Brevet FR2637677A1 — publié le 19900413

FOUR INDUSTRIEL L'invention a pour objet un four industriel compor- tant plusieurs brûleurs auxquels de l'air secondaire peut être amené dans la zone de la flamme des brûleurs, par des conduits appropriés, destinés à la cuisson de matériaux et de produits moulés fabriqués à partir de ceux-ci, par réglage des conditions d'atmosphère du four bien définies, suivant des valeurs de consigne données. Un four de ce type peut être conçu de manière à fonctionner en continu, comme par exemple les fourstunnels ou les fours à rouleaux, ou de manière discontinue comme par exemple les fours à sole mobile. En ce qui concerne le matériau à cuire, l'in- vention n'est soumise à aucune restriction, bien que le four industriel revendiqué serve avant tout à la cuisson de produits céramiques, y compris des matériaux céramiques spéciaux et des produits moulés fabriqués à partir de ces matériaux. On citera à titre d'exemple les fours pour la cuisson de la porcelaine, de matériaux réfractaires, de la céramique sanitaire, des ferrites, etc. -. Les problèmes évoqués ci-après pour les fours connus le sont en référence à un four à sole mobile pour la cuis- son de céramique sanitaire, mais ceci vaut aussi pour d'autres applications. A l'intérieur d'un four à sole mobile de ce type, on exige des conditions d'atmosphère définies; en parti- culier, la teneur en oxygène doit être constante à l'in- térieur de l'atmosphère du four, car les émaillages ob- tenus par voie d'oxydation peuvent réagir et changer de couleur, à la suite de variations de la teneur en oxygène de l'atmosphère du four. Si par exemple la teneur en oxy- gène passe au dessous d'une valeur minimale qui peut être calculée, l'émaillage devient généralement plus foncé, et ses changements de couleurs sont irréversibles, de sorte que la charge doit éventuellement être rebutée. Les problèmes qui se posent pour maintenir l'atmosphère du four à un niveau constant, résultent en particulier de deux points de vue: d'une part on ne peut éviter des variations fréquentes de la pression dans lesys- tème des gaz d'évacuation. D'autre part, le pouvoir calori- fique des sources d'énergie primaire utilisées varie souvent dans une mesure importante. Ceci s'applique en particulier aux fours fonctionnant au gaz, notamment lorsque l'on uti- lise du gaz de cokerie, mais aussi du gaz naturel. C'est ainsi que le pouvoir calorifique du gaz de cokerie peut varier entre 200 et 400 kcal suivant la provenance. Il en résulte des variations correspondantes de l'atmosphère du four. Dans l'état de la technique, on tente de surmonter les problèmes provoqués par les changements de l'émaillage, en faisant fonctionner les brûleurs constamment avec un excé- dent d'oxygène. Ceci exige une arrivée d'air plus impor- tante et, par conséquent nécessairement aussi un chauffage des constituants de l'air autre que l'oxygène, et finale- ment une consommation d'énergie accrue qui -suivant le domaine d'application- peut aller jusqu'à 30%. L'invention a pour but d'indiquer une possibilité de concevoir un four industriel de manière que l'atmosphère du four puisse être maintenue à un niveau donné constant, la consommation d'énergie étant en même temps réduite au minimum possible. Les considérations suivantes sont à la base de la solution suivant l'invention: Pour minimiser la consommation d'énergie, les brûleurs (la puissance des brûleurs) doivent,si possible ne pas être influencés et être réglés à la plus petite capacité possible. Si l'on règle les brûleurs en tenant compte de la plage de fluctu- ation du pouvoir calorifique de la source d'énergie utili- sée (par exemple le gaz) sur le pouvoir calorifique le plus bas, la teneur en oxygène de l'atmosphère par exemple n'est pratiquement plus influencée que par l'air secondaire. Du fait que les brûleurs sont réglés de manière fixe en tenant compte du pouvoir calorifique le plus bas de la source d'énergie utilisée, il n'y a pas de réglage ul- térieur des brûleurs et, en conséquence, la teneur en oxygène de l'atmosphère du four ne peut que se situer - sans mesures supplémentairesau-dessous des valeurs souhaitées. Si l'on mesure la teneur en oxygène de l'at- mosphère du four, on peut constater en moyenne un éven- tuel déficit d'oxygène, pendant un court instant ou pen- dant un certain intervalle de temps, et le compenser par une augmentation correspondante de l'arrivée d'air secon- daire, sans accroître la puissance des brûleurs. Le but recherché est atteint avec un four industriel du type précité présentant les caractéristiques suivantes: - il est prévu au moins un dispositif de mesure dans le four pour l'enregistrement quantitatif et analytique d'au moins une composante de gaz de l'atmosphère du four, - une unité de contrôle pour l'enregistrement de la valeur mesurée par le dispositif de mesure et comparai- son avec une valeur de consigne donnée, l'unité de con- trôle étant conçue de manière - à régler la quantité d'air secondaire envoyée aux brûleurs, en fonction de l'écart déterminé entre la valeur mesurée et la valeur de consigne. Comme il a été dit plus haut, la teneur en oxygène de l'atmosphère du four constitue un paramètre essentiel pour la cuisson de la céramique sanitaire. Pour ce do- maine d'application, on a recours, actuellement, très souvent, à des fours à sole mobile qui offrent une en- ceinte de four fermée. Un four à sole mobile moderne, tel qu'il est exploité depuis quelque temps par le déposant sous l'appellation "SweepFire", comporte, sur chacun des côtés opposés, une rangée de brûleurs à gaz, les brûleurs d'un côté du four passant exactement entre les brûleurs du côté opposé. A la mise en route du four, la zone en- tourant la flamme des brûleurs est naturellement très chaude, tandis que les autres parties de l'enceinte du four ne sont pratiquement pas encore chauffées. Pour amé- liorer le transfert de chaleur, les brûleurs fonctionnent au début avec une quantité d'air secondaire très impor- tante, ce qui fait que les températures passent d'environ 1000 C à environ 150" C. En même temps, de l'air secon- daire est injecté sous haute pression, et le four est commandé de telle sorte que ce sont tout d'abord les brû- leurs d'un côté du four qui fonctionnent; de ce fait, l'air chauffé est refoulé dans la zone de la paroi opposée; on baisse alors la première rangée de brûleurs et l'on fait fonctionner à plein régime la rangée de brûleurs de la paroi opposée, de sorte qu'il se produit un courant de chaleur dans le sens opposé à ce qui vient d'être décrit; après quoi on baisse le régime de la rangée des brûleurs qui ont fonctionné en dernier et la première rangée de brûleurs assure la suite du fonctionnement, la puissance des brûleurs entre les différents intervalles pouvant varier entre 10 et 100%, ou entre 100 et 10%. Au fur et à mesure que la température augmente dans le four, on réduit la quantité d'air secondaire jusqu'à ce qu'elle tende vers 0 lorsque la température atteint 600 à 650 OC. A partir de cet intervalle de température, il devient nécessaire, à cause des problèmes décrits dus à une oxyda- tion possible de l'émaillage, de maintenir constante la teneur en oxygène de l'atmosphère du four. Le dispositif de mesure cité est mis en service, et sert à l'analyse quantitative de la teneur en oxygène de l'atmosphère du four. Si une valeur de consigne détermi- née n'est pas atteinte, l'écart entre la valeur réelle et la valeur de consigne est enregistré par le dispositif de contrôle qui délivre un signal aux conduits d'arrivée de l'air secondaire. Ces conduits d'air secondaire comportent des organes de réglage qui s'ouvrent plus ou moins, en fonction de l'intensité des signaux délivrés par l'unité de contrôle et ce jusqu'à ce que le dispositif de mesure enregistre à nouveau le réglage de la valeur de consigne, ce qui est enregistré par l'unité de contrôle qui veille ensuite à ce que les organes de réglage, montés dans les conduits d'arrivée d'air secondaire, se ferment à nouveau, ou tout au moins fonctionnent avec moins d'air secondaire. Si, pour des raisons quelconques, on devait enregis- trer un déficit encore plus important d'oxygène dans le four, pendant l'ouverture partielle des conduits d'arri- vée d'air secondaire, ceci serait bien évidemment aussi enregistré par le dispositif de mesure et les organes de réglage montés dans les conduits d'arrivée s'ouvriraient encore plus, à la suite d'un signal correspondant délivré par le dispositif de contrôle, afin d'augmenter en consé- quence la quantité d'air secondaire. Le dispositif de mesure ou l'unité de contrôle peuvent être programmés en fonction du temps, si l'on souhaite que l'atmosphère du four ait une teneur diffé- rente en oxygène, pendant le processus de cuisson (par exemple pendant la montéoe en température ou pendant le refroidissement). De préférence, le dispositif de mesure du gaz doit être placé en un endroit du four o des chiffres signi- ficatifs peuvent être déterminés. A cet égard, il est préférable de disposer le dispositif de mesure dans la zone du conduit d'évacuation des gaz ( de l'extraction > du four. Mais le dispositif de mesure pourrait, tout aussi bien, être placé dans le conduit d'évacuation des gaz lui-même. Pour déterminer la teneur en oxygène de l'atmos- phère du four, il est particulièrement intéressant de recourir à une sonde de mesure d'oxygène à base d'oxyde de zirconium. La Société programmelectronic engineering ag, ch-4143 propose un appareil de mesure d'oxygène de ce type, sous l'appellation "SB/I". La teneur en oxygène du gaz est déterminée par une mesure permanente d'un échan- tillon de gaz aspiré en continu. L'appareil est consti- tué d'une cellule de mesure d'oxygène à laquelle le gaz à mesurer est envoyé par une pompe montée également dans l'appareil, ainsi que de toute l'électronique d'analyse correspondante qui peut être placée dans l'appareil lui- même ou séparément. L'électronique d'analyse sert à am- plifier le signal du capteur d'oxygène, ainsi qu'à sa délogarithmisation, afin d'obtenir un signal proportion- nel à la teneur en oxygène, de même qu'à la conversion tension/intensité, afin d'obtenir un signal de sortie de 0 à 20 mA. Enfin, on règle aussi la température de la cellule de mesure chauffée, pour éviter de fausser les valeurs mesurées. Lorsque le gaz à mesurer contient des particules solides ou des vapeurs qui peuvent se conden- ser ou s'oxyder dans la zone de la cellule de mesure, il est préférable de monter des filtres et/ou des pièges de refroidissement en amont de la cellule de mesure. Il faut veiller aussi à ce que le courant de gaz traversant la cellule de mesure soit constant. Ceci peut s'effec- tuer, par exemple, à l'aide d'une vanne de dérivation. On peut, bien entendu, aussi monter plusieurs dis- positifs de mesure du type précité dans le four. Il est possible alors de calculer la moyenne des différentes me- sures et de commander un réglage correspondant de l'ar- rivée d'air secondaire, par l'intermédiaire de l'unité de contrôle. Grâce à la configuration suivant l'invention d'un four industriel, la teneur en oxygène de l'atmosphère du four peut être maintenue sans problème dans une plage de variation inférieure à +0,5%, sans influencer en aucune manière les brûleurs qui fonctionnent à leur puissance la plus faible. Tandis que pour la cuisson de la céramique sanitaire, la teneur en oxygène de l'atmosphère du four représente une grandeur d'influence décisive, pour la cuisson de la por- celaine, cette grandeur est la teneur en CO. La cuisson doit, en particulier, se faire aux hautes températures, dans une atmosphère réductrice. Le contrôle correspondant de l'atmosphère du four intervient dans le four, au moyen d'une cellule de mesure de CO appropriée. Si la valeur de CO constatée si situe au-dessous de la valeur de consigne, il faut un apport correspondant d'air secondaire riche en CO, ce qui peut se faire au moyen d'un recyclage convena- ble des fumées, par les conduits d'air secondaire. Dans ce cas, la quantité de fumées est réglée à nouveau par des organes de réglage adéquats, placés dans les conduits d'arrivée, en fonction des écarts déterminés par rapport à la valeur de consigne. Si l'on fonctionne avec un recy- clage des fumées, il est recommandé de faire fonctionner les brûleurs, au moins de manière stoechiométrique, afin que l'on dispose de la quantité d'oxygène nécessaire à la combustion. Si les brûleurs fonctionnent de manière très réduc- trice, on aura en règle générale des teneurs en CO de l'atmosphère du four trop élevées. Celles-ci sont à nou- veau indiquées par le dispositif de mesure, et l'écart par rapport à la valeur de consigne déclenche -comme décrit ci-dessus- un signal envoyé aux organes de réglage des conduits d'air secondaire qui, dans ce cas, fonctionnent avec de l'air secondaire contenant de l'oxygène, afin d'assurer une bonne combustion. Suivant le domaine d'application et en fonction de la nécessité de maintenir constants des paramètres déter- minés de l'atmosphère du four, le four est équipé d'un ou de plusieurs dispositifs d'analyse du gaz ou d'unités de contrôle, ou encore les conduits d'air secondaire sont alimentés en air secondaire approprié. On citera, comme autre exemple de domaine d'application, les fours pour la cuisson de charbon arti- ficiel (graphite), de ferrites ou d'autres matériaux céra- miques spéciaux. Le four peut être un four fonctionnant de manière discontinue, par exemple un four à sole mobile; mais il peut aussi être un four continu, par exemple un four-tun- nel ou un four à rouleaux. Pour ces types de four aussi, il faut respecter des conditions d'atmosphère définies et déterminées, à l'intérieur de certaines zones, le long du parcours du produit à cuire. Une subdivision du four en différentes zones qui sont pratiquement "isolées", s'obtient par exemple au moyen de vannes à coulisse appropriées qui coulissent d'en haut et/ou d'en bas dans le canal de passage du four, et ne dégagent qu'une zone pour le passage du produit à cuire. Un tel four est décrit dans le brevet DE-OS 30 16 852. Dans un tel four, chaque zone du four est conçue de la manière décrite cidessus. Il est nécessaire dans ce cas, de faire fonctionner les brûleurs ou les conduits d'air secondaire séparément pour chaque zone, afin de permettre un réglage individuel. Bien que la dépense d'installation d'un dispositif de mesure ou d'une unité de contrôle, ou des organes de réglage appropriés montés dans les conduits d'arrivée d'air secondaire, soit faible, le four décrit offre pour la première fois la possibilité de régler individuelle- ment et de maintenir constantes des conditions d'atmos- phère données, y compris en fonction du temps. Les brû- leurs du four sont, dans ce cas, réglés sur le pouvoir calorifique le plus faible du combustible (gaz, charbon, mazout), d'o des économies d'énergie considérables. Il est évident que les installations de four exis- tantes peuvent être transformées sans problème, dans un temps très court et sans grande complexité. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description détaillée qui suit. Un mode de réalisation de l'invention est représenté, à titre d'exemple non limitatif, aux dessins annexés, dans les- quels: Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un four à sole mobile, Figure 2 est une vue en coupe d'un bloc de brûleur avec arrivée d'air secondaire, du four de la figure 1. Sur la figure 1, le four à sole mobile est désigné dans son ensemble par la référence 10. Dans son principe, le four est de construction usuelle, ce qui rend super- flues d'autres explications. On voit sur la figure, un brûleur 12 placé dans la paroi latérale gauche 14, à la hauteur d'auxiliaires de cuisson 16 d'un wagon de four 18. Plusieurs de ces brûleurs 12 sont placés, espacés les uns des autres, à même hauteur, dans la paroi 14, et un nombre équivalent de brûleurs se trouvent dans la paroi opposée 20. Ces brûleurs ne sont pas visibles car ils sont décalés par rapport à la rangée comportant le brûleur 12. - Une cellule de mesure d'oxygène 26 qui sera décrite ci-après plus en détail, est placée dans la zone d'une extraction de fumées 22, sur la voûte 24. Une unité de contrôle (non représentée) est inté- grée à la cellule de mesure d'oxygène 26. La cellule de mesure d'oxygène 26 détermine la te- neur instantanée en oxygène de l'atmosphère du four, pen- dant le fonctionnement de ce dernier. La valeur détermi- née est comparée, dans l'unité de contrôle, à une valeur de consigne donnée. Si la valeur déterminée s'écarte de la valeur de consigne, la différence est convertie en un signal électrique qui est relié, par des lignes non représentées, à des organes de réglage 28, dans la zone des conduits d'arrivée 30, dans la région des brûleurs 12. la figure 2 montre, en détail, la disposition des brûleurs. La référence 12 désigne un bloc de brûleur dans lequel se forme une flamme de brûleur. Dans la section du bloc de brûleur, tournée vers l'enceinte du four 34, passe un canal annulaire 36 qui est relié au conduit d'arrivée 30 dans lequel est placé l'organe de réglage 28 décrit. A partir du canal annulaire 36 s'étendent, en di- rection de l'enceinte 34 du four, des buses 38 obliques, disposées en étoile, qui sont ouvertes vers l'intérieur du bloc de brûleur 32. De l'air secondaire est envoyé de manière concentri- que à la flamme de brûleur (non représentée) par les con- duits d'arrivée 30, le canal annulaire 36 ou les buses 38, la vitesse de la flamme de brûleur étant augmentée par l'alimentation injectée de l'air secondaire. Si par exemple le dispositif de mesure 26 constate un déficit en oxygène dans l'atmosphère du four, l'impor- tance de ce déficit est déterminée par l'unité de contrôle, et un calculateur détermine la quantité d'air secondaire nécessaire pour augmenter à nouveau la teneur en oxygène de l'atmosphère du four, jusquà la valeur de consigne don- née. En même temps, un signal électrique partant de l'uni- té de contrôle, est donné à certains ou à l'ensemble des organes de réglage 28 qui s'ouvrent plus ou moins, en fonction du signal donné, et permettent par conséquent, une arrivée d'air secondaire dans l'enceinte du four, par les conduits 30 ou le canal annulaire 36 et les buses 38. En fonction de la suite de l'évolution de la teneur en oxygène de l'atmosphère du four, les organes de réglage 28 sont ensuite généralement étranglés ou fermés; il est bien entendu qu'ils peuvent aussi, le cas échéant, être ouverts à nouveau, afin d'augmenter la teneur en oxygène du four, par une arrivée d'air secondaire plus importante. Le four représenté sert à la cuisson des céramiques sanitaires, les produits à cuire étant représentés de manière schématique uniquement sur la figure 1. Le dis- positif de mesure 26 et les ensembles qui en font partie sont, de préférence, mis en service à partir seulement d'une gamme de températures supérieures à 600 C, gamme dans laquelle des conditions d'atmosphère définies revê- tent une importance particulière. Pendant toute la cuisson, entre 600 C et la tem- pérature de frittage, la puissance des brûleurs 12 reste inchangée. Cette puissance ayant été réglée au préalable en tenant compte du pouvoir calorifique le plus faible du gaz de cuisson utilisé. La consommation d'énergie est ainsi sévèrement réduite et la teneur en oxygène du four est exclusivement réglée en continu, par l'air secondaire. Au lieu des organes de réglage 28 représentés de manière schématique, on peut évidemment utiliser aussi d'autres dispositifs d'étranglement, tels que des vannes, etc... Il est possible aussi de relier entre eux les différents conduits d'arrivée 30 menant au brûleur 12, par un conduit annulaire commun, et de régler l'arrivée d'air secondaire par un organe de réglage central. - REVENDICATIONS - 1. Four industriel comportant plusieurs brûleurs (12) auxquels de l'air secondaire peut être amené dans la zone de la flamme des brûleurs, par des conduits (30) appropriés destinés à la cuisson de matériaux et de produits moulés fabriqués à partir de ceux-ci, par réglage des conditions d'atmosphère du four bien définies, suivant des valeurs de consigne données, présentant les caractéristiques sui- vantes: 1.1 Il est prévu au moins un dispositif de mesure (26) dans le four (10) pour l'enregistrement quantitatif et analytique d'au moins une composante de gaz de l'at- mosphère du four, et 1.2 une unité de contrôle pour l'enregistrement de la valeur mesurée par le dispositif de mesure (26) et comparaison avec une valeur de consigne donnée, l'unité de contrôle étant conçue de manière 1.3 à régler la-quantité d'air secondaire envoyée aux brûleurs (12), en fonction de l'écart déterminé entre la valeur mesurée et la valeur de consigne. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de contrôle est conque de manière que les va- leurs mesurées soient déterminées sur des intervalles de temps donnés. 3. Four selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (26) est placé dans la zone de la voûte du four (24). 4. Four selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que le dispositif de mesure (26) est placé dans la zone d'un dispositif d'évacuation des gaz (22). 5. Four selon l'une des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce que le dispositif de mesure (26) est une sonde de mesure. 6. Four selon l'une des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce que la sonde de mesure est une sonde de mesure à oxygène, à base de dioxyde de zirconium. 7. Four selon l'une des revendications 1 à 6, carac- térisé en ce que l'arrivée d'air secondaire est placée en anneau autour de la flamme des brûleurs. 8. Four selon l'une des revendications 1 à 7, carac- térisé en ce que le (les) conduit(s) d'arrivée (30) de l'alimentation en air secondaire comporte(ent) un dispo- sitif d'étranglement (28). 9. Four selon l'une des revendications 1 à 8 pour la cuisson de céramique sanitaire, le four étant un four à sole mobile. 10. Four selon l'une des revendications 1 à 8 pour la cuisson de matériaux céramique et de produits moulés, le four étant un four continu et différentes sections du four étant délimitées les unes par rapport aux autres par des vannes à coulisse qui pénètrent dans l'enceinte du four, à partir de la voûte et/ou de la sole du four.