Brevet FR2977004A1 — publié le 20121228

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de gestion d'imbrûlés dans des circuits mettant en oeuvre un bac régénératif. Le dispositif et le procédé sont notamment destinés à être utilisés pour la régénération du gaz de haut fourneau. L'invention a également pour objet un brûleur régénératif comportant un tel dispositif. On connaît des systèmes régénératifs qui permettent de préchauffer un gaz à faible pouvoir calorifique afin d'en augmenter la température de flamme. Par ce moyen, il est possible d'atteindre une température suffisante pour pouvoir exploiter ce gaz dans un process industriel. Ces systèmes permettent de valoriser des gaz pauvres, tels que les gaz de hauts fourneaux produits de manière accessoire lors du fonctionnement d'installations sidérurgiques. Cette exploitation présente le double avantage d'abaisser la facture énergétique d'une installation et d'éviter d'avoir à rejeter les gaz directement dans l'atmosphère, ces gaz ayant souvent un impact environnemental négatif. Dans un système régénératif classique, deux brûleurs sont appairés et fonctionnent selon un cycle qui alterne une phase d'admission et une phase d'échappement. A cet effet, à chaque brûleur sont associés des conduits d'admission de combustible et de comburant et un conduit d'échappement des fumées. Des vannes pilotent l'ouverture des conduits pour que le brûleur alterne cycliquement une fonction de combustion dans laquelle un mélange de combustible et de comburant (le plus souvent de l'air) est injecté dans le brûleur qui enflamme celui-ci et une fonction d'échappement dans laquelle le brûleur, alors inactif, est simplement traversé par les fumées de combustion. Chaque brûleur est équipé d'un bac régénératif remplissant une fonction d'accumulateur thermique en : - préchauffant le combustible qui le traverse en lui cédant de la chaleur, lors de la phase d'admission ; - absorbant la chaleur des fumées d'échappement qui le traversent lors de la phase d'échappement. Les fours mettant en oeuvre des systèmes régénératifs sur gaz pauvre émettent néanmoins des rejets relativement polluants de sorte qu'ils sont en fonction essentiellement en Asie, où la législation environnementale permet de tels rejets polluants. Des systèmes de post-combustion de type torchères ou de traitement des fumées avant rejet à l'atmosphère permettent de maîtriser le niveau de pollution liés aux rejets mais ont un impact non négligeable sur l'environnement ainsi que des coûts opérationnels (investissement, temps d'immobilisation de l'ensemble de l'unité de production pour l'installation et la maintenance de tels équipements) particulièrement élevés. Un but de l'invention est de fournir un moyen simple et économique de limiter la pollution engendrée par les installations pourvues de systèmes régénératifs. Or, on s'est aperçu que le fonctionnement cyclique entraîne le rejet, avec les fumées d'échappement, du combustible imbrûlé contenu dans le bac régénératif et que ce rejet a une part relativement importante dans la pollution engendrée par les fours équipés de systèmes régénératifs. L'invention vise à purger le bac régénératif du combustible qu'il contient avant la phase d'échappement et ainsi éviter le rejet de ce dernier à l'atmosphère. Cette solution est une alternative abordable aux coûteux dispositifs de postcombustion ou de traitement de rejets. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un dispositif de gestion d'imbrûlés comprenant un bac régénératif ayant une extrémité reliée à une enceinte de combustion et une extrémité opposée reliée à une conduite d'admission de combustible et une conduite d'échappement de fumées. Les conduites sont pourvues de vannes pour alterner une phase d'admission et une phase d'échappement au travers du bac régénératif et le dispositif comporte un circuit de purge relié au bac régénératif et agencé pour vidanger celui-ci avant la phase d'échappement. Ainsi, les produits rejetés lors de la phase d'échappement ne comprennent pas le résidu de combustible contenu dans le bac régénératif à la suite de la phase d'admission qui a précédé la phase d'échappement considérée. Le circuit de purge peut être connecté directement au bac régénératif ou à toute conduite qui est reliée à ce bac et qui peut être isolée du réseau, par exemple par un système de vannes. Cette souplesse rend l'implantation d'un tel système sur une installation existante aisée et apte à prendre en compte les sujétions constructives des équipements en place. Avantageusement, le combustible contenu dans le bac régénératif est dirigé vers la chambre de combustion afin d'y être brûlé. On obtient alors une combustion de l'intégralité du combustible admis, un circuit de purge court, simple et aisé d'installation. Idéalement, l'enceinte de combustion est celle d'un four de réchauffage participant à l'exploitation. Le faible coût de fabrication et d'implantation d'un tel équipement, sa faculté à être mis en oeuvre sur une installation existante avec une durée d'immobilisation des équipements réduite, ainsi que l'amélioration immédiate du rendement énergétique et de l'impact environnemental des brûleurs équipés rendent cette alternative aux torchères et systèmes de traitement de fumées particulièrement attractive. L'invention a également pour objet un procédé de gestion des imbrûlés au moyen d'un dispositif du type précité. L'invention concerne enfin un brûleur régénératif comportant un dispositif du type précité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue d'un système de brûleurs régénératifs appairés, non équipés de l'invention ; - la figure 2 est une vue d'un brûleur régénératif équipé de l'invention. Le dispositif de gestion des imbrûlés est, ici, installé sur un brûleur régénératif généralement désigné BR destiné au préchauffage de gaz de haut fourneau. Le brûleur régénératif BR comprend un bac régénératif 5 ayant une extrémité reliée à un circuit d'alimentation en combustible 4 dont l'ouverture est pilotée par une vanne d'admission [2], à un circuit d'échappement [8] dont l'ouverture est pilotée par une vanne d'admission [10], et une extrémité opposée débouchant dans une enceinte de combustion 3. L'enceinte de combustion 3 est alimentée en comburant (ici de l'air) via une conduite 6 d'alimentation en air de combustion pilotée par la vanne d'alimentation 7. Un conduit d'échappement 8 débouche depuis le bac régénératif 5 sur le circuit de rejet des fumées de combustion 9 dont l'accès est commandé par la vanne d'échappement 10. Dans son principe général de fonctionnement, le brûleur alterne une phase d'admission et une phase d'échappement. Lors d'une phase d'admission, le bac régénératif 5 cède de la chaleur au combustible de sorte que l'enceinte reçoit de l'air de combustion et du combustible chauffé qui est brûlé dans l'enceinte. Lors de la phase d'échappement, une fois brûlé le combustible présent dans l'enceinte, le bac régénératif 5 voit transiter les fumées qui résultent de la combustion et qui cèdent de la chaleur au bac régénératif 5 avant d'être évacuées dans le circuit d'échappement 8. La phase d'admission peut alors reprendre et le cycle se poursuit. Un circuit de purge généralement désigné 1 est, ici, implanté en aval de la vanne d'admission en combustible 2. Il se compose des éléments suivants : - une vanne d'entrée du circuit de purge 1.1 ; - une conduite 1.2 équipée d'un éjecteur à gaz 1.3 ; - un capteur de fin de purge 1.4, ici sous la forme d'un capteur de température. Le circuit de purge 1 relie l'enceinte de combustion 3 et, en aval de la vanne d'admission de combustible 2, la conduite d'admission 4. Cette disposition permet, comme il sera vu par la suite, la purge de l'intégralité du brûleur régénératif BR (bac régénératif 5 et conduit d'admission de combustible 4) et non du bac régénératif 5 seul. Le fonctionnement du brûleur et du circuit de purge va maintenant être décrit de manière plus détaillée. Le cycle de fonctionnement du brûleur régénératif débute par une phase d'admission. A l'état initial, les vannes d'admission 2, d'échappement 10, d'alimentation en air de combustion 7 et d'entrée du circuit de purge 1.1 sont fermées. La vanne d'admission en combustible 2 est ouverte, remplissant la conduite d'admission 4, le bac régénératif 5 et alimentant l'enceinte de combustion 3. Pendant que l'enceinte de combustion 3 est alimentée en une quantité de combustible déterminée, la vanne d'alimentation 7 est ouverte et fournit le volume requis d'air de combustion via la conduite d'alimentation en air de combustion 6. Les quantités requises d'air et de combustible ayant été introduites dans l'enceinte de combustion 3, les vannes 2 et 7 sont fermées. Ainsi, l'ensemble des vannes du système est dans un état fermé. Il importe de noter que la combustion ayant lieu dans l'enceinte 3, le combustible contenu dans la conduite d'alimentation 4 ainsi que dans le bac régénératif 5 n'est pas brûlé. La combustion achevée, le brûleur régénératif passe par la phase de purge. La vanne d'entrée du circuit de purge 1.1 est ouverte. L'éjecteur à gaz 1.3 est mis en fonctionnement. Les fluides (combustible et fumées) en amont de celui-ci sont alors aspirés et dirigés vers l'enceinte de combustion 3 via la conduite 1.2. Le combustible présent dans le bac régénératif 5 et dans la conduite d'admission 4 est aspiré et remplacé par les fumées de combustion provenant de l'enceinte 3. Le combustible admis dans l'enceinte 3 s'enflamme pendant la phase de combustion du brûleur appairé. L'air de combustion nécessaire à la combustion du combustible purgé du circuit peut être fourni par le conduit 6 ou l'éjecteur à gaz 1.3. Une fois que le capteur de température 1.4 indique une élévation pérenne de la température témoignant de la présence permanente d'un flux de fumées, cela signifie que le bac régénératif 5 et la conduite 4 ont été purgés du combustible qu'ils retenaient. La phase d'échappement peut alors débuter : la vanne d'entrée du circuit de purge 1.1 est fermée, la vanne d'échappement 10 est ouverte. Le circuit de rejet des fumées de combustion 9 étant en sous-pression, les fumées présentes dans la conduite d'alimentation 4, le bac régénératif 5, l'enceinte de combustion 3 et le conduit d'échappement 8 sont aspirées vers l'extérieur. Un nouveau cycle d'admission peut alors débuter. Ainsi, le combustible présent dans le bac régénératif 5 et la conduite d'admission 4 en fin de phase de combustion n'a pas été rejeté à l'échappement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier : - la vidange peut être effectuée à l'aide d'un éjecteur à gaz 1.3, un ventilateur de circulation ou tout autre organe déprimogène ; - le circuit de purge 1 peut alimenter : un circuit de convoyage de combustible indépendant, une autre enceinte de combustion, un autre bac régénératif; - le combustible peut être un gaz, un liquide en suspension, un effluent de combustion ; - le capteur de fin de purge 1.4 peut être un capteur de température, d'humidité, de pression, de résistivité ou tout autre paramètre permettant de distinguer le combustible ; - le capteur de fin de purge 1.4 peut être implanté directement dans le bac régénératif, en tout point du circuit de purge, de la conduite d'alimentation ou d'échappement ; - les dispositifs régulant l'admission, l'échappement, la connexion du circuit de purge, l'arrivée d'air de combustion peuvent être des vannes, robinets, registres, injecteurs, tiroirs ou tout autre moyen de commander un flux de fluide ; - le circuit de purge peut être implanté en n'importe quel point de la conduite d'admission, d'échappement ou directement relié au bac régénératif. REVENDICATIONS1. Dispositif de gestion d'imbrûlés comprenant un bac régénératif (5) ayant une extrémité reliée à une enceinte de combustion (3) et une extrémité opposée reliée à une conduite d'admission de combustible (4) et une conduite d'échappement de fumées (8), les conduites étant pourvues de vannes (2 ;10) pour alterner une phase d'admission et une phase d'échappement au travers du bac régénératif, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de purge (1) relié au bac régénératif (5) pour purger ce dernier du combustible qu'il contient avant la phase d'échappement. 2. Dispositif selon revendication 1, dans lequel le circuit de purge (1) comprend un éjecteur à gaz (1.3). 3. Dispositif selon revendication 1, dans lequel le circuit de purge (1) comprend un ventilateur de circulation. 4. Dispositif selon revendication 1, dans lequel le 20 circuit de purge (1) comprend une entrée reliée à l'aval de la vanne d'admission de combustible (2). 5. Dispositif selon revendication 1, dans lequel le circuit de purge (1) comprend une entrée reliée à l'amont de la vanne d'échappement (10). 25 6. Dispositif selon revendication 1, dans lequel le circuit de purge (1) est agencé pour purger également la conduite d'admission de combustible (4). 7. Dispositif selon revendication 1, dans lequel le circuit de purge (1) est agencé pour diriger le combustible 30 purgé vers une chambre de combustion (3). 8. Dispositif selon revendication 1, comprenant un capteur (1.4) agencé pour détecter la purge de l'intégralité du combustible du bac régénératif (5). 9. Dispositif selon revendication 8 dans lequel le 35 capteur (1.4) est un capteur de température. 10. Procédé de gestion d'imbrûlés au moyen d'un dispositif comprenant un bac régénératif (5) ayant une extrémité reliée à une enceinte de combustion (3) et uneextrémité opposée reliée à une conduite d'admission de combustible (4) et une conduite d'échappement de fumées (8), les conduites étant pourvues de moyens de vanne (2 ;10) pour alterner une phase d'admission et une phase d'échappement au travers d'un bac régénératif (5), le procédé comprenant l'étape de purger un bac régénératif (5) du combustible qu'il contient avant la phase d'échappement. 11. Procédé selon revendication 10, dans lequel la purge du bac régénératif (5) se fait par le transfert du combustible vers l'enceinte de combustion (3). 12. Procédé selon revendication 10, dans lequel la purge du bac régénératif (5) se fait par le transfert du combustible vers un autre circuit de convoyage de combustible. 13. Procédé selon revendication 10, dans lequel au moins une partie du conduit d'admission du combustible est également purgé. 14. Brûleur régénératif pourvu d'un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.