Brevet FR2712961A1 — publié le 19950602

d 2712961 REGLAGE EN TEMPS REEL D'UN BRULEUR A COMBUSTIBLE DE CARACTERISTIQUES VARIABLES, NOTAMMENT POUR FOUR METALLURGIQUE DE RECHAUPPFFAGE La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de réglage en temps réel d'un brûleur alimenté avec un combustible à caractéristiques variables. Comme on le sait, il est nécessaire de réchauffer les demi-produits sidérurgiques devant être laminés, ce qui est effectué dans des fours de réchauffage. Dans le cas des usines sidérurgiques dites "intégrées" (c'est-à-dire qui assurent l'ensemble des opérations nécessaires à la fabrication de l'acier depuis la préparation des minerais jusqu'au laminage des demi-produits), l'énergie utilisée provient le plus souvent de gaz combustibles produits dans différents réacteurs de l'usine sidérurgique elle-même. C'est ainsi que dans les brûleurs de fours de réchauffage, on utilise classiquement un mélange gazeux provenant des émissions d'une cokerie, de hauts-fourneaux, et de l'aciérie, chacune de ces sources fournissant un gaz de teneur différente en éléments combustibles, comme l'hydrogène par exemple. Ce mélange gazeux est réalisé en principe pour obtenir des propriétés thermiques de niveau déterminé, comme le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) le PCO (Pouvoir comburivore) qui s'en déduit, ou l'indice de Wobbe par exemple. Mais la composition du mélange gazeux peut subir des fluctuations résultant des variations de marche des réacteurs qui fournissent les composants. Ainsi, par exemple, la teneur en hydrogène fluctue assez couramment, car les différentes sources d'approvisionnement de ce mélange gazeux n'ont pas une composition constante avec le temps. Lorsque par conséquent ces compositions fluctuent, un faible changement, en particulier de la composition du gaz de cokerie (qui est riche en hydrogène) entraîne des répercussions sensibles sur son PCO entre autre. Or, ce dernier doit être connu en permanence si l'on veut notamment assurer une température déterminée du four de réchauffage, que l'on peut d'ailleurs modifier gr&ce au réglage du débit d'air comburant dont sont pourvus les brûleurs. Le problème consiste donc à maîtriser la combustion d'un mélange gazeux, au demeurant chargé d'impuretés, et dont les propriétés thermiques peuvent rapidement varier de façon aléatoire autour de valeurs moyennes (pouvoir calorifique inférieur, pouvoir comburivore, densité, etc...). A cet effet, on a déjà proposé des dispositifs appelés "comburimètres", "wobbmètres" et des batteries d'analyseurs. Ces systèmes atteignent théoriquement le but fixé mais, dans le cas d'utilisation de combustibles de caractéristiques très variables et/ou chargés en impuretés, ils apparaissent, soit inefficaces, soit présentent des inconvénients dans l'exploitation, soit les deux. Ainsi, les comburimètres sont sensibles aux taux d'humidité élevés et aux impuretés, et inutilisables avec dès gaz sidérurgiques sans un entretien constant. Les wobbmètres ont des temps de réponse longs et une précision médiocre, qui s'ajoutent aux problèmes d'humidité et d'impuretés. Enfin, les batteries d'analyseurs sont des appareils techniquement très sophistiqués, avec système de prélèvement et de traitement du gaz avant analyse, exigeant un entretien suivi par du personnel qualifié. Leur coût est très élevé et ils sont sensibles à la corrosion si les gaz contiennent du soufre. L'invention a pour but de réaliser un système capable de résoudre le problème posé tout en éliminant les inconvénients ci-dessus des dispositifs antérieurs connus. Conformément à l'invention, le procédé de réglage en temps réel d'un brûleur alimenté avec un combustible de propriétés thermiques variables autour d'une valeur standard et avec un débit d'air comburant réglable, est caractérisé en ce qu'au cours de la marche du brûleur: - on prélève sur le courant de combustible alimentant le brûleur un débit de combustible donné, - on brûle ce débit de combustible avec un débit d'air donné en excès de manière à assurer la combustion complète du combustible, - on mesure, dans les fumées de combustion complète du combustible, une grandeur reflétant l'écart à la stoechiométrie (par exemple, la teneur résiduelle en 02,ou la température des fumées), - à partir de cette grandeur mesurée, on détermine la valeur du PCO réel instantané du combustible, ou de toute autre propriété thermique exprimant les caractéristiques instantanées réelles du combustible, - et on applique une grandeur représentative de cette valeur à la régulation du débit d'entrée d'air comburant dans le brûleur du four brûlant ledit combustible. La grandeur représentative de la valeur du PCO réel instantané mesuré est avantageusement un "coefficient de correction" du débit d'air comburant calculé à partir du rapport PCO réel instantané mesuré/PCO standard, ce PCO standard étant celui correspondant à la composition standard du combustible autour de laquelle la composition réelle est susceptible de fluctuer. Le dispositif comburimètre pour la mise en oeuvre de ce procédé, dénommé par la suite "correctomètre", comprend, conformément à l'invention, d'une part un tunnel de combustion, un brûleur monté à une extrémité de ce tunnel, lequel a une longueur suffisante pour que la combustion du combustible soit complète, à l'autre extrémité laissée libre pour l'évacuation des produits de combustion, des moyens de mesure de la grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie disposés à l'extrémité du tunnel opposée au brûleur, et des moyens de réglage à des valeurs constantes du débit de combustible et du débit d'air qui alimentent le brûleur, et d'autre part une unité de calcul déterminant, sous la forme d'un signal disponible à sa sortie, une valeur représentative des caractéristiques instantanées réelles du combustible. Ainsi l'invention prévoit d'alimenter le brûleur du correctomètre disposé à l'extrémité du tunnel de combustion en air et en combustible régulés à débits contrôlés, et de corréler de manière simple la mesure de la grandeur reflétant l'écart à la stoechiométrie, au réglage en temps réel des brûleurs du four de réchauffage. En d'autres termes, on mesure les variations instantanées d'une propriété thermique du combustible, comme son PCO, provoquées par les fluctuations de sa composition, pour déterminer, et appliquer de manière instantanée, les corrections à apporter au débit d'entrée d'air comburant dans le ou les brûleurs du four, pour permettre de maintenir constante la puissance délivrée par ce brûleur, malgré les aléas du PCO du combustible qui l'alimente. L'invention résout le problème posé au moyen d'un système simple, économique et robuste, peu sensible à l'environnement, ne nécessitant qu'un entretien réduit et d'un coût de fonctionnement très faible. L'invention sera bien comprise au vu de la description qui suit donnée en référence aux dessins annexés qui en illustrent une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif, et sur lesquels: la Figure 1 est un bloc diagramme schématique illustrant le procédé conforme à l'invention de réglage en temps réel des brûleurs d'un four de réchauffage industriel; - la Figure 2 est une vue en coupe longitudinale axiale et élévation partielle d'une forme de réalisation de correctomètre de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. L'installation représentée schématiquement à la figure 1 comprend un four métallurgique M de réchauffage de demi- produits sidérurgiques, par exemple des brames en acier, équipé, de manière connue, d'un ou de plusieurs brûleurs 1, alimentés en gaz combustible (g) à partir d'une source de combustible gazeux 2 par l'intermédiaire d'une commande 3 de débit de gaz pilotée par une consigne Co donnée par le chauffeur du four de réchauffage M. L'entrée d'air comburant (a) dans le brûleur 1 est pilotée par une commande de débit 4 reliée à l'atmosphère par une prise extérieure F5. Le débit d'air (a) est ajusté en permanence au débit de gaz (g) à l'aide d'un signal de consigne Cl qu'envoie la commande de gaz 3 à la commande d'air 4. Ceci permet de régler la puissance de chauffe des brûleurs tout en assurant que les conditions de combustion complète sont respectées. Comme on le voit, le correctomètre 5 selon l'invention prend sa place dans cet ensemble entre la source de gaz 2 et la commande 4 de débit d'air. Ce correctomètre est constitué essentiellement par un four-comburimètre 6 et une unité de calcul 10. Le comburimètre 6 comprend, comme on le verra plus en détail par la suite, un brûleur 7 débouchant dans une chambre de combustion 8 pourvue d'un analyseur à sonde 9 (de préférence à haute impulsion pour favoriser l'obtention de fumées homogènes). Le brûleur 7 reçoit sur une entrée un débit massique de gaz combustible F2 constant et parfaitement contrôlé, provenant de la source 2 et, sur son autre entrée, un flux correspondant d'air comburant extérieur F1 également sous un débit massique constant et parfaitement connu, mais en excès par rapport aux besoins d'une combustion stoechiométrique du débit de gaz F2. La chambre de combustion 8 comporte une évacuation & l'atmosphère F3 (ou bien dans le four de réchauffage M lui- même) des produits de combustion. Ces derniers sont analysés avant évacuation par la sonde 9 qui détermine la teneur en oxygène libre. La mesure par la sonde 9 de 1'02 résiduel dans les produits de combustion reflète, comme on va le voir, l'écart à la stoechiométrie. La valeur de cette mesure sert au calculateur 10 pour déterminer un paramètre thermique du gaz, pris dans son état réel, comme son PCO instantané, et élaborer un signal C2, ici sous forme d'un coefficient de correction à appliquer à la consigne du débit d'air (a) de la commande 4, qui elle est calée sur la valeur du PCO standard du gaz à brûler. Les étapes successives du procédé visé par l'invention, au moyen du dispositif correctomètre 5 en temps réel des brûleur(s) équipant le four 1, s'enchaînent de la manière suivante: A) on préléve sur le courant gazeux issu de la source 2 un débit massique de gaz donné et constant (flèche F2); B) on brûle ce débit de gaz F2 avec un débit massique d'air Fi donné et constant en excès, afin d'assurer la combustion complète du gaz. Cette combustion est réalisée dans le four 6 par le brûleur 7 du correctomètre ayant une puissance suffisante pour permettre de s'affranchir des problèmes liés aux impuretés du gaz combustible. On rappelle un point important: les alimentations en gaz combustible et en air comburant sont régulées à des débits constants et parfaitement connus; C) on mesure, dans les fumées de combustion complète à l'extrémité de la chambre de combustion 8, par un capteur approprié 9, une grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie, à savoir dans l'exemple décrit, la teneur en 02 résiduel. D) à partir de cette grandeur mesurée, on détermine dans le calculateur 10 la valeur du PCO réel instantané du gaz, on déduit le rapport PCO réel/PCO standard, ce dernier correspondant à la composition standard du gaz combustible autour de laquelle sa composition réelle est susceptible de fluctuer et ce rapport définissant un coefficient de correction C2; E) et on utilise ce coefficient de correction C2 pour calculer à la consigne de régulation du dispositif de commande 4 du débit d'entrée d'air de combustion dans le brûleur du four industriel M. La grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie peut être autre que la teneur résiduelle en oxygène dans les fumées après combustion complète, ces mesures étant exécutées par des sondes connues en soi et qui ne nécessitent pas de description plus détaillée pour être comprises et mises en oeuvre par l'Homme du Métier. Les variations de la composition du gaz, en particulier de sa teneur en hydrogène, entraînent comme on l'a dit des fluctuations corrélatives et immédiates de la grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie correspondant à ces variations lors d'une combustion avec excès d'air. En détectant en temps réel les fluctuations de cette grandeur représentative, on peut en déduire, connaissant les débits d'air comburant et de gaz combustible dans le comburimètre, les fluctuations de la composition du gaz combustible. Au moyen d'un calcul simple donnant sa valeur de PCO instantanée, on peut par conséquent ajuster en temps réel la valeur de consigne de la commande 4 du débit d'entrée d'air comburant dans les brûleurs du four de réchauffage, afin de maintenir dans ce dernier les conditions d'une combustion souhaitée stoechiométrique, ou autre. Le PCO réel instantané (ou le coefficient de correction corrélatif dont on se sert pour agir sur la consigne de la commande 4) peuvent être déterminés soit par le calcul, soit par lecture d'abaques préétablies avec les mêmes débits relatifs d'air et de gaz pour différentes valeurs de la grandeur représentative. En résumé, les brûleurs du four de réchauffage sont réglés pour un PCO standard donné du gaz à brûler. Le débit d'air comburant est ajusté à ce PCO standard pour assurer une combustion souhaitée, même quand on fait varier le débit de gaz combustible, par exemple pour modifier la température du four en intervenant sur la puissance calorifique délivrée par les brûleurs. Il faut donc, pour maintenir la qualité voulue de la combustion que le débit d'air comburant (a) suive instantanément les modifications éventuelles que l'on impose par la consigne Co à la commande 3 du débit de gaz à brûler (g). Le correctomètre 5, selon l'invention, intervient lui au 2e niveau, plus fin, pour corriger les effets des fluctuations de la composition du gaz qui modifient ses propriétés thermiques, par exemple son PC0 réel sans qu'on s'en rende compte immédiatement. La Figure 2 représente un mode de réalisation du four- comburimètre 6 selon l'invention. Ce dispositif comporte une chambre-tunnel de combustion 8, d'une longueur suffisante pour que la combustion du gaz, initiée à une extrémité, soit complète à l'extrémité opposée, et un brûleur 7 prévu à une extrémité du tunnel 8. Un embout 11 d'entrée d'air comburant en excès dans le brûleur 7 et une tubulure 12 d'entrée de gaz combustible débouchent dans la chambre de mélange 13. Des dispositifs non représentés permettent le réglage du débit massique de gaz à une valeur prédéterminée constante ainsi que le débit d'air comburant. Le tunnel 8 est thermiquement isolé au moyen de deux couches superposées 14 et 15 d'isolant intercalées entre la paroi de la chambre de combustion 8 et l'enveloppe extérieure 16 du comburimètre 6. Au voisinage de l'ouverture de sortie 17 du tunnel 8, un analyseur à sonde 9 de mesure de la teneur résiduelle en oxygène des fumées de combustion traverse l'enveloppe 16 et les deux couches d'isolant 14, 15. La chambre de combustion 8 a une longueur en pratique d'au maximum 1 mètre environ, en tous cas suffisante pour assurer que la combustion soit complète au niveau de la sonde 9, laquelle est par exemple, une sonde au zirconium de type connu. Comme déjà indiqué, les caractéristiques du gaz (pouvoir calorifique, pouvoir comburivore, densité) sont susceptibles de fluctuer autour de celles du gaz pris dans son état standard. Or, les régulations de débit (Q) de gaz combustible fonctionnent sur des mesures de pression (AP) données par les organes déprimogènes habituels (venturi-diaphragme) à partir des relations classiques liant le débit au AP pour une densité p donnée du gaz: du type Q = k,-. Mais, on ne connaît en fait que la densité p du gaz à l'état standard. Ceci signifie que pour un débit de gaz standard constant (c'est-à-dire AP constant), c'est en fait un débit de gaz (g) variable, dans une composition donc variable autour de l'état standard, qui est réellement brûlé dans le brûleur 1, et ce avec un débit d'air constant. La mise en oeuvre de l'invention corrige la situation en permettant par le calcul d'ajuster en permanence le débit d'air (a) aux besoins de la combustion souhaitée du débit réel fluctuant (g) du gaz à brûler. Cet ajustement s'opère avantageusement par le calcul d'un coefficient de correction C2 permettant de calculer la PCO réel commande 4 de débit d'air, avec C2 = PCO standard par exemple. Le tableau de valeurs ci-dessous consigne des résultats d'essais menés à l'aide d'un correctomètre selon l'invention fonctionnant avec un excès d'air comburant fixé à 40 % (débit constant de 141,8 Nm3/h) brûlant complètement un gaz, qui, à l'état standard de PCI 3.8, est apporté sous un débit de 26,3 Nm3/h (colonne du milieu) et dont la densité varie de + 20 % (colonne gauche et droite). Grace au % 02 des fumées (ligne 8) donné par la sonde et le débit d'air comburant introduit (ligne 5), on calcule la quantité d'air utilisé pour la combustion stoechiométrique (ligne 4). A partir de ce résultat et de la quantité de gaz brûlée (ligne 3) on en déduit son PCI (ligne 1) et donc le coefficient de correction C2 (ligne 9) à utiliser pour le calcul de la commande du débit d'air de combustion du brûleur. 1 Minimum Standard Maximum 1 PCI (Th/Nm3) 3,2 3,8 4,2 2 Densité gaz réel p 0,6 0,5 0,4 3 Q gaz réel (Nm3/h) 23,7 26,3 28,7 4 Q air stoec(Nm3/h) 76,3 101,3 122,1 Q air introduit(Nm3/h) 141,8 141,8 141,8 6 Q air résid. (Nm3/h) 65,5 40,5 19,7 (=Q rég - Q stoec) 7 Q fumées (Nm3/h) 159,7 160,7 161,7 8 % 02 fumées 8,6 5,3 2,6 9 C2 0,84 1,0 1,11 L'invention permet non seulement d'optimiser la marche des brûleurs 1 du four, mais aussi de maltriser l'atmosphère du four, ce qui présente un avantage déterminant. En effet, le caractère plus ou moins oxydant de cette atmosphère a une influence décisive sur la qualité des produits laminés. Si la marche du brûleur n'est pas suffisamment contrôlée, une baisse par exemple de la teneur en hydrogène dans le mélange gazeux combustible va entraîner une augmentation de l'excès d'air dans les fumées de combustion, donc dans l'atmosphère du four. Cet excès d'air comburant, non seulement va modifier la température du chauffage, mais surtout, par l'augmentation corrélative de la teneur en 02 de l'atmosphère du four, a une influence néfaste sur la qualité métallurgique des produits obtenus après laminage, loin en aval. De même une atmosphère trop réductrice risque d'entraîner une reprise d'hydrogène dans les produits à chauffer. Ainsi, le procédé et le dispositif selon l'invention présentent l'avantage essentiel de permettre en temps réel de modifier la consigne de régulation du débit d'entrée d'air comburant dans le four, ce qui n'était pas possible avec les techniques antérieures rappelées au début. On contrôle donc en instantané la composition de l'atmosphère du four pour éviter une atmosphère soit trop oxydante, soit trop réductrice. L'invention permet également un comptage très précis de thermies utilisées par les brûleurs 1 quelles que soient les variations des caractéristiques du combustible utilisé. Outre les avantages substantiels déjà indiqués, le procédé et le dispositif selon l'invention permettent d'effectuer des mesures (notamment teneur en oxygène, débit, pression, etc...) de manière très accessible, en des endroits éloignés de l'enceinte de chauffage et par des appareils aisément démontables pour les entretiens éventuels. là REVENDICATIONS 1) Procédé de réglage en temps réel d'un brûleur, pour four métallurgique notamment, alimenté avec un courant de combustible de caractéristiques variables autour d'un état standard, et avec un débit réglable d'air comburant (a), caractérisé en ce que, au cours de la marche du brûleur (1): - on prélève sur le courant combustible (2) un débit donné (F2), - on brûle ce débit de combustible avec un débit d'air donné en excès (F1), assurant la combustion complète du combustible, - on mesure, dans les fumées de combustion complète du combustible, une grandeur reflétant l'écart à la stoechiométrie, - à partir de cette grandeur mesurée, on détermine la valeur d'une propriété thermique exprimant les caractéristiques réelles instantanées du combustible, - et on applique une grandeur (C2) représentative de cette valeur à la régulation (4) du débit d'entrée d'air comburant (a) dans le brûleur du four brûlant ledit combustible. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie est la teneur résiduelle en oxygène dans les fumées après combustion. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la propriété thermique du combustible, exprimant ses caractéristiques instantanées réelles est son Pouvoir comburivore (PCO). 4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la grandeur appliquée à la régulation (4) du débit d'air comburant (a) est un facteur de correction C2 défini comme le rapport PCO réel instantané/PCO standard, cette valeur PCO standard étant celle du PCO du combustible pris dans son état standard. ) Dispositif (5) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend: - un four (6) constitué par un tunnel (8) de combustion et par un brûleur (7) pouvant être alimenté sous des débits contrôlés en air comburant (F1) et en combustible (F2) de caractéristiques variables autour d'un état standard, ledit brûleur étant monté à une extrémité du tunnel, lequel a une longueur (1) suffisante pour que la combustion soit complète à son autre extrémité (17), le four (6) étant pourvu de moyens (9) de mesure, dans les fumées de combustion, d'une grandeur représentative de l'écart à la stoechiométrie, lesdits moyens étant disposés dans le tunnel (8) à l'extrémité (17) opposée à celle du brûleur (7); - des moyens de réglage à des valeurs contrôlées du débit de combustible (F2) et du débit d'air (F1) qui alimentent le brûleur (7); et une unité de calcul (10), déterminant, sous la forme d'un signal C2 disponible à la sortie de ladite unité, la valeur d'une propriété thermique du combustible (telle que son PCO) représentative de ses caractéristiques instantanées réelles. 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tunnel de combustion (8) est thermiquement isolé. 7) Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de mesure de ladite grandeur représentative sont une sonde (9) de mesure de la teneur en oxygène résiduel dans les fumées.