FR2777072A1 - Procede et dispositif de regulation des fours de cuisson a feu tournant - Google Patents
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Abstract
Le procédé de régulation d'un four comprenant une succession de chambres Ci , chambres de refroidissement, chambres de cuisson, et des chambres de préchauffage, dont la dernière, en queue, est munie de pipes d'aspiration Aj des gaz de combustion, et comprenant, dans le sens travers, une succession de cloisons chauffantes creuses Clij et d'alvéoles Alij dans lesquels sont empilés les blocs carbonés à cuire, lesdites cloisons creuses assurant la circulation des flux gazeux, est caractérisé en ce que le débit massique DGj de chacun des flux de fumées de combustion Gj est régulé en mesurant ce débit et la température Tj , de manière à reproduire une valeur de consigne prédéterminée le produit DGj .(Tj -Ta ).Cg, Tj et Ta étant respectivement la température dudit flux de fumées de combustion Gj et celle de l'air ambiant, et Cg étant la chaleur spécifique massique des fumées de combustion.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF DE REGULATION DES FOURS DE CUISSON A FEU
TOURNANT
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne le domaine des fours à chambres dit à feu tournant (ring furnace en anglais) pour la cuisson de blocs carbones et plus particulièrement un procédé et un
dispositif de régulation de tels fours.
lo ETAT DE LA TECHNIQUE On connaît déjà des méthodes de régulation de ce type de fours, comme dans les demandes françaises FR 2 600 152 et FR 2 614 093 au nom de la demanderesse, et dans
la demande internationale WO 91/19147.
Ce type de four, dit également à " chambre ouverte ", comprend, comme décrit dans ces documents cités, dans le sens long, une pluralité de chambres de préchauffage, de cuisson et de refroidissement, chaque chambre étant constituée, dans le sens travers, par la juxtaposition, en alternance, de cloisons chauffantes creuses dans lesquelles circulent les gaz de combustion, et d'alvéoles dans lesquelles sont empilés les blocs carbonés à cuire,
les blocs étant noyés dans une poussière carbonée.
Ce type de four comporte deux travées dont la longueur totale peut atteindre plus d'une centaine de mètres. Chaque travée comporte une succession de chambres séparées par des murs transversaux et ouvertes à leur partie supérieure, pour permettre le chargement des blocs crus et le déchargement des blocs cuits refroidis. Chaque chambre comporte, disposées parallèlement au sens long du four, c'est à dire au grand axe du four, un ensemble de cloisons creuses, à parois minces, dans lesquelles vont circuler les gaz chauds ou fumées de combustion assurant la cuisson, alternant, dans le sens travers du
four, avec des alvéoles dans lesquelles on empile les blocs à cuire.
Les cloisons creuses sont munies, à leur partie supérieure, d'ouvertures obturables dites " ouvreaux)". Elles comportent en outre des chicanes pour allonger et répartir plus
uniformément le trajet des gaz ou fumées de combustion.
Le chauffage du four est assuré par des rampes de brûleurs ayant une longueur égale à la largeur des chambres, les injecteurs de ces brûleurs étant introduits, via les ouvreaux, dans les cloisons creuses des chambres concernées. En amont des brûleurs (par rapport au sens d'avancement du feu), on dispose de piquages de soufflage d'air de combustion montées sur une rampe de soufflage munie de ventilateurs, ces piquages de soufflage étant connectés, via les ouvreaux, aux dites cloisons. En aval des brûleurs, on dispose de piquages d'aspiration de fumées de combustion, montés sur une rampe d'aspiration alimentant des centres de captation de fumées, et dotées de volets permettant d'obturer lesdits piquages d'aspiration au niveau souhaité. Le chauffage est assuré à la fois par la combustion du combustible injecté dans les chambres de cuisson, et par celle des vapeurs de brai émises par les blocs en cours de cuisson dans les chambres de préchauffage, vapeurs qui, compte tenu de la dépression des chambres de préchauffage, quittent les alvéoles en traversant la cloison creuse et viennent brûler avec l'oxygène restant dans les
fiumées de combustion qui circulent dans les cloisons creuses de ces chambres.
Typiquement, une dizaine de chambres sont " actives >" simultanément: quatre dans la zone de refroidissement, trois dans la zone de chauffage, et trois dans la zone de préchauffage. Au fur et à mesure que la cuisson se produit, on fait avancer d'une chambre, par exemple toutes les 24 heures, l'ensemble " piquages de soufflage - brûleurs - piquages d'aspiration ", chaque chambre assurant ainsi successivement, en amont de la zone de préchauffage, une fonction de chargement des blocs carbonés crus, puis, dans la zone de préchauffage, une fonction de préchauffage naturel par les fumées de combustion et la combustion des vapeurs de brai, puis, dans la zone de cuisson, une fonction de chauffage des blocs à 1100-1200 C, et enfin, dans la zone de refroidissement, une fonction de refroidissement des blocs par l'air froid et, corrélativement, de préchauffage de l'air constituant le comburant du four, la zone de refroidissement étant suivie, en aval, d'une
zone de déchargement des blocs carbones refroidis.
La méthode de régulation la plus usuelle de ce type de four consiste à réguler en température et/ou en pression un certain nombre de chambres du four. Typiquement, sur 10 chambres actives simultanément, 4 ont des mesures de température et 2 ont des
mesures de pression.
D'une part, les trois rampes de brûleurs sont régulées en fonction de la température des fumées de combustion, l'injection de carburant étant ajustée pour suivre une courbe de montée en température, typiquement la température des fumées de combustion, mais
éventuellement celle des blocs carbonés.
D'autre part, la vitesse des ventilateurs de la rampe de soufflage est typiquement régulée en fonction d'une pression statique mesurée en amont des brûleurs, mais elle peut être
aussi laissée constante.
Enfin, les volets de la rampe d'aspiration sont régulés en fonction d'une dépression mesurée dans une chambre située entre les brûleurs et les piquages d'aspiration. Mais, le
plus souvent, en particulier dans les fours les plus récents, ladite dépression est elle-
même pilotée par une consigne de température, typiquement la température des fumées de combustion, de sorte que lesdits volets sont pilotés par une mesure de température et
sa comparaison à une valeur de consigne.
La régulation du four peut en outre faire appel à d'autres moyens complémentaires: - dans la demande française FR 2 600 152 est décrit en outre un dispositif pour optimiser la combustion dans la zone de cuisson permettant de mesurer l'opacité des fumées dans les piquages d'aspiration et de réguler cette aspiration en conséquence, - dans la demande française FR 2 614 093 est décrite en outre une méthode pour optimiser la combustion dans le four en injectant, en permanence, la quantité d'air nécessaire et suffisante pour obtenir la combustion complète à la fois des matières volatiles dégagées au cours de la cuisson des blocs carbones et du combustible injecté
dans les brûleurs.
- dans la demande WO 91/19147, en outre on contrôle le rapport oxygène/carburant
dans le four en mesurant la teneur en oxygène dans le four.
PROBLEME POSE
Les méthodes de régulation utilisées à ce jour sont basées essentiellement sur des mesures de température et des mesures de pression, dans un grand nombre de chambres,
et dans les différentes cloisons d'une même chambre.
Des mesures complémentaires, comme indiqué dans l'état de la technique cité, peuvent
venir compléter ces mesures de base.
Par ailleurs, sont connues les valeurs de consigne de température et de pression de chaque chambre, à respecter pour obtenir des blocs carbonés de qualité requise et pour obtenir un fonctionnement correct du four, en particulier dans la zone de préchauffage. En effet, c'est durant le préchauffage des blocs carbones à cuire que sont éliminés les matières volatiles contenues dans le brai. Il importe que ces gaz ou vapeurs soient aspirés vers les cloisons creuses et brûlent immédiatement en présence de l'oxygène résiduel présent dans les fumées de combustion. Sinon, ces vapeurs de brai peuvent encrasser les piquages, la rampe d'aspiration et les conduites qui mènent à la captation. Ces dépôt peuvent s'enflammer au contact des particules incandescentes de poussier. Ces feux endommagent les canalisations et leurs fumées chaudes brûlent les filtres et les ventilateurs des centres de captation. Face à ces risques, des marges de sécurité sont prises en augmentant les débits des fumées de combustion aspirées, débits qui génèrent à leur tour une surconsommation de carburant et une baisse des performances énergétiques
du four.
De plus, on observe que la régulation actuelle des fours conduit à des instabilités, et génère de brusques variations aléatoires des débits des fumées de combustion aspirées et des débits de carburant, de sorte que le four ne présente pas un régime stable de transfert thermique, ce qui est préjudiciable au rendement de l'échange ou transfert thermique
entre les fumées de combustion et lesdits blocs carbonés.
Enfin, cette dispersion des différents débits entraîne une dispersion des niveaux de cuisson qui impose de surcuire une partie des blocs carbonés ou anodes pour assurer la qualité minimale de l'ensemble des anodes, ce qui conduit ipso facto à une dégradation
des performances énergétiques du four.
En définitive, la conduite et la régulation actuelle des fours se caractérise d'une part, par un accroissement considérable du nombre de capteurs de mesures, et d'autre part, par l'adoption de grandes marges de sécurité en ce qui concerne chacun des trois paramètres principaux qui assurent la conduite du four: le soufflage d'air en amont des chambres de refroidissement, l'injection de carburant dans les chambres de cuisson, et l'aspiration des
fumées de combustion en aval des chambres de préchauffage.
s Il résulte de cet état de fait que: - d'une part, l'ensemble des moyens de mesure et de régulation intervient pour une part non négligeable dans le coût de l'investissement et de fonctionnement du four, beaucoup de capteurs, compte tenu des conditions particulièrement difficiles de température et d'environnement, ayant une faible durée de vie et pouvant de ce fait être considérés comme une matière consommable, - d'autre part, comme cet ensemble de moyens de mesure et de régulation ne permet pas de stabiliser le fonctionnement du four, il en résulte une consommation énergétique variable, avec une consommation moyenne assez éloignée de l'optimum compte tenu des marges de sécurité qui sont prises pour garantir la qualité des blocs de carbone fabriqués
et pour garantir l'intégrité et la longévité du four.
La présente invention vise à résoudre ce double problème et à assurer la conduite automatisée et optimisée du four en diminuant tout à la fois le coût d'investissement et de fonctionnement des équipements de contrôle et de régulation, et la consommation
énergétique du four.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
Un premier objet de l'invention est un procédé de régulation d'un four à feu tournant de cuisson de blocs carbonés comprenant une succession de chambres Ci actives simultanément mais de manière différenciée, à savoir, d'amont en aval et dans le sens longitudinal, des chambres de refroidissement, dont la première, en tête, est alimentée en air atmosphérique à l'aide de piquages de soufflage Sj, des chambres de cuisson équipées d'au moins une rampe de brûleurs à injecteurs Ij alimentés en carburant, et des chambres de préchauffage, dont la dernière, en queue, est munie de piquages d'aspiration Aj des fumées de combustion, et comprenant, dans le sens travers et en alternance, une succession de cloisons chauffantes creuses Clij et d'alvéoles Alij dans lesquels sont empilés les blocs carbonés à cuire, lesdites cloisons Clij d'une chambre donnée Ci munies d'ouvreaux destinés à recevoir lesdits piquages de soufflage Sj et/ou lesdits injecteurs Ij et/ou lesdits piquages d'aspiration Aj et/ou des moyens de mesure communiquant avec les cloisons creuses Cli-lj et Cli+,j des chambres précédente Ci-1 et suivante Ci,, de manière à assurer la circulation d'amont vers l'aval d'un flux gazeux comprenant l'air atmosphérique et/ou les fumées de combustion, caractérisé en ce que le débit massique DGj de chacun des flux de fumées de combustion Gj traversant lesdits piquages d'aspiration Aj en queue des chambres de préchauffage, est régulé en mesurant le débit massique DGj et la température Tj de chacun des flux de fumées de combustion Gj, en calculant les flux d'énergie Ej correspondants, typiquement par le produit R égal à DGj.(Tj-Ta).Cg, Tj et Ta étant respectivement la température des fumées de combustion Gj et celle de l'air ambiant, et Cg étant la chaleur spécifique massique des fumées de combustion à la température Tj, de façon à maintenir, pour chacun des flux de fumées de
combustion Gj, ledit flux d'énergie Ej à une valeur de consigne Eoj prédéterminée.
Cette valeur de consigne Eoj peut être soit une constante, soit une fonction du temps f(t) prédéterminées. Typiquement toutes les 24 heures, les équipements mobiles du four (rampes de brûleurs, rampe de piquages de soufflage, rampe de piquages d'aspiration, etc...) avancent d'une chambre. Donc, les valeurs de consigne qui sont fonction du temps sont définies sur cette période T, comme ce peut être le cas pour Eoj. I peut être avantageux d'avoir, durant le temps de séjour T du feu sur une chambre donnée, une valeur de consigne Eoj qui comprenne soit une rampe, c'est à dire une variation régulière de la valeur de consigne Eoj durant le temps de séjour, soit des valeurs de consigne particulières en début ou en fin de temps de séjour T. Le moyen essentiel de l'invention réside donc dans le fait de contrôler le flux d'énergie Ej des fumées de combustion aspirées par chaque piquage d'aspiration Aj pour commander les actionneurs du four, alors que selon l'art antérieur, les piquages d'aspiration, tout comme les brûleurs, sont commandés en fonction d'une courbe de température, qui est elle-même généralement fonction du temps sur la période T. Le flux d'énergie Ej de chaque flux de fumées de combustion est en fait un flux enthalpique dont la valeur de R ( = DGj. (Tj - Ta). Cg) constitue une bonne approximation. Une valeur plus précise peut être obtenue en remplaçant << (Tj - Ta). Cg " par la valeur de l'intégrale | Gs (T).dT pour T compris entre Ta et Tj, ou par toute
expression polynomique approchée de cette intégrale.
De manière surprenante, la demanderesse a trouvé que ce moyen essentiel selon l'invention, quoique beaucoup plus simple que les moyens de contrôle utilisés dans l'état
de la technique, constituait bien la solution au problème posé.
En effet, elle a pu vérifier que ce moyen permettait en particulier: - un fonctionnement du four stabilisé, au lieu d'un fonctionnement avec de brusques variations des paramètres, - un fonctionnement économique en ce qui concerne la consommation de carburant,
- une simplification des équipements et dispositifs de contrôle et régulation.
Globalement, il en résulte une fabrication de blocs carbonés cuits à qualité plus constante
et à meilleur coût.
Les raisons pour lesquelles le moyen selon l'invention conduit à ces résultats surprenants ne sont pas clairement établies. Cependant, selon une hypothèse de la demanderesse, les flux d'air extérieur qui pénètrent dans les chambres de préchauffage en dépression dans un four à chambre ouverte, pourraient interférer avec le fonctionnement du four et constituer un élément perturbateur contribuant à accentuer les variations des paramètres
du four.
Sur la base de son hypothèse, la demanderesse a eu l'idée de choisir comme paramètre de
régulation, un paramètre indépendant de l'apport plus ou moins grand d'air extérieur.
Pour cela, elle a trouvé qu'un paramètre tel que le paramètre R, équivalent à un flux d'énergie par rapport à la température ambiante, était donc totalement indépendant de la plus ou moins grande quantité d'air ayant pénétré dans le four et pouvait permettre de ce
fait une régulation effective du four avec une conduite de four stable et économique.
Selon l'invention, ladite valeur de consigne, notée Eoj, des flux d'énergie Ej des fumées de combustion Gj est choisie, typiquement expérimentalement, à une valeur la plus basse possible qui soit compatible avec les exigences usuelles de qualité des blocs carbonés
fabriqués et de fonctionnement du four.
Selon l'invention, il est aussi possible de réguler non pas tous les flux d'énergie Ej mais seulement un nombre limité de flux, par exemple un sur deux. Dans ce cas, au flux non
régulé Ek est assigné la moyenne des valeurs de flux régulés voisins Ek- 1 et Ek+l.
DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures 1, la, lb, 2, 3, 6 et 7, relatives à l'invention, sont expliquées dans l'exemple
selon l'invention ou dans la description. Les figures 4 et 5 illustrent des éléments déjà
connus des fours selon l'invention.
La figure 1 est une vue de dessus de la partie <"active " d'un four de cuisson à feu tournant (1) selon l'invention. La figure la correspond à la figure I et présente une vue en coupe du four (1), dans le plan vertical et dans le sens long, et en particulier la succession de cloisons chauffantes
creuses, de Cllj à Cl1o0j, assurant le circulation des différents flux gazeux.
La figure lb est la courbe de pression d'air (34) et/ou de fumées de combustion (35)
dans les différentes cloisons chauffantes.
La figure lc représente, de manière schématique, les moyens informatiques de
commande et de régulation (5) associés aux figures précédentes.
La figure 2 est une vue en perspective, partiellement éclatée, d'un four (1) comprenant
des moyens selon l'invention.
La figure 3 représente en coupe longitudinale un capteur de débit selon l'invention.
La figure 4 est une vue en coupe dans le plan X-Z d'une cloison chauffante (3) d'une
chambre Ci selon l'état de la technique assurant la circulation des flux gazeux (34,35).
Chaque chambre Ci comprend des chicanes (31) augmentant le parcours des flux gazeux (34,35) et est séparée de la précédente Ci- et de la suivante Ci+l par un mur transversal (32). La cloison (3) comprend des ouvreaux (30) munis de couvercles (36) au droit desquels se trouve un puits (39), c'est à dire un espace vertical ne comprenant ni chicane (31) ni entretoise (33), de manière à pouvoir descendre dans ladite cloison les dispositifs mobiles nécessaires au fonctionnement du four, notamment lesdits piquages d'aspiration
(210) et lesdits piquages de soufflage (230).
La figure 5 est une vue en coupe dans le plan X-Y d'une chambre Ci de préchauffage
selon l'état de la technique, montrant l'alternance de cloisons (3) et d'alvéoles (4).
Chaque alvéole (4) contient les blocs carbonés à cuire (40) recouverts d'une poudre carbonée (42), chaque alvéole Alij (4) étant chauffée grâce aux deux cloisons chauffantes Clij et Clij+l adjacentes. Les vapeurs de brai (41), dégagées par lors du chauffage des blocs carbonés, se répandent dans les cloisons (3) en dépression et s'enflamment en
présence de l'oxygène restant des fumées de combustion (35) ou celui du flux d'air (38).
La figure 6 représente un graphique de points, chaque point correspondant à un relevé de mesures expérimentales effectuées par la demanderesse sur les fours régulés selon l'état de la technique. Le graphique porte en ordonnée l'énergie consommée Ec (carburant) en MJ par tonne de blocs carbonés produite, et en abscisse, l'énergie dissipée Eg dans les fumées de combustion en MJ par tonne produite. La figure 7 est une représentation schématique de la régulation selon l'invention
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'invention a pour origine l'idée de la demanderesse d'étudier le fonctionnement des fours régulés selon l'état de la technique, sous l'angle d'une comparaison entre énergie
consommée et énergie perdue, comme représenté par le graphique de la figure 6.
Il ressort de ce graphique que l'énergie consommée varie considérablement, entre les
droites extrêmes (61,62), de 2200 à 2900 MJ/t.
La demanderesse a observé une forte corrélation entre les valeurs de Ec et de Eg, qui se
traduit par une droite de régression (6).
Avec le procédé de régulation selon l'invention, on choisit de faire fonctionner le four avec une valeur de Eg prédéterminée, la plus faible possible, valeur déterminée expérimentalement, et avec une valeur de Ec égale à ou voisine de la valeur de
corrélation de cette valeur de Eg sur la portion (63) de la droite de régression (6).
Aux valeurs de Eg-Ec, exprimées en MJ/t, correspondent des valeurs proportionnelles de Eo-DCo ayant la dimension d'une énergie par unité de temps, de sorte que la portion de droite de régression (63) permet aussi, une fois définies expérimentalement les valeurs de consigne Eo pour l'énergie globale des fumées de combustion ou Eoj pour l'énergie des fumées de combustion au niveau de chaque piquage d'aspiration Aj, de déterminer la valeur de consigne correspondante pour les débits de carburant DCo pour l'ensemble des brûleurs, ou les débits DCoj ou DCoij correspondants aux cloisons Clj ou Clij selon qu'il
y a une ou plusieurs rampes de brûleurs.
De préférence, le débit de carburant DCj alimentant lesdits brûleurs Ij est donc fixé à un
niveau prédéterminé DCoj comme illustré aux figures 1 et lc, et à la figure 7.
Ainsi, l'invention autorise une absence de mesure de température des fumées de combustion pour la régulation du débit de carburant DCj, étant entendu que ce débit de carburant, généralement réparti entre plusieurs rampes de brûleurs, typiquement trois à quatre rampes de brûleurs, positionnées sur des chambres successives, de Ci à Ci+2 ou à Ci+3, est fixé à une valeur prédéterminée DCoj, éventuellement fonction du temps, établie notamment lors des essais de mise en route du four, et en fonction du niveau d'énergie Eoj, comme cela à été déjà mentionné à propos des figures 6 et 7, cette valeur de consigne DCoj étant corrélée, selon la portion (63) de la droite de régression expérimentale de la figure 6, avec le niveau prédéterminé dudit produit R, correspondant
au flux d'énergie Eo ou Eoj des fumées de combustion.
I s'agit là d'un moyen qui va totalement à l'encontre de l'enseignement de l'état de la technique o, de manière traditionnelle, le débit de carburant est typiquement régulé par
la température des gaz de combustion dans les chambres de cuisson.
Toutefois, ledit niveau prédéterminé de débit de carburant DCoj peut être choisi, pour une cloison creuse donnée Clij (3) d'une chambre de cuisson donnée Ci (22) d'un four donné, de manière à ce que la température mesurée des fumées de combustion (34) dans ladite cloison creuse Clij (3) ait une valeur prédéterminée, typiquement comprise entre
1000 et 1300 C.
Il va de soi, que, dans la phase de mise au point d'un four ou de redémarrage d'un four, il convient de vérifier que les températures visées dans chacune des chambres sont bien atteintes, ce qui est à distinguer de la régulation proprement dite d'un four fonctionnant
en routine.
Dans le cadre de l'invention, ledit débit d'air DAj desdits piquages de soufflage Sj (230) en tête des chambres de refroidissement (23) peut être régulé, soit de façon à ce que la pression dans les cloisons creuses Clij desdites chambres de cuisson Ci (22) soit inférieure à la pression atmosphérique et comprise dans une plage de pression prédéterminée, la pression statique Pj en queue des chambres de refroidissement (23) étant sensiblement égale à la pression atmosphérique, soit de façon à ce que la vitesse du flux d'air (34), ou celle du ventilateur mettant en mouvement ce flux d'air, à l'entrée desdites chambres de cuisson soit constante, et à une valeur prédéterminée, comme illustré aux figures 1, la,
lb et lc.
Mais, selon l'invention, le débit d'air DAj est, de préférence, fixé à une valeur prédéterminée de manière à ce que la pression statique en tête des chambres de cuisson (22) soit inférieure à la pression atmosphérique. Dans ce cas, la mesure de pression Pj peut éventuellement servir à vérifier, à intervalle de temps régulier, par exemple une fois par jour ou une fois par semaine, l'absence de
dérive du procédé.
Selon l'invention, les valeurs de consigne, notamment Eo correspondant au flux d'énergie des fumées de combustion aspirés à l'extérieur du four, et la valeur correspondante de DCo correspondant à la consommation de carburant dans les brûleurs, sont définies pour chacune des cloisons Clij du four, et sont repérées dans le sens travers du four par l'indice " j ", et sur toute la longueur du four par l'indice " i ", de manière à avoir une cartographie des valeurs de consigne qui tienne compte des effets
de bord à la fois sur les côtés dudit four et à ses extrémités lors du déplacement du feu.
En effet, il est avantageux, pour obtenir une constance de qualité des produits fabriqués et à un coût le plus faible possible, de prendre en compte les effets de bord, c'est à dire de définir en fonction des indices " i " et " j ", pour toute cloison Clij, les valeurs de consigne optimum, ce qui peut être fait une fois pour toutes au moment du démarrage du four, des corrections de consigne pouvant ensuite être apportées durant la vie du four compte tenu par exemple du vieillissement des matériaux et d'éventuelles altérations de
l'étanchéité du four.
De préférence, on utilise des moyens informatiques (5,50), connus en euxmêmes, pour stocker des valeurs de consigne ou plages desdites valeurs de consigne de différents paramètres pour chaque cloison Clij sur l'ensemble du four, notamment Eoij, pour comparer ces valeurs aux valeurs mesurées de ces paramètres, après calcul éventuellement, ainsi que des actionneurs, commandés par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement lesdits paramètres de régulation, notamment en modifiant le débit d'air DAij, de façon à ce que les valeurs de mesure soient égales aux valeurs de
consigne ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne.
Un autre objet de l'invention est constitué par un dispositif de régulation de four pour mettre en oeuvre le procédé de régulation selon l'invention, dispositif comprenant - des moyens de mesure des débits DGi des flux de fumées de combustion Gj, - des moyens informatiques (5, 50) pour stocker des valeurs de consigne ou plages de valeurs de consigne des flux d'énergie Eoj, pour comparer ces valeurs, après calcul de la valeur de R en fonction notamment du débit DGj et de la température Tj des fumées de
combustion, avec les valeurs de flux d'énergie mesurées Ej.
- et des actionneurs (213), commandés par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement la valeur du flux d'énergie mesurée Ej en modifiant le débit DGj du flux de fumées de combustion, de façon à ce que les valeurs de mesure Ej soient égales aux
valeurs de consigne Eoj ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne.
Ce dispositif peut en outre comprendre le stockage de la fonction de corrélation (63) entre les valeur de consigne des flux d'énergie Eo ou Eoj et les valeurs de consigne des débits de carburant DCo ou DCoj et la régulation correspondante desdits débits à partir
de toute variation de Eo ou Eoj.
nl peut éventuellement comprendre des moyens informatiques (5) pour stocker des valeurs de consigne ou plages de valeurs de consigne de la pression Poj, pour comparer cette valeur à la valeur de pression Pj mesurée, ainsi que des actionneurs, commandés par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement lesdits paramètres de régulation en modifiant le débit d'air DAj, de façon à ce que les valeurs de mesure soient égales aux valeurs de consigne ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne. Mais, de préférence, comme déjà indiqué, les débits d'air DAj sont maintenus à une valeur constante prédéterminée Il a été trouvé avantageux de choisir, comme moyen pour mesurer les débitsDGj des gaz de combustion Gj un tube de Venturi (214) placé dans chacune desdits piquages d'aspiration Aj (210). De préférence, les tubes de Venturi utilisés sont de faible dimension, de manière à pouvoir être placés à l'intérieur desdits piquages d'aspiration Aj et à ne capter qu'une fraction déterminée du flux gazeux Gj, typiquement de 1/5 ème à 1/20 ème de ce flux, en effet la demanderesse a observé que l'emploi de tels tubes présentait de gros avantages par rapport à l'utilisation d'un tube Venturi à travers lequel passerait la totalité du flux gazeux, à savoir, un faible coût, une faible perte de charge, un faible encrassement, un faible encombrement, et surtout une très bonne précision de la mesure de débit. Dans le dispositif selon l'invention, les débits d'air DAj et les débits DGj de fumées de combustion (35) aspirés peuvent être modulés par réglage de volets d'obturation, notés respectivement VAj (212) et VGj (232) et placés respectivement sur chacun des piquages de soufflage Sj (230) reliées à une rampe de soufflage d'air (231) et sur chacun des
piquages d'aspiration Aj (210) reliées à une rampe d'aspiration (211).
EXEMPLE DE REALISATION
Les figures 1, la, lb, lc, 2, 3, 6 et 7 illustrent l'invention.
La figure 1, selon l'invention, est une vue de dessus de la partie "active " d'un four de cuisson à feu tournant (1), partie " active >> comprenant, dans le sens long, 10 chambres Ci avec i = 1 à 10 et, de gauche à droite, une succession de 3 chambres de préchauffage (21) (C1 à C3), 3 chambres de cuisson (22) (C4 à C6), et 4 chambres de refroidissement (23) (C7 à C10), et, dans le sens travers, et en alternance, une succession de cloisons chauffantes creuses Clij (3) et d'alvéoles Alij (4) dans lesquels sont empilés les blocs
carbonés à cuire (40), avec i = 1 à 10, etj = 0 à 6 pour ClIj et 1 à 6 pour Alij.
Les cloisons chauffantes Clij (3) sont munies d'ouvreaux (30) permettant d'introduire dans lesdites cloisons les dispositifs mobiles nécessaires, avec, de droite à gauche, c'est à dire d'amont en aval dans le sens de circulation des flux gazeux (34,35): - une rampe de soufflage d'air (231) placée transversalement à l'extrémité amont de la chambre Cl0 de refroidissement, munie de piquages de soufflage d'air Sj (230), chaque piquage de soufflage d'air Sj insufflant dans la cloison chauffante correspondante Cl1oj un débit d'air DAj régulé grâce à un volet d'obturation VAj (232) et à un actionneur (233) de ce volet, - trois rampes de brûleurs (220) placées transversalement sur les chambres de cuisson C4 à C6, chaque rampe comprenant deux rangées de brûleurs (221) avec injecteurs de carburant Iij avec i = 4 à 6, et j = 0 à 6, chaque injecteur de carburant Ij assurant un débit
de carburant DCij.
- une rampe d'aspiration (211) placée transversalement à l'extrémité aval de la chambre CI de préchauffage, munie de piquages d'aspiration Aj (210), chaque piquage aspirant dans ladite cloison chauffante Cllj un flux de fumées de combustion Gj de débit massique DGj pouvant varier grâce à un volet d'obturation VG, (212) et à un actionneur (213) de
ce volet.
En vue de la régulation selon l'invention, chaque piquage d'aspiration Aj est munie d'un dispositif de mesure (214) du débit massique DG, du flux de fumées de combustion, du type "tube de Venturi " comme décrit à la figure 3, d'un dispositif de mesure de la température Tj de ce flux, un autre dispositif mesurant la température Ta de l'air
ambiant. Ces dispositifs ne sont pas en eux-mêmes représentés sur la figure 1.
Une rampe d'obturateurs déployables (217), positionnée sur la chambre Co, obstrue les cloisons creuses Clij en aval de la rampe d'aspiration (211) positionnée sur la chambre Ci, de manière à ce que le flux de fumées de combustion ne soit dilué par un apport d'air
venant des chambres situées en aval du feu.
Une rampe de capteurs de pression (234) est placée sur la chambre C7 pour mesurer la pression Pj et vérifier ainsi que la première chambre de combustion C6 est bien à une
pression légèrement inférieure à la pression atmosphérique.
La figure la correspond à la figure I et présente une vue en coupe du four (1), dans le plan vertical et dans le sens long, et en particulier la succession de cloisons chauffantes creuses, de Cltj à Cll0oj, assurant le circulation des différents flux gazeux, flux d'air (34) dans les chambres de de refroidissement C7 à C10, flux de fumées de combustion (35)
dans les chambres de combustion C4 à C6 et dans les chambres de préchauffage Cl à C3.
Les chambres C7 à Co10 étant en surpression, un flux d'air (37) s'échappe de ces chambres, tandis qu'un flux d'air (38) pénètre dans les chambres Cl à C6 qui sont en
dépression, comme représenté à la figure ld.
La figure lb est la courbe de pression d'air (34) ou de fumées de combustion (35) dans les différentes cloisons chauffantes: la chambre C7 en amont des chambres de combustion est à la pression atmosphérique Pa, tandis que la pression en amont de la chambre C10 est égale Pa+p avec p = 50 à 60 Pa, tandis que la pression en aval de la chambre CI est égale à Pa-p', avec p' = 100 à 200 Pa. La figure lc représente, de manière schématique, les moyens informatiques de commande et de régulation (5) permettant: - en amont, de préférence, la fixation à une valeur prédéterminée du débit d'air DAj soufflé dans les cloisons chauffantes creuses Cl0oj, ou éventuellement, la régulation du débit d'air DAj, grâce au volet d'obturation VAj (232) et à son actionneur (233), de manière à ce que la pression Pj mesurée juste en amont des chambres de combustion soit maintenue constante et comprise dans une plage de valeur de consigne sous la forme Poj
+/- po.
- au niveau des chambres de combustion, la fixation des débits de carburant des trois rampes d'injecteurs L4j, 15j et Ij, le débit DCij d'un injecteur Iij devant être égal à une valeur de consigne DCoij, - en aval, le régulation des flux des fumées de combustion (35) aspirés, en mesurant les valeurs de chaque débit gazeux DGj, de sa température Tj, de la température ambiante
Ta, en calculant la valeur du produit R, c'est à dire la valeur de l'énergie Ej = DGj. Cg.
(Tj - Ta) contenue dans le flux Gj de fumées aspirées, et en régulant chaque débit DGj de
manière à ce que Ej soit égal à une valeur de consigne Eoj.
La figure 2 est une vue en perspective, partiellement éclatée, d'un four (1) selon l'état de la technique comprenant des moyens selon l'invention. Elle montre notamment, dans le sens travers noté Y-Y', la succession de cloisons chauffantes creuses (3) munies d'ouvreaux (30) et de chicanes (31), et d'alvéoles (4) contenant les empilements de blocs carbonés (40) à cuire. Elle montre, dans le sens long noté X-X', une première chambre (chambre C2) sous forme éclatée, et une seconde chambre (chambre CI) équipée de piquages d'aspiration (210) reliées à une rampe d'aspiration (211), chaque piquage comprenant un capteur de débit (214), un volet d'obturation (212) et un actionneur
(213) de ce volet.
La figure 3 représente en coupe longitudinale un capteur de débit selon l'invention, constitué par un tube de type " Venturi >> placé à l'intérieur de chaque piquage d'aspiration Aj (210) mesurant une pression statique Ps et une pression différentielle Pd, permettant ainsi le calcul du débit massique DGj. Ce débit est égal à K (Ps.Pd/T)/2, K étant une constante tenant compte notamment de facteurs géométriques, une fraction
seulement du flux des fumées de combustion (35) passant dans le tube Venturi.
La figure 7 est une représentation schématique de la régulation selon l'invention: chaque piquage d'aspiration (210), branché sur la rampe d'aspiration (211), comprend un capteur de débit (214) de type Venturi, un volet d'obturation (212) mû par un actionneur (213). Des moyens de régulation et de commande (50) des débits DGj des fumées de combustion permettent, à partir notamment des mesures de pression fournies par le capteur de débit (214), de calculer le débit massique DGj du flux de fumées de combustion (35), de calculer ensuite la valeur de R, c'est à dire de l'énergie Ej correspondante, compte tenu soit des mesures de température Ta et Tj nécessaires, soit des autres données introduites en mémoire, telle que la chaleur spécifique massique des fuimées Cg en fonction de leur température et de leur pression, de la comparer à une valeur de consigne Eoj ou à une plage de valeurs de consigne, et d'actionner le volet d'obturation (212) de manière à faire varier DGj dans le sens souhaité et corriger ainsi la
O valeur de R ou Ej.
Sur la figure 7 sont représentés aussi les brûleurs (221) à débit prédéterminé DCo. Un trait en pointillés (630) relie les valeurs de DCo ou DCoj à celles de Eo ou Eoj, la relation entre les deux étant constitué par la corrélation entre Ec et Eg illustrée par la
portion (63) de la droite de régression (6) de la figure 6.
AVANTAGES DE L'INVENTION
L'invention présente des avantages très importants. Elle permet en effet d'une part de simplifier la régulation des fours de cuisson à feu tournant, et ainsi de diminuer le coût d'investissement ou de remplacement des dispositifs de mesure, ce qui correspond à des gains importants, compte tenu du fait que la régulation d'un four
compte environ pour 10% de l'investissement total.
Avec une régulation selon l'invention dans laquelle les bruleurs notamment sont pilotés par une consigne de puissance (flux d'énergie Eo - Eoj) et non plus de température comme selon l'état de la technique, et ainsi, ce sont 50 à 100 thermocouples par four ayant une durée de vie de trois mois qui sont économisés, - d'autre part de diminuer la consommation énergétique des fours d'au moins 10%, en la faisant passer d'une moyenne de 2450 MJ/t à moins de 2200 MJ/t, - d'assurer une constance de qualité des blocs carbonés cuits, compte tenu de la disparition de variations brusques de la température dans les fours, - de s'adapter aux fours existants et ainsi d'améliorer le fonctionnement de ces fours sans
investissement important.
Claims (14)
1. Procédé de régulation d'un four à feu tournant (1) de cuisson de blocs carbonés (40) comprenant une succession de chambres Ci (2,21,22, 23) actives simultanément mais de manière différenciée, à savoir, d'amont en aval et dans le sens longitudinal, des chambres de refroidissement (23), dont la première, en tête, est alimentée en air atmosphérique (33) à l'aide de piquages de soufflage Sj (230), des chambres de cuisson (22) équipées d'au moins une rampe (220) de brûleurs à injecteurs Ij (221) alimentés en carburant, et des chambres de préchauffage (21), dont la dernière, en queue, est munie de piquages d'aspiration Aj (210) des fumées de combustion (34), et comprenant, dans le sens travers et en alternance, une succession de cloisons chauffantes creuses ClIj (3) et d'alvéoles Alij (4) dans lesquels sont empilés les blocs carbonés à cuire (40), lesdites cloisons Clij (3) d'une chambre donnée Ci (2,21,22,23) munies d'ouvreaux (30) destinés à recevoir lesdits piquages de soufflage Sj (230) et/ou lesdits injecteurs Ij (221) et/ou lesdits piquages d'aspiration Aj (210) et/ou des moyens de mesure (214,215,234) communiquant avec les cloisons creuses Cli lj et Cli,+lj des chambres précédente Ci- et suivante Ci+1 de manière à assurer la circulation d'amont vers l'aval d'un flux gazeux comprenant l'air atmosphérique (33) et les fumées de combustion (34), caractérisé en ce que le débit massique DGj de chacun des flux de fumées de combustion Gj (34) traversant lesdits piquages d'aspiration Aj (210) en queue des chambres de préchauffage (23), est régulé en mesurant le débit massique DGj et la température Tj de chacun des flux de fumées de combustion Gj, en calculant les flux d'énergie Ej correspondants, typiquement par le produit R égal à DGj.(Tj-Ta).Cg, Tj et Ta étant respectivement la température des fumées de combustion Gj et celle de l'air ambiant, et Cg étant la chaleur spécifique massique des fumées de combustion à la température Tj, de façon à maintenir, pour chacun des flux de fumées de combustion Gj, ledit flux d'énergie Ej à une valeur de consigne Eoj prédéterminée.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel ladite valeur de consigne Eoj est soit une
constante, soit une fonction du temps f(t) prédéterminées.
3. Procédé selon une quelconque des revendication 1 et 2 dans lequel le débit de carburant DCj alimentant lesdits brûleurs Ij (221) est fixé à un niveau prédéterminé DCoj.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel ledit niveau prédéterminé DCoj dudit débit de carburant DCj est établi à partir d'une valeur de consigne Eoj pour ledit flux d'énergie Ej et une courbe expérimentale de corrélation (63) entre ledit flux d'énergie Ej
et ledit débit de carburant DCj alimentant lesdits brûleurs.
5. Procédé selon une quelconque des revendications 3 à 4 dans lequel ledit niveau
prédéterminé de débit de carburant est choisi, pour une cloison creuse donnée Clij (3) d'une chambre de cuisson donnée Ci (22) d'un four donné, de manière à ce que la température mesurée des fumées de combustion (34) dans ladite cloison creuse Clij (3)
ait une valeur prédéterminée, typiquement comprise entre 1000 et 1300 C.
6. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel ledit débit d'air
DAj desdits piquages de soufflage Sj (230) en tête des chambres de refroidissement (23) est régulé, soit de façon à ce que la pression dans les cloisons creuses Clij desdites chambres de cuisson Ci (22) soit inférieure à la pression atmosphérique et comprise dans une plage de pression prédéterminée, la pression statique Pj en queue des chambres de refroidissement (23) étant sensiblement égale à la pression atmosphérique, soit de façon à ce que la vitesse du flux d'air (34), ou celle du ventilateur utilisé pour mettre en mouvement ce flux d'air, à l'entrée desdites chambres de cuisson soit constante, et à une
valeur prédéterminée.
7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le débit d'air DAj
est, de préférence, fixé à une valeur prédéterminée de manière à ce que la pression
statique en tête des chambres de cuisson (22) soit inférieure à la pression atmosphérique.
8. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel ladite valeur de
consigne Eoj, des flux d'énergie des fumées de combustion Gj est choisie, typiquement expérimentalement, à une valeur la plus basse possible qui soit compatible avec les
exigences usuelles de qualité des blocs carbonés fabriqués et de fonctionnement du four.
9. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel les valeurs de
consigne, notamment Eoj et la valeur correspondante de DCoj, sont définies pour chacune des cloisons Clij du four, non seulement dans le sens travers du four, avec repérage par l'indice j, mais aussi sur toute la longueur du four, avec repérage par l'indice i, de manière à avoir une cartographie des valeurs de consigne, e.g. Eoij, qui tienne compte des effets de bord à la fois sur les côtés dudit four et à ses extrémités lors
du déplacement du feu.
10. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel on utilise des
moyens informatiques (5) pour stocker des valeurs de consigne ou plages desdites valeurs de consigne de différents paramètres pour chaque cloison sur l'ensemble du four, notamment Eoij, pour comparer ces valeurs aux valeurs mesurées de ces paramètres, après calcul éventuellement, ainsi que des actionneurs, commandés par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement lesdits paramètres de régulation, notamment en modifiant les débits d'air DAjj, de façon à ce que les valeurs de mesure soient égales
aux valeurs de consigne ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne.
11. Dispositif de régulation de four pour mettre en oeuvre le procédé de régulation selon
une quelconque des revendications 1 à 10 comprenant:
- des moyens de mesure des débits DGj des flux de fumées de combustion Gj, - des moyens informatiques (5,50) pour stocker des valeurs de consigne ou plages de valeurs de consigne des flux d'énergie Eoj, pour comparer ces valeurs, après calcul de la valeur de R en fonction notamment du débit DGj et de la température Tj des fumées de
combustion, avec les valeurs de flux d'énergie mesurées Ej.
- et des actionneurs (213), commandés par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement la valeur du flux d'énergie mesurée Ej en modifiant le débit DGj du flux de fumées de combustion Gj, de façon à ce que les valeurs de mesure Ej soient égales aux
valeurs de consigne Eoj ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne.
12. Dispositif selon la revendication 11 comprenant en outre le stockage de la fonction de corrélation (63) entre les valeur de consigne des flux d'énergie Eo ou Eoj et les valeurs de consigne correspondantes des débits de carburant DCo ou DCoj et assurant la
régulation correspondante desdits débits à partir de toute variation de Eo ou Eoj.
13. Dispositif de régulation selon une quelconque des revendications 11 à 12 dans lequel
ledit moyen pour mesurer les débits DGj du flux de fumées de combustion Gj comprend un tube de Venturi (214) placé dans chacune desdites piquages d'aspiration Aj (210), de
manière à ne capter qu'une fraction déterminée du flux gazeux Gj.
14. Dispositif de régulation selon une quelconque des revendications 11 à 13 dans lequel
les débits d'air DAj soufflés ou les débits DGj du flux de fuilmées de combustion (35) aspirés sont fixés ou modulés par réglage de volets d'obturation, notés respectivement VAj (212) et VGj (232) et placés respectivement sur chacune des piquages de soufflage Sj (230) reliées à une rampe de soufflage d'air (231) et sur chacune des piquages
d'aspiration Aj (210) reliées à une rampe d'aspiration (211).
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