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CA 02772693 2016-02-09
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METHODE DE CARACTERISATION DE LA COMBUSTION DANS
DES LIGNES DE CLOISONS D'UN FOUR A CHAMBRES A FEU(X)
TOURNANT(S).
L'invention concerne le domaine des fours à chambres dits à feu(x)
tournant(s) , pour la cuisson de bloc carbonés, plus particulièrement
d'anodes et de cathodes en carbone destinées à la production par
électrolyse de l'aluminium, et l'invention a plus particulièrement pour
objet une méthode de caractérisation de la combustion dans des lignes
de cloisons d'un tel four à chambres.
Des fours à feu(x) tournant(s) pour cuire des anodes sont décrits
notamment dans les documents de brevet suivants : US 4,859,175, VVO
91/19147, US 6,339, 729, US 6,436,335 et CA 2550880, auxquels on se
reportera pour plus de précisions à leur sujet. On rappelle cependant
partiellement leur structure et leur fonctionnement, en référence aux
figures 1 et 2 ci-après, représentant respectivement une vue
schématisée en plan de la structure d'un four à feu(x) tournant(s) et
chambres ouvertes, à deux feux dans cet exemple, pour la figure 1, et
une vue partielle en perspective et coupe transversale avec arrachement
représentant la structure interne d'un tel four, pour la figure 2.
Le four à cuire (FAC) 1 comprend deux cuvelages ou travées la et
lb parallèles, s'étendant selon l'axe longitudinal XX sur la longueur du
four 1 et comportant chacun(e) une succession de chambres 2
transversales (perpendiculaires à l'axe XX), séparées les unes des
autres par des murs transversaux 3. Chaque chambre 2 est constituée,
dans sa longueur, c'est-à-dire dans la direction transversale du four 1,
par la juxtaposition, en alternance, d'alvéoles 4, ouverts à leur partie
supérieure, pour permettre le chargement des blocs carbonés à cuire et
le déchargement des blocs cuits refroidis, et dans lesquels sont empilés
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les blocs carbonés 5 à cuire noyés dans une poussière carbonée, et des
cloisons chauffantes creuses 6, à parois minces, généralement
maintenues espacées par des entretoises 6a transversales. Les cloisons
creuses 6 d'une chambre 2 sont dans le prolongement longitudinal
(parallèle au grand axe XX du four 1) des cloisons creuses 6 des autres
chambres 2 de la même travée la ou lb, et les cloisons creuses 6 sont
en communication les unes avec les autres par des lucarnes 7 à la partie
supérieure de leurs parois longitudinales, en regard de passages
longitudinaux ménagés à ce niveau dans les murs transversaux 3, de
sorte que les cloisons creuses 6 forment des lignes de cloisons
longitudinales, disposées parallèlement au grand axe XX du four et dans
lesquelles vont circuler des fluides gazeux (air comburant, gaz
combustibles et gaz et fumées de combustion) permettant d'assurer la
préchauffe et la cuisson des anodes 5, puis leur refroidissement. Les
cloisons creuses 6 comportent, en outre, des chicanes 8, pour allonger
et répartir plus uniformément le trajet des gaz ou fumées de combustion
et ces cloisons creuses 6 sont munies, à leur partie supérieure,
d'ouvertures 9, dites ouvreaux , obturables par des couvercles
amovibles et ménagées dans un bloc de couronnement du four 1.
Les deux travées la et lb du four 1 sont mises en communication à
leurs extrémités longitudinales par des carneaux de virage 10, qui
permettent de transférer les fluides gazeux d'une extrémité de chaque
ligne de cloisons creuses 6 d'une travée la ou lb à l'extrémité de la
ligne de cloisons creuses 6 correspondante sur l'autre travée lb ou la,
de sorte à former des boucles sensiblement rectangulaires de lignes de
cloisons creuses 6.
Le principe d'exploitation des fours à feu(x) tournant(s), également
dénommés fours à avancement de feu(x) , consiste à amener un front
de flammes à se déplacer d'une chambre 2 à une autre qui lui est
adjacente au cours d'un cycle, chaque chambre 2 subissant
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successivement des stades de préchauffage, chauffage forcé, plein feu,
puis refroidissement (naturel puis forcé).
La cuisson des anodes 5 est réalisée par un ou plusieurs feux ou
groupes de feux (deux groupes de feux étant représentés sur la figure 1,
dans une position dans laquelle l'un s'étend, dans cet exemple, sur
treize chambres 2 de la travée la et l'autre sur treize chambres 2 de la
travée lb) qui se déplacent cycliquement de chambre 2 en chambre 2.
Chaque feu ou groupe de feux est composé de cinq zones successives
A à E, qui sont, comme représenté sur la figure 1 pour le feu de la travée
lb, et de l'aval vers l'amont par rapport au sens d'écoulement des
fluides gazeux dans les lignes de cloisons creuses 6, et dans le sens
contraire aux déplacements cycliques de chambre en chambre :
A) Une zone de préchauffage comportant, en se reportant au feu de
la travée la, et en tenant compte du sens de rotation des feux indiqué
par la flèche au niveau du carneau de virage 10 à l'extrémité du four 1
en haut sur la figure 1 :
- une rampe d'aspiration 11 équipée, pour chaque cloison
creuse 6 de la chambre 2 au-dessus de laquelle cette rampe
d'aspiration s'étend, d'un système de mesure et de réglage du
débit des gaz et fumées de combustion par ligne de cloisons
creuses 6, ce système pouvant comprendre, dans chaque pipe
d'aspiration lia qui est solidaire de la rampe d'aspiration 11 et
débouchant dans cette dernière, d'une part, et, d'autre part,
engagée dans l'ouverture 9 de l'une respectivement des
cloisons creuses 6 de cette chambre 2, un volet d'obturation
réglable pivoté par un actionneur de volet, pour le réglage du
débit, ainsi qu'un débitmètre 12, légèrement en amont, dans la
pipe 1 1 a correspondante, d'un capteur de température
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(thermocouple) 13 de mesure de la température des fumées de
combustion à l'aspiration, et
- une rampe de mesure de préchauffage 15, sensiblement
parallèle à la rampe d'aspiration 11 en amont de cette dernière,
généralement, au-dessus de la même chambre 2, et équipée
de capteurs de température (thermocouples) et de capteurs de
pression pour préparer la dépression statique et la température
régnant dans chacune des cloisons creuses 6 de cette
chambre 2 afin de pouvoir afficher et régler cette dépression et
cette température de la zone de préchauffage;
B) Une zone de chauffage comportant :
- plusieurs rampes de chauffage identiques 16, deux ou, de
préférence, trois, comme représenté sur la figure 1 ; chacune
équipée de brûleurs ou d'injecteurs de combustible (liquide ou
gazeux) et de capteurs de température (thermocouples),
chacune des rampes 16 s'étendant au-dessus de l'une des
chambres respectivement d'un nombre correspondant de
chambres 2 adjacentes, de sorte que les injecteurs de chaque
rampe de chauffage 16 sont engagés dans les ouvertures 9
des cloisons creuses 6 pour y injecter le combustible ;
C) Une zone de soufflage ou de refroidissement naturel
comportant :
- une rampe dite de point zéro 17, s'étendant au-dessus de
la chambre 2 immédiatement en amont de celle en dessous de
la rampe de chauffage 16 la plus en amont, et équipée de
capteurs de pression pour mesurer la pression régnant dans
chacune des cloisons creuses 6 de cette chambre 2, afin de
pouvoir régler cette pression comme indiqué ci-après, et
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- une rampe de soufflage 18, équipée de moto ventilateurs
munis d'un dispositif permettant le réglage du débit d'air
ambiant insufflé dans chacune des cloisons creuses 6 d'une
chambre 2 en amont de celle située sous la rampe de point
zéro 17, de sorte que les débits d'air ambiant insufflés dans
ces cloisons creuses 6 peuvent être régulées de sorte à obtenir
une pression voulue (légère surpression ou légère dépression)
au niveau de la rampe de point zéro 17 ;
D) Une zone de refroidissement forcé, qui s'étend sur trois
chambres 2 en amont de la rampe de soufflage 18, et qui comporte,
dans cet exemple, deux rampes de refroidissement 19 parallèles,
chacune équipée de moto ventilateurs et de pipes de soufflage insufflant
de l'air ambiant dans les cloisons creuses 6 de la chambre 2
correspondante ; et
E) Une zone de travail, s'étendant en amont des rampes de
refroidissement 19 et permettant l'enfournement et le défournement des
anodes 5, et l'entretien des chambres 2.
Le chauffage du four 1 est ainsi assuré par les rampes de chauffage
16, dont les injecteurs des brûleurs sont introduits, via les ouvertures 9,
dans les cloisons creuses 6 des chambres 2 concernées. En amont des
rampes de chauffage 16 (par rapport au sens d'avancement du feu et au
sens de circulation de l'air et des gaz et fumées de combustion dans les
lignes de cloisons creuses 6), la rampe de soufflage 18 et la ou les
rampe(s) de refroidissement 19 comportent des pipes d'insufflation d'air
de combustion alimentées par des moto ventilateurs, ces pipes étant
connectées, via les ouvertures 9, aux cloisons creuses 6 des chambres
2 concernées. En aval des rampes de chauffage 16, on dispose de la
rampe d'aspiration 11 pour extraire les gaz et fumées de combustion,
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désignés dans leur ensemble par les termes fumées de combustion ,
qui circulent dans les lignes de cloisons creuses 6.
Le chauffage et la cuisson des anodes 5 sont assurés à la fois par
la combustion du combustible (gazeux ou liquide) injecté, de manière
contrôlée, par les rampes de chauffage 16, et, dans une mesure
sensiblement égale, par la combustion de matières volatiles (telles que
des hydrocarbures aromatiques polycycliques) du brai diffusées par les
anodes 5 dans les alvéoles 4 des chambres 2 en zones de préchauffage
et chauffage, ces matières volatiles, en grande partie combustible,
diffusées dans les alvéoles 4 pouvant s'écouler dans les deux cloisons
creuses 6 adjacentes par des passages ménagés dans ces cloisons,
pour s'enflammer dans ces deux cloisons, grâce à de l'air comburant
résiduel présent, à ce niveau, parmi les fumées de combustion dans ces
cloisons creuses 6.
Ainsi, la circulation de l'air et des fumées de combustion s'effectue
le long des lignes de cloisons creuses 6, et une dépression, imposée en
aval de la zone de chauffage B par la rampe d'aspiration 11 à l'extrémité
aval de la zone de préchauffage A, permet de contrôler le débit des
fumées de combustion à l'intérieur des cloisons creuses 6, tandis que
l'air provenant des zones de refroidissement C et D, grâce aux rampes
de refroidissement 19 et surtout à la rampe de soufflage 18, est
préchauffé dans les cloisons creuses 6, en refroidissant les anodes 5
cuites dans les alvéoles 4 adjacents, au cours de son trajet et sert de
comburant lorsqu'il parvient dans la zone de chauffage B.
Au fur et à mesure que la cuisson des anodes 5 se produit, on fait
avancer cycliquement (par exemples toutes les 24 heures environ) d'une
chambre 2 l'ensemble des rampes 11 à 19 et les équipements et
appareillages de mesures et d'enregistrement associés, chaque
chambre 2 assurant ainsi, successivement, en amont de la zone de
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préchauffage A, une fonction de chargement des blocs carbonés crus 5,
puis, dans la zone de préchauffage A, une fonction de préchauffage
naturel par les fumées de combustion du combustible et des vapeurs de
brai qui quittent les alvéoles 4 en pénétrant dans les cloisons creuses 6,
compte tenu de la dépression dans les cloisons creuses 6 des
chambres 2 en zone de préchauffage A, puis, dans la zone de chauffage
B ou de cuisson, une fonction de chauffage des blocs 5 à environ
1100 C, et enfin, dans les zones de refroidissement C et D, une fonction
de refroidissement des blocs cuits 5 par l'air ambiant et, corrélativement,
de préchauffage de cet air constituant le comburant du four 1, la zone de
refroidissement forcé D étant suivie, dans le sens opposé au sens
d'avancement du feu et de circulation des fumées de combustion, d'une
zone E de déchargement des blocs carbonés 5 refroidis, puis
éventuellement de chargement des blocs carbonés crus dans les
alvéoles 4.
Le procédé de régulation du FAC 1 comprend essentiellement la
régulation en température et/ou en pression des zones de préchauffage
A, chauffage B et soufflage ou refroidissement naturel C du four 1 en
fonction de lois de consignes prédéfinies.
Les fumées de combustion extraites des feux par les rampes
d'aspiration 11 sont collectées dans un conduit des fumées 20, par
exemple un conduit cylindrique partiellement représenté sur la figure 2,
avec un carneau des fumées 21 pouvant avoir une forme en plan en U
(voir en pointillés sur la figure 1) ou pouvant faire le tour du four, et dont
la sortie 22 dirige les fumées de combustion aspirées et collectées vers
un centre de traitement des fumées (CTF) non représenté car ne faisant
pas partie de l'invention.
Afin de conférer aux anodes (bloc carbonés) leurs caractéristiques
optimales, et donc principalement de garantir l'obtention d'une
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température finale de cuisson, la conduite actuelle des fours de ce type
privilégie l'alimentation en combustible (carburant liquide ou gazeux)
des rampes de chauffage 16 indépendamment des conditions de
dépression de tirage et des conditions aérauliques dans les cloisons 6,
d'où il peut résulter une combustion incomplète dans un nombre non
négligeable, voir élevé, des lignes de cloisons 6. Ceci a, à son tour, pour
conséquence des coûts de fonctionnement élevés du four, non
seulement en raison de la surconsommation en combustible, mais
également en raison de l'encrassement des gaines et conduits
d'aspiration qui mènent à la captation par les dépôts d'imbrûlés, dépôts
qui représentent de surcroit un risque potentiel d'inflammation et de
dérive du procédé de cuisson.
Le problème à la base de l'invention est, d'une manière générale,
d'améliorer l'optimisation en continu du fonctionnement de tels fours, afin
d'en réduire les coûts de fonctionnement et prévenir les risques
d'incendie et de dérive du procédé de cuisson, et, à cet effet, l'invention
propose un procédé ou une méthode de caractérisation de la
combustion dans des lignes de cloisons d'un four à chambres dit à
feu(x) tournant(s ) pour la cuisson de blocs carbonés, par analyse de la
valeur d'au moins un paramètre image de la teneur globale en imbrulés dans
les gaz de combustion et de l'air résiduel issus desdites lignes de cloisons
et
collectés dans une rampe d'aspiration dudit four, ledit four comportant une
succession de chambres de préchauffage, de chauffage, de refroidissement
naturel et de refroidissement forcé, disposées en série selon l'axe
longitudinal
du four, chaque chambre étant constituée par la juxtaposition,
transversalement audit axe longitudinal et en alternance, d'alvéoles dans
lesquels sont disposés des blocs carbonés à cuire et de cloisons chauffantes
creuses, en communication et alignées avec les cloisons des autres
chambres, parallèlement à l'axe longitudinal du four, en lignes de cloisons
dans lesquelles circulent de l'air de refroidissement et comburant et des gaz
de combustion, ladite rampe d'aspiration étant reliée à chacune des cloisons
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de la première chambre en préchauffage par l'une respectivement de pipes
d'aspiration, l'air comburant nécessaire étant en partie injecté par une rampe
de soufflage de la zone de refroidissement naturel, reliée à au moins un
ventilateur, et en partie infiltré par dépression à travers les lignes de
cloisons,
et le combustible nécessaire à la cuisson des blocs carbonés étant en partie
injecté par au moins deux rampes de chauffage s'étendant chacune sur l'une
respectivement d'au moins deux chambres adjacentes de la zone de
chauffage, et aptes à injecter chacune du combustible dans chacune des
cloisons de la chambre respective correspondante de la zone de chauffage, la
régulation de la combustion du four comprenant essentiellement une
régulation en température et/ou en pression des zones de préchauffage,
chauffage et refroidissement naturel, par ligne de cloisons, en fonction de
lois
de consignes prédéfinies en température et/ou en pression, et ladite méthode
de caractérisation de la combustion se caractérise en ce qu'elle comprend au
moins une étape de tests successifs d'arrêt total d'injection de combustible,
ligne de cloisons par ligne de cloisons, d'une durée suffisante pour que la
mesure dudit paramètre image de la teneur globale en imbrulés dans les gaz
de combustion se stabilise, et sans commander d'action sur les lignes de
cloisons autres que celle en test d'arrêt total d'injection pendant la durée
de ce
test, la caractérisation de la combustion étant basée sur le calcul de la
variation entre les mesures dudit paramètre image prises avant et après
l'arrêt
total d'injection dans chacune des lignes de cloisons testées, afin
d'identifier
une ou plusieurs lignes de cloisons en situation de combustion incomplète, si
ladite variation est supérieure à x % de la valeur dudit paramètre image au
début dudit test d'arrêt total d'injection, x % étant, de préférence, de
l'ordre de
5% à 10%, la valeur de x dépendant notamment du nombre de cloisons par
chambre, des valeurs de seuil de détection et de la précision de mesure d'au
moins un détecteur dudit paramètre image.
Ainsi, par un test d'arrêt total d'injection du combustible dans une ligne
de cloisons seulement pendant une durée suffisante pour stabiliser la mesure
du paramètre image, et sans rien modifier sur les autres lignes de cloisons,
on
peut, grâce au procédé de l'invention, identifier une ligne de cloisons
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fonctionnant en situation de combustion incomplète, sur laquelle des mesures
postérieures d'optimisation de la combustion pourront être prises.
Afin de limiter le nombre de tests d'arrêt d'injection et de permettre au
système d'identifier de manière plus rapide la ou les cloisons en situation de
combustion incomplète, la méthode selon l'invention comprend de plus au
moins une étape antérieure, dite de présélection des lignes de cloisons
susceptibles d'être dans une situation de combustion incomplète, et
permettant de limiter le nombre de tests d'arrêt d'injection, dans ladite
étape
de tests successifs d'arrêt total d'injection de combustible, aux seules
lignes
de cloisons présélectionnées, et consistant à calculer, pour chaque ligne de
cloisons de rang n, un ratio de combustion, égal au rapport de la quantité
d'air
comburant disponible à la quantité de combustible injecté dans ladite ligne de
cloisons de rang n, à définir empiriquement un rapport limite dit
stoechiométrique à partir de mesures dudit paramètre image de la teneur en
imbrulés dans les gaz de combustion collectés en sortie d'une ligne de
cloisons étalon, représentative du meilleur état des lignes de cloisons du
four,
et de sorte que ce rapport stoechiométrique corresponde à un seuil mesuré
dudit paramètre image en dessous duquel la combustion est considérée
comme incomplète, à comparer le ratio de combustion de toutes les lignes de
cloisons au rapport stoechiométrique, et à considérer comme incomplète la
combustion dans toute ligne de cloisons de rang n pour laquelle le ratio de
combustion correspondant est inférieur au rapport stoechiométrique.
Ainsi, l'identification des lignes de cloisons en situation de combustion
incomplète, grâce au test d'arrêt total d'injection, est avantageusement
précédée d'une présélection des lignes de cloisons susceptibles d'être dans
cette situation de combustion incomplète, grâce aux calculs, d'une part, du
ratio de combustion pour chacune de toutes les lignes de cloisons du four, et,
d'autre part, dudit rapport stoechiométrique, défini empiriquement à partir de
mesures du paramètre image dans une ligne de cloisons étalon, choisie
comme étant représentative du meilleur état des lignes de cloisons et enfin
par
la comparaison de chaque ratio de combustion au rapport stoechiométrique,
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pour en déduire quelle(s) est ou sont la ou les lignes de combustion, dans
laquelle ou lesquelles la combustion peut être considérée comme incomplète.
Dans un mode de mise en uvre avantageux de la méthode de
caractérisation de la combustion selon la présente demande, dans ladite étape
de présélection des lignes de cloisons en combustion incomplète, on peut
calculer le ratio de combustion (ROcIn) dans une ligne de cloisons de rang n
comme étant proportionnel à la racine carrée de la dépression statique de
tirage mesurée dans la zone de préchauffage pour ladite ligne de cloisons
considérée, et inversement proportionnel à la somme des puissances
d'injection de combustible des injecteurs des rampes de chauffage opérant sur
la même ligne de cloisons de rang n.
En particulier, lors de cette étape de présélection, le ratio de combustion
de la ligne de cloisons de rang n peut être aisément calculé en appliquant la
formule suivante :
(1) RCcin 10 x ¨ x( N )
InjHRi
,=1
où P1 et P7 sont les pressions mesurées dans les cloisons de rang n des
chambres en communication respectivement avec la rampe d'aspiration et la
rampe dite de point zéro dans la zone de refroidissement naturel, N est le
nombre de rampes de chauffage, en général égal à 2 ou 3, et InjHRi est la
puissance d'injection totale dans la cloison de rang n des injecteurs de la
rampe de chauffage de rang i, où i varie de 1 à N.
Avantageusement, de plus, dans la méthode de caractérisation
selon la présente demande, l'étape de présélection des lignes de
cloisons en combustion incomplète p;eut également comprendre une
étape qui consiste à classer les lignes de cloisons en combustion incomplète
dans l'ordre allant de celle où la combustion est la plus incomplète à celle
où la
combustion est la moins incomplète, en appliquant un système de notation des
lignes de cloisons selon lequel on attribue à toute ligne de cloisons de rang
n
une note de classement NCcin donnée par la formule suivante :
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12
(2) NCein = 20 ¨ 10 ( Cd" ) .
RS
En outre, afin d'en tirer rapidement une information de présélection
facile à utiliser, on peut effectuer l'étape de classement des lignes de
cloisons en considérant avantageusement que, pour une ligne de cloisons
de rang n en bon état, la combustion est complète si NCc1n<10, la combustion
est incomplète si 1 O<NCcin <12, et la combustion est très incomplète, et donc
critique, si NCcin)12.
Pour assurer une mise en oeuvre de cette méthode de caractérisation
qui est avantageuse au plan de la simplicité des moyens de détection et
du traitement des signaux fournis par ces moyens, on choisit, comme
paramètre image de la teneur globale en imbrulés dans les gaz de
combustion, la teneur en monoxyde de carbone (CO), qui est mesurée, pour
déterminer ledit rapport stoechiométrique, dans la pipe d'aspiration de ladite
rampe d'aspiration qui est reliée à la cloison de la ligne de cloisons étalon
dans la première chambre de préchauffage, ledit seuil de ce paramètre image
auquel correspond le rapport stoechiométrique étant d'environ 500 ppm de CO
mesuré à ladite pipe d'aspiration, ce qui correspond, dans les conditions
standards de fonctionnement de ce type de four, à un niveau de 1000 ppm de
CO au point de combustion.
Ainsi, comme un détecteur de monoxyde de carbone peut déjà être
présent, dans de tels fours de l'état de la technique, dans les collecteurs de
la
rampe d'aspiration, le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre sans
qu'il
soit nécessaire d'implanter un appareillage de détection et/ou de mesure
spécifique, mais uniquement en utilisant des données de mesures déjà
disponibles, car fournies par des capteurs d'une instrumentation de détection
déjà implantée sur de tels fours, la mise en oeuvre du procédé de l'invention
s'effectuant uniquement grâce à un module logiciel qui peut simplement et
facilement être intégré aux programmes actuels de conduite de tels fours.
En outre, la méthode selon la présente demande peut être complétée par
le fait qu'après les étapes de caractérisation permettant d'identifier et de
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sélectionner les lignes de cloisons en combustion incomplète, on peut mettre
en oeuvre au moins une étape postérieure dite d'optimisation de la
combustion.
Avantageusement, une telle optimisation de la combustion peut consister à
modifier automatiquement des paramètres de régulation dans les zones de
préchauffage, chauffage et/ou refroidissement naturel du four, afin
d'équilibrer
le rapport stoechiométrique RS air comburant sur combustible, dans le but de
recouvrer une situation de combustion complète, qui peut être définie
simplement par le passage de la valeur dudit paramètre image sous un seuil
paramétrable.
Mais, que cette étape d'optimisation soit conduite comme précisé au
paragraphe précédent, ou d'une toute autre manière, la méthode de la
présente demande peut être avantageusement telle que, suite à ladite
étape d'optimisation, au moins une étape complémentaire de
caractérisation de la combustion telle que définie ci-dessus, dans les
lignes de cloisons non présélectionnées, de la manière également
indiquée ci-dessus, parmi les lignes de cloisons supposées en
combustion incomplète, est activée si au moins une étape d'optimisation
de la combustion telle qu'évoquée ci-dessus n'a pas permis de recouvrer
une situation de combustion complète.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la
description donnée ci-après, à titre non limitatif, en référence aux
dessins annexés sur lesquels :
- les figures 1 et 2, déjà décrites ci-dessus, sont respectivement
une
vue schématisée en plan de la structure d'un four à deux feux
tournants et chambres ouvertes, et une vue partielle en
perspective et coupe transversale avec arrachement représentant
la structure interne d'un tel four,
- la figure 3 est un graphique double représentant l'évolution,
d'une
part, du CO mesuré (en ppm) et, d'autre part, du pourcentage
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d'oxygène résiduel dans les fumées collectées à la pipe
d'aspiration d'une même ligne de cloisons, en fonction de la
puissance d'injection totale, dans la ligne de cloisons, exprimée en
pourcentage de la puissance maximum installée, selon trois
valeurs différentes de la dépression statique de tirage mesurées
au niveau de la rampe de mesure de préchauffage associée à la
première chambre de préchauffage du four ;
- la figure 4 est une courbe de caractérisation de la combustion
dans une ligne de cloisons de rang n, indiquant la teneur en CO
mesurée (en ppm) par ligne de cloisons en fonction du rapport de
combustion RCcin ;
- la figure 5 est un diagramme représentant, en abscisse, la
notation de la combustion dans une ligne de cloisons de rang n
par la note NCch, résultant de la mise en oeuvre du système de
classification de la combustion selon la présente demande, alors
que la teneur en CO mesurée (en ppm) par ligne de cloisons dans
la pipe d'aspiration correspondante est représentée en ordonnées,
et
- la figure 6 est un diagramme correspondant à un exemple de test
d'arrêt total d'injection de combustible successivement dans trois
lignes de cloisons a, p, et y, et représentant, en ordonnées, la
valeur de la teneur en CO globale mesurée (en ppm) dans la
rampe d'aspiration en fonction du temps (exprimé en minute), et
faisant apparaitre, pour la première ligne de cloisons a testée, une
réduction de la teneur en CO globale mesurée, due au test,
supérieure à un seuil indicatif d'un état de combustion incomplète
dans cette ligne de cloisons a.
Le procédé de l'invention concerne une boucle de caractérisation de
la combustion dans les lignes de cloisons 6 du four 1 par analyse de la
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teneur globale en monoxyde de carbone (CO), ou de tout autre
paramètre image de la teneur en imbrulés, dans les fumées collectées à
la rampe d'aspiration 11 d'un feu du four 1, où cette teneur globale en
CO est mesurée par l'analyseur-détecteur de CO 14 dans le collecteur
de la rampe d'aspiration 11 (voir figure 2), et la méthode de
caractérisation de la combustion dans les lignes de cloisons 6 comporte
une première étape d'estimation de la qualité de combustion dans
chacune des lignes de cloisons 6 et de présélection de lignes de
cloisons estimées en état de combustion incomplète, puis de classement
des lignes de cloisons en utilisant un système de notation, permettant de
sélectionner des lignes de cloisons considérées en combustion
incomplète, et défini en fonction du rapport de l'air comburant au
combustible disponibles dans chaque ligne de cloisons 6 et d'un rapport
stoechiométrique RS défini empiriquement par mesures dans une ligne de
cloisons 6 étalon, représentative du meilleur état des lignes de cloisons du
four.
Cette première étape de la méthode de caractérisation de la combustion
permet de présélectionner des lignes de cloisons 6 qui sont estimées en
combustion incomplète si leur rapport dit de combustion RC, qui est le rapport
de l'air comburant au carburant disponibles pour chaque ligne de cloisons 6
considérée, est inférieur au rapport stoechiométrique RS présenté ci-dessus.
Cette étape de présélection des lignes de cloisons estimées en
combustion incomplète est immédiatement suivie d'une étape de sélection des
lignes de cloisons 6 considérées en combustion incomplète par classement,
selon un système de notation de la qualité de combustion dans les lignes de
cloisons qui est basé, comme déjà dit, sur le principe de la stoechiométrie du
rapport de la quantité d'air comburant à la quantité de combustible
disponibles
dans chaque ligne de cloisons.
En effet, la quantité maximale de combustible que l'on peut injecter à un
instant donné dans une ligne de cloisons 6 dépend du débit d'air dans cette
ligne de cloisons, ou du niveau de dépression statique mesuré dans cette ligne
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de cloisons au même instant. En deçà du rapport stoechiométrique, la
combustion est incomplète, et une partie des combustibles en présence dans
la ligne de cloisons ne brûle plus complètement, donnant naissance à la
formation de monoxyde de carbone (CO).
Ce phénomène de seuil est mieux perçu par la considération de la
figure 3, représentant, par 3 courbes continues, la teneur de CO mesurée en
ppm par un analyseur de CO 14 dans la pipe d'aspiration 11a (voir figure 2)
d'une ligne de cloisons considérée, en fonction de la quantité de combustible
injectée, exprimée en puissance d'injection totale dans ladite ligne de
cloisons
considérée, et évaluée en pourcentage de la puissance maximum installée, les
trois courbes continues de mesures du CO étant établies chacune pour l'une
respectivement de trois dépressions statiques de tirage différentes dans la
ligne de cloisons considérée et correspondant respectivement à trois courbes
en traits mixtes indicatives du pourcentage d'oxygène résiduel dans les gaz de
fumées collectés dans la pipe d'aspiration de 11a de la rampe d'aspiration 11
considérée, ces trois dépressions statiques différentes étant mesurées par la
rampe de préchauffage 15, au niveau de la première chambre 2 de
préchauffage.
Ainsi, les courbes 23, 24 et 25 de la teneur en CO mesurées (en ppm) à
ladite pipe d'aspiration 11a en faisant varier la puissance d'injection totale
de
10% à environ 30% de la puissance maximum installée, avec une dépression
statique de tirage respectivement de -140 Pa, - 120 Pa et -70 Pa,
correspondent respectivement aux courbes en traits mixtes 26, 27 et 28
indiquant la variation correspondante (en réduction continue) du pourcentage
d'oxygène résiduel, comme indiqué sur l'axe des ordonnées de droite de la
figure 3, respectivement pour les mêmes dépressions de tirage.
On remarque que, pour une puissance d'injection totale dans une ligne
de cloisons 6 comprise entre 10% et 15% de la puissance maximum installée,
les courbes du CO mesuré 23, 24 et 25 à la pipe d'aspiration 11a de la dite
ligne de cloisons 6 sont peu différentes l'une de l'autre, et indiquent de
faibles
teneurs en CO (sensiblement inférieures à 500 ppm), correspondant à une
combustion considérée comme complète, tandis que pour des valeurs de la
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puissance d'injection totale supérieures à 15% de la puissance maximum
installée, les trois courbes de mesure du CO 23, 24 et 25 divergent l'une de
l'autre avec des pentes d'abord progressivement croissantes puis
sensiblement constantes, mais d'autant plus importantes que la dépression de
tirage est faible en valeur absolue. De plus, pour une puissance d'injection
totale par ligne de cloisons supérieure à environ 25% de la puissance
maximum installée, les trois courbes de mesure du CO 23, 24 et 25 donnent
des résultats supérieurs à 1000 ppm, ce qui correspond à une combustion
d'autant plus incomplète que la dépression de tirage est faible en valeur
absolue. Simultanément, les courbes 26, 27 et 28 indiquant la variation du
pourcentage d'oxygène résiduel sont décroissantes avec une pente négative
sensiblement constante et peu différente d'une courbe à l'autre.
En se basant sur cette constatation, on définit, pour chaque ligne de
cloisons 6 de rang n, un ratio de combustion RCcin qui donne le rapport de la
quantité de combustible injecté dans ladite ligne de cloisons de rang n à la
quantité d'air comburant disponible dans cette même ligne de cloisons de rang
n. La quantité d'air comburant disponible dans la ligne de cloisons de rang n
correspond au débit d'air dans cette ligne de cloisons de rang n, qui peut
être
estimé par le calcul de la racine carrée de la dépression statique de tirage
dans cette ligne de cloisons de rang n, mesurée dans la zone de préchauffage
A par la rampe de mesure de préchauffage 15 (voir figure 1).
La quantité de combustible injectée dans la même ligne de cloisons de
rang n peut être directement obtenue par sommation des puissances des
injecteurs qui opèrent sur cette même ligne de cloisons.
Ainsi, la formule (1) exprimant le rapport ou ratio de combustion de cette
ligne de cloisons de rang n, soit RCcln, peut être la suivante :
(1) RCcin 10 x I ¨ x( N ) ;
Inj H Ri
.1
où P1 et P7 sont les pressions mesurées dans la ligne de cloisons de
rang n au niveau des chambres 2 en communication respectivement
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. .
18
avec la rampe d'aspiration 11 pour Pi, dans la zone de préchauffage A,
et avec la rampe de point 0 17 dans la zone de refroidissement
naturel C, et où N est le nombre de rampes de chauffage 16, en général
égal à 2 ou 3, et InjHRi est la somme des puissances d'injection des
injecteurs de la rampe de chauffage 16 de rang i où i varie de 1 à N (2
ou 3) dans la ligne de cloison de rang n. On note de plus que chaque
rampe de chauffage 16 comporte généralement deux injecteurs par
cloison 6 de la même chambre 2 correspondante, de sorte que si N = 3,
comme dans l'exemple de la figure 1 (avec trois rampes de chauffage
16), une ligne de cloisons de rang n est alimentée en combustible par
six injecteurs. Ainsi, le rapport de combustion RCcIn dans une ligne de
cloisons de rang n est proportionnel à la racine carrée de la dépression
statique de tirage mesurée dans la zone de préchauffage A pour cette
ligne de cloisons 6 considérée et inversement proportionnel à la somme
des puissances d'injection de combustible des injecteurs des rampes de
chauffage 16 opérant sur cette même ligne de cloisons 6 de rang n.
La figure 4 représente, pour cette ligne de cloisons 6 de rang n,
une zone hachurée et cintrée 29, qui correspond à l'enveloppe des
différents points de mesure du CO mesuré en ppm à la pipe d'aspiration
lla correspondante en fonction de la variation du rapport de combustion
correspondant RCcIn. La valeur seuil de RC en deçà de laquelle la
combustion est estimé incomplète, c'est-à-dire la valeur dudit rapport
stoechiométrique RS, est définie de manière empirique par observation de la
valeur du CO dans une ligne de cloisons représentative du meilleur état des
cloisons du four.
Au delà d'une valeur de 1000 ppm de CO non dilué, qui correspond
approximativement à une valeur de 500 ppm mesurée au détecteur de CO 14
dans la pipe d'aspiration 11a (figure 2) compte tenu de la dilution dans le
four
1, la combustion est considérée incomplète.
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. .
19
Sur la figure 4, le seuil de combustion incomplète est donc indiqué à
500 ppm de CO mesuré, ce qui correspond à une valeur du rapport
stoechiométrique RS d'environ 6, à l'intersection de la zone hachurée 29 de
l'enveloppe des points de mesure du CO mesuré et du seuil de combustion
incomplète de 500 ppm.
On réalise ainsi une présélection des lignes de cloisons 6 susceptibles
d'être dans une situation de combustion incomplète, étant encore précisé que
la teneur en CO, choisie dans cet exemple de réalisation comme paramètre
image de la teneur globale en imbrulés dans les gaz de combustion, est
mesurée, pour déterminer le rapport stoechiométrique RS, dans celle des
pipes d'aspiration 11a de la rampe d'aspiration 11 qui est reliée à celle des
cloisons 6 qui se trouve à l'intersection de la ligne de cloisons étalon et de
la
première chambre 2 de préchauffage, le seuil de la teneur en CO auquel
correspond le rapport stoechiométrique RS étant d'environ 500 ppm de CO
mesuré à cette pipe d'aspiration 11a, ce qui correspond, dans des conditions
standards de fonctionnement de ce type de four 1, à un niveau de 1000 ppm
de CO au point de combustion.
Du calcul du rapport de combustion RCcln, on déduit également, au
moins pour les lignes de cloisons 6 estimées en combustion incomplète par
comparaison de leur rapport de combustion RCcIn avec le rapport
stoechiométrique RS, mais de préférence pour toutes les lignes de cloisons 6
du four 1, une note permettant de classer les lignes de cloisons par ordre
décroissant de celle ayant la combustion la plus incomplète à celle ayant la
combustion la moins incomplète, voire la plus complète si toutes les lignes de
cloisons sont notées, par exemple par un système de notation de 0 à 20, défini
de telle sorte qu'au-delà de la valeur 10, la limite stoechiométrique est
dépassée et la combustion est considérée comme incomplète dans la ligne de
cloisons correspondante.
A titre d'exemple, un classement des lignes de cloisons
présélectionnées comme étant en combustion incomplète de la manière
décrite ci-dessus, consiste à classer ces lignes de cloisons dans l'ordre
allant
de celle où la combustion est la plus incomplète à celle où la combustion est
la
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moins incomplète en appliquant le système de notation des lignes de cloisons
selon lequel on attribue à toute ligne de cloisons 6 de rang n une note de
classement NCcIn donnée par la formule (2) suivante :
(2) NCcir, = 20 ¨ 10 ( RC`In ) ,
RS
où RCcIn et RS sont les rapports précédemment définis, à savoir
respectivement le rapport de combustion dans la cloison de rang n et le
rapport stoechiométrique.
Les lignes de cloisons ayant été notées de 0 à 20, en fonction de leur rapport
respectif RCcnI/RS, on considère que si la note de combustion NCcIn est
inférieure à 10, la combustion est complète, tandis que si cette note de
combustion NCcIn est comprise entre 10 et 12, la combustion est incomplète,
cette combustion étant même très incomplète, et donc critique, si la note
NCcIn est supérieure à 12.
Le résultat d'une telle notation est représenté, à titre d'exemple, sur la
figure 5, sur laquelle les notes NCcIn sont indiquées par des points ronds sur
une courbe continue qui traverse trois zones rectangulaires hachurées, dont
l'une 30 s'étend entre les notes 0 et 10 en abscisse et entre 0 et le seuil de
combustion incomplète de 500 ppm de CO mesuré, pour les lignes de cloisons
en combustion complète, dont une deuxième zone 31 s'étend en abscisse
entre les notes 10 et 12 et en ordonnée entre les valeurs de 500 et 1000 ppm
de CO mesuré, pour une ou des ligne(s) de cloisons en combustion
incomplète, et enfin dont la troisième zone 32 s'étend pour les notes
supérieures à 12 en abscisse et un CO mesuré supérieur à 1000 ppm en
ordonnée, pour toute ligne de cloisons en combustion très incomplète et donc
critique.
Par une telle notation, on sélectionne ainsi les lignes de closions
considérées en combustion incomplète, comme ayant une note supérieure à
10, que l'on soumet ensuite chacune à une étape d'identification des lignes de
cloisons en combustion incomplète, à l'aide d'un test d'arrêt total
d'injection du
combustible pendant une durée déterminée et en succession sur les lignes de
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=
21
cloisons sélectionnées, en commençant par celle ayant la note la plus élevée
et en effectuant le test successivement sur les lignes de cloisons dont les
notes de combustion sont par ordre décroissant.
La figure 6 représente schématiquement le déroulement du test d'arrêt
total d'injection de combustible successivement sur trois lignes de cloisons
de
rang a, 13 et y, dont les notes de combustion NC sont progressivement
décroissantes. Sur la figure 6, on a représenté en ordonnée la teneur en CO
globale mesurée en ppm dans le collecteur de la rampe d'aspiration 11 par le
détecteur de CO 14 (voir figure 2), et, en abscisse, on a indiqué le temps en
minute. La courbe 33 représente l'évolution dans le temps de la teneur en CO
globale mesurée dans le collecteur de la rampe d'aspiration 11,. A l'instant
t1,
on commande sur la ligne de cloisons 6 de rang a l'arrêt total de
l'alimentation
en carburant des injecteurs des rampes de chauffage 16 opérant sur cette
ligne de cloisons ci, par une coupure quasi instantanée, à partir d'une valeur
initiale (pour le test d'arrêt total) de débit d'injection de carburant
jusqu'à un
débit nul, ce qui correspond au côté gauche avec flèche descendante du
rectangle ci , symbolisant la commande d'alimentation des injecteurs de
carburant de cette ligne de cloisons a pendant ce test d'arrêt total
d'injection.
L'injection est arrêtée pendant un intervalle de temps t1 t2 suffisant pour
que la
mesure de la teneur en CO se stabilise avant l'instant t2 de la fin de la
coupure
totale d'injection. La courbe 33 de la teneur en CO marque une chute jusqu'à
une valeur stabilisée de, par exemple, 500 ppm au cours de l'intervalle t1 t2,
de sorte qu'il est possible de mesurer la valeur ACO correspondant à la
différence entre la valeur initiale à l'instant t1 et la valeur finale à
l'instant t2 de
la teneur en CO du fait de cette interruption d'alimentation. Puis, à
l'instant t2,
l'alimentation en combustible de cette ligne de cloisons a est rétablie à sa
valeur initiale, comme symbolisé sur le côté droit du rectangle a de la
figure 6, par la flèche montante. Puis il s'écoule un intervalle de temps t2
t3,
d'une durée légèrement supérieure ou sensiblement égale à l'intervalle t1 t2,
lui-même de l'ordre de 2 minutes, pour commencer à l'instant t3, le même test
d'arrêt total d'injection de combustible sur la ligne de cloisons de rang 13,
sachant que, pendant l'exécution d'un test d'arrêt total sur une ligne de
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22
cloisons particulière, aucune modification n'est commandée sur le déroulement
du processus de cuisson dans toutes les autres lignes de cloisons. La durée
du second test, sur la ligne de cloisons 13, correspondant à l'intervalle t3
t4, est
la même que la durée tl t2, et la courbe 33 de la teneur en CO, qui est
revenue, après la fin du test sur la ligne de cloisons ci, à un niveau normal,
ne
marque, en conséquence du test sur la ligne de cloisons 13, qu'une diminution
limitée de la teneur de CO mesurée suite à l'arrêt total d'injection dans la
ligne
de cloisons [3 pendant l'intervalle t3 t4. Il en est de même pour le troisième
test
d'arrêt total d'injection, conduit sur la ligne de cloisons y pendant
l'intervalle de
temps t5 t6, d'une même durée d'environ 2 min que les durées des autres
tests tl t2 et t3 t4, de sorte qu'à chaque fois, la mesure de la teneur en CO
pendant chaque test peut se stabiliser suite à cette coupure d'injection de
carburant, et qu'elle peut à nouveau se stabiliser suite à la fin de la
coupure de
l'alimentation en carburant, pendant l'intervalle de temps séparant deux tests
successifs.
Pour chaque test, la réduction de la teneur en CO qui en découle, ACO,
est comparée à un pourcentage X de la valeur initiale de la teneur en CO au
début de ce test, C0i, et, comme cela est le cas pour la ligne de cloisons ci,
si
ACO est supérieur à X% de C0i, la ligne de cloisons ci est identifiée comme
étant en combustion incomplète, ce qui n'est pas le cas des lignes de cloisons
13 et y, si l'on considère la courbe 33 de la figure 6.
Le test d'arrêt total d'injection de combustible est donc mené, ligne de
cloisons par ligne de cloisons, sur les lignes de cloisons préalablement
sélectionnées par leur notation de combustion NC. Il est essentiel qu'aucune
action ne soit commandée sur les lignes de cloisons 6 autres que celle en test
d'arrêt total d'injection, pendant la durée complète de ce test, afin de ne
pas
perturber la caractérisation de la combustion. Cette caractérisation dépend en
effet du calcul de la variation de la teneur en CO mesurée entre l'instant
initial
du test et l'instant final, en notant que les mesures de teneur en CO restent
toujours globales. L'inflexion brutale vers le bas puis la remontée de la
courbe
33 sur la figure 6 traduisent donc bien l'incidence de l'arrêt total
d'injection de
combustible dans la ligne de cloisons ci sur la teneur en CO dans le
collecteur
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. .
23
de la rampe d'admission 11, qui prend donc en compte les gaz de fumées
extraits de toutes les lignes de cloisons du four.
Concernant le seuil de X % de la valeur de la teneur en COi au début de
chaque test d'arrêt total d'injection, cette valeur de X dépend notamment du
nombre de cloisons 6 par chambre 2 du four, ainsi que de la précision de
mesure et des valeurs de seuil de détection du détecteur de CO 14, en
particulier. En général, X 'Vo est choisi dans une plage de 5% à 10%.
Typiquement, pour un four 1 à 9 cloisons 6 par chambre 2, le système de
caractérisation mettant en oeuvre le procédé de l'invention doit pouvoir
détecter au moins une cloison de rang n parmi 9 cloisons 6 où la combustion
tend à devenir incomplète. Si l'on considère que les débits circulant dans
chaque ligne de cloisons, et donc dans chaque cloison, sont équivalents, la
baisse de la teneur en CO consécutive à l'arrêt de l'injection de combustible
dans la cloison de rang n sera d'au moins égale à ACOn = 500 ppm/9 = 56
ppm, du fait de la dilution, soit environ X = 10% de la teneur en CO mesurée
au collecteur de la rampe d'aspiration 11, où cette teneur est égale à au
moins
500 ppm.
Après avoir ainsi sélectionné les lignes de cloisons considérées en
combustion incomplète, à l'aide du rapport stoechiométrique RS, des rapports
de combustion RC des lignes de cloisons, de la comparaison des rapports de
combustion au rapport stoechiométrique, et de l'attribution de notes de
combustion NC aux lignes de cloisons, puis après l'identification des lignes
de
cloisons en combustion incomplète par le test d'arrêt total d'injection de
combustible, au moins une étape postérieure, dite d'optimisation de la
combustion, peut être mise en oeuvre.
Une telle étape peut consister à modifier, de préférence
automatiquement, des paramètres de régulation dans l'une au moins des
zones de refroidissement naturel C, chauffage B et préchauffage A, afin,
autant que possible, d'équilibrer les rapports de combustion sur le rapport
stoechiométrique air comburant sur combustible, pour recouvrer une situation
de combustion complète dans un nombre aussi élevé que possible des lignes
de cloisons, ce passage à une situation de combustion complète pouvant être
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défini par le passage de la valeur mesurée de la teneur en CO, ou par le
passage de la valeur d'au moins un autre paramètre image de la teneur
globale en imbrûlé dans les gaz de combustion, sous un seuil paramétrable.
Mais, si la ou les étapes d'optimisation de la combustion, telles que
présentées d'une manière générale ci-dessus, n'a ou n'ont pas permis de
recouvrer une situation de combustion complète pour l'ensemble des lignes de
cloisons du four 1, alors la méthode selon la présente demande propose au
moins une étape complémentaire de caractérisation de la combustion, qui
s'effectue par l'application du test d'arrêt total d'injection sur celles des
lignes
de cloisons n'ayant pas été présélectionnées, conformément à la méthode
selon la demande, parmi les lignes de cloisons supposées en combustion
incomplète, du seul fait que leur rapport de combustion RC a été calculé
inférieur au rapport stoechiométrique RS. De plus, cette étape complémentaire
de caractérisation permet d'identifier des cloisons dont les conditions
stoechiométriques sont satisfaisantes, ayant une notation de combustion NC
inférieure à 10, dans l'exemple de système de notation précédemment décrit,
mais dont les conditions physiques génèrent des problèmes de combustion, du
fait que des cloisons sont déformées, pincées ou bouchées plus ou moins
complètement.
