Dimensionering van de schoorsteen voor de afvoer van verbrandingsgassen in het kader van de modernisering van de aluminiumsmeltovens, om de emissies te beheersen en de milieunormen na te leven.
De kern. In het kader van de uitbreiding van Aluminium Duinkerke — installatie van een nieuwe oven nr. 8 van 65 ton — heeft EOLIOS met CFD-simulatiesoftware de schoorsteen voor de afvoer van de verbrandingsgassen gedimensioneerd. Het onderzoek combineert het reglementaire kader (Frans besluit van 2 februari 1998, NEN-EN 13084-1), audit op locatie (thermografie, rookproeven) en simulaties van de smelt- en houdmodus van de ovens 7 en 8, om een toereikende trek te waarborgen, de drukverliezen te beheersen en de milieunormen voor emissies na te leven.
De dimensionering van industriële schoorstenen in sectoren die grondstoffen verwerken, zoals aluminium, is essentieel om de prestaties van de installaties te optimaliseren. Daarbij spelen technische, reglementaire en milieugebonden criteria mee, om te voldoen aan de eisen van energie-efficiëntie en emissiereductie.
Aan de hand van een door EOLIOS uitgevoerde opdracht onderzoekt dit artikel de specifieke ontwerpeisen voor schoorstenen van aluminiumovens, waarbij het belang wordt onderstreept van geavanceerde oplossingen om de emissies van rook en gassen te beheersen en tegelijk te voldoen aan de milieustandaarden.
De afvoer van verbrandingsrook is cruciaal voor het milieu, de veiligheid en het comfort van de operatoren. De dimensionering van de schoorsteen is aan regelgeving onderworpen. De schoorsteen werkt als een rookafzuiger door een onderdruk op te wekken om de rook uit de brandkamer te trekken. Hij stoot de rook op hoogte uit om de verspreiding ervan te bevorderen en het milieueffect te verkleinen.
Er bestaat geen wettelijke verplichting, maar een norm beveelt een controle om de twee jaar aan. Schoorstenen worden blootgesteld aan hoge temperaturen en zure aantasting, wat een regelmatige controle vereist.
De belangrijkste regelgevingen zijn het Franse milieuwetboek en het Franse besluit van 2 februari 1998. Normen zoals NEN-EN 13084-1, EN 1990, EN ISO 14122-1 en technische fiches van de verbranding geven richtlijnen voor de dimensionering, de veiligheid, de conformiteit en het beheer van de milieueffecten die met de afvoer van verbrandingsrook samenhangen.
Veiligheid, milieu & conformiteit. Verbrandingsrook is warm en corrosief en kan schadelijke verbindingen bevatten (aluminiumdeeltjes, giftige gassen). Een ontoereikende dimensionering brengt de afzuigonderdruk, de verspreiding van de emissies en de conformiteit met het Franse besluit van 2 februari 1998 in gevaar.
In het kader van het project om de productiecapaciteit van gietblokken te verhogen, wordt de installatie van een nieuwe oven (nr. 8) naast de bestaande oven (nr. 7) overwogen. Die oven krijgt een capaciteit van 65 ton en wordt gebruikt voor het smelten van vaste metalen en om het metaal vloeibaar te houden met het oog op het gieten in de productielijn van gietblokken. Beide ovens werken in tandem om de continuïteit van de productie te verzekeren. Die uitbreiding vraagt een bijkomende afzuiging van de verbrandingsgassen naar de bestaande schoorsteen.
De site van Aluminium Duinkerke, gebouwd in 1991, telde aanvankelijk 6 aluminiumovens, 3 gieteenheden voor platen en 1 productielijn voor gietblokken. In 2004 is een zevende oven geïnstalleerd en in 2015 is een tweede productielijn voor gietblokken toegevoegd. In 2022 is de eerste productielijn voor gietblokken afgebroken. De gieterijhal herbergt de ovens in de lengte opgesteld, met dakventilatoren voor de luchtafvoer en jaloezieën voor de aanvoer van verse lucht.
De dimensionering van een industriële schoorsteen voor aluminiumsmeltovens hangt van meerdere factoren af, met name:
De hoogte van de schoorsteen wordt bepaald naargelang de emissieniveaus van verontreinigende stoffen en de aanwezigheid van obstakels die de verspreiding van de gassen kunnen belemmeren. Zij mag niet lager zijn dan 10 meter. Die maat wordt vastgelegd conform de artikelen 53 tot 56 van het Franse besluit van 2 februari 1998, of berekend op grond van de resultaten van een op de site afgestemd onderzoek van de verspreidingsomstandigheden van de gassen.
De CFD wordt gebruikt om het gedrag van de fluïda (lucht, water, gas…) binnen een oven te simuleren en te analyseren, om de fenomenen van warmteoverdracht, stroomsnelheid en menging te begrijpen. De thermografie maakt het op haar beurt mogelijk de temperatuurverschillen zichtbaar te maken met infraroodcamera's, die temperatuurverschillen in warmtebeelden omzetten. Die beelden leveren waardevolle informatie over de warme en koude zones en de temperatuurverschillen in de industriële oven.
Dankzij het gecombineerde gebruik van thermografie en CFD kunnen de ingenieurs corrigerende maatregelen nemen om de energie-efficiëntie van de oven te verbeteren, de productieprocessen te optimaliseren, de bedrijfskosten te verlagen en de globale prestaties te maximaliseren. De thermografie levert realtime en niet-invasieve gegevens over de temperaturen binnen de oven, wat de opsporing van mogelijke problemen vergemakkelijkt (buitensporige hotspots, zones met ontoereikende koeling).
De thermische audit heeft tot doel de plaatsen te inventariseren waar de warmte zich concentreert en een kartering van de warme en koude zones op te stellen. Het is belangrijk op te merken dat de gegeven temperaturen een algemene schatting beogen, geen nauwkeurige meting.
De rookproeven hebben tot doel de ventilatie rond oven 7 zichtbaar te maken. Die proeven leveren, net als de warmtebeelden, aanvullende gegevens voor de validatie van de simulaties. Gezien de aanwezigheid van openingen zoals de luchttoevoer en de zijopeningen van de oven, is het essentieel het volume rond de oven en de daar heersende stromingsomstandigheden mee te nemen.
De werking van de oven valt uiteen in verschillende fasen: het smelten, het houden, het opwarmen, het openen van de deuren en andere handelingen. Het gasdebiet varieert tijdens die fasen en wordt beïnvloed door het aantal ovens in bedrijf. De toevoeging van oven 8 in afwisseling wordt overwogen om de gasdebieten te bereiken die de regelgeving vraagt.
Een van de essentiële methoden van onze aanpak is de CFD-simulatiesoftware (Computational Fluid Dynamics). Die geavanceerde techniek maakt het mogelijk het gedrag van fluïda te analyseren en te modelleren (gassen, vloeistoffen, suspensies) met complexe wiskundige vergelijkingen die numeriek worden opgelost. Zo leveren wij nauwkeurige en gedetailleerde voorspellingen over de aerothermische fenomenen, de stromingen van fluïda, de warmteoverdracht en de drukverliezen.
Bij de dimensionering van een schoorsteen voor een industriële oven is CFD bijzonder nuttig om het verbrandingsproces te begrijpen en te optimaliseren. Door de eigenschappen van het fluïdum (temperatuur, snelheid, druk) en de interactie ervan met de verschillende onderdelen van de schoorsteen te onderzoeken, beoordelen wij de drukverliezen, dat wil zeggen de drukken die bij de stroming door het systeem verloren gaan.
Het drukverlies is de drukval die een fluïdum ondergaat wanneer het door een kanaal stroomt, door wrijving en door singulariteiten (bochten, doorsnedeveranderingen). Bij een schoorsteen verlagen te hoge drukverliezen de trek en brengen zij de afvoer van de rook in gevaar.
Daarnaast maakt CFD het mogelijk de drukstijging te analyseren door natuurlijke schoorsteeneffect trek in de schoorsteen — essentieel om een doeltreffende afvoer van de rook te verzekeren met het temperatuurverschil tussen binnen en buiten. Zo kunnen wij het ontwerp optimaliseren voor een maximale trek en tegelijk de drukverliezen beperken. Tot slot onderzoeken wij de erosie door het stof in de rook: CFD voorspelt de erosiegevoelige zones, wijst de slijtagemechanismen aan en stelt passende beschermingsoplossingen voor (slijtvaste bekledingen, geometriewijzigingen).
Het schoorsteeneffect is de opwaartse beweging van de warme gassen in de schoorsteen, veroorzaakt door hun dichtheidsverschil met de koudere buitenlucht. Hoe groter het temperatuurverschil en de hoogte, hoe sterker de trek: het is de natuurlijke motor van de rookafvoer.
De dakconstructie moet plaatselijk worden versterkt om de doorvoer van de schoorsteen mogelijk te maken. Daarvoor is een bijzondere versterking voorzien, in de vorm van een diagonale balk, om die doorvoer te vergemakkelijken. Gezien de ruimtebeperkingen op het dak zijn er vijf mogelijke opties voor de plaats van die doorvoer. De posities 1 en 5 genieten de voorkeur wegens hun toegankelijkheid en hun geschiktheid.
Wij hebben de bochten en de aansluitingen geoptimaliseerd om de efficiëntie van de stroming te verbeteren. Onze aanpak bestaat erin elke bocht tot maximaal 3 elementen te beperken om de uitvoeringskosten te beheersen.
Wij hebben simulaties uitgevoerd voor de twee meest veeleisende scenario's: de smeltmodus van de ovens 7 en 8, en de houdmodus van de ovens 7 en 8. Het hoofddoel was de uitstootsnelheden en de luchtdebieten te beoordelen ter hoogte van de luchtinlaten boven het meetpunt.
![Snelheidsvlak op de as en de uitlaatdoorsnede — [7M8M]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture9.png.webp)
![Snelheidsvlak op de as en de uitlaatdoorsnede — [7F8F]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture10.png.webp)
De afmetingen van de luchtinlaten waren vergelijkbaar met die van de schoorstenen van de ovens 1 tot 6. Voor de eerste schoorsteen toonden de simulaties dat de luchtinlaten een beperkte invloed op de stroming hadden, met inkomende debieten ruim onder de gestelde doelstelling; niettemin bleven de snelheden aan de uitlaat conform de doelstellingen. Voor de tweede schoorsteen hebben de drukverliezen door de scherpe bochten in het kanaal van oven 8 een negatieve invloed op de trek gehad, waardoor de aanvoer van buitenlucht daalde en, bij het smelten van de ovens 7-8, de stromingsrichting omkeerde. Het verschil in temperatuurverdeling tussen beide schoorstenen bleef echter minimaal.
Vakkennis: de dimensionering van industriële schoorstenenDimensionering van schoorstenen, schoorsteeneffect en CFD-simulatie van industriële emissies.
Een goed gedimensioneerde schoorsteen wekt de onderdruk op die nodig is om de rook uit de brandkamer te trekken, en stoot die vervolgens hoog genoeg uit om de verspreiding te bevorderen en het milieueffect te beperken. De dimensionering waarborgt een toereikende trek, beheerst de drukverliezen en verzekert de reglementaire conformiteit.
Zij hangt af van de emissieniveaus van verontreinigende stoffen en van de obstakels die de verspreiding van de gassen kunnen belemmeren. Zij mag niet lager zijn dan 10 meter en wordt berekend volgens de artikelen 53 tot 56 van het Franse besluit van 2 februari 1998, of op grond van een op de site afgestemd verspreidingsonderzoek.
Het schoorsteeneffect is de opwaartse beweging van de warme gassen, veroorzaakt door hun dichtheidsverschil met de koudere buitenlucht. Het is de natuurlijke motor van de rookafvoer: CFD maakt het mogelijk het ontwerp te optimaliseren om die trek te maximaliseren en tegelijk de drukverliezen te beperken. Meer details in ons dossier het schoorsteeneffect.
De thermografie en de rookproeven leveren werkelijke metingen (warme zones, ventilatie rond de oven) die dienen om de simulaties te kalibreren en te valideren. Gekoppeld aan CFD maken zij het mogelijk scenario's te analyseren die op locatie niet te reproduceren zijn en de dimensionering betrouwbaar te maken.
De belangrijkste referenties zijn het Franse milieuwetboek en het Franse besluit van 2 februari 1998, aangevuld met normen zoals NEN-EN 13084-1, EN 1990 en EN ISO 14122-1. Zij kaderen de dimensionering, de veiligheid, de conformiteit en het beheer van de milieueffecten.
Verken onze expertise, projecten en technische dossiers om verder te komen dan deze vragenlijst.
CFD-dimensionering van de schoorsteen voor de afvoer van verbrandingsgassen bij de modernisering van de aluminiumsmeltovens (Aluminium Duinkerke): reglementair kader (Frans besluit van 2 februari 1998, NEN-EN 13084-1), sleutelfactoren (gasdebiet, temperatuur, samenstelling van de rook), audit op locatie (thermografie, rookproeven), 3D-model en optimalisatie van de kanalen, simulaties van de smelt-/houdmodus van de ovens 7 en 8 en analyse van het schoorsteeneffect.
CFD-vakgebieden, opgeleverde projecten en technische dossiers: het hele domein Industriële processen, op één plek verzameld.
Het eenvoudigst is om er samen over te praten. Onze ingenieurs antwoorden met een eerste technische analyse.
