Brevet FR2805604A1 — publié le 20010831

L'invention concerne un procédé de réglage de la teneur en vapeur d'eau dans un four à très haute température, et notamment dans un four de cuisson de céramiques et de produits carbonés. Il a été constaté dans la fabrication de céramiques techniques et de produits carbonés à des températures de 1 300 à 1 800 C dans des fours à brûleurs que la présence de la vapeur d'eau résultant de la combustion des combustibles hydrocarbonés par les brûleurs a des conséquences nuisibles sur la qualité des céramiques et des produits carbonés obtenus. A des températures inférieures, on remédie à cet inconvénient en utilisant des fours électriques ou des fours à brûleurs radiants, fours dans lesquels n'est pas produite de la vapeur d'eau. Mais il est techniquement et économiquement difficile d'atteindre des températures de 1 300 à 1 800 C avec de tels fours et les fours à brûleurs à combustible s'imposent. L'invention fournit donc un procédé de réglage de la teneur en vapeur d'eau dans un four à très haute température, qui consiste à utiliser comme combustible essentiel du monoxyde de carbone CO et comme comburant de l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène. On peut utiliser du CO seul ou lui combiner une faible quantité d'un combustible hydrocarboné (gaz naturel par exemple), la faible quantité étant calculée pour donner une quantité déterminée de vapeur d'eau dans le four. Les équations mises en oeuvre dans la combustion sont les suivantes: 1) 2CO + 02(+ xN2) - 2CO2(+ xN2) 2) CH4 + 202(+yN2) - CO2 + 2H20(+ yN2) (des équations semblables à 2) s'écrivent pour les divers hydrocarbures C.H2n+2 autres que le méthane). Dans le cas de l'équation 1), il n'y a pas production d'eau tandis que l'équation 2) correspondant schématiquement à l'utilisation du gaz naturel comme combustible montre la formation d'une quantité importante d'eau. Par contre si on introduit un faible débit de gaz naturel dans le brûleur, on peut déterminer et régler la quantité d'eau présente dans le four. En outre l'utilisation de CO présente d'autres avantages par rapport à l'utilisation du gaz naturel et permet de limiter le volume des fumées et aussi d'améliorer le rendement thermique. 2 2805604 On voit d'après les équations 1 et 2 que, en combustion stoechiométrique, le rapport volumique du comburant au combustible est en faveur du monoxyde de carbone par rapport au méthane (gaz naturel) que l'on utilise de l'oxygène pur ou de l'air comme comburant. volume 02 volume air = 0,5 = 2,38 volume CO volume CO alors que volume 02 volume air =2 =9,53 volume CH4 volume CH4 Le même rapport avantageux se retrouve au niveau de la production de fumées: volume fumées (air) volume fumées (air) =3,5 = 13 volume CO volume CH4 Par ailleurs l'énergie libérée par la combustion d'un m3 de CO (avec de l'air à C) est de 12 MJ/m3 et donne une température théorique de 2 468 C (hors dissociation) ou de 1 958 C (avec dissociation). Cette température est donc suffisante pour que le four et le produit à chauffer atteignent une température de 1 800 C. L'énergie libérée par la combustion d'un m3 de CH4 dans les mêmes conditions étant de 33 MJ/m3, la quantité de fumées dégagée par MJ est également favorable pour la combustion de CO volume fumées (air) volume fumées (air) = 0,29 = 0,39 MJ CO MJ CH4 On notera que le rendement thermique pour la combustion de CO pur est encore amélioré par l'absence de formation d'eau car on économise l'énergie de vaporisation de cette eau. Le monoxyde de carbone est un combustible plus coûteux que le gaz naturel ou les autres combustibles habituels mais les avantages qu'il procure et la très grande difficulté technique pour obtenir des températures de 1 800 C avec des fours électriques ou à brûleurs radiants à l'échelle industrielle compensent cet inconvénient. Le comburant est constitué par l'air qui peut être séché si on souhaite obtenir une atmosphère exempte d'eau ou par de l'air enrichi en oxygène jusqu'à de l'oxygène pur. 3 2805604 On va maintenant décrire un exemple de réalisation d'une installation de mise en oeuvre du procédé avec référence à la figure unique qui est une représentation schématique d'un dispositif de mise en oeuvre de la présente invention. Un four de cuisson 1 contient un produit à chauffer 2 et est équipé d'une cheminée 3 pour l'évacuation des produits de combustion et d'un brûleur 4. Le brûleur 4 est alimenté en monoxyde de carbone par une conduite 5 sur laquelle sont montés un détecteur D1 de mesure du débit de CO et une vanne de réglage V1 du débit de CO. Le comburant (02 ou air) est amené au brûleur par une conduite 6 équipée d'un détecteur D2 de mesure du débit de comburant et d'une vanne de réglage V2 de ce débit. Une troisième conduite 7 elle aussi équipée d'un détecteur de débit D3 et d'une vanne de réglage V3 du débit permet d'alimenter le brûleur 4 en combustibles hydrocarbonés symbolisés sur la figure par CH4 mais qui peuvent comprendre des hydrocarbures supérieurs CnH2n+2. Des lignes de transfert 8, 9, 10 envoient les informations fournies par les détecteurs D1, D2 et D3 respectivement à un calculateur 11 qui reçoit par la ligne de transfert 12 une indication de la température dans le four à l'aide d'un capteur 20. La connaissance de la température dans le four est utile pour la conduite du processus de chauffage mais n'intervient pas dans le réglage de la teneur en eau. Le calculateur 11 calcule les différents paramètres et en fonction de la teneur en eau voulue règle le débit de CH4 par l'intermédiaire de la vanne de réglage V3 via la liaison 13. Des liaisons 14 et 15 permettent également de régler les débits de comburant et de combustible respectivement par l'intermédiaire des vannes V2 et V1. A titre d'exemple, on trouvera ci-dessous les équations de combustion d'un mélange de CO et CH4 qui fournissent la base de l'algorithme utilisé par le calculateur Volume des produits de combustion = % Co x 0,0289 + % CH4 x 0,1056 + (% EAIR*/100) x 0,0239 x [% CO +4 % CH4] Volume de CO + CH4 Volume H20 = % CH4 x 0,02 Volume de CO + CH4 Volume H20 - % CH4 x 0, 02 Volume de CO + CH4 % CO x 0,0289 + % CH4 x 0,1056 + (% EAIR*/100) x 0, 0239 x [% CO + 4 % CH4] 4 2805604 o EAIR: excès d'air est la quantité d'air sec fournie en excès de la quantité nécessaire pour une combustion stoechiométrique. EAIR = 0 pour une combustion stoechiométrique. Le réglage de l'excès d'air, donc de la teneur en oxygène, est réalisable par cet algorithme qui montre également qu'en mesurant le débit de CO, le débit de CH4 et le débit et la composition du comburant, il est possible de connaître et donc de réguler le volume d'H20 par rapport au volume des produits de combustion et d'en améliorer la concentration en eau. Cet algorithme est donné pour une réaction à l'équilibre et peut être affiné pour tenir compte des valeurs d'équilibre. Des algorithmes similaires peuvent être calculés pour les autres hydrocarbures présents dans le combustible hydrogéné. 2805604 REVENDICATIONS 1. Procédé de réglage de la teneur en vapeur d'eau dans un four fonctionnant à très haute température entre 1 300 et 1 800 C et chauffé par des brûleurs à combustible, caractérisé en ce qu'on utilise comme combustible du monoxyde de carbone CO et comme comburant de l'oxygène ou de l'air éventuellement séché et/ou enrichi en oxygène. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise avec le monoxyde de carbone une faible proportion de combustible hydrocarboné calculée pour obtenir une teneur déterminée en vapeur d'eau dans le produit de combustion. 3. Installation de mise en oeuvre du procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un four (1) contenant un produit à chauffer (2), - un brûleur (4) alimenté en monoxyde d'azote CO par une conduite (5) équipée soit d'un détecteur de débit (DI) et d'une vanne (Vl) de réglage du débit de CO, en comburant par une conduite (6) équipée d'un détecteur de débit (D2) et d'une vanne (V2) de réglage du débit de comburant et un combustible hydrocarboné par une conduite (7) équipée d'un détecteur de débit (D3) et d'une vanne (V3) de réglage du débit du combustible hydrocarboné, - un calculateur (11) relié fonctionnellement aux détecteurs de débit (DI, D2, D3) et aux vannes (Vl, V2, V3) pour régler les débits du ou des combustibles ou du comburant selon la teneur en vapeur d'eau souhaitée dans le four. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le four de cuisson (1) est un four de cuisson pour céramiques ou de produits carbonés.