Brevet FR2859467A1 — publié le 20050311

La présente invention concerne un procédé de contrôle de la fusion de verre dans un four et notamment le contrôle de la zone de fusion du verre dans le four. La fusion du verre consiste à fondre en continu des composés siliceux additionnés ou non de verre de récupération. Ce mélange est dénommé la charge. Le système de chauffe est généralement constitué de brûleurs permettant la combustion de gaz naturel ou d'un combustible liquide avec de l'air ou de l'oxygène comme comburant. L'enceinte du four comprend la chambre de combustion, dans laquelle son situés les brûleurs, et la cuve, qui reçoit et contient la charge fondue. Le procédé de fusion se décompose de la manière suivante: - introduction de la charge à fondre par-dessus le verre en fusion formant une couche infondue à la surface du verre en fusion, - fusion de la charge grâce à la chaleur des brûleurs, circulation de la charge fondue dans la cuve jusqu'à obtention des caractéristiques thermiques et chimiques désirées pour le verre, évacuation en continue du verre liquide. La combustion au niveau des brûleurs génère des gaz de combustion, dont notamment: 02, CO, CO2, H2O, NOX et N2. Leur concentration varie en fonction du type de brûleur, de la nature du combustible et de la nature du comburant. CO2 et H2O sont les produits de combustion issus normalement de la réaction de combustion. N2 provient de l'azote présent dans le comburant, des entrées d'air dans le four ou encore de l'azote présent dans le combustible. 02 provient d'un excès de comburant pour réaliser la combustion ou d'une entrée d'air dans le four. NOX et CO dont des polluants gazeux dont la présence varie avec les conditions de combustion. Dans la zone de fusion, H2O et 02 peuvent avoir une influence néfaste sur la fusion du verre. Tout d'abord, H2O gazeux peut être la cause du problème de volatilisation. Ainsi, H2O gazeux peut réagir avec les alcalins de la charge tels que NaO ou KO et former NaOH et KOH sous forme gazeuse, qui se volatilisent à la surface du verre. Ces composés gazeux sont problématiques car ils entraînent les problèmes suivants: - formation de poussières (par réaction de KOH et NaOH avec des composés sulfurés), qui s'échappent par le conduit de la cheminée du four et entraînent des problèmes de pollution et d'encrassage de la cheminée. - perte de composants nécessaires à la fabrication du verre, ce qui entraîne un problème de qualité du verre. - formation de vapeurs agressives qui réagissent avec les parois réfractaires du four et corrodent les parois et la voûte du four. Quant à 02, il peut conduire à la formation d'une mousse de plusieurs centimètres d'épaisseur à la surface du verre liquide. La principale composante de cette mousse est S02, provenant des composés du verre et essentiellement de l'équilibre cinétique entre la formation de SO3 gazeux, provenant du verre, et sa solubilité. La solubilité de SO3 est proportionnelle à la racine carrée de la pression partielle de l'oxygène. Il en est de même de la hauteur de mousse. Ce phénomène est amplifié par une élévation de température. Cette mousse agit comme un isolant thermique: elle limite le transfert de chaleur entre l'atmosphère et le verre et il est nécessaire d'apporter une plus grande quantité d'énergie pour obtenir la même température du verre. Ce phénomène est amplifié par la réflexion de la mousse. Cette plus grande énergie induit une température de la voûte du four plus importante et une durée de vie des réfractaires à cet endroit plus limitée. Pour résoudre le problème d'interaction du verre et de l'H2O gazeux, des diagnostiques locaux et ponctuels sont réalisés pour mesurer la concentration en alcalins dans le four. Ces mesures sont chères et limitées à certains endroits. On peut s'appuyer sur une modélisation pour prédire le comportement de volatilisation du four: la température à la surface du verre est calculée puis une corrélation est établie entre la volatilisation et la température. Le résultat de la modélisation, comme les résultats des analyses ponctuelles, correspondent à un état précis du four et toute modification (telle que changement d'un type de brûleur, de l'écoulement des gaz ou du type de verre) rend la modélisation caduque ou la mesure non utilisable. Les seules mesures en continu qui permettent d'avoir une information sur l'état de la volatilisation du four sont les mesures de température de voûte et les mesures de volume de poussières en sortie du four. Toutefois, il ne s'agit que d'indicateurs grossiers: bien souvent, on ne prend connaissance du phénomène de volatilisation que lorsque le réfractaire est déjà corrodé ou lorsque des quantités importantes des poussières son mesurées dans la cheminée. II est alors souvent trop tard pour agir. Pour résoudre le problème de mousse à la surface du verre fondu, il est connu de contrôler visuellement grâce à des caméras la surface du verre. Mais, il ne s'agit que d'un diagnostique de surface. Il est également possible d'avoir des informations à l'aide de sondes de mesure d'oxygène, qui sont généralement situées dans la cheminée du four, car la combustion y est généralement complète. Ces sondes peuvent être des sondes zircone ou des sondes de prélèvement suivies d'une mesure par analyseur 02. Ces sondes doivent être fréquemment calibrées et posent des problèmes de maintenance. De plus, elles ne mesurent qu'une teneur globale de l'atmosphère qui n'est pas toujours représentative de l'atmosphère à proximité du verre. Or, c'est l'atmosphère à proximité de la surface qui va conditionner les réactions. La température amplifiant le phénomène de mousse, la température locale près du verre fondu peut être mesurée de manière ponctuelle et locale par des pyromètres optiques. Cette mesure est faite manuellement et dépend de l'opérateur et de l'endroit où il pointe le pyromètre. Au niveau de la composition infondue, la mesure peut être erronée car la surface n'est pas plane. Au niveau de la composition fondue, le verre étant un milieu semi-transparent, il laisse passer une partie du rayonnement et il n'est pas sûr que la température de surface soit mesurée. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de contrôle de four permettant de mesurer rapidement et en continu la concentration en H2O gazeux et en oxygène dans la zone de fusion de verre de manière à anticiper l'apparition des problèmes de volatilisation et de mousse. Dans ce but, l'invention concerne un procédé de contrôle de la fusion de verre dans un four, ladite fusion étant obtenue par chauffe d'une charge par combustion, dans lequel on mesure à l'aide d'au moins une diode laser la concentration en oxygène, la concentration en H2O et la température dans la zone de fusion du four de verre. Une diode laser permet de mesurer l'absorption d'une partie d'un faisceau laser émis à une longueur d'onde appropriée par le gaz dont on cherche à mesurer la concentration et la température. Dans le cadre de la présente invention, on entend par diode laser, un système de mesure se composant: - d'un émetteur de faisceau laser ayant de préférence une longueur d'onde variable dans une plage de longueurs d'onde Ad qui englobe l'une au moins des longueurs caractéristiques absorbée par l'espèce dont on veut détecter la présence, - d'un détecteur de ce faisceau après sa traversée du milieu à analyser de moyens de comparaison, par exemple de l'amplitude du faisceau laser reçu (intensité du faisceau) et de l'amplitude du faisceau laser émis dans toute la plage de longueurs d'ondes considérées. La diode laser peut être placée à une distance de la surface du verre fondu comprise entre 2 et 50 cm, de préférence entre 5 et 20 cm. Il est préférable que les diodes lasers soient placées en dessous des brûleurs. De préférence, on utilise plusieurs diodes laser placées en différents points de la longueur de la zone de fusion du four. Selon un premier mode de réalisation, les diodes laser peuvent être réglées pour mesurer toutes les informations nécessaires en chaque point de la zone de fusion: la concentration en 02, la concentration en H2O et la température. II est alors possible d'utiliser un seul générateur de laser duquel part un réseau de fibres optiques pouvant être disposées en de multiples points autour du four. On peut ainsi disposer d'un nombre de systèmes de diode laser réduit. Selon un deuxième mode de réalisation, on peut utiliser des diodes réglées pour ne réaliser qu'un seul type de mesure: la concentration en 02, la concentration en H2O ou la température. Le rayon laser pénètre dans le four par des fenêtres de visée percée dans la paroi du four à une hauteur telle que le faisceau laser passe à faible distance au-dessus de la charge. L'émetteur et le récepteur laser peuvent être positionnés derrière chacune de ces fenêtres de visée. Selon une variante, l'émetteur et le récepteur peuvent être placés derrière la même fenêtre de visée; un miroir est placé derrière la seconde fenêtre de visée de manière à réfléchir le rayon laser émis par l'émetteur vers le récepteur. Un gaz, tel que de l'azote, peut être utilisé pour nettoyer la surface des fenêtres de visée de l'émetteur et du récepteur et éventuellement du miroir afin d'éviter le dépôt de poussière pour prévenir un échauffement trop important de l'émetteur et du récepteur. La diode laser présente l'intérêt de réaliser une mesure moyenne le long du chemin optique, donc sur toute la largeur du four, de l'information désirée. Elle permet la mesure à quelques centimètres au-dessus de la charge sans pénétration d'élément dans le four, ce qui évite une maintenance élevée des capteurs en contact avec les produits de combustion à haute température et un accès limité ou difficile aux capteurs. En outre, la diode laser ne génère pas de modifications du transfert thermique à la charge contrairement au cas d'une sonde qui serait disposée quelques cm au-dessus de la charge. Enfin, la mesure de la température au plus près de la surface permet de connaître le profil thermique exact de la charge de verre contrairement aux mesures réalisées en voûte de four, qui prennent en compte les transferts thermiques avec la voûte. Selon le procédé de l'invention, en fonction des valeurs de concentrations en H2O et en 02 mesurées, on introduit de l'azote dans le four. Cette injection d'azote d'abaisser la concentration en H2O et en 02 sans diminuer le transfert thermique à la charge de verre. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de la fusion de verre dans un four, ladite fusion étant obtenue par chauffe d'une charge par combustion, caractérisé en ce qu'on mesure à l'aide d'au moins une diode laser la concentration en oxygène, la concentration en H2O et la température dans la zone de fusion du four de verre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode laser est placée à une distance de la surface du verre fondu comprise entre 2 et 50 cm, de préférence entre 5 et 20 cm. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise plusieurs diodes laser placées en différents points de la longueur de la zone de fusion du four. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on introduit de l'azote dans le four en fonction des valeurs de concentration en H2O et en 02 et de la température mesurées.