Brevet FR2776761A1 — publié le 19991001

La présente invention concerne un four thermique notamment four à verre, dont la charge est chauffée à haute température par la combustion d'un combustible, ce four étant équipé de résistances électriques pour un chauffage complé- mentaire électrique. L'invention s'applique de manière générale à des fours à combustion et notamment à réchauffage d'air de com- bustion du type régénératif comme les fours à verre. Selon l'état actuel de la technique, un four thermique utilise un combustible pour chauffer une charge. La combustion génère des produits polluants tels que des gaz C02, NOx, SOx et des poussières. Ces produits polluants se mesurent en aval du four dans les fumées. Or, le fonctionne- ment d'un four est soumis à différents impératifs et les moyens pour répondre aux impératifs que sont le rendement thermique du four et la réduction des produits polluants, aboutissent à des résultats contradictoires. Ainsi, on améliore les performances thermiques d'un four en préchauffant les gaz comburants tels que l'air ou un mélange d'air et de gaz de recyclage par un système ré- cupératif ou régénératif de l'énergie thermique des fumées issues du four. En effet, plus particulièrement la plupart des fours à verre sont équipés d'un système de récupération de chaleur. Les fumées sortant du four traversent une masse so- lide de récupération de chaleur formée d'un empilage qui se réchauffe au contact des fumées avant que celles-ci ne soient évacuées à l'extérieur. Un tel système récupératif est égale- ment prévu à l'entrée du four. Il est traversé par les gaz comburants qui se réchauffent dans ce système récupératif. En fait, le four travaille en alternance, la cir- culation des gaz comburants et des fumées se faisant tantôt dans un sens, entre l'entrée et la sortie, et tantôt dans le sens opposé, la sortie devenant alors l'entrée et l'entrée la sortie. A chaque étape de fonctionnement, le système récupé- ratif placé en sortie, est traversé par les fumées et récu- père de la chaleur alors que le système récupératif, placé à l'entrée, et qui était traversé par les fumées au cours de l'étape précédente, est maintenant traversé par les gaz com- burants qui se réchauffent au contact de la masse d'accumulation thermique du système récupératif. Ce préchauffage des gaz comburants est intéres- sant pour le rendement thermique du four mais, malheureuse- ment, il augmente la production nocive d'oxydes d'azote NOx. Il existe également une autre solution pour amé- liorer le rendement du four, qui consiste à fournir de l'énergie par effet Joule à l'intérieur du four ou à la charge. Ce fonctionnement d'un four à verre appelé " boosting électrique " améliore globalement les performances du four et permet de réduire l'émission des composants NOx. Enfin, pour réduire l'émission des gaz NOx pol- luants, une autre solution consiste à faire une recirculation partielle des gaz de combustion en les réinjectant dans les gaz comburants en amont de la zone de combustion principale. La présente invention a pour but de perfectionner le rendement d'un four dont la charge est chauffée à haute température par la combustion d'un combustible tout en rédui- sant l'émission de produits polluants, notamment des oxydes NOx. A cet effet, l'invention concerne un four thermi- que du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il com- prend: - un moteur thermique et une machine génératrice électrique entraînée par le moteur thermique pour alimenter au moins en partie le chauffage électrique, - l'échappement des gaz de combustion du moteur étant relié à la veine des gaz comburants alimentant la zone de combus- tion du four. La combinaison selon l'invention permet d'augmenter globalement l'efficacité des combustibles utili- sés par le four et le moteur, ce dernier pouvant utiliser un combustible identique ou différent de celui du four, à savoir le combustible directement brûlé dans le four et celui ali- mentant le moteur thermique entraînant la machine généra- trice. Cette combinaison permet de transférer efficacement par effet Joule, à la charge du four, une partie de l'énergie calorifique du combustible utilisé par le moteur, et cela avec un rendement énergique global supérieur à celui du four et de son système de récupération calorifique. Suivant une caractéristique avantageuse, le four comprend un système de récupération de. chaleur en amont du four pour réchauffer les gaz comburants et l'injection des gaz de combustion du moteur thermique se fait dans le système de récupération ou en amont de celui-ci, ou encore en aval dans le four. Les trois modes d'injection peuvent être comman- dés séparément par des vannes; l'injection peut également se faire simultanément suivant une répartition choisie. Le moteur thermique entraînant la machine généra- trice peut être un moteur à pistons ou une turbine. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide du schéma d'un four thermique selon l'invention. Selon la figure, l'installation de four thermique de l'invention se compose du four 1 proprement dit, équipé d'une entrée 2 de gaz comburants et d'une sortie 3 de fumées. Le four contient une charge 4 chauffée par une zone de com- bustion principale 5 comportant au moins un brûleur alimenté en combustible. Le four 1 est également équipé d'un moyen de chauffage électrique 6, par électrodes pénétrant par exemple dans la charge 4 pour permettre de chauffer la charge de fa- çon complémentaire par effet dit " de boosting ". Il est à remarquer que le four 1 fonctionne de manière réversible en alternance, si bien que l'entrée de gaz comburants 2 devient la sortie des fumées et inversement la sortie des fumées 3 devient l'entrée des gaz comburants. Dans un but de simplification, le dessin se li- mite aux seules parties situées du côté de l'entrée 2, l'équipement à la sortie des fumées 3 étant quasi symétrique. Il en est de même de la zone de combustion principale 5 pré- r vue du côté de l'arrivée des gaz comburants 2. Une telle zone de combustion principale existe également près de la sortie des fumées 3 et s'utilise lorsque la sortie des fumées 3 fonctionne comme arrivée des gaz comburants. En amont de l'entrée 2, il est prévu un récupéra- teur de chaleur 7 formé d'une enceinte 71 contenant une charge 72, 73 constituée en général par un empilage de maté- riaux réfractaires qui peuvent être traversés par les gaz de combustion pour en prélever la chaleur ou fournir la chaleur aux gaz comburants. L'entrée des gaz comburants dans le récu- pérateur de chaleur 7 porte la référence 74. Le sens de pas- sage des gaz comburants est indiqué par la flèche A. Selon l'invention, l'installation est équipée d'un moteur thermique 8 alimenté en combustible par la con- duite 80 et entraînant une génératrice électrique 9 reliée par une liaison électrique 91 au moyen de chauffage électri- que 6 du four 1. Les gaz de combustion du moteur thermique 8 sont fournis par l'échappement 81, soit à l'entrée du récupé- rateur de chaleur 7 par la conduite 82 munie d'une vanne 83, soit à un niveau intermédiaire du récupérateur 7 par la con- duite 84 commandée par la vanne 85, soit encore à un niveau en aval dans le sens de la flèche A d'écoulement des gaz com- burants par une conduite 86 munie d'une vanne 87 débouchant dans l'entrée 2 du four 1. L'action sur les vannes 83, 85, 86 permet de répartir les gaz de combustion du moteur thermique 8 entre l'amont du récupérateur 7 (conduite 82), une position intermédiaire (conduite 84) et une position en aval de l'échangeur ou dans l'enceinte du four (conduite 86). La ré- partition commandée des gaz d'échappement entre les trois possibilités d'injection dépend de différents paramètres liés notamment à la nature des produits chargés dans le four et à la conduite du four. Cette répartition peut n'autoriser qu'une injec- tion par une conduite ou par deux ou les trois conduites. Il est avantageux que les vannes 83, 85, 87 soient pilotées. L'échappement 81 du moteur 8 est équipé d'une mise à l'air libre 88 munie éventuellement d'un clapet 89 pour réguler la pression dans la conduite 81. Enfin, il convient de remarquer que les gaz de combustion du moteur 8 étant rebrûlés dans le four, ceci per- met de régler la combustion du moteur à un niveau stoechiomé- trique ou sous-stoechiométrique pour optimiser le rendement de l'ensemble en fonction des impératifs d'exploitation. En effet, un des impératifs étant la réduction des Nox, ceux produits par la combustion du moteur thermique varient dans le même sens que l'excès d'air de combustion. Une technique existante actuelle consiste à diminuer ces Nox en réglant la combustion du moteur de façon stoechiométrique ou sous-stoechiométrique, dont l'inconvénient est de produire des imbrûlés. La réinjection des gaz d'échappement d'une10 telle combustion dans la veine de gaz comburants alimentant le four supprime cet inconvénient, en effectuant un rebrûlage des dits imbrûlés. Le moteur thermique 8 peut être un moteur à com- bustion interne ou une turbine et son combustible peut être le même que le combustible alimentant le brûleur 52 ou un combustible différent. R E V E N D I C A T ION S 1 ) Four thermique notamment four à verre, dont la charge est chauffée à haute température par la combustion d'un combusti- ble (5), ce four étant équipé d'un moyen de chauffage électrique (6) pour un chauffage complémentaire électrique, caractérisé en ce qu'il comprend: - un moteur thermique (8) et une machine génératrice électri- que (9) entraînée par le moteur thermique (8) pour alimen- ter au moins en partie le moyen de chauffage électrique (6), l'échappement (81) du moteur thermique (8) étant relié à la veine des gaz comburants (74) alimentant la zone de combus- tion (5) du four (1) 2 ) Four thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend un système de récupération de chaleur (7) en amont du four (1) pour réchauffer les gaz comburants. ) Four thermique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu' une conduite d'injection (82) équipée d'une vanne (83) relie l'échappement (81) du moteur (8) à l'entrée des gaz combu- rants dans le système de récupérateur (7). 4 ) Four thermique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu' une conduite d'injection (84) équipée d'une vanne (85) relie l'échappement (81) du moteur (8) directement au système de récupération (7). ) Four thermique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu' une conduite d'injection (86) équipée d'une vanne (87) relie l'échappement (81) du moteur (8) à l'entrée (2) du four (1). G6 ) Four thermique selon les revendications 3, 4, 5, caractérisé en ce que les vannes (83, 85, 87) sont pilotées. 7 ) Four thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il récupère au moins une partie des gaz d'échappement d'un moteur thermique (8) et rebrûle les imbrûlés contenus dans ces gaz dans le cas d'une combustion stoechiométrique ou sous-stoechiométrique pour une plus grande diminution des NOx. 8 ) Four thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la conduite d'échappement (81) du moteur (8) comporte une mise à l'air libre (88) munie d'un clapet (89) pour réguler la pression dans la conduite (81).