Dimensionnement de la cheminée d'évacuation des gaz brûlés dans le cadre de la modernisation des fours de fusion de l'aluminium, pour contrôler les rejets et respecter les normes environnementales.
L'essentiel. Dans le cadre de l'extension d'Aluminium Dunkerque — installation d'un nouveau four n°8 de 65 tonnes — EOLIOS a dimensionné par simulation CFD la cheminée d'évacuation des gaz brûlés. L'étude combine cadre réglementaire (Arrêté du 2 février 1998, NF EN 13084-1), audit sur site (thermographie, essais fumigènes) et simulations des modes fusion et maintien des fours 7 et 8, pour garantir un tirage suffisant, maîtriser les pertes de charge et respecter les normes environnementales de rejet.
Le dimensionnement des cheminées industrielles dans les secteurs traitant des matières premières, comme l'aluminium, est essentiel pour optimiser la performance des installations. Cela prend en compte des critères techniques, réglementaires et environnementaux, pour répondre aux exigences d'efficacité énergétique et de réduction des émissions.
En prenant pour exemple une mission réalisée par EOLIOS, cet article examine les spécificités de conception nécessaires pour les cheminées de fours à aluminium, soulignant l'importance des solutions avancées pour contrôler les rejets de fumées et de gaz, tout en respectant les standards environnementaux.
L'évacuation des fumées de combustion est cruciale pour l'environnement, la sécurité et le confort des opérateurs. Le dimensionnement de la cheminée est régi par des réglementations. La cheminée agit comme un aspirateur à fumée en créant une dépression pour extraire les fumées de la chambre de combustion. Elle rejette les fumées en les élevant pour favoriser leur dispersion et réduire leur impact environnemental.
Il n'y a pas d'obligation légale, mais une norme recommande une vérification tous les deux ans. Les cheminées sont exposées à des températures élevées et à des attaques acides, nécessitant une surveillance régulière.
Les principales réglementations sont le Code de l'environnement et l'Arrêté du 2 février 1998. Des normes telles que NF EN 13084-1, EN 1990, EN ISO 14122-1 et des fiches techniques de combustion fournissent des directives pour le dimensionnement, la sécurité, la conformité et la gestion des impacts environnementaux liés à l'évacuation des fumées de combustion.
Sécurité, environnement & conformité. Les fumées de combustion sont chaudes, corrosives et peuvent contenir des composés nocifs (particules d'aluminium, gaz toxiques). Un dimensionnement insuffisant compromet la dépression d'extraction, la dispersion des rejets et la conformité à l'Arrêté du 2 février 1998.
Dans le cadre du projet d'augmentation de la capacité de production de lingots, l'installation d'un nouveau four (n°8) à côté du four existant (n°7) est envisagée. Ce four aura une capacité de 65 tonnes et sera utilisé pour la fusion de métaux solides, ainsi que pour maintenir le métal à l'état liquide en vue de la coulée dans la chaîne de production de lingots. Les deux fours fonctionnent en tandem pour assurer la continuité de la production. Cette extension nécessitera une extraction supplémentaire des gaz brûlés vers la cheminée existante.
Le site d'Aluminium Dunkerque, construit en 1991, comprenait initialement 6 fours d'aluminium, 3 unités de coulée de plaques, et 1 chaîne de production de lingots. En 2004, un septième four a été installé, et en 2015, une deuxième chaîne de production de lingots a été ajoutée. En 2022, la première chaîne de production de lingots a été déconstruite. La halle de fonderie abrite les fours alignés en longueur, avec des aérateurs pour l'extraction d'air et des persiennes pour l'introduction d'air neuf.
Le dimensionnement d'une cheminée industrielle pour des fours de fusion de l'aluminium dépend de plusieurs facteurs, notamment :
La hauteur de la cheminée est déterminée en fonction des niveaux d'émissions de polluants et de la présence d'obstacles qui pourraient entraver la dispersion des gaz. Elle ne peut être inférieure à 10 mètres. Cette mesure est établie conformément aux articles 53 à 56 de l'arrêté du 2 février 1998, ou calculée en se basant sur les résultats d'une étude des conditions de dispersion des gaz adaptée au site.
La CFD est utilisée pour simuler et analyser le comportement des fluides (air, eau, gaz…) à l'intérieur d'un four, afin de comprendre les phénomènes de transfert de chaleur, de vitesse du flux et de mélange. La thermographie, quant à elle, permet de visualiser les variations de température à l'aide de caméras infrarouges, qui convertissent les différences de température en images thermiques. Ces images fournissent des informations précieuses sur les zones chaudes, froides et les écarts de température dans le four industriel.
Grâce à l'utilisation conjointe de la thermographie et de la CFD, les ingénieurs peuvent prendre des mesures correctives pour améliorer l'efficacité énergétique du four, optimiser les processus de production, réduire les coûts opérationnels et maximiser la performance globale. La thermographie permet d'obtenir des données en temps réel, non invasives, sur les températures à l'intérieur du four, ce qui facilite la détection des problèmes potentiels (points chauds excessifs, zones de refroidissement insuffisant).
L'audit thermique a pour but de recenser les emplacements où la chaleur est concentrée et de créer une cartographie des zones chaudes et froides. Il est important de noter que les températures fournies visent à donner une estimation générale plutôt qu'une mesure précise.
Les essais fumigènes visent à visualiser la ventilation autour du four 7. Ces essais, tout comme les images thermiques, apportent des données complémentaires pour la validation des simulations. Étant donné la présence d'ouvertures comme l'amenée d'air et les ouvertures latérales du four, il est essentiel de considérer le volume environnant le four et les conditions aérauliques qui y prévalent.
Le fonctionnement du four se divise en plusieurs phases distinctes : la fusion, le maintien, la montée en température, l'ouverture des portes et d'autres opérations. Le débit des gaz varie au cours de ces phases et est influencé par le nombre de fours en fonctionnement. L'ajout du four 8 en alternance est envisagé pour atteindre les débits de gaz nécessaires conformément à la réglementation.
Une des méthodes essentielles de notre approche est la simulation CFD (Computational Fluid Dynamics). Cette technique de pointe permet d'analyser et de modéliser le comportement des fluides (gaz, liquides, suspensions) à l'aide d'équations mathématiques complexes résolues informatiquement. Nous fournissons ainsi des prédictions précises et détaillées sur les phénomènes aérothermiques, les écoulements de fluide, les transferts de chaleur et les pertes de charge.
Dans le cas du dimensionnement de cheminée pour four industriel, la CFD est particulièrement utile pour comprendre et optimiser le processus de combustion. En étudiant les propriétés du fluide (température, vitesse, pression) et son interaction avec les différentes composantes de la cheminée, nous évaluons les pertes de charge, c'est-à-dire les pressions perdues lors de l'écoulement à travers le système.
La perte de charge est la chute de pression subie par un fluide qui s'écoule dans un conduit, sous l'effet des frottements et des singularités (coudes, changements de section). Sur une cheminée, des pertes de charge trop élevées réduisent le tirage et compromettent l'évacuation des fumées.
De plus, la CFD permet d'analyser l'élévation de pression par tirage thermique naturel dans la cheminée — essentiel pour assurer une extraction efficace des fumées en utilisant la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur. Nous pouvons ainsi optimiser la conception pour un tirage maximum tout en minimisant les pertes de pression. Enfin, nous étudions l'érosion par les poussières dans les fumées : la CFD prédit les zones sensibles à l'érosion, identifie les mécanismes d'usure et propose des solutions de protection adaptées (revêtements résistants, modifications de géométrie).
Le tirage thermique est le mouvement ascendant des gaz chauds dans la cheminée, provoqué par leur différence de densité avec l'air extérieur plus froid. Plus l'écart de température et la hauteur sont grands, plus le tirage est fort : c'est le moteur naturel de l'extraction des fumées.
La structure de la toiture doit être renforcée localement pour permettre le passage de la cheminée. Un renfort particulier est prévu, sous la forme d'une poutre diagonale, pour faciliter ce passage. Étant donné les contraintes d'espace sur la toiture, il existe cinq options possibles pour l'emplacement de ce passage. Les positions 1 et 5 sont privilégiées en raison de leur accessibilité et de leur convenance.
Nous avons optimisé les coudes et les connexions pour améliorer l'efficacité de l'écoulement. Notre approche consiste à limiter chaque coude à un maximum de 3 éléments pour contrôler les coûts de mise en œuvre.
Nous avons effectué des simulations pour les deux scénarios les plus exigeants : le mode de fusion des fours 7 et 8, ainsi que le mode de maintien des fours 7 et 8. L'objectif principal était d'évaluer les vitesses d'éjection et les débits d'air au niveau des entrées d'air situées au-dessus du point de mesure.
![Plan de vitesse sur l’axe et la section de sortie — [7M8M]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture9.png.webp)
![Plan de vitesse sur l’axe et la section de sortie — [7F8F]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture10.png.webp)
Les dimensions des entrées d'air étaient similaires à celles des cheminées des fours 1 à 6. Pour la première cheminée, les simulations ont montré que les entrées d'air avaient un impact limité sur l'écoulement, avec des débits entrants bien en deçà de l'objectif fixé ; néanmoins, les vitesses à la sortie restaient conformes aux objectifs. Pour la deuxième cheminée, les pertes de charge causées par les coudes abrupts dans la gaine du four 8 ont eu un impact négatif sur le tirage, réduisant l'apport d'air extérieur et, dans le cas de la fusion des fours 7-8, inversant le sens de l'écoulement. Cependant, la différence de répartition de température entre les deux cheminées est demeurée minime.
Savoir-faire : le dimensionnement des cheminées industriellesDimensionnement de cheminée, tirage thermique et simulation CFD des rejets industriels.
Une cheminée bien dimensionnée crée la dépression nécessaire pour extraire les fumées de la chambre de combustion, puis les rejette assez haut pour favoriser leur dispersion et limiter l'impact environnemental. Le dimensionnement garantit un tirage suffisant, maîtrise les pertes de charge et assure la conformité réglementaire.
Elle dépend des niveaux d'émissions de polluants et des obstacles susceptibles d'entraver la dispersion des gaz. Elle ne peut être inférieure à 10 mètres et se calcule selon les articles 53 à 56 de l'arrêté du 2 février 1998, ou à partir d'une étude de dispersion adaptée au site.
Le tirage thermique est le mouvement ascendant des gaz chauds, provoqué par leur différence de densité avec l'air extérieur plus froid. C'est le moteur naturel de l'extraction des fumées : la CFD permet d'optimiser la conception pour maximiser ce tirage tout en minimisant les pertes de charge. Plus de détails dans notre dossier l'effet de tirage thermique.
La thermographie et les essais fumigènes fournissent des mesures réelles (zones chaudes, ventilation autour du four) qui servent à calibrer et valider les simulations. Couplés à la CFD, ils permettent d'analyser des scénarios impossibles à reproduire sur site et de fiabiliser le dimensionnement.
Les principales références sont le Code de l'environnement et l'Arrêté du 2 février 1998, complétés par des normes telles que NF EN 13084-1, EN 1990 et EN ISO 14122-1. Elles encadrent le dimensionnement, la sécurité, la conformité et la gestion des impacts environnementaux.
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Dimensionnement CFD de la cheminée d'évacuation des gaz brûlés pour la modernisation des fours de fusion d'aluminium (Aluminium Dunkerque) : cadre réglementaire (Arrêté du 2 février 1998, NF EN 13084-1), facteurs clés (débit de gaz, température, composition des fumées), audit sur site (thermographie, essais fumigènes), modèle 3D et optimisation des gaines, simulations des modes fusion/maintien des fours 7 et 8 et analyse du tirage thermique.
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