Brevet FR2292190A1 — publié le 19760618

La présente invention a pour objet un procédé pour améliorer les conditions de combustion dans les installations thermiques industrielles ou domestiques, utilisant tout combustible liquide, gazeux ou solide, pour réaliser une combustion contrôlée, en atmosphère oxydante, neutre ou réductrice pratiquement non polluante par les imbrûlés solides et moins corrosive pour les installations. Les conditions idéales d'une combustion complète exigent d'une part des proportions pondérales stoechiométriques combustible/ comburant, et d'autre part des caractéristiques chimiques, thermiques et physiques constantes du combustible et du comburant. Or, le comburant généralement utilisé, c' est-a-dire l'air atmosphérique, présente dans le temps des variations de pression, de température, et de degré hygrométrique entrafnant des variations de masse volumique des constituants air sec et vapeur d'eau.On constate, par exemple, en climat tempéré, que dans l'air atmosphérique utilisé comme comburant, les réglages de combustion étant constants, le poids d'air sec débité dans un brûleur a allure de chauffe constante est d'environ 10 % plus faible en été qu'en hiver alors que corrélativement le poids de vapeur d'eau dans l'air atmosphérique augmente, en été, de l'ordre de 500 %. En effet, le tableau I suivant montre les variations de la masse volumique de l'air atmosphérique à -5 C et a 250C. Tableau I Caractéristiques de l'air atmosphérique saturé en vapeur d'eau Température Poids du m3 Poids du m3 Poids de vapeur d'eau d'air atm. d'air sec dans 1 m3 d'air atm. a) -50C 1.315,5gr 1.312 gr 3,5 gr b) 25 C 1.171 gr 1.148 gr 23 gr Rapport b 89 % 87 % 650 % env. a De plus, les variations de pression atmospherique entrainent une variation proportionnelle de la masse volumique de l'air humide, d'où une variation du poids de l'air sec débité au brûleur de plus de 15 %. La masse volumique de l'air sec dans l'air atmosphérique varie donc en fonction de la pression atmosphérique, de la température et du degré hygrométrique. Pour réaliser les conditions optima de combustion con trôlée, but de l'invention, on effectue un dosage pondéral sous pression atmosphérique de l'air sec comburant en opérant comme suit - d'une part, on réchauffe l'air atmosphérique à une température constante supérieure au point de rosée et au moins égale à la température maximum de l'air atmosphérique pendant la campagne de fonctionnement de l'installation thermique. - d'autre part, corrélativement, an maintient son degré hygrométrique au-dessous de la saturation, et en rapport avec la température optima déterminée en fonction de la nature de l'installation, du mode de combustion oxydante ou réductrice, et de la température de régime de l'intallation thermique considérée. Le procédé comporte donc les étapes essentielles suivantes - Notation à titre de référence de base, à partir des tables préétablies comme on peut le voir fig. 4, des caractéristiques de l'air : température~maximum de l'été, degré hygrométrique correspondant sous pression atmosphérique - Détermination des caractéristiques équivalentes du mélange apport d'air extérieur et air réchauffé avant aspiration du comburant - Correction de la température par réchauffage de l'air de combustion avant aspiration dans le brûleur à une température constante supérieure au point de rosée et au moins égale à la température maximum de la campagne de fonctionnement de l'installation thermique - Réglage corrélatif du degré hygrométrique de l'air de combustion au-dessous de la saturation mais correspondant à la température optima choisie, par injection d'eau ou de vapeur - Traitement thermique de l'air de caractéristiques constantes selon les procédés classiques de chauffe avant injection dans les brûleurs. Dans les climats tempérés, les caractéristiques optima de l'air de combustion sont voisines de 500C maximum et 50 % de degré hygrométrique. Le contrôle et le réglage automatique des caractéris tiques de l'air de combustion ou de l'air extérieur peuvent être réalisés à tout instant par des appareils connus tels que psy chromètres, hygromètres, thermomètres, thermocouples, baromètres et tous appareils de régulation automatique à réponse rapide. Le réchauffage de l'air comburant est de préférence réalisé par récupération de chaleur, ou le cas échéant par géné rateur thermique. L'apport de vapeur d'eau dans le comburant se fait sous forme de vapeur d'eau saturée sèche, ou d'eau dans le cas où on dispose dtair récupéré très chaud. L'action favorable de la vapeur d'eau sur la qualité de la combustion a déjà été demontrée de longue date, par la production industrielle de gaz à l'eau et plus récemment par l'explication du phénomène d'hydrocraquage par réduc tion de la vapeur d'eau par le carbone à des températures relati vement faibles Cette action entrain la suppression presque totale des imbrûlés solides, même en combustion réductrice, contribution non négligeable dans la lutte antipollution. L'intérêt de la récupération de chaleur pour réchauffer l'air de combustion et l'amélioration du rendement thermique rendent le procédé particulièrement intéressant dans une période de pénurie d'énergie. Un autre avantage de l'invention tient à la diminution très sensible de l'excès d'air et par conséquent de la corrosion sdue à l'oxydation du soufre dans les installations thermiques. Enfin, l'application du procédé apporte une simplifi cationdans les dispositifs de régulation pour limiter l'excès d'air prévu dans les installations classiques. Le procédé de dosage pondéral de l'air de combustion par fixation de ses caractéristiques de température et de degré hygro métrique est illustré dans les exemples et figures suivants donnés à titre indicatif mais non limitatif. Les figures 1, 2 et 3 représentent les schémas des ins tallations respectives aux exemples 1, 2 et 3. La figure 4, donne les courbes permettant d'établir les caractéristiques thermiques et hydriques de l'air humide rapportées au Kg d'air sec pour une pression totale de 760 mm de mercure = 1,033 Kg/cm2 . On peut ainsi sur ces courbes déterminer en fonction de la température et de l'état hygrométrique: 10) la chaleur totale en kilocalories contenue dans un mélange d'air et de vapeur d'eau où le poids de l'air sec est de 1Kg. 20) le poids de vapeur d'eau contenu à différentes températures et différents états hygrométriques dans un mélange d'air et de vapeur d'eau ou le poids de l'air sec est de 1Kg. 30) le poids spécifique d'un volume d'air humide de température et d'état hygrométrique déterminés. Par exemple à 650C et pour une saturation de 30 % l'air humide possède une chaleur totale de 46,7 Kcal , cette chaleur se rapportant à un volume d'air humide contenant 1Kg d'air sec et 50g de vapeur d'eau le poids spécifique de cet air humide est de 1,015 Kg/m par suite le volume de l'air humide contenant 1 Kg d'air sec est de 1,050 = 1,034 m3 1,015 40) la pression de vapeur à différentes températures et différents états hygrométriques, la dite vapeur étant contenue dans un volume d'air humide où le poids de l'air sec est de 1 Kg. EXEMPLE 1 Installation à régime constant disposant d'air chaud haute température de récupération. Le dispositif représenté dans le fig. I peut s'appliquer à des fours de sidérurgie, des fours de verrerie, de fours de fusion et à des hauts-fourneaux. Le dispositif de préparation de l'air comburant comprend une chambre, 1,dans laquelle est effectué le mélange : air chaudair ambiant - vapeur d'eau. L'air chaud arrivant dans la canalisation 2, provient d'un récupérateur 3, réchauffeur d'air. Un régulateur de température 4, à réponse rapide commande l'arrivée d'air chaud dans le mélangeur 1, en fonction de la température de l'air atmosphérique. pénétrant dans le mélangeur en 7. Un autre régulateur à réponse rapide 5, commande l'arrivée de vapeur ou d'eau par la conduite 6, en fonction de la température et du degré hygrométrique de l'air atmosphérique. A la sortie 8, de la chambre de mélange 1, la température et le degré hygrométrique de l'air de combustion sont à nouveau vérifiés par les dispositifs de régulation 4 et 5. Ainsi on obtient un air de combustion ayant une température de 400C + 20C et un degre hygrométrique de50%±2,5%. Le ventilateur 9, envoie l'air de combustion ainsi préparé au récupérateur 3, où il est réchauffé à 3000C + 200C par les fumées provenant du four. A la sortie du récupérateur d'air chaud, la température de l'air de combustion est réglée automatiquement à 2500C par un régulateur à action rapide, 10, commandant le by-pass du récupérateur, le rapport poids d'air sec/poids de vapeur d'eau reste toujours le même qu'à la sortie de la chambre 1. Une correction barométrique peut être effectuée en 11, sur le même circuit dans le cas où le combustible est liquide ou solide du fait que les variations de la pression atmosphérique sont proportionnelles aux variations des températures absolues de l'air En conséquence, cette correction barométrique est obtenue de cette façon par modification de la température de l'air réchauffée. L'air maintenu à pression constante par le manorégulateur 15, à la température déterminée pour le four, à teneur constante en vapeur d'eau, est amené par 12, aux débitmètres 13 alimentant les brûleurs. Une partie de l'air chaud est recyclé par 14, pour permettre le réchauffage de l'air de combustion, et une partie de l'air sortant de la chambre 1, est recyclé en 16, pour affiner la précision du réglage de sa température. EXEMPLE 2 Installation de combustion à régime variable type grosse chaufferie. La fig. 2 représente une installation de préparation d'air conditionné porté à 42,50C et présentant un degré hygrométrique de 55 % à partir d'un air présentant une température maximum de 250C et un degré hygrométrique maximum de 90 %. Cette chaufferie comporte 3 ventilateurs d'air de combustion 21, pour un groupe de 3 brûleurs modulants. L'installation de préparation d'air de combustion comporte une préchambre 22, pour amener l'air extérieur 23, à une température au-dessus du point de rosée, soit au-dessus de 30au, par réchauffage. A cet effet, cette préchambre est équipée d'un réchauffeur de faible inertie thermique 24, à fluide chauffant tel que l'eau chaude par exemple arrivant en 25 à travers une vanne 3 voies de mitigeage 26 et une pompe 27. Un régulateur de température à réponse rapide 28, avec compensateur de variations de température de l'air extérieur, assure à la sortie de la chambre 22, une température voisine de42;?C, la constante étant contrôlée par la vanne de mitigeage 26. La mesure de la température à la sortie de la chambre 22 est effectuée en 29 par le régulateur 28. Elle est voisine de 42 ,50C. La chambre de préparation proprement dite 30, est équipée d'un dispositif de recyclage par ventilateur 31 et de 3 réchauffeurs 32 de faible inertie thermique, soit 1 réchauffeur par ventilateur de combustion, commandés en fluide chauffant 33 par les régulateurs modulants de combustion 34. Parallèlement, un régulateur de température à action rapide et réglage flottant 35, placé en aval des réchauffeurs, commande également le débit du fluide chauffant aux réchauffeurs. Un régulateur de température finale de l'air de combustion, 36, commande les entrées additionnelles d'air froid 37, en amont du ventilateur 31 et permet de compenser si nécessaire l'inertie thermique du système lorsque le débit varie aux brûleurs. La vapeur d'eau est injectée en 38, à l'entrée de la 2ème chambre de préparation, la régulation du débit de vapeur est commandée d'une part par la régulation modulante des brûleurs 34, et d'autre part par un hygrostat ou hygromètre régulateur à action flottante et réponse rapide 39, pour obtenir le degré hygrométrique de l'air de combustion à la sortie de la chambre 30. La correction barométrique peut être effectuée manuellement sans difficulté, compte tenu des variations très lentes de la pression atmosphérique, ou automatiquement, le cas échéant, en intervenant sur les réglages des régulateurs de température et d'humidité de l'air de combustion. La vitesse d'action des régulateurs des brûleurs doit être synchronisée avec le temps de réponse de la régulation équipant le dispositif de préparation d'air de combustion. Caractéristiques de fontionnement à l'allure nominale - 3 brûleurs modulants , puissance nominale totale 9.000th/heure, soit par brûleur environ 300kg Max de débit horaire de fuel lourd. - Air de combustion préparé à 42,5 0C + 2,50C de température, et 55 % t 5 % de degré hygrométrique. - Débit d'air sec de combustion = 14.000Kg/heure - 1,5 % - débit de vapeur d'eau = 42 Kg/heure + 10 % + - volume d'air de combustion = 12.800m3/heure - 1,5 % - pression d'air de combustion à l'entrée des ventilateurs des brûleurs = + 5mm d'eau - teneur en CO2 des fumées = 14,5/15 % contre 12 à 13 % dans les installations classiques - fumées à 2000C à la sortie des chaudières - augmentation de rendement = 2 % par rapport aux instal lations existantes - imbrûlés solides ramenés à 40mg/th contre 250mg/th pour les installations classiques.- EXEMPLE III Equipement d'une chaufferie courante, type chauffage central ou similaire. La fig. 3 représente une chaufferie importante comportant. 3 chaudières 43 L'air de combustion fourni par l'air extérieur 52 et l'air préparé dans les réchauffeurs est amené sous pression dans l'enceinte 42, pratiquement étanche entourant les chaudières 43, et est recyclé selon la flèche 44, par le ventilateur 45. La préparation de l'air se fait comme dans l'exemple précédent en deux étapes de réchauffage mais la seconde chambre 46 ne comporte qu'un seul réchauffeur 47, et le débit de fluide chauffant est réglé par le régulateur de température de sortie 49 de la chambre. La température de l'enceinte des chaudières ne peut excéder 35-400C du fait du personnel entretenant les chaudières, ce qui représente une différence de 100 avec la température optima de l'air sortant de la seconde chambre. Une photocellule 50 à hygromètre à condensation agit sur 'l'arrivée partielle de vapeur d'eau pour éviter d'atteindre le point de rosée et pour diminuer l'arrivée de vapeur. La production de vapeur peut être assurée par une chaudière indépendante, qui peut entre autres usages servir au réchauffage des circuits de retour trop froids, du fluide de chauffage, ainsi qu'au réchauffage du fuel lourd. Un régulateur de température finale de l'air de combus tion (51) commande les entrées additionnelles d'air froid (52) en amont du ventilateur et permet de compenser l'inertie thermique du système lors des variations de débit aux brûleurs. A noter que le régulateur de température (27) règle la température de l'air à la sortie du réchauffeur en tenant compte de la'température de l'air atmosphérique (53). Caractéristiques de fonctionnement à l'allure nominale - 3 chaudières d'une allure nominale de 1000 th/heure chacune équipée d'un brûleur. Ces chaudières ont 2 allures, la grande allure à 120Kg/heure et la petite allure à 50Kg/heure de fuel lourd. - Air de combustion a 350C + 50C de température et 45 % - 5 % de degré hygrométrique. - Poids d'air sec utilisé par Kg de fuel = 15Kg + 2,5 % - Poids de vapeur utilisé par Kg de fuel =240go+ 15 % - Pression d'air de combustion à l'entrée des brûleurs = 1 à 2mm d'eau - Teneur en C02 des fumées 14 à 15 % contre 12 % dans les installations existantes - Fumées à 2000C maximum à la sortie des chaudières - Augmentation de rendement de 3 à 4 % sur installation classique - Imbrûlés solides ramenés à 50mg/th contre 250mg/th dans les installations classiques existantes. Les applications du procédé, objet de l'invention, sont multiples et peuvent être avantageusement envisagées pour les fours de cimenterie, les chaudières de centrales thermiques, les fours utilisés en sidérurgie et métallurgie, hauts fourneaux, fours de fusions , fours poussants , fours de forges,cubilots,fours de verrerie, fours à chaux, et d'une manière générale dans toutes les installations thermiques à combustion industrielle, urbaines, agricoles et domestiques. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour améliorer la combustion de tout combustible liquide,solide ou gazeux par dosage pondéral, sous pression atmosphérique, de l'air sec contenu dans le comburant, carac térisé en ce que ce dosage est effectué par les opérations suivantes a - Repérage d'après les tables donnant les caractéristiques locales de température, de teneur en vapeur d'eau sous pression atmosphérique, de l'air avant l'aspiration du comburant dans les installations thermiques. b - Réchauffage de l'air de combustion à une température constante supérieure au point de rosée et au moins égale à la température maximum atteinte pendant la campagne de fonctionnement de l'installation. c - Réglage corrélatif du degré hygrométrique de l'air réchauffé au-dessous de la saturation à pression atmos phérique, en fonction de la nature de l'installation, de la température de régime du générateur thermique, des combustions de combustion : réductrices, neutres ou oxydantes. d - Maintien du degré hygrométrique de l'air de combustion réchauffé à une valeur constante à l'aide de dispositifs de régulation automatiques à réponse rapide. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans les climats tempérés, la température de référence optima pour le dosage pondéral de l'air varie de 35 à 500C au maximum, le degré hygrométrique le plus approprié étant de 50 à 60 t. 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réchauffage de l'air peut être effectué par tout générateur thermique et de préférence par récupération de chaleur pro venant de l'installation. 4 - Application du procédé selon la revendication 1 à toutes installations thermiques à combustion, industrielles, urbaines, agricoles et domestiques fonctionnant en atmosphère réductrice, neutre ou oxydante.