régulation, dont l'un des intérêts est notamment de faciliter la maintenance. "Comme actionneur de réglage du débit, il se comporte comme les meilleures vannes de régulation disponibles sur le marché. En tant qu'organe de comptage, ses performances sont comparables à celles d'un compteur volumétrique", indique Rémy Cordier. Le débit du gaz dépend dans cette configuration des conditions existant au col : pression, température et position de l'ogive ; ce qui permet une grande finesse de contrôle de la puissance et du taux d'aération des brûleurs. Le débit du gaz est ainsi connu avec une précision de plus ou moins 1 %.

L'installation de la ligne air/gaz industrielle s'en trouve aussi facilitée, l'équipement arrivant "prêt à installer" sur le site. Avec pour conséquence directe un gain considérable de place mis en avant par GDF : "Ce système évite les longueurs droites en amont et en aval de certains organes, ce qui permet de ramener sa longueur de 6 m a 2 m". La régulation est quant à elle assurée par un logiciel spécifique au système qui a été validé expérimentalement par la direction de la recherche de GDF. "Ce logiciel peut être décentralisé dans un régulateur de tableau du commerce ou bien être intégré dans le système de commande et de supervision du four ou de l'ensemble de l'unité de production. "Le procédé est donc capable de s'adapter aux différentes configurations matérielles en usage dans l'industrie", explique Rémy Cordier. Dernier avantage de la tuyère sonique à col variable, et non le moindre : la réduction de la consommation spécifique de gaz naturel. GDF fait ainsi état de gains sur la consommation d'énergie des brûleurs à gaz d'un ordre de 5%.

Les avantages avérés à utiliser une tuyère sonique à col variable pour la régulation de gaz des brûleurs industriels devraient conduire à une prochaine commercialisation. GDF indique que les modèles devraient couvrir les besoins des brûleurs de puissance comprise entre 300 kW et 15 MW. La production devra répondre à la demande du marché, dont l'estimation est pour la France de quelques centaines d'unités par an. D'autant plus que les coûts d'un système à tuyère et d'une ligne gaz classique seront du même ordre de grandeur, indique aujourd'hui GDF qui mise de plus sur un effet de série pour tirer les prix vers le bas.

Une première opération pilote

Une opération pilote se déroule depuis septembre 1998 dans l'usine des Dunes d'Ascométal située près de Dunkerque.
Cette usine est l'un des quatre pôles sidérurgiques d'Ascométal, producteur d'aciers spéciaux de construction mécanique et d'aciers pour roulements.

La nouvelle panoplie air/gaz développée par la direction de la recherche de Gaz de France est entrée en service sur l'un des fours pits, dont la puissance du brûleur est de 5 MW pour une capacité de 80 tonnes. Elle a été installée en parallèle de la ligne existante. Les résultats ne se sont pas attendre, comme en témoigne Marcel Edmont, l'un des techniciens sur le site : "Nous avons constaté une meilleure stabilité du débit de gaz et de la combustion dans le temps ainsi qu'une plus grande précision de la température dans la charge. Le brûleur offre aussi une meilleure souplesse. En maintien, nous arrivons facilement à obtenir un débit gaz plus bas et plus stable qu'avec notre ligne".

Sur le plan des performances, les gains d'énergie s'avèrent importants. Le bilan dans les conditions réelles de mesure permet de comparer les consommations spécifiques de la ligne gaz existante et de la nouvelle panoplie. L'écart de la consommation spécifique par compteur est de 13,4% en faveur de la tuyère sonique à col variable (360 kWh/t contre 416 kWh/t pour la ligne gaz classique). La durée des traitements n'étant pas identique entre les deux systèmes, la direction de la recherche de GDF a réalisé en octobre 1998 un bilan comparatif estimé pour deux traitements d'une durée de 10h45. Les résultats sont significatifs : les consommations spécifiques étant pour la ligne gaz existante et la nouvelle panoplie air/gaz de, respectivement, 352 kWh/t et 337 kWh/t, soit une consommation de gaz réduite de 6,7% dans le cadre de l'utilisation de la tuyère sonique à col variable.

Source : document Gaz de France “Panoplie" air/gaz de nouvelle génération ”.

Article paru dans Energie Plus n°245 du 1er mai 2001

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