FR2959298A1 - Four a flamme et procede de regulation de la combustion dans un four a flamme - Google Patents

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Abstract

Four à flamme et procédé pour son opération, procédé dans lequel : - on injecte un oxydant principal à un débit régulé dans la chambre de combustion (2) du four, - on brûle de la matière combustible dans la chambre de combustion (2) avec l'oxydant principal en produisant de l'énergie thermique et des fumées (6) à une température supérieure à 600°C, - on évacue les fumées (6) par un conduit d'évacuation (13), lesdites fumées (6) évacuées pouvant contenir des matières oxydables résiduelles, le conduit d'évacuation (13) étant muni d'une entrée d'oxydant de dilution (14) à proximité de la chambre de combustion (2), - on brûle les matières oxydables résiduelles avec l'oxydant de dilution au moyen d'une flamme (12) au niveau de l'entrée d'oxydant de dilution (14), - on détecte l'intensité de flamme dans le conduit d'évacuation (12), et - on régule le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion (2) en fonction de l'intensité de flamme détectée.

Description

Four à flamme et procédé de régulation de la combustion dans un four à flamme La présente invention concerne la régulation de la combustion dans des fours à flamme. Les fours à flamme sont couramment utilisés dans l'industrie pour la génération d'énergie thermique et pour le traitement à température élevée des matériaux. La terminologie « four à flamme » désigne un four, tel qu'un four de fusion ou un incinérateur, dans lequel au moins une partie de l'énergie thermique est produite par la combustion d'un combustible avec un oxydant présent dans le comburant. Ainsi, la terminologie « four à flamme » couvre également les fours dans lesquels au moins une partie de l'énergie thermique est produite par une combustion sans flamme visible, souvent appelée « combustion sans flamme » (en anglais : « flameless combustion »).
Les fumées générées par la combustion, contenant généralement du CO2, du CO et de l'H2O, sont évacuées du four à flamme à une température supérieure à 600°C par un conduit d'évacuation. En théorie, un maximum d'énergie thermique est généré par la combustion quand celle-ci est stoechiométrique, c'est-à-dire quand l'oxydant est injecté dans la zone de combustion en une quantité qui correspond à la quantité d'oxydant nécessaire pour la combustion totale du combustible présent dans la zone de combustion. Dans ce cas, le carbone présent dans le combustible est entièrement oxydé en CO2, l'hydrogène généralement présent dans le combustible est entièrement oxydé en H2O, etc. En pratique industrielle, on constate toutefois qu'un léger excès d'oxydant est nécessaire pour arriver à une combustion totale du combustible. Une injection insuffisante d'oxydant entraîne une baisse de rendement du four par non-combustion ou combustion partielle du combustible. Un excès trop important d'oxydant entraîne également une baisse de rendement du four (par exemple : perte d'énergie thermique plus importante par les fumées évacuées et, en cas d'oxy-combustion, l'évacuation avec les fumées de la partie de l'oxygène n'ayant pas participé à la combustion, l'oxygène ayant un coût non-négligeable). Parmi les autres inconvénients d'un débit trop important d'oxydant, on peut en particulier signaler un taux d'oxydation plus important de la charge dans le cas d'une charge oxydable, comme c'est le cas dans un four de fusion de métaux oxydables, tel que l'aluminium, et certains fours de réchauffage (en anglais « reheating furnace »). Il est notamment connu d'opérer des fours à flamme en régime de sur- ou sous-stoechiométrie, pour éviter ou limiter une oxydation ou réduction nuisible de la charge par l'atmosphère dans la zone de combustion. Ainsi, pour certaines applications, la combustion optimale diffère de la combustion stoechiométrique. Une opération optimisée d'un four à flamme est généralement possible dans les fours à flamme dans lesquels les apports en combustible et en oxydant et les compositions de ceux-ci sont parfaitement maîtrisés. Toutefois, dans un nombre important d'applications industrielles des fours à 10 flamme, la quantité et/ou la composition de la matière combustible disponible dans la zone de combustion sont mal ou peu maîtrisées. Ceci est par exemple le cas : - dans les fours à flamme dont la charge contient une quantité et/ou une qualité variable de matières combustibles, comme par exemple les incinérateurs de déchets et les 15 fours de fusion secondaire pour le recyclage de métaux, - les fours de fusion à flamme dans lesquels la charge contient des matières combustibles inhérentes et/ou ajoutées, et dans lesquels la charge libère de manière non contrôlée ces matières combustibles dans la zone de combustion généralement située au-dessus de la charge, comme par exemple les fours de fusion secondaire pour le recyclage 20 de métaux, - les fours à flamme pour la post-combustion des fumées issues de fours tels que décrits ci-dessus, par exemple des chambres de post-combustion des fours à arc pour la fusion secondaire d'acier. De WO-A-2005/024398, il est connu de mesurer la quantité d'espèces chimiques 25 contenues dans un gaz issu d'un four de traitement de métal, tel qu'un four électrique à arc ou un convertisseur, par prélèvement d'une partie du gaz à analyser, son refroidissement à moins de 300°C et la mesure de quantité de CO et/ou de CO2 présente dans le gaz à l'aide du signal de lumière cohérente émise par une diode laser, ledit procédé permettant une mesure desdites quantités avec un temps de réponse inférieur à 10 secondes et un contrôle 30 du four en temps réel. WO-A-03/056044 décrit un procédé de fusion d'aluminium, dans lequel on introduit de l'aluminium solide dans un four, on réalise la fusion de l'aluminium pour former un bain d'aluminium, on détecte les variations de concentration en monoxyde de carbone (CO) et la température dans les fumées sortant du four, on en déduit la formation d'oxydes d'aluminium à la surface du bain d'aluminium et on régule le procédé de fusion en fonction de la formation d'oxydes d'aluminium. La mesure de la concentration en certaines espèces dans les fumées d'un four à flamme est toutefois rendue difficile par la nature et les quantités de polluants, telle que la suie, dans lesdites fumées. WO-A-2004/083469 décrit un procédé de fusion d'aluminium dans lequel le rapport combustible/comburant injecté par un brûleur dans le four à flamme est régulé en fonction de la température des fumées dans le conduit d'évacuation des fumées muni d'une entrée d'air dit « air de dilution ».
Dans un tel procédé, le débit d'air de dilution peut varier en fonction de différents paramètres (taille des ouvertures, vitesse de l'extraction des fumées, état des conduits de fumées, débit des autres flux de fumées collectés par le même extracteur). Ce débit variable peut avoir une influence sur la température des fumées dans le conduit d'évacuation et ainsi avoir un impact sur le réglage du four. Des variations quotidiennes (jour et nuit) et saisonnières (été et hiver) dans la température de l'air de dilution, qui est généralement de l'air ambiant, peuvent également avoir un impact sur la température des fumées dans le conduit d'évacuation. La présente invention a pour but de fournir un réglage de la combustion dans un four à flamme qui ne présente pas les inconvénients des procédés connus décrits ci-dessus.
La présente invention concerne ainsi un procédé d'opération d'un four à flamme amélioré. Selon ce procédé, on injecte un oxydant, dit « oxydant principal », à un débit régulé dans une chambre de combustion du four à flamme. On brûle de la matière combustible dans la chambre de combustion avec l'oxydant principal ainsi injecté en produisant dans la chambre de combustion de l'énergie thermique et des fumées ayant une température supérieure à 600°C. Les fumées ainsi produites sont évacuées de la chambre de combustion par un conduit d'évacuation. Ce conduit d'évacuation est muni d'une entrée d'un oxydant dit « oxydant de dilution », typiquement, mais pas nécessairement, de l'air ambiant, à proximité de la chambre de combustion, de manière à ce que l'oxydant de dilution entre en contact avec les fumées à 600°C, voire plus. Quand les fumées contiennent encore des matières oxydables, c'est-à-dire quand la combustion de matière combustible dans la chambre de combustion n'est pas complète, on obtient ainsi une flamme au niveau de l'entrée d'oxydant de dilution à l'intérieur du conduit d'évacuation. En effet, le contact entre l'oxydant de dilution et les matières oxydables dans les fumées à température élevée génèrent une auto-combustion desdites matières oxydables, telles que du CO et/ou du H2, présentes dans les fumées évacuées. Suivant l'invention, on détecte l'intensité de la flamme dans le conduit d'évacuation et on régule le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion en fonction de l'intensité de flamme détectée.
La matière combustible peut notamment être introduite dans la chambre de combustion de manière contrôlée, par exemple, par injection d'un jet de combustible dans la chambre de combustion au moyen d'une lance ou d'un brûleur. La matière combustible peut être présente dans la charge et donc être introduite dans la chambre de combustion avec la charge. La matière combustible peut également être introduite dans la chambre de combustion par une combinaison d'une introduction contrôlée et d'une introduction avec la charge. Avantageusement, on réduit le débit d'injection d'oxydant principal injecté dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme ainsi détectée est inférieure à une limite inférieure prédéterminée et on augmente le débit d'oxydant principal injecté dans la chambre de combustion quand l'intensité de la flamme ainsi détectée est supérieure à une limite supérieure prédéterminée. La présence de matières oxydables, telle que le CO, dans les fumées est ainsi détectée par l'intensité de leur combustion avec l'oxydant de dilution à l'aide d'un détecteur de flamme qui renvoie un signal indicateur de l'intensité de la combustion/de la flamme dans le conduit d'évacuation : (a) une intensité forte étant le signe d'une présence importante de matières oxydables dans les fumées évacuées, et (b) une intensité faible étant le signe d'une faible présence de matières oxydables dans les fumées évacuées. L'invention permet ainsi de déterminer le niveau de la présence de matières oxydables dans les fumées et d'appliquer en temps réel une correction au réglage de la combustion dans la zone de combustion. Les limites inférieure et supérieure prédéterminées sont fixées en fonction de la nature du procédé de combustion dans la chambre de combustion, comme discuté ci-dessus. Quand le procédé de combustion vise une combustion complète de la matière combustible dans la chambre de combustion, la limite inférieure prédéterminée est très faible, mais supérieure à zéro. De cette manière, il est assuré que le débit d'injection d'oxydant principal n'est ni excessif ni trop faible pour le procédé de combustion dans la chambre de combustion. L'invention permet notamment de compenser une connaissance imparfaite de la teneur en matière combustible de la charge du four (cas typique pour les fours de recyclage), de la qualité de la matière combustible et/ou de sa libération dans la chambre de combustion par une adaptation en temps réel du réglage du débit d'oxydant principal et, comme exposé ci-après, éventuellement également du débit de combustible injecté dans la chambre de combustion.
Un autre avantage de l'invention est qu'elle peut être réalisée avec un détecteur d'intensité de flamme peu coûteux et simple de mise en oeuvre. Dans certains procédés de combustion, la teneur en matières oxydables dans les fumées évacuées peut présenter des variations fréquentes, mais souvent de faible durée. Suivant une forme de réalisation, l'intensité de flamme dans le conduit d'évacuation est détecté pendant des durées prédéterminées Atl et At2. Le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion est réduit quand l'intensité de flamme détectée est restée inférieure à la limite inférieure pendant la durée prédéterminée At. De manière analogue, le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion est augmenté quand l'intensité de flamme détectée est restée supérieure à la limite supérieure pendant la durée prédéterminée At2. Ainsi, des fluctuations excessives dans le procédé de combustion sont évitées. Une autre possibilité est (a) de réduire le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée Atl est inférieure à la limite inférieure, et (b) d'augmenter le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure. En pratique, les durées prédéterminées Atl et At2 sont typiquement identiques. Selon une forme de réalisation, on injecte dans la chambre de combustion de l'oxydant principal et de la matière combustible à des débits régulés, on brûle la matière combustible avec l'oxydant principal dans la chambre de combustion en produisant de l'énergie thermique et des fumées à une température supérieure à 600°C dans la chambre de combustion, et on évacue les fumées ainsi produites de la chambre de combustion par un conduit d'évacuation. Comme indiqué ci-dessus, les fumées évacuées peuvent contenir des matières oxydables résiduelles. Le conduit d'évacuation est muni d'une entrée d'oxydant de dilution à proximité de la chambre de combustion. On brûle les matières oxydables résiduelles des fumées avec l'oxydant de dilution avec obtention d'une flamme dans le conduit d'évacuation au niveau d e l'entrée d'oxydant de dilution. Selon l'invention, on détecte l'intensité de flamme dans le conduit d'évacuation et on régule le débit d'injection d'oxydant principal en fonction de l'intensité de flamme.
Il est également possible de réguler le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion en fonction de l'intensité de flamme détectée. De manière avantageuse, on réduit le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à une limite inférieure prédéterminée et on augmente le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand l'intensité de la flamme détectée est supérieure à une limite supérieure prédéterminée.
Il est notamment possible (a) de réduire le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure pendant une durée prédéterminée At1, et (b) d'augmenter le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à la limite supérieure pendant une durée prédéterminée At2. Il est également possible (a) de réduire le rapport entre le débit d'injection oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At1 est inférieure à la limite inférieure, et (b) d'augmenter le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure. Le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible peut être modifié en changeant le débit d'injection d'oxydant principal par rapport au débit d'injection de matière combustible prédéterminé, ou en changeant (a) le débit d'injection d'oxydant principal et (b) le débit d'injection de matière combustible. Il est toutefois à noter que le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion est souvent régulé en fonction du besoin d'énergie thermique dans la chambre de combustion. Suivant une forme de réalisation, la chambre de combustion est équipée d'au moins une lance pour l'injection d'un débit régulé d'oxydant principal. La chambre de combustion peut également être équipée d'au moins un brûleur pour l'injection d'un débit régulé d'oxydant principal et d'un débit régulé de matière combustible. La chambre de combustion peut également comprendre au moins une telle lance et au moins un tel brûleur. Le procédé peut être un procédé batch, un procédé semi-batch ou un procédé d'alimentation continu.
La chambre de combustion peut être la chambre de combustion d'un four à arc, d'un four rotatif, d'un four de fusion fixe, d'un four de réchauffage, d'une chaudière, une chambre de post-combustion d'effluents gazeux, etc. Le procédé peut être un procédé de fusion ou de vitrification, et en particulier un procédé de fusion secondaire de métaux récupérés, un procédé de combustion de déchets solides, liquides ou gazeux, un procédé de post-combustion d'effluents gazeux, un procédé de réchauffage, tel que le réchauffage de produits métallurgiques, etc. L'entrée d'oxydant de dilution est typiquement une entrée d'air ambiant dans le conduit d'évacuation (en anglais : «air gap »), mais peu également être un injecteur d'oxydant, tel qu'un injecteur d'air enrichi d'oxygène ou d'oxygène.
Le détecteur de flamme est avantageusement un détecteur optique et notamment un détecteur optique choisi parmi les détecteurs ultraviolets, les détecteurs infrarouges et les détecteurs de radiation visible. Le détecteur est de préférence un détecteur infrarouge ou un détecteur ultraviolet. La présente invention concerne également un four à flamme adapté pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Ainsi, l'invention concerne plus particulièrement un four à flamme comportant une chambre de combustion, un moyen pour l'injection d'oxydant principal à un débit régulé dans cette chambre de combustion et un conduit pour l'évacuation de fumées de ladite chambre de combustion. Le conduit comporte une entrée d'oxydant de dilution à proximité de la chambre de combustion. Le four à flamme de l'invention comporte également un détecteur pour détecter une intensité de flamme à l'intérieur du conduit d'évacuation au niveau de l'entrée d'oxygène de dilution. Le four comprend avantageusement une unité de contrôle liée au détecteur et au moyen pour l'injection d'oxydant principal. Cette unité de contrôle est programmée : - pour comparer l'intensité de flamme détectée par le détecteur avec une limite inférieure prédéterminée et une limite supérieure prédéterminée, - pour réduire le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion par le moyen d'injection d'oxydant principal quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure prédéterminée, et - pour augmenter le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion par le moyen d'injection d'oxydant principal quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à une limite supérieure prédéterminée. L'unité de contrôle peut plus particulièrement être programmée : - pour réduire le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure pendant une période prédéterminée At1 et/ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant une période prédéterminée Atl est inférieure à la limite inférieure pendant la période prédéterminée At1, et - pour augmenter le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion quand l'intensité de la flamme détectée est supérieure à la limite supérieure pendant une période prédéterminée At2 et/ou quand la valeur moyenne de l'intensité de la flamme détectée pendant la période prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure pendant une période prédéterminée At2.
Le four suivant l'invention peut également comporter un moyen pour l'injection de matière combustible à un débit régulé dans la chambre de combustion. Dans ce cas, le four à flamme comporte de préférence une unité de contrôle liée (a) au détecteur, (b) au moyen pour l'injection d'oxydant principal, et (c) au moyen pour l'injection de matière combustible. Cette unité de contrôle est programmée (i) pour comparer l'intensité de flamme détectée par le détecteur avec une limite inférieure prédéterminée et une limite supérieure prédéterminée, (ii) pour réduire le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure prédéterminée, et (iii) pour augmenter le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à une limite supérieure prédéterminée. Suivant une forme de réalisation préférée, l'unité de contrôle est plus particulièrement programmée : - pour réduire le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure pendant une période prédéterminée At1 et/ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At1 est inférieure à la limite inférieure, et - pour augmenter le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à la limite supérieure pendant une période prédéterminée At2 et/ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure. Pour faire varier le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion, l'unité de contrôle fera avantageusement varier le débit d'injection d'oxydant principal en fonction du débit d'injection de la matière combustible. Il est toutefois également possible pour l'unité de contrôle de faire varier le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible en régulant le débit d'injection de l'oxydant principal et le débit d'injection de la matière combustible. Dans ce cas, l'unité de contrôle peut, par exemple, dans le cas d'une intensité de flamme inférieure à la limite inférieure prédéterminée, réduire le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible en augmentant le débit d'injection de matière combustible à un débit d'injection d'oxydant principal inchangé. Le moyen d'injection d'oxydant principal du four peut comporter une ou plusieurs lances pour l'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion. Le moyen d'injection de matière combustible du four peut comporter une ou plusieurs lances pour l'injection de matière combustible dans la chambre de combustion. Le four peut également comprendre un ou plusieurs brûleurs pour l'injection de matières combustibles et d'oxydant principal dans la chambre de combustion. Un tel brûleur fait donc d'une part, partie du moyen pour l'injection d'oxydant principal et d'autre part, du moyen pour l'injection de matière combustible du four. Le four suivant l'invention peut être un four pour procédé batch, pour procédé semi-batch ou pour procédé continu.
Le four peut notamment être un four à arc, un four rotatif, un four de fusion fixe, un four de réchauffage, tel qu'un four de réchauffage pour produits métallurgiques, une chaudière, une chambre de post-combustion d'effluents gazeux, etc. Le four peut être un four de fusion ou de vitrification, et en particulier un four de fusion secondaire de métaux récupérés, un incinérateur de déchets solides, liquides ou gazeux, etc. L'entrée d'oxydant de dilution est typiquement une entrée d'air ambiant dans le conduit d'évacuation (en anglais : « air gap »), mais peu également être un injecteur d'oxydant, tel qu'un injecteur d'air enrichi d'oxygène ou un injecteur d'oxygène.
Le détecteur de flamme est de préférence un détecteur optique et en particulier un détecteur optique choisi parmi les détecteurs ultraviolets, les détecteurs infrarouges et les détecteurs de radiation visible. La matière combustible injectée dans la chambre de combustion peut être un combustible gazeux, liquide ou solide (par exemple : gaz naturel, fuel liquide, propane, bio-combustible, charbon pulvérisé) ou une combinaison de plusieurs combustibles. Cette matière combustible peut être injectée en sus de matière combustible introduite dans la chambre de combustion avec la charge, celle-ci pouvant être mélangée avec la charge avant son introduction dans la chambre de combustion et/ou pouvant faire partie intrinsèque de la charge.
L'oxydant principal peut être de l'air, de l'air enrichi en oxygène, de l'oxygène pur (pureté 88% à 100%) ou un mélange d'oxygène avec des fumées recyclées. Dans les derniers cas (air enrichi en oxygène et en particulier oxygène pur ou mélange d'oxygène avec des fumées recyclées), on bénéficie d'un volume de fumées et une consommation de combustibles réduits.
L'invention est particulièrement utile pour les fours à flamme utilisés pour la seconde fusion des métaux. La seconde fusion désigne la fusion de matériaux recyclés ou issus de la métallurgie primaire (par exemple : de la fonte issue d'un haut fourneau). Les métaux considérés sont par exemple : la fonte, le plomb, l'aluminium, le cuivre, ou tout autre métal pouvant être fondu dans un four à flamme.
La charge métallique peut également être chargée dans le four en mélange avec des matières combustibles composées d'une forte proportion de carbone (plastique, coke, ...). Ces matières combustibles peuvent être présentes dans la charge métallique (par exemple dans le cas du recyclage de l'aluminium) et/ou ajoutées intentionnellement à la charge pour le besoin du procédé de fusion (par exemple dans le cas de la réaction de désoxydation pour le recyclage du plomb). La présente invention et ses avantages apparaissent plus clairement dans l'exemple illustratif ci-après, référence étant faite à la figure 1 qui représente de manière schématique 5 un four de fusion à flamme suivant l'invention. Le four est plus particulièrement un four rotatif pour la fusion secondaire de plomb avec une chambre de combustion 2 d'une capacité de 15t. Le four est équipé d'un brûleur 24 gaz natureUoxygène qui génère la flamme 11 dans la chambre de combustion 2. La puissance du brûleur 24 et le ratio oxygène/gaz 10 naturel sont contrôlés par l'automatisme du four (dispositif de contrôle 20 relié au régulateur de débit d'oxygène 15 et au régulateur de débit de gaz naturel 17) en fonction de l'avancement du cycle de chauffe, tel que décrit ci-après. La charge 30 est constituée de déchets de plomb provenant du broyage de batterie automobile. Une part importante de ce plomb se présente sous la forme d'une « pâte » 15 d'oxyde (PbO, PbO2...) et de sulfate de plomb (PbSO4 ...). A cette charge métallique sont ajoutées des matières nécessaires à la réduction des oxydes en partie constitués de coke (comportant une forte teneur en carbone), également appelés « réactifs ». Le procédé de recyclage du plomb consiste à chauffer la charge 30, et à ensuite maintenir la charge chaude au contact des réactifs afin d'obtenir du plomb liquide 4 et un 20 laitier qui fixe les impuretés et le soufre présent dans le sulfate de plomb. Le four est à fonctionnement discontinu. La chambre de combustion 2 est chargée au début de chaque cycle. Le brûleur 24 est ensuite allumé et sa puissance modulée par le dispositif de contrôle 20 pour que la température de la charge suive un cycle de chauffe qui a été déterminé de manière empirique. 25 Au cours de l'étape de chauffage, une part importante du carbone présent dans la charge solide 30 réagit avec l'atmosphère de la chambre de combustion rotative 2 constituée essentiellement de la fumée chaude produite par le brûleur 24. Cette réaction produit du CO et de l'H2 par la réaction suivante entre une partie de la fumée et une partie du carbone de la charge, dont les mécanismes peuvent 30 schématiquement être présentés comme suit : CO2+C - 2.CO H2O+C - H2+CO Pour limiter la formation de CO dans l'atmosphère de la chambre 2, il est possible de prérégler le brûleur 24 afin d'injecter un excès d'oxygène dans la chambre 2.
Cependant, le taux de réaction du carbone présent dans la charge solide 30 avec l'atmosphère du four varie en fonction des différents paramètres du procédé, tels que notamment la composition de la charge qui varie en fonction de la provenance des lots à recycler.
Pour une charge de 15t, la puissance du brûleur 24 sera par exemple réglée entre 1 et 1,5 MW selon l'avancement du cycle de chauffe. En milieu de cycle, le brûleur est par exemple réglé pour une puissance de 1,3 MW avec les débits suivants : - gaz naturel 130 Nm3/h - oxygène pur 270 Nm3/h.
Une analyse des fumées 6 sortant de la chambre 2 révèle la composition suivante : - CO2 : 56% / CO : 25% / H2 : 4% reste N2. Le CO et le H2 des fumées brûlent avec de l'air de dilution dans la flamme 12 à l'intérieure de la cheminée 13. L'air de dilution est de l'air ambiant qui entre dans la cheminée 13 par l'ouverture 14 prévue à cet effet. Cet air de dilution permet la combustion du CO en CO2 et le refroidissement des fumées avant la filtration (non-illustrée) qui précède l'évacuation des fumées. Un niveau de CO trop important dans les fumées 6 a plusieurs inconvénients : - une combustion incomplète du CO dans la cheminée 13, et donc une émission de CO résiduelle à la cheminée 13, - une élévation très importante de la température des fumées dans la cheminée 13 ne permettant pas un passage de fumées dans le filtre en aval (non illustré), d'où la baisse forcée de la puissance du brûleur 24, voire l'arrêt du brûleur 24 sur sécurité température, afin de permettre une filtration et le respect des normes environnementales, et - une surconsommation de combustible et donc une baisse de rendement énergique dans le four, car les réactions CO2 + C -> 2.CO et H2O + C -> H2 + CO sont endothermiques
La détection suivant l'invention au moyen du détecteur UV 10 de la gamme D- LX100 commercialisée par la société Durag de l'intensité de la flamme 12 de combustion du mélange CO + H2 avec l'air de dilution juste après la sortie 5 du four permet de corriger le réglage du brûleur 24 en agissant sur le ratio « Oxygène / Gaz Naturel ». A cette fin, le détecteur 10 transmet au dispositif de contrôle 20 un signal correspondant à l'intensité de flamme détectée.
L'invention permet, par exemple, au dispositif de contrôle 20, notamment, quand l'intensité de cette combustion dans la cheminée 13 dépasse une limite supérieure expérimentalement prédéterminée : - d'augmenter au moyen du régulateur de débit d'oxygène 15 le débit d'oxygène à 340 Nm3/h et de conserver le débit de gaz naturel inchangé à 130 Nm3/h, - de diminuer au moyen du régulateur de débit de combustible 17 le débit de combustible à 95 Nm3/h et de conserver le débit d'oxygène inchangé à 270 Nm3/h, et - de moduler les deux débits en augmentant le débit d'oxygène à 300 Nm3/h au moyen du régulateur 15 et en diminuant le débit de gaz naturel à 1 l 0 Nm3/h au moyen du régulateur 17. Dans les trois cas, le brûleur 24 injecte un excès de 70 Nm3/h d'oxygène, par rapport au réglage initial. Cet excès d'oxygène est alors disponible pour la combustion à l'intérieur du four 2 des matières combustibles libérées par la charge. Dès que le débit de libération de matière combustible par la charge diminue, à la suite de l'évolution du cycle, l'intensité de la combustion de CO et de H2 dans la cheminée 13 diminue et l'intensité de la flamme 12 détectée par le détecteur 10 diminue donc également.
Il est alors possible de ramener progressivement les débits oxygène et gaz naturel du brûleur 24 aux débits initiaux ou de base prédéterminés et de réduire ainsi le ratio oxygène / gaz naturel. Ce réglage du ratio oxygène / gaz naturel se fait en dynamique en fonction de l'intensité de la post combustion de la fumée dans la cheminée 13 (intensité de la flamme 12 détectée). Le rendement énergétique du four 2 s'en trouve amélioré de manière significative et le traitement efficace des fumées, notamment leur filtrage, est assuré.

Claims (15)

  1. Revendications1) Procédé d'opération d'un four à flamme comportant une chambre de combustion (2), procédé dans lequel : - on injecte un oxydant principal à un débit régulé dans la chambre de combustion (2), - on brûle de la matière combustible dans la chambre de combustion (2) avec l'oxydant principal en produisant dans la chambre de combustion de l'énergie 10 thermique et des fumées (6) à une température supérieure à 600°C, - on évacue les fumées (6) ainsi produites de la chambre de combustion (2) par un conduit d'évacuation (13), lesdites fumées (6) évacuées pouvant contenir des matières oxydables résiduelles, le conduit d'évacuation (13) étant muni d'une entrée d'oxydant de dilution (14) à proximité de la chambre de combustion (2), - on brûle les matières oxydables résiduelles avec l'oxydant de dilution au moyen d'une flamme (12) au niveau de l'entrée d'oxydant de dilution (14), à l'intérieur du conduit d'évacuation (13), le procédé étant caractérisé en ce que : - on détecte l'intensité de flamme dans le conduit d'évacuation (12), - on régule le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion (2) en fonction de l'intensité de flamme détectée.
  2. 2) Procédé suivant la revendication 1, dans lequel : - on réduit le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de 25 combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à une limite inférieure prédéterminée et - on augmente le débit d'oxydant principal injecté dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme ainsi détectée est supérieure à une limite supérieure prédéterminée.
  3. 3) Procédé suivant la revendication 1, dans lequel : - on réduit le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure 15 20 30pendant une durée prédéterminée At1 ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At 1 est inférieure à la limite inférieure, et - on augmente le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à la limite supérieure pendant une durée prédéterminée At2 ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure.
  4. 4) Procédé d'opération d'un four à flamme comportant une chambre de 10 combustion (2), procédé dans lequel : - on injecte un oxydant principal et de la matière combustible à des débits régulés dans la chambre de combustion (2), - on brûle la matière combustible avec l'oxydant principal dans la 15 chambre de combustion (2) en produisant de l'énergie thermique et des fumées (6) à une température supérieure à 600°C dans la chambre de combustion (2), - on évacue les fumées (6) ainsi produites de la chambre de combustion (2) par un conduit d'évacuation (13), lesdites fumées évacuées (6) pouvant contenir des matières oxydables résiduelles, ledit conduit d'évacuation (13) étant muni 20 d'une entrée d'oxydant de dilution (14) à proximité de la chambre de combustion (2), - on brûle les matières oxydables résiduelles avec l'oxydant de dilution au moyen d'une flamme (12) au niveau de l'entrée d'oxydant de dilution (14) dans le conduit d'évacuation (13), le procédé étant caractérisé en ce que : 25 - on détecte l'intensité de flamme dans le conduit d'évacuation (13), - on régule le débit d'injection d'oxydant principal, et éventuellement le débit d'injection de matière combustible, dans la chambre de combustion (2) en fonction de l'intensité de flamme détectée. 30
  5. 5) Procédé suivant la revendication 4, dans lequel : - on réduit le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à une limite inférieure prédéterminée, et- on augmente le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de la flamme détectée est supérieure à une limite supérieure prédéterminée.
  6. 6) Procédé suivant la revendication 5, dans lequel : - on réduit le rapport entre le débit d'injection oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure pendant une durée prédéterminée Atl ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At 1 est inférieure à la limite inférieure, et - on augmente le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à la limite supérieure pendant une durée prédéterminée At2 ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure.
  7. 7) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel : - on varie le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion (2) en fonction du besoin d'énergie thermique dans la chambre de 20 combustion (2).
  8. 8) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'intensité de flamme est déterminée au moyen d'un détecteur optique, de préférence au moyen d'un détecteur optique choisi parmi les détecteurs unitraviolets, les 25 détecteurs infrarouges et les détecteurs de radiation visible.
  9. 9) Four à flamme comportant - une chambre de combustion (2), - un moyen (15, 24) pour l'injection d'oxydant principal à un débit 30 régulé dans la chambre de combustion (2), et - un conduit (13) pour l'évacuation de fumées (6) de ladite chambre de combustion (2), ledit conduit (13) comportant une entrée d'oxydant de dilution (14) à proximité de la chambre de combustion (2), le four étant caractérisé en ce qu'il comporte également :- un détecteur (10) pour détecter une intensité de flamme dans le conduit d'évacuation (13) au niveau de l'entrée d'oxygène de dilution (14).
  10. 10) Four à flamme suivant la revendication 9, comportant également une unité de contrôle (20) liée (a) au détecteur (10) et (b) au moyen pour l'injection d'oxydant principal (15, 24), l'unité de contrôle (20) étant programmée : - pour comparer l'intensité de flamme détectée par le détecteur (10) avec une limite inférieure prédéterminée et une limite supérieure prédéterminée, - pour réduire le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion (2) par le moyen d'injection d'oxydant principal (15, 24) quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure prédéterminée, et - pour augmenter le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion (2) par le moyen d'injection d'oxydant principal (15, 24) quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à une limite supérieure prédéterminée.
  11. 11) Four à flamme suivant la revendication 10, dans lequel l'unité de contrôle (20) est programmée : - pour réduire le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure pendant une période prédéterminée Atl ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At1 est inférieure à la limite inférieure, et - pour augmenter le débit d'injection d'oxydant principal dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à la limite supérieure pendant une période prédéterminée At2 ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure..
  12. 12) Four à flamme suivant la revendication 9, comportant également un moyen (17, 24) pour l'injection de matière combustible à un débit régulé dans la chambre de 30 combustion (2).
  13. 13) Four à flamme suivant la revendication 12, comportant également une unité de contrôle (20) liée (a) au détecteur (10), (b) au moyen pour l'injection d'oxydantprincipal (15, 24) et (c) au moyen pour l'injection de matière combustible (17, 24), l'unité de contrôle (20) étant programmée : - pour comparer l'intensité de flamme détectée par le détecteur (10) avec une limite inférieure prédéterminée et une limite supérieure prédéterminée, - pour réduire le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure prédéterminée, et - pour augmenter le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est supérieure à une limite supérieure prédéterminée.
  14. 14) Four à flamme suivant la revendication 13, dans lequel l'unité de contrôle (20) est programmée : - pour réduire le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de flamme détectée est inférieure à la limite inférieure pendant une période prédéterminée Atl ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At 1 est inférieure à la limite inférieure, et - pour augmenter le rapport entre le débit d'injection d'oxydant principal et le débit d'injection de matière combustible dans la chambre de combustion (2) quand l'intensité de la flamme détectée est supérieure à la limite supérieure pendant une période prédéterminée At2 ou quand la valeur moyenne de l'intensité de flamme détectée pendant la durée prédéterminée At2 est supérieure à la limite supérieure.
  15. 15) Four suivant l'une quelconque des revendications 9 à 14 dans lequel le détecteur de flamme (10) est choisi parmi les détecteurs optiques, de préférence parmi les détecteurs ultraviolets, les détecteurs infrarouges et les détecteurs de radiation visible.
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