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DESCRIPTION
TITRE : SECTION DE PRECHAUFFAGE A FLAMME DIRECTE POUR
LIGNE CONTINUE DE TRAITEMENT DE BANDES METALLIQUES
Désignation du domaine technique concerné
L'invention se rapporte aux lignes continues horizontales ou
verticales de recuit ou de galvanisation de bandes métalliques, et plus
particulièrement aux sections verticales de préchauffage à flamme
directe de ces lignes, parfois appelées sections NOF , NOF étant
l'abréviation de l'anglais Non Oxydizing Furnace , ou Four non
oxydant, ou section DFF , DFF étant l'abréviation de l'anglais
Direct Firing Furnace , ou Four à feu direct.
L'invention vise à ce que la section de préchauffage permette de
réaliser un préchauffage efficace de la bande avec une bonne
homogénéité de température et d'état de surface sur la largeur de
bande. Elle vise également à éviter ou à contrôler l'interaction entre les
réactifs de combustion et la surface de la bande, tout en limitant les
rejets atmosphériques.
Problèmes techniques auxquels répond l'invention
Une section de préchauffage à flamme directe est disposée
généralement à l'entrée d'un four d'une ligne de galvanisation à chaud
au trempé ou d'une ligne de recuit.
En se reportant au schéma de la figure 1 des dessins annexés,
on peut voir schématiquement et partiellement représentée, une ligne
de galvanisation selon l'état de la technique, et plus précisément à four
vertical. Depuis l'entrée de la ligne, selon le sens de déplacement de la
bande, nous trouvons une section 1 de préchauffage à flamme directe,
une section 2 de chauffage à tubes radiants, une section 3 de maintien
à tubes radiants, une section 4 de refroidissement lent, une section 5
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de refroidissement rapide, une section 6 de vieillissement, une
section 7 de sortie de four et une section 8 de revêtement.
La section de préchauffage à flamme directe a les fonctionnalités
principales suivantes :
. Chauffer la bande de la température ambiante à une température
souhaitée, par exemple variant de 500 C à 750 C pour de l'acier,
selon sa nuance.
. Eliminer l'huile introduite par le procédé de laminage à froid et les
fines d'oxyde formées pendant ou après le laminage à froid présentes
sur la bande.
. Préparer la surface de la bande pour le procédé de revêtement en
éliminant les oxydes présents en surface.
La section de préchauffage à flamme directe comprend deux
zones : une zone active où sont installés les brûleurs qui permettent de
chauffer la bande à la température définie par le cycle thermique, et une
zone récupérative où la bande est préchauffée à une température
inférieure à 250 G pour éviter son oxydation, et ceci en épuisant la
chaleur contenue dans les fumées provenant de la zone active.
En se reportant au schéma de la figure 2 des dessins annexés,
on peut voir un agrandissement de la section de préchauffage de la
figure 1. Dans le sens de déplacement de la bande, elle comprend un
sas 10 d'entrée assurant une séparation d'atmosphères entre l'air
ambiant et l'atmosphère présente à l'intérieur du four.
Il est suivi par une zone 11 verticale récupérative dans laquelle
la bande est préchauffée par les fumées de combustion. Dans cette,
zone comme dans l'ensemble de la section de préchauffage, les fumées
circulent en sens inverse de la bande. Au voisinage de l'entrée de la
zone récupérative, à proximité du sas 10 de séparation d'atmosphères,
une sortie 12 permet de conduire les fumées vers une zone
complémentaire de récupération d'énergie non représentée, extérieure
à la section de préchauffage, au moyen d'un exhausteur également non
représenté. Les fumées sortent de la section de préchauffage à une
température généralement comprise entre 700 G et 900 C.
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La zone complémentaire de récupération d'énergie permet
d'épuiser davantage les fumées en abaissant encore leur température.
Elle peut comprendre un échangeur de chaleur permettant de transférer
de l'énergie calorifique des fumées vers un autre fluide, par exemple de
l'air utilisé pour alimenter les brûleurs de la section de préchauffage et
limiter ainsi la consommation en combustible.
La section de préchauffage à flamme directe peut être
horizontale ou verticale, selon que la bande circule dans celle-ci
horizontalement ou verticalement. Sur une ligne verticale, la section de
préchauffage est toujours verticale. Sur une ligne horizontale, la section
de préchauffage est généralement horizontale, mais elle peut
également être verticale, notamment pour limiter la longueur de la ligne.
Dans une section de préchauffage horizontale, la zone active et
la zone récupérative se succèdent sans changement de direction de la
bande. Les fumées provenant de la zone active s'écoulent ainsi vers la
zone récupérative en conservant une bonne distribution des fumées sur
la largeur de bande.
Dans une section de préchauffage verticale, comme représentée
en figure 2, la zone active et la zone récupérative se trouvent
généralement sur deux brins de bande différents, l'un montant pour la
zone récupérative et l'autre descendant pour la zone active. En partie
haute de chaque zone est disposé un rouleau déflecteur 31, 32 pour un
changement de direction de la bande à 90 degrés. Entre les deux
rouleaux déflecteurs, la bande circule horizontalement selon le même
sens horaire. En sortie de la zone active, la température du four est très
élevée, par exemple de 1350 C. Pour éviter que les rouleaux
déflecteurs ne soient exposés à ce niveau de température, ils sont
placés dans une zone 30 distincte, dans laquelle la température est
inférieure. Les fumées cheminent de la zone active vers la zone
récupérative dans au moins un tunnel 13 de connexion, sans passer par
cette zone 30 distincte où sont placés les rouleaux déflecteurs grâce à
des retreints 33, 34 installés en entrée et sortie de celle-ci sur les brins
montants et descendants de la bande.
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L'écoulement des fumées dans les configurations existantes de
tunnel de connexion conduit à une hétérogénéité de distribution des
fumées sur la largeur de la bande. Celle-ci entraine une hétérogénéité
de température sur la largeur de bande et une disparité de concentration
en espèces chimiques à la surface de la bande. Il en résulte un état de
surface différent sur la largeur de la bande en sortie de la section de
préchauffage.
Les brûleurs à flamme directe de la zone active doivent assurer
le préchauffage de la bande avec une bonne homogénéité de
température sur la largeur de la bande. Ils doivent avoir une faible
consommation énergétique et émettre peu de rejets polluants,
notamment en oxydes d'azote (N0x).
Les brûleurs doivent également pouvoir fonctionner en mode
réducteur, c'est-à-dire en étant sous-alimentés en comburant, afin de
réduire au maximum la présence d'oxygène à proximité de la bande et
éviter ainsi son oxydation. S'il est admis qu'un faible taux d'oxygène
proche de la bande de quelques centaines de ppm est admissible, il
convient malgré tout de chercher à s'approcher du zéro oxygène à
proximité de la bande.
Avec l'émergence des aciers à haute résistance mécanique, la
teneur en éléments d'alliage tels que Mn, Si et Al a augmenté. Ces
éléments qui sont avides d'oxygène s'oxydent facilement. Malgré une
atmosphère globalement réductrice dans la section de préchauffage et
dans les sections situées en aval, comme les sections à tubes radiants
de chauffage et de maintien, des oxydes de ces éléments d'alliage se
forment inévitablement dans ces sections en conditions normales de
fonctionnement. Dans une ligne de galvanisation, si ces oxydes sont
présents à la surface de la bande avant son immersion dans le bain de
zinc, ils conduisent à des défauts de revêtement. Pour remédier à ce
problème, il est connu de réaliser une oxydation sélective, ou
préoxydation, de ces éléments d'alliage dans la section de préchauffage
de manière à éviter leur diffusion à la surface de la bande. Les oxydes
formés sont ensuite réduits dans les sections à tubes radiants. Cela
nécessite des conditions légèrement oxydantes en sortie de la section
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de préchauffage, avec un contrôle fin du rapport air/gaz des brûleurs. Il
est également nécessaire d'avoir une température homogène (+/-10 00)
sur la largeur de bande afin que la nature et l'épaisseur de la couche
d'oxydes soient constantes sur la largeur de la bande.
Par ailleurs, pour limiter les coûts d'investissement et de
maintenance, le nombre de brûleurs et d'organes de contrôle et de
régulation de ceux-ci doit être réduit.
Les solutions existantes ne permettent pas de combiner toutes
ces exigences. L'invention permet de pallier ces problèmes.
Arrière-plan technique
Dans une section verticale de préchauffage à flamme directe
selon l'état de la technique, les fumées cheminent de la zone active
vers la zone récupérative dans au moins un tunnel de connexion selon
trois configurations.
Dans la première configuration illustrée en figures 2 et 3, le
tunnel 13 de connexion est longitudinal, c'est-à-dire qu'il relie la
zone 14 active et la zone 11 récupérative par un tronçon horizontal
s'étendant dans la direction de défilement de la bande B. La figure 3
correspond à une vue du dessus selon le plan de coupe CC de la
figure 2. Dans cette configuration, les deux brins verticaux de la bande
au niveau du tunnel constituent des obstacles à l'écoulement des
fumées qu'une partie de celles-ci doivent contourner. Des tourbillons de
fumées (vortex) se forment par endroits, notamment en entrée de la
section récupérative dans le sens d'écoulement des fumées. Il en
résulte une hétérogénéité de distribution des fumées sur la largeur de
la bande conduisant à une différence de température et d'état de
surface sur la largeur de la bande.
Dans la seconde configuration illustrée en figure 4, selon une
vue en coupe similaire à celle de la figure 3, un tunnel 13a, 13b de
connexion latéral est disposé de chaque côté de la section de
préchauffage. Les entrées des fumées du côté de la zone 14 active et
leurs sorties du côté de la zone 11 récupérative sont réalisées
latéralement, sur les côtés de la bande B. Il en résulte une dissymétrie
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sur la largeur de la bande, la distribution des fumées étant plus
importante sur les rives de la bande qu'en son centre.
Dans la troisième configuration illustrée en figure 5, selon une
vue en coupe similaire à celle des figures 3 et 4, l'aspiration des fumées
en sortie de la section 14 active est réalisée symétriquement sur chaque
face de la bande, mais la réinjection de celles-ci, en entrée de la
section 11 récupérative, est réalisée latéralement sur un seul côté de la
bande. Il en résulte une dissymétrie de la distribution des fumées sur la
largeur de la bande.
Les brûleurs qui équipent les sections verticales de préchauffage
à flamme directe sont regroupés en deux grandes catégories, les
brûleurs dits frontaux et les brûleurs dits latéraux selon leur position par
rapport à la bande.
Les brûleurs dits frontaux sont placés en vis-à-vis de la bande.
Deux types de brûleurs frontaux se distinguent : les brûleurs frontaux
avec mélange au nez et les brûleurs frontaux à prémélange. Les
brûleurs frontaux développent une flamme plate courte en spirale de
manière à éviter d'impacter et d'oxyder la bande. Cette technologie est
la plus répandue, notamment car elle permet de moduler les profils de
température sur la largeur de la bande en ajustant la répartition de
chauffe entre les brûleurs. Cependant, cette technologie est coûteuse
en investissement et en maintenance, car elle nécessite un nombre
important de brûleurs pour couvrir toute la largeur de la bande (entre
trois brûleurs et neuf brûleurs selon la largeur de bande et la puissance
unitaire des brûleurs) et un système de régulation complexe
d'ajustement des puissances et du rapport air/gaz par brûleur. Ces
brûleurs fonctionnent à air chaud lorsqu'il s'agit de brûleurs frontaux
avec mélange au nez (typiquement air préchauffé à 550 C) ou à air
froid ou faiblement préchauffé (température inférieure à 300 C)
lorsqu'il s'agit de brûleurs frontaux à prémélange. Généralement, avec
des brûleurs frontaux, au moins une zone de la section de préchauffage
est équipée de brûleurs à prémélange ce qui amène une
surconsommation de combustible par rapport aux brûleurs à air chaud.
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Les brûleurs dits latéraux sont placés sur le côté de la bande. Ils
développent une flamme dans la largeur du four, parallèlement à la
bande. Cette technologie est plus simple et plus économique, car elle
ne nécessite qu'un seul brûleur par rangée pour couvrir toute la largeur
de la bande sur une face. De plus, le mode de régulation des rapports
air/gaz se pratique par section, pour un ensemble de brûleurs. Ces
brûleurs fonctionnent en air chaud (habituellement 5000C) avec des
économies de combustible à la clé. En revanche, ces brûleurs selon
l'état de la technique présentent des niveaux d'émission de NOx assez
élevés, typiquement de 250 rng/Nrn3 à 3 `)/0 d'oxygène contre
120 mg/Nm3 pour les brûleurs frontaux. De plus, l'hétérogénéité de
température de leur flamme sur la largeur de la section de préchauffage
est subie par le process et doit être corrigée par un autre moyen que le
brûleur en lui-même. Ainsi, la différence de température sur la largeur
de la bande peut varier entre +/-20 C dans des conditions modérées
de production et de température en sortie de section de préchauffage
(600 C), à +/- 50 C pour des températures de sortie avoisinant les
720 C.
Pour tenter de pallier à ce problème, il existe des sections de
préchauffage hybrides combinant les deux catégories de brûleurs. Dans
la dernière zone, les brûleurs latéraux sont remplacés par des brûleurs
frontaux à prémélange à air froid. Cette solution permet de corriger le
problème de l'hétérogénéité de température en sortie de section de
préchauffage, mais elle présente les mêmes autres inconvénients cités
précédemment.
Par ailleurs, ces brûleurs frontaux ou latéraux selon l'état de la
technique reprennent un design classique. La combustion entre le gaz
et l'air s'initie dans un tunnel de combustion et se développe dans le
four selon une distribution thermique et chimique plus ou moins
difficilement maîtrisable sur la largeur de la bande. La demanderesse
n'a pas connaissance de brûleur fonctionnant en mode sans flamme
dans les sections de préchauffage des lignes continues. Les
caractéristiques du mode de combustion sans flamme, résultant d'une
combustion diffuse, ont largement été étudiées et les limites sont assez
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bien cernées. En milieu confiné en revanche, ce mode de combustion
s'applique difficilement, car il nécessite des volumes de chambre de
combustion en adéquation avec la grande quantité de fumées recirculée
nécessaire pour obtenir une combustion diffuse.
En se reportant au schéma de la figure 10 des dessins annexés,
on peut voir schématiquement représentée la forme frontale de la
flamme avec un brûleur latéral fonctionnant en mode flamme selon l'état
de la technique. La flamme se développe entre la bande B et la paroi
63 en réfractaire de la chambre de combustion. La flamme a une section
64 circulaire qui occupe une partie seulement du volume entre la bande
et la paroi du four. Cette forme de flamme présente l'avantage de limiter
le risque de présence d'oxygène à la surface de la bande et évite la
surchauffe des réfractaires car il n'y pas de contact de la flamme avec
la paroi du four. Cependant, ce type de flamme présente les
inconvénients cités précédemment, en termes d'homogénéité de
température et d'émission de NOx. Avec une combustion sans flamme,
la combustion est plus homogène mais elle s'étend en volume. La figure
11 est similaire à la figure 10 mais pour un brûleur latéral fonctionnant
en mode sans flamme selon l'état de la technique. La section de la
flamme est toujours sensiblement circulaire mais elle occupe le volume
disponible entre la bande et la paroi du four. Cette configuration est
avantageuse en émission de NOx mais elle entraine une probabilité
forte de présence d'oxygène au voisinage de la bande, d'où un risque
d'oxydation non contrôlée et, de l'autre côté de la flamme, une
température de paroi plus importante pénalisante pour la tenue du
réfractaire.
Résumé de l'invention
Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé une section
de préchauffage à flamme directe pour une ligne continue de traitement
de bandes métalliques comprenant une zone de liaison prévue pour une
circulation des fumées de combustion provenant d'une zone active
équipée de brûleurs vers une zone récupérative de préchauffage de la
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bande par échange avec lesdites fumées, les brûleurs étant aptes à
fonctionner en mode dit sans flamme. Ladite zone de liaison comporte
une chambre de sortie apte à orienter l'écoulement des fumées de sorte
qu'elles s'écoulent frontalement par rapport à la bande en sortie de la
zone active et une chambre d'entrée apte à orienter l'écoulement des
fumées de sorte qu'elles s'écoulent frontalement par rapport à la bande
en entrée de la zone récupérative, selon la direction d'écoulement des
fumées.
La chambre de sortie est disposée en sortie de la zone active,
dans le sens d'écoulement des fumées et est prévue agencée pour un
soutirage de fumées, la chambre d'entrée est disposée en entrée de la
zone récupérative et est prévue agencée pour une injection de fumées,
la zone de liaison comprenant en outre deux chambres de virage
agencées chacune pour faire effectuer à l'écoulement des fumées un
virage à 90 degrés entre une ouverture d'entrée et une ouverture de
sortie, une première chambre de virage communiquant directement avec
la chambre de sortie et une seconde chambre de virage communiquant
directement avec la chambre d'entrée, et deux tunnels de liaison prévus
agencés pour une circulation des fumées, un premier tunnel de liaison
reliant directement l'ouverture de sortie de la première chambre avec
une ouverture d'entrée de la chambre d'entrée et un second tunnel de
liaison reliant directement une ouverture de sortie de la chambre de
sortie et l'ouverture d'entrée de la seconde chambre.
Les deux circuits sont sensiblement symétriques pour obtenir une
répartition équilibrée des fumées sur les deux faces de la bande
contribuant à la bonne homogénéité de température.
Les deux ouvertures de sorties de la chambre de sortie sont
disposées en vis-à-vis et frontalement par rapport à une circulation de
la bande dans la zone active et les deux ouvertures d'entrée de la
chambre d'entrée sont disposées en vis-à-vis et frontalement par
rapport à une circulation de la bande dans la zone récupérative.
Cette disposition favorise la distribution de l'écoulement des
fumées sur la largeur de la bande dans la zone de liaison et sur la
longueur des zones active et réactive. Il en résulte une meilleure
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homogénéité en température et en état de surface sur la largeur de la
bande comparée à une solution ou l'injection et/ou le soutirage des
fumées est réalisé latéralement, selon une direction parallèle à la
direction définie par la largeur de la bande.
De plus, l'absence de la bande dans les chambres dans lesquelles
l'écoulement des fumées effectue un virage à 90 degrés contribue à
l'homogénéité de la distribution des fumées sur la largeur de la bande.
Les dimensions en largeur et en longueur sur un plan horizontal
des chambres de zone de liaison où se trouve la bande sont les mêmes
10 que celles des zones active et récupérative quelles prolongent.
Ainsi,
la section de la chambre qui prolonge la zone récupérative est plus
faible que celle de la chambre qui prolonge la zone active. Les
chambres destinées à orienter le flux des fumées, leurs ouvertures et
les gaines de liaison entre les chambres sont dimensionnées de sorte
que les fumées s'écoulent dans les chambres où se trouve la bande
selon une direction perpendiculaire à une face de la bande et de sorte
que la distribution des fumées soit homogène sur la largeur de la bande.
Les chambres de la zone de liaison dans lesquelles l'écoulement
des fumées effectue un virage à 90 degrés se situent entre le brin
montant et le brin descendant de la bande. Elles sont situées au même
niveau sur la hauteur de la section de préchauffage que les chambres
où se trouve la bande et elles sont alignées avec celles-ci
longitudinalement, selon la direction de déplacement de la bande dans
la ligne. L'espace horizontal habituellement disponible entre la zone
active et la zone récupérative d'une section de préchauffage à flamme
directe selon l'état de la technique suffit à l'implantation des deux
chambres dans lesquelles l'écoulement des fumées effectue un virage
à 90 degrés. Cet espace peut néanmoins être légèrement augmenté, si
nécessaire, pour obtenir une bonne distribution des fumées et un
écoulement de celles-ci selon une direction perpendiculaire à la
direction définie par la largeur de la bande sur la largeur.
Selon un second aspect de l'invention, les brûleurs sont de type
latéraux à flamme directe, lesdits brûleurs étant aptes à fonctionner en
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mode sans flamme, par exemple lorsque la temérature interne de la
zone active au voisinage des brûleurs est supérieure à 850 C.
Ce type de combustion est très peu émissif dans le domaine
ultraviolet. La flamme est quasiment invisible à l'oeil nu, d'où
l'expression de mode sans flamme. Les limites de la flamme sont moins
bien définies, car les produits de combustion sont très homogènes et se
mélangent aux fumées du four.
En mode sans flamme, la combustion est fortement diluée dans
plusieurs volumes de fumées. Ce mode de fonctionnement est
accessible soit en recirculant des fumées localement au sein même de
la chambre de combustion soit en reprenant une partie des fumées par
ailleurs, par exemple directement à la cheminée, et en les réinjectant
dans le brûleur. Cette dernière possibilité est cependant plus complexe
à mettre en oeuvre. Pour obtenir une recirculation suffisante localement
au sein même de la chambre de combustion pour fonctionner en mode
sans flamme sans faire appel à une recirculation externe, il est
nécessaire de disposer d'une injection d'air et de gaz à hautes vitesses
dans la chambre de combustion. La géométrie du brûleur et celle de la
chambre de combustion créent des recirculations des produits de
combustion vers le brûleur, diluant ainsi le comburant et le combustible
avec les produits de combustion avant la réaction.
En fonctionnement normal, c'est-à-dire en dehors des phases de
montée et descente en température du four, lors des arrêts et
redémarrages de la ligne, la température interne de la zone active est
supérieure à 850 C. Les brûleurs fonctionnent donc nnajoritairennent en
mode sans flamme.
La combinaison de brûleurs fonctionnant sans flamme et d'une
zone de liaison entre la zone active et la zone récupérative de la section
de préchauffage selon l'invention permet d'obtenir une bonne
homogénéité de température et d'état de surface sur la largeur de la
bande depuis l'entrée de celle-ci dans la section de préchauffage
jusqu'à sa sortie. Cette combinaison est nécessaire pour obtenir cette
bonne homogénéité sur la largeur de la bande à la sortie de la section
de préchauffage, car une hétérogénéité importante présente sur la
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bande en entrée de zone active qui résulterait d'une zone de liaison
selon l'état de la technique ne pourrait pas être corrigée dans la zone
active. En effet, la combustion volumique du mode sans flamme de
brûleurs latéraux ne permet pas d'ajuster la puissance délivrée à la
bande sur sa largeur.
L'écart de température sur la largeur de bande est ainsi limité à
environ +/- 10 'G en sortie de la section de préchauffage ce qui permet
d'obtenir des propriétés mécaniques et une couche d'oxydes homogène
sur la largeur de la bande, dans le cas d'une oxydation sélective.
Le fonctionnement en mode sans flamme permet de limiter la
température atteinte par les produits de combustion comparer à un
mode de combustion avec flamme. Ainsi, en fonctionnement avec un
facteur d'air de 0.95, le brûleur selon l'invention en fonctionnement en
mode sans flamme permet d'abaisser le point chaud dans la flamme à
environ 1450 C soit à peine 100 C au-dessus de la température des
réfractaires. Pour comparaison, pour les mêmes conditions de
fonctionnement, les brûleurs frontaux selon l'état de la technique ont
des températures de flamme dépassant 1700 C.
La formation des NOx étant directement liée à la température de
flamme, le brûleur selon l'invention a un taux d'émission de NOx
sensiblement plus faible à celui des brûleurs selon l'état de la technique
lors d'un fonctionnement en mode sans flamme. Par ailleurs, les
analyses d'espèces chimiques au sein de la flamme montrent une
meilleure homogénéité par rapport à une combustion classique. Le
faible taux d'oxygène local participe également à la baisse du niveau
de NOx.
Le passage en mode sans flamme à partir d'une température de
850 C permet de s'assurer de la bonne combustion dans le volume de
la chambre, ce niveau de température permettant une auto inflammation
du combustible. En dessous de cette température, le brûleur fonctionne
en mode flamme avec un réglage de combustion légèrement oxydant.
Le brûleur selon l'invention est apte à fonctionner avec de l'air
de combustion préchauffé jusqu'à 600 00, sans impact important sur les
émissions de NOx. Les récupérateurs d'énergie ont désormais une
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efficacité qui permet d'atteindre des températures d'air préchauffé
proche de 600 C. Or la production de NOx sur les bru leurs classiques
est très dépendante des niveaux de températures d'air avec une courbe
d'évolution exponentielle. On limite donc la température d'air sur ces
brûleurs. Cette évolution du NOx en fonction de la température d'air est
nettement plus plate et linéaire dans une combustion diffuse, ce qui
permet de porter la température de l'air à 600 'C. Cette température
d'air plus élevée limite la consommation en combustible et favorise la
recirculation des fumées et l'homogénéité des espèces dans la chambre
de combustion.
Le préchauffage de l'air de combustion peut être réalisé dans un
échangeur de chaleur dans lequel ont fait circuler les fumées sortant de
la section de préchauffage. Bien que refroidis par un échange avec la
bande dans la zone récupérative, leur niveau de température est encore
suffisant pour assurer le préchauffage de l'air de combustion.
Les brûleurs présentent une direction axiale au croisement d'un
plan vertical et d'un plan horizontal, et comprennent un diffuseur
traversé par des conduits d'injection de combustible pour un
fonctionnement en mode sans flamme et des conduits d'injection de
comburant. Lesdits conduits d'injection de comburant débouchent du
diffuseur plus près de l'axe du brûleur que lesdits conduits d'injection
de combustible pour un fonctionnement en mode sans flamme. Les
brûleurs ont des conduits d'injection de comburant qui débouchent du
diffuseur sur le plan vertical qui sont divergents et d'autres qui
débouchent du diffuseur sur le plan horizontal qui sont convergents vers
l'axe du brûleur.
Les conduits d'injection de combustible et de comburant sont
disposés de sorte d'obtenir la distribution souhaitée du combustible et
du comburant dans le volume de la chambre de combustion délimité par
une face de la bande et les parois latérales et frontales du four pour
obtenir une combustion sans flamme. La combustion volumique qui en
résulte permet d'obtenir une bonne distribution des produits de
combustion sur la largeur de la bande et ainsi une bonne homogénéité
de température sur celle-ci.
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A cette fin, les brûleurs sont positionnés dans la section de
préchauffage avec leur plan vertical disposé parallèlement à la bande.
A l'échappement des conduits d'injection, le comburant s'étale
dans le sens vertical et se contracte dans le sens horizontal. Les jets
de combustible ont une impulsion inférieure à celle des jets de
comburant. Le combustible est aspiré par le comburant avec qui il
réagit, constituant une enveloppe au flux d'air qui vient protéger la
bande de l'oxydation. L'impulsion des jets de comburant aspire de la
même façon des fumées pour les recirculer.
Ainsi, bien que la bande se trouve à proximité immédiate des
brûleurs, l'axe des brûleurs se situant typiquement à environ 400 mm
de la bande, on évite la présence d'oxygène au voisinage de la bande
et son oxydation.
Ce critère de l'oxygène proche bande est critique pour un usage
de brûleurs latéraux sans flamme dans une section de préchauffage,
car les brûleurs sans flamme nécessitent en général de plus gros
volumes de chambre de combustion pour atteindre un maximum de
recirculation de fumées. Si le confinement de la chambre ne le permet
pas, la combustion s'étale et l'oxygène résiduel présent au sein de la
flamme vient polluer la bande.
Pour une application en section de préchauffage, il ne suffit donc
pas d'homogénéiser le taux d'oxygène dans la flamme comme dans un
brûleur sans flamme classique. Il faut également ne pas augmenter la
taille de la zone de réaction. Autrement dit, il ne faut pas augmenter la
largeur de la flamme. Or une combustion sans flamme est en général
plus étendue qu'une combustion classique.
Le régime de combustion sans flamme s'appuie sur la présence
nécessaire d'une zone de recirculation de forte intensité autour des jets
de réactifs dans l'enceinte du four. Les jets de combustible et d'air
doivent donc avoir une impulsion suffisante pour pouvoir entraîner et se
mélanger aux fumées aspirées. Les impulsions des jets de comburant
et de combustible mises en oeuvre selon l'invention garantissent un taux
de recirculation global des fumées de six autour des jets ce qui est
suffisant pour la combustion sans flamme. Cela sous-entend que, en
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moyenne, le jet de comburant ou de combustible se dilue dans six
volumes de fumées.
En outre, les brûleurs sans flamme ne possèdent pas de tunnel
de combustion. Or celui-ci contribue à initier très tôt les réactions sur
un brûleur classique. La conséquence néfaste pour une application de
brûleurs sans flamme en section de préchauffage serait de venir
impacter le mur situé en face du brûleur ce qui accélérerait sa
dégradation. Pour cette raison il est nécessaire de contenir aussi la
longueur de la flamme.
10 La disposition des conduits d'injection du comburant et du
combustible des brûleurs selon l'invention permet de répondre à ces
contraintes.
Chacun des conduits d'injection de comburant peut être disposé
sur le plan vertical et le plan horizontal. Les conduits qui débouchent
15 sur le plan vertical peuvent être divergents et les conduits qui
débouchent sur le plan horizontal peuvent être convergents vers l'axe
du brûleur.
Les conduits d'injection de comburant des brûleurs qui
débouchent du diffuseur sur le plan vertical sont divergents selon un
angle compris entre 2 et 12 degrés, et de préférence de sept degrés.
Les conduits d'injection de comburant des brûleurs qui
débouchent du diffuseur sur le plan horizontal sont convergents selon
un angle compris entre 1 et 5 degrés, et préférence de trois degrés.
Les conduits d'injection de combustible des brûleurs pour un
fonctionnement en mode sans flamme sont convergents vers l'axe du
brûleur.
Ils sont convergents selon un angle compris entre cinq et quinze
degrés et de préférence de onze degrés.
Ces angles sur les conduits de combustible et de comburant,
combinés aux vitesses d'injection et à l'impulsion des jets, sont
particulièrement adaptés pour les dimensions usuelles d'une section de
préchauffage à flamme directe. L'impulsion et l'angle d'injection des jets
d'air sont prédominants, l'impulsion des jets de combustible étant plus
faible.
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Comme on peut le voir en se reportant à la Figure 12 des dessins
annexés, la disposition des conduits d'injection de combustible et de
comburant selon l'invention permet d'obtenir une flamme dont la section
à une forme en X. Ainsi, la flamme s'étend selon la direction verticale
et elle se contracte selon la direction horizontale.
Les brûleurs sans flamme sont instables à froid. En effet, sur ces
brûleurs, les flammes sont décrochées et se développent de manière
diffuse dans le four. A froid, lorsque la température d'auto-inflammation
n'est pas atteinte, cela pose un problème, car en cas de décrochage de
flamme, le brûleur met en sécurité toute la zone de la section de
préchauffage. Celle-ci doit alors être purgée pour pouvoir redémarrer.
Il convient donc d'avoir un mode de chauffage très stable à froid pour
monter le four en température.
Pour répondre à cette contrainte, les brûleurs comprennent un
deuxième conduit d'injection de combustible pour un fonctionnement en
mode flamme qui s'étend selon la direction axiale du brûleur et qui
débouche du diffuseur dans l'axe du brûleur.
Les brûleurs ont également un conduit annulaire d'alimentation en
air de combustion autour du conduit d'injection de combustible pour un
fonctionnement en mode flamme. Cet air contribue à l'accrochage de la
flamme.
Les brûleurs selon l'invention sont particulièrement adaptés pour
un fonctionnement en gaz naturel et en gaz de sidérurgie, notamment
en gaz de four à coke également appelé COG pour Coke oven gas .
Le brûleur selon l'invention permet d'obtenir des niveaux de NOx
inférieur à 100 mg/Nm3 à 3 % d'oxygène pour un four à 1350 C, un
réglage de combustion en défaut d'air et de l'air de combustion
préchauffé à 600 C. L'oxygène résiduel proche de la bande est de
l'ordre de 20 ppm sur toute la largeur de la bande.
La teneur en oxygène résiduel proche de la bande est faible et
homogène sur la largeur de la bande. Elle varie légèrement selon le
rapport air/gaz, avec de l'ordre de 20 ppm pour un facteur air/gaz de
0,90 et 25 ppm pour un facteur air/gaz de 0,95.
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Des brûleurs disposés en entrée de la zone active, selon le sens de
défilement de la bande, fonctionnent en atmosphère stoechiométrique
alors que les autres, la majorité des brûleurs, fonctionnent en défaut
d'air. Le fonctionnement en atmosphère stoechiométrique de ces
brûleurs permet de produire des fumées qui vont brûler/craquer les
hydrocarbures présents à la surface de la bande. Le fonctionnement en
défaut d'air des autres brûleurs permet d'obtenir des fumées réductrices
qui vont réduire les oxydes de fer présent à la surface de la bande.
Les brûleurs de la section de préchauffage sont ainsi répartis selon
au moins deux zones de régulation. L'atmosphère dans la section est
contrôlée le long de la zone active en faisant varier le rapport air/gaz
dans les différentes zones de régulation.
Certains produits plats arrivant sur le marché, notamment les
aciers de troisième génération, nécessitent une pré-oxydation sélective
de la surface de la bande. Pour obtenir cette pré-oxydation, la
préchauffe est réalisée en plusieurs étapes avec une étape dans une
zone très légèrement oxydante. Dans celle-ci, la combustion doit être
réglée finement autour du facteur air/gaz visé, généralement compris
entre 1.01 et 1.05. Le nouveau design de brûleur selon l'invention est
compatible avec cette utilisation. La répartition de l'oxygène proche
bande est en très homogène, à +/- 0.1 /0. On peut ainsi produire une
oxydation sélective identique sur toute la largeur de la bande, d'autant
plus que l'homogénéité de température de la bande est également
améliorée. L'épaisseur de couche d'oxyde sur l'acier est ainsi contrôlée
par une gestion simple de l'excès d'air dans cette zone. L'avantage de
cette caractéristique est intéressant, car elle évite une chambre
complexe dédiée à l'oxydation sélective de la bande.
Selon un second aspect de l'invention, il est proposé une ligne de
traitement en continu d'une bande métallique comprenant une section
de préchauffage à flamme directe telle que décrite précédemment.
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Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va
suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins
annexés dans lesquels :
[Fig.1] est une vue d'ensemble schématique d'une ligne de
galvanisation avec une section de préchauffage à flamme directe selon
l'état de la technique,
[Fig.2] est un agrandissement de la section de préchauffage de la
figure 1,
[Fig.3] est une vue schématique du dessus et en coupe de la section de
préchauffage selon la figure 2,
[Fig.4] est une vue schématique du dessus et en coupe d'une section
de préchauffage selon un deuxième exemple de l'état de la technique,
[Fig.5] est une vue schématique du dessus et en coupe d'une section
de préchauffage selon un troisième exemple de l'état de la technique.
[Fig.6] est une vue schématique similaire à la figure 2, mais pour une
section de préchauffage à flamme directe selon un mode de réalisation
de l'invention,
[Fig.7] est une vue schématique du dessus et en coupe de la section de
préchauffage similaire à celles des figures 3 à 5, mais pour la section
de préchauffage selon la figure 6,
[Fig.8] est une vue frontale schématique du diffuseur d'un brûleur selon
un mode de réalisation de l'invention,
[Fig.9] est une vue schématique en coupe et en trois dimensions d'une
moitié du diffuseur selon la figure 8,
[Fig.10] est une vue schématique latérale montrant la forme frontale de
la flamme avec un brûleur fonctionnant en mode flamme selon l'état de
la technique, pour une section de préchauffage verticale,
[Fig.11] est une vue schématique montrant la forme frontale de la
flamme avec un brûleur fonctionnant en mode sans flamme selon l'état
de la technique, toujours pour une section de préchauffage verticale,
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[Fig.12] est une vue schématique montrant la forme frontale de la
flamme avec un brûleur selon l'invention fonctionnant en mode sans
flamme, toujours pour une section de préchauffage verticale.
Description détaillée de l'invention
Les modes de réalisation décrits ci-après n'étant nullement
limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention
ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, par la
suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de
caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou
pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique
antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de
préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement
une partie des détails structurels si cette partie uniquement est
suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier
l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
Dans la suite de la description, des éléments présentant une
structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par de
mêmes références.
En se reportant au schéma de la figure 6 des dessins annexés,
on peut voir une vue schématique d'une section de préchauffage à
flamme directe selon l'invention. Une zone 13 de liaison assure la
liaison fluidique entre la zone récupérative 11 et la zone active 14
équipée de brûleurs latéraux 15.
La nature de la zone de liaison 13 est similaire à celle des zones
active et récupérative en ce qu'elle comprend une enveloppe extérieure
métallique et un garnissage intérieur en matériaux réfractaires.
La zone 13 de liaison comprend deux chambres 18, 19 dans
lesquelles circule la bande, la chambre 18 en entrée de la zone 11
récupérative, dans le sens d'écoulement des fumées, pour le brin
montant et la chambre 19 en sortie de la zone active pour le brin
descendant.
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La zone 13 de liaison comprend également deux autres
chambres 20, 21 destinées à orienter l'écoulement des fumées face à
la bande en leur faisant effectuer un virage à 90 degrés, la chambre 20
du côté du brin montant et la chambre 21 du côté du brin descendant.
5 Elles sont disposées dans la partie centrale de la zone de liaison, entre
le brin montant et le brin descendant de la bande.
Du fait de l'aspiration réalisée par l'exhausteur de fumées,
l'écoulement des fumées est sortant dans les chambres 19, 21
disposées du côté de la zone 14 active et il est entrant dans les
10 chambres 18, 20 disposées du côté de la zone 11 récupérative.
Comme illustré à la figure 7, chacune des chambres 18, 19 dans
laquelle circule la bande comprend deux ouvertures 22, 23,
respectivement 24, 25, disposées en vis-à-vis, face à la bande, par
lesquelles entrent ou sortent les fumées. Dans chacune des
15 chambres 20, 21 destinées à orienter le flux des fumées, l'une des
ouvertures 23, respectivement 25 (celle en lien avec les chambres 18,
19 où circule la bande), est disposée face à la bande et une seconde
ouverture 26, respectivement 27 est disposée à 90 degrés sur une face
latérale de ladite chambre.
20 La zone de liaison 13 comprend deux gaines 28, 29 de liaison
qui canalisent les fumées de la zone active 14 à la zone
récupérative 11. La première gaine 28 relie les chambres 18 et 21 et la
seconde gaine 29 relie les chambres 19 et 20. Ces gaines comprennent
une enveloppe extérieure métallique et un garnissage intérieur en
matériaux réfractaires.
Sur sa partie supérieure, la zone 13 de liaison est reliée à une
chambre 30 dans laquelle sont placés deux rouleaux déflecteurs 31, 32
pour le cheminement de la bande. Deux retreints 33, 34 limitent la
circulation des fumées dans la chambre 30 pour que celle-ci reste à une
température modérée adaptée aux rouleaux déflecteurs.
La zone active 14 comprend une pluralité de brûleurs 15 selon
l'invention disposés sur ses faces latérales. Sa température moyenne
est d'environ 1350 C. Les brûleurs sont placés en quinconce de chaque
côté du four et en quinconce de chaque côté de la bande. Ainsi, les
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brûleurs sont disposés deux par deux sur des plans horizontaux
successifs, mais la position des brûleurs est différente entre deux plans
horizontaux. Sur un premier plan horizontal, un brûleur est disposé sur
une face latérale du four et sur un côté de la bande et le second est
disposé sur la face latérale opposée, et de l'autre côté de la bande.
Nous avons l'inverse dans un second plan horizontal voisin du premier.
La distance horizontale entre l'axe des brûleurs et la bande est
par exemple de 400 mm. La distance verticale entre deux brûleurs
disposés sur une même face de la zone active et du même côté de la
bande est par exemple de 750 mm.
La puissance nominale d'un brûleur est par exemple de 500 kW
et est généralement comprise entre 400 kW et 800 kW. Elle peut être
différente sur la longueur de la section de préchauffage. Cependant,
tous les brûleurs ont souvent la même puissance nominale et ils
fonctionnent en mode proportionnel pour moduler l'apport calorifique
sur la longueur de la zone active.
Le dimensionnement du brûleur prend en compte différents
aspects qui touchent à la fois à la capacité de la ligne (nombre de tonnes
par heure de bande d'acier à réchauffer), à la mise en oeuvre du mode
de combustion sans flamme, du développement de la flamme souhaité
dans le four selon la largeur de bande et les dimensions de la section
transversale de la zone active, ainsi qu'à la prise en compte des
conditions d'utilisation du brûleur.
Comme illustré sur les figures 8 et 9, pour cet exemple de
réalisation de l'invention, le comburant passe au travers de quatre
conduits 51, 52. Pour une puissance du brûleur de 500 kW et de l'air
préchauffé à 600 C, ces conduits peuvent avoir un diamètre de 21 mm.
Ils débouchent dans un petit mini- tunnel 53 par des trous dont les axes
sont distants de l'axe central du brûleur de 100 mm. La longueur des
conduits 51, 52 doit être d'au moins trois fois leur diamètre pour établir
correctement le jet d'air à l'échappement du conduit. Les vitesses d'air
chaud sont généralement comprises entre 50 et 300 m/sec, et
typiquement de 200 m/sec. L'orientation divergente des jets verticaux à
70 permet d'étaler la flamme. L'orientation convergente des jets
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horizontaux à 30 permet de la contracter. Plus la divergence est
augmentée et plus il y a un risque de détériorer le niveau des NOx. En
augmentant la convergence, il y a un risque de perturber le flux d'air et
donc d'avoir une flamme instable. La plage pour laquelle le
fonctionnement est optimum est ainsi assez mince, avec +/- cinq degrés
pour les jets verticaux divergents et +/- deux degrés pour les jets
horizontaux convergents.
Les trous d'air sont groupés par paire. Ils doivent être
diamétralement opposés selon deux axes, vertical et horizontal. Il n'est
pas nécessaire que les paires de trous soient identiques. On obtiendra
un étalement de la flamme plus important si les trous d'air verticaux et
divergents ont un diamètre plus important. Pour conserver la même
vitesse à l'échappement des conduits de comburant convergents et
divergents, le diamètre des trous d'air horizontaux et convergents est
réduit proportionnellement à l'augmentation de celui des trous verticaux
et divergents.
La sortie des jets d'air se situe en retrait par rapport au plan du
diffuseur de 60 mm environ. Ce mini tunnel 53 permet d'initier le
mélange de l'air avec les fumées et abaisse localement le taux
d'oxygène partiel. Son diamètre est de 150 mm soit 1.5 fois le diamètre
sur lequel sont disposés les échappements des conduits d'air 51, 52.
Une autre utilité de ce tunnel est d'améliorer la stabilité de la flamme
lorsque le four est froid.
L'injection du combustible est réalisée par deux conduits 54. Les
jets de gaz sont diamétralement opposés et placés en partie haute et
basse sur l'extérieur du diffuseur 60 sur un diamètre de 250 mm. Les
deux conduits 54 sont convergents vers l'axe du brûleur selon un angle
de 110. Cette particularité permet au gaz d'être mélangé aux fumées
avant d'être aspiré par les jets d'air. Un principe similaire aurait été
obtenu en disposant les conduits 54 horizontalement puisque le gaz est
aspiré par le flux d'air. Le point de rencontre air/gaz se situe environ à
30 cm du diffuseur.
Les conduits 54 d'injection du gaz ont un rétreint à leur extrémité
pour la mise en vitesse du jet dont le diamètre est de 15 mm. La vitesse
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de gaz à l'échappement est ici de 50 m/sec pour du gaz naturel. Elle
est généralement comprise entre 20 et 100 m/sec. Les orifices
d'échappement du gaz sont distants de deux à quatre fois la distance
entre les deux orifices d'échappement de l'air d'une même paire,
horizontale ou verticale. Vu l'angle d'inclinaison des injecteurs qui peut
aller jusqu'à 150, il convient de ne pas trop écarter les jets de gaz pour
une question d'encombrement à l'extérieur du four.
Les conduits 54 d'injection du gaz débouchent dans une petite
cavité permettant de les protéger du rayonnement de la flamme et du
four, la mise en vitesse du gaz étant assurée par le rétreint en bout de
conduit.
Pour la stabilité de flamme à froid, une canne de gaz 55
classique axiale, percée de trois rangées de trous radiaux, est
alimentée en combustible au lieu des deux conduits 54 périphériques
lors des phases de montée en température du four. En variante, la
canne de gaz 55 axiale est alimentée en prémélange air/gaz. Le débit
de combustible injecté par la canne de gaz axiale représente moins de
10 `)/0 du débit global de combustible. Le but est d'avoir un mélange le
plus intime possible avec l'air. Le tunnel 53 du diffuseur au niveau de
l'injection d'air permet de stabiliser la combustion. En revanche, nous
perdons l'avantage du fonctionnement sans flamme. Pour cette raison,
ce mode de fonctionnement n'est utilisé que lorsque le four a une
température inférieure à 850 C et avec un réglage de combustion
légèrement oxydant.
Autour de la canne axiale 55 de gaz pour le fonctionnement à
froid, un passage annulaire 56 d'air de combustion contribue au bon
allumage du brûleur et à la stabilité de flamme à froid. Ce passage
annulaire est alimenté en air comme les conduits 51, 52 périphériques.
Le débit d'air de combustion dans ce passage annulaire est d'environ
20 % du débit total d'air de combustion. Il est maintenu pour les deux
modes de fonctionnement du brûleur, en mode flamme et en mode sans
flamme.
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Le diffuseur peut être réalisé dans un matériau réfractaire usuel
pour ce type d'application, de même nature que celui des brûleurs
frontaux à flamme selon l'état de la technique.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être
décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces
exemples sans sortir du cadre de l'invention. De plus, les différentes
caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de
l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses
combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou
exclusifs les uns des autres.
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