WO2009118340A1 - Four de fusion du verre - Google Patents

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WO2009118340A1
WO2009118340A1 PCT/EP2009/053522 EP2009053522W WO2009118340A1 WO 2009118340 A1 WO2009118340 A1 WO 2009118340A1 EP 2009053522 W EP2009053522 W EP 2009053522W WO 2009118340 A1 WO2009118340 A1 WO 2009118340A1
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WO
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fumes
furnace
burners
combustion
oven
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PCT/EP2009/053522
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English (en)
Inventor
Olivier Douxchamps
Johan Behen
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Agc Flat Glass Europe Sa
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/04—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture in tank furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/235—Heating the glass
    • C03B5/2353—Heating the glass by combustion with pure oxygen or oxygen-enriched air, e.g. using oxy-fuel burners or oxygen lances
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping

Definitions

  • the present invention relates to glass melting furnaces in which the melting energy is produced essentially by burners fed with fuel and oxygen or oxygen-rich gas. These furnaces are usually referred to as "oxy-combustion" furnaces.
  • oxy-combustion burners are well known in glass melting furnaces. On furnaces operating in a traditional manner with air, it is then necessary to add one or a limited number of oxy-combustion burners.
  • the introduction of these additional burners is generally intended to increase the capacity of existing furnaces, possibly when they see their performance decline because of their age. This situation is for example when the regenerators associated with these furnaces are degraded and no longer allow sufficient heating of the air used for combustion. It may also be to simply increase the capacity of a given furnace by introducing additional sources of energy.
  • the additional oxy-combustion burners are arranged near the zone of the furnace in which the raw materials are charged. These burners thus activate the fusion of these raw materials.
  • the addition of a few oxy-combustion burners in large-capacity furnaces is usually carried out without any major modification of the general operation of the furnace, in particular, that the regenerators continue to operate and therefore treat both the fumes combustion of burners operating with air and those from burners operating with oxygen.
  • these systems operating in the so-called "oxy-boosting" mode do not make it possible to benefit from all the known advantages that can result from oxy-combustion. Potential benefits include mainly lower energy consumption and reduced emissions of unwanted smoke.
  • the oxy-combustion allows energy gain at least for the reason that the energy of the combustion gases is not absorbed in part by the nitrogen of the air.
  • the fumes finally evacuated still cause a significant part. The presence of nitrogen contributes to this loss.
  • oxygen makes it possible to overcome the problems related to nitrogen in the air, which is not the case in oxy-boosting techniques.
  • a recognized difficulty is related to the fact of the corrosion of refractories, which decreases the lifetime of the silica refractories of the vault. Indeed, the high content of H 2 O in the combustion atmosphere causes two phenomena of deterioration:
  • the first is related to the diffusion of H 2 O in the glassy phase of the refractory blocks.
  • the second is linked to the condensation of the soda present in the atmosphere on the refractory brick, which implies a high degree of oxidation, six times higher in the case of an oxy-combustion furnace.
  • the invention relates to methods for implementing the oxy-combustion technique in large glass furnaces which are the subject of the claims appended to this description.
  • the inventors have been interested in the problem of the economy of this oxy-combustion technique. In particular they propose to ensure that the energy of the furnace fumes is largely recovered and used for the preheating of the oxygen and, where appropriate, the fuels consumed. Some of the heat of the fumes can also be used to preheat the raw materials.
  • the furnaces concerned are substantially free of a nitrogen-charged atmosphere. For this reason, unlike some previously proposed solutions, it is preferable to ensure that all furnace burners operate in oxy-combustion. If, nevertheless, it is possible to retain part of the combustion-type combustion, the energy generated by oxy-combustion represents at least 65% of the total energy used in the oven, preferably at least 80%, and particularly preferably at least 90% thereof.
  • an aero-combustion fraction can come from a limited number of burners operating entirely in aero-combustion, it can also come from the use of an oxygen comprising a certain amount of air. In the latter case, given that the burners used in oxy-combustion have particular characteristics, the oxygen / air mixture must comprise a content of at least 80% oxygen and preferably at least 90% oxygen. .
  • the glass furnaces can not be kept perfectly sealed to the outside atmosphere. Efforts reported in this direction have focused mainly on the establishment of physical barriers limiting the flow of gas from the outside to the inside of the oven. These measurements are certainly useful, but appear insufficient if one wants to maintain an atmosphere essentially composed by the combustion gases. According to the invention it is therefore provided to prevent the admission of surrounding atmosphere by arranging the furnace so that it develops a dynamic seal. For this, according to the invention, it is necessary to adjust the flow of fumes in the oven as specified below.
  • the circulation of gases in the furnace is transversal.
  • the burners are distributed on both sides of the basin containing the molten glass. They work alternately. During a period all the burners located on one side of the oven are active. The corresponding fumes are discharged through the ducts located on the wall facing them. The fumes are passed on the regenerators corresponding to the side in question. In the next period, the burners on the other side are activated with the air circulating on the regenerators previously heated, and so on.
  • the burners located on either side of the furnace operate continuously.
  • the distribution of the burners on both sides is not controlled by the necessity of this alternation which does not exist, but more by the search for an optimization of the thermal exchange between the flames and the glass bath, or with the supernatant raw materials.
  • the flames of the oxy-burners are, at equal power, shorter than the flames of the aero-burners.
  • the reason for this is a smaller gas flow due to the absence of nitrogen. So that the energy distribution is as uniform as possible, for a similar oven width, it is therefore desirable to have the burners on both sides to better cover the surface of the bath.
  • An increase in the emission rate of oxy-combustion gases that could lead to lengthening the flame is not desired in particular to not favor the flight of dust.
  • the oxy-combustion flames to achieve the staging of the combustion over the length of the flame, which is preferable, as in the burners in aero-combustion, it is advantageous to ensure that the flame of these burners develops into a sheet located in a plane substantially parallel to the surface of the glass bath. This is obtained for example by means of burners having a plurality of oxygen injection nozzles located on either side of the fuel inlet nozzle, all these nozzles being substantially aligned parallel to the surface of the bath.
  • the flue gas flow from the flames is not as in aero-combustion transversely. Traffic is organized according to two objectives.
  • the evacuation of fumes is located near the charging of raw materials.
  • One possibility is to ensure that the evacuation of fumes is effected by separate conduits from those through which the raw materials are introduced into the furnace.
  • Another possibility is that this evacuation takes place by the charging channels themselves, and therefore against the flow of raw materials. For the latter possibility it is necessary to avoid the risks of agglomeration related to condensation in contact with these "cold" raw materials, the water vapor contained in the fumes.
  • the fumes are evacuated near the charging of raw materials. In practice it is at least 65% of the fumes, and preferably at least 75%.
  • the excess smoke that is not discharged as indicated above follows a path designed in particular to maintain the dynamic seal vis-à-vis the external atmosphere. At least part of this excess is advantageously discharged downstream of the furnace. As indicated, this fraction of the fumes is as small as possible. It is advantageously less than 35% of all the fumes, and preferably less than 25%.
  • the flue gas outlet downstream of the oven is located beyond the last burners.
  • the flue gases must be evacuated before heat transfer is as complete as possible. For this, these gases must stay a little in the oven, hence the need not to put the burners too close to the exhaust ducts.
  • outlets downstream of the burner zone makes it possible in particular to prevent air coming from this zone from passing through the zone of the burners. Most of the downstream air comes from the conditioning area.
  • the NOx content is systematically detected at the upstream outlet. If this content proves to be too high, it is possible to correct this content according to the invention by regulating the flow of the outlets. An increase in this downstream discharge causes more air from the downstream furnace and prevents this nitrogen-laden air from passing through the flames and forming NOx.
  • these settings lead to a nitrogen content as low as possible in the fumes discharged into the upstream outlets.
  • the content is preferably maintained below 10% and particularly preferably below 5%.
  • the temperature of the gases discharged downstream is generally a little higher than that of the fumes discharged upstream for the reason that the latter are in contact with the zones of the oven the warmest, in particular in that near the charging is normally available no burners, and that the coverage of supernatant raw materials absorbs a significant portion of the energy in the melting of these raw materials.
  • the residence time of the fumes in the furnace proceeds from a set of conditions. Among these, apart from the organization of the flue gas circulation indicated above, it is necessary to add the flow of fumes produced and the volume which these fumes have inside the furnace. For a determined flow of fumes, the average residence time is a function of the available volume. The higher the volume, the higher the residence time, and in principle the more complete is the heat transfer.
  • the residence of the fumes in the furnace advantageously allows to reduce a little their exit temperature. They are usually on an air-combustion furnace at less than 1650 ° C., preferably at less than 1600 ° C. and particularly preferably at less than 1550 ° C. In the case of an oxy-combustion furnace they are are at less than 1500 0 C, preferably less than 1450 0 C and particularly preferably less than 1350 0 C.
  • the volume of the oven also determines the speed of the fumes in it. It is best to make sure that the speed of Flue gas circulation in the oven remains moderate to avoid disturbing the flames. It is still necessary to avoid the flight of dust by passing on the raw materials, dust which should then be eliminated before passing in the heat exchangers.
  • the average residence time of flue gases in an air-combustion furnace is 1 to 3 seconds.
  • the average residence time of the fumes is established between 10 and 40 seconds and most advantageously between 15 and 30 seconds.
  • the location of the burners, or better the distribution of the energy supply already mentioned, is an important factor both for the energy balance of the furnace but also for the quality of the glass produced.
  • All major glass furnaces traditionally have two areas corresponding respectively to the merger and refining. Beyond, the flow of the glass continues in a conditioning basin in which the temperature of the glass is gradually lowered to reach its shaping temperature. For the manufacture of flat glass by the "float" technique, this temperature is of the order of 1100 ° C.
  • a bottleneck usually separates the refining zone and the conditioning zone. In the jargon glass this neck is called “neck”., It allows in particular to restrict the passage of the atmosphere from one area to another. According to the invention, efforts are made to reduce at best the corresponding opening and consequently the circulation of the atmosphere entering the refining zone from that of conditioning. In all cases, the fumes must not enter the conditioning zone, otherwise dust still in suspension may be formed and deposited on the surface of the glass.
  • non-combustion gases and in particular, the penetrating gas through the neck is as limited as possible and advantageously does not exceed 15% of the total volume, and preferably is less than 10% of the total volume of gas flowing in the furnace.
  • melting zone and refining zone takes into account what it is traditional to call "convection loops" of glass.
  • These convection loops are generated by two phenomena: natural convection and forced convection.
  • the natural convection movements are related to the temperature conditions, related to the power distribution along the furnace ("fire curve")
  • the forced convection movements are related to the modification of flow caused for example by bubblers, mixers or dams.
  • the melting zone is that which requires the largest energy input, and therefore the one in which the overall power of the burners is the largest.
  • the distribution is such that this input is not less than 40% of the total, preferably not less than 50%. It can represent up to 80% of the input, but preferably does not represent more than 70% of the energy delivered.
  • the percentages in question refer to the power delivered by the burners that overhang the area in question.
  • the burners In order for the oven to operate as efficiently as possible, the burners must be properly distributed along the oven. This distribution is not uniform.
  • the burners are located at a distance from both the charging of the raw materials and the upstream exits of the fumes.
  • the necessary energy input in this zone therefore results, on the one hand, from convection currents within the bath, which are all the more intense as the temperature of the surface coated with the materials to be melted, and that further downstream of the bath. fade, present an important difference. This contribution also comes from fumes that circulate against the current by going to the exits arranged upstream. Overall the temperature in this zone is not the highest in the furnace but remains sufficient to maintain the melting.
  • the first burners are located at a certain distance from the flue gas outlet, in order not to delay the melting of the raw materials, it is nevertheless necessary to locate these first burners in an area of the oven in which the bath is still covered with non-combustible materials. melted.
  • This zone preferably does not exceed half the length of the oven, and particularly preferably not one third. It is indeed necessary, beyond the fusion of this "cover”, to ensure a perfect melting of the particles of material dispersed in the bath, and to ensure the rise to the highest temperature which allows no only the completion of the melting but also the homogenization of the molten bath.
  • the distribution of the delivered power is significant. The power of the burners is highest in the melting zone near the refining zone. In this part the temperature reached is the highest.
  • the bath temperature In the refining zone, the bath temperature must be maintained overall. The required energy input is therefore more limited.
  • the burners in this zone are located in the nearest part of the melting zone.
  • the energy supply is preferably decreasing in the direction of progression in the refining zone.
  • the burners are arranged on the side walls of the furnaces so that the flames develop near the surface of the bath.
  • This provision takes into account in part the limited residence time of the fumes in the oven, which are essentially discharged directly to the side of the furnace facing the burner. It appears necessary to promote as much as possible the exchanges, including convection during this short residence time and therefore to ensure that the flames are also in contact with the surface of the bath.
  • the portion of the convection supply is limited. It is therefore preferable to arrange the burners on the side walls away from the bath surface, ensuring both adequate distribution of the radiated energy directly from the flame to the bath and to the vault.
  • the location of the burners leads to the development of the flames in planes substantially parallel to the surface of the bath, and at least 0.25m above this surface, and preferably at least 0.40m above. This distance can reach 1.0m but preferably is less than 0.80m.
  • the presence of a high water content also favors degassing of the glass and facilitates refining.
  • a high water content has the possible counterpart the formation of foam on the surface of the bath.
  • the presence of foam is undesirable in particular because it hinders a good heat exchange.
  • Means are known that reduce the foam if it develops, regardless of the measures taken to prevent its occurrence. These means modify the surface tension of the glass, for example using the technique described in publication EP 1 046 618.
  • the oxy-combustion can be conducted with different types of fuel without losing the benefit of the benefits outlined above.
  • the most common fuels are either natural gas or liquid fuels.
  • regenerators can receive the fumes virtually as collected at the outlet of the oven.
  • the materials that compose them in particular the fittings, generally refractory ceramic materials, easily support the flue gas temperatures and the dust that these fumes can convey. Subsequently the preheating of the air in the hot regenerators does not require any special precautions.
  • the heating of the products used for oxy-combustion, and in particular the heating of oxygen, on the contrary, requires much more restrictive precautions. Installations in which oxygen circulates must be perfectly tight, resistant to high temperatures and oxygen carried at these temperatures.
  • the average fume velocity in the longitudinal direction does not generally exceed 3m / s, and is usually less than 2m / s. In the flames this speed is much higher of the order of 30 to 100m / s, this speed being normally lower than that of the flames in aerofuel combustion.
  • the preheating of oxygen is advantageously carried out in exchangers made of steels showing excellent resistance to hot oxygen.
  • Exchangers and materials suitable for this purpose are described in the unpublished European Patent Application No. 07 107 942 filed May 10, 2007.
  • the hot oxygen supplied by the exchanger is brought to a temperature which can not exceed 650 ° C.
  • This value is a function of the resistance that can be obtained with metal alloys that have the best characteristics. This limit makes it possible to guarantee a duration of use related to the type of installation considered.
  • the fuel used is advantageously preheated, whether natural gas or liquid fuel.
  • the temperatures reached for the fuel are not dependent on the resistance of the installations. They possibly depend on the possible degradation of these fuels. In particular, it is necessary to avoid “cracking" them, even partially, which would result in fouling of the installations.
  • the preheating temperature is advantageously less than 650 ° C. and preferably less than 550 ° C.
  • the temperature is generally lower and does not exceed 180 ° C., and preferably not
  • the recovery of the heat of the fumes is largely sufficient to allow heating of the oxygen and the fuel at the temperatures indicated, independently of the efficiency of the heat exchange when it is carried out under the conditions mentioned in the patent application mentioned above. -above. It is still possible with the surplus to preheat the raw materials, or to feed boilers regardless of the use of the steam produced.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an oven according to the invention
  • FIG. 2 schematically illustrates a top view of the provisions of Figure 1;
  • FIG. 3 is a general block diagram of the heat exchange circuits used for a furnace according to the invention.
  • FIG. 4 is a detail of a block diagram relating to the circulation according to a mode of preheating oxygen; - Figure 5 shows a partial view from above the burner arrangements in an oven according to the invention.
  • the oven shown in Figure 1 is of the type used for large-capacity glass production such as those used to supply the production of flat glass by "float glass" techniques. Furnaces of this type continuously produce quantities of glass that can be up to 1000 tons / day. To achieve these performances the furnaces must have a power of 60 MW.
  • the oven 1 comprises a basin disposed in a closed enclosure.
  • the assembly consists of refractory materials resistant to temperature, the corrosion of fumes and the aggression of molten materials.
  • the bath level in the pool is represented by a dotted line 2.
  • the oven is fed with raw materials at one of its ends.
  • the opening through which the charging of these raw materials takes place is schematized in 3.
  • several charging points are usually arranged.
  • the outlet of the molten glass, represented by the arrow V, operates at the opposite end by a neck (“neck") 4 of reduced width relative to that of the basin. Most usually the bottom of the neck 4 is at the level of the oven floor.
  • the neck is not totally immersed in the molten glass. There remains a space between the upper part of the neck and the surface of the sheet of glass.
  • the operating conditions with regard to the gas flow in the furnace, are adjusted so that the furnace atmosphere does not pass through the neck, to avoid any risk of entrainment of dust in suspension.
  • a small gaseous current marked by the arrow A 1 circulating in countercurrent flow melted glass. Being intended only to prevent a gas flow in the opposite direction, this current A is kept as low as possible. It is important to minimize it because it is normally constituted by the air present above the conditioning zone, not shown in Figure 1 (reference 5 in Figure 2), which follows the bottleneck.
  • Burners whose location is indicated at 6 are arranged along the side walls of the oven, on each side thereof to extend the flames substantially over the entire width of the basin.
  • the burners are spaced from each other so as to distribute the energy supply over a large part of the length of the same melting-refining pool.
  • the combustion gases F are evacuated for the largest part by the outlets 7 located near the charging zone and at a distance from the nearest burners.
  • the chamber of the oven is substantially impervious to the penetration of outside air. Flue gas flow upstream prevents penetration of this side of the oven.
  • the passages possibly arranged on the side walls are also essentially impervious to the penetration of the ambient air.
  • a very limited flow of fumes is advantageously arranged downstream of the furnace. These fumes F are evacuated by the outlets 9.
  • the large-capacity glass kiln traditionally comprises two zones, one of which is called fusion, the other of refining. In Figures 1 and 2, these two areas are not delimited.
  • the boundary between melting and refining is usually not materialized in the kiln structure.
  • this dam does not ordinarily coincide with this limit even if it participates in the conditions that lead to its location.
  • melting and refining zone is in all cases functional. It corresponds to the mode of circulation of the glass in the basin. This includes a first convection loop in the melting portion and a loop, the rotation of which is opposite to the first, in the refining portion. In the absence of means directly influencing the circulation, the position of the limit of the melting zone and that of refining is determined by a set of operating parameters which includes the distribution of energy by the burners. In Figure 2 these two areas are represented I and II.
  • the supply of energy necessary for the melting of the raw materials is greater than that which keeps the glass at a temperature for refining.
  • the number of burners, and especially the power they deliver, is greater in the melting zone.
  • the choice of the position of the first burners is therefore the result of a compromise.
  • the first burners are positioned in such a way that they are above the supernatants.
  • the first burners can in particular operate at a lower power than that of burners located further downstream.
  • the "curve of fire" that is to say the distribution of the temperatures along the furnace, progresses initially from the upstream until towards a neighboring central part from the beginning of the ripening area. The temperature then varies a little while decreasing slightly until the neck 4 preparing the passage in the conditioning zone. For this reason the downstream end of the furnace is normally devoid of burners.
  • the distribution of the burners is shown in Figure 2 by the axis thereof. They are preferably arranged staggered on either side of the basin, to ensure that the flames emitted in opposite directions do not collide. Laterally they are separated from each other to cover as much as possible the surface of the bath.
  • the burners used are advantageously of the type which develops the flame in the form of a sheet substantially parallel to the surface of the bath. Their individual rating depends on the burners chosen and the number of burners used.
  • the burners open into the furnace chamber at a distance above the surface of the bath.
  • This arrangement makes it possible to distribute the energy radiated from the flame well. It also allows, combined with the height of the vault, a good circulation of the combustion gases including those that go to the main outlets 7 upstream upstream of the furnace.
  • these fumes are directed in the length of the furnace and therefore transversely to the direction of the flames which they do not must not disturb. Having both space under the flames and above them, the flow of fumes can be carried out without excessive turbulence detrimental to the good development of the flames.
  • the fumes at the furnace exit are used in devices intended to recover a portion of the energy entrained by these fumes. If in principle it is possible to heat exchange directly between the fumes and the products to be preheated, the desire to proceed in the best conditions of efficiency and safety leads to more complex exchange facilities.
  • the exchange installations are generally represented at 18 and 19. In these installations oxygen, or / and fuel, is heated before being conveyed to the burners by means of pipes 20, 21.
  • the fumes at their output are initially at temperatures of the order of 1200 to 1400 ° C. At these temperatures it is preferable to pass them into a "recuperator", that is to say a summary exchanger that reduces the temperature of the fumes for treatment prior to discharge into the atmosphere via a chimney 24.
  • the recuperator is a system in which a fluid circulates against the flow of fumes. In its most basic form there are two concentric pipes. A more elaborate system consists of a bundle of tubes passing through an enclosure where the heat transfer fluid circulates. Both types can be combined.
  • recuperator After this recuperator the fumes are still at high temperature. It is not generally less than 700 0 C except to use very large recuperators. Before being rejected, they undergo a depollution to eliminate, in particular, the oxides of sulfur. This elimination is carried out for example in electro-filters. To prevent the deterioration of these filters it is necessary to lower the temperature further to about 3-400 ° C.
  • An economical mode consists in diluting the fumes with ambient air.
  • the mixture When brought back to these temperatures, the mixture can still be used as a means for feeding, for example, boilers producing steam.
  • the steam in question is particularly useful for preheating the fuel-liquid. These are advantageously preheated to temperatures between 100 and 150 0 C, and preferably between 120 and 140 ° C.
  • the exchanger fluid used in the recuperators is for its part used as indicated below with reference to FIG. 4.
  • two exchange systems 18, 19, are arranged one on each side of the furnace.
  • the two flue pipes are connected by a pipe 22.
  • the latter in case of need for maintenance or repair of one of the installations allows to transfer at least a portion of the fumes on the second momentarily, the surplus can also be discharged through the pipes 27 or 28.
  • a pipe 23 allows as necessary to supply both sides of the furnace heat transfer fluid.
  • Pipes 27 and 28 make it possible, if necessary, to avoid the passage of the flue gases into the recuperators and direct them directly to the evacuation 24.
  • the fumes F exiting downstream are not shown as conduits to the exchangers. Depending on the configuration of the installation it is also possible to connect these outputs so that all fumes are recovered. To the extent that the "recoverable" energy is surplus to that which can be used this recovery may be omitted where appropriate.
  • a first "recuperator" the fumes heat an intermediate fluid, for example air, nitrogen, CO 2 or any suitable fluid which circulates for example in a loop between this recuperator and one or more exchangers in the (s) which (s) it heats oxygen or fuel.
  • an intermediate fluid for example air, nitrogen, CO 2 or any suitable fluid which circulates for example in a loop between this recuperator and one or more exchangers in the (s) which (s) it heats oxygen or fuel.
  • An alternative for the intermediate fluid such as air is to not use the loop and recover the hot air at the outlet of the secondary exchangers by a boiler or other means of energy recovery.
  • FIG. 4 illustrates this principle.
  • the recuperator 25 receives on the one hand the fumes F, and against the current thereof fluid A, for example air.
  • the heated air is directed to a series of exchangers 26 in which it circulates countercurrent oxygen which is preheated before being directed to the burners 13.
  • each burner 13 is supplied with a heat exchanger
  • the air, after preheating the oxygen, is returned to the recuperator 25 or is returned to the furnace flue to be passed through a boiler.

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Abstract

La présente invention concerne un four de fusion du verre comprenant un bassin de fusion de forme canal, l'introduction des matières premières s'effectuant à une extrémité amont, le verre fondu étant récupéré à l'extrémité aval, four chauffé au moyen de brûleurs, dans lequel l'énergie de combustion est produite par oxy-combustion pour au moins 65%, les brûleurs étant distribués sur les parois dans la longueur du four, dans lequel la plus grande part de l'évacuation des fumées est localisée à proximité de l'extrémité amont au voisinage des ouvertures d'introduction des matières premières, le restant des fumées étant évacuées à proximité de la partie aval de manière à maintenir une étanchéité dynamique vis-à-vis de l'atmosphère environnante.

Description

Four de fusion du verre
La présente invention concerne les fours de fusion du verre dans lesquels l'énergie de fusion est produite essentiellement par des brûleurs alimentés en combustible et en oxygène ou en gaz très riche en oxygène. Ces fours sont qualifiés habituellement de four à "oxy-combustion".
L'utilisation de manière accessoire de brûleurs à oxy- combustion est bien connue dans les fours de fusion du verre. Sur des fours fonctionnant de manière traditionnelle avec de l'air, il s'agit alors d'ajouter un ou un nombre limité de brûleurs à oxy-combustion. L'introduction de ces brûleurs additionnels est généralement destinée à accroître la capacité de fours existants, éventuellement lorsque ceux-ci voient leur performance décliner du fait de leur ancienneté. Cette situation se trouve par exemple lorsque les régénérateurs associés à ces fours sont dégradés et ne permettent plus un réchauffage suffisant de l'air utilisé pour la combustion. Il peut s'agir aussi d'accroître simplement la capacité d'un four donné par l'introduction de sources supplémentaires d'énergie.
En règle générale les brûleurs additionnels oxy-combustion sont disposés près de la zone du four dans laquelle les matières premières sont enfournées. Ces brûleurs activent ainsi la fusion de ces matières premières. L'adjonction de quelques brûleurs oxy-combustion dans les fours de grande capacité, s'effectue habituellement sans modification profonde de la marche générale du four en ce sens, notamment, que les régénérateurs continuent de fonctionner et traitent donc à la fois les fumées issues de la combustion des brûleurs fonctionnant avec de l'air et celles provenant des brûleurs fonctionnant avec de l'oxygène. Hors le fait de disposer d'une source d'énergie complémentaire ces systèmes fonctionnant dans le mode qualifié "d'oxy-boosting", ne permettent pas de bénéficier de tous les avantages connus qui peuvent résulter de l'oxy-combustion. Au nombre des avantages potentiels figurent principalement une consommation énergétique moindre et des émissions réduites de fumées indésirables.
L'oxy-combustion permet un gain énergétique au moins pour la raison que l'énergie des gaz de combustion n'est pas absorbée en partie par l'azote de l'air. Dans les fours traditionnels, même si une partie de l'énergie entraînée avec l'azote est récupérée dans les régénérateurs, les fumées finalement évacuées en entraînent encore une part significative. La présence de l'azote participe à cette perte.
La réduction de la consommation énergétique par unité de production considérée présente en plus l'avantage de limiter par voie de conséquence les émissions de dioxyde de carbone et donc de répondre aux exigences réglementaires dans ce domaine.
La présence d'azote est aussi source de formation d'oxydes dits NOx, dont l'émission est pratiquement interdite en raison des dommages liés à la présence de ces composés dans l'atmosphère. Dans la pratique les utilisateurs se sont efforcés de faire fonctionner les fours dans les conditions conduisant à des émissions aussi limitées que possible. Dans le cas des fours de verrerie, ces pratiques ne suffisent pas pour satisfaire aux normes très sévères en vigueur, et il est nécessaire de procéder à une dépollution coûteuse des fumées par l'usage de catalyseurs.
L'utilisation d'oxygène permet de s'affranchir des problèmes liés à l'azote de l'air, ce qui n'est pas le cas dans les techniques d'oxy-boosting.
En dépit des avantages énoncés ci-dessus, l'utilisation de l'oxy- combustion dans les grands fours verriers reste à développer. Les raisons sont de plusieurs natures. En premier l'utilisation d'oxygène est nécessairement plus coûteuse que celle d'air.
Le bilan économique de la mise en oeuvre de l'oxy-combustion n'est positif que dans la mesure où l'on est en mesure de récupérer une part significative de la chaleur des fumées. Jusqu'à présent la mise en oeuvre de la récupération de cette énergie ne semble pas avoir été entreprise de manière satisfaisante. Le gain énergétique potentiel n'a pas été effectivement obtenu.
Par ailleurs, la mise en oeuvre de l'oxy-combustion pose encore des problèmes d'ordre technique qui sont la contrepartie de certains avantages. Une difficulté reconnue est liée au fait de la corrosion des réfractaires, ce qui diminue la durée de vie des réfractaires en silice de la voûte. En effet la haute teneur en H2O de l'atmosphère de combustion entraine deux phénomènes de détérioration :
- le premier est lié à la diffusion de H2O dans la phase vitreuse des blocs réfractaires.
- le second est lié à la condensation de la soude présente dans l'atmosphère, sur la brique de réfractaire, ce qui implique un haut degré d'oxydation, six fois plus élevé dans le cas d'un four oxy-combustion.
Pour tenir compte de ces conditions, il est nécessaire d'utiliser des matériaux plus résistants à la corrosion que ceux habituellement choisis. Le plus couramment, pour diverses raisons, la voûte des grands fours de fusion verriers est constituée de briques de silice. Dans le cas de four à l'oxy- combustion il est nécessaire de plutôt faire appel à des matériaux tel que l'alumine, l'AZS, la spinelle, mais d'autre part ces matériaux sont plus coûteux, et posent aussi des problèmes en raison d'un poids significativement plus important.
D'autres problèmes nouveaux sont également apparus à l'expérience, qui nécessitent la mise en oeuvre de conditions spécifiques et nouvelles pour faire en sorte que cette technique trouve effectivement des applications que la théorie présente comme avantageuses. L'invention concerne des modalités de mise en œuvre de la technique d'oxy-combustion dans les grands fours verriers qui font l'objet des revendications jointes à la présente description.
Les inventeurs se sont intéressés au problème de l'économie de cette technique d'oxy-combustion. En particulier ils proposent de faire en sorte que l'énergie des fumées des fours soit largement récupérée et utilisée pour le préchauffage de l'oxygène et, le cas «échéant, des combustibles consommés. Une partie de la chaleur des fumées peut aussi être utilisée pour préchauffer les matières premières enfournées.
Le bilan économique, notamment pour ce qui concerne l'énergie, nécessite que la chaleur des fumées soit récupérée. Le principe est connu. La difficulté vient de la mise en oeuvre des techniques de récupération pour le fonctionnement du four lui-même.
Le choix des inventeurs est de faire en sorte d'utiliser l'énergie des fumées, notamment pour préchauffer l'oxygène. Pour des raisons évidentes l'utilisation de régénérateurs pour cette récupération est exclue. Il faut opérer dans des échangeurs spécifiques. Cette opération est mal aisée dans la mesure où l'oxygène chaud est extrêmement agressif pour tous les matériaux au contact desquels il se trouve. Ce caractère corrosif est d'autant plus marqué que la température atteinte par l'oxygène est plus élevée.
Il faut aussi selon l'invention que les fours concernés soient sensiblement exempts d'une atmosphère chargée d'azote. Pour cette raison, contrairement à certaines solutions proposées antérieurement, il est préférable de faire en sorte que tous les brûleurs du four fonctionnent en oxy- combustion. Si néanmoins il est possible de conserver une partie de la combustion de type aéro-combustion, l'énergie engendrée par oxy- combustion représente au moins 65% de l'énergie totale mise en œuvre dans le four, de préférence au moins 80%, et de façon particulièrement préférée au moins 90% de celle-ci.
L'utilisation d'une fraction d' aéro-combustion peut provenir d'un nombre limité de brûleurs fonctionnant entièrement en aéro-combustion, elle peut aussi venir de l'utilisation d'un oxygène comprenant une certaine teneur d'air. Dans ce dernier cas, compte tenu de ce que les brûleurs utilisés en oxy-combustion présentent des caractéristiques particulières, le mélange oxygène/air doit comprendre une teneur d'au moins 80% d'oxygène et de préférence au moins 90% d'oxygène.
Par mesure de simplification, dans la suite de la description il est fait référence à F oxy-combustion, et à l'oxygène. Les développements à ce sujet, sauf indication contraire englobent la mise en oeuvre d'oxy-combustion avec un oxygène pouvant renfermer une faible proportion d'air, ou encore un ensemble comprenant une partie limitée d' aéro-combustion combinée avec une oxy-combustion majoritaire.
Indépendamment des constituants de l'atmosphère du four provenant de la combustion, il faut encore prévenir le plus possible la pénétration d'air provenant de l'extérieur d'une part pour éviter une perte d'énergie correspondant au réchauffage de cet air, mais surtout pour prévenir le plus possible la formation de NOx indésirables dû au passage de cet air à travers les hautes températures de la flamme de combustion (ces températures sont de l'ordre de 1800 à 23000C suivant le type de brûleur oxygène choisi).
Quelles que soient les constructions envisagées les fours verriers ne peuvent être maintenus parfaitement étanches à l'atmosphère extérieure. Les efforts rapportés dans ce sens se sont portés principalement sur la mise en place de barrières physiques limitant la circulation des gaz de l'extérieur vers l'intérieur du four. Ces mesures sont certainement utiles, mais apparaissent insuffisantes si l'on veut maintenir une atmosphère essentiellement composée par les gaz de combustion. Selon l'invention il est prévu en conséquence de prévenir l'admission d'atmosphère environnante en aménageant le four de telle sorte qu'il développe une étanchéité de caractère dynamique. Pour cela, selon l'invention, il est nécessaire de régler la circulation des fumées dans le four de la façon précisée plus loin.
Dans les grands fours verriers de fusion qui utilisent notamment des régénérateurs, la circulation des gaz dans le four s'effectue de manière transversale. Les brûleurs sont répartis de part et d'autre du bassin contenant le verre fondu. Ils fonctionnent en alternance. Pendant une période tous les brûleurs situés d'un côté du four sont en activité. Les fumées correspondantes sont évacuées par les conduits situés sur la paroi qui leur fait face. Les fumées sont passées sur les régénérateurs correspondant au côté en question. A la période suivante ce sont les brûleurs de l'autre côté qui sont mis en action avec l'air circulant sur les régénérateurs chauffés précédemment, et ainsi de suite.
Pour les fours à oxy-combustion les brûleurs situés de part et d'autre du four fonctionnent de manière continue. La distribution des brûleurs des deux côtés n'est pas commandée par la nécessité de cette alternance qui n'existe pas, mais plus par la recherche d'une optimisation de l'échange thermique entre les flammes et le bain de verre, ou avec les matières premières surnageantes.
Les flammes des oxy-brûleurs sont, à puissance égale, plus courtes que les flammes des aéro-brûleurs. La raison en est notamment un flux gazeux moins volumineux en raison de l'absence d'azote. Pour que la distribution énergétique soit aussi uniforme que possible, pour une largeur de four similaire, il est donc souhaitable de disposer les brûleurs des deux côtés pour couvrir au mieux la surface du bain. Un accroissement de la vitesse d'émission des gaz en oxy- combustion qui pourrait conduire à allonger la flamme n'est pas souhaité notamment pour ne pas favoriser l'envol des poussières.
Il est aussi préférable de faire en sorte que les flammes se développent de manière aussi peu perturbée que possible. Pour éviter la collision des flammes disposées en vis-à-vis, elles sont donc avantageusement disposées en quinconce.
Suivant une autre spécificité des flammes d'oxy-combustion, pour parvenir à l'étagement de la combustion sur la longueur de la flamme, ce qui est préférable, comme dans les brûleurs en aéro-combustion, il est avantageux de faire en sorte que la flamme de ces brûleurs se développe en une nappe située dans un plan sensiblement parallèle à la surface du bain de verre. Ceci est obtenu par exemple au moyen de brûleurs présentant une pluralité de buses d'injection d'oxygène situées de part et d'autre de la buse d'admission du combustible, toutes ces buses étant sensiblement alignées parallèlement à la surface du bain.
La circulation des fumées à partir des flammes ne se fait pas comme en aéro-combustion de manière transversale. La circulation est organisée en fonction de deux objectifs.
D'une part il s'agit de faire en sorte que la transmission de chaleur des fumées au bain de verre soit aussi importante que possible. Autrement dit, on s'efforce de faire en sorte qu'à la sortie du four la température des fumées soit la moins élevée possible, en tenant compte du fait également que les flammes en oxy-combustion sont à température plus élevée, et que de façon globale les fumées sont aussi à température plus élevée qu'en aéro-combustion.
Pour parvenir à un échange thermique plus important on fait en sorte que le temps de résidence dans le four soit allongé. Compte tenu du fait, pour une même énergie dissipée, que le volume des fumées est réduit de plus de la moitié par rapport à celui de l' aérocombustion, pour un four dont le volume serait maintenu identique, toutes choses égales par ailleurs le temps de résidence des fumées serait nécessairement accru.
D'autre part, les dispositions relatives à la circulation des fumées permettent encore d'améliorer les transferts thermiques avec le bain. En particulier ceci résulte de la localisation des sorties de fumées, de l'emplacement des brûleurs et de la distribution de la puissance développée localement par chacun de ces brûleurs.
Selon l'invention, et pour procéder au meilleur transfert énergétique avec le bain ou avec les matières premières, il convient de faire circuler les fumées, ou au moins la majeure partie de celles-ci, en sens inverse de l'écoulement du bain. Ainsi les fumées au cours de leur progression dans le four voient décroître leur température jusqu'à leur sortie du four.
Pour cette raison l'évacuation des fumées, ou au moins la majeure partie de celles-ci, est localisée à proximité de l'enfournement des matières premières. Une possibilité est de faire en sorte que l'évacuation des fumées s'effectue par des conduits distincts de ceux par lesquels les matières premières sont introduites dans le four. Une autre possibilité est que cette évacuation s'effectue par les voies d'enfournement elles-mêmes, et donc à contre courant des matières premières. Pour cette dernière possibilité il faut notamment éviter les risques d'agglomération liés à la condensation au contact de ces matières premières "froides", de la vapeur d'eau contenue dans les fumées.
Pour avoir le meilleur transfert thermique, la plus grande partie des fumées est évacuée à proximité de l'enfournement des matières premières. En pratique il s'agit d'au moins 65% des fumées, et de préférence au moins 75%. L'excédent des fumées qui n'est pas évacué comme indiqué ci- dessus suit un cheminement destiné notamment à maintenir l'étanchéité dynamique vis-à-vis de l'atmosphère extérieure. Une partie au moins de cet excédent est avantageusement évacuée vers l'aval du four. Comme indiqué cette fraction des fumées est aussi réduite que possible. Elle est avantageusement de moins de 35% de l'ensemble des fumées, et de préférence inférieure à 25%.
L'évacuation des fumées en aval du four est située au delà des derniers brûleurs. Il faut éviter que les gaz de combustion soient évacués avant un transfert thermique aussi complet que possible. Pour cela, ces gaz doivent séjourner un peu dans le four, d'où la nécessité de ne pas mettre les brûleurs trop près des conduits d'évacuation.
La présence de sorties en aval de la zone des brûleurs permet d'éviter notamment que de l'air provenant de cette zone traverse la zone des brûleurs. En effet la majorité de l'air en aval provient de la zone de conditionnement. La teneur en NOx est détectée de façon systématique en sortie amont. Si cette teneur s'avère trop élevée, il est possible de corriger cette teneur selon l'invention par la régulation des flux des sorties. Un accroissement de cette évacuation aval entraîne plus d'air provenant de l'aval du four et évite que cet air chargé d'azote ne passe à travers les flammes et forment des NOx.
Avantageusement ces réglages conduisent à une teneur en azote aussi faible que possible dans les fumées évacuées dans les sorties amont. La teneur est maintenue de préférence inférieure à 10% et de façon particulièrement préférée inférieure à 5%.
La température des gaz évacués en aval est généralement un peu plus élevée que celle des fumées évacuées en amont pour la raison que ces dernières sont au contact de zones du four les moins chaudes du fait en particulier que près de l'enfournement on ne dispose normalement pas de brûleurs, et que la couverture des matières premières surnageantes absorbe une part importante de l'énergie dans la fusion de ces matières premières.
Le temps de résidence des fumées dans le four procède d'un ensemble de conditions. Parmi celles-ci en dehors de l'organisation de la circulation des fumées indiquée ci-dessus, il faut encore ajouter le flux de fumées produites et le volume dont ces fumées disposent à l'intérieur du four. Pour un flux de fumées déterminé, le temps de résidence moyen est fonction du volume disponible. Plus le volume est important, plus le temps de résidence est élevé, et en principe, plus complet est le transfert thermique.
En pratique l'augmentation du volume du four influe de manière limitée et peut conduire à un bilan moins satisfaisant s'il n'est pas bien maîtrisé pour les raisons suivantes. L'expérience montre tout d'abord que le transfert thermique vers la masse à fondre et avec le bain, s'effectue principalement de manière radiative. La convection des fumées ne contribue que pour moins de 10% de l'apport, et se situe le plus souvent à moins de 8%. Dans ces conditions l'accroissement du temps de séjour des fumées, ajoute peu à cet apport convectif. Par ailleurs l'accroissement du volume du four conduit en plus de l'investissement supplémentaire en réfractaires, à une perte supplémentaire d'énergie dissipée à l'extérieur quelle que soit la qualité de l'isolation du four, cette perte étant fonction de la surface des parois exposée à l'atmosphère environnante.
Le séjour des fumées dans le four permet avantageusement de réduire un peu leur température de sortie. Elles sont d'ordinaire sur un four aéro-combustion à moins de 16500C, de préférence à moins de 16000C et de façon particulièrement préférée à moins de 15500C. Dans le cas d'un four à oxy- combustion elles sont à moins de 15000C, de préférence à moins de 14500C et de façon particulièrement préférée à moins de 13500C.
Par ailleurs, le volume du four détermine aussi la vitesse des fumées dans celui-ci. Il est préférable de faire en sorte que la vitesse de circulation des fumées dans le four reste modérée pour éviter de perturber les flammes. Il faut encore éviter l'envol de poussières en passant sur les matières premières, poussières qui devraient ensuite être éliminées avant passage dans les échangeurs thermiques.
A l'expérience le temps moyen de résidence des fumées dans un four aéro-combustion est de 1 à 3 secondes. Dans le cas de l'invention, d'un four à oxy-combustion, le temps moyen de résidence des fumées s'établi entre 10 et 40 secondes et le plus avantageusement entre 15 et 30 secondes.
La localisation des brûleurs, ou mieux la distribution de l'apport énergétique déjà évoqué, est un facteur important à la fois pour le bilan énergétique du four mais aussi pour la qualité du verre produit.
Tous les grands fours verriers comportent traditionnellement deux zones correspondant respectivement à la fusion et à l'affinage. Au-delà, le cheminement du verre se poursuit dans un bassin de conditionnement dans lequel la température du verre est progressivement abaissée pour atteindre sa température de mise en forme. Pour la fabrication du verre plat par la technique "float", cette température est de l'ordre de 11000C.
Un goulet sépare habituellement la zone d'affinage et celle de conditionnement. Dans le jargon verrier ce goulet est nommé "neck"., Il permet en particulier de restreindre le passage de l'atmosphère d'une zone à l'autre. On s'efforce selon l'invention de réduire au mieux l'ouverture correspondante et par suite la circulation de l'atmosphère entrant dans la zone d'affinage en provenance de celle de conditionnement. Dans tous les cas les fumées ne doivent pas pénétrer dans la zone de conditionnement, faute de quoi des poussières encore en suspension pourraient se trouver entraîner et se déposer à la surface du verre.
L'introduction de gaz ne provenant pas de la combustion, et en particulier, le gaz pénétrant par le neck est aussi limitée que possible et avantageusement ne dépasse pas 15% du volume total, et de préférence est inférieur à 10% du volume total de gaz circulant dans le four.
La distinction entre zone de fusion et zone d'affinage tient compte de ce qu'il est traditionnel de nommer "boucles de convection" du verre. Ces boucles de convection sont engendrés par deux phénomènes : la convection naturelle et la convection forcée. D'une part les mouvements de convection naturelle sont liés aux conditions de température, liés à la répartition de puissance le long du four ("courbe de feu"), D'autre part les mouvements de convection forcée sont liés à la modification d'écoulement provoquée par exemple par des bouillonneurs, des mélangeurs ou des barrages. Ces deux phénomènes de convection conduisent le verre à progresser en développant dans la zone de fusion des mouvements de l'amont vers l'aval en surface et en sens inverse près de la sole. Dans la zone d'affinage le sens de circulation est inversé.
De manière générale la zone de fusion est celle qui nécessite l'apport d'énergie le plus important, et donc celle dans laquelle la puissance globale des brûleurs est la plus importante. La distribution est telle que cet apport n'est pas inférieur à 40% du total, de préférence pas inférieur à 50%. Il peut représenter jusqu'à 80% de l'apport, mais de préférence ne représente pas plus de 70% de l'énergie délivrée. Les pourcentages en question renvoient à la puissance délivrée par les brûleurs qui surplombent la zone en question.
Pour que la marche du four soit la plus efficace possible, les brûleurs doivent être convenablement distribués le long du four. Cette distribution n'est pas uniforme.
II est nécessaire d'éviter la présence des brûleurs les plus puissants à proximité des sorties de fumées pour minimiser les pertes énergétiques dans les fumées. Cependant, dans le cas où les températures de verre sous le tapis de matière première en fusion sont trop faibles, au risque de figer le verre, des brûleurs d'appoint peuvent être localisés au voisinage des points d'enfournement des matières premières, soit sur les murs du four, soit sur la voûte, Une alternative pour minimiser les pertes énergétiques dans les fumées peut être l'utilisation de l'électro-boosting (le chauffage du verre par des électrodes traversant la sole). Le chauffage au moyen d'électrodes immergées présente l'avantage d'un réglage ajusté exactement aux besoins locaux. Par ailleurs le rendement de cet apport d'énergie électrique est beaucoup plus important qu'en chauffage par flamme, ce qui permet de le maintenir à des niveaux relativement bas. De façon générale lorsque cet appoint énergétique est mis en oeuvre il ne représente pas plus de 10% de l'ensemble de l'énergie développée dans le four, et le plus souvent est inférieur à 5%.
Les brûleurs sont situés à distance à la fois de l'enfournement des matières premières et des sorties amont des fumées. L'apport nécessaire d'énergie dans cette zone résulte donc d'une part des courants de convection au sein du bain, courants d'autant plus intenses que la température de la surface revêtue des matériaux à fondre, et celle plus en aval du bain fondu, présentent une différence importante. Cet apport provient aussi des fumées qui circulent à contre courant en se dirigeant vers les sorties aménagées en amont. Globalement la température dans cette zone n'est pas la plus élevée dans le four mais reste suffisante pour entretenir la fusion.
Si les premiers brûleurs sont situés à une certaine distance de l'évacuation des fumées, pour ne pas retarder la fusion des matières premières il est nécessaire néanmoins de localiser ces premiers brûleurs dans une zone du four dans laquelle le bain est encore couvert de matériaux non fondus. Cette zone de préférence ne dépasse pas la moitié de la longueur du four, et de façon particulièrement préférée pas le tiers. Il est en effet nécessaire, au- delà de la fusion de cette "couverture", d'assurer une parfaite fusion des particules de matériau dispersées dans le bain, et d'assurer la montée jusqu'à la température la plus élevée qui permet non seulement l'achèvement de la fusion mais aussi l'homogénéisation du bain fondu. Outre la localisation des brûleurs, la distribution de la puissance délivrée est significative. La puissance des brûleurs est la plus forte dans la zone de fusion proche de la zone d'affinage. Dans cette partie la température atteinte est la plus élevée.
Dans la zone d'affinage, la température du bain doit être globalement maintenue. L'apport d'énergie nécessaire est donc plus limité. De préférence les brûleurs dans cette zone sont situés dans la partie la plus voisine de la zone de fusion. L'apport énergétique va de préférence, en décroissant dans le sens de la progression dans la zone d'affinage.
II est nécessaire de pouvoir faire varier les paramètres de marche des fours, et en particulier la puissance totale appliquée. Ces variations commandées par la nature des matières premières, les variations de tirée... etc, sont le plus souvent d'ampleur limitée. Pour maintenir le plus possible les conditions de distribution de l'énergie établies de manière optimisée, traditionnellement les variations concernent essentiellement les brûleurs situés le plus en aval dans le sens de progression du verre. Cette particularité a pour conséquence des variations de volume des fumées dans cette zone. Pour éviter par voie de conséquence des modifications plus en amont du fait de la rupture de l'équilibre dynamique, il est avantageux suivant l'invention de procéder à la régulation du flux des fumées au moyen des sorties disposées dans la zone aval du four comme indiqué précédemment.
Dans les fours traditionnels fonctionnant en aéro-combustion, les brûleurs sont disposés sur les parois latérales des fours de telle sorte que les flammes se développent à proximité de la surface du bain. Cette disposition tient compte en partie du temps de résidence limité des fumées dans le four, lesquelles sont pour l'essentiel évacuées directement sur le côté du four qui fait face au brûleur. Il apparaît nécessaire de favoriser le plus possible les échanges, y compris de convection pendant ce bref temps de séjour et donc de faire en sorte que les flammes soient aussi au contact de la surface du bain. Dans le cas d'un fonctionnement en oxy-combustion tel que selon l'invention, la part de l'apport par convection, comme indiqué précédemment est limitée. Il est donc préférable de disposer les brûleurs sur les parois latérales à distance de la surface du bain, garantissant à la fois une distribution adéquate de l'énergie rayonnée directement à partir de la flamme vers le bain et vers la voûte.
De préférence la localisation des brûleurs conduit au développement des flammes dans des plans sensiblement parallèles à la surface du bain, et au moins à 0,25m au dessus de cette surface, et de préférence à au moins 0,40m au dessus. Cette distance peut atteindre 1,0m mais de préférence est inférieure à 0,80m.
L'utilisation d'oxy-combustion, comme indiqué précédemment, modifie l'atmosphère du four laquelle est pratiquement dépourvue d'azote. En contrepartie elle est de façon relative plus riche en vapeur d'eau. Cette particularité influe de façon significative sur la conduite de la fusion. En particulier l'accroissement de la teneur en eau au dessus du bain s'accompagne d'un accroissement de cette teneur dans le verre.
La présence d'une forte teneur en eau favorise aussi le dégazage du verre et facilite l'affinage.
Une teneur en eau élevée a pour contrepartie éventuelle la formation de mousse à la surface du bain. La présence de mousse est indésirable notamment car elle fait obstacle à un bon échange thermique. Des moyens sont connus qui permettent de réduire la mousse si celle-ci se développe, indépendamment des mesures prises pour éviter son apparition. Ces moyens modifient la tension superficielle du verre par exemple en utilisant la technique décrite dans la publication EP 1 046 618..
Un autre moyen pour minimiser le risque de formation de mousse dans les zones où elle peut être particulièrement gênante, notamment dans la zone d'affinage, consiste à limiter la teneur en vapeur d'eau par le choix du combustible utilisé dans cette partie du four.
L'oxy-combustion peut être conduite avec différents types de combustible sans perdre le bénéfice des avantages énoncés ci-dessus. Les combustibles les plus usuels sont soit le gaz naturel soit les fuels liquides.
Pour ce qui concerne la teneur en vapeur d'eau, l'utilisation de gaz conduit à une teneur plus élevée qu'avec les fuels liquides. Pour cette raison, hors les questions relatives au coût de l'énergie évoquées ci-dessus, il peut être avantageux selon l'invention d'alimenter les brûleurs situés dans la zone d'affinage en fuel liquide. De cette façon on réduit le risque de formation de mousse dans la partie du four où elle pourrait être la plus préjudiciable.
Le bilan économique de l'oxy-combustion repose pour une part sur le coût de l'oxygène, celui des réfractaires adaptés, et d'autre part sur les économies de combustible et sur celles concernant l'absence partielle de dépollution des fumées. Pour avoir un bilan positif il est nécessaire de récupérer une part significative de la chaleur contenue dans les fumées sortant du four. En pratique comme pour les fours à aéro-combustion, l'utilisation la plus rentable consiste à réchauffer les réactifs introduits dans le four : oxygène, combustible et éventuellement matières premières.
Par comparaison avec les techniques d'aéro-combustion, notamment celles utilisant des régénérateurs, une difficulté vient de la nature des installations nécessaires. Les régénérateurs peuvent recevoir les fumées pratiquement telles que recueillies à la sortie du four. Les matériaux qui les composent, notamment les garnitures, de manière générale des matériaux céramiques réfractaires, supportent sans difficultés les températures des fumées et les poussières que ces fumées peuvent véhiculer. Ultérieurement le préchauffage de l'air dans les régénérateurs chauds ne nécessite pas de précautions particulières. Le chauffage des produits utilisés pour l'oxy-combustion, et en particulier le chauffage de l'oxygène requiert au contraire des précautions beaucoup plus contraignantes. Les installations dans lesquelles l'oxygène circule doivent être parfaitement étanches, résistantes aux températures élevées et à l'oxygène porté à ces températures.
Pour ce qui concerne les fumées on s'efforce de faire en sorte qu'elles n'entraînent qu'un minimum de poussières. L'éloignement des flammes de la surface du bain, particulièrement dans les zones où le bain est couvert de matériaux non encore fondus, contribue à minimiser cet entraînement. Contribue aussi le fait que les brûleurs, lorsqu'ils sont disposés en quinconce, minimise les turbulences qui pourraient résulter de l'impact des flux gazeux émanant des brûleurs se faisant face.
La vitesse moyenne des fumées dans le sens longitudinal ne dépasse pas en règle générale 3m/s, et le plus souvent est inférieure à 2m/s. Dans les flammes cette vitesse est bien supérieure de l'ordre de 30 à lOOm/s, cette vitesse étant normalement inférieure à celle des flammes en aérocombustion.
Selon l'invention le préchauffage de l'oxygène est effectué avantageusement dans des échangeurs constitués dans des aciers montrant une excellente résistance à l'oxygène chaud. Des échangeurs et des matériaux convenant à cet usage sont décrits dans la demande de brevet européen non publiée, n°07 107 942 déposée le 10 mai 2007.
L'oxygène chaud fourni par l'échangeur est porté à une température qui au plus peut atteindre 6500C. Cette valeur est fonction de la résistance que l'on peut obtenir avec des alliages métalliques qui présentent les meilleures caractéristiques. Cette limite permet de garantir une durée d'utilisation en rapport avec le type d'installation considéré.
En pratique pour une meilleure sécurité il est préférable de maintenir la température de l'oxygène à moins de 6000C. _
Pour que le préchauffage de l'oxygène soit suffisant pour améliorer le bilan énergétique de manière significative, il est préféré de fixer une température qui n'est pas inférieure à 3500C.
De même le combustible utilisé est avantageusement préchauffé, qu'il s'agisse de gaz naturel ou de fuel liquide. Les températures atteintes pour le combustible ne sont pas tributaires de la résistance des installations. Elles dépendent éventuellement de la possible dégradation de ces combustibles. Il faut en particulier éviter de les "craquer", même partiellement, ce qui aurait pour conséquence l'encrassement des installations. Pour les gaz naturels la température de préchauffage est avantageusement inférieure à 6500C et de préférence inférieure à 5500C. Pour les fuels lourds, la température est généralement moins élevée et ne dépasse pas 1800C, et de préférence pas
150°C.
La récupération de la chaleur des fumées est largement suffisante pour permettre le chauffage de l'oxygène et du combustible aux températures indiquées, indépendamment du rendement de l'échange thermique lorsque celui-ci est réalisé dans les conditions évoquées dans la demande de brevet mentionnée ci-dessus. Il est encore possible avec l'excédent de préchauffer les matières premières, ou d'alimenter des chaudières quelle que soit l'usage de la vapeur produite.
L'invention est décrite avec certains détails dans la suite en faisant référence aux planches de dessins dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un four selon l'invention ; - la figure 2 illustre de façon schématique en vue de dessus les dispositions de la figure 1 ;
- la figure 3 est un schéma synoptique global des circuits d'échanges thermiques mis en oeuvre pour un four selon l'invention ;
- la figure 4 est un détail d'un schéma synoptique concernant la circulation selon un mode de préchauffage de l'oxygène ; - la figure 5 représente en vue partielle de dessus les dispositions de brûleurs dans un four selon l'invention.
Le four présenté à la figure 1 est du type de ceux utilisés pour les productions de verre de grande capacité comme ceux servant à alimenter la production de verre plat par les techniques de verre "flotté". Des fours de ce type produisent en continu des quantités de verre qui peuvent aller jusqu'à 1000 tonnes/jour. Pour atteindre ces performances les fours doivent présenter une puissance qui atteint 60 MW.
Le four 1 comprend un bassin disposé dans une enceinte close. L'ensemble est constitué dans des matériaux réfractaires résistant aux températures, à la corrosion des fumées et à l'agression des matériaux fondus. Le niveau du bain dans le bassin est représenté par une ligne pointillée 2.
Le four est alimenté en matières premières à une de ses extrémités. L'ouverture par laquelle s'effectue l'enfournement de ces matières premières est schématisée en 3. En pratique pour faciliter la distribution sur la surface du bain plusieurs points d'enfournement sont habituellement aménagés. La sortie du verre fondu, représentée par la flèche V, s'opère à l'extrémité opposée par un goulet ("neck") 4 de largeur réduite par rapport à celle du bassin. Le plus habituellement le fond du neck 4 est au niveau de la sole du four.
Le neck n'est pas totalement immergé dans le verre fondu. Il demeure un espace entre la partie haute du neck et la surface de la nappe de verre. Les conditions de fonctionnement, pour ce qui concerne les flux gazeux dans le four, sont réglées de telle sorte que l'atmosphère du four ne passe pas dans le neck, pour éviter tout risque d'entraînement de poussières en suspension. Pour assurer ce fonctionnement il est préférable de conserver un faible courant gazeux, marqué par la flèche A1 circulant à contre-courant du flux de verre fondu. Etant destiné seulement à prévenir un courant gazeux en sens inverse, ce courant A est maintenu aussi faible que possible. Il est important de le minimiser car il est constitué normalement par l'air présent au dessus de la zone de conditionnement, non-représentée à la figure 1 (référence 5 à la figure 2), qui fait suite au goulet.
Des brûleurs dont l'emplacement est indiqué en 6 sont disposés le long des parois latérales du four, de chaque côté de celui-ci pour étendre les flammes pratiquement sur toute la largeur du bassin. Les brûleurs sont espacés les uns des autres de manière à distribuer l'apport énergétique sur une grande partie de la longueur de ce même bassin de fusion-affinage.
Les gaz de combustion F sont évacués pour la part la plus importante par les sorties 7 localisées à proximité de la zone d'enfournement et à une certaine distance des brûleurs les plus proches. Dans la représentation
(figure 1 et 2) deux sorties 7 sont disposées symétriquement sur les parois latérales tandis que l'enfournement des matières premières (MP) est dans l'axe du four. Il s'agit d'un mode préféré mais d'autres dispositions sont également possibles, comme par exemple la sortie des gaz dans la paroi 8 fermant le four dans sa partie amont. Ces sorties peuvent aussi être distribuées de manière différente, l'important étant de faire en sorte que les fumées remontent à contre-courant de l'écoulement du verre V dans le four. Le cas échéant, la sortie des fumées notamment peut s'effectuer, au moins partiellement, par la ou les ouvertures d'enfournement.
Comme indiqué précédemment, selon l'invention on fait en sorte que l'enceinte du four soit pratiquement étanche à la pénétration d'air extérieur. La circulation des fumées vers l'amont prévient la pénétration de ce côté du four. Les passages éventuellement disposés sur les parois latérales sont également essentiellement étanches à la pénétration de l'air ambiant. Pour refouler le peu d'air qui peut provenir de la partie conditionnement 5, une circulation très limitée des fumées est avantageusement aménagée vers l'aval du four. Ces fumées F sont évacuées par les sorties 9. Dans le réglage de la quantité d'air circulant de la zone de conditionnement vers celle d'affinage, outre les flux gazeux générés par les brûleurs, il est important aussi comme indiqué précédemment de pouvoir moduler les quantités de fumées extraites dans la zone aval du four et qui sont évacuées par les sorties 9.
Le four verrier de grande capacité comporte traditionnellement deux zones l'une dite de fusion, l'autre d'affinage. Aux figures 1 et 2, ces deux zones ne sont pas délimitées.
La limite entre fusion et affinage n'est généralement pas matérialisée dans la structure du four. En particulier si dans ces fours un barrage est disposé sur la sole, ce barrage ne coïncide pas ordinairement avec cette limite même si elle participe aux conditions qui conduisent à sa localisation.
La distinction entre zone de fusion et d'affinage est dans tous les cas fonctionnelle. Elle correspond au mode de circulation du verre dans le bassin. Celle-ci comprend une première boucle de convection dans la partie de fusion et une boucle, dont la rotation est en sens inverse de la première, dans la partie affinage. En l'absence de moyen influant directement sur la circulation, la position de la limite de la zone de fusion et de celle d'affinage est déterminée par un ensemble de paramètres de fonctionnement qui comprend notamment la distribution de l'énergie par les brûleurs. A la figure 2 ces deux zones sont représentées I et II.
En règle générale l'apport d'énergie nécessaire à la fusion des matières premières est plus important que celui qui maintient le verre à température pour l'affinage. En conséquence le nombre de brûleurs, et surtout la puissance qu'ils délivrent, est plus importante dans la zone de fusion.
Si il est utile d'apporter un maximum d'énergie pour la fusion, et donc dès l'enfournement des matières premières, il faut aussi éviter de placer les premiers brûleurs trop près des sorties de fumées 7, faute de quoi ces fumées très chaudes entraîneraient avec elles une part excessive d'énergie. Le choix de la position des premiers brûleurs est donc le résultat d'un compromis. Les premiers brûleurs sont positionnés de telle manière qu'ils se trouvent au- dessus des matières surnageantes.
Toujours pour limiter les pertes d'énergie par les fumées comme indiqué précédemment, il est aussi possible de moduler la puissance des brûleurs selon leur position. Les premiers brûleurs peuvent notamment fonctionner à puissance moins élevée que celle des brûleurs situés plus en aval.
Selon les modes de fonctionnement qui s'avèrent les plus avantageux, la "courbe de feu", c'est-à-dire la distribution des températures le long du four, progresse d'abord depuis l'amont jusque vers une partie centrale voisine du début de la zone d'affinage. La température varie un peu ensuite en décroissant légèrement jusqu'au neck 4 préparant le passage dans la zone de conditionnement. Pour cette raison l'extrémité aval du four est normalement dépourvue de brûleurs.
La distribution des brûleurs est représentée à la figure 2 par l'axe de ceux-ci. Ils sont de préférence disposés en quinconce de part et d'autre du bassin, pour faire en sorte que les flammes émises dans des directions opposées ne se heurtent pas. Latéralement ils sont écartés les uns des autre pour couvrir le mieux possible la surface du bain. Dans ce sens également, les brûleurs utilisés sont avantageusement du type qui développe la flamme sous forme d'une nappe sensiblement parallèle à la surface du bain. Leur puissance nominale individuelle dépend des brûleurs choisis et du nombre de brûleurs utilisés.
L'espace disponible sur les parois latérales du four 11 (figure 5) est limité par la présence de l'armature métallique 12 supportant la voûte du four. Les poutres constituant cette armature sont d'autant plus rapprochées que le four est plus large et que les matériaux céramiques réfractaires sont plus pesants. Pour les fours très larges, seulement deux brûleurs plats 13 du type de ceux décrits dans la publication WO 2004/094902 peuvent être installés entre deux poutres successives, un de chaque côté du four. Ces brûleurs organisent la combustion étagée à partir d'une alimentation centrale en combustible 14, concentrique à une première alimentation en oxygène 15, puis au moyen de plusieurs alimentations en oxygène secondaires 16, 17, parallèlement à la première, espacées de celle-ci et disposées dans un même plan sensiblement horizontal. Ces brûleurs à combustion étagée 13 produisent une flamme qui se développe dans un plan sensiblement parallèle à la surface du bain fondu. Par leur construction ces brûleurs présentent une certaine largeur, d'où le nombre limité entre deux poutres.
Comme représenté à la figure 1, les brûleurs débouchent dans l'enceinte du four à une certaine distance au-dessus de la surface du bain. Cette disposition, comme expliqué précédemment, permet de bien distribuer l'énergie rayonnée à partir de la flamme. Elle permet aussi, combinée avec la hauteur de la voûte, une bonne circulation des gaz de combustion notamment de ceux qui se dirigent vers les sorties principales 7 en remontant vers l'amont du four. Contrairement aux fours à aéro-combustion dont les fumées parcourent un trajet essentiellement transversal, dans le cas des fours à oxy- combustion selon l'invention ces fumées sont dirigées dans la longueur du four et donc transversalement à la direction des flammes qu'elles ne doivent pas perturber. Disposant à la fois d'espace sous les flammes et au dessus de celles- ci, le cheminement des fumées peut s'effectuer sans turbulences excessives préjudiciables au bon développement des flammes.
Les fumées à la sortie du four, sont utilisées dans des dispositifs destinés à récupérer une partie de l'énergie entraînée par ces fumées. Si en principe il est possible de procéder à un échange de chaleur directement entre les fumées et les produits à préchauffer, le souci de procéder dans les meilleures conditions d'efficacité et de sécurité conduit à des installations d'échange plus complexes. A la figure 3 cependant, par souci de simplicité, les installations d'échange sont représentées globalement en 18 et 19. Dans ces installations de l'oxygène, ou/et du combustible, est chauffé avant d'être acheminé vers les brûleurs par des canalisations 20, 21.
Les fumées à leur sortie sont initialement à des températures de l'ordre de 1200 à 14000C. A ces températures il est préférable de les passer dans un "récupérateur", autrement dit un échangeur sommaire qui permet d'abaisser la température des fumées en vue de leur traitement avant rejet dans l'atmosphère par une cheminée 24. Le récupérateur est un système dans lequel un fluide circule à contre-courant des fumées. Dans sa forme la plus élémentaire il s'agit de deux canalisations concentriques. Un système plus élaboré est constitué d'un faisceau de tubes passant dans une enceinte ou circule le fluide caloporteur. Les deux types peuvent être combinés.
Après ce récupérateur les fumées sont encore à température élevée. Elle n'est pas généralement inférieure à 7000C sauf à utiliser des récupérateurs de très grandes dimensions. Avant d'être rejetées elles subissent une dépollution pour éliminer notamment les oxydes de soufre. Cette élimination est opérée par exemple dans des électro-filtres. Pour éviter la détérioration de ces filtres il faut encore abaisser la température jusqu'aux environ de 3-4000C. Un mode économique consiste à diluer les fumées avec de l'air ambiant.
Ramené à ces températures le mélange est encore utilisable comme moyen pour alimenter par exemple des chaudières produisant de la vapeur. La vapeur en question est notamment utilisable pour préchauffer les fuel-liquides. Ces derniers sont avantageusement préchauffés à des températures comprises entre 100 et 1500C, et de préférence entre 120 et 140°C.
Le fluide échangeur utilisé dans les récupérateurs est pour sa part utilisé comme indiqué ci-après en référence à la figure 4. Dans la représentation de la figure 3, deux installations d'échange 18, 19, sont disposées une de chaque côté du four. Les deux canalisations des fumées sont reliées par une canalisation 22. Cette dernière, en cas de nécessité d'entretien ou de réparation d'une des installations permet de transférer une partie au moins des fumées sur la seconde momentanément, l'excédent peut aussi être évacué par les canalisations 27 ou 28. De la même manière une canalisation 23 permet en tant que de besoin d'alimenter les deux côtés du four en fluide caloporteur.
Des canalisations 27 et 28 permettent le cas échéant d'éviter le passage des fumées dans les récupérateurs et de les diriger directement vers l'évacuation 24.
A la figure 3 les fumées F sortant en aval ne sont pas représentées comme conduites aux échangeurs. Selon la configuration de l'installation il est aussi possible de raccorder ces sorties de telle sorte que toutes les fumées soient l'objet d'une récupération. Dans la mesure où l'énergie "récupérable" est excédentaire par rapport à celle qui peut être utilisée cette récupération peut être omise le cas échéant.
Pour les raisons indiquées précédemment, il est avantageux de procéder aux échanges thermiques en deux temps. Dans un premier "récupérateur" les fumées réchauffent un fluide intermédiaire, par exemple de l'air, de l'azote, du CO2 ou tout fluide approprié lequel circule par exemple en boucle entre ce récupérateur et un, ou mieux plusieurs échangeurs dans le(s)quel(s) il réchauffe l'oxygène ou le combustible. Une alternative pour le fluide intermédiaire comme de l'air, est de ne pas utiliser la boucle et de récupérer l'air chaud à la sortie des échangeurs secondaires par une chaudière ou un autre moyen de récupération d'énergie.
La figure 4 illustre ce principe. Le récupérateur 25 reçoit d'une part les fumées F, et à contre courant de celles-ci le fluide A, par exemple de l'air. L'air réchauffé est dirigé vers une série d'échangeurs 26 dans lesquels il circule à contre courant de l'oxygène qui est préchauffé avant d'être dirigé vers les brûleurs 13.
Dans la pratique compte tenu de la difficulté d'acheminer l'oxygène chaud par des canalisations longues, à cause du coût des canalisations ou des pertes thermiques, selon l'invention il est proposé avantageusement d'effectuer le préchauffage de l'oxygène à proximité des brûleurs dans lesquels cet oxygène est consommé. Pour cette raison il est nécessaire de multiplier les échangeurs qui selon les cas alimentent chacun un ou un petit nombre de brûleurs situés à proximité immédiate.
A la figure 4 chaque brûleur 13 est alimenté par un échangeur
26.
L'air, après préchauffage de l'oxygène, est retourné au récupérateur 25 ou est retourné dans le conduit des fumées du four pour être passé dans une chaudière.

Claims

REVENDICATIONS
1. Four de fusion du verre comprenant un bassin de fusion de forme canal, l'introduction des matières premières s'effectuant à une extrémité amont, le verre fondu étant récupéré à l'extrémité aval, four chauffé au moyen de brûleurs, dans lequel l'énergie de combustion est produite par oxy-combustion pour au moins 65%, les brûleurs étant distribués sur les parois dans la longueur du four, dans lequel la plus grande part de l'évacuation des fumées est localisée à proximité de l'extrémité amont au voisinage des ouvertures d'introduction des matières premières, le restant des fumées étant évacuées à proximité de la partie aval de manière à maintenir une étanchéité dynamique vis-à-vis de l'atmosphère environnante, le volume de l'atmosphère au dessus du bain fondu et le volume de fumées produites étant tel que temps de résidence moyen des fumées à l'intérieur du four est au moins de 10 secondes et de préférence d'au moins 15 secondes.
2. Four selon la revendication 1, dans lequel le temps moyen de résidence des fumées dans le four est au plus de 40 secondes et de préférence d'au plus 30 secondes.
3. Four selon l'une des revendications précédentes dans lequel la section transversale du four est telle qu'en tout point la vitesse moyenne de circulation des fumées dans le sens longitudinal du four n'excède pas 3m/s et de préférence pas 2m/s.
4. Four selon l'une des revendications précédentes dans lequel le pourcentage des fumées évacuées qui ne provient pas de la combustion n'est pas supérieur à 25% et de préférence pas supérieur à 20%.
5. Four selon l'une des revendications précédentes dans lequel les conditions d'alimentation de la combustion et les mesures prises pour limiter l'admission d'air dans le four conduisent dans les fumées à une teneur en azote qui n'est pas supérieure à 10% et de préférence pas supérieure à 8%.
6. Four selon l'une des revendications précédentes dans lequel la part des fumées évacuées en aval des brûleurs est régulée en fonction de la teneur en azote détectée dans les fumées en amont, cette part étant accrue lorsque la teneur en azote dépasse un certain seuil et inversement.
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