LU83989A1

LU83989A1 - METHOD AND DEVICE FOR OPTIMIZING THE OPERATION OF AN OVEN

Info

Publication number: LU83989A1
Application number: LU83989A
Authority: LU
Inventors: Francois Krippler
Original assignee: Arbed
Priority date: 1982-03-09
Filing date: 1982-03-09
Publication date: 1983-11-17
Also published as: EP0088717A1; DE3374591D1; EP0088717B1

Description

’ Procédé et dispositif pour optimiser le fonctionnement d'un four.’Method and device for optimizing the operation of an oven.

- L'invention concerne un procédé et un dispositif pour optimiser le fonctionnement d'un four, notamment d'un four industriel servant à 5 réchauffer des matières métalliques (four Pit, four à longeron, four poussant etc.)· Elle concerne plus spécialement l'optimisation du rapport entre le combustible et le comburant, dans le but d'avoir dans les gaz d'échappement uniquement des composés qui ne sont ni oxydants, ni oxydables* 10 L'optimisation de ce rapport est essentielle- d'un point de vue énergétique et métallurgique. Pour assurer une combustion complète, il est en effet courant de faire fonctionner des fours servant à réchauffer des lingots en acier avec un excès d'oxygène (0,2 à 0,5 Z). 15 Or la demanderesse a constaté que cet excès d'oxygène ne se retrouve qu'en partie dans les gaz d'échappement, la quantité restante d'oxygène ayant oxydé le métal, ce qui peut entraîner des pertes de poids de l'ordre de 2 %. Si par contre on réduit l'apport d'oxygène, l'oxydation du métal est diminuée, mais la combustion n'est plus 20 complète.- The invention relates to a method and a device for optimizing the operation of an oven, in particular an industrial oven used for heating metallic materials (Pit oven, beam oven, pushing oven, etc.). optimizing the ratio of fuel to oxidizer, with the aim of having in the exhaust gases only compounds which are neither oxidizing nor oxidizable * 10 Optimizing this ratio is essential- from a point from an energy and metallurgical point of view. To ensure complete combustion, it is common practice to operate ovens used to heat steel ingots with an excess of oxygen (0.2 to 0.5%). 15 The Applicant has found that this excess oxygen is only partially found in the exhaust gases, the remaining quantity of oxygen having oxidized the metal, which can cause weight losses of the order of 2%. If, on the other hand, the supply of oxygen is reduced, the oxidation of the metal is reduced, but the combustion is no longer complete.

Il est évident qu'un réglage manuel du rapport entre l'oxydant et le combustible ne donne pas de résultats probants. Aussi a-t-on développé des systèmes de régulation automatiques. Malheureusement le 25 fonctionnement de ces régulateurs est basé sur une équation du type: combustible comburant x constante c.â d. que l'on admet l’existence d'un rapport fixe entre le combustible et le comburant, quel que soit le régime de fonctionnement du four. Or par suite des caractéristiques complexes d'un four (carneau, pourvoir calorifique - 2 - des gaz, température du produit qui est en train de chauffer) cette équation n'est vérifiée que pour un régime de fonctionnement du four bien déterminé· 5 Pour pallier â cet inconvénient on analyse en permanence les gaz d'échappement et on réajuste, en fonction des composants déterminés (CO, C02, 02), le rapport entre le combustible et le comburant· Pour effectuer cette analyse il existe principalement deux systèmes qui 4 se distinguent surtout par le montage du détecteur.It is obvious that a manual adjustment of the ratio between the oxidant and the fuel does not give convincing results. Therefore, automatic regulation systems have been developed. Unfortunately, the operation of these regulators is based on an equation of the type: oxidizing fuel x constant, ie. that we admit the existence of a fixed relationship between the fuel and the oxidizer, whatever the operating regime of the furnace. However due to the complex characteristics of an oven (flue, providing heat - 2 - gases, temperature of the product which is heating) this equation is only verified for a well-defined operating regime of the oven. To overcome this drawback, the exhaust gases are continuously analyzed and the ratio between the fuel and the oxidant is readjusted, depending on the components determined (CO, C02, 02). There are mainly two systems for carrying out this analysis. are distinguished above all by the mounting of the detector.

10 * Dans un premier système le détecteur se présente sous forme d'un long tube réfractaire abritant une cellule de détection et un thermocouple. Le détecteur doit se trouver en contact direct avec les gaz â analyser et être disposé de préférence au milieu du carneau. 15 Etant donné l'épaisseur des parois du carneau recouverts de réfractaires, cette dernière condition est difficilement réalisable étant donné la longueur des tubes réfractaires offerts sur le marché. Les variations de température auxquelles cette sonde est soumise, influencent fortement les résultats de mesure, de sorte qu'une correc-20 tion en fonction de la température est indispensable.10 * In a first system, the detector is in the form of a long refractory tube housing a detection cell and a thermocouple. The detector must be in direct contact with the gases to be analyzed and preferably be placed in the middle of the flue. Given the thickness of the walls of the flue covered with refractories, this last condition is difficult to achieve given the length of the refractory tubes offered on the market. The temperature variations to which this probe is subjected strongly influence the measurement results, so that a correction as a function of the temperature is essential.

A ceci vient s'ajouter une technique compliquée de montage de ces détecteurs qui ne supportent aucun choc thermique et qui doivent habituellement être remplacés sans qu'on puisse arrêter le four. 25 Après chaque remplacement de détecteur il faut refaire un étalonnage délicat.To this is added a complicated technique for mounting these detectors which do not withstand any thermal shock and which usually have to be replaced without the oven being able to be stopped. 25 After each detector replacement, a delicate calibration must be repeated.

Dans un deuxième système, le détecteur se présente sous forme d'une cellule de mesure qui est montée dans une chambre de petites dimen-30 sions, dans laquelle la température est tenue constante â environ 800°C. Une pompe aspire les fumées à analyser à travers une sonde de prélèvement munie de filtres et les refoule â travers la chambre d'analyse. Dans ce système la profondeur du prélèvement est réalisable â l'aide de tubes réfractaires, que l'on coupe à la longueur 35 voulue.In a second system, the detector is in the form of a measuring cell which is mounted in a small-dimensional chamber, in which the temperature is kept constant at around 800 ° C. A pump sucks the fumes to be analyzed through a sampling probe fitted with filters and discharges them through the analysis chamber. In this system, the depth of the sample can be obtained using refractory tubes, which are cut to the desired length.

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La correction des résultats d'analyse en fonction de la température n'est pas nécessaire. Le remplacement du détecteur ne pose pas le problème du choc thermique. L'étalonnage se fait assez facilement en injectant un gaz de composition connue dans la chambre d'analyse.Correction of the analysis results as a function of temperature is not necessary. Replacing the detector does not pose the problem of thermal shock. The calibration is done quite easily by injecting a gas of known composition into the analysis chamber.

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Les désavantages consistent en un prélèvement et traitement complexe des fumées avec sondes, filtres, purges et vannes qui nécessitent beaucoup d'entretien et qui représentent autant de possibilités de défauts comme p.ex. l'aspiration d'air dans les conduites en dé-10 pression.The disadvantages consist in a complex sampling and treatment of the flue gases with probes, filters, purges and valves which require a lot of maintenance and which represent as many possibilities of faults as for example the air intake in the overflowing pipes. 10 pressure.

L'invention a pour but de proposer un procédé de régulation d'un four qui ne présente pas les défauts précédemment décrits, à savoir une durée de vie limitée des cellules de mesure, des frais d'instal-15 lation et d'achat élevés et une fiabilité de fonctionnement douteuse.The object of the invention is to propose a method for regulating an oven which does not have the defects described above, namely a limited lifetime of the measuring cells, high installation and purchase costs. and questionable operating reliability.

Ce but est atteint grâce au procédé selon l'invention dans lequel on mesure soit le débit du combustible, soit celui du comburant et 20 où on ajuste en conséquence le débit du comburant resp. du combustible, suivant une courbe de réponse préétablie.This object is achieved by the method according to the invention in which either the flow rate of the fuel or that of the oxidant is measured and where the flow rate of the oxidant resp. fuel, following a preset response curve.

Des réalisations préférentielles de l'invention sont décrites dans les sous-revendications.Preferential embodiments of the invention are described in the subclaims.

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Les avantages obtenus par l'invention consistent essentiellement en ce que le rapport optimal entre le combustible et le comburant n'est „ pas déterminé par l'intermédiaire de dispositifs fragiles d'analyse de gaz, mais par des composants électroniques qui calculent les con-30 ditions optimales de fonctionnement â partir des caractéristiques du four qui auront été relevées soigneusement une fois pour toutes. Ces caractéristiques peuvent être vérifiées une fois par an ou bien en cas d'anomalies de fonctionnement. Les frais de réalisation du système sont réduits et l'appareillage ne nécessite pratiquement pas 35 d’entretien.The advantages obtained by the invention essentially consist in that the optimal ratio between the fuel and the oxidant is not determined by fragile gas analysis devices but by electronic components which calculate the 30 optimal operating versions from the characteristics of the oven which will have been carefully noted once and for all. These characteristics can be checked once a year or in the event of operating anomalies. The costs of implementing the system are reduced and the apparatus requires practically no maintenance.

- 4 - L'invention sera exposée plus en détail à l'aide de figures qui en représentent seulement un mode d'exécution·- 4 - The invention will be explained in more detail with the aid of figures which represent only one embodiment thereof.

La figure 1 montre un schéma de principe illustrant la régulation 5 d'un four Pit.Figure 1 shows a block diagram illustrating the regulation 5 of a Pit furnace.

La figure 2 montre un diagramme de combustion optimal relevé sur un four Pit.Figure 2 shows an optimal combustion diagram taken from a Pit oven.

10 Sur la figure 1 est représenté un four Pit 1 comportant un dispositif d'évacuation 2 des fumées de combustion qui traversent deux échangeurs de chaleur 3 et 4 servant à préchauffer le combustible et le comburant. Le .combustible est dans le cas présent du gaz de hautfourneau (amené oar la conduite 5a) enrichi en gaz naturel (amené 15 par la conduite 5b) de sorte à maintenir un PCI (pouvoir calofifique intrinsèque) constant. La capacité énergétique constante du combustible est assurée par un système doseur 5c. Notons au passage que lorsqu'on utilise du gaz naturel pur ou un fuel liquide on ne procède pas â un préchauffage.10 In FIG. 1 is shown a Pit 1 furnace comprising a device 2 for evacuating the combustion fumes which pass through two heat exchangers 3 and 4 serving to preheat the fuel and the oxidizer. The fuel is in the present case blast furnace gas (supplied via line 5a) enriched with natural gas (supplied via line 5b) so as to maintain a constant PCI (intrinsic heat capacity). The constant energy capacity of the fuel is ensured by a dosing system 5c. It should be noted in passing that when pure natural gas or liquid fuel is used, there is no preheating.

20.20.

Le débit du combustible est contrôlé par un ventilateur 6a et par une vanne 6c commandée par un servo-moteur 6b. Ce dispositif est situé de préférence en amont de l’échangeur 4.The fuel flow is controlled by a fan 6a and by a valve 6c controlled by a servo motor 6b. This device is preferably located upstream of the exchanger 4.

25 Comme comburant on peut utiliser de l'air éventuellement enrichi en oxygène dont le débit est pareillement contrôlé par un ventilateur 7a et une vanne 7c commandée par un servo-moteur 7b. La vanne 7c est située entre l'échangeur de chaleur 3 et un débitmètre 15. Le combustible et le comburant sont ensuite amenés par les conduites 8 30 resp. 9 au brûleur 10 du four. Un capteur de pression 11 surveille la pression régnant â l'intérieur du four et transmet les valeurs mesurées à un système régulateur de pression 12a commandant un servo-moteur 12b, qui agit sur une vanne 12c, montée de préférence en aval de l'échangeur de chaleur 4, dans la cheminée d'évacuation 35 des fumées de combustion.As an oxidizer, it is possible to use air optionally enriched with oxygen, the flow rate of which is likewise controlled by a fan 7a and a valve 7c controlled by a servo-motor 7b. The valve 7c is located between the heat exchanger 3 and a flow meter 15. The fuel and the oxidizer are then supplied via the lines 8 or resp. 9 to burner 10 of the oven. A pressure sensor 11 monitors the pressure inside the furnace and transmits the measured values to a pressure regulating system 12a controlling a servomotor 12b, which acts on a valve 12c, preferably mounted downstream of the exchanger heat 4, in the exhaust chimney 35 of the combustion fumes.

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La température des fumées de combustion est surveillée en permanence en amont et en aval des échangeurs de chaleur 3,4 par les capteurs 13 b et 13 c et des dispositifs de sécurité 16a et 16b font entrer de l'air ambiant dans le dispositif d'évacuation des fumées 2 lors-5 que les températures mesurées dépassent des limites fixées d'avance. Notons encore que la température du combustible ainsi que celle du comburant sont mesurées en aval des échangeurs de chaleur 3 et 4, par les capteurs 13d, 13e.The temperature of the combustion fumes is continuously monitored upstream and downstream of the heat exchangers 3,4 by the sensors 13 b and 13 c and safety devices 16a and 16b bring ambient air into the device. smoke evacuation 2 when the measured temperatures exceed predetermined limits. Note also that the temperature of the fuel as well as that of the oxidizer are measured downstream of the heat exchangers 3 and 4, by the sensors 13d, 13e.

10 Pour la mise en oeuvre de l'invention on procède ensuite de façon suivante:10 For the implementation of the invention, the procedure is then as follows:

On fait fonctionner le four à sa température d'utilisation normale, qui est dans le cas présent d'environ 1300°C. On surveille la com-15 position des fumées d'échappement à l'aide d'un analyseur de gaz 17 du genre décrit précédemment. On ajuste de façon connue le rapport entre le combustible et le comburant de sorte à avoir une concentration résiduelle d'oxygène choisie d'avance. Lorsqu'on introduit p.ex. une charge de lingots froids dans le four, la température mesurée par l'intermédiaire du capteur 18 chute. On augmente de façon connue le débit de combustible et de comburant et on ajuste leur 20 rapport en fonction des mesures faites par l'analyseur de gaz 17 de sorte à retrouver la concentration résiduelle d'oxygène voulue. Au fur et à mesure que le lingot chauffe, la demande d'énergie diminue et il y a de nouveaux réglages à faire. On trace ensuite pour une température constante du four le diagramme qui montre quel débit de 25 combustible correspond â quel débit de comburant pour obtenir une concentration résiduelle d'oxygène ou de CO donnée dans les fumées de combustion.The oven is operated at its normal operating temperature, which in this case is about 1300 ° C. The composition of the exhaust fumes is monitored using a gas analyzer 17 of the kind described above. The ratio between the fuel and the oxidizer is adjusted in a known manner so as to have a residual oxygen concentration chosen in advance. When, for example, a load of cold ingots is introduced into the oven, the temperature measured by means of the sensor 18 drops. The flow rate of fuel and oxidant is knownly increased and their ratio is adjusted according to the measurements made by the gas analyzer 17 so as to find the desired residual oxygen concentration. As the ingot heats up, the demand for energy decreases and there are new adjustments to be made. A diagram is then drawn for a constant temperature of the furnace which shows which flow of fuel corresponds to which flow of oxidant in order to obtain a given residual concentration of oxygen or of CO in the flue gases.

30 Sur la figure 2 on a représenté cette courbe pour un excès d'oxygène de 0,4 % avec en abscisses le débit d'air et en ordonnées le débit de gaz combustibles. La température du four a été gardée constante à 1320°C. Bien qu'à priori cette courbe peut être de forme quelconque on constate qu'elle est linéaire dans le cas présent. La demande-35 resse a trouvé que cette courbe de réponse est toujours proche d'une droite dans les gammes de fonctionnement normales d'un four Pit.In FIG. 2, this curve is shown for an excess of oxygen of 0.4% with the air flow rate on the abscissa and the combustible gas flow rate on the ordinate. The oven temperature was kept constant at 1320 ° C. Although a priori this curve can be of any shape we see that it is linear in the present case. Demand-35 resse has found that this response curve is always close to a straight line in the normal operating ranges of a Pit furnace.

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Cette circonstance simplifie l'automatisation du fonctionnement de ce four, mais ne limite en rien l'envergure de l'invention qui est en fait indépendante de la forme de cette courbe.This circumstance simplifies the automation of the operation of this oven, but in no way limits the scope of the invention which is in fact independent of the shape of this curve.

5 Une fois qu’on a relevé et éventuellement emmagasiné dans le système de calcul 24, la/les courbes de réponse pour la/les températures et concentrations résiduelles d'oxygène ou de CO en considération, on court-circuite l'analyseur des gaz 17 et on fait fonctionner le four " de manière automatique. On entre les données définissant la quantité 10 résiduelle d'oxygène ou de CO désirée dans les fumée3 de combustion dans le système de calcul 24. Le dispositif 22 est réglé à la température désirée. On compare la température réelle du four, mesurée grâce au capteur 18, à la température désirée dans un comparateur 21 qui transmet, selon le résultat, un signal d'ouverture ou de ferme-15 ture au servo-moteur 7b couplé à la vanne 7c.5 Once the response curve (s) for the temperature (s) and residual oxygen or CO concentration (s) have been noted and possibly stored in the calculation system 24, the gas analyzer is short-circuited 17 and the oven "is operated automatically. The data defining the residual quantity 10 of oxygen or of CO desired in the combustion fumes 3 is entered in the calculation system 24. The device 22 is set at the desired temperature. The actual oven temperature, measured using the sensor 18, is compared to the desired temperature in a comparator 21 which transmits, depending on the result, an opening or closing signal to the servomotor 7b coupled to the valve 7c. .

Le débit réel de l'air est mesuré à l'aide d'un débitmètre 15, relié â un convertisseur (analogique ou digital) débit - tension 23 qui communique le résultat de mesure au système de calcul 24. Le système 20 24 transmet au régulateur 25, pour chaque débit de comburant mesuré, le débit de combustible exigé pour avoir une combustion en accord avec la concentration résiduelle d'oxygène ou de CO désirée dans les fumées de combustion. Pour optimiser davantage le fonctionnement du four, on relie également le système de calcul 24 au capteur de 25 température 18 de sorte qu'il base ses calculs sur les données qui sont en accord non pas avec la température choisie, mais avec la température instantanée du four.The actual air flow rate is measured using a flow meter 15, connected to a flow-voltage converter (analog or digital) 23 which communicates the measurement result to the calculation system 24. The system 20 24 transmits to the regulator 25, for each oxidant flow rate measured, the fuel flow rate required for combustion in accordance with the residual oxygen or CO concentration desired in the combustion fumes. To further optimize the operation of the oven, the calculation system 24 is also connected to the temperature sensor 18 so that it bases its calculations on the data which agree not with the chosen temperature, but with the instantaneous temperature of the oven.

Dans l'exemple d'un four Pit, tel qu'il a été décrit précédemment, 30 dans lequel il existe une simple relation linéaire entre les débits de combustible et de comburant pour avoir une combustion optimale, le système de calcul 24 peut se réduire â un simple circuit analo-gique dans lequel on multiplie le débit d'air mesuré par un facteur égal à la pente de la droite représentée en fig.2 et on retranche 35 une valeur fixe dépendant de l'endroit où la droite traverse l'axe des ordonnées. Dans ce cas on base le fonctionnement du four sur une unique courbe de réponse correspondant à la température de fonction- - 7- nement choisie du four et on ne tient pas compte des variations instantanées de la température de celui-ci.In the example of a Pit furnace, as described above, in which there is a simple linear relationship between the flow rates of fuel and oxidant in order to have optimal combustion, the calculation system 24 can be reduced â a simple analog circuit in which the measured air flow is multiplied by a factor equal to the slope of the line shown in fig.2 and a fixed value is subtracted 35 depending on where the line crosses the Y axis. In this case, the operation of the oven is based on a single response curve corresponding to the chosen operating temperature of the oven, and instantaneous variations in the temperature of the oven are not taken into account.

La valeur optimale de combustible qui correspond au débit d’air 5 mesuré est transmise au régulateur 25 qui agit sur un servo-moteur 6b relié à la vanne 6c. Le débit réel du combustible est surveillé à l'aide du débitmètre 14 et comparé, après conversion dans le convertisseur débit-tension 26, à la valeur de consigne calculée par le dispositif 24. Le régulateur 25, qui compare ces deux valeurs, 10 transmet ensuite un signal de correction au servo-moteur.The optimal fuel value which corresponds to the measured air flow 5 is transmitted to the regulator 25 which acts on a servo motor 6b connected to the valve 6c. The actual fuel flow rate is monitored using the flow meter 14 and compared, after conversion in the flow-voltage converter 26, with the set value calculated by the device 24. The regulator 25, which compares these two values, 10 transmits then a correction signal to the servo motor.

Nous remarquons que le débit d'air n'est pas directement asservi dans l'exemple décrit, bien qu'un asservissement soit réalisable avec des moyens réduits, étant donné qu'on mesure ce débit de toute 15 façon. Ceci provient du fait que le débit d'air est indirectement asservi par l'intermédiaire de la température mesurée dans le four.We note that the air flow is not directly controlled in the example described, although a control is achievable with reduced means, since this flow is measured anyway. This is due to the fact that the air flow is indirectly controlled by the temperature measured in the oven.

Dans l'exemple décrit, on a ajusté le débit de combustible eu accord avec le débit de comburant. La façon inverse de procéder est tout 20 aussi valable.In the example described, the fuel flow rate was adjusted in accordance with the oxidant flow rate. The reverse is also true.

On peut évidemment pour des fours polyvalents, mettre en mémoire dans le système de calcul 24 une multitude de diagrammes combu stible-comburant pour des excès d'oxygène et de CO différents et 25 passer ensuite aisément d'un régime de fonctionnement à un autre par de simples réglages électroniques.It is obviously possible for multipurpose ovens, to store in the calculation system 24 a multitude of fuel-oxidant diagrams for different oxygen and CO excesses and 25 then to easily switch from one operating mode to another by simple electronic settings.

Claims

1. Method for optimizing the operation of an oven, in particular an industrial oven, in which the flow ratio between the fuel and the oxidizer is adjusted so as to maintain a fixed amount of oxygen or CO in the fumes combustion, characterized in that the oxidant flow is measured and that the fuel flow is adjusted accordingly in accordance with predetermined oven response curves. 10

2. Method according to claim 1, characterized in that one establishes the response curves with variable load while keeping the temperature of the furnace and the residual quantity of oxygen or CO in the combustion fumes constant. 15

3. Method according to claims 1 or 2, characterized in that the response curves are established for each operating temperature of the furnace coming into consideration as well as for each residual quantity of oxygen or CO in the combustion fumes. 20

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the response curves are stored in memory in a computer which calculates as a function of the actual temperature of the furnace and of the oxidant flow rate, the fuel flow rate which corresponds to it to have the residual amount of oxygen or CO desired in the combustion fumes. 1

5. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the operating temperature of the oven is fixed and that the analog response curve of the oven is recreated, corresponding to this temperature and to the desired residual quantity oxygen or CO in combustion fumes.

6. Method according to one of claims 1 to 5 wherein the flow rate of the fuel is measured instead of that of the oxidant and or the flow rate of the oxidant is adjusted instead of that of the fuel. - 2 - *

7. Device for implementing the method described in one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises means (22) for choosing an operating temperature of the oven, means (14,15) for measuring the fuel flows resp. fuel sent to the burner (10), means (6b, 6c, 7b, 7c) for influencing said flows, means (21) for comparing the actual temperature of the oven with the temperature chosen in advance and for order the increase resp. the reduction of the oxidizer flow rate ”when the oven temperature drops below resp. exceeds the selected temperature, means (24) for calculating, as a function of the flow rate of the oxidant measured and of the operating temperature chosen, the flow rate of fuel resulting in the desired residual quantity of oxygen or of CO in the flue gases combustion and means (25,6b, 6c) for adjusting the fuel flow to the calculated value.

8. Device according to claim 7, characterized in that it comprises means (25) for comparing the actual fuel flow with that which has been calculated and for modifying the flow so that the difference between the two values tends towards zero.

9. Device according to claim 7, characterized in that the calculation means (24) are also connected to the temperature sensor (18) of the furnace, so as to calculate the fuel flow rate not according to the operating temperature chosen, but depending on the actual oven temperature. * *