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Système de traitement de fumée – CO2

En quelques mots

EOLIOS ingénierie a apporté son expertise pour améliorer le réseau de redirection de gaz d’une usine.

Projet

Système de traitement de fumée - CO2

Année

2024

Client

NC

Localisation

France

Typologie

Process Industriel

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Présentation du système de traitement de fumée

Dans le cadre du développement d’un système de traitement de fumée, particulièrement axé sur le traitement du dioxyde de carbone (CO2), le projet vise à reconfigurer l’infrastructure existante. Cette démarche implique la mise en place d’un nouveau réseau destiné à canaliser les émissions des fours vers le dispositif de capture de CO2.

Ce réseau se compose principalement d’un ventilateur en ligne, de quatre registres pour l’isolation et la régulation, ainsi que d’une cheminée à double flux équipée de conduits concentriques. L’objectif de ce document est de présenter les résultats obtenus à travers les simulations réalisées pour les trois modes de fonctionnement étudiés.

Model 3D de l’usine

Dans le cadre de notre étude, nous nous concentrons sur plusieurs aspects clés. Tout d’abord, nous examinons de près les problèmes qui pourraient nuire à l’extraction des gaz.

Un autre aspect important de notre étude est l’identification des zones à risque de condensation acide. La condensation acide peut provoquer une corrosion excessive des conduits et des équipements, ce qui peut entraîner des dommages importants et des coûts de réparation élevés. En analysant les conditions de température et d’humidité dans le système, nous sommes en mesure d’identifier les zones à risque et de proposer des recommandations pour minimiser les effets de la corrosion.

Enfin, notre étude comprend également une évaluation des pertes de charge dans les conduits. Les pertes de charge sont des diminutions de la pression du fluide qui se produisent lorsqu’il circule à travers les conduits. Ces pertes de charge peuvent avoir un impact sur l’efficacité globale du système, peuvent entraîner des coûts énergétiques plus élevés, voir une inefficacité du système. En analysant la conception du réseau et en utilisant des modèles mathématiques avancés, nous sommes en mesure d’estimer ces pertes de charge et de vous proposer des solutions pour les réduire.

Modèle 3D et éléments contextuels pour la simulation CFD

La conception initiale du modèle 3D s’appuie sur les documents reçus. En raison de certaines limitations logicielles, la représentation géométrique des registres est simplifiée, se concentrant exclusivement sur les pales pivotantes.

Figure – Modèle 3D, représentation des registres en position ouverte

Conditions extérieurs

Plusieurs conditions extérieures ont été à considérer :

  • Des conditions pour l’étude des zones de condensation
  • Des conditions pour l’analyse du tirage thermique

Nous examinons trois modes de fonctionnement :

  • le mode de base (mode 1),
  • une variante du mode de base (1,1 x mode 1+),
  • le mode 1+ full bypass. 

Dans le mode de base, le flux est dirigé vers le CCU avec des registres spécifiques fermés. La variante 1,1 x Mode 1+ dirige une partie du flux vers la cheminée tout en maintenant une connexion au CCU, tandis que le mode 1+ full bypass oriente l’intégralité du flux vers la cheminée avec des ajustements appropriés des registres.

Simulation CFD: Configurations initiale et améliorée du réseau de traitement de fumée

Résultats avec la configuration initiale

La partie suivante expose les résultats des simulations, en mettant en évidence divers aspects tels que la pression, la vitesse et la température.

L’évaluation des pertes de charge se fait en calculant la différence de pression moyenne entre les sections d’entrée et de sortie du modèle, fournissant des informations essentielles pour d’éventuelles améliorations futures.

Deux situations ont été examinées : l’efficacité de l’extraction des gaz dans des conditions de tirage défavorables (35°C, 1m/s) et l’éventuel risque de condensation et de condensation acide dans des conditions favorables ( -10°C, 14.3 m/s).

Figure – Répartition de pression pour plusieurs gaines + la cheminée (1,1 x mode 1 +)
Figure – Répartition de pression pour plusieurs gaines + la cheminée (1,1 x mode 1 +)

La pression décroît légèrement de l’amont vers la sortie de la cheminée. Néanmoins, une perte de charge notable se produit au niveau d’un registre en raison de son ouverture limitée. L’augmentation de la pression à la sortie de la cheminée est due à la présence d’un écoulement bidirectionnel, perturbant l’extraction des gaz et entraînant une hausse de pression.

Figure – Répartition de température (1,1 x mode 1 +)

La zone morte atteint une température minimale, tandis que la baisse de température vers le sommet de la cheminée indique l’entrée d’air dans une partie de cette dernière.

 

L’étude avait pour objectif d’identifier les problèmes potentiels impactant l’extraction des gaz et la possibilité de condensation acide, tout en évaluant les pertes de charge. Deux scénarios ont été examinés : l’efficacité d’extraction des gaz dans des conditions de tirage défavorables et le risque de condensation dans des conditions propices.

Les résultats mettent en lumière trois problématiques majeures :

  • Une zone inactive notable dans la première dérivation en mode full bypass,
  • Une zone inactive étendue lors de l’ouverture d’une régulation spécifique, favorisant la condensation et entraînant des pertes de charge,
  • Une zone où apparait la condensation dans la cheminée avec un double flux.

Malgré ces défis, nous avons dimensionné l’isolation de la gaine qui apparait globalement performante, présentant des pertes thermiques légères. Les zones inactives présentant d’éventuelle défaut ont pu être traitées spécifiquement.

Résultats avec la configuration améliorée

Résultats avec la confiuration améliorée

Cette section résume les simulations des modifications géométriques, incluant le réglage du Y du premier bypass, l’ajout d’un registre d’isolation, et la réduction de la hauteur de la cheminée centrale. Des conditions extrêmes ont été utilisées pour évaluer les pertes de charge et la condensation acide dans les conduits.

Figure – répartition de pression (1,1xMode1+ avec une géométrie optimisée)

La distribution de pression présente une similitude marquée avec la configuration géométrique de base. Ceci s’explique par la persistance d’un écoulement bidirectionnel à la sortie de la cheminée, bien que son importance soit moindre.

Figure – Plan de vitesse (projection sur l’axe z) de la cheminée, vecteurs vitesse, diminution de hauteur (1,1xMode1+ avec une géométrie optimisée)

On observe sur la figure ci-dessus qu’un écoulement bidirectionnel persiste dans la partie supérieure de la cheminée.

Figure – Plan de vitesse pour différentes gaines du mode 1,1 x mode 1+ avec une géométrie optimisée

L’illustration montre comment la vitesse est répartie en amont du ventilateur. Cette répartition ne pose pas de problème, car la section réduite au niveau du registre d’isolation empêche la création d’une zone inactive à basse vitesse et engendre plutôt une zone à haute vitesse.

Figure – Répartition de température gaines + cheminée (1,1xMode1+ avec une géométrie optimisée)

Cette section visait à évaluer trois optimisations spécifiques : ajustement du Y du premier bypass, ajout d’un registre d’isolation près du second bypass, et réduction de la hauteur de la cheminée centrale.

La première optimisation a consisté à modifier le Y du premier bypass pour améliorer l’écoulement et réduire les zones mortes. Les simulations ont montré une disparition des zones à basse température et une réduction des pertes de charge.

La deuxième optimisation a ajouté un registre d’isolation près du second bypass, éliminant une grande zone morte.

La troisième optimisation a réduit la hauteur de la cheminée centrale, montrant une amélioration significative, surtout dans le scénario le plus défavorable.

Analyse d'un système de traitement de fumée

Approfondir la compréhension de la dynamique des fluides liée aux cheminées industrielles est essentiel pour assurer leur fonctionnement optimal. En tant qu’experts en simulation CFD (Computational Fluid Dynamics), nous nous spécialisons dans la réalisation de ces études cruciales.

Notre savoir-faire nous permet d’entreprendre différentes analyses pour les cheminées industrielles, notamment :

  • L’évaluation du tirage thermique
  • L’analyse des pertes de charge
  • La gestion de l’érosion causée par les poussières dans les fumées
  • L’analyse de la dispersion atmosphérique conformément aux normes de qualité de l’air
  • L’évaluation de la stabilité structurelle face aux charges externes
  • L’analyse des points de rosée pour prévenir la condensation et ses conséquences néfastes.

Synthèse vidéo de l'étude

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