Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2011/131880 1 PCT/FR2011/050703
Four à flamme et procédé de régulation de la combustion dans un
four à flamme
La présente invention concerne la régulation de la combustion dans des fours à
flamme.
Les fours à flamme sont couramment utilisés dans l'industrie pour la
génération
d'énergie thermique et pour le traitement à température élevée des matériaux.
La terminologie four à flamme désigne un four, tel qu'un four de fusion ou
un
incinérateur, dans lequel au moins une partie de l'énergie thermique est
produite dans la
chambre de combustion du four par la combustion d'un combustible avec un
oxydant
présent dans le comburant. Ainsi, la terminologie four à flamme couvre
également les
fours dans lesquels au moins une partie de l'énergie thermique est produite
par une
combustion sans flamme visible, souvent appelée combustion sans flamme (en
anglais : flameless combustion ).
Les fumées générées par la combustion, contenant généralement du CO2, du CO et
de l'H20, sont évacuées de la chambre de combustion du four à flamme à une
température
supérieure à 600 C par un conduit d'évacuation.
En théorie, un maximum d'énergie thermique est généré par la combustion quand
celle-ci est stoechiométrique, c'est-à-dire quand l'oxydant est injecté dans
la zone de
combustion en une quantité qui correspond à la quantité d'oxydant nécessaire
pour la
combustion totale du combustible présent dans la zone de combustion. Dans ce
cas, le
carbone présent dans le combustible est entièrement oxydé en CO2, l'hydrogène
généralement présent dans le combustible est entièrement oxyde en H20, etc. En
pratique
industrielle, on constate toutefois qu'un léger excès d'oxydant est nécessaire
pour arriver à
une combustion totale du combustible.
Une injection insuffisante d'oxydant entraîne une baisse de rendement du four
par
non-combustion ou combustion partielle du combustible. Un excès trop important
d'oxydant entraîne également une baisse de rendement du four (par exemple :
perte
d'énergie thermique plus importante par les fumées évacuées et, en cas d'oxy-
combustion,
l'évacuation avec les fumées de la partie de l'oxygène n'ayant pas participé à
la
combustion, l'oxygène ayant un coût non-négligeable).
Parmi les autres inconvénients d'un débit trop important d'oxydant, on peut en
particulier signaler un taux d'oxydation plus important de la charge dans le
cas d'une
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charge oxydable, comme c'est le cas dans un four de fusion de métaux
oxydables, tel que
l'aluminium, et certains fours de réchauffage (en anglais reheating furnace
). Il est
notamment connu d'opérer des fours à flamme en régime de sur- ou sous-
stoechiométrie,
pour éviter ou limiter une réduction ou oxydation nuisible de la charge par
l'atmosphère
dans la zone de combustion. Ainsi, pour certaines applications, la combustion
optimale
diffère de la combustion stoechiométrique.
Une opération optimisée d'un four à flamme est généralement possible dans les
fours à flamme dans lesquels les apports en combustible et en oxydant et les
compositions
de ceux-ci sont parfaitement maîtrisés.
Toutefois, dans un nombre important d'applications industrielles des fours à
flamme, la quantité et/ou la composition de la matière combustible disponible
dans la zone
de combustion sont mal ou peu maîtrisées.
Ceci est par exemple le cas :
- dans les fours à flamme dont la charge contient une quantité et/ou une
qualité
variable de matières combustibles, comme par exemple les incinérateurs de
déchets et les
fours de fusion secondaire pour le recyclage de métaux,
- dans les fours de fusion à flamme dans lesquels la charge contient des
matières
combustibles inhérentes et/ou ajoutées, et dans lesquels la charge libère de
manière non
contrôlée ces matières combustibles dans la zone de combustion généralement
située au-
dessus de la charge, comme par exemple les fours de fusion secondaire pour le
recyclage
de métaux,
- dans les fours à flamme pour la post-combustion des fumées issues de
fours tels
que décrits ci-dessus, par exemple des chambres de post-combustion des fours à
arc pour
la fusion secondaire d'acier.
De JP-A-1314809 et de JP-A-2001004116, il est connu d'équiper un incinérateur
d'une caméra dirigée vers l'intérieur de la chambre de combustion et de
réguler la post-
combustion à l'intérieur de la chambre de combustion au-dessus de la
combustion
principale en fonction de l'image obtenue de la combustion à l'intérieur de la
chambre.
De WO-A-2005/024398, il est connu de mesurer la quantité d'espèces chimiques
contenues dans un gaz issu d'un four de traitement de métal, tel qu'un four
électrique à arc
ou un convertisseur, par prélèvement d'une partie du gaz à analyser, son
refroidissement à
moins de 300 C et la mesure de quantité de CO et/ou de CO2 présente dans le
gaz à l'aide
du signal de lumière cohérente émise par une diode laser, ledit procédé
permettant une
3
mesure desdites quantités avec un temps de réponse inférieur à 10 secondes et
un contrôle du
four en temps réel.
WO-A-03/056044 décrit un procédé de fusion d'aluminium, dans lequel on
introduit
de l'aluminium solide dans un four, on réalise la fusion de l'aluminium pour
former un bain
d'aluminium, on détecte les variations de concentration en monoxyde de carbone
(CO) et la
température dans les fumées sortant du four, on en déduit la formation
d'oxydes d'aluminium
à la surface du bain d'aluminium et on régule le procédé de fusion en fonction
de la
formation d'oxydes d'aluminium.
La mesure de la concentration en certaines espèces dans les fumées d'un four à
flamme est toutefois rendue difficile par la nature et les quantités de
polluants, telle que la
suie, dans lesdites fumées.
WO-A-2004/083469 décrit un procédé de fusion d'aluminium dans lequel le
rapport
combustible/comburant injecté par un brûleur dans le four à flamme est régulé
en fonction
de la température des fumées dans le conduit d'évacuation des fumées muni
d'une entrée
d'air dit air de dilution .
Dans un tel procédé, le débit d'air de dilution peut varier en fonction de
différents
paramètres (taille des ouvertures, vitesse de l'extraction des fumées, état
des conduits de
fumées, débit des autres flux de fumées collectés par le même extracteur). Ce
débit variable
peut avoir une influence sur la température des fumées dans le conduit
d'évacuation et ainsi
avoir un impact sur le réglage du four. Des variations quotidiennes (jour et
nuit) et
saisonnières (été et hiver) dans la température de l'air de dilution, qui est
généralement de
l'air ambiant, peuvent également avoir un impact sur la température des fumées
dans le
conduit d'évacuation.
La présente invention a pour but de fournir un réglage de la combustion dans
un four
à flamme qui ne présente pas les inconvénients des procédés connus décrits ci-
dessus.
Selon un mode de réalisation préféré, l'invention concerne un procédé
d'opération
d'un four à flamme comportant une chambre de combustion (2),
procédé dans lequel :
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3a
- on injecte un oxydant principal à un débit régulé dans la chambre de
combustion (2),
- on brûle de la matière combustible dans la chambre de combustion (2) avec
l'oxydant principal en produisant dans la chambre de combustion de l'énergie
thermique et
des fumées (6) à une température supérieure à 600 C,
- on évacue les fumées (6) ainsi produites de la chambre de combustion (2) par
un conduit d'évacuation (13), lesdites fumées (6) évacuées pouvant contenir
des matières
oxydables résiduelles, le conduit d'évacuation (13) étant muni d'une entrée
d'oxydant de
dilution (14) en aval de la chambre de combustion (2),
- on brûle les matières oxydables résiduelles avec l'oxydant de dilution au
moyen d'une flamme (12) à l'intérieur du conduit d'évacuation (13) au niveau
de l'entrée
d'oxydant de dilution (14),
le procédé étant caractérisé en ce que :
- on détecte l'intensité de flamme de ladite flamme à l'intérieur du conduit
d'évacuation (13),
- on régule le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de
combustion
(2) en fonction de l'intensité de flamme détectée. La présente invention
concerne ainsi un
procédé d'opération d'un four à flamme amélioré. Selon ce procédé, on injecte
un oxydant,
dit oxydant principal , à un débit régulé dans une chambre de combustion du
four à
flamme. On brûle de la matière combustible dans la chambre de combustion avec
l'oxydant
principal ainsi injecté en produisant dans la chambre de combustion de
l'énergie thermique
et des fumées ayant une température supérieure à 600 C. Les fumées ainsi
produites sont
évacuées de la chambre de combustion par un conduit d'évacuation. Ce conduit
d'évacuation
est muni d'une entrée d'un oxydant dit oxydant de dilution , typiquement,
mais pas
nécessairement, de l'air ambiant, en aval de la chambre de combustion, de
manière à ce que
l'oxydant de dilution
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entre en contact avec les fumées à 600 C, voire plus. Quand les fumées
contiennent encore
des matières oxydables, c'est-à-dire quand la combustion de matière
combustible dans la
chambre de combustion n'est pas complète, on obtient ainsi une flamme au
niveau de
l'entrée d'oxydant de dilution à l'intérieur du conduit d'évacuation. En
effet, le contact
entre l'oxydant de dilution et les matières oxydables dans les fumées à
température élevée
génèrent une auto-combustion desdites matières oxydables, telles que du CO
et/ou du H2,
présentes dans les fumées évacuées. Suivant l'invention, on détecte
l'intensité de la
flamme à l'intérieur du conduit d'évacuation, et donc en aval de la chambre de
combustion, et on régule le débit d'injection d'oxydant principal dans la
chambre de
combustion en fonction de l'intensité de flamme détectée.
La matière combustible peut notamment être introduite dans la chambre de
combustion de manière contrôlée, par exemple, par injection d'un jet de
combustible dans
la chambre de combustion au moyen d'une lance ou d'un brûleur. La matière
combustible
peut être présente dans la charge et donc être introduite dans la chambre de
combustion
avec la charge. La matière combustible peut également être introduite dans la
chambre de
combustion par une combinaison d'une introduction contrôlée et d'une
introduction avec
la charge dans la chambre de combustion.
Avantageusement, on réduit le débit d'injection d'oxydant principal injecté
dans la
chambre de combustion quand l'intensité de flamme ainsi détectée est
inférieure à une
limite inférieure prédéterminée et on augmente le débit d'oxydant principal
injecté dans la
chambre de combustion quand l'intensité de flamme ainsi détectée est
supérieure à une
limite supérieure prédéterminée.
La présence de matières oxydables, telle que le CO, dans les fumées est ainsi
détectée par l'intensité de leur combustion avec l'oxydant de dilution à
l'aide d'un
détecteur de flamme qui renvoie un signal indicateur de l'intensité de la
combustion/de la
flamme à l'intérieur du conduit d'évacuation : (a) une intensité forte étant
le signe d'une
présence importante de matières oxydables dans les fumées évacuées, et (b) une
intensité
faible étant le signe d'une faible présence de matières oxydables dans les
fumées évacuées.
L'invention permet ainsi de déterminer le niveau de la présence de matières
oxydables dans les fumées et d'appliquer en temps réel une correction au
réglage de la
combustion dans la zone de combustion.
Les limites inférieure et supérieure prédéterminées sont fixées en fonction de
la
nature du procédé de combustion dans la chambre de combustion, comme discuté
ci-
dessus. Quand le procédé de combustion vise une combustion complète de la
matière
5
combustible dans la chambre de combustion, la limite inférieure prédéterminée
est très
faible, mais supérieure à zéro. De cette manière, il est assuré que le débit
d'injection
d'oxydant principal n'est ni excessif ni trop faible pour le procédé de
combustion dans la
chambre de combustion.
L'invention permet notamment de compenser une connaissance imparfaite de la
teneur en matière combustible de la charge du four (cas typique pour les fours
de recyclage),
de la qualité de la matière combustible et/ou de sa libération dans la chambre
de combustion
par une adaptation en temps réel du réglage du débit d'oxydant principal et,
comme exposé
ci-après, éventuellement également du débit de combustible injecté dans la
chambre de
combustion.
Un autre avantage de l'invention est qu'elle peut être réalisée avec un
détecteur
d'intensité de flamme peu coûteux et simple de mise en oeuvre.
Dans certains procédés de combustion, la teneur en matières oxydables dans les
fumées évacuées peut présenter des variations fréquentes, mais souvent de
faible durée.
Suivant une forme de réalisation, l'intensité de flamme à l'intérieur du
conduit d'évacuation
est détecté pendant des durées prédéterminées Atl et At2. Le débit d'injection
d'oxydant
principal dans la chambre de combustion est réduit quand l'intensité de flamme
détectée est
restée inférieure à la limite inférieure pendant la durée prédéterminée Atl.
De manière
analogue, le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de
combustion est
augmenté quand l'intensité de flamme détectée est restée supérieure à la
limite supérieure
pendant la durée prédéterminée At2. Ainsi, des fluctuations excessives dans le
procédé de
combustion sont évitées. Une autre possibilité est (a) de réduire le débit
d'injection
d'oxydant principal dans la chambre de combustion quand la valeur moyenne de
l'intensité
de flamme détectée pendant la durée prédéterminée Atl est inférieure à la
limite inférieure,
et (b) d'augmenter le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de
combustion
quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée
prédéterminée
At2 est supérieure à la limite supérieure. En pratique, les durées
prédéterminées At 1 et At2
sont typiquement identiques.
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5a
Selon un mode de réalisation préféré, l'invention concerne un procédé
d'opération d'un four
à flamme comportant une chambre de combustion (2), procédé dans lequel :
- on injecte un oxydant principal et de la matière combustible à des débits
régulés dans la chambre de combustion (2),
- on brûle la matière combustible avec l'oxydant principal dans la chambre de
combustion (2) en produisant de l'énergie thermique et des fumées (6) à une
température
supérieure à 600 C dans la chambre de combustion (2),
- on évacue les fumées (6) ainsi produites de la chambre de combustion (2) par
un conduit d'évacuation (13), lesdites fumées évacuées (6) pouvant contenir
des matières
oxydables résiduelles, ledit conduit d'évacuation (13) étant muni d'une entrée
d'oxydant de
dilution (14) en aval de la chambre de combustion (2),
- on brûle les matières oxydables résiduelles avec l'oxydant de dilution au
moyen d'une flamme (12) au niveau de l'entrée d'oxydant de dilution (14) dans
le conduit
d'évacuation (13),
le procédé étant caractérisé en ce que:
- on détecte l'intensité de flamme à l'intérieur du conduit d'évacuation
(13),
- on régule le débit d'injection d'oxydant principal, et éventuellement le
débit
d'injection de matière combustible, dans la chambre de combustion (2) en
fonction de
l'intensité de flamme détectée.
Selon cette forme de réalisation, on injecte dans la chambre de combustion de
l'oxydant principal et de la matière combustible à des débits régulés, on
brûle la matière
combustible avec l'oxydant principal dans la chambre de combustion en
produisant de
l'énergie thermique et des fumées à une température supérieure à 600 C dans la
chambre de
combustion, et on évacue les fumées ainsi produites de la chambre de
combustion par un
conduit d'évacuation. Comme indiqué ci-dessus, les fumées évacuées peuvent
contenir
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des matières oxydables résiduelles. Le conduit d'évacuation est muni d'une
entrée
d'oxydant de dilution en aval de la chambre de combustion. On brûle les
matières
oxydables résiduelles des fumées avec l'oxydant de dilution avec obtention
d'une flamme
à l'intérieur du conduit d'évacuation au niveau de l'entrée d'oxydant de
dilution. Selon
l'invention, on détecte l'intensité de flamme à l'intérieur du conduit
d'évacuation et on
régule le débit d'injection d'oxydant principal dans la zone de combustion en
fonction de
l'intensité de flamme détectée.
Il est également possible de réguler le débit d'injection d'oxydant principal
et le
débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion en
fonction de
l'intensité de flamme détectée.
De manière avantageuse, on réduit le rapport entre le débit d'injection
d'oxydant
principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de
combustion
quand l'intensité de flamme détectée à l'intérieur du conduit d'évacuation est
inférieure à
une limite inférieure prédéterminée et on augmente le rapport entre le débit
d'injection
d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la
chambre de
combustion quand l'intensité de la flamme détectée est supérieure à une limite
supérieure
prédéterminée.
Il est notamment possible (a) de réduire le rapport entre le débit d'injection
d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la
chambre de
combustion quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite
inférieure
pendant une durée prédéterminée Atl, et (b) d'augmenter le rapport entre le
débit
d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible
dans la
chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée à l'intérieur du
conduit
d'évacuation est supérieure à la limite supérieure pendant une durée
prédéterminée At2. Il
est également possible (a) de réduire le rapport entre le débit d'injection
oxydant principal
et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion
quand la
valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée à l'intérieur du conduit
d'évacuation
pendant la durée prédéterminée Atl est inférieure à la limite inférieure, et
(b) d'augmenter
le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit
d'injection de matière
combustible dans la chambre de combustion quand la valeur moyenne de
l'intensité de
flamme détectée pendant la durée prédéterminée At2 est supérieure à la limite
supérieure.
Le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit
d'injection de
matière combustible dans la chambre de combustion peut être modifié en
changeant le
débit d'injection d'oxydant principal par rapport au débit d'injection de
matière
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combustible prédéterminé, ou en changeant (a) le débit d'injection d'oxydant
principal et
(b) le débit d'injection de matière combustible. Il est toutefois à noter que
le débit
d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion est souvent
régulé en
fonction du besoin d'énergie thermique dans la chambre de combustion.
Suivant une forme de réalisation, la chambre de combustion est équipée d'au
moins
une lance pour l'injection d'un débit régulé d'oxydant principal. La chambre
de
combustion peut également être équipée d'au moins un brûleur pour l'injection
d'un débit
régulé d'oxydant principal et d'un débit régulé de matière combustible. La
chambre de
combustion peut également comprendre au moins une telle lance et au moins un
tel
brûleur.
Le procédé peut être un procédé batch, un procédé semi-batch ou un procédé
d'alimentation continu.
La chambre de combustion peut être la chambre de combustion d'un four à arc,
d'un four rotatif, d'un four de fusion fixe, d'un four de réchauffage, d'une
chaudière, une
chambre de post-combustion d'effluents gazeux, etc.
Le procédé peut être un procédé de fusion ou de vitrification, et en
particulier un
procédé de fusion secondaire de métaux récupérés, un procédé de combustion de
déchets
solides, liquides ou gazeux, un procédé de post-combustion d'effluents gazeux,
un procédé
de réchauffage, tel que le réchauffage de produits métallurgiques, etc.
L'entrée d'oxydant de dilution est typiquement une entrée d'air ambiant dans
le
conduit d'évacuation (en anglais : air gap ), mais peu également 'être un
injecteur
d'oxydant, tel qu'un injecteur d'air enrichi d'oxygène ou d'oxygène.
Le détecteur de flamme est avantageusement un détecteur optique et notamment
un
détecteur optique choisi parmi les détecteurs ultraviolets, les détecteurs
infrarouges et les
détecteurs de radiation visible. Le détecteur est de préférence un détecteur
infrarouge ou
un détecteur ultraviolet.
Pour éviter une interférence par la combustion, dite combustion principale,
qui a
lieu à l'intérieur de la chambre de combustion, on détecte la flamme à
l'intérieur du
conduit d'évacuation de préférence à un endroit à l'abri de la combustion
principale.
Pour mieux séparer la zone de détection à l'intérieur du conduit d'évacuation
de la
chambre principale, le conduit d'évacuation peut être muni d'un coude. La
détection de
flamme a lieu alors de préférence en aval de ce coude. L'entrée d'oxydant de
dilution se
situe avantageusement immédiatement en amont, dans ou en aval du coude, de
manière à
8
ce que la flamme générée par la combustion des matières oxydables dans les
fumées avec
l'oxydant de dilution se développent au moins principalement en aval du coude.
Quand le four présente une géométrie empêchant une interférence entre la
combustion principale et le détecteur de flamme ou si le four comporte des
éléments formant
un écran entre la combustion principale et le détecteur de flamme, un tel
coude n'est pas
nécessaire.
La présente invention concerne également un four à flamme adapté pour la mise
en
oeuvre du procédé décrit ci-dessus.
Selon un mode de réalisation préféré, l'invention concerne un four à flamme
comportant
- une chambre de combustion (2),
- un moyen (15, 24) pour l'injection d'oxydant principal à un débit régulé
dans la
chambre de combustion (2), et
- un conduit (13) pour l'évacuation de fumées (6) de ladite chambre de
combustion (2), ledit conduit (13) comportant une entrée d'oxydant de dilution
(14) en aval
de la chambre de combustion (2),
le four étant caractérisé en ce qu'il comporte également :
- un détecteur (10) pour détecter une intensité de flamme au niveau de
l'entrée
d'oxygène de dilution (14) à l'intérieur du conduit d'évacuation (13).
Ainsi, l'invention concerne plus particulièrement un four à flamme comportant
une
chambre de combustion, un moyen pour l'injection d'oxydant principal à un
débit régulé
dans cette chambre de combustion et un conduit pour l'évacuation de fumées de
ladite
chambre de combustion. Le conduit d'évacuation comporte une entrée d'oxydant
de dilution
en aval de la chambre de combustion. Le four à flamme de l'invention comporte
également
un détecteur pour détecter une intensité de flamme à l'intérieur du conduit
d'évacuation au
niveau de l'entrée d'oxygène de dilution. Le détecteur est positionné et
orienté de manière à
éviter que la combustion principale fausse l'intensité de flamme détectée.
Le conduit d'évacuation peut en particulier comporter un coude comme mentionné
ci-dessus. Concernant le procédé suivant l'invention, le détecteur de flamme
est alors de
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8a
préférence positionné en aval de ce coude. De manière avantageuse, l'entrée
d'oxydant de
dilution est positionné immédiatement en amont, dans ou en aval du coude du
conduit
d'évacuation.
Le four comprend avantageusement une unité de contrôle liée au détecteur et au
moyen pour l'injection d'oxydant principal. Cette unité de contrôle est
programmée :
pour comparer l'intensité de flamme détectée par le détecteur à
l'intérieur du conduit d'évacuation avec une limite inférieure prédéterminée
et une limite supérieure prédéterminée,
pour réduire le débit d'injection d'oxydant principal dans la
chambre de combustion par le moyen d'injection d'oxydant principal quand
l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure
prédéterminée, et
pour augmenter le débit d'injection d'oxydant principal dans la
chambre de combustion par le moyen d'injection d'oxydant principal ______
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quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à une limite supérieure
prédéterminée.
L'unité de contrôle peut plus particulièrement être programmée :
pour réduire le débit d'injection d'oxydant principal dans la
chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est inférieure
à la limite inférieure pendant une période prédéterminée Atl et/ou quand la
valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant une période
prédéterminée Atl est inférieure à la limite inférieure pendant la période
prédéterminée At1, et
pour augmenter le débit d'injection d'oxydant principal dans
la chambre de combustion quand l'intensité de la flamme détectée est
supérieure à la limite supérieure pendant une période prédéterminée At2
et/ou quand la valeur moyenne de l'intensité de la flamme détectée pendant
la période prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure pendant
une période prédéterminée At2.
Le four suivant l'invention peut également comporter un moyen pour l'injection
de
matière combustible à un débit régulé dans la chambre de combustion.
Dans ce cas, le four à flamme comporte de préférence une unité de contrôle
liée (a)
au détecteur, (b) au moyen pour l'injection d'oxydant principal dans la
chambre de
combustion, et (c) au moyen pour l'injection de matière combustible dans la
chambre de
combustion. Cette unité de contrôle est programmée (i) pour comparer
l'intensité de
flamme détectée par le détecteur à l'intérieur du conduit d'évacuation avec
une limite
inférieure prédéterminée et une limite supérieure prédéterminée, (ii) pour
réduire le rapport
entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de
matière combustible
dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est
inférieure à la
limite inférieure prédéterminée, et (iii) pour augmenter le rapport entre le
débit d'injection
d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la
chambre de
combustion quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à une limite
supérieure
prédéterminée.
Suivant une forme de réalisation préférée, l'unité de contrôle est plus
particulièrement programmée :
pour réduire le rapport entre le débit d'injection d'oxydant
principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de
combustion quand l'intensité de flamme détectée à l'intérieur du conduit
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d'évacuation est inférieure à la limite inférieure pendant une période
prédéterminée Atl et/ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme
détectée pendant la durée prédéterminée Atl est inférieure à la limite
inférieure, et
pour augmenter le rapport entre le débit d'injection
d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la
chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est supérieure
à la limite supérieure pendant une période prédéterminée At2 et/ou quand la
valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée
prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure.
Pour faire varier le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et
le débit
d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion, l'unité de
contrôle fera
avantageusement varier le débit d'injection d'oxydant principal en fonction du
débit
d'injection de la matière combustible. Il est toutefois également possible
pour l'unité de
contrôle de faire varier le rapport entre le débit d'injection d'oxydant
principal et le débit
d'injection de matière combustible en régulant le débit d'injection de
l'oxydant principal et
le débit d'injection de la matière combustible. Dans ce cas, l'unité de
contrôle peut, par
exemple, dans le cas d'une intensité de flamme inférieure à la limite
inférieure
prédéterminée, réduire le rapport entre le débit d'injection d'oxydant
principal et le débit
d'injection de matière combustible en augmentant le débit d'injection de
matière
combustible à un débit d'injection d'oxydant principal inchangé.
Le moyen d'injection d'oxydant principal du four peut comporter une ou
plusieurs
lances pour l'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion.
Le moyen d'injection de matière combustible du four peut comporter une ou
plusieurs lances pour l'injection de matière combustible dans la chambre de
combustion.
Le four peut également comprendre un ou plusieurs brûleurs pour l'injection de
matières combustibles et d'oxydant principal dans la chambre de combustion. Un
tel
brûleur fait donc d'une part, partie du moyen pour l'injection d'oxydant
principal et
d'autre part, du moyen pour l'injection de matière combustible du four.
Le four suivant l'invention peut être un four pour procédé batch, pour procédé
semi-batch ou pour procédé continu.
Le four peut notamment être un four à arc, un four rotatif, un four de fusion
fixe,
un four de réchauffage, tel qu'un four de réchauffage pour produits
métallurgiques, une
chaudière, une chambre de post-combustion d'effluents gazeux, etc.
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WO 2011/131880 11 PCT/FR2011/050703
Le four peut être un four de fusion ou de vitrification, et en particulier un
four de
fusion secondaire de métaux récupérés, un incinérateur de déchets solides,
liquides ou
gazeux, etc.
L'entrée d'oxydant de dilution est typiquement une entrée d'air ambiant dans
le
conduit d'évacuation (en anglais : air gap ), mais peu également être un
injecteur
d'oxydant, tel qu'un injecteur d'air enrichi d'oxygène ou un injecteur
d'oxygène.
Le détecteur de flamme est de préférence un détecteur optique et en
particulier un
détecteur optique choisi parmi les détecteurs ultraviolets, les détecteurs
infrarouges et les
détecteurs de radiation visible.
La matière combustible injectée dans la chambre de combustion peut être un
combustible gazeux, liquide ou solide (par exemple : gaz naturel, fuel
liquide, propane,
bio-combustible, charbon pulvérisé) ou une combinaison de plusieurs
combustibles. Cette
matière combustible peut être injectée en sus de matière combustible
introduite dans la
chambre de combustion avec la charge, celle-ci pouvant être mélangée avec la
charge
avant son introduction dans la chambre de combustion et/ou pouvant faire
partie
intrinsèque de la charge.
L'oxydant principal peut être de l'air, de l'air enrichi en oxygène, de
l'oxygène pur
(ayant par définition une teneur en oxygène de 88% à 100%vol) ou un mélange
d'oxygène
avec des fumées recyclées. Dans les derniers cas (air enrichi en oxygène et en
particulier
oxygène pur ou mélange d'oxygène avec des fumées recyclées), on bénéficie d'un
volume
de fumées et une consommation de combustibles réduits.
L'invention est particulièrement utile pour les fours à flamme utilisés pour
la
seconde fusion des métaux. La seconde fusion désigne la fusion de matériaux
recyclés ou
issus de la métallurgie primaire (par exemple : de la fonte issue d'un haut
fourneau).
Les métaux considérés sont par exemple : la fonte, le plomb, l'aluminium, le
cuivre, ou tout autre métal pouvant être fondu dans un four à flamme.
La charge métallique peut également être chargée dans le four en mélange avec
des
matières combustibles composées d'une forte proportion de carbone (plastique,
coke, ...).
Ces matières combustibles peuvent être présentes dans la charge métallique
(par exemple
dans le cas du recyclage de l'aluminium) et/ou ajoutées intentionnellement à
la charge
pour le besoin du procédé de fusion (par exemple dans le cas de la réaction de
désoxydation pour le recyclage du plomb).
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La présente invention et ses avantages apparaissent plus clairement dans
l'exemple
illustratif ci-après, référence étant faite à la figure 1 qui représente de
manière schématique
un four de fusion à flamme suivant l'invention.
Le four est plus particulièrement un four rotatif pour la fusion secondaire de
plomb
avec une chambre de combustion 2 d'une capacité de 15t.
Le four est équipé d'un brûleur 24 gaz naturel/oxygène qui génère la flamme 11
dans la chambre de combustion 2. La puissance du brûleur 24 et le ratio
oxygène/gaz
naturel sont contrôlés par l'automatisme du four (dispositif de contrôle 20
relié au
régulateur de débit d'oxygène 15 et au régulateur de débit de gaz naturel 17)
en fonction
de l'avancement du cycle de chauffe, tel que décrit ci-après.
La charge 30 est constituée de déchets de plomb provenant du broyage de
batterie
automobile. Une part importante de ce plomb se présente sous la forme d'une
pâte
d'oxyde (Pb0, Pb02...) et de sulfate de plomb (PbSO4 ...). A cette charge
métallique sont
ajoutées des matières nécessaires à la réduction des oxydes en partie
constitués de coke
(comportant une forte teneur en carbone), également appelés réactifs .
Le procédé de recyclage du plomb consiste à chauffer la charge 30, et à
ensuite
maintenir la charge chaude au contact des réactifs afin d'obtenir du plomb
liquide 4 et un
laitier qui fixe les impuretés et le soufre présent dans le sulfate de plomb.
Le four est à fonctionnement discontinu. La chambre de combustion 2 est
chargée
au début de chaque cycle. Le brûleur 24 est ensuite allumé et sa puissance
modulée par le
dispositif de contrôle 20 pour que la température de la charge suive un cycle
de chauffe qui
a été déterminé de manière empirique.
Au cours de l'étape de chauffage, une part importante du carbone présent dans
la
charge solide 30 réagit avec l'atmosphère de la chambre de combustion rotative
2
constituée essentiellement de la fumée chaude produite par le brûleur 24.
Cette réaction produit du CO et de 1'H2 par la réaction suivante entre une
partie de
la fumée et une partie du carbone de la charge, dont les mécanismes peuvent
schématiquement être présentés comme suit :
CO2 + C 2.00
H20 + C H2 + C 0 .
Pour limiter la formation de CO dans l'atmosphère de la chambre 2, il est
possible
de prèrégler le brûleur 24 afin d'injecter un excès d'oxygène dans la chambre
2.
Cependant, le taux de réaction du carbone présent dans la charge solide 30
avec
l'atmosphère du four varie en fonction des différents paramètres du procédé,
tels que
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notamment la composition de la charge qui varie en fonction de la provenance
des lots à
recycler.
Pour une charge de 15t, la puissance du brûleur 24 sera par exemple réglée
entre 1
et 1,5 MW selon l'avancement du cycle de chauffe. En milieu de cycle, le
brûleur est par
exemple réglé pour une puissance de 1,3 MW avec les débits suivants :
- gaz naturel 130 Nm3/h
- oxygène pur 270 Nm3/h.
Une analyse des fumées 6 sortant de la chambre 2 révèle la composition
suivante :
- CO2 : 56% / CO : 25% / H2 : 4% reste N2.
Le CO et le H2 des fumées brûlent avec de l'air de dilution dans la flamme 12
à
l'intérieure de la cheminée 13 qui comporte un coude en aval et à proximité de
la chambre
2. L'air de dilution est de l'air ambiant qui entre dans la cheminée 13 par
l'ouverture 14
prévue à cet effet en aval du coude. Cet air de dilution permet la combustion
du CO en
CO2 et le refroidissement des fumées avant la filtration (non-illustrée) qui
précède
l'évacuation des fumées. Un niveau de CO trop important dans les fumées 6 a
plusieurs
inconvénients :
- une combustion incomplète du CO dans la cheminée 13, et donc une
émission de CO résiduelle à la cheminée 13,
- une élévation très importante de la température des fumées dans la
cheminée 13 ne permettant pas un passage de fumées dans le filtre en aval
(non illustré), d'où la baisse forcée de la puissance du brûleur 24, voire
l'arrêt du brûleur 24 sur sécurité température, afin de permettre une
filtration et le respect des normes environnementales, et
- une surconsommation de combustible et donc une baisse de rendement
énergétique dans le four, car les réactions CO2 + C -> 2.00 et H20 + C ->
H2 CO sont endothermiques.
La détection suivant l'invention au moyen du détecteur UV 10 de la gamme D-
LX100 commercialisée par la société Durag de l'intensité de la flamme 12 de
combustion
du mélange CO + H, avec l'air de dilution juste après la sortie 5 du four
permet de corriger
le réglage du brûleur 24 en agissant sur le ratio Oxygène / Gaz Naturel . A
cette fin, le
détecteur 10 transmet au dispositif de contrôle 20 un signal correspondant à
l'intensité de
flamme détectée.
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Le coude de la cheminée 13 et le positionnement du détecteur UV10 par rapport
audit coude assure que le détecteur UV10 détecte uniquement l'intensité de la
flamme 12 à
l'intérieur de la cheminée 13 sans interférence du rayonnement UV de la
combustion à
l'intérieur de la chambre de combustion 2.
L'invention permet, par exemple, au dispositif de contrôle 20, notamment quand
l'intensité de cette combustion dans la cheminée 13 dépasse une limite
supérieure
expérimentalement prédéterminée :
- d'augmenter au moyen du régulateur de débit d'oxygène 15 le débit
d'oxygène à 340 Nm3/h et de conserver le débit de gaz naturel inchangé à
130 Nm3/h,
- de diminuer au moyen du régulateur de débit de combustible 17 le débit de
combustible à 95 Nm3/h et de conserver le débit d'oxygène inchangé à 270
Nm3/h, et
- de moduler les deux débits en augmentant le débit d'oxygène à 300 Nm3/h
au moyen du régulateur 15 et en diminuant le débit de gaz naturel à 110
Nm3/h au moyen du régulateur 17.
Dans les trois cas, le brûleur 24 injecte un excès de 70 Nm3/h d'oxygène, par
rapport au réglage initial. Cet excès d'oxygène est alors disponible pour la
combustion à
l'intérieur du four 2 des matières combustibles libérées par la charge.
Dès que le débit de libération de matière combustible par la charge diminue, à
la
suite de l'évolution du cycle, l'intensité de la combustion de CO et de H,
dans la cheminée
13 diminue et l'intensité de la flamme 12 détectée par le détecteur 10 diminue
donc
également.
Il est alors possible de ramener progressivement les débits oxygène et gaz
naturel
du brûleur 24 aux débits initiaux ou de base prédéterminés et de réduire ainsi
le ratio
oxygène / gaz naturel.
Ce réglage du ratio oxygène / gaz naturel se fait en dynamique en fonction de
l'intensité de la post combustion de la fumée dans la cheminée 13 (intensité
de la flamme
12 détectée).
Le rendement énergétique du four 2 s'en trouve amélioré de manière
significative
et le traitement efficace des fumées, notamment leur filtrage, est assuré.
