EP0661499A1 - Réglage en temps réel d'un brûleur à gaz de caractéristiques variables, notamment pour four de réchauffage métallurgique - Google Patents

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EP0661499A1
EP0661499A1 EP94470038A EP94470038A EP0661499A1 EP 0661499 A1 EP0661499 A1 EP 0661499A1 EP 94470038 A EP94470038 A EP 94470038A EP 94470038 A EP94470038 A EP 94470038A EP 0661499 A1 EP0661499 A1 EP 0661499A1
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EP
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combustion
burner
fuel
content
pco
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EP94470038A
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Serge Silvestrini
Jean-Claude Dieuloufet
Philippe Domini
Patrick Hug
Gérard Griffay
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Sollac SA
Original Assignee
Sollac SA
Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C21D1/34—Methods of heating
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/16—Spectrometer burners

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for real-time adjustment of a burner supplied with a fuel with variable characteristics.
  • This gaseous mixture is produced in principle to obtain thermal properties of a determined level, such as the PCI (Lower Calorific Power), the PCO (Comburivorous Power) which is deduced therefrom, or the Wobbe index for example.
  • the composition of the gaseous mixture can undergo fluctuations resulting from variations in the operation of the reactors which supply the components.
  • the hydrogen content fluctuates quite commonly, because the different sources of supply of this gas mixture do not have a constant composition over time.
  • these compositions fluctuate, a slight change, in particular in the composition of the coke oven gas (which is rich in hydrogen) has appreciable repercussions on its PCO among other things.
  • the latter must be known permanently with good precision if one wishes in particular to ensure a determined temperature in the enclosure of the reheating oven, which can also be modified by adjusting the combustion air flow. with which the burners are fitted.
  • the content of impurities, in particular sulfur fluctuates for the same reasons over time, which causes fluctuations in the composition, in particular in sulfur oxides, of the combustion gases and, therefore, of the atmosphere of the reheating ovens.
  • the problem therefore consists in controlling the combustion of a gaseous mixture, moreover charged with dust, and the characteristics of which can quickly vary randomly around average values (lower calorific value, comburivorous power, density, sulfur content, etc. ..).
  • the problem also consists in controlling the mixing of the different co-produced combustible gases, the impurity contents of which are generally very different, so that the content of impurities, in particular sulfur oxides, in the atmosphere of the reheating furnaces is constant or be kept below a predetermined limit.
  • the invention aims to provide a system capable of solving the problems posed while eliminating the above drawbacks of the known prior devices.
  • This instruction is advantageously a "correction coefficient" of the combustion air flow rate calculated from the instantaneous actual measured PCO / standard PCO ratio, this standard PCO being that corresponding to the standard composition of the fuel around which the real composition is likely to fluctuate.
  • said quantity measured is the content of sulfur oxides in the fumes and action is taken on the adjustment of the burner supply by modifying the mixing proportions of said fuels to maintain said sulfur oxide content in the vicinity of said predetermined reference value.
  • the adjustment means make it possible to control the flow of fuel and the flow of combustion air and the calculation unit evaluates the actual instantaneous thermal properties of the fuel.
  • the adjustment means make it possible to control the proportions of the mixture of combustibles and the means for measuring said representative quantity are a probe for measuring the content of sulfur oxides in the fumes.
  • the invention thus provides to supply the correctometer burner disposed at the end of the combustion tunnel with air and fuel regulated at controlled flow rates, and to correlate in a simple manner the quantity measured with the real-time adjustment of the supply of the reheating oven burners.
  • the instantaneous variations of a fuel property, such as its PCO or its impurity content, caused by fluctuations in its composition are measured to determine, and apply instantly, the corrections to be made to the fuel. burner supply.
  • the correction is applied to the flow rate of combustion air entering the furnace burner (s), to allow the power delivered by this burner to be kept constant, despite the hazards of the combustible PCO which supplies it.
  • the correction is applied to the mixture of combustibles, to enable the content of sulfur-containing impurities in the atmosphere of the atmosphere to be maintained in the vicinity of a predetermined reference value.
  • metallurgical furnace when the fuel is an adjustable mixture, the correction is applied to the mixture of combustibles, to enable the content of sulfur-containing impurities in the atmosphere of the atmosphere to be maintained in the vicinity of a predetermined reference value.
  • the invention solves the problem posed by means of a simple, economical and robust system, not very sensitive to the environment, requiring only reduced maintenance and a very low operating cost.
  • the burner used is capable of developing a power of at least 100 th / h, otherwise the quantity measured cannot be correctly evaluated in the fumes and the invention. produces results that cannot be used industrially.
  • the installation shown diagrammatically in FIG. 1 comprises a metallurgical furnace M for reheating steel semi-finished products, for example steel slabs, equipped, in known manner, with one or more burners 1, supplied with combustible gas (g ) from a source of gaseous fuel 2 by means of a gas flow control 3 controlled by a setpoint Co given by the driver of the heating furnace M.
  • the combustion air inlet (a) in the burner 1 is controlled by a flow control 4 connected to the atmosphere by an external outlet F5.
  • the air flow (a) is continuously adjusted to the gas flow (g) using a setpoint signal C1 which the gas control 3 sends to the air control 4. This makes it possible to adjust the heating power of the burners while ensuring that the conditions of complete combustion are respected.
  • the "correctometer” 5 takes its place in this assembly between the gas source 2 and the air flow control 4.
  • This correctometer 5 essentially consists of a furnace-comburimeter 6 and a calculation unit 10.
  • the comburimeter 6 comprises, as will be seen in more detail below, a mini-burner 7 with a nominal power of at least 100 th / h and opening into a combustion chamber 8 in the form of a tunnel, provided at its other end with the sensor of a probe analyzer 9.
  • the burner (preferably at high pulse to promote obtaining homogeneous fumes) receives on an input a constant and perfectly controlled mass flow of combustible gas F2, coming from source 2 and, on its other inlet, a corresponding flow of external oxidizing air F1 also under a constant and perfectly known mass flow, but in excess compared to requirements stoichiometric combustion of the gas flow F2.
  • the combustion tunnel 8 is open at its end opposite that of the burner 7 to allow evacuation to the atmosphere F3 (or else in the reheating furnace M itself) of the combustion products.
  • the latter are analyzed before evacuation by the probe 9 which determines the content of free oxygen.
  • the measurement by the probe 9 of the residual O2 in the combustion products reflects, as will be seen, the difference in stoichiometry.
  • the value of this measurement is used by the computer 10 to determine a thermal characteristic of the gas, taken in its real state, like its instantaneous PCO, and to develop a signal C2, here in the form of a correction coefficient to be applied to the flow rate setpoint. of air (a) of control 4, which is set to the standard PCO value of the gas to be burned.
  • the quantity representative of the deviation from stoichiometry may be other than the residual oxygen content in the flue gases after complete combustion, these measurements being carried out by probes known per se and which do not require a more detailed description to be understood and put implemented by the skilled person.
  • the variations in the composition of the gas cause correlative and immediate fluctuations in the magnitude representative of the difference in stoichiometry corresponding to these variations during combustion with excess. of air.
  • the fluctuations of this representative quantity in real time, it is possible to deduce therefrom, knowing the flow rates of combustion air and combustible gas in the comburimeter, the fluctuations in the composition of the combustible gas.
  • a simple calculation giving its instantaneous PCO value, it is therefore possible to adjust in real time the set value of control 4 of the combustion air inlet flow rate in the burners of the reheating oven, in order to maintain in the latter the conditions of a desired stoichiometric or other combustion.
  • the instantaneous real PCO (or the correlative correction coefficient which is used to act on the command setpoint 4) can be determined either by calculation, or by reading of pre-established charts with the same relative air flows and gases for different values of the representative quantity.
  • the burners of the reheating oven are set for a given standard PCO of the gas to be burned.
  • the combustion air flow is adjusted to this standard PCO to ensure desired combustion, even when varies the flow of combustible gas, for example to modify the temperature of the oven by acting on the calorific power delivered by the burners. It is therefore necessary, in order to maintain the desired quality of combustion, that the flow of oxidizing air (a) instantly follows the possible modifications that are imposed by the setpoint Co on control 3 of the flow of gas to be burned (g).
  • the correctometer 5, according to the invention intervenes at the 2nd, finer level, to correct the effects of fluctuations in the composition of the gas which modify its thermal properties, for example its real PCO without being immediately aware of it. .
  • Figure 2 shows an embodiment of the comburimeter oven 6 according to the invention.
  • This device comprises the combustion tunnel chamber 8, of sufficient length so that the combustion of the gas, initiated at one end, is completed at the opposite end, and the mini-burner 7 provided at one end of the tunnel 8.
  • Devices not shown allow the mass flow of gas to be adjusted to a predetermined value. constant as well as the combustion air flow.
  • the tunnel 8 is thermally insulated by means of two superimposed layers 14 and 15 of insulation interposed between the wall of the combustion chamber 8 and the outer casing 16 of the comburimeter 6.
  • a probe analyzer 9 for measuring the residual oxygen content of the combustion fumes passes through the casing 16 and the two layers of insulation 14, 15.
  • the combustion chamber 8 has in practice a length of about one meter, not much more, but in any case sufficient to ensure that combustion is completed at the level of the probe 9, which is for example a zirconium probe of the type known.
  • the characteristics of the gas are likely to fluctuate around those of the gas taken in its standard state.
  • the installation is identical to that previously described, except that the source of gaseous fuel 2 is an adjustable mixer supplied with several gaseous fuels co-produced in different reactors of a steel plant.
  • Gaseous fuels contain different levels of sulfur impurities depending on the type of reactor from which they come.
  • the value of the sulfur content of each gaseous fuel is known on average, by means of analysis known in themselves.
  • the "correctometer” 5 according to the invention is as previously supplied by the source 2 which is an adjustable mixer and sends an adjustment instruction to said mixer.
  • the "correctometer" 5 is identical to the previously described correctometer, except that the probe 9 measures the sulfur oxide content of the combustion gases from the burner 7.
  • the value of this measurement is used by the computer 10 to determine the setpoint to be sent with the gaseous fuel mixer, in order to maintain said sulfur oxide content in the vicinity of a predetermined reference value.
  • the computer 10 evaluates said setpoint as a function, in particular, of the known average sulfur levels of each gaseous fuel.
  • the advantage of the method according to the invention is that the result of the measurement does not depend on possible interactions in different combustion zones of the installation, does not depend on unexpected air inlets in the installation, emissions or possible absorption by steel products placed in the furnace.
  • the invention allows not only to optimize the operation of the burners 1 of the oven, but also to control the atmosphere of the oven, which has a decisive advantage. Indeed, like the sulfur character of this atmosphere, the more or less oxidizing character has a decisive influence on the quality of the rolled products. If the burner's operation is not sufficiently controlled, a drop, for example, in the hydrogen content in the combustible gas mixture will lead to an increase in the excess air in the combustion fumes, therefore in the atmosphere of the oven . This excess of combustion air, not only will modify the heating temperature, but above all, by the corresponding increase in the O2 content of the furnace atmosphere, has a detrimental influence on the metallurgical quality of the products obtained after rolling, far downstream.
  • the method and the device according to the invention have the essential advantage of making it possible in real time to modify the supply regulation set point for the burners of the oven, which was not possible with the prior techniques recalled at the start.
  • the composition of the furnace atmosphere is therefore checked instantly.
  • the invention also allows very precise counting of the thermies used by the burners 1 whatever the variations in the characteristics of the fuel used.
  • the method and the device according to the invention make it possible to carry out measurements (in particular oxygen and sulfur content, flow rate, pressure, etc.) in a very accessible, in places far from the heating enclosure and by easily removable devices for possible maintenance.

Abstract

Le système prélève sur le courant de combustible alimentant le brûleur 1 du four M un débit donné F2 dont la combustion développe une puissance d'au moins 100 th/h, que l'on brûle avec débit d'air comburant F1 déterminé mais en excès dans un comburimètre 6, on mesure, dans les fumées de combustion complète à l'aide d'une sonde 9, une grandeur représentative de la teneur de l'un au moins des composants des fumées et, à partir de cette grandeur, on détermine dans une unité de calcul 10, une consigne d'alimentation du brûleur 1, notamment le débit d'entrée d'air comburant (a) ou les proportions de mélange de plusieurs gaz combustibles d'alimentation. Ce système fonctionne en parallèle et simultanément avec le four de réchauffage M. Il permet de corriger en instantané les consignes d'alimentation des brûleurs du four pour les ajuster en temps réel aux fluctuations des caractéristiques des combustibles tels que les gaz industriels couramment utilisés à cette fin. <IMAGE>

Description

  • La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de réglage en temps réel d'un brûleur alimenté avec un combustible à caractéristiques variables.
  • Comme on le sait, il est nécessaire de réchauffer les demi-produits sidérurgiques devant être laminés, ce qui est effectué dans des fours de réchauffage.
  • Dans le cas des usines sidérurgiques dites "intégrées" (c'est-à-dire celles qui assurent par elles-mêmes l'ensemble des opérations nécessaires à la fabrication de l'acier depuis la préparation des minerais jusqu'au laminage des demi-produits), I'énergie utilisée provient le plus souvent de gaz combustibles co-produits dans différents réacteurs de l'usine sidérurgique elle-même. C'est ainsi que dans les brûleurs de fours de réchauffage de produits sidérurgiques, on utilise classiquement un mélange gazeux provenant des émissions d'une cokerie, de hauts-fourneaux, et de I'aciérie, chacune de ces sources fournissant un gaz, de teneur différente en éléments combustibles, comme l'hydrogène par exemple, et de teneurs différentes en impuretés, notamment de soufre, et quelque peu chargé de poussières, malgré les filtrages subis.
  • Ce mélange gazeux est réalisé en principe pour obtenir des propriétés thermiques de niveau déterminé, comme le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur), le PCO (Pouvoir comburivore) qui s'en déduit, ou l'indice de Wobbe par exemple. Mais la composition du mélange gazeux peut subir des fluctuations résultant des variations de marche des réacteurs qui fournissent les composants. Ainsi, par exemple, la teneur en hydrogène fluctue assez couramment, car les différentes sources d'approvisionnement de ce mélange gazeux n'ont pas une composition constante avec le temps. Lorsque ces compositions fluctuent, un faible changement, en particulier de la composition du gaz de cokerie (qui est riche en hydrogène) entraîne des répercussions sensibles sur son PCO entre autre. Or, ce dernier doit être connu en permanence avec une bonne précision si l'on veut notamment assurer une température déterminée dans l'enceinte du four de réchauffage, que l'on peut d'ailleurs modifier grâce au réglage du débit d'air comburant dont sont pourvus les brûleurs.
  • Ainsi, également, la teneur en impuretés, notamment de soufre, fluctue pour les mêmes raisons avec le temps, ce qui entraîne des fluctuations de la composition, notamment en oxydes de soufre, des gaz de combustion et, donc, de l'atmosphère des fours de réchauffage.
  • On a constaté qu'une teneur trop forte en impuretés, notamment d'oxydes de soufre, dans l'atmosphère de four de réchauffage contenant des produits sidérurgiques entrainaît l'apparition de défauts à la surface desdits produits sidérurgiques, notamment lorsqu'ils sont en acier inoxydable austénitique.
  • Le problème consiste donc à maîtriser la combustion d'un mélange gazeux, au demeurant chargé de poussières, et dont les caractéristiques peuvent rapidement varier de façon aléatoire autour de valeurs moyennes (pouvoir calorifique inférieur, pouvoir comburivore, densité, teneur en soufre, etc...).
  • Le problème consiste également à maîtriser le mélange des différents gaz combustibles co-produits, dont les teneurs en impuretés sont généralement très différentes, de telle sorte que la teneur en impuretés, notamment en oxydes de soufre, dans l'atmosphère des fours de réchauffage soit constante ou soit maintenue en deçà d'une limite prédéterminée.
  • A cet effet, on a déjà proposé des dispositifs appelés "comburimètres", "wobbmètres" et des batteries d'analyseurs. Ces systèmes atteignent théoriquement le but fixé, mais, dans le cas d'utilisation de combustibles de caractéristiques très variables et/ou chargés en impuretés, ils apparaissent soit inefficaces, soit présentent des inconvénients dans l'exploitation, soit les deux. Ainsi, les comburimètres sont sensibles aux taux d'humidité élevés et aux impuretés, et par conséquent inutilisables avec des gaz sidérurgiques sans un entretien constant. Les wobbmètres ont des temps de réponse longs et une précision médiocre, qui s'ajoutent aux problèmes d'humidité et d'impuretés. Enfin, les batteries d'analyseurs sont des appareils techniquement très sophistiqués, avec système de prélèvement et de traitement du gaz avant analyse, exigeant un entretien suivi par du personnel qualifié. Leur coût est très élevé et ils sont sensibles à la corrosion si les gaz contiennent du soufre.
  • L'invention a pour but de réaliser un système capable de résoudre les problèmes posés tout en éliminant les inconvénients ci-dessus des dispositifs antérieurs connus.
  • Conformément à l'invention, le procédé de réglage en temps réel d'un brûleur de four alimenté avec un combustible gazeux de caractéristiques variables autour d'un état standard et avec un débit d'air comburant réglable, est caractérisé en ce qu'au cours de la marche du brûleur :
    • on prélève sur le courant de combustible alimentant le brûleur un débit de combustible donné dont la combustion complète produit une puissance d'au moins 100 thermies/h,
    • on brûle ce débit de combustible avec un débit d'air donné en excès de manière à assurer la combustion complète du combustible,
    • on mesure dans les fumées de combustion la valeur d'une grandeur représentative de la teneur de l'un au moins des composants choisis parmi l'oxygène résiduel et le soufre,
    • on compare cette valeur à une valeur de référence prédéterminée représentative de l'état de marche voulu du brûleur,
    • et si l'écart est supérieur à un seuil prédéterminé, on agit sur le règlage de l'alimentation du brûleur, de manière à réduire cet écart.
  • Selon une première variante principale du procédé selon l'invention, en outre :
    • ladite grandeur reflète l'écart à la stoechiométrie (par exemple, la teneur résiduelle en O₂,ou la température des fumées),
    • à partir de cette grandeur mesurée, on détermine la valeur du PCO réel instantané du combustible, ou de toute autre propriété thermique exprimant les caractéristiques instantanées réelles du combustible,
    • et on agit sur le règlage de l'alimentation du brûleur en appliquant à la régulation du débit d'entrée d'air comburant dans le brûleur une consigne représentative de ladite valeur.
  • Cette consigne est avantageusement un "coefficient de correction" du débit d'air comburant calculé à partir du rapport PCO réel instantané mesuré/PCO standard, ce PCO standard étant celui correspondant à la composition standard du combustible autour de laquelle la composition réelle est susceptible de fluctuer.
  • Selon une deuxième variante principale du procédé selon l'invention, lorsque ledit combustible est un mélange règlable en proportions de plusieurs combustibles contenant des taux d'impuretés soufrées différents, ladite grandeur mesurée est la teneur en oxydes de soufre des fumées et on agit sur le règlage de l'alimentation du brûleur en modifiant les proportions de mélange desdits combustibles pour maintenir ladite teneur en oxydes de soufre au voisinage de ladite valeur de référence prédéterminée.
  • Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, dénommé par la suite "correctomètre", comprend, conformément à l'invention :
    • * d'une part, un mini-four constitué par au moins :
      • un tunnel de combustion de longueur suffisante pour que la combustion complète d'un combustible séparée à l'une de ses extrémités soit achevée à son autre extrémité,
      • un brûleur, monté à l'une des extrémités du tunnel et dimensionné pour développer une puissance calorifique d'au moins 100 th/h, et
      • des moyens de règlage de l'alimentation dudit brûleur ;
    • * d'autre part, à l'autre extrémité du tunnel laissée ouverte pour permettre l'évacuation des fumées de combustion, des moyens pour mesurer une grandeur représentative de la teneur de l'un au moins des composants desdites fumées, et une unité de calcul recevant en entrée ladite mesure et déterminant, sous la forme d'un signet disponible à sa sortie, une consigne de réglage de l'alimentation dudit brûleur.
  • Selon une première variante du dispositif selon l'invention, les moyens de règlage permettent de contrôler le débit de combustible et le débit d'air comburant et l'unité de calcul évalue les propriétés thermiques instantanées réelles du combustible.
  • Selon une deuxième variante du dispositif selon l'invention, les moyens de règlage permettent de contrôler les proportions du mélange des combustibes et les moyens de mesure de ladite grandeur représentative sont une sonde de mesure de la teneur en oxydes de soufre dans les fumées.
  • Ainsi l'invention prévoit d'alimenter le brûleur du correctomètre disposé à l'extrémité du tunnel de combustion en air et en combustible régulés à débits contrôlés, et de corréler de manière simple la grandeur mesurée au réglage en temps réel de l'alimentation des brûleurs du four de réchauffage. En d'autres termes, on mesure les variations instantanées d'une propriété du combustible, comme son PCO ou sa teneur en impuretés, provoquées par les fluctuations de sa composition, pour déterminer, et appliquer de manière instantanée, les corrections à apporter à l'alimentation des brûleur.
  • Selon la première variante de l'invention, la correction est appliquée au débit d'entrée d'air comburant dans le ou les brûleurs du four, pour permettre de maintenir constante la puissance délivrée par ce brûleur, malgré les aléas du PCO du combustibe qui l'alimente.
  • Selon la deuxième variante principale de l'invention, lorsque le combustible est un mélange règlable, la correction est appliquée au mélange de combustibes, pour permettre de maintenir au voisinage d'une valeur de référence prédéterminée la teneur en impuretés soufrées de l'atmosphère du four métallurgique.
  • L'invention résout le problème posé au moyen d'un système simple, économique et robuste, peu sensible à l'environnement, ne nécessitant qu'un entretien réduit et d'un coût de fonctionnement très faible. Il importe toutefois, et ce pour des raisons non encore parfaitement élucidées, que le brûleur utilisé soit apte à développer une puissance d'au moins 100 th/h, sinon la grandeur mesurée ne peut pas être correctement évaluée dans les fumées et l'invention produit des résultats non exploitables industriellement.
  • L'invention sera bien comprise au vu de la description qui suit donnée en référence aux dessins annexés qui en illustrent un premier mode de réalisation à titre d'exemple non limitatif, et sur lesquels :
    • la Figure 1 est un bloc diagramme schématique illustrant le procédé conforme à l'invention de réglage en temps réel des brûleurs d'un four de réchauffage industriel ;
    • la Figure 2 est une vue en coupe longitudinale axiale et élévation partielle d'une forme de réalisation de correctomètre de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
  • L'installation représentée schématiquement à la figure 1 comprend un four métallurgique M de réchauffage de demi-produits sidérurgiques, par exemple des brames en acier, équipé, de manière connue, d'un ou de plusieurs brûleurs 1, alimentés en gaz combustible (g) à partir d'une source de combustible gazeux 2 par l'intermédiaire d'une commande 3 de débit de gaz pilotée par une consigne Co donnée par le chauffeur du four de réchauffage M. L'entrée d'air comburant (a) dans le brûleur 1 est pilotée par une commande de débit 4 reliée à l'atmosphère par une prise extérieure F5. Le débit d'air (a) est ajusté en permanence au débit de gaz (g) à l'aide d'un signal de consigne C1 qu'envoie la commande de gaz 3 à la commande d'air 4. Ceci permet de régler la puissance de chauffe des brûleurs tout en assurant que les conditions de combustion complète sont respectées.
  • Comme on le voit, le "correctomètre" 5 selon l'invention prend sa place dans cet ensemble entre la source de gaz 2 et la commande 4 de débit d'air.
  • Ce correctomètre 5 est constitué essentiellement par un four-comburimètre 6 et une unité de calcul 10. Le comburimètre 6 comprend, comme on le verra plus en détail par la suite, un mini-brûleur 7 de puissance nominale d'au moins 100 th/h et débouchant dans une chambre de combustion 8 en forme de tunnel, pourvue à son autre extrémité du capteur d'un analyseur à sonde 9. Le brûleur (de préférence à haute impulsion pour favoriser l'obtention de fumées homogènes) reçoit sur une entrée un débit massique de gaz combustible F2 constant et parfaitement contrôlé, provenant de la source 2 et, sur son autre entrée, un flux correspondant d'air comburant extérieur F1 également sous un débit massique constant et parfaitement connu, mais en excès par rapport aux besoins d'une combustion stoechiométrique du débit de gaz F2.
  • Le tunnel de combustion 8 est ouvert à son extrémité opposée à celle du brûleur 7 pour permettre une évacuation à l'atmosphère F3 (ou bien dans le four de réchauffage M lui-même) des produits de combustion. Ces derniers sont analysés avant évacuation par la sonde 9 qui détermine la teneur en oxygène libre. La mesure par la sonde 9 de l'O₂ résiduel dans les produits de combustion reflète, comme on va le voir, l'écart à la stoechiométrie. La valeur de cette mesure sert au calculateur 10 pour déterminer une caractéristique thermique du gaz, pris dans son état réel, comme son PCO instantané, et élaborer un signal C2, ici sous forme d'un coefficient de correction à appliquer à la consigne du débit d'air (a) de la commande 4, qui elle est calée sur la valeur du PCO standard du gaz à brûler.
  • Les étapes successives du procédé visé par l'invention, au moyen du dispositif correctomètre 5 en temps réel des brûleurs équipant le four 1, s'enchaînent de la manière suivante :
    • A) on prélève sur le courant eux issu de la source 2 un débit massique de gaz donné et constant (flèche F2);
    • B) on brûle ce débit de gaz F2 avec un débit massique d'air F1 donné et constant en excès, afin d'assurer la combustion complète du gaz. Cette combustion est réalisée dans le four 6 par le brûleur 7. On rappelle un point important les alimentations en gaz combustible et en air comburant sont régulées à des débits constants et parfaitement connus ;
    • C) on mesure, dans les fumées de combustion complète à l'extrémité ouverte de la chambre de combustion 8, par un capteur approprié 9, une grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie, à savoir dans l'exemple décrit , la teneur en O₂ résiduel.
    • D) à partir de cette grandeur mesurée, on détermine dans le calculateur 10 la valeur du PCO réel instantané du gaz, on déduit le rapport PCO réel/PCO standard, ce dernier correspondant à la composition standard du gaz combustible autour de laquelle sa composition réelle est susceptible de fluctuer et ce rapport définissant un coefficient de correction C2 ;
    • E) et on utilise ce coefficient de correction C2 pour déterminer la consigne de régulation du dispositif de commande 4 du débit d'entrée d'air de combustion dans le brûleur du four industriel M.
  • La grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie peut être autre que la teneur résiduelle en oxygène dans les fumées après combustion complète, ces mesures étant exécutées par des sondes connues en soi et qui ne nécessitent pas de description plus détaillée pour être comprises et mises en oeuvre par l'Homme du Métier.
  • Les variations de la composition du gaz, en particulier de sa teneur en hydrogène, entraînent comme on l'a dit des fluctuations corrélatives et immédiates de la grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie correspondant à ces variations lors d'une combustion avec excès d'air. En détectant en temps réel les fluctuations de cette grandeur représentative, on peut en déduire, connaissant les débits d'air comburant et de gaz combustible dans le comburimètre, les fluctuations de la composition du gaz combustible. Au moyen d'un calcul simple donnant sa valeur de PCO instantanée, on peut par conséquent ajuster en temps réel la valeur de consigne de la commande 4 du débit d'entrée d'air comburant dans les brûleurs du four de réchauffage, afin de maintenir dans ce dernier les conditions d'une combustion souhaitée stoechiométrique, ou autre.
  • Le PCO réel instantané (ou le coefficient de correction corrélatif dont on se sert pour agir sur la consigne de la commande 4) peuvent être déterminés soit par le calcul, soit par lecture d'abaques préétablies avec les mêmes débits relatifs d'air et de gaz pour différentes valeurs de la grandeur représentative.
  • En résumé, les brûleurs du four de réchauffage sont réglés pour un PCO standard donné du gaz à brûler. Le débit d'air comburant est ajusté à ce PCO standard pour assurer une combustion souhaitée, même quand on fait varier le débit de gaz combustible, par exemple pour modifier la température du four en intervenant sur la puissance calorifique délivrée par les brûleurs. Il faut donc, pour maintenir la qualité voulue de la combustion que le débit d'air comburant (a) suive instantanément les modifications éventuelles que l'on impose par la consigne Co à la commande 3 du débit de gaz à brûler (g). Le correctomètre 5, selon l'invention, intervient lui au 2e niveau, plus fin, pour corriger les effets des fluctuations de la composition du gaz qui modifient ses propriétés thermiques, par exemple son PCO réel sans qu'on s'en rende compte immédiatement.
  • La Figure 2 représente un mode de réalisation du four-comburimètre 6 selon l'invention.
  • Ce dispositif comporte la chambre-tunnel de combustion 8, d'une longueur suffisante pour que la combustion du gaz, initiée à une extrémité, soit achevée à l'extrémité opposée, et le mini-brûleur 7 prévu à une extrémité du tunnel 8. Un embout 11 d'entrée d'air comburant en excès dans le brûleur 7 et une tubulure 12 d'entrée de gaz combustible débouchent dans la chambre de mélange 13. Des dispositifs non représentés permettent le réglage du débit massique de gaz à une valeur prédéterminée constante ainsi que le débit d'air comburant.
  • Le tunnel 8 est thermiquement isolé au moyen de deux couches superposées 14 et 15 d'isolant intercalées entre la paroi de la chambre de combustion 8 et l'enveloppe extérieure 16 du comburimètre 6. Au voisinage de l'ouverture de sortie 17 du tunnel 8, un analyseur à sonde 9 de mesure de la teneur résiduelle en oxygène des fumées de combustion traverse l'enveloppe 16 et les deux couches d'isolant 14, 15.
  • La chambre de combustion 8 a en pratique une longueur d'un mètre environ, pas beaucoup plus, mais en tous cas suffisante pour assurer que la combustion soit achevée au niveau de la sonde 9, laquelle est par exemple, une sonde au zirconium de type connu.
  • Comme déjà indiqué, les caractéristiques du gaz (pouvoir calorifique, pouvoir comburivore, densité) sont susceptibles de fluctuer autour de celles du gaz pris dans son état standard.
  • Or, les régulations de débit (Q) de gaz combustible fonctionnent sur des mesures de pression (ΔP) données par les organes déprimogènes habituels (venturi-diaphragme) à partir des relations classiques liant le débit au DP pour une densité ρ donnée du gaz : du type Q = k ΔP ρ
    Figure imgb0001
  • Mais, on ne connaît en fait que la densité P du gaz à l'état standard. Ceci signifie que pour un débit de gaz standard constant (c'est-à-dire ΔP constant), c'est en fait un débit de gaz (g) variable, dans une composition donc variable autour de l'état standard, qui est réellement brûlé dans le brûleur 1, et ce avec un débit d'air constant. La mise en oeuvre de l'invention corrige la situation en permettant par le calcul d'ajuster en permanence le débit d'air (a) aux besoins de la combustion souhaitée du débit réel fluctuant (g) du gaz à brûler.
  • Cet ajustement s'opère avantageusement par le calcul d'un coefficient de correction C2 permettant de calculer la commande 4 de débit d'air, avec C2 = PCO réel PCO standard
    Figure imgb0002
     par exemple.
  • L'invention peut être également comprise au vu de la description qui suit concernant un deuxième mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif.
  • L'installation est identique à celle précédemment décrite à la différence près que la source de combustible gazeux 2 est un mélangeur règlable alimenté par plusieurs combustibles gazeux co-produits dans différens réacteurs d'une usine sidérurgique.
  • Les combustibles gazeux contiennent des taux différents d'impuretés soufrées fonctions du type de réacteur d'où ils proviennent.
  • La valeur du taux de soufre de chaque combustible gazeux est connue en moyenne, par des moyens d'analyse connus en eux-mêmes.
  • Le "correctomètre" 5 selon l'invention est comme précédemment alimenté par la source 2 qui est un mélangeur règlable et envoie une consigne de règlage audit mélangeur.
  • Le "correctomètre" 5 est identique au correctomètre précédemment décrit, à la différence près que la sonde 9 mesure la teneur en oxydes de soufre des gaz de combustion du brûleur 7. La valeur de cette mesure sert au calculateur 10 pour déterminer la consigne à envoyer au mélangeur de combustibles gazeux, pour maintenir au voisinage d'une valeur de référence prédéterminée ladite teneur en oxydes de soufre. Le calculateur 10 évalue ladite consigne en fonction, notamment, des taux moyens connus de soufre de chaque combustible gazeux.
  • Les étapes successives du procédé visé par le deuxième mode de réalisation de l'invention, s'enchainent comme précédemment pour les étapes A et B puis de la façon suivante :
    • C') on mesure, dans les fumées de combustion complète, par le capteur 9, la teneur en oxydes de soufre,
    • D') à partir de cette mesure, à l'aide du calculateur 10, on calcule et on envoie au mélangeur de gaz combustible une consigne de mélange apte à maintenir au voisinage d'une valeur de référence prédéterminée la teneur en oxydes de soufre dans les fumées de combustion.
  • L'avantage du procédé selon l'invention est que le résultat de la mesure ne dépend pas d'interactions éventuelles en différentes zones de combustion de l'installation, ne dépend pas d'entrées d'air inopinées dans l'installation, d'émissions ou d'absorptions possibles par les produits sidérurgiques placés dans le four.
  • Ainsi globalement, l'invention permet non seulement d'optimiser la marche des brûleurs 1 du four, mais aussi de maîtriser l'atmosphère du four, ce qui présente un avantage déterminant. En effet, de même que le caractère soufré de cette atmosphère, le caractère plus ou moins oxydant a une influence décisive sur la qualité des produits laminés. Si la marche du brûleur n'est pas suffisamment contrôlée, une baisse par exemple de la teneur en hydrogène dans le mélange gazeux combustible va entraîner une augmentation de l'excès d'air dans les fumées de combustion, donc dans l'atmosphère du four. Cet excès d'air comburant, non seulement va modifier la température du chauffage, mais surtout, par l'augmentation corrélative de la teneur en O₂ de l'atmosphère du four, a une influence néfaste sur la qualité métallurgique des produits obtenus après laminage, loin en aval.
  • De même une atmosphère trop réductrice risque d'entraîner une reprise d'hydrogène dans les produits à chauffer.
  • Ainsi, le procédé et le dispositif selon l'invention présentent l'avantage essentiel de permettre en temps réel de modifier la consigne de régulation d'alimentation des brûleurs du four, ce qui n'était pas possible avec les techniques antérieures rappelées au début. On contrôle donc en instantané la composition de l'atmosphère du four.
  • L'invention permet également un comptage très précis des thermies utilisées par les brûleurs 1 quelles que soient les variations des caractéristiques du combustible utilisé.
  • Outre les avantages substantiels déjà indiqués, le procédé et le dispositif selon l'invention permettent d'effectuer des mesures (notamment teneur en oxygène et soufre, débit, pression, etc...) de manière très accessible, en dés endroits éloignés de l'enceinte de chauffage et par des appareils aisément démontables pour les entretiens éventuels.

Claims (10)

1) Procédé de réglage en temps réel d'un brûleur, pour four métallurgique notamment, alimenté avec un courant règlable de combustible de caractéristiques variables autour d'un état standard, et avec un débit réglable d'air comburant (a), caractérisé en ce que, au cours de la marche du brûleur (1) :
- on prélève sur le courant combustible (2) un débit donné (F2) dont la combustion développe une flamme de puissance d'au moins 100 thermies/h,
- on brûle ce débit de combustible avec un débit d'air donné en excès (F1), assurant la combustion complète du combustible,
- on mesure, dans les fumées de combustion, la valeur d'une grandeur représentative de la teneur de l'un au moins des composants choisis parmi l'oxygène résiduel et le soufre,
- on compare cette valeur à une valeur de référence prédéterminée représentative de l'état de marche voulu du brûleur,
- et si l'écart est supérieur à un seuil prédéterminé, on agit sur le règlage de l'alimentation du brûleur de manière à réduire cet écart.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite grandeur mesurée reflète l'écart à la stoechiométrie, en ce qu'on détermine, à partir de cette grandeur mesurée, la valeur d'une propriété thermique exprimant les caractéristiques réelles instantanées du combustible, et on applique à la régulation (4) du débit d'entrée d'air comburant (a) d'alimentation du brûleur une valeur de consigne représentative de ladite valeur.
3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie est la teneur résiduelle en oxygène dans les fumées après combustion.
4) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la propriété thermique du combustible, exprimant ses caractéristiques instantanées réelles est son Pouvoir comburivore (PCO).
5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la grandeur appliquée à la régulation (4) du débit d'air comburant (a) est un facteur de correction C2 défini comme le rapport PCO réel instantané/PCO standard, cette valeur PCO standard étant celle du PCO du combustible pris dans son état standard.
6) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit combustible étant un mélange règlable en proportion variable de plusieurs combustibles contenant des taux d'impuretés soufrées différents, ladite grandeur mesurée est la teneur en oxydes de soufre des fumées, et en ce que, en fonction de ladite grandeur mesurée, on agit sur le règlage de l'alimentation du brûleur en modifiant les proportions de mélange desdits combustibles, pour maintenir la teneur en oxydes de soufre à un niveau prédéterminé.
7) Dispositif (5) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend :
* d'une part, un mini-four constitué par au moins :
- un tunnel de combustion de longueur suffisante pour que la combustion complète d'un combustible séparée à l'une de ses extrémités soit achevée à son autre extrémité,
- un brûleur, monté à l'une des extrémités du tunnel et dimensionné pour développer une puissance calorifique d'au moins 100 th/h,
- des moyens de règlage de l'alimentation dudit brûleur ;
* d'autre part, à l'autre extrémité du tunnel laissée ouverte pour permettre l'évacuation des fumées de combustion, des moyens pour mesurer une grandeur représentative de la teneur de l'un au moins des composants desdites fumées, et une unité de calcul recevant en entrée ladite mesure en déterminant, sous la forme d'un signal disponible à sa sortie, une consigne de règlage de l'alimentation dudit brûleur.
8) Dispositif (5) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de règlage permettent de contrôler le débit de combustible et le débit d'air comburant (a) et en ce que l'unité de calcul évalue les propriétés thermiques instantanées réelles du combustible.
9) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure de ladite grandeur représentative sont une sonde (9) de mesure de la teneur en oxygène résiduel dans les fumées.
10) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de règlage règlent les proportions du mélange des combustibles et en ce que les moyens de mesure de ladite grandeur représentative sont une sonde de mesure de la teneur en oxydes de soufre dans les fumées.
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