Brevet FR3018344A1 — publié le 20150911

L'invention concerne un four industriel pour chauffer des produits tels des produits sidérurgiques. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION De nombreux fours industriels destinés à chauffer des produits sidérurgiques, comme par exemple les fours de préchauffe pour traitement de bobines d'acier, comportent une enceinte isolée thermiquement et une pluralité de brûleurs agencés dans l'enceinte pour chauffer les produits sidérurgiques circulant dans l'enceinte. Les brûleurs, classiquement répartis selon plusieurs zones de chauffage régulées en température, sont alimentés par un air de combustion et par un combustible de type gaz naturel, produisent par une première combustion des flammes chauffant les produits sidérurgiques, et génèrent des fumées circulant à contre-courant desdits produits sidérurgiques. Ces fumées sont généralement elles-mêmes traitées par une seconde combustion dite « post-combustion », dont le rôle est d'assurer une combustion complète permettant de supprimer des fumées au moins une partie de gaz polluants tels que du monoxyde de carbone. Les fumées résultantes et moins polluantes sont alors évacuées du four et rejetées dans l'atmosphère par une cheminée. La consommation énergétique des fours de préchauffe pour traitement de bobines d'acier est particulièrement élevée, de l'ordre de 220 kWh de gaz naturel par tonne d'acier réchauffé. Il est donc particulièrement important, aussi bien d'un point de vue environnemental que d'un point de vue économique, de tenter d'améliorer le rendement énergétique de ces fours. Pour cela, une première méthode utilisée habituellement consiste à équiper les fours de moyens de récupération d'énergie pour récupérer la chaleur perdue 35 dans les fumées. Ces moyens de récupération sont typiquement constitués par un échangeur de chaleur à faisceaux tubulaires comportant des tubes métalliques dans lesquels circule l'air de combustion utilisé par les brûleurs. Les fumées, en circulant autour des tubes, préchauffent l'air de combustion, ce qui améliore le rendement de la première combustion évoquée plus tôt. Cette récupération de chaleur est cependant limitée par la température maximale admissible que peuvent supporter les tubes, qui rend nécessaire de diluer les fumées par de l'air froid. Une seconde méthode, qui a aujourd'hui nettement supplanté la première méthode, consiste à utiliser des brûleurs régénératifs. Cette solution présente cependant un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, les brûleurs régénératifs ne sont pas adaptés à aspirer des fumées chargées en imbrûlés dans le brûleur, car il devient alors impossible d'effectuer une post-combustion. Cette solution est de plus difficilement applicable à des fours compacts du fait d'une part, de l'encombrement de bacs régénératifs dont sont équipés les brûleurs et, d'autre part, de la nécessité d'installer le double de brûleurs régénératifs par rapport au nombre de brûleurs d'une solution standard. Les brûleurs régénératifs fonctionnent en effet par paire, selon un fonctionnement cyclique : les brûleurs sont la moitié du temps dans un mode de combustion et l'autre moitié du temps dans un mode d'accumulation de chaleur. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour but d'améliorer le rendement énergétique d'un four industriel tout en présentant un encombrement acceptable. RESUME DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un four industriel pour chauffer des produits tels des produits sidérurgiques, le four comportant une enceinte isolée thermiquement et une pluralité de brûleurs agencés dans l'enceinte pour chauffer les produits circulant d'une extrémité à l'autre de l'enceinte, les brûleurs étant répartis selon une pluralité de zones de chauffage régulées en température. Le four comporte en outre des moyens de récupération destinés à récupérer une énergie thermique de fumées de récupération issues d'une première combustion réalisée par les brûleurs de manière à améliorer un rendement énergétique du four. Selon l'invention, les moyens de récupération comportent un régénérateur tournant associé à chaque zone de chauffage, chacun des régénérateurs tournants étant adapté à recevoir un débit prédéterminé des fumées de récupération via une première conduite, à recevoir un débit prédéterminé d'un air d'alimentation via une deuxième conduite, à préchauffer cet air d'alimentation pour fournir aux brûleurs de la zone de chauffage associée un débit prédéterminé d'air de combustion préchauffé via une troisième conduite, et à évacuer des fumées d'échappement via une quatrième conduite. Ainsi, le rendement énergétique du four est amélioré grâce à une récupération d'énergie thermique réalisée au moyen des régénérateurs tournants qui présentent en encombrement acceptable pour la plupart des fours industriels. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre particulier non limitatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence à la figure unique sur laquelle est représenté schématiquement un four industriel de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention concerne un four industriel pour chauffer des produits tels que des produits sidérurgiques, et est ici mise en application dans un four de préchauffe non-oxydante de bandes d'acier pour lignes continues de traitement de bobines d'acier. Le four de l'invention 1 comporte une enceinte isolée thermiquement 2, une pluralité de brûleurs 3 agencés dans l'enceinte 2 pour réaliser une première combustion et chauffer une bande d'acier 4 circulant d'une extrémité à l'autre de l'enceinte 2, des moyens dits « de post-combustion » 5 adaptés à réaliser une deuxième combustion, et des moyens de récupération 6. La pluralité de brûleurs 3 est ici constituée de dix brûleurs 3 répartis selon une pluralité de zones de chauffage régulées en température, en l'occurrence selon trois zones de chauffage Z1, Z2, Z3. Cette répartition permet de réguler la température du four 1 grâce à seulement trois thermocouples 7 positionnés dans les zones de chauffage Z1, Z2, Z3, de manière à conformer la température du four à des courbes de chauffage prédéterminées qui dépendent notamment d'une température de bande souhaitée au niveau d'une sortie de bande S1 du four 1. Les zones de chauffage Z1, Z2, Z3 sont donc régulées selon des consignes de température comprises typiquement entre 1200 et 1350 degrés Celsius pour une température souhaitée de bande au niveau de la sortie de bande S1 du four 1 comprise entre 550 et 750 degrés Celsius. La première combustion réalisée par les brûleurs 3 nécessite un combustible, ici du gaz naturel, et un comburant, ici de l'air de combustion Ac. Les brûleurs 3 fonctionnent ici en régime dit « sub- stoechiométrique », appelé également combustion en défaut d'air ou bien combustion en gaz riche. Dans le régime sub-stoechiométrique, un débit d'air de combustion est toujours inférieur à un débit d'air nécessaire pour brûler complètement un débit de gaz naturel Gn introduit dans un même brûleur. Des fumées de première combustion Fl sont alors générées par les brûleurs 3, lesdites fumées de première combustion Fl ayant une combustion dite « incomplète », dont une teneur en oxygène est quasiment nulle, l'oxygène de l'air de combustion s'étant combinée entièrement ou presque avec le gaz naturel. Le régime sub-stoechiométrique est particulièrement avantageux puisqu'il permet de conférer aux fumées de première combustion Fl un pouvoir réducteur sur la bande d'acier 4, ce qui permet d'éviter une formation d'oxydes sur la bande d'acier, de type oxydes de fer par exemple, et même de réduire certains oxydes éventuellement présents sur la bande d'acier avant cette première combustion. On améliore ainsi la qualité de la bande d'acier préchauffée par le four de l'invention. Les fumées de première combustion F1 sont chargées en composés intermédiaires après la première combustion incomplète, par exemple en dihydrogène ou en oxyde de carbone. L'oxyde de carbone ne peut être rejeté dans l'atmosphère, car il s'agit d'un polluant dont les émissions sont réglementées. Les moyens de post-combustion 5 sont donc utilisés pour réaliser la deuxième combustion, qui consiste à injecter de l'air appelé « air de post-combustion » Apc, dont le rôle est de compléter la première combustion, réalisée par les brûleurs 3, de manière à supprimer des fumées de première combustion F1 les composés intermédiaires. Comme les fumées de première combustion Fl circulent globalement à contre-courant de la bande d'acier 4, les moyens de post-combustion 5 sont situés dans le four 1 en amont des brûleurs 3, c'est-à-dire qu'ils sont situés entre une entrée E du four et les brûleurs 3. L'air de post-combustion Apc est injecté par les moyens de post-combustion 5 selon un débit d'air de post-combustion Apc dosé pour assurer une combustion complète sans ajouter d'air inutile. Avantageusement, l'air de post-combustion Apc est injecté dans une zone de l'enceinte dans laquelle la bande d'acier a une température trop basse pour subir des effets d'une oxydation provoquée par de l'oxygène de l'air de post- combustion Apc en excès. Alternativement, l'air de postcombustion Apc peut être injecté depuis des carneaux d'évacuation des fumées. Des fumées de récupération F2, au moins partiellement dépolluées, sont générées par la deuxième combustion. Les moyens de récupération 6 sont destinés à récupérer une énergie thermique de ces fumées de récupération F2, qui sont donc issues de la première combustion et de la deuxième combustion. On améliore ainsi un rendement énergétique du four 1. Les moyens de récupération 6 comportent un régénérateur tournant 7 associé à chaque zone de chauffage Zl, Z2, Z3, et donc ici trois régénérateurs tournants 7. Le rôle de ces régénérateurs tournants 7 est de réchauffer un débit prédéterminé d'air d'alimentation 8 de manière à fournir un débit prédéterminé d'air de combustion préchauffé 9. Le fait d'utiliser un air de combustion Ac préchauffé permet en effet d'augmenter nettement le rendement de la première combustion en diminuant la quantité de gaz naturel Gn nécessaire à celle-ci, et donc d'augmenter le rendement énergétique du four de l'invention 1. Chaque régénérateur tournants 7 est adapté à recevoir un débit prédéterminé de fumées de récupération 10 via une première conduite 11, à recevoir le débit prédéterminé d'air d'alimentation 8 via une deuxième conduite 12, à préchauffer cet air d'alimentation Aa pour fournir aux brûleurs 3 de la zone de chauffage associée au régénérateur tournant 7 le débit prédéterminé d'air de combustion préchauffé 9 via une troisième conduite 14, et à évacuer des fumées d'échappement F3 via une quatrième conduite 15. Chaque régénérateur tournant 7 est alimenté en continu par le débit prédéterminé d'air d'alimentation 8 et par le débit prédéterminé de fumées de récupération 10. Chaque régénérateur tournant 7 comporte, de façon connue en elle-même, des compartiments en rotation qui sont mis en communication une première moitié du temps 10 avec la première conduite 11, ce qui permet un réchauffement de l'intérieur du régénérateur 7, puis une deuxième moitié du temps avec la deuxième conduite 12, ce qui permet d'alimenter en air d'alimentation Aa le régénérateur tournant 7. L'air d'alimentation Aa, qui 15 n'est jamais en contact avec les fumées de récupération, est ainsi préchauffé, ce qui permet de fournir au brûleur 7 associé le débit prédéterminé d'air de combustion préchauffé 9. Les fumées de récupération F2 sont réparties dans 20 chaque régénérateur tournant 7 de manière à toujours conserver un certain rapport de répartition entre le débit prédéterminé d'air d'alimentation 8 et le débit prédéterminé de fumées de récupération 10. Avantageusement, on vise un rapport de répartition 25 entre le débit prédéterminé d'air d'alimentation 8 et le débit prédéterminé de fumées de récupération 10 compris entre 1 et 1,2 environ, un tel rapport de répartition permettant d'optimiser le rendement énergétique du four de l'invention. 30 Pour obtenir le rapport de répartition souhaité, on régule tout d'abord le débit prédéterminé de fumées de récupération 10 reçu par chaque régénérateur tournant 7 par des premiers moyens de régulation comportant une première vanne 17 montée sur la quatrième conduite 15 35 dudit régénérateur tournant 7. Ainsi, pour chaque régénérateur tournant 7, le débit prédéterminé de fumées de récupération 10 est régulé indirectement, grâce à une régulation du débit des fumées d'échappement F3. Cette régulation est effectuée au moyen notamment de la première vanne 17 qui est montée en aval dudit régénérateur tournant 7, c'est-à-dire qui est située entre le régénérateur tournant 7 et une sortie de fumées S2 du four qui est ici mise en communication avec une cheminée 25 par laquelle les fumées d'échappement sont évacuées du four 1. On régule de plus le débit prédéterminé d'air d'alimentation 8 reçu par chaque régénérateur tournant 7 par des deuxièmes moyens de régulation comportant une deuxième vanne 20 montée sur la deuxième conduite 12 dudit régénérateur tournant 7. Ainsi, pour chaque régénérateur tournant 7, le débit prédéterminé d'air d'alimentation 8 est régulé directement au moyen notamment de la deuxième vanne 20, ce qui permet d'éliminer d'éventuelles imprécisions de régulation dues à d'éventuelles fuites entre air d'alimentation et fumées de récupération à l'intérieur des régénérateurs tournants 7. Il est nécessaire, pour réguler le débit prédéterminé des fumées de récupération 10 et le débit prédéterminé d'air d'alimentation 8, de mesurer le débit prédéterminé d'air de combustion 9. On monte pour cela un débitmètre 21 sur la troisième conduite 14 de chaque régénérateur tournant 7, chaque débitmètre 21 étant adapté à mesurer le débit d'air de combustion 9 fourni aux brûleurs 3 de la zone de chauffage Z1, Z2, Z3 associée audit régénérateur tournant 7. Avantageusement, on privilégie une mesure de débit générant peu de perte de pression dans la conduite, ce qui permet de maintenir l'air de combustion à une pression relativement faible. On choisira ainsi préférablement un débitmètre 21 de type à tube de Venturi ou à tube de Pitot ou à effet Vortex. L'air de combustion préchauffé est porté à des températures comprises typiquement entre 800 degrés Celsius et 1000 degrés Celsius, alors que les fumées d'échappement sont portées à des températures comprises typiquement entre 150 degrés Celsius et 250 degrés Celsius. On note ici que les premiers et deuxièmes moyens de régulation, comportant respectivement les premières 17 et deuxièmes vannes 20, sont situés sur les quatrièmes 15 et deuxièmes conduites 8, qui présentent des températures relativement faibles par rapport aux premières 11 et troisièmes conduites 14. Ces moyens de régulation constituent donc une solution moins onéreuse et plus fiable qu'une solution similaire située sur les conduites plus chaudes. On vise de plus à être en mesure d'assurer si nécessaire une étanchéité totale entre la troisième conduite 14 et l'intérieur de l'enceinte thermiquement isolé 2. En effet, lorsqu'une ou plusieurs zones de chauffage Z1, Z2, Z3 sont à l'arrêt, en raison par exemple d'une diminution d'une vitesse de circulation de la bande d'acier 4 dans l'enceinte 2, une pénétration d'air de combustion dans l'enceinte doit absolument être évitée. Une telle pénétration d'air aurait tendance à diminuer les avantages du régime sub-stoechiométrique évoqué plus tôt. Comme une simple vanne ne peut être parfaitement étanche, on monte sur la troisième conduite 14 de chaque régénérateur tournant deux vannes de sectionnement 22, et on monte sur la troisième conduite 14 des moyens d'injection 23 de gaz inerte, en l'occurrence de l'azote, pour remplir de gaz un espace entre les deux vannes de sectionnement 23. On maintient ainsi une pression positive entre les deux vannes de sectionnement 23, de sorte qu'en cas de fuite au niveau de l'une des vannes de sectionnement, seul un débit de fuite de gaz inerte pourra pénétrer dans l'enceinte 2. Avantageusement, l'air de post-combustion (Apc) provient en partie de l'air de combustion préchauffé généré par au moins un régénérateur tournant, éventuellement surdimensionné à cet effet. Ceci permet améliorer encore le rendement énergétique du four de l'invention. L'invention n'est pas limité au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais, bien au contraire, couvre toute variante entrant dans le cadre de l'invention telle que définie par les revendications. Il est notamment possible de prévoir un four comportant un nombre différent de brûleurs répartis selon un nombre différent de zones de chauffage. Les gammes de température fournies le sont à titre indicatif, et peuvent bien sûr différer dans des applications différentes utilisant le four de l'invention. REVENDICATIONS1. Four industriel pour chauffer des produits (4) tels des produits sidérurgiques, le four comportant une enceinte isolée thermiquement (2) et une pluralité de brûleurs (3) agencés dans l'enceinte (2) pour chauffer les produits circulant d'une extrémité à l'autre de l'enceinte, les brûleurs (3) étant répartis selon une pluralité de zones de chauffage (Z1, Z2, Z3) régulées en température, le four comportant en outre des moyens de récupération (6) destinés à récupérer une énergie thermique de fumées de récupération (F2) issues d'une première combustion réalisée par les brûleurs de manière à améliorer un rendement énergétique du four, caractérisé en ce que les moyens de récupération (6) comportent un régénérateur tournant (7) associé à chaque zone de chauffage (Z1, Z2, Z3), chacun des régénérateurs tournants (7) étant adapté à recevoir un débit prédéterminé de fumées de récupération (10) via une première conduite (11), à recevoir un débit prédéterminé d'un air d'alimentation (8) via une deuxième conduite (12), à préchauffer cet air d'alimentation pour fournir aux brûleurs (3) de la zone de chauffage associée un débit prédéterminé d'air de combustion préchauffé (9) via une troisième conduite (14), et à évacuer des fumées d'échappements (F3) via une quatrième conduite (15). 2. Four industriel selon la revendication 1, dans lequel le débit prédéterminé des fumées de récupération (10) reçu par chaque régénérateur tournant (7) est régulé par des premiers moyens de régulation comportant une première vanne (17) montée sur la quatrième conduite (15) dudit régénérateur tournant (7). 3. Four industriel selon la revendication 1, dans lequel le débit prédéterminé d'air d'alimentation (8) reçu par chaque régénérateur tournant (7) est régulé pardes deuxièmes moyens de régulation comportant une deuxième vanne (20) montée sur la deuxième conduite (12) dudit régénérateur tournant (7). 4. Four industriel selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque régénérateur tournant, un débitmètre (21) est monté sur la troisième conduite (14) dudit régénérateur tournant (7). 5. Four industriel selon la revendication 4, dans lequel au moins l'un des débitmètres est de type à tube de Venturi ou à tube de Pitot ou à effet Vortex. 6. Four industriel selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque régénérateur tournant, deux vannes de sectionnement (22) sont montées sur la troisième conduite (11), et des moyens d'injection de gaz (23) sont montés sur la troisième conduite (14) pour remplir de gaz inerte un espace entre les deux vannes de sectionnement (22). 7. Four industriel selon la revendication 6, dans lequel le gaz injecté est de l'azote. 8. Four industriel selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les fumées de récupération sont générées par une deuxième combustion permettant de compléter la première combustion réalisée par les brûleurs (3). 9. Four industriel selon la revendication 9, dans lequel un air de post-combustion (Apc) utilisé pour la deuxième combustion provient en partie de l'air de combustion préchauffé (Ac) généré par au moins un régénérateur tournant (7). 10. Four industriel selon l'une des revendications précédentes, un rapport entre le débit prédéterminé d'air d'alimentation (8) et le débit prédéterminé de fumées de récupération (10) est compris entre 1 et 1,2.