Brevet FR2934033A1 — publié le 20100122

DISPOSITIF DE PILOTAGE DE BRÛLEURS REGENERATIFS. L'invention est relative à un dispositif de pilotage de brûleurs régénératifs, lesquels sont utilisés comme équipement de chauffe, par exemple pour les fours de réchauffage, en particulier les fours de réchauffage de produits sidérurgiques, notamment de brames, de blooms, d'ébauches ou de billettes, permettant de porter le produit à réchauffer à la température souhaitée pour le laminage, et les tubes radiants pour lignes de traitement en continu de bandes d'acier, par exemple les lignes de recuit et les lignes de galvanisation. Les brûleurs régénératifs sont des systèmes à haut rendement de combustion du fait du préchauffage à haute température de l'un des deux fluides participant à la combustion, généralement l'air, au travers des matrices régénératives des brûleurs. Leur fonctionnement par paire alternativement en brûleur et en cheminée impose un système de vannage particulier. FR 2 905 753 concerne un four de réchauffage équipé de tels brûleurs. Sur les dessins annexés, Fig.1 montre en coupe verticale schématique une paire de brûleurs régénératifs B1, B2 montés en vis-à-vis sur des parois longitudinales opposées d'un four. Chaque brûleur comporte un tube 1.1, 1.2 d'injection de combustible et une matrice régénérative 2.1, 2.2 formée par une masse compacte de matériaux accumulateurs de chaleur. Du côté de chaque matrice opposé à la zone de combustion sont prévues respectivement une tubulure 3.1, 3.2 d'arrivée de comburant, généralement de l'air, et une tubulure de sortie 4.1, 4.2 pour les fumées. Une électrovanne 5.1, 5.2 est prévue respectivement sur les tubulures d'air 3.1, 3.2 alimentées par une conduite commune d'arrivée 6. Une électrovanne 7.1, 7.2 est prévue respectivement sur les tubulures de sortie 4.1, 4.2 qui rejoignent un conduit de fumées commun 8, relié à une cheminée. L'alimentation en combustible est assurée, à partir d'une conduite commune 9, à l'aide de branchements avec électrovannes respectives 10.1, 10.2 pour les tubes 1.1 et 1.2. Lorsque le brûleur B2 chauffe, les vannes 10.2 d'arrivée de combustible, 5.2 d'arrivée d'air et 7.1 d'évacuation des fumées sont ouvertes. Les autres vannes sont fermées. Le brûleur B1 est arrêté et fait office de cheminée et les gaz de combustion passent à travers la matrice 2.1 pour s'échapper par la conduite 4.1, la vanne 7.1 et la conduite 8. Lorsque le brûleur BI chauffe, le brûleur B2 est arrêté et fait office de cheminée. La position des électrovannes est inversée et l'air de combustion passe à travers la matrice régénérative 2.1, où il se réchauffe, avant d'être mélangé au combustible pour être brûlé. Ainsi, là où une seule électrovanne d'air est utile sur un brûleur classique, il faudra quatre électrovannes 5.1, 5.2, 7.1, 7.2 sur une paire de régénératifs dont deux chaudes 7.1, 7.2. Outre le surcoût imposé par ce système lors de l'achat, le coût d'entretien du vannage est également élevé car les vannes sont très sollicitées en raison du nombre élevé de cycles d'ouverture et de fermeture, typiquement toutes les 30 secondes. Les vannes chaudes assurant l'évacuation des fumées posent en particulier un problème technique lorsqu'elles se mettent à fuir après un nombre élevé de cycles d'ouverture et de fermeture, ce qui finit par se produire sur ces vannes chaudes. Le défaut d'étanchéité de la vanne sur les fumées entraîne la fuite d'une partie de l'air de combustion vers la cheminée. II en résulte un défaut d'air au brûleur. Les suies produites par une mauvaise combustion encrassent les régénérateurs, limitant de surcroît le débit d'air de combustion. Les brûleurs finissent par se boucher totalement. En outre, les fumées chargées en imbrûlés retrouvent l'air de fuite dans les conduites aval d'où un risque de postcombustion dans les conduites. L'entretien de ces vannes à chaud devient vite contraignant ce qui oblige souvent à régler la combustion en large excès d'air. Or ces brûleurs ont déjà tendance à produire beaucoup d'oxyde d'azote. Une mauvaise gestion de l'excès d'air empire le phénomène. Sur des fours de type réchauffage à brûleurs multiples de forte capacité, le problème est suffisamment lent à s'installer ce qui perrnet d'agir avant la panne. Sur des systèmes à tubes radiants, le problème deviendrait vite ingérable, chaque unité étant susceptible de se dérégler sans prévenir. Enfin, l'utilisation de petites puissances ne simplifie pas le réglage des débits. L'alimentation des brûleurs en combustible nécessite deux électrovannes 10.1, 10.2 également très sollicitées par un nombre élevé de cycles d'ouverture et de fermeture. L'invention a pour but, surtout, de réduire sinon de supprimer les défauts de fonctionnement évoqués précédemment malgré la fréquence élevée des ouvertures et fermetures des circuits. L'invention proposée, particulièrement bien adaptée aux petites unités de puissance, permet d'éviter ces problèmes en autorisant : - la suppression de vannes et en particulier de vannes chaudes évitant de ce fait toute détérioration de celles-ci dans le temps, conduisant à limiter les coûts d'installation, - une meilleure gestion de l'excès d'air, - la réduction des oxydes d'azote produits lors de la combustion par un dispositif de recirculation de fumées. Selon l'invention, un dispositif de pilotage de brûleurs régénératifs utilisés comme équipement de chauffe, en particulier pour des fours de réchauffage de produits sidérurgiques ou des tubes radiants pour lignes de traitement en continu de bandes d'acier, est caractérisé en ce que l'alimentation d'au moins l'un des fluides participant à la combustion (combustible et comburant) est réalisé à l'aide d'un injecteur tournant au moyen d'un actionneur rotatif de sorte d'alimenter alternativement l'un puis l'autre des brûleurs. Avantageusement, l'injecteur tournant est disposé sur la conduite d'arrivée de comburant, en particulier d'air, et est prévu pour obstruer partiellement la tuyauterie d'alimentation vers le brûleur et éviter ainsi le passage direct de l'air à la cheminée. Une partie des fumées en provenance du régénérateur du brûleur à l'arrêt est évacuée vers la cheminée. L'autre partie des fumées de combustion est induite vers le brûleur en marche par un effet d'entraînement lié à la vitesse du fluide à l'échappement de l'injecteur. L'injecteur tournant peut être disposé sur la conduite d'arrivée de comburant, en particulier d'air, et être prévu pour obstruer partiellement la tuyauterie d'alimentation vers le brûleur de sorte que le comburant parte vers le brûleur sans passer directement à la cheminée en raison de l'effet venturi assurant l'étanchéité. L'injecteur peut comporter un corps creux cylindrique présentant, à une extrémité, une buse tronconique qui s'ouvre radialement par un orifice de sortie de diamètre réduit, la buse pouvant être placée face à l'entrée d'un conduit d'air vers un brûleur, de sorte que des zones d'entraînement des fumées sont créées par l'éjection de l'air à travers l'orifice de sortie. Avantageusement, l'injecteur comporte, vers son extrémité éloignée de la buse, une partie disposée dans un logement cylindrique et réalisée sous forme de vanne d'air froid avec deux orifices diamétralement opposés prévus dans la partie, et un orifice prévu dans la paroi du logement, au niveau des orifices. Une bague en matériau à coefficient de frottement réduit, en particulier en bronze, peut être disposée entre le corps de l'injecteur et la paroi 5 du logement. L'actionneur rotatif de l'injecteur est avantageusement constitué par un moteur électrique. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus 10 explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins : Fig.1 montre, en coupe verticale schématique, une paire de brûleurs régénératifs selon l'état de la technique. 15 Fig.2 montre, en coupe verticale schématique, une paire de brûleurs régénératifs avec dispositif de pilotage selon l'invention. Fig.3 montre en coupe axiale verticale, à grande échelle, l'injecteur tournant en position de fermeture, et Fig.4 montre en coupe verticale, à plus grande échelle, la buse de 20 l'injecteur et une entrée de conduite. La description de l'invention est effectuée avec référence aux Fig.2 à 4 des dessins annexés. La description est réalisée pour une application en tubes radiants 11 en forme de U dont seules les extrémités des branches parallèles sont représentées. La description est tout à fait transposable aux 25 autres applications des brûleurs régénératifs tels que pour les fours de réchauffage avant laminage. Les éléments de Fig. 2 similaires à des éléments décrits à propos de Fig. 1 sont désignés par les mêmes références numériques, sans que leur description soit reprise. 30 Selon la représentation de Fig. 2, le brûleur BI chauffe, tandis que le brûleur B2 est à l'arrêt et fonctionne en cheminée. Les électrovannes d'alimentation en air et d'évacuation des fumées ont été supprimées. Selon l'invention, l'alimentation en air de combustion est réalisée par 35 un injecteur 12 tournant au moyen d'un actionneur M rotatif 180° à trois positions qui bascule l'arrivée d'air vers le brûleur du haut B1 puis inverse la combustion vers le brûleur du bas B2. La troisième position est intermédiaire et correspond aux brûleurs à l'arrêt. L'actionneur M, généralement constitué par un moteur électrique, pourra être équipé de contacts fin de course permettant le contrôle du positionnement. L'injecteur tournant 12 comporte un corps creux cylindrique 13 disposé de manière coaxiale dans un logement cylindrique 14 de support et de guidage en rotation. Avantageusement, une bague 15 (Fig.3) en matériau à coefficient de frottement réduit, notamment en bronze, est disposée entre le corps 13 et le logement 14. Selon l'exemple illustré sur Fig. 2, l'axe géométrique du corps 13 est horizontal, mais une orientation différente est possible, notamment verticale. Le corps 13 est fermé à son extrémité axiale tournée vers l'actionneur M. Cette extrémité est reliée par un arbre 16 à l'actionneur. A son autre extrémité, le corps 13 comporte une buse d'injection 17 qui s'ouvre radialement dans un espace 18. L'arrivée d'air 3.1 et la sortie 4.1 des fumées du brûleur B1 sont assurées par un seul et même conduit 19.1. Il en est de même pour le brûleur B2 et le conduit 19.2. Les axes géométriques des conduits 19.1, 19.2 sont alignés et orthogonaux à l'axe géométrique de rotation du corps 13. Les tubulures 19.1, 19.2 débouchent dans l'espace 18. La sortie de la buse 17 peut être placée soit face à la tubulure 19.1, soit par une rotation de 180° face à la tubulure 19.2, soit dans une position intermédiaire d'arrêt. La partie 13a du corps 13 disposée dans le logement 14 est réalisée sous forme de "vanne d'air froid" V, et comporte dans sa paroi cylindrique deux orifices 20a, 20b diamétralement opposés. La conduite 6 d'arrivée d'air débouche dans la paroi cylindrique du logement 14 par un orifice 21 situé, suivant la direction de l'axe du corps 13, au niveau des orifices 20a, 20b. Dans le cas où une bague en bronze 15 est prévue (Fig.3), elle comporte un orifice 15a placé au droit de l'orifice 21. La conduite de fumées 8 s'ouvre dans l'espace 18 et un passage 22 suffisant existe, du côté opposé à la buse 17, entre le corps 13 et l'entrée de la conduite 8 pour le passage des fumées, selon la flèche F, vers la cheminée non représentée. La buse 17 présente une paroi extérieure tronconique dont le diamètre diminue jusqu'à l'orifice de sortie 17a. Comme bien visible sur Fig. 4, lorsque la buse 17 est placée face à l'entrée d'un conduit 19.1 ou 19.2, une configuration voisine d'un venturi est obtenue, et des zones d'entraînement des fumées sont créées autour de la paroi extérieure tronconique, par l'éjection de l'air à travers l'orifice 17a. La vanne d'air froid V située à l'extrémité de l'injecteur tournant est du type cylindrique 180°. Son rôle est de couper l'arrivée d'air en position intermédiaire et d'assurer l'alimentation en air dans les deux positions de fonctionnement correspondant aux deux brûleurs. Elle reste de construction simple dans la mesure où elle n'a pas d'obligation à être rigoureusement étanche en position fermée. L'injecteur 12, par sa buse tronconique 17 à orifice de sortie réduit 17a, permet la mise en vitesse de l'air froid. L'alimentation en air de combustion est généralement réalisée à une pression élevée, de l'ordre de 1000daPa (soit 0.1 bar), ce qui évite que l'air ne reparte directement vers les fumées. La vitesse de l'air entraîne localement une partie des fumées vers le brûleur, l'autre partie étant évacuée vers l'extérieur du système. Les fumées sont à une température modérée, typiquement environ 200°C, car elles ont au préalable été refroidies lors de leur passage dans la matrice régénérative 2.2 du brûleur en position cheminée. L'injecteur tournant 12 équipé de sa vanne d'air froid V est particulièrement adapté à un fonctionnement en tout ou rien des brûleurs. Il n'est, dans ce cas, pas nécessaire de prévoir un organe supplémentaire de contrôle du débit d'air en amont de la vanne d'air froid V. Pour un fonctionnement des brûleurs en mode proportionnel, la variation du débit d'air est réalisée en amont de la vanne d'air froid de l'injecteur, par exemple au moyen d'une vanne de régulation de débit. Le fonctionnement du dispositif de pilotage des brûleurs régénératifs 1.1, 1.2, avec l'injecteur tournant 12 est le suivant. Dans la position illustrée sur Fig. 2, l'injecteur 12 occupe la position pour laquelle l'orifice 20b du corps 13 communique avec la conduite d'arrivée 6 d'air froid, tandis que la buse 17 se trouve face à l'entrée de la conduite 19.1. l'air froid de combustion arrivant par la conduite 6 est dirigé par la buse 17 dans la conduite 19.1. Le rétrécissement de la section de la buse 17 provoque une augmentation de la vitesse de l'air à la sortie 17a et l'entraînement d'une partie des fumées chaudes qui arrivent par la conduite 19.2 pour être évacuée par la conduite 8. Le mélange air/fumées obtenu traverse la matrice régénérative 2.1 qui a accumulé de la chaleur lors du cycle précédent. Sensiblement réchauffé à la sortie de la matrice 2.1, il est utilisé pour brûler dans de bonnes conditions le combustible qui arrive par le tube 1.1. Les fumées chaudes circulent dans le tube radiant 11 et reviennent, après avoir perdu une partie de leur chialeur, vers le brûleur B2 qui est à l'arrêt. Les fumées encore chaudes traversent la matrice 2.2 où elles abandonnent une partie de leur chaleur, puis sont dirigées par la conduite 19.2 vers la conduite de sortie 8. Au cycle suivant, l'arrivée de combustible au brûleur B1 est stoppée alors que l'arrivée de combustible dans le tube 1.2 du brûleur B2 e:st ouverte. L'injecteur 12 est tourné de 180 degrés de manière que la buse 17 débouche dans la conduite 19.2. Le fonctionnement est inversé par rapport à celui décrit 10 ci-dessus. L'injecteur tournant 12 agit donc comme un distributeur et assure le rôle de séparation air/fumées en obstruant partiellement la tuyauterie d'alimentation 19.1 (ou 19.2) vers le brûleur BI (ou B2) de sorte que l'évacuation des fumées s'effectue vers la cheminée après être passée par le 15 régénérateur 2.2 (ou 2.1) du brûleur à l'arrêt B2 (ou B1) sans être entrainée vers le brûleur en marche BI (ou B2). II est connu par l'homme du métier que la recirculation d'une partie des fumées dans l'air comburant à pour effet de réduire les oxydes d'azote formés lors de la combustion. 20 En n'obstruant que partiellement la tuyauterie d'alimentation 19.1 (ou 19.2) vers le brûleur BI(ou B2) , la vitesse donnée à l'air de combustion par l'injecteur permet d'entraîner une partie des fumées , ce qui contribue à la diminution des oxydes d'azote. Enfin, n'étant plus tributaire de la durée de vie des électrovannes, il 25 devient possible de réduire la durée du cycle d'inversion des brûleurs ce qui permet de construire des régénérateurs 2.1, 2.2 de petites dimensions. Un injecteur tournant, similaire à celui décrit précédemment pour l'air de combustion, peut également être mis en oeuvre pour le combustible, afin de remplacer les électrovannes 10.1 et 10.2 de Fig.1. Un tel injecteur tournant pour 30 le combustible ne comporterait pas de buse 17, mais un simple orifice à l'endroit de la buse. On profiterait ainsi d'une double recirculation des fumées par l'air de combustion et par le combustible dans le but de réduire le niveau de NOx produit. REVENDICATIONS1. Dispositif de pilotage de brûleurs régénératifs utilisés comme équipement de 5 chauffe, en particulier pour des fours de réchauffage de produits sidérurgiques ou des tubes radiants pour lignes de traitement en continu de bandes d'acier, caractérisé en ce que l'alimentation d'au moins l'un des fluides participant à la combustion (combustible et comburant) est réalisé à l'aide d'un injecteur tournant (12) au moyen d'un actionneur rotatif (M) de sorte d'alimenter 10 alternativement l'un puis l'autre des brûleurs (B1, B2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur tournant (12) est disposé sur la conduite d'arrivée (6) de comburant, en particulier d'air, et est prévu pour obstruer partiellement la tuyauterie d'alimentation (19.1 ; 19.2) 15 vers le brûleur (BI B2) de sorte qu'une partie des fumées en provenance du régénérateur (2.2 ; 2.1) du brûleur à l'arrêt (B2 ; BI) parte vers la cheminée sans être entrainée vers le brûleur en marche (B1 ; B2). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur tournant 20 (12) est disposé sur la conduite d'arrivée (6) de comburant, en particulier d'air, et est prévu pour obstruer partiellement la tuyauterie d'alimentation (19.1 ; 19.2) vers le brûleur (BI ; B2) de sorte que le comburant parte vers le brûleur sans passer directement à la cheminée en raison de l'effet venturi assurant l'étanchéité. 25 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injecteur tournant (12) est disposé sur la conduite d'arrivée (6) de comburant, en particulier d'air, et est prévu pour assurer une recirculation d'une partie des fumées de combustion vers le brûleur en marche (B1 ;B2) par un effet 30 d'entraînement lié à la vitesse du fluide à l'échappement de l'injecteur (12). 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'injecteur (12) comporte un corps creux cylindrique (13) présentant, à une extrémité, une buse (17) tronconique qui s'ouvre radialement par un orifice de 35 sortie (17a) de diamètre réduit, la buse pouvant être placée face à l'entrée d'un conduit d'air (19.1, 19.2) vers un brûleur (B1, B2), de sorte que des zones d'entraînement des fumées sont créées par l'éjection de l'air à travers l'orifice de sortie (17a). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'injecteur (12) comporte, vers son extrémité éloignée de la buse, une partie (13a) disposée dans un logement cylindrique (14) réalisée sous forme de vanne d'air froid (V) avec deux orifices (20a, 20b) diamétralement opposés prévus dans la partie (13a), et un orifice (21) prévu dans la paroi du logement (14), au niveau des orifices (20a, 20b). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une bague (15) en matériau à coefficient de frottement réduit est disposée entre le corps (13) de l'injecteur et la paroi du logement (14). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la bague (15) est en bronze. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'actionneur rotatif (M) est constitué par un moteur électrique.