WO2024240751A1 - Méthode et système pour calibrer les paramètres d'un dispositif d'asservissement d'un four - Google Patents

Méthode et système pour calibrer les paramètres d'un dispositif d'asservissement d'un four Download PDF

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    • F23N2225/00—Measuring
    • F23N2225/26—Measuring humidity

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for calibrating the parameters of a control device of a furnace, preferably with submerged combustion, for the melting of a mixture of raw materials comprising mineral waste. It also relates to a furnace, preferably with submerged combustion, which implements said method or said system.
  • SCF submerged combustion furnace
  • SBF submerged burner furnace
  • combustion means such as oxygen/air-fuel burners are directly immersed in the mixture of vitrifiable raw materials and in the molten glass bath formed.
  • US 351,413 B, J. T. WAINWRIGHT 26.10.1886 describes, for example, a method of injecting air and/or fuel such as gas or oil into a bath of molten glass so that said gases circulate and heat through the bath before their combustion takes place under or near the surface of the bath.
  • the bath is thus constantly stirred and mixed, thereby keeping it hot.
  • US 1,656,828 A, POWELL EDWARD R, 17.01.1928 describes a method and apparatus for manufacturing rock wool in which a mixture of raw materials is introduced into a vertical tank provided with an adjacent inclined combustion chamber.
  • the combustion chamber comprises a burner arranged so that the combustion gases enter and melt the mixture of raw materials at the lower base of the tank.
  • an opening allows the flow of molten glass through an air jet for blowing molten glass in the form of fibers.
  • WO 2009 091 558 A1, GAS TECHNOLOGY INST [US] 29.07.2009 describes a submerged combustion furnace comprising a tank with a double wall with fluid circulation. The bottom of the furnace is provided with a plurality of submerged burners whose relative spatial arrangement is optimized to improve the thermal homogeneity of the glass bath and reduce the number of unmelted parts.
  • GB 1 028 481 A SELAS CORP OF AMERICA, 04.05.1966 describes a furnace provided with a plurality of melting tanks each comprising, at the centre of their lower base, a plurality of submerged burners.
  • the furnace further comprises a main refining tank into which the molten glass from the melting tanks flows.
  • the mixture of vitrifiable raw materials used in a submerged combustion furnace comprises mineral materials which are sources of oxides, hydroxides and/or carbonates of metals, metalloids, alkalis and/or alkaline earths, the relative proportions of which are adjusted so as to obtain the desired chemical composition of the glass at the end of the melting.
  • Mineral materials are typically mining materials such as, for example, silica sand, bauxite, dolomite, calcium carbonates, magnesium carbonates and/or sodium carbonate. They may also be mineral co-products of other manufacturing industries.
  • a first example of recyclable mineral waste is “cullet”, of which two types are distinguished: - so-called “internal” cullet which may include glass waste from the same manufacturing process or the same glass product production line and generally includes cutting waste, defective products detected and rejected during quality control or during adjustments to product compositions; - so-called “external” cullet which may include glass waste collected from other processes or glass product manufacturing lines, from consumers with the aim of recycling glass products after their use, for example deconstruction waste, glass bottles, used glazing, etc.
  • cullet is a mixture of glass debris of different colors and different compositions.
  • the surface of this debris can also be covered with organic and/or inorganic layers, layers inherited from the different surface functionalization processes for certain applications of glass products.
  • cullet can also include a certain number of foreign body debris such as ceramic, earthenware, porcelain, terracotta, plastic, metals, electronic components, etc.
  • a second example of recyclable mineral waste is mineral fibre waste, whether sized or not, i.e. with or without an organic binder. This waste can come from manufacturing industries, building sites or other works and/or recycling channels.
  • a third example of recyclable mineral waste is raw materials from biomass recovery channels of plant, animal, bacterial or fungal origin. This material can be used as fuel, but also as a means of adjusting the composition of glass and/or its redox state.
  • WO 0248612 A1 SAINT GOBAIN [FR] 20.06.2002 describes, for example, a method for destroying and/or rendering inert mineral waste, in particular making it possible to obtain a recoverable cullet for the subsequent manufacture of mineral wool.
  • the mineral waste is introduced into a liquid and/or foamy phase maintained at a temperature of at least 800°C and previously formed in a tank equipped with a submerged burner from a mixture of partly vitrifiable materials.
  • WO 2006 018 582 A1 SAINT GOBAIN ISOVER [FR] 23.02.2006 describes a process for treating mineral waste, in particular mineral fibre waste, in which pure oxygen or oxygen-enriched air is injected into a mass of materials to be recycled, itself subjected to heating via submerged burners. By burning the organic compounds and melting the mass, it is possible to obtain a cullet that can be used for the subsequent manufacture of glass fibres.
  • US 4877449 A, INST GAS TECHNOLOGY [US] 10/31/1989 describes a submerged combustion furnace comprising a vertical tank provided, in its upper part, above the glass bath, with a cooled grid on which solid charges are deposited using a hopper. The combustion gases coming from the glass bath pass through the grid and heat the solid charges causing them to melt and the liquid thus formed to flow into the glass bath.
  • a control system such as a feedback loop, is implemented for at least one operating, functioning or control parameter of the furnace, which makes it possible to compensate for the disturbances to which the furnace is subjected compared to its steady state.
  • a control system such as a feedback loop
  • Such an approach is made possible by the very low thermal inertia intrinsic to submerged combustion furnaces, in particular those equipped with a double wall with fluid circulation.
  • EP 2 433 911 A1 JOHNS MANVILLE [US] 28.03.2012 describes a method and a device for recycling a glass wool mattress, in which said mattress is introduced into the glass bath of a submerged combustion furnace at a uniform charging speed.
  • a PID servo device or a predictive control system allows the regulation, at the output, of several operating parameters of the furnace, in particular the speed of the mattress conveyors, from different input signals, such as the temperature of the glass bath, the draft and/or the flow rate of fuel and/or oxidant in the burners.
  • WO 2022/180 345 A1 SAINT GOBAIN ISOVER [FR] 01.09.2022 describes a method for regulating a submerged combustion furnace supplied with a wet mixture of mineral wools and/or biomass, in which the flow rate of the mixture or the power of the submerged burners is regulated using a PID control device based on a measurement of the humidity level of said mixture.
  • a major disadvantage of processes involving a prior stage of treatment of recyclable mineral waste is that they require more complex installations or treatments, and therefore more substantial material and financial investments for their implementation.
  • the moisture content and organic compound content of mineral waste vary greatly depending on its origin and storage conditions.
  • a mixture of raw materials including mineral waste in given proportions is highly likely to show sudden and significant variations in its moisture content and organic compound content.
  • the proportion of mineral waste in the mixture is likely to vary depending on the ease or difficulty of supplying raw materials. These variations can also contribute to sudden and significant variations in the humidity rate and organic compound content of the mixture. As explained above, such variations cause significant disturbances in the thermal and chemical balance of the kiln. The kiln leaves its steady state and can switch to unstable regimes.
  • a method for calibrating the parameters of a control device of a furnace, preferably with submerged combustion, for the melting of a mixture of raw materials comprising mineral waste comprises at least one tank equipped with at least one heating means, preferably in the form of at least one submerged burner, and at least one control device configured to regulate the power of said heating means according to a set temperature, T0; - said tank is suitable for melting a mixture of raw materials; - said tank comprises at least one temperature measuring device; - said temperature measuring device is configured for continuous measurement of the temperature of said mixture of molten raw materials, and connected to said servo device; said method comprises the following steps: (a) the continuous introduction of a mixture of raw materials of given composition into the tank; (b) continuous measurement of the temperature of the molten raw material mixture using the temperature measuring device; (c) stationary heating of the mixture of molten raw materials at a given temperature, Ti; (d) the modification, for a given and limited period of time, without
  • - the non-stationary heat transfer function H(s) is modeled using a first-order response transfer function with or without dead time; - in step (d), at least two parameters, preferably three parameters, are modified sequentially or in parallel; - in step (d), the moisture content in the raw material mixture is modified so that the variation in the moisture content of said mixture is between 0 and 10%, and/or the furnace draw is modified so that the relative variation in said draw is between 0 and 2000kg/h; - in step (d), the amount of organic compounds or carbonaceous fuels in the mixture of raw materials is modified so that the relative variation of said amount of organic compounds or carbonaceous fuels is between 0 and 15% by weight, preferably between 0 and 10% by weight; - in step (d), the power of the heating means is modified so that the relative variation of said power with respect to the initial power is between 0 and 100%, preferably 0 and 50%, or even between 0 and 25%; - the servo device is a Proportional – Integral
  • the method according to the invention can be used for the calibration of a control device of a furnace, preferably with submerged combustion for the melting of a mixture of raw materials including mineral waste.
  • the invention also relates to the use of a method according to the invention for calibrating a control device for a furnace, preferably with submerged combustion, for melting a mixture of raw materials comprising mineral waste.
  • a system for calibrating the parameters of a control device of a furnace, preferably with submerged combustion, for the melting of a mixture of raw materials comprising mineral waste - the oven comprises at least one tank equipped with at least one heating means in the form of at least one submerged burner; - the tank is suitable for melting a mixture of raw materials; said system comprises: - at least one temperature measuring device, said one temperature measuring device being configured for continuous measurement of the temperature of said molten raw material mixture; - at least one servo device configured to regulate the power of said heating means; the parameters of the transfer equation C(s) of said servo device being calibrated using a method according to the invention.
  • a furnace in particular a submerged combustion furnace, for melting a mixture of raw materials comprising mineral waste, in which a method according to the first aspect of the invention is implemented.
  • the oven is such that the heating means is an oxygen/air-fuel submerged burner and the servo device is further configured to regulate the power of said submerged burner by adjusting the flow rate of fuel injected into said burner while maintaining a constant oxygen flow rate to fuel flow rate ratio;
  • the furnace is such that the heating means is an oxygen/air-fuel submerged burner and the servo device is further configured to inject oxygen or air at a constant total flow rate of oxygen or air into said burner and into a bubbler, and at a constant oxygen or air flow rate to fuel flow rate ratio in the burner when the power of the submerged burner varies.
  • a first remarkable advantage of the invention is the obtaining of optimal values for the parameters of the transfer function of the servo device of a submerged combustion furnace.
  • the temperature of the furnace converges rapidly towards the set temperature of the furnace in the event of sudden and intense variations in the set temperature, T 0 , the moisture content in the mixture 1001a of raw materials, the draw of the furnace, the charging speed of the mixture 1001a of raw materials, and/or the quantity of organic compounds or carbonaceous fuels in the mixture 1001a of raw materials.
  • a second remarkable advantage is that it is possible to model, or even simulate, different values for the parameters of the transfer function of the servo device and to select those allowing an optimal regulation of the furnace without there being any need to physically implement disturbance tests on the furnace to evaluate said calibration.
  • the adjustment of the servo device therefore requires less stress on the furnace.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an example of a glass or rock fiber manufacturing line.
  • FIG. 1 is a schematic sectional representation of a submerged combustion furnace for melting a mixture of raw materials including mineral waste.
  • FIG. 1 is an example block diagram of a servo device according to certain embodiments.
  • a 1000 glass or rock fiber manufacturing line by the internal centrifugation method generally includes: - silos 1001 for storing raw materials 1001a, for example mineral compounds and/or cullet; - a glass or rock melting furnace 1002 for melting the raw materials 1001a; - a conveyor 1003 for transporting the raw materials 1001a from the silos 1001 to the furnace 1002; - one or more fiberizing tools 1005a, 1005b, 1005c fed with molten glass or rock 1006; - an open or closed feed channel 1004 provided with openings located just above each fiberizing tool 1005a, 1005b, 1005c to feed them with glass or molten rock 1006.
  • a submerged combustion furnace 1002 generally comprises at least one refractory melting tank 2001 provided at its base with a series of submerged burners 2002a-c of the oxidant-fuel type, for example oxygen-gas, air-fuel or oxygen-fuel.
  • the furnace 1002 is supplied with a mixture 1001a of raw materials by a screw conveyor 1003 via an opening provided on its side wall. The opening may be submerged or emerged.
  • the submerged burners 2002a-c ensure the melting of the mixture 1001a and the stirring of the cast iron 2004.
  • the furnace 1002 may comprise a second tank 2005, for example a refining tank, into which the cast iron 2004 flows via a groove 2006 provided for this purpose.
  • the second tank 2005 may be provided with a plurality of flame burners 2007 arranged above the surface of the cast iron 2004, with immersed or non-immersed electrodes and with a means 2008 for supplying a refining, oxidizing and/or reducing agent.
  • the means 2088 for supplying an oxidizing or reducing agent may also be arranged in the first tank 2001.
  • the stay of the 2004 cast iron in the second tank continues its thermal and chemical homogenization and allows the adjustment of its redox state in accordance with the specifications.
  • the 2004 cast iron constitutes the molten glass or rock 1006 which is then conveyed to forming tools, such as fiberizing tools 1005a-c via channel 1004, glass aggregate manufacturing tools, or even molding tools.
  • the melting tank 2001 has a temperature measuring device 2009, for example a thermocouple 2007, immersed or not, configured for continuous measurement of the temperature, T, of said mixture 1001a of molten raw materials, i.e. the cast iron 2004.
  • the temperature measuring device is generally connected to a control device 2010, such as a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller, allowing the regulation of the furnace according to a set temperature, T 0 .
  • PID Proportional-Integral-Derivative
  • the set temperature, T 0 can be a fixed value or a time profile.
  • the servo device 2010 is connected to the controllers (not shown) of the submerged burners and adjusts their power so that the temperature, T, of the cast iron 2004 reaches the set temperature, T 0 .
  • the power of the burners is adjusted by varying the flow rates of oxygen, fuel and/or the ratio of these two flow rates.
  • the servo device 2010 may further be configured to control the quantity or flow rate of oxidizing and reducing agent conveyed via the supply means 2008. This control may be exercised via a connection to the control device (not shown) of the supply means 2008.
  • the supply means 2008 is a conveyor
  • the control device may vary the conveying speed according to a setpoint value provided by the servo device 2010.
  • a method 3000 for calibrating the parameters of a servo device 2010 of a furnace 1002, preferably with submerged combustion, for the melting of a mixture 1001a of raw materials comprising mineral waste - said oven 1002 comprises at least one tank 2001 equipped with at least one heating means 2002a-c, preferably in the form of at least one submerged burner, and at least one control device 2010 configured to regulate the power of said heating means 2002a-c; - said tank 2001 is suitable for the fusion 2004 of a mixture 1001a of raw materials; - said tank 2001 comprises at least one temperature measuring device 2009; - said temperature measuring device 2009 is configured for continuous measurement of the temperature of said mixture 1001a of molten raw materials 2004, and connected to said servo device 2010; said method 3000 comprises the following steps: (a) the continuous introduction 3001 of a mixture 1001a of raw materials of given composition into the tank 2001; (b) continuous measurement 3002 of the temperature of the mixture 1001a of molten
  • the 2009 temperature measuring device may be a thermocouple or a pyrometer.
  • carbonaceous fuels means any type of organic mineral fuel based on carbon, preferably solid, which can be added to the mixture 1001a of raw materials.
  • An example of a carbonaceous fuel may be coal or petroleum coke.
  • Modeling steps (f) and (g) are typically performed using a data processing device.
  • An example of a device may be a device configured to automatically perform sequences of arithmetic or logical operations to perform tasks or actions.
  • Such a device typically referred to as a computer, may include one or more central processing units (CPUs) and at least one control device adapted to perform such operations.
  • CPUs central processing units
  • the device may also include other electronic components such as input/output interfaces, non-volatile or volatile storage devices, and communication buses for transferring data between components within the device.
  • One of the input/output devices may be a user interface for human-machine interaction, such as a graphical user interface for displaying human-understandable information.
  • the data processing device may advantageously comprise one or more graphics processing units (GPUs) whose parallel structure makes them more efficient than central processing units in performing complex calculations.
  • GPUs graphics processing units
  • Step (g) of modeling the thermal behavior of the furnace 1002 using a non-stationary heat transfer function H(s) makes it possible to obtain a digital model of the furnace 1002 from which it is possible to model the parameters of the transfer function C(s) of the control device 2010 without it being necessary to physically intervene on the furnace 1002 to implement this modeling.
  • the transfer function H(s) provides a model of the furnace 1002 on which the control device 2010 can be applied, via its transfer function C(s), in order, in step (g), to determine the values of the parameters of said device for optimal regulation of the furnace 1002.
  • step (f) the thermal behavior of the furnace 1002 is modeled using a non-stationary heat transfer function H(s).
  • the power I(t) can also include the temporal variations of the draw ⁇ (t) of the furnace and/or the speed v(t) of charging of the mixture 1001a of raw materials.
  • a non-stationary heat transfer function H(s) in the Laplace domain can be:
  • the modeling of the thermal behavior of the furnace 1002 is modeled using the transfer function H(s) with, as input data, the temporal variations of the temperature ⁇ T of the mixture 1001a of molten raw materials and of the operating parameter modified in step (d).
  • the temporal variations of the temperature ⁇ T of the mixture 1001a of molten raw materials and of the operating parameter modified in step (d) can be interpreted as the consequences of a disturbance introduced by the modification, in step (d), of at least one operating parameter of the furnace.
  • the use of this disturbance makes it possible to calculate the parameters of the transfer function H(s), in particular the constant ⁇ and the temperature T p .
  • the non-steady heat transfer function H(s) is modeled using a first-order response transfer function with or without dead time.
  • submerged combustion furnaces have a certain inertia and when one of their operating parameters is suddenly modified, in the form of a pulse, the response of said furnace 1002 is not immediate.
  • the furnace 1002 shows a delay in response to the disturbance.
  • this function has the following expression, for t > 0:
  • the values of the parameters ⁇ and T p can be obtained by carrying out a function adjustment f(t) on the temporal variations of the temperature ⁇ T of the mixture 1001a of molten raw materials and of the power ⁇ P of the heating means 2002a-c.
  • step (d) for a given and limited period of time, without active regulation by the servo device 2010, at least one operating parameter of the furnace 1002 is modified, chosen from the moisture content in the mixture 1001a of raw materials, the furnace draw, the charging speed of the mixture 1001a of raw materials, the power of the heating means 2002a-c, and/or the quantity of organic compounds or carbon fuels in the mixture 1001a of raw materials.
  • the number and nature of the operating parameters to be modified depends on the composition of the mixture of raw materials including mineral waste and the precision required for the calibration of the control parameters.
  • step (d) at least two, or even at least three, operating parameters are modified sequentially or in parallel.
  • the modification of at least two, or even three parameters is generally sufficient for representative modeling of the thermal behavior of a furnace, in particular with submerged combustion and, ultimately, precise modeling of the parameters of the transfer function of the control device 2010 for effective regulation.
  • the moisture content and organic or carbonaceous fuel content of mineral wastes can vary greatly depending on their origin and storage conditions.
  • a raw material mixture including mineral wastes in given proportions can show sudden and significant variations in its moisture content and organic or carbonaceous fuel content.
  • step (d) the moisture content in the mixture 1001a of raw materials is modified so that the variation in the moisture content of said mixture is between 0 and 10%, and/or the furnace draw is modified so that the relative variation in said draw is between 0 and 2000 kg/h.
  • the oven 1002 may comprise at least one means 2011 for measuring the humidity of said mixture 1001a of raw materials.
  • This means may be any type of humidity sensor suitable for measuring the humidity of the mixture 1001a of raw materials. It may be arranged at the conveyor 1003 just before loading, or further upstream, in the storage silos 1001.
  • the humidity measuring means 2011 allows precise measurement of the variation in the humidity content of the mixture 1001a in step (d).
  • step (d) the amount of organic compounds in the mixture 1001a of raw materials is modified so that the relative variation of said amount of organic compounds or carbonaceous fuels is between 0 and 15% by weight, preferably between 0 and 10% by weight.
  • the power of the heating means (2002a-c) is modified so that the relative variation of said power compared to the initial power is between 0 and 100%, preferably 0 and 50%, or even between 0 and 25%.
  • the represents the evolution of the temperature (dotted line) of a submerged combustion furnace as a function of time after the introduction of 5.7% by mass of coke in a mixture 1001a of raw materials followed by a sudden decrease in the power of the furnace from 287kW to 173kW.
  • the evolution of the temperature is represented by the dot figures.
  • the response f(t) can be fitted to the data from the using a least squares method with T p and ⁇ as fitting parameters.
  • the optimal fit illustrated in the by the solid line, allows to obtain the following values for the parameters T p and ⁇ :
  • the transfer function H(s) used to model the thermal behavior in this example can therefore be written as:
  • Mc p representing the thermal capacity of the furnace 1002 independent of its mass
  • step (g) the parameters of the transfer function C(s) of the servo device 2010 are modeled by applying it to the transfer function H(s) of the oven 1002, obtained in step (f).
  • This modeling can in particular be implemented by simulation in order to determine ex-situ the optimal values of the parameters of the transfer function C(s) for efficient regulation of the furnace 1002.
  • Numerical calculation software such as Matlab or Scilab provide functions and algorithms adapted to this type of simulation.
  • an example of modeling may consist of an iterative optimization loop in which the parameters of the transfer function C(s) of the servo device are adjusted until the setpoint power P calculated by said function C(s) from a difference ⁇ between the temperature T of the furnace 1002 and a setpoint temperature T 0 for said furnace 1002 allows the furnace 1002 to reach said setpoint temperature T 0 when said power P increased by the power I(s) is provided, as input data, to the transfer function H(s) of the furnace 1002.
  • I(s) ⁇ (s) + ⁇ (s) is the instantaneous variation in power linked to the temporal variations in the content, ⁇ (s), in humidity ⁇ and in the quantity ⁇ (s) of organic compounds or carbonaceous fuels in the mixture 1001a of raw materials.
  • the parameters of the transfer function C(s) of the servo device 2010 can be adjusted manually, using an adjustment method such as the Ziegler–Nichols method, the Cohen-Coon method, the ⁇ ström–Hägglund method, or automatically using a numerical optimization method.
  • the servo device 2010 is a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller.
  • PID Proportional-Integral-Derivative
  • the transfer function C(s) of the 2010 servo device can be written in the Laplace domain: or Kp, Ki and Kd are respectively the proportional, integral, and derivative parameters or gains.
  • the transfer function C(s) is used to calculate, in real time, a gain for correcting the setpoint of the power regulators of the heating means 2002a-c in the form of at least one submerged burner.
  • the unit of the gain depends on the type of regulator used. For example, in the case of a submerged burner, it may correspond to a percentage of the fuel flow rate, for example, a gas volume flow rate, injected into the burner.
  • the flow rate value may be linked to a burner power level according to a linear relationship.
  • the output setpoint value of the 2010 servo device can be written according to the following relation:
  • the set power, P, at the input of the oven 1002 can be written:
  • Modeling the parameters, Kp and ⁇ i of the transfer function C(s) of the 2010 servo device can then consist of adjusting the values which minimize the temporal temperature variations in a simulation of the system in regulation.
  • This adjustment can be performed manually, using an adjustment method such as the Ziegler–Nichols method, the Cohen-Coon method, the ⁇ ström–Hägglund method, or automatically using a numerical optimization method.
  • the transfer function H(s) of the furnace 1002 further takes, as input data, a set of simulated values, I(s), of the variations in the moisture content in the mixture 1001a of raw materials, the furnace draw, the charging speed of the mixture 1001a of raw materials, the quantity of organic compounds or carbonaceous fuels and/or the value of the set temperature, T 0 .
  • the values of the moisture content in the raw material mixture 1001a, the kiln draw, the charging rate of the raw material mixture 1001a, and/or the amount of organic compounds or carbonaceous fuels are simulated as a random signal, such as white noise or pink noise.
  • the values of the parameters Kp and ⁇ i are then manually adjusted by iteration so as to obtain a temperature close to the set temperature over time.
  • upper frame shows a rapid convergence of the oven temperature (solid line) to the set temperature T 0 (dotted line) regardless of the nature and simultaneity of the variations (lower frame).
  • a sudden change in the moisture content ⁇ (solid line) causes a small disturbance in the power (central frame) and the temperature (solid line) of the furnace deviates little from the set temperature T 0 (dotted line).
  • Sudden changes in the draft ⁇ (lower frame dashed line) of the furnace after 5 h and shortly before 15 h cause sudden changes in power (central frame), and the temperature (solid line), after an initial drift, converges very quickly towards the set temperature T 0 (dotted line).
  • the sudden change in the quantity ⁇ of organic matter or carbonaceous fuels (lower frame dotted line) around 17 h causes frequent changes in power that are quickly compensated.
  • the servo-control device is able to compensate for sudden and simultaneous variations, after 07:30 and 19:00, of the set temperature T 0 (upper frame, dotted line), of the draft (lower frame, dashed line) of the furnace, of the humidity content (lower frame, solid line) and of the quantity of organic materials or carbonaceous fuels (lower frame, dotted line).
  • a furnace 1002 preferably with submerged combustion, for the melting 2004 of a mixture 1001a of raw materials comprising mineral waste
  • said furnace 1002 comprises: - a first tank 2001 adapted to the melting 2004 of a mixture of raw materials and equipped with at least one heating means 2002a-c in the form of at least one submerged burner, - at least one temperature measuring device 2009 for the continuous measurement of the temperature of said mixture 1001a of molten raw materials 2004; - at least one servo device 2010 configured to regulate the power of said heating means 2002a-c and to receive at least one continuous measurement of the temperature using said one temperature measuring device 2009; the values of the parameters of the transfer function C(s) of the servo device 2010 being fixed from values obtained using a calibration method according to any one of the embodiments of the first aspect of the invention.
  • the calibration method for determining the values of the parameters of the transfer function C(s) of the servo device 2010 can be implemented using a system according to the second aspect of the invention.
  • the heating means 2002a-c is an oxygen/air-fuel submerged burner and the servo device 2010 is further configured to regulate the power of said submerged burner by adjusting the flow rate of fuel injected into said burner while maintaining a constant oxygen flow rate to fuel flow rate ratio.
  • the heating means 2002a-c is a submerged oxygen/air-fuel burner and the servo device 2010 is further configured to inject oxygen or air at a constant total flow rate of oxygen or air into said burner and into a bubbler, and at a constant oxygen or air flow rate to fuel flow rate ratio into the burner as the power of the submerged burner varies.
  • an installation for the manufacture of mineral fibers comprising a furnace 1002 according to any one of the embodiments of the third aspect of the invention.
  • the present invention in all its aspects, can be implemented, without being limited thereto, in many processes and lines for manufacturing glass products such as, for example, glass wool, rock wool, textile glass fibers, flat glass or hollow glass.
  • WO 2006 018 582 A1 SAINT GOBAIN ISOVER [FR] 02.23.2006.
  • EP 2 433 911 A1 JOHNS MANVILLE [US] 03.28.2012.
  • WO 2022 180 345 A1 SAINT GOBAIN ISOVER [FR] 01.09.2022.

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Abstract

Méthode pour calibrer les paramètres d'un dispositif d'asservissement d'un four, de préférence à combustion immergée, pour la fusion d'un mélange (1001a) de matières premières comprenant des déchets minéraux. La méthode permet l'obtention de valeurs optimales pour les paramètres de la fonction de transfert du dispositif d'asservissement. Elle repose sur : - la modélisation du comportement thermique du four (1002) à l'aide d'une fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire avec, comme données d'entrée, les variations temporelles de la température ΔT du mélange (1001a) de matières premières en fusion; les dites variations étant mesurées suite à la modification (3004), pour une période donnée et limitée de temps, d'au moins un paramètre de fonctionnement du four (1002) choisi parmi la teneur en humidité dans le mélange (1001a) de matières premières, la tirée du four, la vitesse d'enfournement du mélange (1001a) de matières premières, la puissance du moyen de chauffage (2002a-c), et/ou la quantité de composés organiques ou de combustibles carbonés dans le mélange (1001a) de matières premières; - la modélisation des paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif d'asservissement (2010) appliquée à la fonction H(s) de transfert modélisée.

Description

Méthode et système pour calibrer les paramètres d’un dispositif d’asservissement d’un four
La présente invention concerne une méthode et un système pour calibrer les paramètres d’un dispositif d’asservissement d’un four, de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange de matière premières comprenant des déchets minéraux. Elle se rapporte également à un four, de préférence à combustion immergée, qui met en œuvre ladite méthode ou ledit système.
 Arrière-plan technique
Il est une pratique courante d’employer un four à combustion immergée (FCI), également appelé four à brûleur immergé (FBI), pour la fusion d’un mélange de matières premières vitrifiables. Dans ce type de four, des moyens de combustion tels que des brûleurs oxygène / air - carburant sont directement immergés dans le mélange de matières premières vitrifiables et dans le bain de verre fondu formé. L’injection directe, sous forme d’un flux, des réactifs et des produits gazeux de combustion dans le bain de verre, puis leur expansion et leur remontée rapide, accélèrent la fusion et améliorent l’homogénéité du bain.
US 351 413 B, J. T. WAINWRIGHT 26.10.1886 décrit, par exemple, une méthode d’injection d’air et/ou de carburant tel que gaz ou pétrole dans un bain de verre fondu de manière que lesdits gaz circulent et chauffent à travers le bain avant que leur combustion n’ait lieu sous ou à proximité de la surface du bain. Le bain est ainsi constamment remué et mélangé, permettant ainsi de demeurer chaud.
US 1 656 828 A, POWELL EDWARD R, 17.01.1928 décrit un procédé et un dispositif de fabrication de laine de roche dans lesquels un mélange de matières premières est introduit dans une cuve verticale munie d’une chambre de combustion inclinée et adjacente. La chambre de combustion comprend un brûleur disposé de manière que les gaz de combustion pénètrent et fondent le mélange de matières premières à la base inférieure de la cuve. A la base de la cuve, une ouverture permet l’écoulement du verre fondu au travers d’un jet d’air pour le soufflage de verre fondu sous la forme de fibres.
FR 876569 A, UNION DES VERRERIES MECANIQUES, 10.11.1942 décrit un four à combustion immergée comprenant une cuve verticale munie, dans sa partie inférieure, d’au moins un brûleur immergé avec une pression de fluide de combustion de plus de 0,2 atmosphères et une vitesse supérieure à 30 mètres par seconde.
WO 2009 091 558 A1, GAS TECHNOLOGY INST [US] 29.07.2009 décrit un four à combustion immergée comprenant une cuve avec double paroi à circulation de fluide. La sole du four est munie d’une pluralité de brûleurs immergés dont l’arrangement spatial relatif est optimisé pour améliorer l’homogénéité thermique du bain de verre et réduire le nombre d’infondus.
Outre la cuve adaptée à la fusion du mélange de matières premières vitrifiables, un four à combustion immergée peut comprendre une ou plusieurs autres cuves adjacentes et en communication avec la première cuve, dans lesquelles le verre fondu s’écoule depuis la première cuve pour y subir divers traitements tels que, notamment, un affinage.
DE 651 687 C, GLASHUETTE ACHERN A G, 18.10.1937 décrit un four comprenant une cuve de fusion verticale et rotative alimentée en matière premières par une ouverture supérieure à l’aide d’une trémie. La cuve comprend, au centre de sa base inférieure, orienté selon l’axe de révolution de la cuve, un brûleur immergé, et est munie, en périphérie de ladite base inférieure, d’ouvertures permettant l’écoulement du verre vers une cuve inférieure d’affinage.
GB 1 028 481 A, SELAS CORP OF AMERICA, 04.05.1966 décrit un four muni d’une pluralité de cuves de fusion comprenant chacune, au centre de leur base inférieure, plusieurs brûleurs immergés. Le four comprend en outre une cuve principale d’affinage dans laquelle s’écoule le verre fondu des cuves de fusion.
Dans la cadre de la fabrication de fibres minérales, le mélange de matières premières vitrifiables utilisé dans un four à combustion immergée comprend des matières minérales sources d’oxydes, d’hydroxydes et/ou de carbonates de métaux, de métalloïdes, d’alcalins et/ou d’alcalino-terreux dont les proportions relatives sont ajustées de manière à obtenir la composition chimique désirée du verre à l’issue de la fusion.
Les matières minérales sont généralement des matières minières telles que, par exemple, le sable de silice, la bauxite, la dolomie, les carbonates de calcium, les carbonates de magnésium et/ou le carbonate de sodium. Elles peuvent être également des co-produits minéraux d’autres industries manufacturières.
Néanmoins, dans un objectif de réduction des impacts écologiques des industries manufacturières, notamment de réduction de l’exploitation des ressources naturelles, de la consommation en énergie et des émissions de gaz à effet de serre, il est désormais de pratique courante de substituer tout ou partie des matières premières du mélange par des déchets minéraux dits recyclables.
Un premier exemple de déchets minéraux recyclables est le « calcin » dont deux types sont distingués :
- le calcin dit « interne » qui peut comprendre des déchets verriers issus d’un même procédé de manufacture ou d’une même ligne de production de produits verriers et comprend généralement les rebus de découpe, les produits défectueux détectés et rejetés lors d’un contrôle qualité ou lors des ajustements de compositions de produit ;
- le calcin dit « externe » qui peut comprendre des déchets verriers collectés auprès d’autres procédés ou lignes de manufacture de produits verriers, des consommateurs dans l’objectif de recycler les produits verriers après leur utilisation, par exemple les déchets de déconstruction, les bouteilles en verre, les vitrages usagés....
De manière générale, et davantage pour le calcin externe, le calcin est un mélange des débris de verre de couleurs différentes et de compositions différentes. La surface de ces débris peut également être couverte de couches organiques et/ou inorganiques, couches héritées des différents procédés de fonctionnalisation des surfaces pour certaines applications des produits verriers. Enfin, le calcin peut également comprendre un certain nombre de débris de corps étrangers tels que céramique, faïence, porcelaine, terre cuite, plastique, métaux, composants électroniques…
Un deuxième exemple de déchets minéraux recyclables sont les déchets de fibres minérales ensimées ou non, c’est-à-dire avec ou sans liant organique. Ces déchets peuvent être issus des industries manufacturières, des chantiers de bâtiment ou autres travaux et/ou de filières de recyclage.
Un troisième exemple de déchets minéraux recyclables sont les matières premières issues des filières de valorisation de la biomasse d'origine végétale, animale, bactérienne ou fongique. Cette matière est utilisable comme combustible, mais également comme moyen d’ajustement de la composition de verre et/ou de son état rédox.
Par leur origine, les déchets minéraux recyclables, notamment externes, présentent des taux variables d’humidité et/ou de matières organiques. Lorsqu’ils sont introduits dans le four, cette humidité et ces matières organiques modifient le bilan thermique et chimique du four et provoquent des variations brutales de la température du bain de verre. Les processus d’affinage et d’équilibre rédox du bain de verre sont également perturbés. Le régime stationnaire de chauffe et d’affinage du four est alors déstabilisé. Des baisses de rendement ainsi qu’une génération de produits verriers non conformes pour les applications visées, notamment pour la fabrication de fibres minérales, sont susceptibles d’avoir lieu.
Il est donc courant de procéder à des traitements préalables des déchets minéraux pour réduire, voire éliminer, l’humidité et les composés organiques qu’ils contiennent.
WO 0248612 A1, SAINT GOBAIN [FR] 20.06.2002 décrit, par exemple, un procédé de destruction et/ou d’inertage de déchets minéraux permettant notamment d’obtenir un calcin valorisable pour la fabrication ultérieure de laine minérale. Dans ce procédé, les déchets minéraux sont introduits dans une phase liquide et/ou mousseuse maintenue à une température d’au moins 800°C et préalablement formée dans une cuve munie d’un brûleur immergé à partir d’un mélange de matériaux en partie vitrifiables.
WO 2006 018 582 A1, SAINT GOBAIN ISOVER [FR] 23.02.2006 décrit un procédé de traitement des déchets minéraux, en particulier des déchets de fibres minérales, dans lequel de l’oxygène pur ou de l’air enrichi en oxygène est injecté dans une masse de matières à recycler, elle-même soumise à une chauffe via des brûleurs immergés. Grâce à la combustion des composés organiques et à la fusion de la masse, il est possible d’obtenir un calcin valorisable pour la fabrication ultérieure de fibres de verre.
US 4877449 A, INST GAS TECHNOLOGY [US] 31.10.1989 décrit un four à combustion immergé comprenant une cuve verticale munie, dans sa partie supérieure, au-dessus du bain de verre, d’une grille refroidie sur laquelle sont déposées des charges solides à l’aide d’une trémie. Les gaz de combustion provenant du bain de verre traversent la grille et chauffent les charges solides provoquant leur fusion et l’écoulement, dans le bain de verre, du liquide ainsi formé.
Alternativement, il est possible d’introduire directement, c’est-à-dire sans traitement préalable, les déchets verriers dans le bain de verre d’un four, notamment un four à combustion immergée destiné à la fabrication de fibres minérales. Généralement, il est mis en œuvre un asservissement, tel qu’une boucle rétroactive de régulation, d’au moins un paramètre d’opération, de fonctionnement ou de commande du four, qui permet de compenser les perturbations auxquelles est soumis le four par rapport à son régime stationnaire. Une telle approche est rendue possible par la très faible inertie thermique intrinsèque aux fours à combustion immergée, en particulier ceux dotés d’une double paroi à circulation de fluide.
EP 2 433 911 A1, JOHNS MANVILLE [US] 28.03.2012 décrit un procédé et un dispositif de recyclage d’un matelas de laine de verre, dans lesquels ledit matelas est introduit dans le bain de verre d’un four à combustion immergée à une vitesse uniforme d’enfournement. Un dispositif d’asservissement PID ou un système de commande prédictive permet la régulation, en sortie, de plusieurs paramètres d’opération du four, en particulier la vitesse des convoyeurs du matelas, à partir de différents signaux d’entrée, tels que la température du bain de verre, la tirée et/ou la débit de carburant et/ou de comburant dans les brûleurs.
WO 2022 / 180 345 A1, SAINT GOBAIN ISOVER [FR] 01.09.2022 décrit un procédé de régulation d’un four à combustion immergée alimenté en un mélange humide de laines minérales et/ou de biomasse, dans lequel le débit d’enfournement du mélange ou la puissance des brûleurs immergés est régulée à l’aide d’un dispositif d’asservissement PID à partir d’une mesure du taux d’humidité dudit mélange.
Un inconvénient majeur des procédés comprenant une étape préalable de traitement des déchets minéraux recyclables est qu’ils requièrent des installations ou des traitements plus complexes, et donc des investissements matériels et financiers plus conséquents pour leur mise en œuvre.
Il est donc avantageux de privilégier des procédés et systèmes fondés sur une introduction directe, c’est-à-dire sans traitement préalable, dans le four d’un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux. La particularité de ces procédés et systèmes est qu’ils nécessitent l’implémentation et la configuration de systèmes et processus d’asservissement, tels que les boucles de rétroaction, ou des systèmes à commande prédictive.
Toutefois, malgré les progrès réalisés dans l’automatisation des systèmes d’asservissement quant à leur configuration et leur calibration, celles-là ne restent pas triviales pour les fours, notamment à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange de matière premières comprenant des déchets minéraux.
Les taux d’humidité et la teneur en composés organiques des déchets minéraux sont très variables selon leur origine et leurs conditions de stockage. Ainsi, au cours du temps de fonctionnement d’un four, notamment à combustion immergée, un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux dans des proportions données est fort susceptible de montrer des variations brusques et importantes de son taux d’humidité et de sa teneur en composés organiques.
En outre, la proportion de déchets minéraux dans le mélange est susceptible de varier selon les facilités ou difficultés d’approvisionnement en matières premières. Ces variations peuvent également contribuer à des variations brusques et importantes du taux d’humidité et de la teneur en composés organiques du mélange. Comme expliqué précédemment, de telles variations provoquent des perturbations importantes du bilan thermique et chimique du four. Celui-là sort de son régime stationnaire et peut basculer vers des régimes instables.
Il est aussi de pratique courante d’ajouter des combustibles organiques minéraux à base de carbone, généralement solide, au mélange 1001a de matières premières. Ces combustibles constituent une source d’énergie supplémentaire pour le four et sont souvent issus des filières de revalorisation énergétique. Le type et la quantité de combustible peuvent être très variables selon leur origine et leur disponibilité sur le marché. Un exemple typique de combustible peut être le coke de charbon ou de pétrole.
Or, il a été constaté que les systèmes d’asservissement, configurés et calibrés de manière automatique, sont en général incapables de corriger ou de compenser, de manière rapidement convergente et avec des amplitudes limitées de dépassement de consigne, les perturbations engendrées par des variations brusques et intenses du taux d’humidité et de la teneur en composés organiques ou de combustibles carbonés du mélange de matières premières.
Il demeure donc un besoin d’une méthode et d’un système permettant une calibration fiable et efficace des dispositifs d’asservissement d’un four, notamment à combustion immergée, permettant une réponse rapidement convergente en cas de variation brusques et intenses du taux d’humidité et/ou de la teneur en composés organiques ou de combustibles carbonés d’un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux.
Solution au problème technique
Dans un premier aspect de l’invention, il est fourni une méthode pour calibrer les paramètres d’un dispositif d’asservissement d’un four, de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux
- ledit four comprend au moins une cuve équipée d’au moins un moyen de chauffage, de préférence sous forme d’au moins un brûleur immergé, et au moins un dispositif d’asservissement configuré pour réguler la puissance dudit moyen de chauffage selon un température, T0, de consigne ;
- ladite cuve est adaptée à la fusion d’un mélange de matières premières ;
- ledit cuve comprend au moins un dispositif de mesure de température;
- ledit dispositif de mesure de température est configuré pour la mesure continue de la température dudit mélange de matières premières en fusion, et connecté audit dispositif d’asservissement;
ladite méthode comprend les étapes suivantes :
(a) l’introduction continue d’un mélange de matières premières de composition donnée dans la cuve;
(b) la mesure continue de la température du mélange de matières premières en fusion à l’aide du dispositif de mesure de température ;
(c) la chauffe stationnaire du mélange de matières premières en fusion selon une température, Ti, donnée ;
(d) la modification, pour une période donnée et limitée de temps, sans régulation active par le dispositif d’asservissement, d’au moins un paramètre de fonctionnement du four choisi parmi la teneur en humidité dans le mélange de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange de matières premières, la puissance du moyen de chauffage, et/ou la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés dans le mélange de matières premières ;
(e) le mesure des variations temporelles de la température, ΔT, du mélange de matières premières en fusion et de la puissance ΔP du moyen de chauffage;
(f) la modélisation, à l’aide d’un dispositif de traitement de données, du comportement thermique du four à l’aide d’une fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire avec, comme données d’entrée, les variations temporelles de la température ΔT du mélange de matières premières en fusion et du au moins un paramètre de fonctionnement modifié à l’étape (d) ;
(g) la modélisation, à l’aide d’un dispositif de traitement de données, des paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif d’asservissement appliquée à la fonction H(s) de transfert modélisée à l’étape (f).
Selon d’autres modes avantageux de réalisation :
- la fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire est modélisée à l’aide d’une fonction de transfert de réponse de premier ordre avec ou sans temps mort ;
- à l’étape (d), au moins deux paramètres, de préférence trois paramètres, sont modifiés séquentiellement ou parallèlement ;
- à l’étape (d), la teneur en humidité dans le mélange de matières premières est modifiée de sorte que la variation de la teneur en humidité dudit mélange est comprise entre 0 et 10 %, et/ou la tirée du four est modifiée de sorte que la variation relative de ladite tirée est comprise entre 0 et 2000kg/h ;
- à l’étape (d), la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés dans le mélange de matières premières est modifiée de sorte que la variation relative de ladite quantité de composés organiques ou combustibles carbonés est comprise entre 0 et 15% en poids, de préférence entre 0 et 10% en poids ;
- à l’étape (d), la puissance du moyen de chauffage est modifiée de sorte que la variation relative de ladite puissance par rapport à la puissance initiale est entre 0 et 100%, de préférence 0 et 50%, voire entre 0 et 25% ;
- le dispositif d’asservissement est un régulateur Proportionnel – Intégral – Dérivé (PID) ;
- à l’étape (g), la fonction H(s) de transfert du four prend en outre, en données d’entrées, un ensemble de valeurs simulées, I(s), des variations de la teneur en humidité dans le mélange de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange de matières premières, la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés et/ou la valeur de la température, T0, de consigne ;
- les valeurs de la teneur en humidité dans le mélange de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange de matières premières, et/ou la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés sont simulées sous la forme d’un signal aléatoire, tel qu’un bruit blanc ou un bruit rose.
La méthode selon l’invention peut être utilisée pour la calibration d’un dispositif d’asservissement d’un four, de préférence à combustion immergée pour la fusion d’un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux.
Dit autrement, l’invention concerne également l’utilisation d’une méthode selon l’invention pour la calibration d’un dispositif d’asservissement d’un four, de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux.
Dans un deuxième aspect de l’invention, il est fourni un système pour calibrer les paramètres d’un dispositif d’asservissement d’un four, de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux,
- le four comprend au moins une cuve équipée d’au moins un moyen de chauffage sous forme d’au moins un brûleur immergé ;
- la cuve est adaptée à la fusion d’un mélange de matières premières ;
ledit système comprend :
- au moins un dispositif de mesure de température, ledit un dispositif de mesure de température étant configuré pour la mesure continue de la température dudit mélange de matières premières en fusion ;
- au moins un dispositif d’asservissement configuré pour réguler la puissance dudit moyen de chauffage ; les paramètres de l’équation de transfert C(s) dudit dispositif d’asservissement étant calibrés à l’aide d’une méthode selon l’invention.
Dans un troisième aspect de l’invention, il est fourni un four, notamment à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux, dans lequel est implémenté une méthode selon le premier aspect de l’invention.
Le four, de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux, ledit four comprend :
- une première cuve adaptée à la fusion d’un mélange de matières premières et équipée d’au moins un moyen de chauffage sous forme d’au moins un brûleur immergé,
- au moins un dispositif de mesure de température configuré pour la mesure continue de la température dudit mélange de matières premières en fusion ;
- au moins un dispositif d’asservissement configuré pour réguler la puissance dudit moyen de chauffage et pour recevoir au moins une mesure continue de la température à l’aide dudit dispositif de mesure de température ; les valeurs des paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif d’asservissement étant fixées à partir de valeurs obtenues à l’aide d’une méthode de calibration selon l’invention.
Selon d’autres modes avantageux de réalisation :
- le four est tel que le moyen de chauffage est un brûleur immergé oxygène / air -carburant et le dispositif d’asservissement est en outre configuré pour réguler la puissance dudit brûleur immergé en ajustant le débit de carburant injecté dans ledit brûleur en conservant un rapport débit d’oxygène sur débit de carburant constant ;
– le four est tel que le moyen de chauffage est un brûleur immergé oxygène / air - carburant et le dispositif d’asservissement est en outre configuré pour injecter de l’oxygène ou de l’air selon un débit total constant d’oxygène ou d’air dans ledit brûleur et dans un bouillonneur, et selon un rapport débit d’oxygène ou d’air sur débit de carburant constant dans le brûleur lorsque la puissance du brûleur immergé varie.
Dans un quatrième aspect de l’invention, il est fourni une installation pour la fabrication de fibres minérales comprenant un four à combustion immergée selon le quatrième aspect de l’invention.
Avantages de l’invention
Un premier avantage remarquable de l’invention est l’obtention de valeurs optimales pour les paramètres de la fonction de transfert du dispositif d’asservissement d’un four à combustion immergée. Lorsque le four est régulé par un dispositif d’asservissement ainsi calibré, la température du four converge rapidement vers la température de consigne du four en cas de variations brusques et intenses de la température, T0, de consigne, la teneur en humidité dans le mélange 1001a de matières premières, de la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange 1001a de matières premières, et/ou de la quantité de composés organiques ou de combustibles carbonés dans le mélange 1001a de matières premières.
Un deuxième avantage remarquable est qu’il est possible de modéliser, ou encore de simuler différentes valeurs pour les paramètres de la fonction de transfert du dispositif d’asservissement et de sélectionner celles permettant une régulation optimale du four sans qu’il y ait nécessité d’implémenter physiquement des tests de perturbation sur le four pour évaluer ladite calibration. Le réglage du dispositif d’asservissement requiert donc une moindre sollicitation du four.
est une représentation schématique d’un exemple de ligne de manufacture de fibres de verre ou de roche.
est une représentation schématique en section d’un four à combustion immergée pour la fusion d’un mélange de matière premières comprenant des déchets minéraux.
est un ordinogramme d’une méthode selon le premier aspect de l’invention.
est une représentation graphique de l’évolution de la température d’un four à combustion immergée en fonction du temps après une diminution brutale de sa puissance.
est un exemple de schéma fonctionnel d’un dispositif d’asservissement selon certains modes de réalisation.
est une représentation graphique d’un exemple d’évolution temporelle de la puissance, exprimée en variation relative à la puissance de base, liée aux variations temporelles de la teneur en humidité (cadre supérieur) et de la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés (cadre inférieur).
est une représentation graphique de l’évolution temporelle de puissance (cadre inférieur) et de température (ligne continue, cadre supérieur) d’un four dont les valeurs des paramètres de la fonction de transfert de son dispositif d’asservissement sont préalablement ajustées conformément à l’invention.
est une représentation graphique de l’évolution temporelle de la température (cadre supérieur) et de la puissance (cadre central) d’un four en fonction des variations de la teneur en humidité et de la quantité de matières organiques du mélange de matières premières, et de la tirée du four.
Description détaillée de modes de réalisation
En référence à la , une ligne 1000 manufacture de fibres de verre ou de roche par la méthode de centrifugation interne comprend généralement :
- des silos 1001 pour stoker les matières premières 1001a, par exemple des composés minéraux et/ou du calcin ;
- un four 1002 de fusion de verre ou de roche pour fondre les matières premières 1001a ;
- un convoyeur 1003 pour transporter les matières premières 1001a depuis les silos 1001 jusqu’au four 1002 ;
- un ou plusieurs outils de fibrage 1005a, 1005b, 1005c alimentés en verre ou en roche en fusion 1006 ;
- un canal 1004 ouvert ou fermé d’alimentation pourvu d'ouvertures situées juste au-dessus de chaque outil de fibrage 1005a, 1005b, 1005c pour les alimenter en verre ou en roche en fusion 1006.
En référence à la , un four 1002 à combustion immergée comprend généralement au moins une cuve 2001 de fusion en réfractaire munie à sa base d’une série de brûleurs immergés 2002a-c de type comburant-carburant, par exemple oxygène-gaz, air-fuel ou oxygène-fuel. Le four 1002 est alimenté en mélange 1001a de matières premières par un convoyeur 1003 à vis via une ouverture aménagée sur sa paroi latérale. L’ouverture peut être immergée ou émergée. Les brûleurs immergés 2002a-c assurent la fusion du mélange 1001a et le brassage de la fonte 2004.
Le four 1002 peut comprendre une deuxième cuve 2005, par exemple une cuve d’affinage, dans laquelle la fonte 2004 s’écoule via une gorge 2006 aménagée à cet effet. La deuxième cuve 2005 peut être de munie d’une pluralité de brûleurs 2007 à flamme disposés au-dessus de la surface de la fonte 2004, d’électrodes immergées ou non et d’un moyen 2008 d’approvisionnement en agent affinant, oxydant et/ou réducteur. Le moyen 2088 d’approvisionnement en agent oxydant ou réducteur peut également être disposé dans la première cuve 2001.
Le séjour de la fonte 2004 dans la deuxième cuve en poursuit l’homogénéisation thermique et chimique et permet l’ajustement de son état rédox conformément aux spécifications. Au terme de ce séjour, la fonte 2004 constitue le verre ou la roche en fusion 1006 qui est ensuite acheminée vers des outils de formage, tels que des outils de fibrage 1005a-c via le canal 1004, des outils de manufacture de granulats verriers, ou encore des outils de moulage.
La cuve 2001 de fusion dispose d’un dispositif 2009 de mesure de la température, par exemple un thermocouple 2007, immergé ou non, configuré pour une mesure continue de la température, T, dudit mélange 1001a de matières premières en fusion, c’est-à-dire la fonte 2004. Le dispositif de mesure de température est généralement connecté à un dispositif d’asservissement 2010, tel qu’un régulateur Proportionnel – Intégral – Dérivé (PID), permettant la régulation du four selon une température de consigne, T0. La température de consigne, T0, peut être une valeur fixe ou un profil temporel.
Le dispositif d’asservissement 2010 est connecté aux contrôleurs (non représentés) des brûleurs immergés et en ajuste la puissance de sorte que la température, T, de la fonte 2004, atteigne la température, T0, de consigne. Dans le cas des brûleurs oxygène-carburant, la puissance des brûleurs est ajustée par variation des débits d’oxygène, de carburant et/ou du rapport de ces deux débits.
Le dispositif 2010 d’asservissement peut en outre être configuré pour contrôler la quantité ou le débit d’agent oxydant et réducteur acheminé via le moyen 2008 d’approvisionnement. Ce contrôle peut être exercé via une connexion au dispositif de commande (non représenté) du moyen 2008 d’approvisionnement. Par exemple, le moyen 2008 d’approvisionnement est un convoyeur, le dispositif de commande peut en varier la vitesse de convoyage selon une valeur de consigne fournie par le dispositif d’asservissement 2010.
En référence aux et 3, dans un premier aspect de l’invention, il est fourni une méthode 3000 pour calibrer les paramètres d’un dispositif d’asservissement 2010 d’un four 1002, de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange 1001a de matière premières comprenant des déchets minéraux,
- ledit four 1002 comprend au moins une cuve 2001 équipée d’au moins un moyen de chauffage 2002a-c, de préférence sous forme d’au moins un brûleur immergé, et au moins un dispositif 2010 d’asservissement configuré pour réguler la puissance dudit moyen de chauffage 2002a-c ;
- ladite cuve 2001 est adaptée à la fusion 2004 d’un mélange 1001a de matières premières ;
- ledit cuve 2001 comprend au moins un dispositif 2009 de mesure de température;
- ledit dispositif 2009 de mesure de température est configuré pour la mesure continue de la température dudit mélange 1001a de matières premières en fusion 2004, et connecté audit dispositif d’asservissement 2010 ;
ladite méthode 3000 comprend les étapes suivantes :
(a) l’introduction 3001 continue d’un mélange 1001a de matières premières de composition donnée dans la cuve 2001 ;
(b) la mesure 3002 continue de la température du mélange 1001a de matières premières en fusion 2004 à l’aide du dispositif 2009 de mesure de température;
(c) la chauffe 3003 stationnaire du mélange 1001a de matières premières en fusion 2004 selon une température, Ti, donnée ;
(d) la modification 3004, pour une période donnée et limitée de temps, sans régulation active par le dispositif 2010 d’asservissement, d’au moins un paramètre de fonctionnement du four 1002 choisi parmi la teneur en humidité dans le mélange 1001a de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange 1001a de matières premières, la puissance du moyen de chauffage 2002a-c, et/ou la quantité de composés organiques ou de combustibles carbonés dans le mélange 1001a de matières premières ;
(e) la mesure 3005 des variations temporelles de la température, ΔT, du mélange de matières premières 1001a en fusion 2004; 
(f) la modélisation 3006, à l’aide d’un dispositif de traitement de données, du comportement thermique du four 1002 à l’aide d’une fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire avec, comme données d’entrée, les variations temporelles de la température, ΔT, du mélange 1001a de matières premières en fusion et du au moins un paramètre de fonctionnement modifié à l’étape (d) ; 
(g) la modélisation 3007, à l’aide d’un dispositif de traitement de données, des paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif d’asservissement 2010 appliquée à la fonction H(s) de transfert modélisée à l’étape (f).
Le dispositif 2009 de mesure de température peut être un thermocouple ou un pyromètre.
Dans le cadre de l’invention, il est entendu par « combustibles carbonés » tout type de combustible organique minéral à base de carbone, de préférence solide, pouvant être ajouté au mélange 1001a de matières premières. Un exemple de combustible carboné peut être le coke de charbon ou de pétrole.
Les étapes (f) et (g) de modélisation sont généralement exécutées à l’aide d’un dispositif de traitement de données. Un exemple de dispositif peut être un dispositif configuré pour exécuter automatiquement des séquences d'opérations arithmétiques ou logiques pour réaliser des tâches ou des actions. Un tel dispositif, généralement appelé ordinateur, peut comprendre une ou plusieurs unités centrales de traitement (CPU) et au moins un dispositif de contrôle adaptés pour exécuter ces opérations.
Le dispositif peut également comprendre d'autres composants électroniques tels que des interfaces d'entrée/sortie, des dispositifs de stockage non volatils ou volatils, et des bus de communication pour le transfert de données entre les composants à l'intérieur du dispositif. L'un des dispositifs d'entrée/sortie peut être une interface utilisateur pour l'interaction homme-machine, par exemple une interface utilisateur graphique pour afficher des informations compréhensibles par l'homme.
Le dispositif de traitement des données peut avantageusement comprendre une ou plusieurs unités de traitement graphique (GPU) dont la structure parallèle les rend plus efficaces que les unités centrales de traitement dans l’exécution de calculs complexes.
L’étape (g) de modélisation du comportement thermique du four 1002 à l’aide d’une fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire permet d’avoir l’obtention d’un modèle numérique du four 1002 à partir duquel il est possible de modéliser les paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif d’asservissement 2010 sans qu’il soit nécessaire d’intervenir physiquement sur le four 1002 pour mettre en œuvre cette modélisation. En d’autres termes, la fonction H(s) de transfert fournit un modèle du four 1002 sur lequel le dispositif d’asservissement 2010 peut être appliqué, via sa fonction C(s) de transfert, afin, dans l’étape (g), de déterminer les valeurs des paramètres dudit dispositif pour une régulation optimale du four 1002.
Grâce à la méthode selon le premier aspect de l’invention, il est donc possible de modéliser, ou encore de simuler, différentes valeurs pour les paramètres de la fonction de transfert C(s) et de sélectionner celles permettant une régulation optimale du four 1002 sans qu’il y ait nécessité d’implémenter physiquement des tests sur le four 1002 pour l’évaluer. Un avantage remarquable est que le four 1002 est considérablement moins sollicité pour le réglage du dispositif d’asservissement 2010.
Dans l’étape (f), le comportement thermique du four 1002 est modélisé à l’aide d’une fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire.
Selon un exemple de mode de réalisation, l’équilibre thermique du four 1002 peut être modélisé à l’aide de l’équation suivante :
où T est la température du four 1002 y compris la fonte 2004, t est le temps, M est la masse du four 1002 y compris la fonte 2004 qu’il contient, cp est la capacité thermique massique du four y compris la fonte 2004, P(t) est la puissance du moyen de chauffe à l’instant t, φ est la puissance nécessaire pour fondre le mélange 1001a de matières premières selon une vitesse d’enfournement donnée, et I(t) = δ(t) + Ω(t) est la variation instantanée de puissance liée aux variations temporelles de la teneur, δ(t), en humidité δ et de la quantité Ω(t) de composés organiques ou combustibles carbonés dans le mélange 1001a de matières premières.
La puissance I(t) peut comprendre en outre les variations temporelles de la tirée ψ(t) du four et/ou la vitesse v(t) d’enfournement du mélange 1001a de matières premières.
Généralement, dans le cas de transferts thermiques de type convectif, la puissance φ varie proportionnellement à l’écart entre la température T(t) du four 1002 y compris la fonte 2004 à l’instant t et une température dite fictive Tp de couche limite. La température Tp de couche limite peut être interprétée comme une température représentative de la température de la fonte 2004 à proximité des parois du four 1002 et du mélange 1001a de matières premières non fondues. La puissance φ peut alors être estimée à l’aide de la relation suivante :
où β et Tp sont des constantes inconnues a priori.
En posant x(t) = T(t) – T0 et u(t)=P(t) – P0, avec T0 la température de consigne et P0 la puissance de base pour atteindre la température T0 de consigne sans perturbation, c’est-à-dire avec I(t) = 0, une fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire dans le domaine de Laplace peut être :
avec
et
A l’état initial, c’est-à-dire avant toute perturbation du four 1002, la température, T(t), du four 1002 suit la température de consigne, T0, soit T(t) = T0pour la puissance de base, P0 :
Et
Les grandeurs M, cp, Tp et β ne sont généralement pas connues et dépendent de la structure du four 1002, de ses matériaux constitutifs, de la nature chimique de la fonte 2004 et de sa quantité. β dépend également de la vitesse d’enfournement du mélange 1001a de matières premières.
Conformément au premier aspect de l’invention, la modélisation du comportement thermique du four 1002 est modélisé à l’aide de la fonction H(s) de transfert avec, comme données d’entrée, les variations temporelles de la température ΔT du mélange 1001a de matières premières en fusion et du paramètre de fonctionnement modifié à l’étape (d). Les variations temporelles de la température ΔT du mélange 1001a de matières premières en fusion et du paramètre de fonctionnement modifié à l’étape (d) peuvent être interprétés comme les conséquences d’une perturbation introduite par la modification, à l’étape (d), d’au moins un paramètre de fonctionnement du four. L’exploitation de cette perturbation permet de calculer les paramètres de la fonction H(s) de transfert, notamment la constante γ et la température Tp.
Selon certains modes de réalisation, la fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire est modélisée à l’aide d’une fonction de transfert de réponse de premier ordre avec ou sans temps mort.
Généralement, les fours à combustion immergée présentent une certaine inertie et lorsqu’un de leurs paramètres de fonctionnement est brusquement modifié, sous la forme d’une impulsion, la réponse dudit four 1002 n’est pas immédiate. Le four 1002 montre un délai de réponse à la perturbation.
Selon un exemple de mode de réalisation, pour une réponse impulsionnelle en puissance, par exemple à la suite d’une variation brusque de puissance sous la forme d’un pas unitaire U(s)=∆P/s, et une variation nulle, ΔI= Δδ + ΔΩ = 0, de la teneur en humidité et de la quantité de composés organiques, la réponse peut être écrite sous la forme :
Où ΔP = P1 – P0 est la variation, sous la forme d’un pas unitaire, de la puissance P0 initiale à la puissance P1 différente de P0.
Dans le domaine temporel, cette fonction a pour expression, pour t > 0 :
Les valeurs des paramètre γ et Tp peuvent être obtenues en procédant à un ajustement de fonction f(t) sur les variations temporelles de la température ΔT du mélange 1001a de matières premières en fusion et de la puissance ΔP du moyen de chauffage 2002a-c.
A l’étape (d), pour une période donnée et limitée de temps, sans régulation active par le dispositif 2010 d’asservissement, est modifié au moins un paramètre de fonctionnement du four 1002 choisi parmi la teneur en humidité dans le mélange 1001a de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange 1001a de matières premières, la puissance, du moyen de chauffage 2002a-c, et/ou la quantité de composés organiques ou de combustibles carbonés dans le mélange 1001a de matières premières.
Le nombre et la nature des paramètres de fonctionnement à modifier dépend de la composition du mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux et de la précision recherchée pour la calibration des paramètres d’asservissement.
Selon certains modes de réalisation, à l’étape (d), au moins deux paramètres, voire au moins trois paramètres, de fonctionnement sont modifiés séquentiellement ou parallèlement. La modification d’au moins deux, voire trois paramètres, est généralement suffisante pour une modélisation représentative du comportement thermique d’un four, notamment à combustion immergée et, in fine, une modélisation précise des paramètres de la fonction de transfert du dispositif 2010 d’asservissement pour une régulation efficace.
Comme discuté précédemment, les taux d’humidité et la teneur en composés organiques ou en combustibles carbonés des déchets minéraux peuvent être très variables selon leur origine et leurs conditions de stockage. Au cours du temps de fonctionnement d’un four à combustion immergée, un mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux dans des proportions données peut montrer des variations brusques et importantes de son taux d’humidité et de sa teneur en composés organiques ou en combustibles carbonés.
Ainsi, selon certains modes de réalisation, à l’étape (d), la teneur en humidité dans le mélange 1001a de matières premières est modifiée de sorte que la variation de la teneur en humidité dudit mélange est comprise entre 0 et 10 %, et/ou la tirée du four est modifiée de sorte que la variation relative de ladite tirée est comprise entre 0 et 2000kg/h.
Ces intervalles de variation en tirée des fours et en teneur en humidité des mélanges de matière premières comprenant des déchets minéraux permettent une calibration efficace des dispositifs d’asservissement des fours, notamment à combustion immergée.
Selon certains modes de réalisation, le four 1002 peut comprendre au moins un moyen 2011 de mesure de l’humidité dudit mélange 1001a de matières premières. Ce moyen peut être tout type de capteur d’humidité adapté à la mesure de l’humidité du mélange 1001a de matières premières. Il peut être disposé au niveau du convoyeur 1003 juste avant l’enfournement, ou encore, plus en amont, dans les silos 1001 de stockage. Le moyen 2011 de mesure de l’humidité permet une mesure précise de la variation de la teneur en humidité du mélange 1001a à l’étape (d).
Selon d’autres modes de réalisation, à l’étape (d), la quantité de composés organiques dans le mélange 1001a de matières premières est modifiée de sorte que la variation relative de ladite quantité de composés organiques ou combustibles carbonés est comprise entre 0 et 15% en poids, de préférence entre 0 et 10% en poids.
Ces intervalles de variation en quantité de composés organiques permettent une modélisation de la fonction H(s) de transfert du four 1002 et, ensuite, de la fonction de transfert C(s) du dispositif 2010 d’asservissement qui, lorsque cette dernière est à terme implémentée dans un dispositif 2010 entraîne une convergence rapide de la température du four 1002 à la température de consigne en cas de variation brusques et intenses de la teneur en composés organiques ou en combustibles carbonés du mélange de matières premières comprenant des déchets minéraux.
Selon d’autres modes de réalisation, complémentaires ou non, à l’étape (d), la puissance du moyen de chauffage (2002a-c) est modifiée de sorte que la variation relative de ladite puissance par rapport à la puissance initiale est entre 0 et 100%, de préférence 0 et 50%, voire entre 0 et 25%.
A titre d’exemple illustratif, la représente l’évolution de la température (ligne en pointillés) d’un four à combustion immergée en fonction du temps après l’introduction de 5,7% massique de coke dans un mélange 1001a de matières premières suivi d’une diminution brutale de la puissance du four de 287kW à 173kW. A l’introduction du coke, en raison de l’énergie libérée par sa combustion, la température du four 1002, initialement à T0= 1175°C, a augmenté pour atteindre 1288°C. Sur la , le temps t=0 correspond au moment où la puissance est brutalement diminuée, sous la forme d’un pas unitaire, de 287kW à 173kW. L’évolution de la température est représentée par les figurés en forme de points.
La réponse f(t) précédemment décrite pour une réponse impulsionnelle peut s’écrire avec P0 = 287kW, P1 = 173kW et T0 = 1175°C :
Pour déterminer les valeurs des paramètres Tp et γ, la réponse f(t) peut être ajustée sur les données de la à l’aide d’une méthode des moindres carrés avec Tp et γ comme paramètres d’ajustement. L’ajustement optimal, illustré sur la par la ligne pleine, permet d’obtenir les valeurs suivantes pour les paramètres Tp et γ :
La fonction H(s) de transfert permettant de modéliser le comportement thermique dans le présent exemple peut donc s’écrire :
Et la grandeur Mcp, représentant la capacité thermique du four 1002 indépendante de sa masse, peut être calculée :
A l’étape (g), les paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif d’asservissement 2010 sont modélisés en l’appliquant à la fonction H(s) de transfert du four 1002, obtenue à l’étape (f).
Une fois le comportement thermique du four 1002 modélisé à l’aide de la fonction H(s) de transfert, il est possible de modéliser les paramètres de la fonction C(s) de transfert du dispositif d’asservissement 2010 appliquée à la fonction H(s) de transfert du four.
Cette modélisation peut notamment être mise en œuvre par simulation afin de déterminer de manière ex-situ les valeurs optimales des paramètres de la fonction C(s) de transfert pour une régulation efficace du four 1002. Les logiciels de calcul numérique tels que Matlab ou Scilab mettent à disposition des fonctions et algorithmes adaptées à ce type de simulation.
En référence à la , un exemple de modélisation peut consister en boucle itérative d’optimisation dans laquelle les paramètres de la fonction C(s) de transfert du dispositif d’asservissement sont ajustés jusqu’à ce que la puissance P de consigne calculée par ladite fonction C(s) à partir d’un écart ε entre la température T du four 1002 et une température T0 de consigne pour ledit four 1002 permet au four 1002 d’atteindre ladite température T0 de consigne lorsque ladite puissance P augmentée de la puissance I(s) est fournie, en donnée d’entrée, à la fonction H(s) de transfert du four 1002. I(s) = δ(s) + Ω(s) est la variation instantanée de puissance liée aux variations temporelle de la teneur, δ(s), en humidité δ et de la quantité Ω(s) de composés organiques ou combustibles carbonés dans le mélange 1001a de matières premières.
Lors de l’exécution de la boucle itérative d’exécution, les paramètres de la fonction C(s) de transfert du dispositif d’asservissement 2010 peuvent être ajustés manuellement, à l’aide d’une méthode d’ajustement telle que la méthode Ziegler–Nichols, la méthode Cohen-Coon, la méthode Åström–Hägglund, ou encore automatiquement à l’aide d’une méthode d’optimisation numérique.
Avec la fonction H(s) de transfert de l’exemple de la , le diagramme de la peut, par exemple, se transcrire à l’aide de la formule suivante :
Avec ε(t) = - x(t). D’où :
Selon des modes préférés de réalisation, le dispositif 2010 d’asservissement est un régulateur Proportionnel – Intégral – Dérivé (PID).
La fonction C(s) de transfert du dispositif d’asservissement 2010 peut s’écrire dans le domaine de Laplace :
ou Kp, Ki et Kd sont respectivement les paramètres ou gains proportionnel, intégral, et dérivé.
Selon une autre écriture, la fonction C(s) de transfert peut avoir la forme suivante :
où τiet τd sont respectivement les constantes de temps d’intégration et de dérivé et, τi = Kp/Ki = KpTi et τd =Kd/Kp = Td/Kp.
Il a été constaté que, dans la plupart des fours industriels, les mesures de température, T, du mélange 1001a de matières premières en fusion 2004 peuvent être affectées d’un bruit important. Afin d’éviter les divergences de régulation, il peut être avantageux de négliger le terme dérive de la fonction C(s) de transfert sans qu’il y ait d’incidence notoire sur les performances de régulation du dispositif d’asservissement.
La fonction C(s) peut alors s’écrire :
Ou encore
La fonction C(s) de transfert permet de calculer, en temps réel, un gain pour la correction de la consigne des régulateurs de puissance du moyen 2002a-c de chauffage sous forme d’au moins un brûleur immergé. L’unité du gain dépend du type de régulateur utilisé. Par exemple, dans le cas d’un brûleur immergé, il peut correspondre à un pourcentage du débit de combustible, par exemple, un débit volumique de gaz, injecté dans le brûleur. La valeur du débit peut être liée à un niveau de puissance du brûleur selon une relation linéaire.
A partir de l’exemple précédent, la valeur de consigne en sortie du dispositif 2010 d’asservissement peut s’écrire selon la relation suivante :
La puissance, P, de consigne en entrée du four 1002 peut s’écrire :
La modélisation des paramètres, Kp et τide la fonction C(s) de transfert du dispositif d’asservissement 2010 peut alors consister à en ajuster les valeurs qui minimisent les variations temporelles de température dans une simulation du système en régulation.
Cet ajustement peut être réalisé manuellement, à l’aide d’une méthode d’ajustement telle que la méthode Ziegler–Nichols, la méthode Cohen-Coon, la méthode Åström–Hägglund, ou encore automatiquement à l’aide d’une méthode d’optimisation numérique.
Pour l’exemple de la et une fréquence α de mesure du dispositif 2009 de mesure de température fixée supérieure à γ, soit α = 1 Hz, il s’agit d’ajuster par itération les valeurs des paramètres, Kp et τide manière à obtenir x(t) proche de zéro dans le temps. L’avantage est qu’il est possible d’évaluer la stabilité, dans le temps, du four en cours de régulation lorsqu’il est soumis à des perturbations dites usuelles pour les applications dans le domaine verrier. Un autre avantage est la possibilité de la prise en compte, lors de la modélisation, de la fréquence d’échantillonnage du dispositif 2009 de mesure de la température.
Selon certains modes de réalisation, à l’étape (g), la fonction H(s) de transfert du four 1002 prend en outre, en données d’entrées, un ensemble de valeurs simulées, I(s), des variations de la teneur en humidité dans le mélange 1001a de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange 1001a de matières premières, la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés et/ou la valeur de la température, T0, de consigne.
Selon certains modes préférés de réalisation, les valeurs de la teneur en humidité dans le mélange 1001a de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange 1001a de matières premières, et/ou la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés sont simulées sous la forme d’un signal aléatoire, tel qu’un bruit blanc ou un bruit rose.
Selon un exemple de modélisation des paramètres, Kp et τide la fonction C(s) de transfert du dispositif d’asservissement pour l’exemple des et 5, en référence à la , les variations instantanées, exprimées en variations relatives δ(t) et Ω(t), de la puissance I(t) = δ(t) + Ω(t) liée aux variations temporelles de la teneur en humidité (cadre supérieur) et de la quantité Ω de composés organiques ou combustibles carbonés (cadre inférieur) sont d’abord générées sous la forme d’un bruit rose. Les valeurs des paramètres Kp et τi sont ensuite ajustées manuellement par itération de manière à obtenir une température proche de la température de consigne au cours du temps.
Sur la , sont représentées les variations correspondantes de puissance (cadre inférieur) et de température (ligne continue, cadre supérieur) du four 1002 obtenues avec les valeurs ajustées des paramètres Kp et τisuivantes :
La montre que ces valeurs de paramètres Kp et τi permettent un asservissement efficace de la température T (ligne continue, cadre supérieur) du four 1002 à la température T0 de consigne (ligne discontinue, cadre supérieur) sur l’ensemble de variations instantanées de la puissance I(s) de la .
Afin de valider la performance d’un dispositif d’asservissement calibrés avec les valeurs des paramètres Kp et τiainsi ajustées, celles-là ont été implémentées dans le dispositif d’asservissement d’un four industriel présentant la même fonction H(s) de transfert que celle de l’exemple des et 5. Le four industriel, fonctionnant en conditions réelles et industrielles, a ensuite été soumis à des variations brutales de la température, T0, de consigne, de sa tirée, de la teneur en humidité et de la quantité de matières organiques ou combustibles carbonés, tels que coke, contenus du mélange de matières premières.
Le comportement du four ainsi soumis à de telles variations est représenté sur la . Dans le cadre supérieur, est représentée l’évolution temporelle de la température (cadre supérieur, ligne continue) du four et de la température T0 de consigne (ligne en pointillés). Dans le cadre central, est représentée l’évolution temporelle de la puissance du four. Dans le cadre inférieur sont représentées les variations brutales de la tirée (ligne en tirets) du four, de la teneur en humidité (ligne continue) et de la quantité de matières organiques ou combustibles carbonés (ligne en pointillées) du mélange de matières premières.
La , cadre supérieur, montre une convergence rapide de la température (ligne continue) du four à la température T0 de consigne (ligne en pointillés) quelle que soit la nature et la simultanéité des variations (cadre inférieur).
Une variation brutale de la teneur δ en humidité (ligne continue) provoque une faible perturbation de la puissance (cadre central) et la température (ligne continue) du four s’écarte peu de la température T0 de consigne (ligne en pointillés). Les variations brutales de la tirée ψ (cadre inférieur ligne en tirets) du four après 5h et peu avant 15h provoquent des variations brutales de puissance (cadre central), et la température (ligne continue), après une première dérive, converge très rapidement vers la température T0 de consigne (ligne en pointillés). La variation brutale de la quantité Ω de matières organiques ou combustibles carbonés (cadre inférieur ligne en pointillées) vers 17h entraîne des variations fréquentes de puissance qui sont rapidement compensés.
En outre, le dispositif d’asservissement est capable de compenser les variations brusques et simultanées, après 07h30 et 19h00 de la température T0 de consigne (cadre supérieur, ligne en pointillés), de la tirée (cadre inférieur ligne en tirets) du four, de la teneur en humidité (cadre inférieur ligne continue) et de la quantité de matières organiques ou combustibles carbonés (cadre inférieur ligne en pointillées).
Les essais de la démontrent que la présente invention permet une calibration efficace et robuste d’un dispositif d’asservissement d’un four à combustion immergée. Le dispositif 2010 d’asservissement permet une compensation rapide des variations brusques et intenses de température, T0, de consigne (variations de 40°C sur la figure), de la teneur en humidité dans le mélange 1001a de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange 1001a de matières premières, et/ou la quantité de composés organiques dans le mélange 1001a de matières premières. La température du four 1002 converge rapidement à la température de consigne avec des amplitudes de dépassement de consigne très limitées dans le temps quelle que soit la nature et la simultanéité des variations.
Tous les modes de réalisation du premier aspect de l’invention sont combinables.
La méthode selon le premier aspect de l’invention peut avantageusement être utilisée pour la calibration d’un dispositif 2010 d’asservissement 2010 d’un four 1002, de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange 1001a de matières premières comprenant des déchets minéraux.
Selon un deuxième aspect de l’invention, en référence aux et 3, il est fourni un système pour calibrer les paramètres d’un dispositif d’asservissement 2010 d’un four 1002, de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange 1001a de matière premières comprenant des déchets minéraux,
- le four 1002 comprend au moins une cuve 2001 équipée d’au moins un moyen de chauffage 2002a-c sous forme d’au moins un brûleur immergé ;
- la cuve 2001 est adaptée à la fusion 2004 d’un mélange 1001a de matières premières ;
ledit système comprend :
- au moins un dispositif 2009 de mesure de température, ledit un dispositif 2009 de mesure de température étant configuré pour la mesure continue de la température dudit mélange 1001a de matières premières en fusion 2004 ;
- au moins un dispositif 2010 d’asservissement configuré pour réguler la puissance dudit moyen de chauffage 2002a-c ; les paramètres de l’équation de transfert C(s) dudit dispositif 2010 d’asservissement étant calibrés à l’aide d’une méthode selon l’un des quelconques modes de réalisation du premier aspect de l’invention.
Selon un troisième aspect de l’invention, il est fourni un four 1002, de préférence à combustion immergée, pour la fusion 2004 d’un mélange 1001a de matière premières comprenant des déchets minéraux, ledit four 1002 comprend :
- une première cuve 2001 adaptée à la fusion 2004 d’un mélange de matières premières et équipée d’au moins un moyen 2002a-c de chauffage sous forme d’au moins un brûleur immergé,
- au moins un dispositif 2009 de mesure de température pour la mesure continue de la température dudit mélange 1001a de matières premières en fusion 2004 ;
- au moins un dispositif 2010 d’asservissement configuré pour réguler la puissance dudit moyen 2002a-c de chauffage et pour recevoir au moins une mesure continue de la température à l’aide dudit un dispositif 2009 de mesure de température ; les valeurs des paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif 2010 d’asservissement étant fixées à partir de valeurs obtenues à l’aide d’une méthode de calibration selon l’un des quelconques modes de réalisation du premier aspect de l’invention.
La méthode de calibration permettant de déterminer les valeurs des paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif 2010 d’asservissement peut être mise en œuvre à l’aide d’un système selon le deuxième aspect de l’invention.
De même que pour le premier aspect de l’invention, le four 1002 peut comprendre au moins un moyen 2011 de mesure de l’humidité dudit mélange 1001a de matières premières.
Selon certains modes de réalisation, le moyen 2002a-c de chauffage est un brûleur immergé oxygène / air-carburant et le dispositif 2010 d’asservissement est en outre configuré pour réguler la puissance dudit brûleur immergé en ajustant le débit de carburant injecté dans ledit brûleur en conservant un rapport débit d’oxygène sur débit de carburant constant.
Selon certains modes alternatifs de réalisation, le moyen 2002a-c de chauffage est un brûleur immergé oxygène / air - carburant et le dispositif 2010 d’asservissement est en outre configuré pour injecter de l’oxygène ou de l’air selon un débit total constant d’oxygène ou d’air dans ledit brûleur et dans un bouillonneur, et selon un rapport débit d’oxygène ou d’air sur débit de carburant constant dans le brûleur lorsque la puissance du brûleur immergé varie.
Dans un quatrième aspect de l’invention, il est fourni une installation pour la fabrication de fibres minérales, telle qu’une ligne de manufacture de fibres de verre ou de roche, comprenant un four 1002 selon l’un des quelconques modes de réalisation du troisième aspect de l’invention.
La présente invention, dans tous ses aspects, peut être mise en œuvre, sans y être limitée, dans de nombreux procédés et lignes de manufacture de produits verriers tels que, par exemple, la laine de verre, la laine de roches, les fibres de verre textiles, le verre plat ou le verre creux.
Liste des références Littérature brevet
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Claims (15)

  1. Méthode (3000) pour calibrer les paramètres d’un dispositif d’asservissement (2010) d’un four (1002), de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange (1001a) de matières premières comprenant des déchets minéraux,
    - ledit four (1002) comprend au moins une cuve (2001) équipée d’au moins un moyen de chauffage (2002a-c), de préférence sous forme d’au moins un brûleur immergé, et au moins un dispositif (2010) d’asservissement configuré pour réguler la puissance dudit moyen de chauffage (2002a-c) selon un température, T0, de consigne ;
    - ladite cuve (2001) est adaptée à la fusion (2004) d’un mélange (1001a) de matières premières ;
    - ledit cuve (2001) comprend au moins un dispositif (2009) de mesure de température;
    - ledit dispositif (2009) de mesure de température est configuré pour la mesure continue de la température dudit mélange (1001a) de matières premières en fusion (2004), et connecté audit dispositif d’asservissement (2010) ;
    ladite méthode (3000) comprend les étapes suivantes :
    (a) l’introduction (3001) continue d’un mélange (1001a) de matières premières de composition donnée dans la cuve (2001) ;
    (b) la mesure (3002) continue de la température du mélange (1001a) de matières premières en fusion (2004) à l’aide du dispositif (2009) de mesure de température ;
    (c) la chauffe (3003) stationnaire du mélange (1001a) de matières premières en fusion (2004) selon une température, Ti, donnée ;
    (d) la modification (3004), pour une période donnée et limitée de temps, sans régulation active par le dispositif (2010) d’asservissement, d’au moins un paramètre de fonctionnement du four (1002) choisi parmi la teneur en humidité dans le mélange (1001a) de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange (1001a) de matières premières, la puissance du moyen de chauffage (2002a-c), et/ou la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés dans le mélange (1001a) de matières premières ;
    (e) le mesure (3005) des variations temporelles de la température, ΔT, du mélange de matières premières (1001a) en fusion (2004) et de la puissance ΔP du moyen de chauffage (2002a-c) ; 
    (f) la modélisation (3006), à l’aide d’un dispositif de traitement de données, du comportement thermique du four (1002) à l’aide d’une fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire avec, comme données d’entrée, les variations temporelles de la température ΔT du mélange (1001a) de matières premières en fusion et du au moins un paramètre de fonctionnement modifié à l’étape (d) ; 
    (g) la modélisation (3007), à l’aide d’un dispositif de traitement de données, des paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif d’asservissement (2010) appliquée à la fonction H(s) de transfert modélisée à l’étape (f).
  2. Méthode (3000) selon la revendication 1, telle que la fonction H(s) de transfert de chaleur non-stationnaire est modélisée à l’aide d’une fonction de transfert de réponse de premier ordre avec ou sans temps mort.
  3. Méthode (3000) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, telle que, à l’étape (d), au moins deux paramètres, de préférence trois paramètres, sont modifiés séquentiellement ou parallèlement.
  4. Méthode (3000) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, telle que, à l’étape (d), la teneur en humidité dans le mélange (1001a) de matières premières est modifiée de sorte que la variation de la teneur en humidité dudit mélange est comprise entre 0 et 10 %, et/ou la tirée du four est modifiée de sorte que la variation relative de ladite tirée est comprise entre 0 et 2000kg/h.
  5. Méthode (3000) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, telle que, à l’étape (d), la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés dans le mélange (1001a) de matières premières est modifiée de sorte que la variation relative de ladite quantité de composés organiques ou combustibles carbonés est comprise entre 0 et 15% en poids, de préférence entre 0 et 10% en poids.
  6. Méthode (3000) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, telle que, à l’étape (d), la puissance du moyen de chauffage (2002a-c) est modifiée de sorte que la variation relative de ladite puissance par rapport à la puissance initiale est entre 0 et 100%, de préférence 0 et 50%, voire entre 0 et 25%.
  7. Méthode (3000) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, telle que le dispositif (2010) d’asservissement est un régulateur Proportionnel – Intégral – Dérivé (PID).
  8. Méthode (3000) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, telle que, à l’étape (g), la fonction H(s) de transfert du four (1002) prend en outre, en données d’entrées, un ensemble de valeurs simulées, I(s), des variations de la teneur en humidité dans le mélange (1001a) de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange (1001a) de matières premières, la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés et/ou la valeur de la température, T0, de consigne.
  9. Méthode (3000) selon la revendication 8, telle que les valeurs de la teneur en humidité dans le mélange (1001a) de matières premières, la tirée du four, la vitesse d’enfournement du mélange (1001a) de matières premières, et/ou la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés sont simulées sous la forme d’un signal aléatoire, tel qu’un bruit blanc ou un bruit rose.
  10. Utilisation d’une méthode (3000) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 pour la calibration d’un dispositif (2010) d’asservissement d’un four (1002), de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange (1001a) de matières premières comprenant des déchets minéraux.
  11. Système pour calibrer les paramètres d’un dispositif d’asservissement (2010) d’un four (1002), de préférence à combustion immergée, pour la fusion d’un mélange (1001a) de matière premières comprenant des déchets minéraux,
    - le four (1002) comprend au moins une cuve (2001) équipée d’au moins un moyen de chauffage (2002a-c) sous forme d’au moins un brûleur immergé ;
    - la cuve (2001) est adaptée à la fusion (2004) d’un mélange (1001a) de matières premières ;
    ledit système comprend :
    - au moins un dispositif (2009) de mesure de température, ledit un dispositif (2009) de mesure de température étant configuré pour la mesure continue de la température dudit mélange (1001a) de matières premières en fusion (2004) ;
    - au moins un dispositif (2010) d’asservissement configuré pour réguler la puissance dudit moyen de chauffage (2002a-c) ; les paramètres de l’équation de transfert C(s) dudit dispositif (2010) d’asservissement étant calibrés à l’aide d’une méthode (3000) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
  12. Four (1002), de préférence à combustion immergée, pour la fusion (2004) d’un mélange (1001a) de matières premières comprenant des déchets minéraux, ledit four (1002) comprend :
    - une première cuve (2001) adaptée à la fusion (2004) d’un mélange de matières premières et équipée d’au moins un moyen (2002a-c) de chauffage sous forme d’au moins un brûleur immergé,
    - au moins un dispositif (2009) de mesure de température configuré pour la mesure continue de la température dudit mélange (1001a) de matières premières en fusion (2004) ;
    - au moins un dispositif (2010) d’asservissement configuré pour réguler la puissance dudit moyen (2002a-c) de chauffage et pour recevoir au moins une mesure continue de la température à l’aide dudit dispositif (2009) de mesure de température ; les valeurs des paramètres de la fonction de transfert C(s) du dispositif (2010) d’asservissement étant fixées à partir de valeurs obtenues à l’aide d’une méthode (3000) de calibration selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
  13. Four (1002) selon la revendication 12, tel que le moyen (2002a-c) de chauffage est un brûleur immergé oxygène / air -carburant et le dispositif d’asservissement est en outre configuré pour réguler la puissance dudit brûleur immergé en ajustant le débit de carburant injecté dans ledit brûleur en conservant un rapport débit d’oxygène sur débit de carburant constant.
  14. Four selon l’une revendication 12, tel que le moyen (2002a-c) de chauffage est un brûleur immergé oxygène / air - carburant et le dispositif (2010) d’asservissement est en outre configuré pour injecter de l’oxygène ou de l’air selon un débit total constant d’oxygène ou d’air dans ledit brûleur et dans un bouillonneur, et selon un rapport débit d’oxygène ou d’air sur débit de carburant constant dans le brûleur lorsque la puissance du brûleur immergé varie.
  15. Installation pour la fabrication de fibres minérales comprenant un four (1002) à combustion immergée selon l’une quelconque des revendications 12 à 14.
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