WO2013034840A1 - Dispositif et procédé d'optimisation de la combustion dans des lignes de cloisons d'un four à chambres pour la cuisson de blocs carbonés - Google Patents

Dispositif et procédé d'optimisation de la combustion dans des lignes de cloisons d'un four à chambres pour la cuisson de blocs carbonés Download PDF

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WO2013034840A1
WO2013034840A1 PCT/FR2012/051970 FR2012051970W WO2013034840A1 WO 2013034840 A1 WO2013034840 A1 WO 2013034840A1 FR 2012051970 W FR2012051970 W FR 2012051970W WO 2013034840 A1 WO2013034840 A1 WO 2013034840A1
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WO
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heating
injectors
ramp
injector
combustion
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/051970
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English (en)
Inventor
Nicolas Fiot
Oussama Cherif Idrissi El Ganouni
Original Assignee
Solios Carbone
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B13/00—Furnaces with both stationary charge and progression of heating, e.g. of ring type, of type in which segmental kiln moves over stationary charge
    • F27B13/06—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of this type
    • F27B13/14—Arrangement of controlling, monitoring, alarm or like devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F27D2019/0028—Regulation
    • F27D2019/0034—Regulation through control of a heating quantity such as fuel, oxidant or intensity of current
    • F27D2019/004—Fuel quantity

Definitions

  • the present invention relates to so-called "fire (x) rotating chambers" furnaces, for firing carbonaceous blocks, more particularly anodes and carbon cathodes intended for the production by electrolysis of aluminum. More particularly, it relates to a method and a device for optimizing combustion in partition lines of such a chamber furnace.
  • Furnaces (x) rotating (s) for baking anodes are described in particular in the patent application WO201 127042 to which reference will be made for more details about them.
  • FIGS. 1 and 2 respectively showing a schematic plan view of the structure of a furnace (x) rotating (s) and open chambers, at two lights in this example, for Figure 1, and a partial perspective view and cutaway cross-section showing the internal structure of such an oven, for Figure 2.
  • the baking oven (FAC) 1 comprises two casings or bays 1 a and 1b parallel, extending along the longitudinal axis XX along the length of the furnace 1 and each comprising (e) a succession of transverse chambers 2 (perpendicular to the axis XX), separated from each other by walls 3.
  • Each chamber 2 is constituted, in its length, that is to say in the transverse direction of the furnace 1, by the juxtaposition, alternately, cells 4, open at their upper part, to allow the loading carbon blocks cook and unloading cooked cooled blocks, and in which the carbonaceous blocks are stacked to cook 5 embedded in a carbonaceous dust, and hollow heating partitions 6, thin-walled, generally held apart by transverse webs 6a.
  • the hollow partitions 6 of a chamber 2 are in the longitudinal extension (parallel to the major axis XX of the furnace 1) of the hollow partitions 6 of the other chambers 2 of the same bay 1a or 1b, and the hollow partitions 6 are in communication with one another by skylights 7 at the upper part of their longitudinal walls, opposite longitudinal passages formed at this level in the walls transverse 3, so that the hollow partitions 6 form rows of longitudinal partitions, arranged parallel to the major axis XX of the furnace and in which will circulate gaseous fluids (combustion air, fuel gas and gas and combustion fumes) to ensure preheating and cooking the anodes 5, then cooling them.
  • gaseous fluids combustion air, fuel gas and gas and combustion fumes
  • the hollow partitions 6 further include baffles 8, to elongate and distribute more uniformly the path of the combustion gases or fumes, and these hollow partitions 6 are provided at their upper part with openings 9, called “openings", closable by removable covers and arranged in an oven crown block 1.
  • the two bays 1a and 1b of the furnace 1 are placed in communication at their longitudinal ends by turning flues 10, which make it possible to transfer the gaseous fluids from one end of each line of hollow partitions 6 to a span 1a. or 1b at the end of the line of corresponding hollow partitions 6 on the other span 1b or 1a, so as to form substantially rectangular loops of hollow partition lines 6.
  • the principle of operation of ovens (x) turning (s), also called “fire advance (x)” furnaces, consists in causing a flame front to move from one chamber 2 to another adjacent thereto during a cycle, each chamber 2 successively undergoing stages of preheating, forced heating, fire, then cooling (natural then forced).
  • the firing of the anodes 5 is carried out by one or more lights or groups of lights (two groups of lights being represented in FIG. 1, in a position in which one extends, in this example, over thirteen chambers 2 of the span 1a and the other on thirteen chambers 2 of the span 1b) which move cyclically from chamber 2 to chamber 2.
  • Each fire or group of lights is composed of five successive zones A to E, which are, as shown on FIG. 1 for the fire of the span 1b, and of the downstream upstream with respect to the flow direction of the gaseous fluids in the rows of hollow partitions 6, and in the opposite direction to cyclic displacements from room to room:
  • a preheating zone comprising, referring to the light of span 1a, and taking into account the direction of rotation of the lights indicated by the arrow at the turning flue 10 at the end of the furnace 1 at the top of Figure 1:
  • a suction ramp 1 1 equipped, for each hollow partition 6 of the chamber 2 above which this suction ramp extends, with a system for measuring and regulating the flow rate of the gases and combustion fumes by line of hollow partitions 6,
  • this system may comprise, in each suction pipe 1 1 a which is integral with the suction ramp 1 1 and opening into the latter, on the one hand, and, secondly, engaged in the opening 9 of one respectively of the hollow partitions 6 of this chamber 2, an adjustable shutter pivoted by a shutter actuator, for the flow control, and a flowmeter 12, slightly upstream, in the pipe 1 1 a corresponding, a temperature sensor (thermocouple) 13 for measuring the temperature of the combustion fumes at the suction, and
  • a preheating measurement ramp 15 substantially parallel to the suction ramp 1 1 upstream of the latter, generally above the same chamber 2, and equipped with temperature sensors (thermocouples) and pressure sensors to prepare the static depression and the temperature prevailing in each of the hollow partitions 6 of this chamber 2 in order to be able to display and adjust this depression and this temperature of the preheating zone;
  • a heating zone comprising:
  • a natural blowing or cooling zone comprising:
  • a forced cooling zone which extends over three chambers 2 upstream of the blast ramp 18, and which comprises, in this example, two parallel cooling ramps 19, each equipped with motor fans and blow pipes injecting ambient air into the hollow partitions 6 of the corresponding chamber 2;
  • the blowing ramp 18 and the forced cooling ramp (s) 19 comprise combustion air insufflation pipes fed by motor fans, these pipes being connected, via the openings. 9, to the hollow partitions 6 of the rooms 2 concerned.
  • the suction ramp 1 1 is available to extract the combustion gases and fumes, generally designated by the terms "combustion fumes", which circulate in the rows of hollow partitions 6.
  • the heating and cooking of the anodes 5 are ensured both by the combustion of the fuel (gaseous or liquid) injected, in a controlled manner, by the heating ramps 16, and, to a substantially equal extent, by the combustion of volatile materials. (such as aromatic hydrocarbons polycyclic) of the pitch diffused by the anodes 5 in the cells 4 of the chambers 2 in zones of preheating and heating, these volatile materials, largely combustible, diffused into the cells 4 which can flow into the two adjacent hollow partitions 6 by means of passages in these partitions, to ignite in these two partitions, thanks to residual combustion air present at this level among the combustion fumes in these hollow partitions 6.
  • volatile materials such as aromatic hydrocarbons polycyclic
  • the flow of air and combustion fumes takes place along the lines of hollow partitions 6, and a negative pressure, imposed downstream of the heating zone B by the suction ramp 1 1 at the end.
  • a negative pressure imposed downstream of the heating zone B by the suction ramp 1 1 at the end.
  • downstream of the preheating zone A makes it possible to control the flow rate of the combustion fumes inside the hollow partitions 6, while the air coming from the cooling zones C and D, thanks to the cooling ramps 19 and especially to the blowing ramp 18, is preheated in the hollow partitions 6, cooling the anodes 5 cooked in the adjacent cells 4, during its journey and serves as an oxidizer when it reaches the heating zone B.
  • all the ramps 11 to 19 are cyclically advanced (for example every 24 hours or so) of a chamber 2 and the measuring equipment and equipment associated recording, each chamber 2 thus ensuring, successively, upstream of the preheating zone A, a loading function of the green carbonaceous blocks 5, then, in the preheating zone A, a natural preheating function by the combustion fumes fuel and pitch vapors leaving the cells 4 by entering the hollow partitions 6, taking into account the depression in the hollow walls 6 of the chambers 2 in preheating zone A, then in the heating zone B or cooking zone a heating function of the blocks 5 at about 1100 ° C, and finally, in the cooling zones C and D, a cooling function of the blocks baked by the ambient air and, correspondingly, preheating this air constituting the oxidant of the furnace 1, the forced cooling zone D being followed, in the direction opposite to the direction of fire and flue gas circulation, of a zone E discharging the cooled carbonaceous blocks and then possibly loading the green carbonace
  • the control method of the FAC 1 essentially comprises the temperature and / or pressure regulation of the preheating zones A, heating B and natural blowing or cooling C of the oven 1 according to predefined setpoint laws.
  • the combustion fumes extracted from the fires by the suction ramps 1 1 are collected in a flue gas duct 20, for example a cylindrical duct partially shown in FIG. 2, with a flue gas flue 21 that can have a U-shaped shape. (see dotted line in FIG. 1) or able to go around the furnace, and whose outlet 22 directs the combustion fumes sucked and collected to a smoke treatment center (CTF) not shown because it is not part of the furnace. invention.
  • a flue gas duct 20 for example a cylindrical duct partially shown in FIG. 2, with a flue gas flue 21 that can have a U-shaped shape. (see dotted line in FIG. 1) or able to go around the furnace, and whose outlet 22 directs the combustion fumes sucked and collected to a smoke treatment center (CTF) not shown because it is not part of the furnace. invention.
  • CTF smoke treatment center
  • the current conduct of ovens of this type favors the fuel supply of the heating ramps 16 independently of the draft depression conditions and aeraulic conditions in the partitions 6, where it can result in incomplete combustion in a significant number, or even high, of the partition lines 6.
  • This results in costs of high oven operation, not only because of overconsumption of fuel, but also because of clogging of ducts and suction ducts that lead to capture by unburnt deposits, deposits which also represent a potential risk of ignition and drift of the cooking process.
  • the injectors of a heating ramp are distributed in pairs so as to have two injectors per partition.
  • the number of injectors of a ramp is thus equal to twice the number of partitions, for example fourteen injectors for seven partitions.
  • a total of six injectors inject fuel into the same partition.
  • the fluidic equipment that equips a heating ramp 16 is adapted to the nature of the available fuel, especially if it is gaseous, like natural gas, or liquid, like heavy fuel oil. To simplify the description of the invention, we next consider that the fuel is gaseous.
  • FIG. 3 shows schematically an example of a known heating ramp 16 for a gaseous fuel.
  • 4 pairs of injectors 23 knowing that a ramp 16 is generally equipped with 7 to 10 pairs.
  • the injectors 23 are connected to the same supply pipe embedded on the heating ramp 16 and connected to the factory network via a hose 26 and a quick connector 25.
  • Each injector 23 is preceded by an on / off solenoid valve 37 so as to control each individual injector 23.
  • the supply pipe of the ramp comprises a quick coupler 25, a hose 26, a filter 27, a global safety solenoid valve 28, a bypass circuit of this global safety solenoid valve comprising a needle valve.
  • a solenoid valve 30 for controlling the tightness of the pipework, a flow measuring member 31 (optional), a pressure regulator 32 (optional), a pressure switch 33 with a trigger on a minimum pressure threshold, a pressure switch 34 with a trigger on a maximum pressure threshold, a pressure sensor 35.
  • This main circuit supplies all the injectors 23, each being preceeding. die of a manual valve 36, a valve 37 and a hose 38.
  • FIG. 4 schematically represents an example of a vertical section of a known furnace along the longitudinal axis XX in the middle of a hollow partition 6.
  • This example comprises 3 successive heating ramps 16a, 16b and 16c.
  • the blowing ramp 18 ensures the circulation of fresh air for the cooling of the cooked anodes and the supply of oxygen for the combustion of the fuel injected by the heating ramps 16a, 16b, 16c.
  • the flow of air, then combustion fumes, in the partition 6 is shown schematically by the dashed line.
  • the openings 9 of the chambers 2 located between the blowing ramp 18 and the heating ramps 16a, 16b, 16c are closed so as to limit the escape of the blown air.
  • Upstream of the first heating ramp 16c is ramp 17 called "zero point".
  • thermocouples 24a, 24b and 24c for measuring the temperature in the partition.
  • the corresponding injectors are placed in two openings 9 separated by an opening 9 remained free and closed by a cover.
  • the thermocouples 24 are placed downstream of the injectors in the direction of gas flow. At the end of the fire is the suction ramp 1 1 preceded by the preheating measurement ramp 15.
  • a heating ramp 16 operates at about 30% of its total power.
  • its piping is dimensioned for a nominal fuel flow equivalent to 30% of the flow rate that would be necessary to simultaneously supply all the injectors 23 of this ramp 16 to their nominal power. If a large number of injectors 23 open at the same time, the flow capacity of the ramp 16 is exceeded and the gas pressure drops uncontrollably. This pressure drop has the effect of reducing the flame length, and can result in a degradation of the quality of the combustion. This phenomenon is especially visible with a gaseous fuel, because for a liquid fuel, it is compensated by a pump on the ramp 16 which maintains the pressure and which constantly circulates in the pipe 3 to 5 times the volume of liquid fuel. injected.
  • Fuel injection is performed by pulsations (or pulses).
  • the injected power is generally modulated by varying the duration of closing of the automatic valves 37 of the injectors 23. It can also be modulated by varying the opening time of the valves 37.
  • an injector 23 When an injector 23 is open, it injects 100% of its power and consumes its maximum speed. For example, for natural gas, the injection times generally vary from 0.5 to 4s, whereas for heavy fuel, the injection times generally vary from 30 to 150ms.
  • the modulation of the injected power can also be obtained by varying the supply pressure of the injectors 23 with fuel, for example by means of a pressure regulator 32 placed on the supply pipe of each ramp 16.
  • This solution has the effect of modify the flame length according to the pressure level, a low pressure leading to a shorter flame than in operation at nominal pressure. It therefore has an impact on the heat distribution in the partitions 6 and the temperature profile on the height of each partition 6.
  • the raw power to be injected is calculated by means of an incremental PID block for each pair of injection nozzles. each ramp 16, that is to say by partition 6.
  • the PID block calculates a gross total control change. This variation added to the previous gross order gives a gross total order between 0 and 100%. This command is then limited according to high and low limits not to be exceeded entered by the operator for the ramp 16.
  • the distribution of this power on the two injectors, such as 23a1 and 23a2 for the ramp 16a, is for example from a ratio parameter that is entered by the operator.
  • the ratio is always respected, the high and low limits possible for the ramp 16 are calculated to allow this.
  • the system then adjusts this total power to meet the maximum power limit that has been set for the partition 6. This maximum limit is set either by the operator or by a combustion monitoring module.
  • the finalized total power is then transmitted to a controller / control controller of the ramp 16 with the ratio and the duration of pulsation.
  • the controller then calculates a closing time for the upstream injector (such as 23a2) and the downstream injector (such as 23a1) so that the injected power respects the ratio and the total power.
  • the pulsations thus calculated are transmitted to the injectors 23.
  • the injectors 23 are very often controlled by an independent device, such as an electronic card specifically developed for this application, which generates the pulses according to a frequency value transmitted by the PLC of the ramp 16, which does not allow fine timing pairs in relation to each other.
  • the injectors 23 are sometimes directly controlled by the automaton of the ramp 16. A finer clocking on the ramp 16 is then possible, but the computing power and the relative slow slowness of the outputs of the automata limits the feasibility of a timing specific. The relative slowness of communication between PLCs and the dispersion of the control members does not allow precise timing between the different heating ramps 16.
  • FIG. 5 diagrammatically represents an exemplary control-command system of a rotating light according to the state of the art.
  • Control is provided by two redundant central computers CCS-A 42a & CCS-B 42b which transmit the commands to be applied to the controllers 45 located on each ramp 1 1, 15, 16, 17 and 18.
  • These controllers 45 drive the actuators directly, in particular the flaps on the ramp 1 1, the injectors 23 on the heating ramps 16 and the fans on the ramp 18.
  • the communication between the different controllers is provided by a communication network that can be wired or for example of the wifi type.
  • the central computers calculate the commands for each actuator according to the instructions that have been parameterized by the operators and measurements from the ramp automatons 45. These commands are then transmitted to each controller 45 for it to apply.
  • the Level 1 communication network between the central computers 42a & 42b and the ramp controllers 45 is composed of Ethernet switches 40 and WiFi access points 43 which are distributed in the building of the furnace.
  • Each controller 45 is connected to the WiFi network via a client (44), an internal Ethernet network to the ramp allows the exchange of information via an Ethernet switch 46 between the WiFi client 44, the screen local 47 and variable speed drives 48 in the case of the blowing ramp 18.
  • An auxiliary controller 43 (located for example in an electrical room) can acquire information from ancillary items in the oven such as the center of smoke treatment.
  • a DMS 41 computer allows the archiving of the process data, it is connected to the CCS 42a & 42b through a switch (switch) 40 which constitutes the Level 2 Ethernet network. This network can be connected to the factory network for the first time. extraction and exploitation of data by Level 3 systems.
  • control screens 39 which can be deported, for example in a control room, using a dedicated network if necessary (KVM network). These screens 39 display real-time data from the CCS 42a & 42b but also the archived data from the DMS 41.
  • the invention consists, according to a first aspect, mainly in a method for optimizing combustion in partition lines of a chamber furnace called "fire (s) turning (s)" for cooking of carbonaceous blocks.
  • the furnace comprises a succession of preheating chambers, heating, natural cooling and forced cooling, arranged in series along the longitudinal axis XX of the furnace.
  • Each chamber is constituted by the juxtaposition, transversely to said longitudinal axis XX and alternately, cells in which are arranged carbon blocks to cook and hollow heating partitions, in communication and aligned with the partitions of the other rooms, parallel to the longitudinal axis XX of the furnace, in lines of partitions in which circulate cooling air and oxidizer and combustion gases.
  • a suction ramp is connected to each of the partitions of the first chamber preheating by one respectively of suction pipes.
  • the combustion air required is partly injected by a discharge ramp of the natural cooling zone, connected to at least one fan, and partly infiltrated by depression through the partition lines.
  • the fuel required for firing the carbonaceous blocks is partially injected by at least two heating ramps, each extending over one respectively of at least two adjacent chambers of the heating zone, and capable of injecting each fuel into each of the partitions of the corresponding respective chamber of the heating zone.
  • At least the heating ramps are directly controlled by a master controller by controlling the inputs / outputs of said ramps.
  • the method then comprises the automatic identification by the master controller of the relative position of a heating ramp relative to the others during the connection of said heating ramp to the network and the scheduling of the operation of the injectors of the heating ramps is realized by temporally distributing the operating sequences of the injectors individually.
  • Real-time kernel and real-time network technology make timing possible because the real-time kernel has a perfectly defined cycle time and constant duration.
  • the master controller calculates the commands by reading the data directly on the inputs and it itself controls the outputs that are connected to the actuators. At least the heating ramps no longer carry an automaton.
  • the master controller retrieves all the inputs before starting its calculation and then it positions all the outputs before starting a new cycle.
  • the real-time network is fundamental because it ensures that all inputs are read and that all outputs are written at each cycle time.
  • control / control functions of the ramps are programmed in a software controller.
  • the master controller is a PC.
  • the real-time network connecting in particular the master controller and the inputs / outputs of the ramps is, for example, Ethernet type.
  • a Twincat real-time kernel is associated with an Ethercat real-time network.
  • the method according to the invention is characterized in that the time distribution of the operating sequences of the injectors is carried out so that an injector operates only when the volume of gas placed under said injector has an oxygen content sufficient to ensure the combustion of the injected fuel.
  • the method according to the invention is characterized in that the temporal distribution of the operating sequences of the injectors is performed so as to limit the formation of unburned, in particular CO.
  • a global algorithm makes it possible to optimize the timing of the injections to allow both an optimization of the available air in the partitions but also the maintenance of a controlled fuel flow in the pipes of each heating ramp to keep the characteristics of homogeneous injection.
  • the temporal distribution of the operating sequences of the injectors is performed so as to limit the fuel flow rate variations of each heating ramp.
  • the temporal distribution is achieved by limiting the number of injectors in simultaneous operation to a maximum number, said maximum number being that which leads to the nominal fuel flow of said ramp.
  • the method also proposes an optimization of the combustion of fuel injectors over a time period denoted by D, the furnace comprising a number N of injectors, distributed over the partitions and the ramps of oven heating.
  • the injectors operate in pulses in all or nothing and in modulation of duration.
  • An operating time ⁇ less than or equal to the duration D, is assigned to each of the N injectors, the operating times ⁇ being deduced from the energy demand in the oven, and provided by the control system of the oven. Therefore, according to the method: - the operating time ⁇ of an injector is divided into a series of pulses where the sum of the durations of the pulses is equal to the operating time ⁇ of said injector;
  • a scheduling is defined by a temporal distribution of the pulses for each of the N injectors individually and coded in the form of a binary time function pi which is equal to 1 when the injector of serial number i is in pulse at the instant s and is 0 otherwise;
  • the scheduling is calculated at a time T of calculation taking into account the desired operating times ⁇ of the injectors, the pulses of an injector being made at the earliest at an initial time ti subsequent to the computation time T and later at the moment ti + D,
  • the initial moments ti of each injector depend on the relative position of the injectors of the same partition and the flow velocity Vk of the combustion gases in this partition.
  • Ibl we associate a number of order i of 1 to N with each injector
  • the method may comprise the following additional steps: by using as initial scheduling the scheduling retained in step 161, a new order number i from 1 to N is associated with each injector and the steps Here and 161 are repeated. ,
  • an injection matrix is calculated using the calculation power the master controller. This is then transmitted to the remote outlets on each of the heating ramps to control the injectors.
  • the invention also relates to a device for optimizing combustion in partition lines.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of the structure of an oven with two lights and open chambers;
  • FIG. 2 is a fragmentary schematic partial perspective view and cutaway cross section showing the internal structure of the furnace of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a flow diagram illustrating an example of a heating ramp;
  • FIG. 4 is a partial schematic longitudinal section illustrating the positioning of the ramps on a line of partitions
  • FIG. 5 is a schematic representation of a control system according to the state of the art
  • FIG. 6 is a schematic representation of a control system according to the invention.
  • - Fig.7 is a timing diagram illustrating the operation of an injector over a fixed period.
  • a control system comprises, for example, a data storage computer DMS 41 and at least one master controller, for example two CCS controllers 42a & 42b. These machines are interconnected via an Ethernet switch 40, this constitutes the Level 2 Ethernet network.
  • the controllers 42a and 42b each have a real-time controller that, via the Ethernet network real, the remote input / output blocks 52 which equip the ramps 1 1, 15, 16, 17 and 18 and the auxiliary machine 43.
  • Ramps 1 1, 15, 16, 17 and 18 are connected to the real-time network via a cable which is connected to junction boxes 51 placed in front of each chamber 2 of oven 1.
  • the process is monitored by the control screens 39 which can be deported using a dedicated network if necessary (KVM network). These screens 39 display real-time data from the CCS 42a & 42b but also the archived data from the DMS 41. Additional screens 50 are placed in the furnace building to monitor the process. These screens 50 display real-time data from the CCS 42a & 42b. They are connected to the real-time network using a group of dedicated inputs / outputs 52.
  • the master controller 42a, 42b automatically identifies the relative position of a ramp relative to the others, when connecting said ramp to the network.
  • the theoretical duration of the firing cycle, the initial position of the fire and the theoretical configuration of each fire are entered in the system.
  • “Theoretical configuration of each fire” means the relative position of the ramps within the same fire.
  • the master controller 42a, 42b continuously calculates for each light, the theoretical positions, recognized for example by number designating a section on the oven 1, for the different types of ramps 1 1, 15, 16, 17, 18 it needs to control the cooking process related to fire.
  • each ramp 1 1, 15, 16, 17, 18 comprises a station head, identified by a unique number, and inputs / outputs.
  • the master controller 42a, 42b uses a correspondence table, which allows it from this number to identify the ramp but also its type (suction, heating, ).
  • the wired network around the furnace 1 consists of a succession of network switches.
  • Each section of the oven 1 is equipped with a single network plug on which is connected the ramp which is placed on this section. This catch is connected during installation to an entry, identified by a number, of one of the switches that constitute the field network.
  • the pair formed of the section number and the number of the input of the switch is unique and is filled when setting up the field network in a correspondence table which will be used by the master controller 42a, 42b.
  • the master controller 42a, 42b continuously monitors the various inputs of the switches to detect any changes such as the connection or disconnection of a ramp 1 1, 15, 16, 17, 18.
  • the master controller 42a, 42b retrieves the number of the station head of the ramp in question, which it combines with the number of the input of the switch which allows him to associate a section number to this ramp.
  • the position of each ramp in the oven 1, relative to each other is identified by the master controller 42a, 42b at the time of connection.
  • the master controller 42a, 42b can then, from the identification of the position of each ramp 1 1, 15, 16, 17, 18, compare the actual position and the theoretical position that it has calculated and decide to validate or not the connection of the ramp and therefore to control it.
  • the six injectors 23 placed on the same line of partitions 6 are controlled according to each other but also according to the injectors 23 placed on the other lines of partitions 6.
  • the scheduling of the opening of the injectors 23 and the choice of pulse times optimizes the operation of each heating ramp 16 and that of the entire fire. More precisely, in order to optimize the combustion of the fuel injectors 23, it is considered a period of optimization time D of the furnace 1 equipped with injectors 23.
  • the total number N of injectors in the furnace 1 will be equal to forty eight.
  • first and last are taken with reference to the direction of the lights, it being understood that a first injector for a partition considered is that which receives first the air blown by the ramp 18 of blowing.
  • the injectors 23 operate in pulses in all or nothing and in modulation of duration.
  • An operating time ⁇ less than or equal to the duration D of optimization, is assigned the injector 23 of order number i.
  • the operating time ⁇ of each injector 23 is deduced from the energy demand of the furnace 1. It is provided by the control system 42a, 42b of the oven 1.
  • the operating time ⁇ of the injector 23 of order number i is divided into a series of a number of pulses Ki noted, so that the sum of duration Ki pulses is equal to the operating time ⁇ .
  • the scheduling is then defined by a temporal distribution of the Ki pulses for each injector 23 individually, and is coded as a binary time function pi (s), with s the time, which is equal to 1 when the injector 23 of order number i is in pulse and is equal to 0 otherwise.
  • the function pi (s) is illustrated in Figure 7.
  • the scheduling is calculated at a computation time T, taking into account the desired operating times ⁇ of the injectors 23.
  • the Ki pulses of the injector 23 of order number i are performed at the earliest at a later initial time ti at computation time T and at the latest at time ti + D.
  • the first pulse of the injector 23 of order number i starts at the earliest instant ti initial, and the last pulse ends at the latest at time ti + D.
  • the initial moments ti of each injector 23 depend on the relative position of the injectors 23 of the same partition 6 and the speed, denoted Vk of flow combustion gases in the partition 6 considered.
  • the index k will indicate that it is a parameter relating to a partition 6 said order number k, k being between 1 and M.
  • Ibl associates an order number i from 1 to N with each injector 23, assigned for example according to the relative position of the injectors 23 according to the direction of the lights in the partition 6 of order k considered,
  • the method for optimizing the combustion comprises the following additional steps: using the ordering retained in step 161 as initial scheduling, a new order number of 1 to N is associated with each injector 23 and it is reiterated Steps (c) and (d), IV compare the ordering obtained with the initial scheduling and the best of both is used as scheduling. / g / repeating the steps the / and IV a number of times compatible with the available calculation time between the computation time T and the first instants ti of the beginning of the first injector pulse 23.
  • the scheduling calculation makes it possible to optimize the time distribution of the injector pulses 23 by partition 6 and by heating ramp 16 in the entire furnace 1.
  • the durations between the scheduling time T and the instants t i of the first injectors 23 of each partition 6 are less than one second.
  • the function Uk (s) representative of the oxygen content in a reference volume ⁇ at a time s after the last injector of the partition k is equal to the oxygen content Ck available in the volume ⁇ of reference before the first injector 23 of the partition 6 of order number k reduced by the sum of the oxygen content qi necessary to achieve complete combustion by an injector 23 of order number i running when the volume ⁇ of reference goes under the injector 23 of order number i at the instant s- ⁇ ti:
  • the reference volume ⁇ contains a sufficient oxygen content relative to the quantity of fuel injected by an injector 23 of order number i of the partitions 6 of the number d order k when reference volume ⁇ passes under this injector 23 of order number i.
  • the oxygen has been consumed by the combustion under the injectors 23 of order number less than i of the partition 6 of serial number k.
  • the oxygen content in the reference volume ⁇ must be sufficient for the combustion reaction to take place, and to limit so the formation of unburned.
  • maximizing the function Uk for an injector i consists in maximizing the total duration where the function Uk (s) is positive for the instants s of the interval [tk, tk + D].
  • the duration of the injector pulses 23 is between 1 ⁇ 2 second and 5 seconds and the duration between two successive pulses of the same injector 23 is between 1 ⁇ 2 second and 5 seconds.
  • FIG. 7 shows the function pi (s) illustrating the time distribution of the pulses of an injector 23 of order number i in all or nothing operation.
  • the function pi (s) is defined for instants s of the time interval between instants ti and ti + D.
  • An exemplary embodiment consists in defining the binary function pi as being a pulse train of identical durations a, of inter-pulse duration b, the pulses occurring between the instants ti + c and ti + D-c.
  • the inter-pulse duration b can take one of ten values: ⁇ 0.5s, 1s, 1s5s, 2s, 2.5s, 3s, 3.5s, 4s, 4.5s, 5s ⁇ .
  • the function pi is entirely defined by the operating time ⁇ and the choice of the duration b inter-pulses.
  • the number of pulses Ki is equal to the integer part of ( ⁇ + D) / b increased from 1 :
  • Ki [( ⁇ + D) / b] + 1
  • the function pi (s) is completely defined.
  • the function Uk (s) is thus determined and the calculation for the scheduling calculation can be performed.

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Abstract

Procédé d'optimisation de la combustion dans des lignes de cloisons d'un four à chambres dit « à feu(x) tournant(s) » pour la cuisson de blocs carbonés ledit four comportant des chambres) de chauffage, le combustible nécessaire à la cuisson des blocs carbonés étant en partie injecté par au moins deux rampes (16) de chauffage directement pilotées par un contrôleur maître (42a, 42b), lequel pilote les entrées/sorties desdites rampes (16), le procédé comprenant l'identification automatique par le contrôleur maître (42a, 42b) de la position relative d'une rampe par rapport aux autres lors du raccordement de ladite rampe au réseau et l'ordonnancement du fonctionnement des injecteurs des rampes de chauffage (16) étant réalisé en répartissant temporellement les séquences de fonctionnement des injecteurs individuellement.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ D'OPTIMISATION DE LA COMBUSTION DANS DES LIGNES DE CLOISONS D'UN FOUR A CHAMBRES POUR LA
CUISSON DE BLOCS CARBONÉS. La présente invention est relative aux fours à chambres dits à "feu(x) tournant(s)", pour la cuisson de bloc carbonés, plus particulièrement d'anodes et de cathodes en carbone destinées à la production par électrolyse de l'aluminium. Elle a plus particulièrement pour objet une méthode et un dispositif d'optimisation de la combustion dans des lignes de cloisons d'un tel four à chambres.
Des fours à feu(x) tournant(s) pour cuire des anodes sont décrits notamment dans la demande de brevet WO201 127042 à laquelle on se reportera pour plus de précisions à leur sujet.
On rappelle cependant partiellement leur structure et leur fonctionnement, en référence aux figures 1 et 2 ci-après, représentant respectivement une vue schématisée en plan de la structure d'un four à feu(x) tournant(s) et chambres ouvertes, à deux feux dans cet exemple, pour la figure 1 , et une vue partielle en perspective et coupe transversale avec arrachement représentant la structure interne d'un tel four, pour la figure 2. Le four à cuire (FAC) 1 comprend deux cuvelages ou travées 1 a et 1 b parallèles, s'étendant selon l'axe longitudinal XX sur la longueur du four 1 et comportant chacun(e) une succession de chambres 2 transversales (perpendiculaires à l'axe XX), séparées les unes des autres par des murs transversaux 3. Chaque chambre 2 est constituée, dans sa longueur, c'est-à- dire dans la direction transversale du four 1 , par la juxtaposition, en alternance, d'alvéoles 4, ouverts à leur partie supérieure, pour permettre le chargement des blocs carbonés à cuire et le déchargement des blocs cuits refroidis, et dans lesquels sont empilés les blocs carbonés 5 à cuire noyés dans une poussière carbonée, et des cloisons chauffantes creuses 6, à parois minces, généralement maintenues espacées par des entretoises 6a transversales. Les cloisons creuses 6 d'une chambre 2 sont dans le prolongement longitudinal (parallèle au grand axe XX du four 1 ) des cloisons creuses 6 des autres chambres 2 de la même travée 1 a ou 1 b, et les cloisons creuses 6 sont en communication les unes avec les autres par des lucarnes 7 à la partie supérieure de leurs parois longitudinales, en regard de passages longitudinaux ménagés à ce niveau dans les murs transversaux 3, de sorte que les cloisons creuses 6 forment des lignes de cloisons longitudinales, disposées parallèlement au grand axe XX du four et dans lesquelles vont circuler des fluides gazeux (air comburant, gaz combustibles et gaz et fumées de combustion) permettant d'assurer la préchauffe et la cuisson des anodes 5, puis leur refroidissement. Les cloisons creuses 6 comportent, en outre, des chicanes 8, pour allonger et répartir plus uniformément le trajet des gaz ou fumées de combustion et ces cloisons creuses 6 sont munies, à leur partie supérieure, d'ouvertures 9, dites « ouvreaux », obturables par des couvercles amovibles et ménagées dans un bloc de couronnement du four 1 . Les deux travées 1 a et 1 b du four 1 sont mises en communication à leurs extrémités longitudinales par des carneaux de virage 10, qui permettent de transférer les fluides gazeux d'une extrémité de chaque ligne de cloisons creuses 6 d'une travée 1 a ou 1 b à l'extrémité de la ligne de cloisons creuses 6 correspondante sur l'autre travée 1 b ou 1 a, de sorte à former des boucles sensiblement rectangulaires de lignes de cloisons creuses 6. Le principe d'exploitation des fours à feu(x) tournant(s), également dénommés fours « à avancement de feu(x) », consiste à amener un front de flammes à se déplacer d'une chambre 2 à une autre qui lui est adjacente au cours d'un cycle, chaque chambre 2 subissant successivement des stades de préchauffage, chauffage forcé, plein feu, puis refroidissement (naturel puis forcé). La cuisson des anodes 5 est réalisée par un ou plusieurs feux ou groupes de feux (deux groupes de feux étant représentés sur la figure 1 , dans une position dans laquelle l'un s'étend, dans cet exemple, sur treize chambres 2 de la travée 1 a et l'autre sur treize chambres 2 de la travée 1 b) qui se déplacent cycliquement de chambre 2 en chambre 2. Chaque feu ou groupe de feux est composé de cinq zones successives A à E, qui sont, comme représenté sur la figure 1 pour le feu de la travée 1 b, et de l'aval vers l'amont par rapport au sens d'écoulement des fluides gazeux dans les lignes de cloisons creuses 6, et dans le sens contraire aux déplacements cycliques de chambre en chambre :
A) Une zone de préchauffage comportant, en se reportant au feu de la travée 1 a, et en tenant compte du sens de rotation des feux indiqué par la flèche au niveau du carneau de virage 10 à l'extrémité du four 1 en haut sur la figure 1 :
- une rampe d'aspiration 1 1 équipée, pour chaque cloison creuse 6 de la chambre 2 au-dessus de laquelle cette rampe d'aspiration s'étend, d'un système de mesure et de réglage du débit des gaz et fumées de combustion par ligne de cloisons creuses 6, ce système pouvant comprendre, dans chaque pipe d'aspiration 1 1 a qui est solidaire de la rampe d'aspiration 1 1 et débouchant dans cette dernière, d'une part, et, d'autre part, engagée dans l'ouverture 9 de l'une respectivement des cloisons creuses 6 de cette chambre 2, un volet d'obturation réglable pivoté par un actionneur de volet, pour le réglage du débit, ainsi qu'un débitmètre 12, légèrement en amont, dans la pipe 1 1 a correspondante, d'un capteur de température (thermocouple) 13 de mesure de la température des fumées de combustion à l'aspiration, et
- une rampe de mesure de préchauffage 15, sensiblement parallèle à la rampe d'aspiration 1 1 en amont de cette dernière, généralement, au-dessus de la même chambre 2, et équipée de capteurs de température (thermocouples) et de capteurs de pression pour préparer la dépression statique et la température régnant dans chacune des cloisons creuses 6 de cette chambre 2 afin de pouvoir afficher et régler cette dépression et cette température de la zone de préchauffage;
B) Une zone de chauffage comportant :
- plusieurs rampes de chauffage identiques 16, deux ou, de préférence, trois, comme représenté sur la figure 1 , ou davantage selon la durée de cycle ; chacune équipée de brûleurs ou d'injecteurs de combustible (liquide ou gazeux) et de capteurs de température (thermocouples), chacune des rampes 1 6 s'étendant au-dessus de l'une des chambres respectivement d'un nombre correspondant de chambres 2 adjacentes, de sorte que les injecteurs de chaque rampe de chauffage 16 sont engagés dans les ouvertures 9 des cloisons creuses 6 pour y injecter le combustible ; C) Une zone de soufflage ou de refroidissement naturel comportant :
- une rampe dite de « point zéro » 17, s'étendant au-dessus de la chambre 2 immédiatement en amont de celle en dessous de la rampe de chauffage 16 la plus en amont, et équipée de capteurs de pression pour mesurer la pression régnant dans chacune des cloisons creuses 6 de cette chambre 2, afin de pouvoir régler cette pression, et
- une rampe de soufflage 18, équipée de moto ventilateurs munis d'un dispositif permettant le réglage du débit d'air ambiant insufflé dans chacune des cloisons creuses 6 d'une chambre 2 en amont de celle située sous la rampe de point zéro 17, de sorte que les débits d'air ambiant insufflés dans ces cloisons creuses 6 peuvent être régulés de sorte à obtenir une pression voulue (légère surpression ou légère dépression) au niveau de la rampe de point zéro 17 ;
D) Une zone de refroidissement forcé, qui s'étend sur trois chambres 2 en amont de la rampe de soufflage 18, et qui comporte, dans cet exemple, deux rampes de refroidissement 19 parallèles, chacune équipée de moto ventilateurs et de pipes de soufflage insufflant de l'air ambiant dans les cloisons creuses 6 de la chambre 2 correspondante ; et
E) Une zone de travail, s'étendant en amont des rampes de refroidissement 19 et permettant l'enfournement et le défournement des anodes 5, et l'entretien des chambres 2.
En amont des rampes de chauffage 16, la rampe de soufflage 18 et la ou les rampe(s) de refroidissement forcé 19 comportent des pipes d'insufflation d'air de combustion alimentées par des moto ventilateurs, ces pipes étant connectées, via les ouvertures 9, aux cloisons creuses 6 des chambres 2 concernées. En aval des rampes de chauffage 16, on dispose de la rampe d'aspiration 1 1 pour extraire les gaz et fumées de combustion, désignés dans leur ensemble par les termes « fumées de combustion », qui circulent dans les lignes de cloisons creuses 6.
Le chauffage et la cuisson des anodes 5 sont assurés à la fois par la combustion du combustible (gazeux ou liquide) injecté, de manière contrôlée, par les rampes de chauffage 16, et, dans une mesure sensiblement égale, par la combustion de matières volatiles (telles que des hydrocarbures aromatiques polycycliques) du brai diffusées par les anodes 5 dans les alvéoles 4 des chambres 2 en zones de préchauffage et chauffage, ces matières volatiles, en grande partie combustible, diffusées dans les alvéoles 4 pouvant s'écouler dans les deux cloisons creuses 6 adjacentes par des passages ménagés dans ces cloisons, pour s'enflammer dans ces deux cloisons, grâce à de l'air comburant résiduel présent, à ce niveau, parmi les fumées de combustion dans ces cloisons creuses 6.
Ainsi, la circulation de l'air et des fumées de combustion s'effectue le long des lignes de cloisons creuses 6, et une dépression, imposée en aval de la zone de chauffage B par la rampe d'aspiration 1 1 à l'extrémité aval de la zone de préchauffage A, permet de contrôler le débit des fumées de combustion à l'intérieur des cloisons creuses 6, tandis que l'air provenant des zones de refroidissement C et D, grâce aux rampes de refroidissement 19 et surtout à la rampe de soufflage 18, est préchauffé dans les cloisons creuses 6, en refroidissant les anodes 5 cuites dans les alvéoles 4 adjacents, au cours de son trajet et sert de comburant lorsqu'il parvient dans la zone de chauffage B.
Au fur et à mesure que la cuisson des anodes 5 se produit, on fait avancer cycliquement (par exemples toutes les 24 heures environ) d'une chambre 2 l'ensemble des rampes 1 1 à 19 et les équipements et appareillages de mesures et d'enregistrement associés, chaque chambre 2 assurant ainsi, successivement, en amont de la zone de préchauffage A, une fonction de chargement des blocs carbonés crus 5, puis, dans la zone de préchauffage A, une fonction de préchauffage naturel par les fumées de combustion du combustible et des vapeurs de brai qui quittent les alvéoles 4 en pénétrant dans les cloisons creuses 6, compte tenu de la dépression dans les cloisons creuses 6 des chambres 2 en zone de préchauffage A, puis, dans la zone de chauffage B ou de cuisson, une fonction de chauffage des blocs 5 à environ 1 100°C, et enfin, dans les zones de refroidissement C et D, une fonction de refroidissement des blocs cuits 5 par l'air ambiant et, corrélativement, de préchauffage de cet air constituant le comburant du four 1 , la zone de refroidissement forcé D étant suivie, dans le sens opposé au sens d'avancement du feu et de circulation des fumées de combustion, d'une zone E de déchargement des blocs carbonés 5 refroidis, puis éventuellement de chargement des blocs carbonés crus dans les alvéoles 4.
Le procédé de régulation du FAC 1 comprend essentiellement la régulation en température et/ou en pression des zones de préchauffage A, chauffage B et soufflage ou refroidissement naturel C du four 1 en fonction de lois de consignes prédéfinies.
Les fumées de combustion extraites des feux par les rampes d'aspiration 1 1 sont collectées dans un conduit des fumées 20, par exemple un conduit cylindrique partiellement représenté sur la figure 2, avec un carneau des fumées 21 pouvant avoir une forme en plan en U (voir en pointillés sur la figure 1 ) ou pouvant faire le tour du four, et dont la sortie 22 dirige les fumées de combustion aspirées et collectées vers un centre de traitement des fumées (CTF) non représenté car ne faisant pas partie de l'invention.
Afin de conférer aux anodes (bloc carbonés) leurs caractéristiques optimales, et donc principalement de garantir l'obtention d'une température finale de cuisson, la conduite actuelle des fours de ce type privilégie l'alimentation en combustible des rampes de chauffage 16 indépendamment des conditions de dépression de tirage et des conditions aérauliques dans les cloisons 6, d'où il peut résulter une combustion incomplète dans un nombre non négligeable, voir élevé, des lignes de cloisons 6. Ceci a, à son tour, pour conséquence des coûts de fonctionnement élevés du four, non seulement en raison de la surconsommation en combustible, mais également en raison de l'encrassement des gaines et conduits d'aspiration qui mènent à la captation par les dépôts d'imbrûlés, dépôts qui représentent de surcroit un risque potentiel d'inflammation et de dérive du procédé de cuisson.
Les injecteurs d'une rampe de chauffage sont répartis par paire de sorte de disposer de deux injecteurs par cloison. Le nombre d'injecteurs d'une rampe est ainsi égal à deux fois le nombre de cloisons, par exemple quatorze injecteurs pour sept cloisons. Pour une zone de chauffage équipée de trois rampes, au total six injecteurs injectent du combustible dans une même cloison.
Les équipements fluidiques qui équipent une rampe de chauffage 16 sont adaptés à la nature du combustible disponible, notamment s'il est gazeux, comme du gaz naturel, ou liquide, comme du fuel lourd. Pou r simplifier le descriptif de l'invention, nous considérons par la suite que le combustible est gazeux.
La figure 3 représente schématiquement un exemple de rampe de chauffage 16 connue pour un combustible gazeux. Sur cette figure sont représentées 4 paires d'injecteurs 23 sachant qu'une rampe 16 est généralement équipée de 7 à 10 paires. Les injecteurs 23 sont connectés sur une même tuyauterie d'alimentation embarquée sur la rampe de chauffage 16 et connectée au réseau usine via un flexible 26 et un raccord rapide 25. Chaque injecteur 23 est précédé par une électrovanne marche/arrêt 37 de sorte à commander individuellement chaque injecteur 23. La tuyauterie d'alimentation de la rampe comprend un coupleur rapide 25, un flexible 26, un filtre27, une électrovanne de sécurité globale 28, un circuit de by-pass de cette électrovanne de sécurité globale comprenant une vanne à aiguille 29 et une électrovanne 30 permettant de contrôler l'étanchéité de la tuyauterie, un organe de mesure de débit 31 (optionnel), un régulateur de pression 32 (optionnel), un pressostat 33 avec un déclenchement sur un seuil minimum de pression, un pressostat 34 avec un déclenchement sur un seuil maximum de pression , un capteur de pression 35. Ce circuit principal alimente l'ensemble des injecteurs 23, chacun étant précédé d'une vanne manuelle 36, d'une électrovanne 37 et d'un flexible 38.
La figure 4 représente schématiquement un exemple d'une coupe verticale d'un four connu selon l'axe longitudinal XX au milieu d'une cloison creuse 6. Cet exemple comprend 3 rampes de chauffage successives, 16a, 16b et 16c. La rampe de soufflage 18 assure la circulation d'air frais pour le refroidissement des anodes cuites et l'apport en oxygène pour la combustion du combustible injecté par les rampes de chauffage 16a, 16b, 16c. L'écoulement de l'air, puis des fumées de combustion, dans la cloison 6 est schématisé par la ligne en pointillés. Les ouvertures 9 des chambres 2 situées entre la rampe de soufflage 18 et les rampes de chauffage 16a, 16b, 16c sont fermées de sorte à limiter l'échappement de l'air soufflé. En amont de la première rampe de chauffage 16c se trouve la rampe 17 dite de « point zéro ». On peut voir représenté, pour cette cloison 6 et ces 3 rampes de chauffage 16a, 16b, 16c, les paires d'injecteurs 23a1 , 23a2, 23b1 , 23b2, 23c1 , 23c2 et les thermocouples 24a, 24b et 24c de mesure de la température dans la cloison. Pour chaque rampe de chauffage 16a, 16b, 16c, les injecteurs correspondants sont placés dans deux ouvertures 9 séparées par une ouverture 9 restée libre et fermée par un couvercle. Les thermocouples 24 sont placés en aval des injecteurs dans le sens d'écoulement des gaz. En fin de feu se trouve la rampe d'aspiration 1 1 précédée par la rampe de mesure de préchauffage 15.
En moyenne, une rampe de chauffage 16 fonctionne à environ 30% de sa puissance totale. Pour limiter le coût, l'encombrement et le poids d'une rampe 16, sa tuyauterie est dimensionnée pour un débit nominal de combustible équivalent à 30% du débit qui serait nécessaire pour alimenter simultanément l'ensemble des injecteurs 23 de cette rampe 16 à leur puissance nominale. Si un grand nombre d'injecteurs 23 s'ouvrent en même temps, on dépasse la capacité en débit de la rampe 16 et la pression gaz chute de manière incontrôlée. Cette baisse de pression a pour effet de réduire la longueur de flamme, et peut se traduire par une dégradation de la qualité de la combustion. Ce phénomène est surtout visible avec un combustible gazeux, car pour un combustible liquide, il est compensé par une pompe embarquée sur la rampe 16 qui entretient la pression et qui fait circuler en permanence dans la tuyauterie de 3 à 5 fois le volume de combustible liquide injecté.
L'injection de combustible est réalisée par pulsations (ou impulsions). La puissance injectée est généralement modulée en faisant varier la durée de fermeture des vannes automatiques 37 des injecteurs 23. Elle peut également être modulée en faisant varier la durée d'ouverture des vannes 37. Lorsqu'un injecteur 23 est ouvert, il injecte 100% de sa puissance et consomme son débit maximum. Par exemple, pour du gaz naturel, les durées d'injection varient généralement de 0,5 à 4s alors que pour du fuel lourd, les durées d'injection varient généralement de 30 à 150ms.
En variante, la modulation de la puissance injectée peut également être obtenue en faisant varier la pression d'alimentation des injecteurs 23 en combustible, par exemple au moyen d'un régulateur de pression 32 placé sur la tuyauterie d'alimentation de chaque rampe 16. Cette solution a pour effet de modifier la longueur de flamme selon le niveau de pression, une faible pression conduisant à une flamme plus courte qu'en fonctionnement à pression nominale. Elle a donc un impact sur la distribution calorifique dans les cloisons 6 et le profil de température sur la hauteur de chaque cloison 6. La puissance brute à injecter est calculée par l'intermédiaire d'un bloc P.I.D incrémental pour chaque paire d'injecteurs de chaque rampe 16, c'est-à-dire par cloison 6. En fonction de l'écart entre la température mesurée par le thermocouple 24 de la rampe 16 de la cloison 6 concernée et la consigne paramétrée par l'opérateur, le bloc P.I.D calcule une variation de commande totale brute. Cette variation ajoutée à la commande brute précédente donne une commande totale brute comprise entre 0 et 100%. Cette commande est alors bornée en fonction de limites hautes et basses à ne pas dépasser saisies par l'opérateur pour la rampe 16.
La répartition de cette puissance sur les deux injecteurs, tels que 23a1 et 23a2 pour la rampe 16a, se fait par exemple à partir d'un paramètre de ratio qui est saisi par l'opérateur. Le ratio est toujours respecté, les limites hautes et basses possibles pour la rampe 16 sont calculées pour permettre cela. Le système ensuite ajuste cette puissance totale pour respecter la limite de puissance maximum qui a été fixée pour la cloison 6. Cette limite maximum est fixée soit par l'opérateur soit par un module de surveillance de la combustion.
La puissance totale finalisée est ensuite transmise à un automate de contrôle/commande de la rampe 16 avec le ratio et la durée de pulsation. L'automate calcule alors un temps de fermeture pour l'injecteur amont (tel que 23a2) et l'injecteur aval (tel que 23a1 ) afin que la puissance injectée respecte le ratio et la puissance totale. Les pulsations ainsi calculées sont transmises aux injecteurs 23.
Dans les réalisations existantes, il n'y a pas de cadencement très précis fait avec les autres paires d'injecteurs 23 des autres rampes 16 placées sur la même cloison 6. L'air de combustion venant principalement de l'amont (soufflé par la rampe de soufflage 18), il est de plus en plus appauvri en oxygène entre la première rampe de chauffage (telle que 16c) et la dernière (telle que 16a). En fonction de la séquence d'injection entre les injecteurs 23 placés sur une même cloison 6, il y a des situations où des injecteurs 23 injectent dans le même volume d'air que leurs prédécesseurs, ledit volume étant alors appauvri en oxygène. Cela entraîne soit une combustion en décalage par rapport à l'endroit d'injection, soit une combustion incomplète du combustible injecté et la production d'imbrulés. Le phénomène est plus marqué avec un combustible gazeux qu'avec un combustible liquide, du fait des durées d'injection plus longues.
Pour limiter les variations de pression de combustible dans une rampe de chauffage 16, dans le meilleur des cas un décalage initial est créé au démarrage des différentes paires d'injecteurs 23 placées sur la même rampe 16 mais il n'est pas entretenu.
Les limitations viennent du fait que les injecteurs 23 sont très souvent pilotés par un dispositif indépendant, tel qu'une carte électronique spécifiquement développée pour cette application, qui génère les pulsations en fonction d'une valeur de fréquence transmise par l'automate de la rampe 16, ce qui ne permet pas de cadencer finement les paires les unes par rapport aux autres. Les injecteurs 23 sont parfois directement pilotés par l'automate de la rampe 16. Un cadencement plus fin sur la rampe 16 est alors possible, mais la puissance de calcul et la relative lenteur de rafraîchissement des sorties des automates limite la faisabilité d'un cadencement précis. La relative lenteur de communication entre automates et la dispersion des organes de commande ne permet pas le cadencement précis entre les différentes rampes de chauffage 16.
La figure 5 représente schématiquement un exemple de système de contrôle- commande d'un feu tournant selon l'état de la technique. Le pilotage est assuré par deux ordinateurs centraux redondants CCS-A 42a & CCS-B 42b qui transmettent les commandes à appliquer aux automates 45 localisés sur chaque rampe 1 1 , 15, 16, 17 et 18. Ces automates 45 pilotent directement les actionneurs, notamment les volets sur la rampe 1 1 , les injecteurs 23 sur les rampes de chauffage 16 et les ventilateurs sur la rampe 18. La communication entre les différents contrôleurs est assurée par un réseau de communication qui peut être filaire ou par exemple du type wifi . Les ordinateurs centraux calculent les commandes pour chaque actionneur en fonction des consignes qui ont été paramétrées par les opérateurs et des mesures en provenance des automates 45 des rampes. Ces commandes sont ensuite transmises à chaque automate 45 pour qu'il les applique. Le réseau de communication de Niveau 1 entre les ordinateurs centraux 42a & 42b et les automates 45 des rampes est composé de commutateurs (switch) Ethernet 40 et de points d'accès WiFi 43 qui sont répartis dans le bâtiment du four. Chaque automate 45 est connecté au réseau WiFi via un client (44), un réseau Ethernet interne à la rampe permet l'échange des informations par l'intermédiaire d'un commutateur (switch) Ethernet 46 entre le client WiFi 44, l'écran local 47 et les variateurs de vitesse 48 dans le cas de la rampe de soufflage 18. Un automate auxiliaire 43 (situé par exemple dans une salle électrique) permet d'acquérir des informations en provenance d'éléments annexes au four tel que le centre de traitement des fumées.
Un ordinateur DMS 41 permet l'archivage des données du procédé, il est relié aux CCS 42a & 42b au travers d'un commutateur (switch) 40 qui constitue le réseau Ethernet de Niveau 2. Ce réseau peut être relié au réseau usine pour l'extraction et l'exploitation des données par les systèmes de Niveau 3.
Le suivi du procédé est assuré par les écrans de contrôle 39 qui peuvent être déportés, par exemple dans une salle de contrôle, à l'aide d'un réseau dédié si nécessaire (Réseau KVM). Ces écrans 39 affichent les données temps réels en provenance des CCS 42a & 42b mais aussi les données archivées en provenance du DMS 41 .
Pour pallier à ces inconvénients, l'invention consiste selon un premier aspect principalement en un procédé d'optimisation de la combustion dans des lignes de cloisons d'un four à chambres dit « à feu(x) tournant(s) » pour la cuisson de blocs carbonés. Le four comporte une succession de chambres de préchauffage, de chauffage, de refroidissement naturel et de refroidissement forcé, disposées en série selon l'axe longitudinal XX du four. Chaque chambre est constituée par la juxtaposition, transversalement audit axe longitudinal XX et en alternance, d'alvéoles dans lesquels sont disposés des blocs carbonés à cuire et de cloisons chauffantes creuses, en communication et alignées avec les cloisons des autres chambres, parallèlement à l'axe longitudinal XX du four, en lignes de cloisons dans lesquelles circulent de l'air de refroidissement et comburant et des gaz de combustion. Une rampe d'aspiration est reliée à chacune des cloisons de la première chambre en préchauffage par l'une respectivement de pipes d'aspiration. L'air comburant nécessaire est en partie injecté par une rampe de soufflage de la zone de refroidissement naturel, reliée à au moins un ventilateur, et en partie infiltré par dépression à travers les lignes de cloisons. Le combustible nécessaire à la cuisson des blocs carbonés est en partie injecté par au moins deux rampes de chauffage s'étendant chacune sur l'une respectivement d'au moins deux chambres adjacentes de la zone de chauffage, et aptes à injecter chacune du combustible dans chacune des cloisons de la chambre respective correspondante de la zone de chauffage. Au moins les rampes de chauffage sont directement pilotées par un contrôleur maître en pilotant les entrées/sorties desdites rampes. Le procédé comprend alors l'identification automatique par le contrôleur maître de la position relative d'une rampe de chauffage par rapport aux autres lors du raccordement de ladite rampe de chauffage au réseau et l'ordonnancement du fonctionnement des injecteurs des rampes de chauffage est réalisé en répartissant temporellement les séquences de fonctionnement des injecteurs individuellement.
La technologie du noyau temps réel et du réseau temps réel font que le cadencement est possible, car le noyau temps réel à un temps de cycle parfaitement défini et de durée constante.
Le contrôleur maître fait le calcul des commandes en lisant les données directement sur les entrées et il assure lui-même le pilotage des sorties qui sont reliées aux actionneurs. Les rampes de chauffage au moins n'embarquent plus d'automate.
A chaque tour de cycle, le contrôleur maître récupère l'ensemble des entrées avant de commencer son calcul et ensuite il positionne l'ensemble des sorties avant de recommencer un nouveau cycle.
Ainsi, toutes les sorties qui commandent les injecteurs répartis sur les différentes rampes de chauffage sont pilotées par un seul contrôleur, de façon rapide et avec un cadencement précis et fiable rendu possible par le noyau et le réseau temps réel. Le choix des actions et le positionnement des sorties qui en résultent est effectué par ordre de priorité des tâches.
Le réseau temps réel est fondamental, car il permet d'assurer qu'effectivement toutes les entrées sont lues et que toutes les sorties sont écrites à chaque temps de cycle.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, les fonctions de contrôle/commande des rampes sont programmées dans un automate logiciel.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le contrôleur maître est un PC.
Le réseau temps réel reliant notamment le contrôleur maître et les entrées/sorties des rampes est, par exemple, de type Ethernet.
Selon un autre exemple de réalisation de l'invention, un noyau temps réel Twincat est associé à un réseau temps réel Ethercat.
De plus, le procédé selon l'invention se caractérise en ce que la répartition temporelle des séquences de fonctionnement des injecteurs est réalisée de sorte qu'un injecteur ne fonctionne que quand le volume de gaz placé sous ledit injecteur à une teneur en oxygène suffisante pour assurer la combustion du combustible injecté.
Ainsi, le procédé selon l'invention se caractérise en ce que la répartition temporelle des séquences de fonctionnement des injecteurs est réalisée de sorte à limiter la formation d'imbrulés, notamment de CO.
Un algorithme global permet d'optimiser le cadencement des injections pour permettre à la fois une optimisation de l'air disponible dans les cloisons mais aussi le maintient d'un débit de combustible maîtrisé dans les tuyauteries de chaque rampe de chauffage pour garder des caractéristiques d'injection homogènes. Ainsi, la répartition temporelle des séquences de fonctionnement des injecteurs est réalisée de sorte à limiter les variations de débit de combustible de chaque rampe de chauffage. De plus, la répartition temporelle est réalisée en limitant le nombre d'injecteurs en fonctionnement simultané à un nombre maximal, ledit nombre maximal étant celui qui conduit au débit nominal de combustible de ladite rampe. Selon un aspect particulier de l'invention, le procédé propose par ailleurs une optimisation de la combustion d'injecteurs de combustible sur une durée de temps notée D, du four comprenant un nombre N d'injecteurs, répartis sur les cloisons et les rampes de chauffage du four. Les injecteurs fonctionnent par impulsions en tout ou rien et en modulation de durée. Une durée de fonctionnement Δί, inférieure ou égale à la durée D, est attribuée à chacun des N injecteurs , les durées de fonctionnement Δί étant déduites de la demande énergétique au four, et fournies par le système de contrôle-commande du four. Dès lors, selon le procédé : - la durée de fonctionnement Δί d'un injecteur est divisée en une série d'impulsions où la somme des durées des impulsions est égale à la durée de fonctionnement Δί dudit injecteur ;
- un ordonnancement est défini par une répartition temporelle des impulsions pour chacun des N injecteurs de manière individuelle et codé sous la forme d'une fonction temporelle binaire pi qui vaut 1 lorsque l'injecteur de numéro d'ordre i est en impulsion à l'instant s et vaut 0 sinon ;
- l'ordonnancement est calculé à un instant T de calcul en tenant compte des durées de fonctionnement Δί souhaitées des injecteurs, les impulsions d'un injecteur étant réalisées au plus tôt à un instant ti initial ultérieur à l'instant T de calcul et au plus tard à l'instant ti+D,
- les instants ti initiaux de chaque injecteur dépendent de la position relative des injecteurs d'une même cloison et de la vitesse Vk d'écoulement des gaz de combustion dans cette cloison.
Avantageusement, il est proposé de calculer l'ordonnancement comme suit : /a/ on choisit un ordonnancement initial quelconque,
Ibl on associe un numéro d'ordre i de 1 à N à chaque injecteur,
Ici on recherche pour l'injecteur de numéro d'ordre i égal à 1 , la répartition des impulsions de fonctionnement de cet injecteur qui permettent de maximiser une fonction Uk représentative de la teneur en oxygène dans les gaz de combustion après le dernier injecteur de la même cloison sur un intervalle de temps entre des instants tk et tk+D, où tk est l'instant associé au dernier injecteur de la même cloison, les impulsions des autres injecteurs conservant les positions de l'ordonnancement initial et on obtient un ordonnancement résultant avec la répartition optimale des impulsions pour l'injecteur de numéro d'ordre i égal à 1 ,
/d/ on réitère l'étape Ici à partir de l'ordonnancement résultant de l'étape Ici en considérant successivement les injecteurs de numéro d'ordre i supérieur à 1 jusqu'à l'injecteur de numéro d'ordre N.
Le procédé peut comporter les étapes supplémentaires suivantes : le/ en utilisant comme ordonnancement initial l'ordonnancement retenu à l'étape 161, on associe un nouveau numéro d'ordre i de 1 à N à chaque injecteur et on réitère les étapes Ici et 161,
IV on compare l'ordonnancement obtenu à l'ordonnancement initial et on retient comme ordonnancement le meilleur des deux.
/g/ on réitère les étapes le/ et /f/ un nombre de fois compatible avec le temps de calcul disponible entre l'instant T de calcul et le premier des instants ti initiaux des injecteurs de la même cloison.
Avec ces étapes supplémentaires, il est déterminé le meilleur des deux ordonnancements de l'étape /f/ pour lequel le débit globale de combustible de chaque rampe résultant de la répartition des impulsions de fonctionnement des injecteurs d'une rampe ne dépasse pas le débit maximal possible de combustible de ladite rampe.
En fonction des consignes de température saisies par l'opérateur et des températures lues pour chaque cloison combinées avec des mesures annexes tels que le CO ou le débit d'air dans les cloisons, une matrice d'injection est calculée en utilisant la puissance de calcul du contrôleur maître. Celle-ci est ensuite transmise aux sorties déportées sur chacune des rampes de chauffage pour piloter les injecteurs.
Selon un second aspect, l'invention concerne également un dispositif d'optimisation de la combustion dans des lignes de cloisons.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci- après à propos d'exemples de réalisation, décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs.
Les 5 premières figures ont été décrites précédemment, au titre de l'état de la technique, à savoir : - la Fig. 1 est une vue schématisée en plan de la structure d'un four à deux feux tournants et chambres ouvertes ;
- la Fig. 2 est une vue schématisée partielle en perspective et coupe transversale avec arrachement représentant la structure interne du four de la Fig. 1 ; - la Fig. 3 est un schéma fluide illustrant un exemple de rampe de chauffage ;
- la Fig. 4 est une coupe longitudinale schématique partielle illustrant le positionnement des rampes sur une ligne de cloisons ;
- la Fig. 5 est une représentation schématique d'un système de contrôle- commande selon l'état de la technique ; - la Fig. 6 est une représentation schématique d'un système de contrôle- commande selon l'invention ; et
- la Fig.7 est un chronogramme illustrant le fonctionnement d'un injecteur sur une durée déterminée.
Comme représenté en Fig.6, un système de contrôle-commande selon l'invention comprend par exemple un ordinateur d'archivage des données DMS 41 et au moins un contrôleur maître, par exemple deux contrôleurs CCS 42a & 42b. Ces machines sont reliées entre elles par l'intermédiaire d'un commutateur (switch) Ethernet 40, cela constitue le réseau Ethernet de Niveau 2. Les contrôleurs 42a et 42b embarquent chacun un automate temps réel qui pilote, via le réseau Ethernet Niveau 1 temps réel, les blocs d'entrées/sorties déportées 52 qui équipent les rampes 1 1 , 15, 16, 17 et 18 ainsi que l'automate auxiliaire 43.
Les rampes 1 1 , 15, 16, 17 et 18 sont connectées au réseau temps réel par l'intermédiaire d'un câble qui est connecté sur des boites de jonction 51 placées en face de chaque chambre 2 du four 1 . Le suivi du procédé est assuré par les écrans de contrôle 39 qui peuvent être déportés à l'aide d'un réseau dédié si nécessaire (Réseau KVM). Ces écrans 39 affichent les données temps réels en provenance des CCS 42a & 42b mais aussi les données archivées en provenance du DMS 41 . Des écrans supplémentaires 50 sont placés dans le bâtiment du four pour assurer le suivi du procédé. Ces écrans 50 affichent les données temps réels en provenance des CCS 42a & 42b. Ils sont connectés au réseau temps réel en utilisant un groupe d'entrées/sorties dédiées 52.
Le contrôleur maître 42a, 42b identifie de manière automatique la position relative d'une rampe par rapport aux autres, lors du raccordement de ladite rampe au réseau.
A cet effet, selon un mode de réalisation, lors de la mise en route du système, la durée théorique du cycle de cuisson, la position initiale du feu et la configuration théorique de chaque feu sont saisis dans le système. Par « configuration théorique de chaque feu », on entend la position relative des rampes au sein d'un même feu.
A partir de la durée théorique de cycle, de la position initiale, de la configuration théorique du feu, et de la date et de l'heure courante, le contrôleur maître 42a, 42b calcule en permanence pour chaque feu, les positions théoriques, reconnues par exemple par numéro désignant une section sur le four 1 , pour les différents types de rampes 1 1 , 15, 16, 17, 18 dont il a besoin pour piloter le procédé de cuisson lié au feu.
D'un point de vu matériel, chaque rampe 1 1 , 15, 16, 17, 18 comprend une tête de station, identifiée par un numéro unique, et des entrées/sorties. Le contrôleur maître 42a, 42b utilise une table de correspondance, qui lui permet à partir de ce numéro d'identifier la rampe mais aussi son type (aspiration, chauffage, ...).
Le réseau filaire autour du four 1 est constitué d'une succession de commutateurs de réseau. Chaque section du four 1 est équipée d'une prise réseau unique sur laquelle vient se connecter la rampe qui est placée sur cette section. Cette prise est reliée lors de l'installation à une entrée, identifiée par un numéro, d'un des commutateurs qui constituent le réseau de terrain. Le couple formé du numéro de section et du numéro de l'entrée du commutateur est unique et est renseigné lors de la mise en place du réseau de terrain dans une table de correspondance qui sera utilisée par le contrôleur maître 42a, 42b.
Le contrôleur maître 42a, 42b effectue une surveillance continue des différentes entrées des commutateurs pour détecter tous changements tels que la connexion ou la déconnexion d'une rampe 1 1 , 15, 16, 17, 18. Lorsqu'il détecte la connexion d'une rampe, le contrôleur maître 42a, 42b récupère le numéro de la tête de station de la rampe en question, qu'il combine avec le numéro de l'entrée du commutateur ce qui lui permet d'associer un numéro de section à cette rampe. Ainsi, la position de chaque rampe dans le four 1 , relativement les unes aux autres, est identifiée par le contrôleur maître 42a, 42b au moment du raccordement. Le contrôleur maître 42a, 42b peut alors, à partir de l'identification de la position de chaque rampe 1 1 , 15, 16, 17, 18, comparer la position réelle et la position théorique qu'il a calculées et décider de valider ou non la connexion de la rampe et donc de la piloter.
Selon l'invention, les six injecteurs 23 placés sur une même ligne de cloisons 6 sont pilotés les uns en fonction des autres mais également en fonction des injecteurs 23 placés sur les autres lignes de cloisons 6. L'ordonnancement de l'ouverture des injecteurs 23 et le choix des durées d'impulsion permet d'optimiser le fonctionnement de chaque rampe de chauffage 16 et celui de l'ensemble du feu. Plus précisément, afin d'optimiser la combustion des injecteurs 23 de combustible, il est considéré une durée de temps d'optimisation D du four 1 équipé d'injecteurs 23. On mettra en indice i les paramètres relatifs à l'injecteur 23 dit de numéro d'ordre i, i étant compris entre 1 et N, N étant le nombre total d'injecteurs 23 du four 1 , répartis sur un nombre R de rampes 16 de chauffage et un nombre M de cloisons 6 du four 1 . Par exemple, dans le cas où le four 1 comprend deux travées 1 a et 1 b, trois rampes 16 de chauffage par travée, et chaque rampe de chauffage comprenant quatre paires d'injecteurs 23, et donc étant associée à quatre cloisons 6 par travée, comme cela est illustré sur les figures 2 et 3, le nombre N total d'injecteurs dans le four 1 sera égal à quarante huit.
Dans ce qui suit, les termes « premier » et « dernier » sont pris en référence à la direction des feux, étant entendu qu'un premier injecteur pour une cloison considérée est celui qui reçoit en premier l'air insufflé par la rampe 18 de soufflage.
Les injecteurs 23 fonctionnent par impulsions en tout ou rien et en modulation de durée. Une durée de fonctionnement Δί, inférieure ou égale à la durée D de d'optimisation, est attribuée l'injecteur 23 de numéro d'ordre i. La durée de fonctionnement Δί de chaque injecteur 23 est déduite de la demande énergétique du four 1 . Elle est fournie par le système de contrôle-commande 42a, 42b du four 1 . La durée de fonctionnement Δί de l'injecteur 23 de numéro d'ordre i est divisée en une série d'un nombre d'impulsions noté Ki, de sorte que la somme de durée des Ki impulsions est égale à la durée de fonctionnement Δί.
L'ordonnancement est alors défini par une répartition temporelle des Ki impulsions pour chaque injecteur 23 de manière individuelle, et est codé sous la forme d'une fonction temporelle binaire pi(s), avec s le temps, qui est égale 1 lorsque l'injecteur 23 de numéro d'ordre i est en impulsion et est égale à 0 sinon. La fonction pi(s) est illustrée en figure 7.
L'ordonnancement est calculé à un instant de calcul T, en tenant compte des durées de fonctionnement Δί souhaitées des injecteurs 23. Les Ki impulsions de l'injecteur 23 de numéro d'ordre i sont réalisées au plus tôt à un instant ti initial ultérieur à l'instant de calcul T et au plus tard à l'instant ti+D. Autrement dit, la première impulsion de l'injecteur 23 de numéro d'ordre i commence au plus tôt à l'instant ti initial, et la dernière impulsion se termine au plus tard à l'instant ti+D. Les instants ti initiaux de chaque injecteur 23 dépendent de la position relative des injecteurs 23 d'une même cloison 6 et de la vitesse, notée Vk d'écoulement des gaz de combustion dans la cloison 6 considérée. Par la suite, l'indice k indiquera qu'il s'agit d'un paramètre relatif à une cloison 6 dite de numéro d'ordre k, k étant compris entre 1 et M .
Dès lors, l'ordonnancement des injecteurs 23 pour une cloison 6 considérée de numéro d'ordre k est calculé selon les étapes successives suivantes :
/a/ on choisit un ordonnancement initial quelconque des injecteurs 23 dans la cloison 6 de numéro d'ordre k,
Ibl on associe un numéro d'ordre i de 1 à N à chaque injecteur 23, attribué par exemple selon la position relative des injecteurs 23 selon la direction des feux dans la cloison 6 d'ordre k considérée,
Ici on recherche, pour un premier injecteur auquel il est attribué le numéro d'ordre 1 , la répartition des K1 impulsions de fonctionnement de cet injecteur 23 qui permettent de maximiser une fonction Uk(s) représentative de la teneur en oxygène dans les gaz de combustion après le dernier injecteur de la cloison 6 de numéro d'ordre k sur un intervalle de temps entre les instants tk et tk+D, où tk est l'instant de la première impulsion du dernier injecteur de la cloison 6 de numéro d'ordre k considérée, les impulsions des autres injecteurs de numéro d'ordre i supérieur à 1 conservant les positions de l'ordonnancement initial et on obtient un ordonnancement résultant avec la répartition optimale des impulsions pour l'injecteur de numéro d'ordre 1 ,
/d/ on réitère l'étape Ici à partir de l'ordonnancement résultant de l'étape (c) en considérant successivement les injecteurs de numéro d'ordre supérieur jusqu'à l'injecteur 23 de numéro d'ordre N. Avantageusement, le procédé d'optimisation de la combustion comporte les étapes supplémentaires suivantes : le/ en utilisant comme ordonnancement initial l'ordonnancement retenu à l'étape 161, on associe un nouveau numéro d'ordre de 1 à N à chaque injecteur 23 et on réitère les étapes (c) et (d), IV on compare l'ordonnancement obtenu à l'ordonnancement initial et on retient comme ordonnancement le meilleur des deux. /g/ on réitère les étapes le/ et IV un nombre de fois compatible avec le temps de calcul disponible entre l'instant T de calcul et le premier des instants ti de début de la première impulsion des injecteurs 23.
Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, pour le meilleur des deux ordonnancements de l'étape IV, on s'assure que le débit global de combustible de chacune des R rampes 16, résultant de la répartition des impulsions de fonctionnement des injecteurs 23 de la rampe 16, ne dépasse pas le débit maximal possible de combustible de ladite rampe 16.
En effet, il résulte en général du calcul d'ordonnancement précédent sur les cloisons 6 que les injecteurs 23 d'une même rampe de chauffage 16 n'ont pas la même répartition des impulsions, de sorte qu'il est nécessaire de vérifier que le calcul d'ordonnancement basé sur l'optimisation en fonction de la teneur en oxygène par cloison 6 soit conforme au fonctionnement optimal de chaque rampe 16 également. Ainsi, le calcul d'ordonnancement permet d'optimiser la répartition temporelle des impulsions des injecteurs 23 par cloison 6 et par rampe de chauffage 16 dans l'ensemble du four 1 .
La durée ôti nécessaire au gaz de combustion pour parcourir à la vitesse Vk la distance di entre un injecteur 23 de numéro d'ordre i de la cloison 6 de numéro d'ordre k et le dernier injecteur 23 de cette cloison 6 de numéro d'ordre k vaut : ôti = di/Vk
Selon l'invention, l'écart entre l'instant ti associé à un injecteur 23 de numéro d'ordre i d'une cloison 6 de numéro d'ordre k et l'instant tk associé au dernier injecteur de la même cloison 6 de numéro d'ordre k est égale à la durée nécessaire au gaz de combustion pour parcourir la distance entre les deux injecteurs 23, soit : ti = tk - ôti
Avantageusement, les durées entre l'instant T de calcul de l'ordonnancement et les instants ti des premiers injecteurs 23 de chaque cloison 6 sont inférieurs à une seconde. Selon l'invention, la fonction Uk(s) représentative de la teneur en oxygène dans un volume τ de référence à un instant s après le dernier injecteur de la cloison k est égale à la teneur d'oxygène Ck disponible dans le volume τ de référence avant le premier injecteur 23 de la cloison 6 de numéro d'ordre k réduite de la somme de la teneur d'oxygène qi nécessaire pour réaliser une combustion complète par un injecteur 23 de numéro d'ordre i en marche lorsque le volume τ de référence passe sous l'injecteur 23 de numéro d'ordre i à l'instant s - ôti :
Uk(s) = Ck -∑iek qi x pi(s - ôti)
En d'autres termes, il s'agit de s'assurer que le volume τ de référence contient une teneur en oxygène suffisante relativement à la quantité de combustible injectée par un injecteur 23 de numéro d'ordre i de la cloisons 6 de numéro d'ordre k lorsque ce volume τ de référence passe sous cet injecteur 23 de numéro d'ordre i. En effet, l'oxygène aura été consommé par la combustion sous les injecteurs 23 de numéro d'ordre inférieur à i de la cloison 6 de numéro d'ordre k. Ainsi, lorsque le volume τ de référence passe sous le dernier injecteur 23 de la cloison 6 de numéro d'ordre k, la teneur en oxygène dans le volume τ de référence doit être suffisante pour que la réaction de combustion ait lieu, et limiter de la sorte la formation d'imbrûlés.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, maximiser la fonction Uk pour un injecteur i consiste à maximiser la durée totale où la fonction Uk(s) est positive pour les instants s de l'intervalle [tk, tk+D].
Selon un autre exemple de réalisation de l'invention, maximiser la fonction Uk pour un injecteur i consiste à maximiser une somme Sk sur l'intervalle [tk, tk+D] des valeurs positives de Uk(s) : Sk =∑se[tk, tk+D] (|Uk(s)|+Uk(s))/2.
A titre d'exemple, la durée des impulsions des injecteurs 23 est comprise entre ½ seconde et 5 secondes et la durée entre deux impulsions successives d'un même injecteur 23 est comprise entre ½ seconde et 5 secondes.
On se reporte maintenant à la figure 7 sur laquelle est représentée la fonction pi(s) illustrant la répartition temporelle des impulsions d'un injecteur 23 de numéro d'ordre i en fonctionnement tout ou rien. Pour chaque injecteur 23 de numéro d'ordre i, la fonction pi(s) est définie pour des instants s de l'intervalle de temps entre les instants ti et ti+D.
Un exemple de réalisation consiste à définir la fonction binaire pi comme étant un train d'impulsions de durées identiques a, de durée inter-impulsions b, les impulsions ayant lieu entre les instants ti+c et ti+D-c.
La durée inter-impulsions b peut prendre une des dix valeurs suivantes : { 0.5s, 1 s, 1 .5s, 2s, 2.5s, 3s, 3.5s, 4s, 4.5s, 5s }.
Les durées a, b et c sont liées par les relations suivantes :
Ki * a = Δϊ et
Ki * a + (Ki - 1 ) * b + 2 * c = D
La fonction pi est entièrement définie par la durée de fonctionnement Δί et du choix de la durée b inter-impulsions.
Pour une durée de fonctionnement Δί et suivant le choix de la valeur b, et compte tenu que la durée totale des impulsions est égale à Δί, le nombre d'impulsion Ki est égale à la partie entière de (Δί + D)/b augmentée de 1 :
Ki = [ (Δϊ + D) / b ] + 1
Les valeurs de c et a se déduisent directement : a = Δϊ / Ki et c = ½ * (D - Δϊ - (Ki - 1 ) * b)
Le choix de la valeur b n'est acceptable que si la durée a résultante est comprise entre 0.5s et 5s.
Ainsi, en choisissant une valeur pour b acceptable, la durée de fonctionnement Δϊ étant fixée par le matériel, la fonction pi(s) est totalement définie. La fonction Uk(s) est ainsi déterminée et le calcul pour le calcul d'ordonnancement peut être effectué.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé d'optimisation de la combustion dans des lignes de cloisons d'un four (1 ) à chambres dit « à feu(x) tournant(s) » pour la cuisson de blocs carbonés (5), ledit four (1 ) comportant une succession de chambres (2) de préchauffage, de chauffage, de refroidissement naturel et de refroidissement forcé, disposées en série selon l'axe longitudinal (XX) du four (1 ), chaque chambre (2) étant constituée par la juxtaposition, transversalement audit axe longitudinal (XX) et en alternance, d'alvéoles (4) dans lesquels sont disposés des blocs carbonés (5) à cuire et de cloisons chauffantes creuses (6), en communication et alignées avec les cloisons (6) des autres chambres (2), parallèlement à l'axe longitudinal (XX) du four (1 ), en lignes de cloisons (6) dans lesquelles circulent de l'air de refroidissement et comburant et des gaz de combustion, une rampe d'aspiration (1 1 ) étant reliée à chacune des cloisons (6) de la première chambre (2) en préchauffage par l'une respectivement de pipes d'aspiration (1 1 a), l'air comburant nécessaire étant en partie injecté par une rampe de soufflage (18) de la zone de refroidissement naturel (C), reliée à au moins un ventilateur, et en partie infiltré par dépression à travers les lignes de cloisons (6), et le combustible nécessaire à la cuisson des blocs carbonés (5) étant en partie injecté par au moins deux rampes (16) de chauffage s'étendant chacune sur l'une respectivement d'au moins deux chambres (2) adjacentes de la zone de chauffage, et aptes à injecter chacune du combustible dans chacune des cloisons (6) de la chambre (2) respective correspondante de la zone de chauffage (B), au moins les rampes de chauffage (16) étant directement pilotées par un contrôleur maître (42a, 42b) en pilotant les entrées/sorties desdites rampes (16) de chauffage, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'identification automatique par le contrôleur maître (42a, 42b) de la position relative d'une rampe de chauffage (16) par rapport aux autres lors du raccordement de ladite rampe au réseau et en ce que l'ordonnancement du fonctionnement des injecteurs (23) des rampes de chauffage (16) est réalisé en répartissant temporellement les séquences de fonctionnement des injecteurs (23) individuellement.
2. Procédé d'optimisation de la combustion selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la répartition temporelle des séquences de fonctionnement des injecteurs (23) est réalisée de sorte qu'un injecteur (23) ne fonctionne que quand le volume de gaz placé sous ledit injecteur (23) a une teneur en oxygène suffisante pour assurer la combustion du combustible injecté.
3. Procédé d'optimisation de la combustion selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la répartition temporelle des séquences de fonctionnement des injecteurs (23) est réalisée de sorte à limiter la formation d'imbrulés, notamment de CO.
4. Procédé d'optimisation de la combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la répartition temporelle des séquences de fonctionnement des injecteurs (23) est réalisée en limitant le nombre d'injecteurs (23) d'une rampe de chauffage (16) en fonctionnement simultané à un nombre maximal, ledit nombre maximal étant celui qui conduit au débit nominal de combustible de ladite rampe de chauffage (16).
5. Procédé d'optimisation de la combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la répartition temporelle des séquences de fonctionnement des injecteurs (23) est réalisée de sorte à limiter les variations de débit de combustible de chaque rampe de chauffage (16).
6. Procédé d'optimisation de la combustion d'injecteurs (23) de combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, sur une durée de temps notée D, du four (1 ) comprenant un nombre N d'injecteurs (23), répartis sur les cloisons (6) et les rampes de chauffage (16) du four (1 ), les injecteurs (23) fonctionnant par impulsions en tout ou rien et en modulation de durée, une durée de fonctionnement (Δί), inférieure ou égale à la durée D, étant attribuée à chacun des N injecteurs (23), les durées de fonctionnement (Δί) étant déduites de la demande énergétique au four (1 ), et fournies par le système de contrôle- commande (42a, 42b) du four (1 ), caractérisé en ce que : - la durée de fonctionnement (Δί) d'un injecteur (23) est divisée en une série d'impulsions où la somme des durées des impulsions est égale à la durée de fonctionnement (Δί) dudit injecteur (23) ;
- un ordonnancement est défini par une répartition temporelle des impulsions pour chacun des N injecteurs (23) de manière individuelle et codé sous la forme d'une fonction temporelle binaire (pi) qui vaut 1 lorsque l'injecteur (23) de numéro d'ordre i est en impulsion à l'instant s et vaut 0 sinon ;
- l'ordonnancement est calculé à un instant (T) de calcul en tenant compte des durées de fonctionnement (Δί) souhaitées des injecteurs (23), les impulsions d'un injecteur (23) étant réalisées au plus tôt à un instant (ti) initial ultérieur à l'instant (T) de calcul et au plus tard à l'instant ti+D,
- les instants (ti) initiaux de chaque injecteur (23) dépendent de la position relative des injecteurs (23) d'une même cloison (6) et de la vitesse (Vk) d'écoulement des gaz de combustion dans cette cloison (6).
7. Procédé d'optimisation de la combustion selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'ordonnancement est calculé comme suit :
/a/ on choisit un ordonnancement initial quelconque,
Ibl on associe un numéro d'ordre (i) de 1 à N à chaque injecteur (23),
Ici on recherche pour l'injecteur de numéro d'ordre (i) égal à 1 , la répartition des impulsions de fonctionnement de cet injecteur (23) qui permettent de maximiser une fonction (Uk) représentative de la teneur en oxygène dans les gaz de combustion après le dernier injecteur de la même cloison (6) sur un intervalle de temps entre des instants tk et tk+D, où tk est l'instant associé au dernier injecteur (23) de la même cloison (6), les impulsions des autres injecteurs (23) conservant les positions de l'ordonnancement initial et on obtient un ordonnancement résultant avec la répartition optimale des impulsions pour l'injecteur (23) de numéro d'ordre (i) égal à 1 ,
/d/ on réitère l'étape Ici à partir de l'ordonnancement résultant de l'étape Ici en considérant successivement les injecteurs (23) de numéro d'ordre (i) supérieur à 1 jusqu'à l'injecteur de numéro d'ordre N.
8. Procédé d'optimisation de la combustion selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes supplémentaires suivantes : lel en utilisant comme ordonnancement initial l'ordonnancement retenu à l'étape 161, on associe un nouveau numéro d'ordre (i) de 1 à N à chaque injecteur (23) et on réitère les étapes Ici et 161,
IV on compare l'ordonnancement obtenu à l'ordonnancement initial et on retient comme ordonnancement le meilleur des deux.
/g/ on réitère les étapes lel et /f/ un nombre de fois compatible avec le temps de calcul disponible entre l'instant (T) de calcul et le premier des instants (ti) initiaux des injecteurs (23) de la même cloison (6).
9. Procédé d'optimisation de la combustion selon la revendication 8, caractérisé en ce que pour le meilleur des deux ordonnancements de l'étape /f/ on assure que le débit globale de combustible de chaque rampe (16) de chauffage résultant de la répartition des impulsions de fonctionnement des injecteurs (23) d'une rampe (16) de chauffage ne dépasse pas le débit maximal possible de combustible de ladite rampe (16) de chauffage.
10. Dispositif d'optimisation de la combustion dans des lignes de cloisons d'un four à chambres dit « à feu(x) tournant(s) » pour la cuisson de blocs carbonés (5), ledit four (1 ) comportant une succession de chambres (2) de préchauffage, de chauffage, de refroidissement naturel et de refroidissement forcé, disposées en série selon l'axe longitudinal (XX) du four (1 ), chaque chambre (2) étant constituée par la juxtaposition, transversalement audit axe longitudinal (XX) et en alternance, d'alvéoles (4) dans lesquels sont disposés des blocs carbonés (5) à cuire et de cloisons chauffantes creuses (6), en communication et alignées avec les cloisons (6) des autres chambres (2), parallèlement à l'axe longitudinal (XX) du four (1 ), en lignes de cloisons (6) dans lesquelles circulent de l'air de refroidissement et comburant et des gaz de combustion, une rampe d'aspiration (1 1 ) étant reliée à chacune des cloisons (6) de la première chambre (2) en préchauffage par l'une respectivement de pipes d'aspiration (1 1 a), l'air comburant nécessaire étant en partie injecté par une rampe de soufflage (18) de la zone de refroidissement naturel (C), reliée à au moins un ventilateur, et en partie infiltré par dépression à travers les lignes de cloisons (6), et le combustible nécessaire à la cuisson des blocs carbonés (5) étant en partie injecté par au moins deux rampes (16) de chauffage s'étendant chacune sur l'une respectivement d'au moins deux chambres (2) adjacentes de la zone de chauffage, et aptes à injecter chacune du combustible dans chacune des cloisons (6) de la chambre (2) respective correspondante de la zone de chauffage (B), au moins les rampes de chauffage (16) étant pilotées directement par un contrôleur maître (42a, 42b) pour piloter les entrées/sorties desdites rampes de chauffage (16), le dispositif étant caractérisé en ce que la position relative d'une rampe de chauffage par rapport aux autres est identifiée automatiquement par le contrôleur maître (42a, 42b) lors du raccordement de ladite rampe de chauffage au réseau de sorte de s'assurer que cette position relative est appropriée pour un fonctionnement sécurisé du four (1 ).
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