FR3037131B1 - Procede et intallation de combustion - Google Patents
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Abstract
Procédé de combustion et installation adaptée à sa mise en œuvre, procédé dans lequel des fumées (200) générées par la combustion d'un combustible avec un comburant riche dans une chambre (100) sont évacuées de la chambre (100) et utilisées pour le chauffage d'un gaz caloporteur (300) par échange thermique avec les fumées (200) dans un échangeur primaire (203), une partie (304) du gaz caloporteur chauffé étant introduite à une température Tc1 dans un récupérateur secondaire (400) de type échangeur à plaques et ondes de manière à préchauffer un réactif de combustion (401) avant son introduction dans la chambre (100) à une température entre Tc1-50°C et Tc1 par échange thermique avec la partie (403) du gaz caloporteur chauffé.
Description
Il est connu d’améliorer le bilan énergétique et économique d’une installation de combustion et plus particulièrement d’un four industriel en préchauffant au moins un réactif de combustion en amont de la chambre de combustion au moyen des fumées chaudes évacuées de la chambre.
Selon une technologie avantageuse, décrite dans US-A-6071116, les fumées sont évacuées de la chambre de combustion au moyen d’un circuit d’évacuation de fumées comportant un ou des échangeurs de chaleur primaires dans le(s)quel(s) on chauffe un fluide caloporteur, tels que de l’air, du CO2, de l’azote ou de la vapeur par échange thermique avec les fumées chaudes évacuées. Le fluide caloporteur ainsi chauffé est ensuite dirigé vers un ou plusieurs dispositifs de récupération de chaleur secondaires dans lesquels on chauffe au moins un réactif de combustion, c'est-à-dire du combustible et/ou du comburant (=oxydant de combustion) au moyen du fluide caloporteur chaud. Selon US-A-607116, les échangeurs de chaleur primaires peuvent être des récupérateurs céramiques ou métalliques. Les dispositifs de récupération de chaleur secondaires peuvent être des récupérateurs céramiques ou métalliques ou encore des régénérateurs fonctionnant en alternance.
Des problèmes d’encombrement, d’accessibilité et de sécurité dans des installations de combustion industrielles limitent fortement la taille des équipements d’échanges de chaleur. Ainsi, à l’exception des hauts fourneaux et des fours de fusion de verre à air fonctionnant en alternance, il n’est le plus souvent pas possible d’utiliser des paires de régénérateurs fonctionnant en alternance, et ceci en particulier dans le cas d’un système tel que décrit dans US-A-607116 avec deux dispositifs d’échange de chaleur en série.
Quand le ou les échangeurs de chaleur primaires et les dispositifs de récupération de chaleur secondaires sont du type récupérateur (céramique ou métallique), les restrictions de taille susmentionnées, mais également de coûts de fabrication, font que : la température du fluide caloporteur chauffé à la sortie de l’échangeur de chaleur primaire est, pour un échangeur de chaleur donné, fonction du débit et de la température des fumées chaudes à l’entrée de l’échangeur primaire et du débit et de la température du fluide caloporteur à l’entrée de l’échangeur primaire, et la température du réactif de combustion à la sortie du dispositif de récupération de chaleur secondaire est fonction du débit et de la température du fluide caloporteur à l’entrée du dispositif secondaire et du débit et de la température du réactif de combustion à l’entrée dudit dispositif secondaire.
Pour une efficacité optimale du procédé, on cherche à chauffer le réactif de combustion au maximum sans toutefois surchauffer le réactif. En effet, en ce qui concerne le comburant, et en particulier dans le cas d’un comburant riche en oxygène, on veillera à rester en dessous de la température à laquelle peut être initiée la combustion de l'alliage métallique en contact avec l'oxygène. En ce qui concerne le combustible, on veillera à rester en dessous de la température à laquelle le combustible se dégrade, par exemple par craquage.
La température des fumées évacuées et le débit du ou des réactifs de combustion préchauffés vers la chambre étant déterminés par le procédé / les conditions à l’intérieur de la chambre, le réglage de la température de préchauffage du ou des réactifs de combustion est assez complexe.
Etant donné les problèmes de régulation de température exposés ci-dessus, on conçoit et utilise en pratique un système de préchauffage par récupération de chaleur dans lequel la température de préchauffage du réactif de combustion reste nettement en dessous de la température limite pour ce réactif, et ceci avec une marge de sécurité importante.
Ces technologies connues n’exploitent donc pas au maximum les avantages potentiels du préchauffage de réactifs de combustion.
La présente invention a pour but de fournir une méthode qui permet, dans une installation de combustion industrielle telle qu’une installation de fusion de verre, une régulation fiable et plus aisée de la température de préchauffage du réactif de combustion. De cette manière, elle permet également de réduire la marge de sécurité vis-à-vis de la température limite du réactif et ainsi également une amélioration plus importante du bilan énergétique du procédé global.
La présente invention concerne un procédé de combustion d’un combustible avec un comburant dans une chambre de combustion, appelée ci-après la « chambre ».
Cette combustion génère des fumées qui sont évacuées de la chambre. Un gaz caloporteur est chauffé par échange thermique avec les fumées évacuées dans un échangeur de chaleur primaire, dit « échangeur primaire », de manière à obtenir un gaz caloporteur chauffé à une température T1, ladite température T1 étant supérieure ou égale à une première température cible Tel.
Une première partie du gaz caloporteur chauffé ainsi obtenu est transportée de l’échangeur primaire vers un premier récupérateur de chaleur secondaire, dit « premier récupérateur secondaire », ledit premier récupérateur secondaire étant de type récupérateur à plaques et ondes.
Cette première partie de gaz caloporteur chauffé est introduite dans le premier récupérateur secondaire à la première température cible de Tel pour le préchauffage, dans ce premier récupérateur secondaire, d’un premier réactif à une température entre Tc1-50°C et Tel par échange thermique avec cette première partie de gaz caloporteur chauffé.
Le premier réactif préchauffé ainsi obtenu est introduit en tant que réactif de combustion dans la chambre, le premier réactif étant choisi parmi les combustibles gazeux et les comburants gazeux riches en oxygène.
Sauf indication contraire explicite, le terme « échangeur » signifie « échangeur de chaleur », le terme « récupérateur » signifie « récupérateur de chaleur » et le terme « réactif » signifie « réactif de combustion ».
Dans le contexte de la présente invention, on comprend par « échange de chaleur » ou « échange thermique » entre deux fluides le transfert d’énergie thermique d’un des deux fluides vers l’autre des deux fluides à travers une paroi et sans contact direct ou mélange entre les deux fluides.
De manière analogue, on comprend par « échangeur de chaleur » ou « échangeur » un équipement pour l’échange de chaleur entre deux fluides, équipement dans lequel les deux fluides circulent dans deux circuits distincts sans contact direct ou mélange entre les deux fluides et dans lequel de l’énergie thermique est transférée d’un des deux fluides vers l’autre des deux fluides à travers une ou des parois séparant les deux circuits.
On comprend par « récupérateur de chaleur » ou « récupérateur » un échangeur à contre-courant.
Le terme « préchauffage » signifie le chauffage d’un produit, et en particulier d’un combustible ou d’un comburant, avant son introduction dans la chambre de combustion. L’introduction d’un réactif de combustion dans une chambre de combustion est généralement réalisée au moyen d’un brûleur ou d’une lance d’injection ou une combinaison des deux.
Un « récupérateur à plaques et ondes », en anglais « plate-fin recuperator », est un récupérateur connu par l’homme du métier dans lequel les circuits des fluides sont formés par des tôles ondulées séparées par des plaques de séparation.
On comprend par « comburant riche en oxygène » ou « comburant riche » un comburant ayant une teneur en oxygène supérieure à la teneur en oxygène de l’air. Le comburant riche présente typiquement une teneur en oxygène entre 30% vol et 100% vol de préférence supérieure ou égale à 50% vol. Les comburants riches préférés contiennent au moins 90% vol d’oxygène, de préférence au moins 95% vol et encore de préférence au moins 98% vol.
Le combustible gazeux est avantageusement choisi parmi le méthane, le propane, le buthane, le gaz naturel, le gaz de schiste, le syngaz et le naphtha vaporisé. Le syngaz est un gaz de synthèse produit par thermochimie et constitué principalement d’hydrogène (H2) et monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2).
Deux dispositifs ou éléments sont « fluidiquement reliés » quand ils sont reliés, typiquement par une canalisation, de manière à permettre l’écoulement d’un fluide d’un des deux dispositifs ou éléments vers l’autre des deux dispositifs ou éléments.
Grâce à l’utilisation, suivant la présente invention, d’un récupérateur à plaques et ondes pour le préchauffage du réactif de combustion, il est possible d’assurer que l’écart entre la température de préchauffage du réactif de combustion et la première température cible Tel n’est jamais supérieure à 50°C, même au débit maximal dudit réactif de combustion requis par le procédé à l’intérieur de la chambre de combustion, et ceci avec un dispositif de récupération de chaleur secondaire d’une taille nettement inférieure aux dispositifs de récupération de chaleur de même puissance habituellement utilisés pour le préchauffage de réactifs de combustion par échange de chaleur avec un fluide. Par une sélection appropriée de la surface d’échange du récupérateur secondaire, il est également possible d’assurer que l’écart entre la température de préchauffage du réactif de combustion et la première température cible ne dépasse jamais 30°C, de préférence 20°C, voire sous 10°C. Un autre avantage lié à l’utilisation de récupérateurs secondaires à plaques et ondes est que, par rapport aux échangeurs de chaleur couramment utilisés pour le préchauffage de réactifs de combustion, ils nécessitent un débit relativement faible de fluide caloporteur chaud.
On note également que l’utilisation de récupérateurs secondaires à plaques et ondes permet un fonctionnement de l’échangeur primaire à plus basse température pour une même température de préchauffage du réactif de combustion. Ceci permet d’augmenter la durée de vie de l’échangeur primaire, voire d’utiliser un échangeur primaire moins coûteux. L’opérateur de la chambre de combustion choisira avantageusement pour son installation un écart entre la température de préchauffage minimale (température du réactif préchauffé) et la température cible Tel, de manière à ce qu’une variation de la température de préchauffage entre Tel et la température de préchauffage minimale n’ait qu’un impact négligeable sur les conditions opératoires du procédé ou sur le procédé à l’intérieur de la chambre de combustion.
Etant donné qu’avec le récupérateur à plaques et ondes secondaires, la température de préchauffage ne dépassera jamais la température cible Tel, il est possible de choisir comme température du gaz caloporteur à l’entrée du récupérateur secondaire, une température de préchauffage maximale prédéterminée du réactif de combustion, déterminée en particulier sur la base des critères cités ci-dessus.
Suivant une forme de réalisation avantageuse de l’invention, on détecte lors du transport de la première partie du gaz caloporteur chauffé de l’échangeur primaire vers le premier récupérateur secondaire la température de la première partie de gaz caloporteur chauffé. Lorsque la température détectée est supérieure à la première température cible Tel, on refroidit la première partie du gaz caloporteur jusqu’à la première température cible Tel avant son introduction dans le premier récupérateur secondaire. Dans ce cas, on refroidit avantageusement la première partie du gaz caloporteur chauffé en la mélangeant avec du gaz caloporteur non-chauffé.
Quand le premier récupérateur secondaire est le seul récupérateur secondaire auquel du gaz caloporteur chauffé dans l’échangeur primaire est fourni, la première partie du gaz caloporteur chauffé fournie au premier récupérateur secondaire peut être la totalité du gaz caloporteur chauffé.
Suivant une autre forme de réalisation du procédé suivant l’invention, une deuxième partie du gaz caloporteur chauffé dans l’échangeur primaire est transportée vers un deuxième récupérateur secondaire également à plaques et ondes. Ladite deuxième partie du gaz caloporteur chauffé est introduite dans le deuxième récupérateur secondaire à une deuxième température cible Tc2 qui est inférieure ou égale à la première température cible Tel.
Dans le deuxième récupérateur secondaire, on préchauffe un deuxième réactif par échange thermique avec cette deuxième partie de gaz caloporteur chauffé et ceci à une température de préchauffage entre Tc2-50°C et Tc2.
Le deuxième réactif est également choisi entre les combustibles gazeux et les comburants riches gazeux. Le deuxième réactif ainsi préchauffé dans le deuxième récupérateur secondaire est fourni à la chambre comme réactif de combustion.
Ainsi, le premier récupérateur secondaire peut être utilisé pour le préchauffage d’un réactif gazeux choisi parmi un combustible et un comburant riche, tandis que le deuxième récupérateur secondaire est utilisé pour le préchauffage de l’autre de ces deux réactifs. Quand Tel + Tc2, c'est-à-dire quand Tc2 < Tel, le choix du réactif à préchauffer dans respectivement le premier et le deuxième récupérateur secondaire se fait généralement en fonction de la température de préchauffage maximale des deux réactifs.
De manière avantageuse, on détecte la température de la deuxième partie de fluide caloporteur chauffé lors de son transport de l’échangeur primaire vers le deuxième récupérateur secondaire. Quand la température détectée est supérieure à la deuxième température cible Tc2, on refroidit cette deuxième partie de gaz caloporteur chauffé, de préférence en la mélangeant avec du fluide caloporteur non-chauffé.
Comme déjà décrit ci-dessus en rapport avec le premier récupérateur secondaire, il est possible, par un choix approprié du deuxième récupérateur secondaire, d’assurer un préchauffage du deuxième réactif à une température de préchauffage dans la plage de Tc2-30°C à Tc2, de préférence de Tc2-20°C à Tc2, voire de Tc2-10 à Tc2.
Différents types d’échangeurs peuvent être utilisés comme échangeur primaire à condition d’être compatible avec la composition et la température des fluides le traversant. Ainsi, l’échangeur primaire peut être choisi parmi les échangeurs à tubes, et notamment les échangeurs à tubes en U, les échangeurs à faisceau tubulaire horizontal ou à faisceau tubulaire vertical et les échangeurs à spirales. L’échangeur primaire peut être un échangeur à cocourant ou peut être un échangeur à contre-courant (=récupérateur).
Le gaz caloporteur est avantageusement choisi parmi l’air, l’azote, le CO2 et la vapeur, la vapeur n’étant utilisée que lorsque l’entrée dans l’échangeur de chaleur primaire jusqu’à la sortie du premier, et le cas échéant également le deuxième récupérateur secondaire la température du gaz caloporteur reste au-dessus de la température de condensation de la vapeur. L’air est le gaz caloporteur préféré.
Le procédé suivant l’invention est utile pour un grand nombre d’applications.
Ainsi, la chambre de combustion peut être une chambre de fusion ou de fusion-affinage, par exemple une chambre de fusion ou fusion-affinage de verre ou de métal, une chambre d’une chaudière, une chambre d’un four de réchauffage, d’un four de grillage, d’un four de calcination ou d’un four de combustion de déchets (autres applications ? non).
Le procédé suivant l’invention est notamment avantageux quand les fumées sont évacuées de la chambre à une température entre 800°C et 1700°C, voire d’au moins 1000°C.
La présente invention couvre également une installation adaptée pour la mise en œuvre d’un procédé de combustion suivant l’une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus. L’installation suivant l’invention comporte une chambre de combustion, un échangeur de chaleur primaire et un premier récupérateur secondaire de type récupérateur à plaques et ondes. L’installation comporte également un circuit d’écoulement de fumées, un circuit d’écoulement d’un gaz caloporteur et un circuit d’écoulement d’un premier réactif gazeux.
Le circuit d’écoulement de fumées relie fluidiquement, dans l’ordre donné : une sortie de fumées de la chambre, une entrée de fumées de l’échangeur primaire, et, une sortie de fumées de l’échangeur primaire.
Le circuit d’écoulement du gaz caloporteur relie fluidiquement, dans l’ordre donné : une entrée et une sortie de gaz caloporteur de l’échangeur primaire, et une entrée et une sortie de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire.
Le circuit d’écoulement du premier réactif gazeux relie fluidiquement, dans l’ordre donné : une entrée et une sortie du premier réactif du premier récupérateur secondaire, et, une entrée du premier réactif gazeux de la chambre.
Ainsi, le circuit d’écoulement de fumées permet l’introduction de fumées évacuées de la chambre, via sa sortie de fumées, dans l’échangeur primaire.
Le circuit d’écoulement du gaz caloporteur permet l’introduction de gaz caloporteur dans l’échangeur primaire, afin d’être chauffé par échange thermique avec les fumées évacuées, et l’introduction dans le premier récupérateur secondaire de gaz caloporteur chauffé dans l’échangeur primaire.
Le circuit d’écoulement du premier réactif gazeux permet l’introduction du premier réactif gazeux dans le premier récupérateur secondaire, afin d’être préchauffé par échange thermique avec le gaz caloporteur chauffé dans l’échangeur primaire, et l’introduction dans la chambre comme réactif de combustion du premier réactif gazeux préchauffé dans le premier récupérateur secondaire. L’entrée du premier réactif gazeux préchauffé dans la chambre peut être un brûleur ou une lance d’injection de la chambre de combustion, voire une combinaison des deux.
Pour la mise en oeuvre de l’installation suivant l’invention, le circuit d’écoulement du premier réactif gazeux comporte une source d’un premier réactif gazeux en amont du premier récupérateur secondaire, permettant ainsi la fourniture du premier réactif gazeux au premier récupérateur secondaire pour son préchauffage par échange thermique avec du gaz caloporteur chauffé. La source de premier réactif gazeux est choisie parmi une source de combustible gazeux ou une source d’un comburant gazeux riche en oxygène. Quand la source de premier réactif gazeux est une source de combustible gazeux, l’entrée de premier réactif gazeux de la chambre est une entrée de combustible gazeux. Quand la source de premier réactif gazeux est une source d’un comburant riche, l’entrée du premier réactif gazeux de la chambre est une entrée de comburant riche.
Le circuit d’écoulement du gaz caloporteur peut être un circuit fermé ou un circuit ouvert. Quand le circuit d’écoulement du gaz caloporteur est fermé, la sortie de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire est en amont de et fluidiquement reliée à l’entrée de gaz caloporteur de l’échangeur primaire.
Pour la mise en oeuvre de l’installation, en particulier dans le cas d’un circuit d’écoulement ouvert de gaz caloporteur, ce circuit comporte une source de gaz caloporteur en amont de et fluidiquement reliée à l’entrée de gaz caloporteur de l’échangeur primaire.
La source de gaz caloporteur peut être une source d’air, telle qu’un compresseur d’air, une source d’azote, telle qu’un réservoir d’azote liquéfié, une source de CO2 ou une source de vapeur, telle qu’une chaudière.
Le circuit d’écoulement de gaz caloporteur comporte de préférence un premier détecteur de température pour la détection de la température du gaz caloporteur entre la sortie de gaz caloporteur de l’échangeur primaire et l’entrée de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire. Dans ce cas, le circuit de gaz caloporteur comporte avantageusement également un premier équipement de refroidissement pour le refroidissement du gaz caloporteur dans cette section du circuit d’écoulement du gaz caloporteur. L’installation comporte alors de manière utile un premier contrôleur permettant l’activation et la désactivation automatisée du premier équipement de refroidissement en fonction de la température détectée par le premier détecteur de température. Le premier contrôleur est alors programmé de manière à activer le premier équipement de refroidissement quand la température détectée est supérieure à une première température cible Tel et de désactiver le premier équipement de refroidissement quand la température détectée ne dépasse pas cette température cible Tel. Le premier équipement de refroidissement peut notamment comporter un injecteur pour l’injection de gaz caloporteur non chauffé dans le circuit d’écoulement de gaz caloporteur entre la sortie de gaz caloporteur de l’échangeur primaire et l’entrée de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire. L’installation suivant l’invention peut également comporter un deuxième récupérateur secondaire de type à plaques et ondes ainsi qu’un circuit d’écoulement d’un deuxième réactif gazeux. Dans ce cas, le circuit d’écoulement du gaz caloporteur relie également fluidiquement, dans l’ordre donné : la sortie de gaz caloporteur de l’échangeur primaire, une entrée de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire, et une sortie de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire.
Le circuit d’écoulement de gaz caloporteur permet donc de diviser le gaz caloporteur chauffé dans l’échangeur primaire en au moins deux parties dont une première partie est dirigée vers le premier récupérateur secondaire et une deuxième partie vers le deuxième récupérateur secondaire.
Le circuit d’écoulement du deuxième réactif gazeux relié fluidiquement, dans l’ordre donné, une entrée et une sortie du deuxième réactif gazeux du deuxième récupérateur secondaire et une entrée du deuxième réactif de la chambre de combustion.
Les remarques ci-dessus relatives au circuit d’écoulement du premier réactif gazeux, par exemple concernant la nature de l’entrée du réactif gazeux de la chambre et la source du réactif gazeux, s’appliquent également au circuit d’écoulement du deuxième réactif gazeux.
Les deux sources de réactif gazeux peuvent être deux sources de combustibles gazeux ou deux sources de comburants gazeux riches. De préférence, l’une des deux sources de réactif gazeux est une source d’un combustible gazeux et l’autre une source d’un comburant gazeux riche.
Quand l’installation comporte un premier et un deuxième récupérateur secondaire, le circuit d’écoulement de gaz caloporteur comporte avantageusement un deuxième détecteur de température pour la détection de la température du gaz caloporteur entre la sortie de gaz caloporteur de l’échangeur primaire et l’entrée de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire ainsi qu’un deuxième équipement de refroidissement pour le refroidissement du gaz caloporteur entre la sortie de gaz caloporteur de l’échangeur de chaleur primaire et l’entrée de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire. Comme déjà décrit en rapport avec le premier équipement de refroidissement, le deuxième équipement de refroidissement comporte de préférence un injecteur pour l’injection de gaz caloporteur non-chauffé dans cette section du circuit d’écoulement de gaz caloporteur. Un deuxième contrôleur, analogue au premier contrôleur sus décrit, est avantageusement présent, le premier et le deuxième contrôleurs pouvant être intégrés dans un seul appareil de contrôle.
Les différentes chambres de combustion et les différents échangeurs primaires décrits ci-dessus en rapport avec la méthode de suivant l’invention peuvent être utilisés dans l’installation suivant l’invention.
La présente invention et ses avantages sont illustrés dans l’exemple ci-après, référence étant faite aux figures 1 et 2 qui représentent de manière schématique deux formes de réalisation de la méthode et de l’installation suivant l’invention.
La figure 1 montre une chambre 100 chauffée par la combustion d’un combustible gazeux avec un comburant gazeux riche en oxygène.
La chambre 100 peut être un four de fusion (par exemple un four de fusion de verre ou de métal), un four de grillage, un four de réchauffage, un four de combustion de déchets, une chaudière, etc. La chambre 100 peut être une chambre stationnaire ou rotative.
Pour la combustion du combustible avec le comburant, la chambre est équipée d’un ou plusieurs brûleurs 102 (un seul brûleur 102 étant schématiquement représenté dans la figure).
Les fumées chaudes 200 générées par la combustion sont évacuées de la chambre 100 par une sortie de fumées 103 de la chambre.
En fonction de la température à laquelle les fumées 200 sont évacuées de la chambre 100 et les propriétés (notamment la résistance à des températures élevées) des équipements en aval en contact avec les fumées évacuées (voir ci-après), il peut être indiqué dans un premier temps, de refroidir les fumées évacuées, par exemple par injection dans les fumées évacuées d’un gaz moins chaud 201 tel que de l’air ambiant ou des fumées refroidies.
Afin de récupérer de l’énergie thermique des fumées évacuées 200, celles-ci sont introduites dans un échangeur de chaleur 203 dit échangeur primaire. Dans le cas illustré, l’échangeur primaire 203 est un récupérateur métallique à simple ou double étage, mais il est possible d’utiliser un autre type d’échangeur.
Dans l’échangeur primaire 203, un gaz caloporteur 300 est chauffé par un échange thermique avec les fumées évacuées 200. Les fumées tempérées 204 sont envoyées vers une chaudière de récupération ou directement vers une installation de traitement de fumées (telle qu’une installation de dépoussiérage et/ou d’extraction de CO2) avant d’être envoyées vers la cheminée (non-illustré).
Dans le cas illustré dans la figure, le gaz caloporteur 300 est de l’air. Le circuit d’écoulement du gaz caloporteur étant ouvert, on utilise de l’air ambiant comme gaz caloporteur 300, l’air ambiant étant fourni par un compresseur d’air (non-illustré).
Le gaz caloporteur chauffé 301 issu de l’échangeur primaire 203 est divisé en plusieurs flux 304, 305, 306.
Un premier flux d’air chauffé 304 est introduit dans un premier récupérateur secondaire à plaques et ondes 400 pour le préchauffage d’un premier réactif de combustion 401. Le deuxième flux d’air chauffé 305 est introduit dans un deuxième récupérateur secondaire à plaques et ondes 500 pour le préchauffage d’un deuxième réactif de combustion 501. Le troisième flux 306 d’air chauffé est transporté vers un autre équipement utilisant de l’air chaud, par exemple une installation pour le séchage et/ou préchauffage de matière à fondre avant son introduction dans la chambre 100 ou n’est pas utilisé, cet échappement réglable permettant un ajustement du débit vers les récupérateurs secondaires.
Dans le cas illustré, le premier réactif de combustion 401 est un comburant gazeux à 97% vol d’oxygène et le deuxième réactif de combustion 501 est du gaz naturel.
Les flux d’air tempéré 307 et 308 sont évacués de respectivement le premier et le deuxième récupérateur secondaire 400, 500.
Les réactifs préchauffés 402, 502 sont introduits en tant que réactifs de combustion dans la chambre 100, par le biais du ou des brûleurs 102.
Chaque récupérateur secondaire 400, 500 peut alimenter plusieurs brûleurs 102 en réactif de combustion préchauffé 402, 502. Un récupérateur secondaire 400, 500 peut également alimenter un seul, voire deux, brûleur(s) 102 en réactif de combustion préchauffé 402, 502. Quand la chambre 100 comporte un nombre n important de brûleurs 102, il est donc possible de prévoir un nombre n ou n/2 récupérateurs secondaires 400, 500 pour chaque réactif de combustion 401, 501 à préchauffer et de diviser le flux de gaz caloporteur chauffé 301 en un nombre de flux de gaz caloporteur chauffé 304, 305 permettant d’alimenter chacun des récupérateurs secondaires 400, 500, avec un flux 304, 305 de gaz caloporteur chauffé.
Lors de la conception de l’installation, l’échangeur primaire 203 a été choisi et conçu, en tenant compte du procédé effectué (ou à effectuer) à l’intérieur de la chambre et des débits et températures des fumées chaudes 200 ainsi générées et évacuées de la chambre 100, et ceci de manière à pouvoir assurer systématiquement le chauffage du débit de gaz caloporteur 300 requis à une première température cible Tel, cette température cible étant la température de préchauffe la plus élevée des réactifs de combustion 401, 501. En d’autres termes, la conception de l’échangeur primaire 203 est tel que pour le ou les débits de gaz caloporteur 300 chauffé (ou à chauffer) dans l’échangeur primaire 203 pendant le procédé / pendant l’opération de l’installation, la température du gaz caloporteur chauffé 301 est systématiquement supérieure ou égale à la première température cible Tel à la sortie de l’échangeur primaire 203.
La température réelle T1 du gaz caloporteur chauffé 301 en amont du premier récupérateur secondaire 400 est détectée par un premier détecteur de température 601. Comme indiqué ci-dessus, la température réelle T1 est supérieure ou égale à la première température cible Tel.
Dans le premier contrôleur 600, la température réelle T1 est comparée avec la première température cible Tel. Le premier contrôleur 600 est programmé de manière à ce que, quand la température réelle détectée T1 est supérieure à Tel, la température des flux de gaz caloporteur chauffé 304, 305 est réduite de manière à correspondre à la première température cible Tel à l’entrée du premier récupérateur secondaire 400. Suivant une forme de réalisation, le contrôleur 600 baisse la température réelle T1 en augmentant le débit de gaz caloporteur 300 introduit dans l’échangeur primaire 203, par exemple au moyen du régulateur de débit de gaz caloporteur 602. Cette forme de réalisation est utile quand l’excès variable de gaz caloporteur chauffé 301, excès qui n’est donc pas nécessaire pour les récupérateurs secondaires 400, 500, trouve une application utile sur le site. Suivant une forme de réalisation alternative, le contrôleur 600 baisse la température du gaz caloporteur chauffé 304 à l’entrée du premier récupérateur secondaire 400 en injectant un débit contrôlé de gaz moins chaud, typiquement du gaz caloporteur non chauffé (air ambiante), dans le gaz caloporteur chauffé 304 avant son introduction dans le premier récupérateur secondaire, par exemple au moyen de l’injecteur 603.
Suivant la forme de mise en oeuvre illustrée dans la figure 1, la perte de chaleur du gaz caloporteur dans le circuit d’écoulement de gaz caloporteur entre l’entrée de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire 400 et du deuxième récupérateur secondaire 500 est négligeable, par exemple à cause de la faible longueur ou la bonne isolation thermique de cette section du circuit d’écoulement de gaz caloporteur.
Ce qui plus est, dans la forme de réalisation illustrée dans la figure 1, on cherche à préchauffer les deux réactifs gazeux 401, 501 à des températures de préchauffage équivalentes, c'est-à-dire à une température entre Tel et Tel -50°C (voire entre Tel et Tel -30°C, -20°C ou -10°C, comme décrit ci-dessus). A cette fin, on assure que la température des flux de gaz caloporteur chauffé 304, 305, à l’entrée de respectivement le premier et le deuxième récupérateur secondaire 400, 500, est identique et en substance égale à Tel et on choisit les récupérateurs secondaires 400, 500, et les débits de gaz caloporteur chauffé 304, 305 correspondants de manière à ce que l’écart ΔΤ entre la température du gaz caloporteur chauffé 304, 305 à l’entrée des récupérateurs secondaires 400, 500 et la température du réactif de combustion préchauffé 402, 502 reste systématiquement (c’est-à-dire pour tout débit de réactif gazeux préchauffé 402, 403 fourni ou à fournir à la chambre 100 au cours du procédé/de l’opération de l’installation) inférieur ou égal à un seuil prédéterminé qui, comme indiqué ci-dessus est de l’ordre de 50°C, de 30°C, de 20°C voire de 10°C. Ce seuil de l’écart ΔΤ est de préférence choisi tel que les variations éventuelles de la température de préchauffage n’ont pas d’impact substantiel sur les conditions/le procédé à l’intérieur de la chambre 100. Suivant l’invention, le seuil prédéterminé ne dépasse pas 50°C. Ce seuil prédéterminé peut être aussi faible que 10°C, voire moins, de manière à atteindre systématiquement un état d’équilibre ou de quasi-équilibre entre les deux fluides à l’intérieur de récupérateurs secondaires 400, 500.
Dans la forme de réalisation illustrée dans la figure 2, les deux réactifs gazeux 401, 501 sont préchauffés à des températures différentes non-équivalentes, permettant ainsi d’optimiser encore plus le rendement énergétique du procédé, notamment quand la température maximale de préchauffage du premier réactif gazeux 401 se distingue nettement de la température maximale de préchauffage du deuxième réactif gazeux 501.
En particulier quand la température maximale de préchauffage T1max du premier réactif gazeux 401 est supérieure à la température maximale de préchauffage T2max du deuxième réactif gazeux 501, on choisit avantageusement comme première température cible Tel une température inférieure ou égale à T1max et supérieure à T2max et comme deuxième température cible Tc2 une température inférieure ou égale à T2max et inférieure à T1.
On régule la température du gaz caloporteur chauffé 304 à l’entrée du premier récupérateur secondaire 400 à Tel comme décrit par rapport à la figure 1.
La température réelle T2 du gaz caloporteur 305 à l’entrée du deuxième récupérateur secondaire 500 est déterminée par un deuxième détecteur de température 701.
Dans le deuxième contrôleur 700, la température réelle T2 du gaz caloporteur en amont du deuxième récupérateur secondaire 500 est comparée avec la deuxième température cible Tc2 qui est inférieure à Tel et inférieure ou égale à T2max. Le deuxième contrôleur 700 est programmé de manière à ce que, quand la température réelle T2 est supérieure à Tc2, la température du flux de gaz caloporteur chauffé 305 à l’entrée du deuxième récupérateur secondaire 500 est réduite à la deuxième température cible Tc2. Suivant la forme de réalisation illustrée, le deuxième contrôleur 700 baisse la température du gaz caloporteur 305 (305 à ajouter sur la figure 2) avant son introduction dans le deuxième récupérateur secondaire 500 en injectant un débit contrôlé de gaz moins chaud, typiquement du gaz caloporteur non chauffé (air ambiant), dans le flux de gaz caloporteur chauffé 305, par exemple au moyen de l’injecteur 703. L’installation illustrée dans la figure 2, peut, par exemple, être utilisée dans l’exemple pratique suivant d’un procédé de fusion de verre par oxycombustion dans lequel on préchauffe un comburant riche à 98% vol O2 à une température de 550°C et du gaz naturel à une température de 450°C.
Les fumées sont évacuées du four de fusion de verre à une température supérieure à 1000°C. Elles sont introduites dans un récupérateur primaire pour le préchauffage d’air ambiant. Par un réglage du débit d’air ambiant et, si besoin en est, de la température des fumées à l’entrée du récupérateur primaire (par exemple par un recyclage partiel de fumées de la sortie du récupérateur primaire vers l’entrée dudit récupérateur primaire), la température de l’air chauffé à la sortie du récupérateur primaire est réglée à environs 600°C, par exemple entre d’au moins 560°C jusqu’à 650°C.
En aval du récupérateur primaire, la température réelle de l’air chauffé est détectée. Quand cette température est supérieure à 560°C, l’air chauffé est refroidi jusqu’à 560°C par injection automatisée d’un débit contrôlé d’air ambiant dans l’air chauffé avant l’introduction d’un premier flux d’air chauffé dans le premier récupérateur secondaire.
Le premier récupérateur secondaire est un récupérateur à plaques et ondes conçu et dimensionné de manière à ce que, quand le besoin en comburant riche du four de fusion atteint sa valeur maximale, la température du comburant préchauffé à la sortie du premier récupérateur secondaire ne descend pas en-dessous de 550°C. En d’autres termes, le premier récupérateur secondaire assure systématiquement une température de préchauffage du comburant entre un minimum de 550°C et un maximum de 560°C, de manière à ce que toute variation de cette température de préchauffage n’ait pas d’impacte appréciable sur le procédé de fusion à l’intérieur du four. Un deuxième flux de l’air chauffé à 560°C est dirigé vers le deuxième récupérateur pour le préchauffage de gaz naturel. On détecte la température de l’air chauffé directement en amont du deuxième récupérateur secondaire et on régule la température de ce deuxième flux d’air chauffé à 460°C par injection d’air ambiante dans l’air chauffé.
Le deuxième récupérateur secondaire est un récupérateur à plaques et ondes conçu et dimensionné de manière à ce que, quand le besoin en gaz naturel du four de fusion atteint sa valeur maximale, la température du gaz naturel préchauffé à la sortie du deuxième récupérateur secondaire ne descend pas en-dessous de 450°C. En d’autres termes, le deuxième récupérateur secondaire assure systématiquement une température de préchauffage du combustible entre un minimum de 450°C et un maximum de 460°C, de manière à ce que toute variation de cette température de préchauffage n’ait pas d’impacte appréciable sur le procédé de fusion à l’intérieur du four.
Afin de compenser les variations dans le débit global d’air chauffé et de maintenir ainsi la pression de l’air chauffé dans son circuit d’écoulement, y compris dans les récupérateurs secondaires, constante dans le temps, une partie de l’air chauffé peut être évacuée de son circuit d’écoulement dans un troisième flux d’air chauffé.
La présente invention permet ainsi un préchauffage simple et fiable de réactifs de combustion par récupération d’énergie thermique présente dans les fumées évacuées et ceci avec une installation de faible encombrement.
Claims (8)
- Revendications1. Procédé de combustion d’un combustible avec un comburant ayant une teneur en oxygène supérieure à celle de l’air dans une chambre (100), comportant les étapes suivantes : a) évacuation de la chambre (100) des fumées (200) générées par la combustion ; b) chauffe d’un gaz caloporteur (300) par échange thermique avec les fumées évacuées (200) dans un échangeur de chaleur primaire (203) de manière à obtenir un gaz caloporteur chauffé (301) à une température T1 supérieure ou égale à une première température cible Tel ; c) transport d’une première partie (304) du gaz caloporteur chauffé obtenu dans l’étape b) de l’échangeur de chaleur primaire (203) vers un premier récupérateur secondaire (400) de type échangeur à plaques et ondes ; d) introduction de la première partie (304) de gaz caloporteur chauffé dans le premier récupérateur secondaire (400) à la première température cible Tel et préchauffage d’un premier réactif gazeux (401) dans le premier récupérateur secondaire (400) à une température entre Tc1-50°C et Tel, de préférence entre Tc1-30°C et Tel, par échange thermique avec la première partie de gaz caloporteur chauffé (304), le premier réactif (401) étant choisi entre un combustible gazeux et un comburant gazeux riche en oxygène ; et e) introduction du premier réactif préchauffé (402) obtenu dans l’étape d) dans la chambre (100) comme réactif de combustion.
- 2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel on détecte, dans l’étape c) la température de la première partie (304) du gaz caloporteur chauffé et, lorsque la température détectée est supérieure à Tel, on refroidit la première partie du gaz caloporteur chauffé (304) jusqu’à la température Tel. 3. Procédé suivant l’une quelconques des revendications précédentes, comportant également les étapes suivantes : a) transport d’une deuxième partie (305) du gaz caloporteur chauffé obtenu dans l’étape b) vers un deuxième récupérateur secondaire (500) à plaques et ondes, b) introduction de la deuxième partie (305) du gaz caloporteur chauffé à une deuxième température cible Tc2 < Tel dans le deuxième récupérateur secondaire (500) et préchauffage d’un deuxième réactif (501) à une température entre Tc2-50°C et Tc2, de préférence entre Tc2-30°C et Tc2, dans le deuxième récupérateur secondaire (500) par échange thermique avec la deuxième partie (305) de gaz caloporteur chauffé, le deuxième réactif (501) étant choisi entre un combustible gazeux et un comburant gazeux, c) Introduction du deuxième réactif préchauffé (502) obtenu dans l’étape f) dans la chambre (100) comme réactif de combustion.
- 4. Procédé suivant la revendication 3 dans lequel, lorsque le premier réactif (401) est un combustible gazeux, le deuxième réactif (501) est un comburant gazeux et quand le premier réactif (401) est un comburant gazeux, le deuxième réactif (501) est un combustible gazeux. 5. Procédé suivant une des revendications 3 et 4, dans lequel Tc2 < Tel. 6. Procédé suivant la revendication 5 dans lequel on détecte, pendant l’étape f) la température de la deuxième partie (305) du gaz caloporteur chauffé en amont du deuxième récupérateur secondaire (500) et, quand la température détectée est supérieure à Tc2, on refroidit la deuxième partie (305) du gaz caloporteur chauffé jusqu’à la température Tc2. 7. Procédé suivant l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le gaz caloporteur est choisi parmi l’air, l’azote, le CO2, la vapeur, de préférence de l’air. 8. Procédé suivant l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la chambre de combustion est choisie parmi les chambres de fusion ou de fusion-affinage, les chambres de chaudières, les chambres d’un four de réchauffage, les chambres d’un four de grillage, les chambres d’un four de calcination ou les chambres d’un four de combustion de déchets.
- 9. Installation comprenant : une chambre de combustion (100), un échangeur de chaleur primaire (203), un premier récupérateur secondaire (400) de type échangeur à plaques et ondes, un circuit d’écoulement de fumées (200) reliant fluidiquement dans l’ordre donné : une sortie de fumées de la chambre de combustion (100), une entrée de fumées de l’échangeur de chaleur primaire (203) et une sortie de fumées de l’échangeur de chaleur primaire (203), un circuit d’écoulement d’un gaz caloporteur (300) reliant fluidiquement dans l’ordre donné : une entrée de gaz caloporteur de l’échangeur de chaleur primaire (203), une sortie de gaz caloporteur de l’échangeur de chaleur primaire (203), une entrée de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire (400) et une sortie de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire (400), un circuit d’écoulement d’un premier réactif gazeux (401) reliant fluidiquement dans l’ordre donné : une entrée de premier réactif du premier récupérateur secondaire (400), une sortie de réactif du premier récupérateur secondaire (400) et une entrée de premier réactif gazeux de la chambre de combustion (100).
- 10. Installation suivant la revendication 9, dans laquelle le circuit d’écoulement d’un premier réactif gazeux (401) relie l’entrée de réactif du premier récupérateur secondaire (400) à une source d’un réactif gazeux (401) choisi parmi un combustible gazeux et un comburant gazeux ayant une teneur en oxygène supérieure à celle de l’air. 11. Installation suivant l’une des revendications 9 et 10, dans laquelle le circuit d’écoulement de gaz caloporteur comporte également : un premier détecteur (601) pour la détection de la température du gaz caloporteur entre la sortie de gaz caloporteur de l’échangeur de chaleur primaire (203) ; un premier équipement de refroidissement (602, 603) pour le refroidissement du gaz caloporteur entre la sortie de gaz caloporteur de récupérateur secondaire et l’entrée de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire ; et un premier contrôleur (600) permettant l’activation du premier équipement de refroidissement (602, 603) en fonction de la température détectée par le premier détecteur (601), le premier contrôleur (600) étant programmé pour activer le premier équipement de refroidissement (602, 603) quand la température détectée par le premier détecteur (601) est supérieure à une première température cible Tel
- 12. Installation suivant l’une quelconque des revendications 9 à 11 comportant également un deuxième récupérateur secondaire (500) et un circuit d’écoulement d’un deuxième réactif gazeux (501) et dans laquelle : le circuit d’écoulement du gaz caloporteur relie également fluidiquement, dans l’ordre donné : la sortie de gaz caloporteur de l’échangeur de chaleur primaire (203), une entrée et une sortie de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire (500) ; et le circuit d’écoulement d’un deuxième réactif gazeux relie fluidiquement dans l’ordre donné : une entrée de réactif gazeux du deuxième récupérateur secondaire (500), une sortie de réactif gazeux du deuxième récupérateur secondaire (500) et une entrée de deuxième réactif gazeux de la chambre de combustion (100).
- 13. Installation suivant la revendication 12, dans laquelle le circuit d’écoulement de gaz caloporteur comporte également : un deuxième détecteur (701) pour la détection de la température du gaz caloporteur entre l’entrée de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire (400) et l’entrée de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire (500) ; un deuxième équipement de refroidissement (703) pour le refroidissement du gaz caloporteur en amont de l’entrée de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire (500) ; et un deuxième contrôleur (700) permettant l’activation du premier équipement de refroidissement (703) en fonction de la température détectée par le deuxième détecteur (701), le deuxième contrôleur (700) étant programmé pour activer le deuxième équipement de refroidissement (703) quand la température détectée par le deuxième détecteur (701) est supérieure à une deuxième température cible Tc2 < Tel.
- 14. Installation suivant la revendication 13, dans laquelle le circuit d’écoulement d’un deuxième réactif gazeux relie l’entrée de réactif gazeux du deuxième récupérateur à une source d’un réactif gazeux de combustion choisi entre un combustible gazeux et un comburant gazeux.
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