FR3008108A1 - Installation de traitement thermique de produits chauds en defilement continu permettant la valorisation de l'energie extraite - Google Patents

Installation de traitement thermique de produits chauds en defilement continu permettant la valorisation de l'energie extraite Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne une installation de traitement thermique de bande métallique en défilement continu, comprenant, en aval d'une unité de chauffage, une unité de refroidissement comportant une enceinte qui est traversée par un organe de support agencé pour supporter le produit en défilement continu et qui comprend des moyens de soufflage dans l'enceinte d'un gaz vers l'organe de support pour capter au moins une partie de la chaleur du produit, des moyens d'échange de chaleur entre le gaz soufflé et un fluide de travail circulant dans un circuit final raccordé à un dispositif thermodynamique agencé pour fournir un travail mécanique en exploitant la chaleur du fluide de travail, et des moyens pour récupérer le gaz en aval des moyens d'échange de chaleur pour amener le gaz aux moyens de soufflage.

Description

La présente invention concerne une installation de traitement thermique de bande métallique en défilement continu. L'installation de traitement selon l'invention est par exemple destinée au traitement de bandes de métal. Dans le domaine métallurgique, l'installation de traitement thermique est par exemple une installation de galvanisation ou de recuit pour de l'acier carbone, inox ou silicium. Une telle installation comprend une unité de chauffage en aval de laquelle est montée une unité de refroidissement. Dans une installation de galvanisation par exemple, l'unité de chauffage est agencée pour amener la bande en défilement à une température comprise entre 700°C et 1000°C, et l'unité de refroidissement est agencée pour amener la bande en défilement à une température de l'ordre de 450°C pour que la bande puisse être ensuite trempée dans un bain de zinc ou autre media de galvanisation. Le traitement peut également être un électrozingage ou un recuit. L'unité de refroidissement comprend une enceinte qui est traversée par un organe de support agencée pour supporter le produit en défilement continu et qui contient des moyens de captation de la chaleur du produit reposant sur l'organe support par convection. Le refroidissement demande des moyens habituellement importants, comme des tours aéro-réfrigérantes ou des circuits d'amenée d'eau en grande quantité. Il en résulte que le refroidissement est une opération coûteuse. Un but de l'invention est d'optimiser le bilan énergétique du refroidissement.
A cet effet, on prévoit, selon l'invention, une installation de traitement thermique de bande métallique en défilement continu, comprenant, en aval d'une unité de chauffage, une unité de refroidissement comportant une enceinte qui est traversée par un organe de support agencé pour supporter le produit en défilement continu et qui comprend des moyens de soufflage dans l'enceinte d'un fluide vers l'organe de support pour capter au moins une partie de la chaleur du produit, des moyens d'échange de chaleur entre le fluide soufflé et un fluide de travail circulant dans un circuit final raccordé à un dispositif thermodynamique agencé pour fournir un travail mécanique en exploitant la chaleur du fluide de travail, et des moyens pour récupérer le fluide en aval des moyens d'échange de chaleur pour amener le fluide aux moyens de soufflage. Ainsi, la chaleur des produits en cours de refroidissement est récupérée via le fluide de refroidissement (le fluide pouvant être sous forme liquide et/ou gazeuse) et le fluide de travail pour être transformée en une énergie mécanique apte à être utilisée dans l'installation ou une installation connexe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue générale schématique d'une installation conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'une installation selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue de détail de la zone III de la figure 2, - les figures 4, 5 et 6 sont des vues analogues à la figure 2 de trois variantes du premier mode de réalisation, - la figure 7 est une vue analogue à la figure 2 d'une installation selon un deuxième mode de réalisation, - les figures 8 à 10 sont des vues analogues à la figure 2 d'une installation selon trois variantes du deuxième mode de réalisation, - la figure 11 est une vue analogue à la figure 2 d'une installation selon un troisième mode de réalisation. L'invention est ici décrite en application au traitement de bandes de tôles d'acier galvanisées. Il va de soi que l'invention est cependant utilisable pour d'autres applications de traitement thermique de produits en défilement continu et par exemple de bandes d'un autre métal. En référence aux figures, l'installation de traitement thermique conforme à l'invention comprend ici un organe de support, symbolisé en 100, est agencé pour supporter la bande d'acier en défilement continu. L'organe de support 100 s'étend le long de l'installation et traverse successivement une unité de chauffage 200, une unité de refroidissement 300 et une unité de galvanisation 400. L'organe de support 100 comprend ainsi trois tronçons agencés pour supporter la bande d'acier de la manière la plus adaptée dans chaque unité. Les tronçons peuvent donc avoir une structure identique ou des structures différentes selon les technologies employées dans chaque unité. En l'espèce, les tronçons comprennent des rouleaux supportant la bande d'acier et pivotant autour d'un axe sensiblement horizontal pour autoriser le défilement de la bande à une vitesse par exemple de plusieurs mètres par minute, voire plus de 100 m/min.
L'unité de chauffage 200 est ici agencée pour amener la bande d'acier en défilement continu à une température comprise entre 700°C et 1000°C. L'unité de refroidissement 300 est ici agencée pour amener la bande d'acier en défilement continu à une température d'environ 400°C. L'unité de galvanisation 400 est agencée pour permettre le dépôt d'une couche de zinc sur les surfaces extérieures de la bande d'acier en défilement continu.
L'unité de refroidissement 300 comprend une enceinte 310 qui est traversée par l'organe de support 100, des moyens 320 de soufflage dans l'enceinte 310 d'un fluide, ici un gaz, vers l'organe de support 100 pour capter au moins une partie de la chaleur de la bande d'acier en défilement continu, des moyens 330 d'échange de chaleur entre le gaz soufflé et un fluide de travail circulant dans un circuit final 340 raccordé à un dispositif thermodynamique 350 agencé pour fournir un travail mécanique en exploitant la chaleur du fluide de travail, et des moyens pour récupérer le gaz en aval des moyens d'échange de chaleur 330 pour amener le gaz aux moyens de soufflage 320. Les moyens de soufflage 320 comprennent au moins un ventilateur 321 monté dans une tubulure 322 ayant une extrémité aval 322.1 reliée à un réseau de buses 323 s'étendant au voisinage de l'organe support 310 pour être orientées vers le produit à refroidir. Le gaz soufflé est ici de l'air ou un mélange contenant de l'hydrogène et de l'azote et, de manière classique, environ 5% d'hydrogène et 95% d'azote. Les moyens de soufflage 320 sont dimensionnés et pilotés pour respecter les pentes de refroidissement éventuellement imposées pour respecter par exemple des contraintes métallurgiques. Les moyens d'échange de chaleur comprennent au moins un premier échangeur de chaleur 331 entre le gaz soufflé et un fluide caloporteur circulant dans un circuit intermédiaire 333 qui est raccordé au premier échangeur 331, et un deuxième échangeur de chaleur 332 raccordé au circuit intermédiaire 333 et au circuit final 340 pour transférer la chaleur du fluide caloporteur vers le fluide de travail. Le premier échangeur 331 est monté entre une extrémité amont 322.2 de la tubulure 322 et une zone de l'enceinte où le gaz soufflé arrive après avoir été en contact avec la tôle à refroidir. On comprend que le gaz soufflé est ainsi aspiré par le ventilateur 321 pour être conduit dans le premier échangeur 331 avant d'être ramené aux buses 323. Le fluide caloporteur est ici de l'eau dégazée et sous pression, ou une huile thermique ou une solution contenant de l'eau et du glycol. L'utilisation d'un fluide caloporteur intermédiaire permet de diminuer significativement la charge (quantité de fluide de travail) de la boucle thermodynamique, et d'autre part de sécuriser le fonctionnement du système de refroidissement, car dans le cas ou la boucle thermodynamique n'est pas en service, le caloporteur peut être refroidi de façon classique. Le fluide de travail est ici de l'eau sous pression ou un fluide organique pouvant comporter un polymère de silicone ou de l'éthylène glycol ou un hydrocarbure ou de l'ammoniac ou des gaz de l'air (air, hélium, azote, dioxyde de carbone, argon). Le premier échangeur 331 est un échangeur à tubes à ailettes. Le deuxième échangeur 332 est un échangeur à plaques ou un échangeur à tubes et calandres. Le circuit intermédiaire 333 comprend au moins un accumulateur 334. Par accumulateur, on entend un réservoir de stockage du fluide caloporteur.
Le dispositif thermodynamique 350 est connu en lui-même et fonctionne selon un cycle de type Rankine et de préférence un cycle de Rankine organique (ou « ORC »). La chaleur transférée au fluide de travail est convertie en travail mécanique via un cycle thermodynamique pour produire au final de l'énergie électrique utilisable pour alimenter des machines utilisées dans l'installation ou des installations voisines. En variante, le dispositif thermodynamique 350 fonctionne selon un cycle de type Kalina, résorption, Stirling, Ericsson, ou Brayton. En variante encore, le dispositif thermodynamique 350 est un refroidisseur à absorption ou à éjection. On rappelle que, en termes d'exergie, la récupération d'énergie est optimale lorsque le fluide caloporteur sort le plus chaud possible. Un troisième échangeur 335 est monté en sortie du deuxième échangeur 332 afin d'abaisser la température du fluide caloporteur et assurer ainsi une captation maximale de la chaleur du gaz soufflé via le premier échangeur 331. La chaleur résiduelle du fluide caloporteur est transférée dans le troisième échangeur 335 vers de l'eau circulant dans un circuit d'eau 336. Le circuit 333 comprend au moins une pompe pour faire circuler le fluide caloporteur. Le circuit 333 comprend de préférence une pompe en aval de l'accumulateur 334 et une pompe en aval de l'échangeur 335 pour faire circuler le fluide caloporteur. Dans le premier mode de réalisation représenté aux figures 2 et 3, le circuit intermédiaire 333 comprend un seul accumulateur 334 et les moyens d'échange de chaleur comprennent plusieurs premiers échangeurs 331 raccordés chacun à l'accumulateur 334 et à un circuit de soufflage 320. Les premiers échangeurs 331 sont ici au nombre de quatre et sont raccordés en parallèle à l'accumulateur 334 et au troisième échangeur 335. L'enceinte est de préférence cloisonnée pour définir plusieurs compartiments le long du dispositif de support 100. Les extrémités de chaque circuit de soufflage 320 débouchent dans un des compartiments. Les compartiments et les circuits de soufflage sont ici au nombre de quatre. Dans l'enceinte 310, les premiers échangeurs 331 et les circuits de soufflage 320 sont ainsi disposés successivement le long de l'organe de support 100. Chaque premier échangeur 331 est relié à une des tubulures 322 pour refroidir l'air soufflé par la ou les buses reliées à ladite tubulure 322 en transférant la chaleur captée par le gaz soufflé au fluide caloporteur. On comprend que comme la température du produit en défilement va baisser au fur et à mesure de son avancement dans l'enceinte 310, la température de l'air arrivant au premier échangeur 331 le plus en amont dans l'enceinte 310 est supérieure à la température de l'air arrivant au premier échangeur 331 le plus en aval dans l'enceinte 310. Dans la première variante du premier mode de réalisation, représentée à la figure 4, les premiers échangeurs 331 sont montés en série par paire pour former deux paires de premiers échangeurs montés en série et les paires sont montées en parallèle l'une de l'autre. Dans la deuxième variante représentée à la figure 5, trois des premiers échangeurs 331 sont reliés en série pour former un triplet monté en parallèle du quatrième premier échangeur 331.
Dans la troisième variante représentée à la figure 6, les quatre premiers échangeurs 331 sont montés en série entre le troisième échangeur 335 et l'accumulateur 334. Dans le deuxième mode de réalisation représenté à la figure 7, les moyens d'échange de chaleur comprennent plusieurs premiers échangeurs 331 de plusieurs deuxièmes échangeurs 332. Les premiers échangeurs 331 sont ici au nombre de quatre. Les deuxièmes échangeurs 332 sont ici au nombre de quatre.
Les moyens d'échange comprennent en outre un accumulateur multi-étage formé ici d'autant d'accumulateurs 334 que de deuxièmes échangeurs 332 soit ici quatre, référencés 334.1 à 334.4. Les moyens d'échange comprennent alors quatre branches parallèles dans chacune desquelles sont reliés en série un des premiers échangeurs 331, un des accumulateurs 334 et un des deuxièmes échangeurs 332. Dans les accumulateurs 334, le fluide caloporteur est accumulé à des températures différentes. Plus précisément, le fluide caloporteur stocké dans l'accumulateur 334.1 a une température supérieure à celle du fluide caloporteur stocké dans l'accumulateur 334.2 ; le fluide caloporteur stocké dans l'accumulateur 334.2 a une température supérieure à celle du fluide caloporteur stocké dans l'accumulateur 334.3 ; le fluide caloporteur stocké dans l'accumulateur 334.3 a une température supérieure à celle du fluide caloporteur stocké dans l'accumulateur 334.4. Le deuxième échangeur 332 ayant son entrée de fluide caloporteur reliée à l'accumulateur 334.1 a sa sortie de fluide caloporteur reliée à l'accumulateur 334.2 ; le deuxième échangeur 332 ayant son entrée de fluide caloporteur reliée à l'accumulateur 334.2 a sa sortie de fluide caloporteur reliée à l'accumulateur 334.3 ; le deuxième échangeur 332 ayant son entrée de fluide caloporteur reliée à l'accumulateur 334.3 a sa sortie de fluide caloporteur reliée à l'accumulateur 334.4 ; le deuxième échangeur 332 ayant son entrée de fluide caloporteur reliée à l'accumulateur 334.4 a sa sortie de fluide caloporteur reliée au troisième échangeur 335.
En fonctionnement, le fluide caloporteur accumulé à la plus haute température (accumulateur 334.1) cède une partie de sa chaleur au deuxième échangeur 332 auquel il est relié pour atteindre la température de l'accumulateur 334.2 qu'il va rejoindre et ainsi de suite jusqu'à l'accumulateur 334.4. Ainsi le caloporteur de chaque accumulateur 334 cède une partie de sa chaleur dans le deuxième échangeur 332 correspondant relié au dispositif thermodynamique 350 pour rejoindre l'accumulateur 334 de l'étage suivant. Cela permet d'éviter les pertes exergétiques dues aux mélanges des flux de caloporteur chauffés à des niveaux de températures différents par les premiers échangeurs 331.
En référence à la figure 8 et selon la première variante du deuxième mode de réalisation, les deuxièmes échangeurs 332 sont ici au nombre de trois. Les moyens d'échange comprennent trois accumulateurs 334 reliés chacun à un des deuxièmes échangeurs 332. Les moyens d'échange comprennent alors trois branches en parallèle, à savoir deux branches dans chacune desquelles sont reliés en série un des premiers échangeurs 331, un des accumulateurs 334 et un des deuxièmes échangeurs 332, et une troisième branche dans laquelle deux des premiers échangeurs 331 sont reliés en parallèle à un des accumulateurs 334 qui est relié en série à un des deuxièmes échangeurs 332. En référence à la figure 9 et selon la deuxième variante du deuxième mode de réalisation, les deuxièmes échangeurs 332 sont ici au nombre de deux. Les moyens d'échange comprennent deux accumulateurs 334 reliés chacun à un des deuxièmes échangeurs 332.
Les moyens d'échange comprennent alors deux branches en parallèle, à savoir une branche dans laquelle sont reliés en série un des premiers échangeurs 331, un des accumulateurs 334 et un des deuxièmes échangeurs 332, et une deuxième branche dans laquelle trois des premiers échangeurs 331 sont reliés en parallèle à un des accumulateurs 334 qui est relié en série à un des deuxièmes échangeurs 332. En référence à la figure 10 et selon la troisième variante du deuxième mode de réalisation, les deuxièmes échangeurs 332 sont ici au nombre de deux. Les moyens d'échange comprennent deux accumulateurs 334 reliés chacun à un des deuxièmes échangeurs 332. Les moyens d'échange comprennent alors deux branches en parallèle, à savoir deux branches dans chacune desquelles deux des premiers échangeurs 331 sont reliés en parallèle à un des accumulateurs 334 qui est relié en série à un des deuxièmes échangeurs 332. Dans le troisième mode de réalisation représenté à la figure 11, l'accumulateur 334 est un accumulateur à stratification, connu en lui-même, dans lequel s'étend un serpentin formant le deuxième échangeur de chaleur. Les premiers échangeurs 331 sont ici reliés en parallèle à l'accumulateur 334 à différentes tronçons de ce dernier.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le circuit intermédiaire de fluide caloporteur est facultatif si l'installation est agencée pour assurer un transfert de chaleur direct du gaz soufflé au fluide de travail. Le fluide de refroidissement peut être un liquide projeté sur le produit à refroidir et qui va s'évaporer au contact du produit avant d'être récupéré sous forme gazeuse. Le gaz redeviendra liquide après passage dans le premier échangeur. L'échangeur 335 peut être en série ou en parallèle avec l'échangeur 322.
L'installation selon l'invention peut être incorporée dans une installation plus grande comportant par exemple une ou plusieurs unités de laminage ou autre unité de mise en forme du produit en défilement. L'installation peut avoir une structure différente de celle décrite et comporter par exemple une unité d'électro-zingage. L'invention n'est en outre pas limitée à cette application et couvre par exemple toute installation métallurgique de traitement thermique, par exemple de recuit.

Claims (18)

  1. REVENDICATIONS1. Installation de traitement thermique de bande métallique en défilement continu, comprenant, en aval d'une unité de chauffage, une unité de refroidissement comportant une enceinte qui est traversée par un organe de support agencé pour supporter le produit en défilement continu et qui comprend des moyens de soufflage dans l'enceinte d'un fluide vers l'organe de support pour capter au moins une partie de la chaleur du produit, des moyens d'échange de chaleur entre le fluide soufflé et un fluide de travail circulant dans un circuit final raccordé à un dispositif thermodynamique agencé pour fournir un travail mécanique en exploitant la chaleur du fluide de travail, et des moyens pour récupérer le fluide soufflé en aval des moyens d'échange de chaleur pour amener le fluide récupéré aux moyens de soufflage.
  2. 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle les moyens d'échange de chaleur comprennent au moins un premier échangeur de chaleur entre le fluide soufflé et un fluide caloporteur circulant dans un circuit intermédiaire qui est raccordé au premier échangeur, et un deuxième échangeur de chaleur raccordé au circuit intermédiaire et au circuit final pour transférer la chaleur du fluide caloporteur vers le fluide de travail.
  3. 3. Installation selon la revendication 2, dans laquelle le fluide caloporteur est de l'eau dégazée et sous pression, ou une huile thermique ou une solution contenant de l'eau et du glycol.
  4. 4. Installation selon la revendication 2, dans laquelle le fluide de travail est de l'eau sous pression ou un fluide organique pouvant comporter un polymère de silicone ou de l'éthylène glycol ou un hydrocarbure ou de l'ammoniac ou des gaz de l'air (air, hélium, azote,dioxyde de carbone, argon).
  5. 5. Installation selon la revendication 2, dans laquelle le premier échangeur est un échangeur à tubes ailettés.
  6. 6. Installation selon la revendication 2, dans laquelle le deuxième échangeur est un échangeur à plaques ou un échangeur à tubes et calandres.
  7. 7. Installation selon la revendication 2, dans laquelle le circuit intermédiaire comprend au moins un accumulateur.
  8. 8. Installation selon la revendication 7, comprenant plusieurs premiers échangeurs raccordés à l'accumulateur.
  9. 9. Installation selon la revendication 8, comprenant plusieurs deuxièmes échangeurs de chaleur, l'accumulateur comportant plusieurs étages d'accumulation reliés chacun à au moins un des premiers échangeurs et à au moins un des deuxièmes échangeurs de chaleur.
  10. 10. Installation selon la revendication 8, dans 20 laquelle l'accumulateur est un accumulateur à stratification formant le deuxième échangeur de chaleur.
  11. 11. Installation selon la revendication 1, dans laquelle le fluide est un gaz.
  12. 12. Installation selon la revendication 11, dans 25 laquelle le fluide est de l'air.
  13. 13. Installation selon la revendication 11, dans laquelle le gaz est un mélange contenant de l'hydrogène et de l'azote et, de préférence, environ 5% d'hydrogène et 95% d'azote. 30
  14. 14. Installation selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de soufflage comprennent un réseau de buses ou de fentes ou autre géométrie de soufflage s'étendant au voisinage de l'organe support pour être orientées vers le produit à refroidir. 35
  15. 15. Installation selon la revendication 1, danslaquelle le dispositif thermodynamique fonctionne selon un cycle de type Rankine, Kalina, résorption, Stirling, Ericsson, ou Brayton ; ou le dispositif thermodynamique est un refroidisseur à absorption ou à éjection.
  16. 16. Installation selon la revendication 1, comportant en aval de l'unité de refroidissement une unité de dépôt de zinc, l'unité de refroidissement étant pilotée pour amener le produit à une température d'environ 400°C.
  17. 17. Installation selon la revendication 16, dans laquelle l'unité de dépôt de zinc est une unité de galvanisation.
  18. 18. Installation selon la revendication 16, dans laquelle l'unité de dépôt de zinc est une unité d'électro-zingage.
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