Brevet FR2555718A1 — publié le 19850531

PROCEDE ET DISPOSITIF DE RECUPERATION DE CHALEUR D'UN FOUR-A REGENERATION, NOTAMMENT D'UN FOUR DE FUSION DE VERRE La présente invention se rapporte à des perfectionnements nouveaux et utiles aux régénérateurs pour fours industriels, notamment pour fours de fusion de verre. L'un des objets de l'invention est de parvenir à un procédé de conduite d'un régénérateur construit de manière classique, avec empilage de tuiles et briques, ayant un important système de surfaces de préchauffage d'air pour obtenir une utilisation maximale de la chaleur sensible dans le courant de gaz résiduels passant par la structure du régénérateur. Un volume d'air supplémentaire est amené à passer par les surfaces de préchauffage du régénérateur, en plus du volume d'air de combustion requis pour la combustion du combustible du four dans les conditions de fonctionnement normales, et ce volume supplémentaire, après avoir été chauffé, est divisé à partir de là pour passer à un dispositif auxiliaire utilisateur de chaleur monté à l'extérieur du four. L'air est préchauffé en tant que courant unitaire à volume important au cours de son passage par les chaudes surfaces d'échange de chaleur du régénérateur, et avant détournement d'au moins une portion secondaire au dispositif auxiliaire utilisateur de chaleur. La structure récupératrice de chaleur du régénérateur n'exige aucune modification, si ce n'est pour prévoir un conduit de sortie pour la portion secondaire d'air préchauffé mentionnée, de préférence dans une région adjacente à la zone de combustion du four. Ainsi, le dispositif auxiliaire utilisateur de chaleur peut être alimenté en air préchauffé propre ayant une température allant d'environ 537 C à 1094 C (1000 F à 2000 F), par exemple, celui-ci pouvant être amené à passer par un échangeur de chaleur et utilisé pour produire de l'énergie, ou à d'autres fins, sans compromettre indûment les conditions de fonctionnement du four. Dans le système proposé, la récupération supplémentaire de chaleur des gaz résiduels se manifeste sous la forme de gaz brulés effluents sortant plus froids du système régénérateur. Le courant d'air auxiliaire, en même temps que le courant d'air de combustion normal, enlève une plus grande partie de la chaleur accumulée dans les réfractaires du régénérateur que ce ne serait le cas avec l'air de combustion seulement, refroidisant ainsi les moyens accumulateurs à des températures plus froides. Pendant l'inversion suivante du système régénérateur, les moyens plus froids sont capables d'absorber plus d'énergie des gaz résiduels qui sortent alors du système à une une plus basse température. L'effet net est le transfert de chaleur du courant de gaz résiduels chargés de souillures à un courant d'air auxiliaire propre extrait du côté air alternant du système. Un gain d'énergie net est réalisé si le courant d'air chaud extrait est fourni à un échangeur de chaleur raisonnablement efficace, ou à d'autres processus ou dispositifs utilisateurs de chaleur autres que la chambre de combustion produisant les gaz résiduels initiaux. Les dispositifs et systèmes de récupération de chaleur effluente de fours comportent normalement l'insertion d'échangeurs de chaleur dans le courant de gaz résiduels effluents. Le dépôt de matières particulaires provenant de courant de gaz résiduels, sur les composants de l'échangeur de chaleur, conduit à l'encrassement et à la corrosion, exigeant ainsi une construction coûteuse et des systèmes de ramonage pneumatique, lavage ou autres systèmes de nettoyage, 25557 18 pour conserver un haut niveau de performance d'échangeur de chaleur. Le procédé concerné fournit de la chaleur auxiliaire d'effluent récupérée sans faire passer de gaz résiduels sales par une échangeur de chaleur auxiliaire, évitant ainsi les complications associées aux particules et acides condensés provenant des gaz résiduels sales issus du four. La présence du courant d'air auxiliaire tend à provoquer une légère diminution de la température de préchauffage de l'air de combustion. Un gain d'énergie net peut être réalisé si l'utilisation du courant d'air extrait dépasse la perte d'énergie de préchauffage d'air de combustion. De nombreux dispositifs échangeurs de chaleur satisfont aisément à cet impératif. Le procédé d'extraction d'air considéré élimine les problèmes associés aux gaz résiduels malpropres de four qui tendent à salir de tels dispositifs et empêchent leur fonctionnement continu efficace à long terme. Pour un four à verre, à régénération, fondant des lots de verre classiques, les gaz résiduels issus de la chambre de combustion contiennent plus d'énergie que l'on ne peut en utiliser pour préchauffer de l'air de combustion. La majeure partie de l'énergie excédentaire est normalement manifestée par des gaz de cheminée excessivement chauds. Le procédé considéré consiste à fournir de l'air supplémentaire ou auxiliaire, au-delà des besoins d'air de combustion, au côté admission d'air de l'entrée du régénérateur. Avec l'air de combustion, le courant d'air auxiliaire est chauffé par les surfaces réfractaires du régénérateur. Plutôt que de permettre au courant d'air auxiliaire de passer par la chambre de combustion, en tant qu'excédent d'air nonutilisé, le courant est extrait du régénérateur d'air par une ouverture, ou une série d'ouvertures, dans la paroi du régénérateur, conduisant à un conduit qui transporte l'air chaud à l'échangeur de chaleur auxiliaire désiré. Le conduit s'étend entre les deux régénérateurs, avec un raccord en "T" branché en un point intermédiaire de la longueur du conduit de liaison. Pendant le fonctionnement, et avec les inversions normales, le régénérateur du côté combustion ou air est toujours à une pression élevée, tandis que le côté gaz résiduels est toujours à une pression légèrement négative. Le raccord en "T" est maintenu à une pression- nulle ou légèrement négative par un ventilateur de cheminée, de sorte que les gaz auxiliaires chauds extraits sont toujours obtenus à partir du côté admission d'air du système. L'invention concerne l'utilisation de dispositifs de préchauffage d'air de combustion pour fours, c'est-à-dire les régénérateurs dans un four du type à inversion, pour récupérer la chaleur résiduelle sous la forme d'un courant d'air chaud propre destiné à être utilisé dans des dispositifs auxiliaires de récupération de chaleur, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser de coûteuses vannes résistant à la chaleur. Ainsi, un avantage fondamental de la présente invention ipmplique l'extraction de quantités d'énergie utilisables, sous la forme d'un courant d'air auxiliaire préchauffé, provenant de la portion air de combustion du système du four. Un autre objet de la présente invention est de parvenir à un procédé de dérivation d'une quantité significative de chaleur résiduelle à partir du côté air propre de la région des empilages chauds d'un four du type à cycle d'inversion, en quantités pouvant être régulées, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser d'onéreuses vannes pour fortes températures. Un courant d'air propre chaud supplémentaire est obtenu des surfaces chauffées du régnérateur, ce courant pouvant être dévié pour obtenir l'utilisation maximale de la chaleur contenue dans le courant. Un autre objet de l'invention est de parvenir à un procédé de récupération d'énergie de gaz résiduels d'un four, sous une forme propre, pour utilisation dans une gamme étendue de dispositifs auxiliaires ayant besoin de chaleur. Les dessins annexés et la description présentée ci-après en les considérant feront apparaître complètement les divers avantages et caractéristiques de l'invention. Sur les dessins, - la figure 1 est une vue schématique en projection d'un four de fusion de verre, à régénération, à carneaux latéraux, adapté à la mise en oeuvre de la présente invention; et - la figure 2 représente une vue schématique en projection, montrant l'invention appliquée à un four à carneaux en bout. On peut se reporter à la demande de brevet américain No 4,407,669 publiée le 4 octobre 1983, ayant même cessionnaire que la présente, qui dévoile plusieurs études sur ordinateur, concernant un four de fusion de verre opérant pour fondre 180 tonnes de verre "crown-glass" par jour, quatre simulations étant faites, les données utilisées dans l'étude modélisée étant des données tirées du fonctionnement d'un four réel de conception améliorée. Ces données, et les quatre simulations de bilan énergétique faites et dévoilées dans la demande sus-mentionnée constituent des références utilisables dans le cadre la présente description. La figure 1 annexée représente un four de fusion de verre, à régénération, du type à carneaux latéraux, dans lequel l'air à la température ambiante entre en 10 dans le fond d'un empilage en briques 1 1. L'air dans un dispositif de fusion de verre typique est à une pression statique d'environ -700 Pa (-0,1 psi) à ce point d'entrée. L'air de combustion va s'écouler vers le haut, pour atteindre une structure supérieure 12 qui forme une chambre allongée longeant le côté d'un dispositif de fusion 13. Ce dispositif de fusion 13 a la forme d'une chambre rectangulaire couverte qui communique avec la structure supérieure de l'empilage 11 par une série de carneaux d'arrivée 14. Ces carneaux 14 sont disposés à intervalles espacés le long du côté du dispositif de fusion, et de l'air de combustion mélangé à du gaz, ou-à un autre combustible, est introduit dans le dispositif de fusion par ces carneaux. Les produits de combustion quittent le dispositif de fusion 13 par une série de carneaux 15 situés sur le côté opposé de ce dispositif 13. Ces carneaux 15 ouvrent sur une chambre 16 qui s'étend sensiblement sur toute la longueur du dispositif 13 et qui est la structure supérieure des empilages du côté droit, ou empilages de droite, 17. La pression dans le dispositif de fusion 13 est normalement d'environ +350 Pa (+0,05 psi) tandis que la pression statique dans l'empilage supérieur du côté droit, lorsqu'il sert de côté sortie, est approximativement une pression statique de 0,0 Pa (0,0 psi). L'effluent qui entre dans la chambre 16 se déplace vers le bas, en passant par les empilages du côté droit, et la chaleur contenue dans l'effluent est absorbée dans le briquetage constituant les empilages du côté droit. Après être. passé par les empilages en descendant, l'effluent sort en bas, en 18 o la pression statique en fonctionnement normal est d'environ 3500 Pa (-0,5 psi). Lors de l'inversion du four, c'est-à-dire lorsque le four passe au mode opposé et que la sortie 18 devient entrée d'air, alors que l'entrée d'air devient sortie d'effluent, l'air entrant étant alors préchauffé en passant en direction ascendante par les empilages du côté droit, les carneaux 15 devenant alors les carneaux d'arrivée, la pression indiquée pour les divers endroits du four devient exactement inverse. Des conduits de jonction 20 dont les extrémités extérieures sont mutuellement raccordées par une tubulure 21 sont raccordées à la structure supérieure 12, en une pluralité de points 19. La tubulure 21 est raccordée à un conduit d'interconnexion 22 allant à une tubulure de côté droit, 23, similaire à la tubulure 21. La tubulure de côté droit 23 est raccordée, par des conduits de jonction 24, à la chambre 16 qui est formée à l'extrémité supérieure des empilages 17 du côté droit. En un point intermédiaire de la longueur du conduit 22, il y a un raccord "T", 25, qui va jusqu'à un échangeur de chaleur 26. Cet échangeur de chaleur possède une sortie d'effluent 27 raccordée à une soufflante d'évacuation ou ventilateur de cheminée, 28. L'échangeur de chaleur possède aussi une entrée de fluide secondaire 29 et une sortie 30 allant au système utilisateur de chaleur désiré. Lors du fonctionnement du dispositif représenté, pour fournir une source d'air chauffé propre utilisable dans l'échangeur de chaleur 26, la pression à l'entrée de l'échangeur est d'environ 0,0 Pa (0,0 psi), tandis que l'entrée de la soufflante d'évacuation ou la sortie 27 de l'échangeur de chaleur est à une pression légèrement réduite, inférieure à la pression atmosphérique. On peut donc voir qu'au cours du fonctionnement du four à régénération, la partie supérieure des empilages du côté air de combustion est toujours à une pression statique légèrement positive, tandis que la partie supérieure des empilages du côté effluent est toujours à une pression statique nulle, et que le conduit 22 interconnectant les tubuluress 21 et 23 fournit, dans des conditions normales, un contournement pour que l'air chauffé du côté air de combustion passe au côté basse pression o l'air est, pas essence, à une pression statique nulle. Toutefois, l'entrée allant à l'échangeur de chaleur 26, à l'endroit du "T" 25, est aussi maintenue à une condition de pression statique nulle par le ventilateur de cheminée 28. Ainsi, l'air préchauffé sortant par les conduits de jonction 20 pour entrer dans la tubulure 21 va s'écouler vers le bas, par le conduit d'interconnexion d'air 22, dans le "T"' puis dans l'échangeur de chaleur et sortir de celui-ci qui extrait une quantité de chaleur considérable du courant d'air chaud en mouvement. Il convient de considérer que le four est utilisé avec un certain excès d'air de combustion préchauffé, et que cet air préchauffé ou air de combustion traverse, en direction ascendante, le régnérateur en haut duquel il est extrait et se trouve à sa plus haute température avant d'être mélangé au gaz naturel ou à un autre combustible au moment de la combustion, les flammes s'étendant depuis les carneaux 14. La température de l'air sortant de la chambre ou structure supérieure 12 du régénérateur 11 est de l'ordre de 815 C (1500 F) à 1094 C (2000 F). Dans la demande antérieure concernant l'extraction de chaleur à partir du côté préchauffé du four, comme décrit dans le brevet américain sus- mentionné, No 4,407,169, on considérait que le fait qu'un four. à régénération inverse la direction d'écoulement périodiquement, toutes les 30 minutes, impliquait qu'un tel système exigeait des vannes entre l'échangeur de chaleur et chaque régénérateur, de manière à alterner la source d'air d'extraction avec les inversions des régénérateurs. Si l'on devait tenter d'extraire de l'air chaud à des températures excédant 815 C (1500 F), il fallait alors des vannes et équipements sophistiqués, pour hautes températures. Toutefois, la présente invention reconnait que, pour un four à régénération, la partie supérieure du régénérateur d'air de combustion est toujours sous une pression statique relative positive, tandis que la partie supérieure du régénérateur de gaz résiduels est toujours sensiblement à une pression statique relative nulle, c'est-à-dire à la pression atmosphérique. Ainsi, un petit conduit reliant la partie haute du régénérateur d'air directement à la partie haute du régénérateur de gaz résiduels devrait permettre à de l'air chaud de s'écouler directement de la structure supérieure du régnérateur d'air à la structure supérieure du générateur de gaz brulés, sans passer par le fondeur. En prévoyant un raccord en "T" sur ce conduit, la pression statique relative à l'endroit de ce "T" étant maintenue proche de zéro, la totalité du flux extrait au raccord en "T"' sera alors virtuellement de l'air chaud. Ce courant d'air chaud extrait du système va automatiquement s'inverser avec les inversions normales des régénérateurs, sans qu'il y ait besoin d'une quelconque vanne à haute température dans le conduit d'extraction. La pression statique au raccord en "T" est maintenue à zéro par un choix approprié de la taille des conduits utilisés pour y raccorder les régénérateurs. Même dans la situation o la pression au "T" serait légèrement supérieure à la pression atmosphérique, une petite quantité d'air chaud s'échapperait vers la structure de gaz résiduels supérieure. Si la pression au "T" était légèrement inférieure à la pression atmosphérique, une petite quantité de gaz brûlé pourrait alors être extraite avec le courant d'air chaud. Dans le cas le plus extrême, si la pression au "T" était très basse, c'est-à-dire très inférieure à la pression atmosphérique, le courant extrait serait alors d'environ % d'air et 50% de gaz résiduels. Il convient aussi de remarquer que si le raccord en T est établi à des niveaux différents de celui de la structure supérieure des régénérateurs, les effets relatifs qui se produisent sont alors les mêmes, mais les pressions relatives réelles au "T" doivent alors être affectées par les poussées d'Archimède agissant sur les colonnes verticales de gaz dans les conduits. Quoi qu'il en soit, comme représenté sur les figures des dessins, si les conduits et pressions sont à des échelles relatives adéquates, l'extraction d'air chaud d'un système régénérateur est possible sans qu'il soit nécessaire de recourir à d'onéreuses vannes à haute température pour faciliter les inversions. La description précédente a été orientée vers l'utilisation de l'invention dans le cas du fonctionnement d'un four de fusion de verre, à régnération, du type à carneaux latéraux. Toutefois, il existe aussi des fours à carneaux en bout, fours dans lesquels le régérateur d'air de combustion et le régénérateur de gaz résiduels sont côte-à-côte. A cet égard, on peut se reporter à la figure 2. Sur la figure 2, on a représenté un four 31 à carneaux en bout, auquel sont raccordés des régénérateurs côte-à-côte 32 et 33. Dans ce four à carneaux en bout, les deux régénérateurs ont habituellement une paroi commune, et l'air de combustion entre en 34, tandis que les gaz résiduels sortent en 35. Les deux régénérateurs ont des chambres à la partie supérieure, lesquelles sont aussi mutuellement isolées par une paroi verticale. Un conduit 36 s'étendant vers l'extérieur, depuis les chambres supérieures, est en communication, à son 1l extrémité, avec chacune des chambres supérieures des régénérateurs 32 et 33. Un tuyau de prise ou conduit 37 est raccordé au milieu du conduit 36. Comme dans le mode de réalisation selon la figure 1, le tuyau 37 s'étend vers le bas jusqu'à un échangeur de chaleur 38 dont une sortie 39 est raccordée à une soufflante 40. L'échangeur de chaleur comporte une entrée 41 et une sortie 42 au secondaire, qui transporte le fluide de travail qui est chauffé par passage au travers de l'échangeur de chaleur. Le fluide de travail peut avoir n'importe quelle utilisation parmi plusieurs possibles, par exemple préchauffage de lots, chauffage d'eau de système ou coproduction d'énergie électrique. Ainsi, on peut voir qu'avec les deux modes de réalisation de la structure décrits, utilisés conformément au procédé dévoilé dans la présente description, on peut récupérer une fourniture d'air chaud propre qui serait normalement considérée comme de la chaleur perdue, cette récupération étant économiquement faisable tant que son utilisation finale est économiquement importante. Lors du fonctionnement normal du four, la température des gaz sortant du bas du régénérateur, ces gaz étant normalement transmis à une cheminée d'évacuation, est de l'ordre de 427 C (800 F), et l'on peut voir que cela constitue une perte de chaleur significative et un gaspillage de chaleur significatif. En faisant fonctionner le système comme décrit ici, cette température de la chaleur perdue à la sortie est considérablement moindre, et le désavantage dû aux exigences en combustible est plus que compensé par l'avantage économique découlant de ce que l'on dispose d'une source à 815 C-1094 C (1500 -2000 F) d'air préchauffé sensiblement propre, dans l'échangeur de chaleur, sans qu'il y ait de situation polluante comme celle considérée plus haut, et sans qu'il y ait besoin de coûteuses vannes à haute température. En outre, il est possible de raccorder la sortie de la soufflante 28 à l'alimentation d'air (non représentée) allant au four et de recycler en fait la chaleur présente dans l'air propre ayant traversé l'échangeur de chaleur, en la réintroduisant dans la fourniture d'air de combustion pénétrant dans le système par la vanne d'inversion de four classique. Pour récapituler, on a donc décrit non-limitativement: - un procédé d'extraction de gaz chauds d'un four à régénération, du type à inversion, ayant une paire de régénérateurs pour préchauffer l'air de combustion du côté entrée et extraire la chaleur des gaz perdus du côté sortie, comportant les étapes suivantes: on prévoit un conduit s'étendant entre le côté d'entrée d'air supérieur et le côté de sortie d'effluent supérieur des régénérateurs du four; on établit une prise de prélèvement sur ce conduit, en un point intermédiaire de sa longueur; et on transmet l'air prélevé dans le conduit par cette prise à un système d'utilisation de chaleur, pour récupérer la chaleur de cet air; - selon un autre aspect de l'invention, un procédé de récupération d'air chaud propre d'un four de fusion de verre à régénération, comportant les étapes suivantes: on branche un conduit entre les parties hautes des régénérateurs d'air de combustion on établit une -prise de prélèvement dans la région du point milieu de la longueur de ce conduit, et l'on extrait l'air chaud par cette prise pour l'utiliser en dehors du système du four; et - un dispositif de mise en oeuvre de l'invention, ne comortant pas de vanne, pour extraire de la chaleur d'une partie de l'air préchauffé à de hautes températures de 537 C à 1094 C (1000 F à 2000 F) d'un four à régénération du type à inversion, ayant une paire de régénérateurs, et des moyens pour inverser, à intervalles réguliers, l'écoulement de l'air de combustion et des gaz effluents, ce dispositif ayant le le perfectionnement comportant un moyen de petit conduit (22;36) s'étendant entre les deux côtés des régénérateurs, un raccord en "T" sur ledit petit conduit, et un échangeur de chaleur raccordé audit "T". REVENDICATIONS 1. Procédé d'extraction de gaz chauds d'un four à régénération, du type à inversion, ayant une paire de régénérateurs pour préchauffer l'air de combustion du côté entrée et extraire la chaleur des gaz perdus du côté sortie, caractérisé par les étapes suivantes: on prévoit un conduit (22; 36) s'étendant entre le côté d'entrée d'air supérieur et le côté de sortie d'effluent supérieur des régénérateurs (11,17; 32,33) du four; on établit une prise de prélèvement (25; 37) sur ce conduit, en un point intermédiaire de sa longueur; et on transmet l'air prélevé dans le conduit par cette prise à un système d'utilisation de chaleur, pour récupérer la chaleur de cet air. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une étape de maintiend'une différence de pression entre le côté entrée d'air du four et-le côté sortie d'effluent du four, assurant ainsi un écoulement d'air chaud du côté entrée d'air vers le côté sortie d'effluent du four, quelle que soit l'inversion de la combustion du four de côté à côté. 3. Procédé de récupération d'air chaud propre d'un four de fusion de verre à régénération, caractérisé par les étapes suivantes: on branche un conduit (22; 36) entre les parties hautes des régénérateurs d'air de combustion(11,17;32,33); on établit une prise de prélèvement (25; 37) dans la région du point milieu de la longueur de ce conduit, et l'on extrait l'air chaud par cette prise pour l'utiliser en dehors du système du four. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on fait en outre passer par un échangeur de chaleur (26; 38)) l'air chaud propre provenant de la prise de prélèvement (25; 37). 5. Dispositif sans vanne, pour extraire de la chaleur d'une partie de l'air préchauffé à de hautes températures de 537 C à 1094 C (1000OF à 20000F) d'un four à régénération du type à inversion, ayant une paire de régénérateurs (11,17;32,33), et des moyens pour inverser, à intervalles réguliers, l'écoulement de l'air de combustion et des gaz effluents, caractérisé par le perfectionnement comportant un moyen formant un petit conduit (22;36) s'étendant entre -les deux côtés des régénérateurs, un raccord en "T" (25; 37)dans ledit petit conduit, et un échangeur de chaleur (26; 38) raccordé audit "T". - 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens (28) raccordés à la sortie dudit échangeur de chaleur, pour créer un écoulement d'air chaud provenant du raccord en "T" et passant par ledit échangeur de chaleur. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pour créer un écoulement d'air chaud comportent une soufflante (28) dont l'entrée est raccordée à la sortie de l'échangeur de chaleur, et dont la sortie est raccordée au côté entrée d'air du four.