Brevet FR2491489A1 — publié le 19820409

Procédé de régulation et dispositif de chauffage de fours à coke au moyen de gaz riche. La présente invention concerne un procédé de régulation de la longueur des flammes et d'optimisation de la réparti- tion verticale de la température dans les carneaux de fours à cokes chauffés par gaz riche, auxquels le gaz riche est envoyé par des conduites partant de la batterie de buses du four en passant par la paroi séparatrice correspondante du générateur situé au-dessus et se terminant en une tête de brûleur disposée dans la section inférieure du carneau, alors que l'air de combustion chauffé dans le régénérateur pénètre dans le carneau par des ouvertures constituées au pied de ce carneau. Du fait du développement des fours à coke et de leurs grandes dimensions actuelles, la grandeur des chambres pouvant atteindre 8 mètres, ainsi que de leur fonctionnement par cycles de cuisson ou distillation de courte durée et en raison des valeurs limites déterminées par les autorités chargées de la protection de l'environnement dans certains pays et concernant la fraction de gaz nocifs (NOX) contenue dans les gaz d'échappement de la combustion, des problèmes se posent en ce qui concerne la régulation optimale du chauffage. Ceci est particulièrement valable pour le chauf- fage de fours à coke au moyen d'un gaz riche, ce chauffage étant de plus en plus difficile à régler, du fait de l'aug- mentation en hauteur des fours, pour que la répartition verticale de la température dans les carneaux soit optimale. En outre, du fait des périodes de cuisson ou distillation de durée limitée et des températures des carneaux qui leur sont liées, il se forme plus de gaz nocifs, alors que cette fraction contenue dans les gaz d'échappement est de plus en plus limitée dans un nombre croissant de pays par les autori- tés chargées de la protection de l'environnement. Finale- ment, on n'a réussi jusqu'ici à limiter la formation de graphite sur les têtes des brûleurs, lorsqu'il s'agit de chauffage au moyen de gaz riches, qu'en ayant recours à des mesures relativement coûteuses. L'objet de l'invention est de proposer une solution aux problèmes qui viennent d'être indiqués qui soit plus simple que celle utilisée jusqu'ici et qui n'entraîne que des dépenses acceptables. Le problème qu'il convient en particu- lier de résoudre est d'améliorer la répartition verticale de la température dans les carneaux, de réduire la teneur en gaz nocifs dans les gaz d'échappement de la combustion et d'éviter la formation de graphite sur les têtes des brûleurs. Partant d'un procédé du type décrit dans le préambule, l'invention consiste à faire passer dans les carneaux une partie régulable de l'air de combustion nécessaire dans son ensemble à la combustion du gaz du foyer inférieur sous forme d'air forcé au moyen d'une soufflante disposée à proximité immédiate de l'embouchure de chaque tête de brû- leur. Avantageusement, l'amenée de l'air forcé s'effectue par l'intermédiaire d'un espace annulaire qui entoure l'em- bouchure du brûleur. La fraction d'air de combustion qui est envoyée sous forme d'air forcé dans chaque carneau doit représenter selon l'invention moins de 30% en volume, et de préférence de 5 à 15% en volume, de la quantité totale de l'air de combustion. En outre, l'invention prévoit de faire passer en même temps que l'air forcé des gaz d'échappement de combustion froids, le rapport de mélange entre l'air forcé et les gaz d'échappement de la combustion étant au maximum de 1: 2, et de préférence compris entre 2: 1 et 1 1. L'objet de l'invention est en outre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, qui prévoit que le tube du brûleur est constitué sous forme d'un tube à double paroi, s'étendant depuis la partie supérieure du carneau de sole et traversant la paroi de séparation du régénérateur pour déboucher dans une tête de brûleur constituée sous forme d'un brûleur à double enveloppe, le tube intérieur étant raccordé à la conduite à gaz riche et un espace annulaire qui entoure ce tube étant raccordé à une conduite d'amenée d'air forcé et éventuellement de gaz d'échappement de com- bustion. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - la conduite d'amenée du gaz riche et de l'air forcé est constituée par des pierres individuelles externes for- mant l'enveloppe tubulaire et disposées les unes au-dessus des autres et comprenant un alésage central de forme sensi- blement circulaire, et par des pierres internes de forme annulaire qui sont disposées à l'intérieur de l'alésage central de chaque pierre constituant l'enveloppe tubulaire en formant des passages libres entre la paroi interne de la pierre formant l'enveloppe tubulaire et la paroi externe de la pierre de forme annulaire; - les pierres internes de forme annulaire situées dans la zone de la tête du brûleur, et de préférence dans la zone dans laquelle pénètre la conduite dans le carneau, sont constituées sous forme tubulaire et ménagent entre la paroi interne de la pierre externe constituant l'enveloppe tubu- laire et la paroi externe de la pierre de forme annulaire une canalisation de forme annulaire qui est libre; - les pierres de forme annulaire situées dans la zone de la paroi séparatrice du régénérateur sont pourvues de plu- sieurs saillies, de préférence au nombre de trois, disposées symétriquement, qui sont en contact avec la paroi interne de la pierre formant l'enveloppe tubulaire, ce qui laisse entre les butées des canalisations de passage libres; - en ce qui concerne les butées des pierres annulaires inférieures constituant de préférence les quatre ou cinq couches inférieures, qui se raccordent à la partie supérieure du carneau de sole, celles-ci sont pourvues de tenons qui s'encastrent dans les pierres extérieures formant l'enve- loppe tubulaire; - le rapport entre la surface en coupe de l'espace annulaire par o passe l'air forcé et le tube interne par o - passe le gaz de combustion est choisi de manière que les vitesses de sortie des deux fluides soit approximativement égales grâce à une alimentation moyenne en air forcé; - les pierres individuelles constituant l'enveloppe tubulaire sont décalées à des hauteurs différentes par rapport aux pierres de forme annulaire disposées à l'intérieur; - la conduite de raccordement destinée au gaz riche dans la zone-de la partie supérieure du carneau de sole est pourvue d'une collerettte d'appui servant à l'appui de la pierre de forme annulaire interne située le plus bas et la conduite de raccordement destinée au gaz riche et située en dessous de la collerette d'appui est pourvue d'une chambre de raccordement de forme annulaire destinée à l'amenée de l'air forcé et éventuellement du gaz d'échappement de combus- tion, cette chambre étant en liaison avec les canalisations de passage; la chambre de raccordement de forme annulaire est pourvue d'une tubulure de raccordement fixée tangentielle- ment sur elle et qui est en liaison avec la conduite collec- trice destinée au passage de l'air forcé et éventuellement des gaz d'échappement de la combustion; - entre la tubulure de raccordement de la chambre de raccordement de forme annulaire et la conduite collectrice destinée au passage de l'air forcé et des gaz d'échappement de la combustion est disposé un diaphragme perforé ou une vanne de régulation au moyen de laquelle on peut doser la quantité qui est envoyée au brûleur correspondant; - la répartition et l'amenée de l'air forcé, événtuelle- ment mélangé à des gaz d'échappement de combustion, s'effec- tue de la manière connue pour la répartition du gaz riche en dessous du couvercle du four dans la chambre à buses par l'intermédiaire de conduites collectrices et de conduites de dérivation montées sur ces dernières, qui sont dirigées vers les tubes à double enveloppe; - les conduites collectrices par lesquelles passent l'air forcé et éventuellement les gaz d'échappement de la combustion qui sont mélangés à cet air sont subdivisées en deux systèmes de conduites séparés, dont l'un est raccordé aux brûleurs de nombres impairs et l'autre aux brûleurs de nombres pairs, le changement étant réalisé en synchronisme et en rythme avec le chauffage par l'intermédiaire de deux vannes de commutation incorporées au système de guidage; - il est prévu un dispositif de régulation du débit de l'air forcé à l'avant de la soufflante, ce dispositif régulant le rapport entre l'air et les gaz d'échappement de la combustion, alors que la régulation du débit de l'air forcé éventuellement mélangé à des gaz d'échappement de la combustion est obtenue au moyen de la dérivation dans laquel- le est montée une vanne. Il est connu que les quantités d'air qui pénètrent dans les carneaux individuels quand il s'agit d'une répartition classique ne sont jamais totalement égales; on constate même une certaine dispersion pour des raisons diverses. On évite cet inconvénient grâce au procédé de l'invention du fait que la quantité principale d'air de combustion est introduite de façon classique sous forme d'air de combustion chauffé dans le régénérateur par des ouvertures prévues à la partie inférieure du carneau, mais mesurée dans l'ensemble de manière que les carneaux qui sont le plus désavantagés par cette répartition puissent disposer d'une quantité d'air juste suffisante et brûlent uniquement avec une flamme légèrement fuligineuse si on ne prend pas de mesures addition- nelles. On envoie alors à ces carneaux une quantité particu- lièrement importante d'air forcé, et aux autres carneaux qui comprennent une fraction croissante d'oxygène dans les gaz de combustion une quantité plus faible d'air forcé. Ainsi, on peut maintenir la quantité d'air en excès, vue dans l'ensemble, à un niveau suffisamment faible pour que la fraction d'oxygène contenue dans les gaz d'échappement de la combustion puisse rester inférieure à 3%. La quantité de gaz d'échappement est de ce fait plus faible et il en résulte que les besoins du foyer inférieur diminuent. En même temps, on réduit la formation de gaz nocifs du fait de la quantité d'oxygène en excédent plus réduite. On réduit encore plus la formation d'oxyde d'azote du fait que la température d'entrée du gaz de combustion qui parvient dans le carneau en passant par le tube interne moins chaud du brûleur à tube à double enveloppe est plus faible que lors- qu'il s'agit d'un fonctionnement traditionnel. De même et du fait du mélange plus lent au départ entre le gaz de combustion et l'oxygène de l'air en raison de la vitesse de sortie approximativement égale du courant d'air forcé qui passe autour du courant de sortie du gaz riche en l'entou- rant sous une forme annulaire, la vitesse de la combustion est ralentie, ce qui abaisse la température des flammes en cet endroit et réduit finalement la formation de gaz nocifs. Grâce au procédé de la présente invention, on allonge la flamme du gaz riche dans les carneaux et on améliore ainsi la répartition de la température, en particulier quand du gaz d'échappement de combustion froid est mélangé à l'air forcé. Grâce à ce procédé, on peut en outre éviter largement la formation de graphite sur la tête du brûleur du fait que cette tête est plus froide au débouché du gaz de combustion que dans les modes de fonctionnement connus jusqu'ici, pour la raison que cet emplacement est constamment balayé par l'air forcé et éventuellement par du gaz d'échappement de la combustion qui est plus froid. La puissance supplémentaire demandée au foyer inférieur en raison de l'air forcé qui est préalablement chauffé de façon moins importante et du gaz de combustion qui arrive de ce fait à une température plus basse est au maximum de 4%. La consommation de puissance nécessaire à la soufflante d'air forcé représente moins de 0,1% de la puissance néces- saire au foyer inférieur. Quand on tient compte du fait qu'une diminution de 1% de la fraction d'oxygène dans le gaz d'échappement détermine une diminution des besoins du foyer inférieur supérieure à 5%, on obtient dans l'ensemble un gain énergétique en mettant en oeuvre le procédé de l'in- vention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, avec référence à un mode de réalisa- tion donné uniquement à titre d'exemple, dans laquelle on se réfère aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe schématique à travers la paroi de séparation du générateur et comprenant une partie du carneau disposé au-dessus et le brûleur à double enveloppe traversant la paroi de séparation, la figure 2 est une coupe selon la ligne A-A de la figure 1, la figure 3 est une coupe selon la ligne B-B de la figure 1, la figure 4 est une coupe sleon la ligne C-C de la figure 1, la figure 5 est une coupe selon la ligne D-D de la figure 1, et la figure 6 est un schéma du système de répartition de l'air forcé. La figure 1 est une vue en coupe schématique d'une paroi de séparation 1 du régénérateur, comprenant le carneau 2 monté au-dessus, dans la section inférieure duquel débouche le brûleur 3 du gaz riche. Selon l'invention, la conduite tubulaire du brûleur est constituée sous forme d'un tube à double enveloppe et s'étend de la partie supérieure du carneau de sole 4 jusqu'au carneau 2 en traversant la paroi séparatrice 1 du régénérateur et la sole de carneau 5. Le brûleur à double enveloppe est constitué par des pierres d'enveloppe tubulaire extérieures 6 comprenant un alésage central cylindrique 7 et une pierre à trou 8 de forme sensi- blement annulaire et disposée dans l'alésage, dont le diamè- tre externe est plus faible que le diamètre de l'alésage 7. La constitution différente du brûleur à enveloppe tubu- laire à ses divers niveaux est représentée aux figures 2 à 4. La figure 2 est une coupe selon la ligne A-A de la figure 1. Dans la section du brûleur qui pénètre dans le carneau (dans le mode réalisation représenté, cette section est constituée par les quatre couches supérieures) la pierre à trou interne 8 est constituée par un simple cylindre creux dont la paroi externe forme avec la paroi délimitant l'alé- sage 7 un espace annulaire 9. Dans la couche située en dessous sont prévues des pierres à trou interne 8 comprenant trois saillies 10 (figure 3), lesquelles saillies s'étendent radialement jusqu'à la paroi de l'alésage de la pierre externe 6 constituant l'enveloppe tubulaire et s'appliquent contre cette paroi de manière à former trois canalisations 11 disposées symétriquement dans l'enveloppe tubulaire. En ce qui concerne les quatre ou cinq couches de pierres à brûleur qui sont disposées à partir de la partie supérieure 4 du carneau de sole, on prévoit pour des raisons de stabi- lisation des saillies 10 pourvues de tenons 12 qui sont- encastrés dans les pierres 6 formant l'enveloppe tubulaire. L'introduction du gaz riche dans le tube interne 13 constitué par les pierres à trou 8 s'effectue de façon connue par l'intermédiaire de conduites de branchement 14 qui partent de conduites collectrices non représentées (figure 1). Les conduites 14 sont pourvues à la hauteur de la partie supérieure du carneau de sole de collerettes d'appui 15 servant d'appui pour la pierre inférieure 8 de chaque brûleur. En dessous de la collerette 15, la conduite de branchement 14 est entourée d'une chambre de raccordement de forme annulaire 16 destinée à l'amenée de l'air forcé et qui est en liaison avec les canalisations il de l'enveloppe tubulaire. Comme le montre la figure 5, la chambre de raccordement 16 est pourvue d'une tubulure 17 montée sur elle et raccor- dée tangentiellement, et qui est reliée par l'intermédiaire d'une vanne régulatrice 18 et d'un raccord de dérivation 19 à la conduite collectrice 20 de l'air forcé. Il ressort de la figure i que les pierres d'enveloppe tubulaires et les pierres à trou à partir desquelles est constitué le brûleur à enveloppe tubulaire sont décalées en hauteur les unes par rapport aux autres. Les pierres sont constituées de préférence en un matériau réfractaire. Les couches individuelles sont disposées les unes au-dessus des autres et coopèrent par l'intermédiaire de rainures et de languettes. La figure 6 est une représentation schématique du systè- me de répartition de l'air forcé, de la régulation du débit et de la régulation du rapport entre l'air et le gaz brûlé du foyer inférieur qui, en cas de besoin, est envoyé en même temps que l'air forcé, par exemple à un chauffage à double tirage. Sur le dessin sont représentées cinq parois de chauffe à double tirage, des nombres pairs et impairs étant utilisés pour caractériser le brûleur se trouvant dans chaque moitié du système à double tirage. Dans le schéma de chauffage représenté,on alimente pendant une période d'inversion soit les brûleurs pourvus de nombres pairs, soit les brûleurs pourvus de nombres impairs de toutes les parois de chauffe. En variante, on peut également installer une commutation passant de paroi de chauffe à paroi de chauffe entre brûleurs de nombre pair et brûleurs de nombre impair. Les conduites collectrices 20a et 20b sont réparties en deux systèmes de conduites séparés l'un de l'autre, dont l'un alimente les brûleurs de nombre impair alors que l'autre alimente les brûleurs de nombre pair. Grâce aux vannes d'inversion 21a et 21b, on peut inverser l'envoi de l'air forcé en synchronisme et en rythme avec le chauffage. La référence 22 désigne la soufflante par laquelle l'air forcé est envoyé sous pression depuis la conduite 23 dans les conduites collectrices 20a et 20b, éventuellement en même temps que du gaz d'échappement du foyer inférieur. Les gaz d'échappement du foyer inférieur sont envoyés par la conduite 24 à la cheminée 25; un courant partiel peut être prélevé en cas de besoin par la conduite 26. La régulation des propor- tions s'obtient au moyen des vannes 27, le réglage du débit en fonction de la teneur en oxygène dans les gaz d'échappe- ment du foyer inférieur étant obtenue par une régulation de dérivation au moyen de la vanne 28 qui est montée dans la dérivation 29. Comme il va de soi, et comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation, non plus qu'à ceux des modes de réali- sation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les va- riantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la longueur des flammes et d'optimisation de la répartition verticale de la température dans les carneaux de fours à coke chauffés par gaz riche, auxquels le gaz riche est envoyé par des conduites qui partent de la batterie de buses du four, traversent la paroi séparatrice correspondante du générateur situé au-dessus et se terminent en une tête de brûleur disposée dans la section inférieure du carneau, alors que l'air de combustion chauffé dans le régénérateur pénètre dans le carneau par des ouver- tures constituées au pied de ce carneau, caractérisé en ce qu'on fait passer dans les carneaux individuels une partie régulable de l'air de combustion nécessaire à la combustion du gaz du foyer inférieur sous forme d'air forcé au moyen d'une soufflante disposée à proximité immédiate de l'embou-. chure de chaque tête de brûleur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amenée de l'air forcé s'effectue par l'intermédiaire d'un espace annulaire qui entoure l'embouchure du brûleur, la fraction d'air de combustion qui est envoyée sous forme d'air forcé dans chaque carneau représentant moins de 30% en volume, et de préférence de 5 à 15% en volume, de la quanti- té totale de l'air de combustion. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on fait passer en même temps que l'air forcé des gaz d'échappement de combustion froids, le rapport de mélange entre l'air forcé et les gaz d'échappe- ment de la combustion étant au maximum de 1: 2, et de préférence compris entre 2: 1 et 1: 1. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la conduite d'amenée du gaz riche et de l'air forcé est constituée sous forme d'un tube à double paroi formé par des pierres annulaires s'étendant depuis la partie supérieure (4) du carneau de sole et traversant la paroi de séparation (1) du régénérateur pour déboucher dans une tête de brûleur (3) constituée sous forme d'un brûleur à double enveloppe, le tube intérieur (13) étant raccordé à la conduite à gaz riche et un espace annulaire (9, 11) qui entoure ce tube étant raccordé à une conduite d'amenée d'air forcé et éven- tuellement de gaz d'échappement de combustion. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la conduite d'amenée du gaz riche et de l'air forcé est constituée par des pierres (6) individuelles externes formant l'enveloppe tubulaire, disposées les unes au-dessus des autres et comprenant un alésage central (7) de forme sensiblement circulaire, et par des pierres (8) internes de forme annulaire qui sont disposées à l'intérieur de l'alésa- ge central de chaque pierre constituant l'enveloppe tubu- laire en formant des passages libres (9, 11) entre la paroi interne de la pierre formant l'enveloppe tubulaire et la paroi externe de la pierre de forme annulaire. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les pierres internes (8) de forme annulaire situées dans la zone de la tête (3) du br leur, et de préférence dans la zone dans laquelle pénètre la conduite dans le carneau (2), sont constituées sous forme tubulaire et ménagent entre la paroi interne de la pierre externe (6) constituant l'enveloppe tubulaire et la paroi externe de la pierre interne de forme annulaire une canali- sation (9) libre de forme annulaire. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les pierres (8) de forme annu-. laire situées dans la zone de la paroi séparatrice (1) du régénérateur sont pourvues de plusieurs saillies (10), de préférence au nombre de trois et disposées symétriquement, qui sont en contact avec la paroi interne de la pierre formant l'enveloppe tubulaire, ce qui laisse entre les butées des canalisations de passage (11) libres. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les butées des pierres annulai- res inférieures, constituant de préférence les quatre ou cinq couches inférieures, qui se raccordent à la partie supérieure du carneau de sole, sont pourvues de tenons qui s'encastrent dans les pierres extérieures formant l'enveloppe 249 1 489 tubulaire, le rapport entre la surface en coupe de l'espace annulaire (9, 11) par o passe l'air forcé et celle du tube interne (13) par o passe le gaz de combustion étant choisi de manière que les vitesses de sortie des deux fluides soient approximativement égales grâce à une alimentation moyenne en air forcé. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les pierres individuelles (6) constituant l'enveloppe tubulaire sont décalées à des hau- teurs différentes par rapport aux pierres (8) de forme annulaire disposées à l'intérieur. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la conduite de raccordement (14) destinée au gaz riche dans la zone de la partie supé- rieure (4) du carneau de sole est pourvue d'une collerettte d'appui (15) servant à l'appui de la pierre de forme annu- laire interne située le plus bas et en ce que la conduite de raccordement destinée au gaz riche et située en dessous de la collerette d'appui est pourvue d'une chambre de raccorde- ment (16) de forme annulaire destinée à l'amenée de l'air forcé et éventuellement du gaz d'échappement de combustion, cette chambre étant en liaison avec les canalisations de passage (11). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la chambre de raccordement (16) de forme annulaire est pourvue d'une tubulure-de raccor- dement (17) fixée tangentiellement sur elle et qui est en liaison avec la conduite collectrice (20) destinée au passa- ge de l'air forcé et éventuellement des gaz d'échappement de la combustion, en ce qu'il est prévu, entre la tubulure de raccordement (17) de la chambre de raccordement de forme annulaire et la conduite collectrice (20) destinée au passa- ge de l'air forcé et des gaz d'échappement de la combustion un diaphragme perforé ou une vanne de régulation (18) au moyen de laquelle on peut doser la quantité qui est envoyée au br leur correspondant, et en ce que la répartition et l'amenée de l'air forcé, éventuellement mélangé à des gaz d'échappement de combustion, s'effectue de la manière connue pour la répartition du gaz riche en dessous du couvercle du four dans la chambre à buses par l'intermédiaire de conduites collectrices (20) et de conduites de dérivation (19) montées sur ces dernières, qui sont dirigées vers les tubes à double enveloppe. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que les conduites collectrices (20) par lesquelles passent l'air forcé et éventuellement les gaz d'échappement de la combustion qui sont mélangés à cet air sont subdivisées en deux systèmes de conduites (20a, b) séparés, dont l'un est raccordé aux brûleurs de nombres impairs et l'autre aux brQleurs de nombres pairs, le change- ment étant réalisé en synchronisme et en rythme avec le chauffage par l'intermédiaire de deux vannes de commutation (21a, 21b) incorporées au système de guidage. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif de régulation (27) du débit de l'air forcé en amont de la soufflante (22), ce dispositif régulant le rapport entre l'air et les gaz d'échappement de la combustion, alors que la régulation du débit de l'air forcé éventuellement mélangé à des gaz d'échappement de la combustion est obtenue au moyen de la dérivation (29) dans laquelle est montée une vanne (28).