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WO1999051925A1 - Procede et dispositif de regulation des fours de cuisson a feu tournant - Google Patents

Procede et dispositif de regulation des fours de cuisson a feu tournant Download PDF

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Publication number
WO1999051925A1
WO1999051925A1 PCT/FR1999/000731 FR9900731W WO9951925A1 WO 1999051925 A1 WO1999051925 A1 WO 1999051925A1 FR 9900731 W FR9900731 W FR 9900731W WO 9951925 A1 WO9951925 A1 WO 9951925A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow
chambers
combustion
values
oven
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR1999/000731
Other languages
English (en)
Inventor
Christian Dreyer
Patrick Claudel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rio Tinto France SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aluminium Pechiney SA filed Critical Aluminium Pechiney SA
Priority to SK1475-2000A priority Critical patent/SK285625B6/sk
Priority to CA002324935A priority patent/CA2324935C/fr
Priority to DE69907437T priority patent/DE69907437T2/de
Priority to EP99910455A priority patent/EP1070224B1/fr
Priority to BR9909380-4A priority patent/BR9909380A/pt
Priority to SI9930346T priority patent/SI1070224T1/xx
Priority to AU29406/99A priority patent/AU746270B2/en
Publication of WO1999051925A1 publication Critical patent/WO1999051925A1/fr
Priority to IS5645A priority patent/IS2021B/is
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B13/00—Furnaces with both stationary charge and progression of heating, e.g. of ring type or of the type in which a segmental kiln moves over a stationary charge
    • F27B13/02—Furnaces with both stationary charge and progression of heating, e.g. of ring type or of the type in which a segmental kiln moves over a stationary charge of multiple-chamber type with permanent partitions; Combinations of furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B13/00—Furnaces with both stationary charge and progression of heating, e.g. of ring type or of the type in which a segmental kiln moves over a stationary charge
    • F27B13/06—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of this type
    • F27B13/12—Arrangements of heating devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices

Definitions

  • the invention relates to the field of ovens with so-called rotating fire chambers for cooking carbonaceous blocks and more particularly a method and a device for regulating such ovens.
  • This type of oven also known as an “open chamber”, comprises, as described in these cited documents, in the long direction, a plurality of preheating, cooking and cooling chambers, each chamber being constituted, in the transverse direction, by alternating juxtaposition of hollow heating partitions in which the combustion gases circulate, and of cells in which the carbonaceous blocks to be cooked are stacked, the blocks being embedded in carbonaceous dust.
  • This type of oven has two spans, the total length of which can reach more than a hundred meters.
  • Each span comprises a succession of chambers separated by transverse walls and open at their upper part, to allow the loading of the raw blocks and the unloading of the cooled cooked blocks.
  • Each chamber comprises, arranged parallel to the long direction of the furnace, that is to say to the major axis of the furnace, a set of hollow partitions, with thin walls, in which the hot gases or combustion fumes ensuring the cooking will circulate, alternating, in the cross direction of the oven, with cells in which the baking blocks are stacked
  • the hollow partitions are provided, at their upper part, with closable openings called "openings". They also include baffles to lengthen and distribute more uniformly the path of the gases or combustion fumes
  • the heating of the oven is ensured by burner ramps having a length equal to the width of the chambers, the injectors of these burners being introduced, via the ports, in the hollow partitions of the chambers concerned Upstream of the burners (relative to the direction of advancement of the fire), there are combustion air blowing nozzles mounted on a blowing ramp fitted with fans, these blowing nozzles being connected, via the ports, to said partitions Downstream of the burners, there are nozzles of combustion smoke, mounted on a suction ramp supplying smoke capture centers, and fitted with flaps allowing the said suction nozzles to be closed at the desired level Heating is ensured both by the combustion of the fuel injected into the cooking chambers, and by that of pitch vapors emitted by the blocks being cooked in the preheating chambers, vapors which, taking into account the de pressure of the preheating chambers, leave the cells passing through the hollow partition and come to burn with the oxygen remaining in the combustion fumes which circulate in the hollow partitions of these chambers
  • the whole "blow taps - burners - taps suction" ensuring each room successively upstream of the preheating zone, a function for loading the raw carbon blocks, then, in the preheating zone, a natural preheating function by combustion fumes and the combustion of pitch vapors, then, in the cooking zone, a function for heating of the blocks to 1100-1200 ° C, and finally, in the cooling zone, a function of cooling the blocks with cold air and, correspondingly to preheating the air constituting the furnace oxidizer, the cooling zone being followed, downstream, by an unloading zone for the cooled carbon blocks
  • the most common regulation method of this type of oven consists in regulating the temperature and / or pressure of a certain number of chambers of the oven Typically, out of 10 chambers active simultaneously, 4 have temperature measurements and 2 have pressure measurements.
  • the three burner banks are regulated as a function of the temperature of the combustion smoke, the fuel injection being adjusted to follow a temperature rise curve, typically the temperature of the combustion smoke but possibly that of the blocks carbon
  • the speed of the fans of the blowing manifold is typically regulated as a function of a static pressure measured upstream of the burners, but it can also be left constant
  • the flaps of the suction manifold are regulated as a function of a vacuum measured in a chamber located between the burners and the suction nozzles But, most often, in particular da ns the most recent ovens, said depression is itself provided by a temperature set point, typically the temperature of the combustion fumes, so that said flaps are controlled by a temperature measurement and its comparison to a set value
  • the regulation of the oven can also call upon other complementary means
  • French application FR 2,600,152 is also a device for optimizing combustion in the cooking zone making it possible to measure the opacity of the fumes in the suction nozzles and to regulate this suction accordingly,
  • the oxygen / fuel ratio in the oven is controlled by measuring the oxygen content in the oven PROBLEM
  • the temperature and pressure setpoints for each chamber are known, to be observed in order to obtain carbon blocks of the required quality and to obtain correct operation of the furnace, in particular in the preheating zone.
  • the current operation and regulation of furnaces is characterized on the one hand, by a considerable increase in the number of measurement sensors, and on the other hand, by the adoption of large safety margins with regard to each of the three main parameters which ensure the operation of the oven, the blowing of air upstream of the cooling chambers, the injection of fuel into the cooking chambers and the extraction of combustion fumes downstream of the preheating chambers
  • all of the measurement and regulation means account for a non-negligible part of the cost of the investment and operation of the furnace, many sensors, taking into account the particularly difficult conditions of temperature and environment, having a short lifespan and which can therefore be considered as consumable material,
  • this set of measurement and regulation means does not stabilize the operation of the oven, it results in a variable energy consumption, with an average consumption quite far from the optimum taking into account the safety margins which are taken to guarantee the quality of the carbon blocks produced and to guarantee the integrity and longevity of the furnace
  • the present invention aims to solve this double problem and to ensure the automated and optimized operation of the oven by reducing both the investment and operating cost of the control and regulation equipment, and the energy consumption of the oven.
  • a first object of the invention is a method of regulating a rotary fire oven for cooking carbon blocks comprising a succession of C chambers, active 6 simultaneously but in a differentiated manner, namely, from upstream to downstream and in the longitudinal direction, cooling chambers, the first of which, at the head, is supplied with atmospheric air by means of blowing nozzles S j , cooking chambers equipped with at least one ramp of injector burners I, supplied with fuel, and preheating chambers, the last of which, at the end, is provided with suction nozzles A, combustion fumes, and comprising, in the transverse direction and alternately a succession of hollow heating partitions Cl ⁇ and alveoli Al, j in which are stacked the carbon blocks to be baked, said partitions Cl ,, of a given chamber C, provided with openings intended for receive said blowing nozzles S j and / or said injectors I, and / or said suction nozzles A, and / or measuring means communicating with the hollow partitions Cl, .i j
  • This set value E ⁇ j can be either a constant or a function of the predetermined time f (t) Typically every 24 hours, the mobile equipment of the oven (burner burners, blow-off nozzle ramp, suction nozzle ramp, etc) move forward from a room Therefore, the set values which are a function of time are defined over this period T, as may be the case for E ⁇ j II may be advantageous to have during the residence time T of the fire on a room given a set value E ⁇ j which includes either a ramp, that is to say a regular variation of the set value E ⁇ j during the residence time, or particular set values at the start or end of time of stay T
  • the essential means of the invention therefore resides in the fact of controlling the energy flow E j of the combustion fumes sucked in by each suction nozzle A, in order to control the actuators of the oven, whereas according to the prior art, the suction nozzles, like the burners, are controlled according to a temperature curve, which itself is generally a function of time over
  • R DG,. (T, - Ta) C g
  • a more precise value can be obtained by replacing "(T, - Ta) C g " by the value of the integral ⁇ G g (T) .dT for T between Ta and T ,, or by any approximate polynomic expression of this integral
  • said reference value, denoted E ⁇ j , of energy flows E, of combustion fumes G, is chosen, typically experimentally, at a lowest possible value which is compatible with the usual quality requirements of fab carbon blocks and oven operation
  • the non-regulated flow E k is assigned the mean of the values Regules flow neighbors E. I and E -i
  • FIG. 1 is a top view of the “active” part of a rotary-baking oven (1) according to the invention.
  • FIG. 1a corresponds to FIG. 1 and presents a sectional view of the oven (1), in the vertical plane and in the long direction, and in particular the succession of hollow heating partitions, of Cli, a CUo ,, ensuring the circulation of the different gas flows.
  • Figure lb is the air pressure curve (34) and / or combustion fumes (35) in the various heating partitions The figure represents it, in a schematic way, the computerized means of control and regulation (5) associated with the preceding figures
  • Figure 2 is a perspective view, partially exploded, of an oven (1) comprising means according to the invention.
  • Figure 3 shows in longitudinal section a flow sensor according to the invention.
  • Figure 3a shows a variant of the invention in which the temperature T, is measured in the suction nozzle (210), preferably downstream of the flow sensor (214)
  • FIG. 4 is a sectional view in the XZ plane of a heating partition (3) of a chamber C, according to the state of the art ensuring the circulation of gas flows (34, 35)
  • Each chamber C comprises baffles (31) increasing the gas flow path (34,35) and is separated from the previous C, . ⁇ and the next C, ⁇ by a transverse wall (32).
  • the partition (3) comprises openings (30) provided with covers (36) to the right of which is a well (39), that is to say a vertical space comprising neither baffle (31) nor spacer (33) , so as to be able to descend into said partition the mobile devices necessary for the operation of the oven, in particular said suction tapping (210) and said blowing tapping (230).
  • FIG. 5 is a sectional view in the XY plane of a chamber C, of preheating according to the prior art, showing the alternation of partitions (3) and cells (4)
  • Each cell (4) contains the carbonaceous blocks to be cooked (40) covered with a carbonated powder (42), each cell Al y (4) being heated by means of the two heating partitions Cl, j and Cl y + i adjacent.
  • FIG. 6 represents a graph of points, each point corresponding to a statement of experimental measurements carried out by the applicant on the ovens regulated according to the state of the art
  • the graph shows on the ordinate the energy consumed Ec (fuel) in MJ per tonne carbon blocks produced, and on the abscissa, the energy dissipated Eg in the combustion fumes in MJ per tonne produced
  • FIG. 7 is a schematic representation of the regulation according to the invention
  • the invention originates from the applicant's idea of studying the operation of regulated ovens according to the state of the art, from the angle of a comparison between energy consumed and energy lost, as shown by the graph of the FIG. 6 It emerges from this graph that the energy consumed varies considerably, between the extreme lines (61, 62), from 2200 to 2900 MJ / t.
  • the Applicant observed a strong correlation between the values of Ec and of Eg, which translated by a regression line (6)
  • Eg-Ec expressed in MJ / t, correspond to proportional values of Eo-DCo having the dimension of an energy per unit of time, so that the regression line portion (63) also allows, once experimentally define the set values Eo for the overall energy of the combustion fumes or E ⁇ j for the energy of the combustion fumes at each suction connection A ,, to determine the corresponding set value for the fuel flow rates DCo for all the burners, or the flows DC ⁇ j or DCo. j corresponding to the partitions Cl j or Cl tJ depending on whether there are one or more burner burners
  • the fuel flow DC, supplying said burners I is therefore fixed at a predetermined level DC ⁇ j as illustrated in FIGS. 1 and le, and in FIG. 7
  • the invention allows an absence of measurement of the temperature of the combustion fumes for regulating the DC fuel flow, it being understood that this flow of 11 fuel, generally distributed between several burner burners, typically three to four burner burners, positioned on successive chambers, from C, to C, - or to C, - 3 . is set to a predetermined value DC ⁇ j, optionally versus time, established in particular during the furnace start-up tests, and depending on the energy level E ⁇ ], as has been already mentioned in connection with Figures 6 and 7 , this set value DC ⁇ j being correlated, according to the portion (63) of the experimental regression line in FIG. 6, with the predetermined level of said product R, corresponding to the energy flow Eo or E ⁇ j of the combustion fumes
  • said predetermined level of fuel flow DC ⁇ j can be chosen, for a given hollow partition Cl y (3) of a given cooking chamber C, (22) of a given oven, so that the temperature measured combustion fumes (34) in said hollow partition Cl y (3) has a predetermined value, typically between 1000 ° and 1300 ° C
  • said air flow DA, said blowing nozzles S j (230) at the head of the cooling chambers (23) can be regulated, either so that the pressure in the hollow partitions Cly said cooking chambers C, (22) is lower than atmospheric pressure and included in a predetermined pressure range, the static pressure P ; tail of the cooling chambers (23) being substantially equal to atmospheric pressure or so that the flow velocity of air (34) or the fan by moving the air flow, with the entrance to said chambers of 12 cooking is constant, and at a predetermined value, as illustrated in Figures 1, 1a, lb and the.
  • the air flow DAj is preferably fixed at a predetermined value so that the static pressure at the head of the cooking chambers (22) is less than atmospheric pressure.
  • the pressure measurement P j can optionally be used to check, at regular time intervals, for example once a day or once a week, the absence of process drift.
  • the set values in particular Eo corresponding to the energy flow of the combustion fumes sucked out of the furnace, and the corresponding value of DCo corresponding to the fuel consumption in the burners, are defined for each Cly partitions of the oven, and are identified in the cross direction of the oven by the index "j", and over the entire length of the oven by the index "i", so as to have a map of the set values which holds account for side effects both on the sides of said oven and at its ends when moving the fire.
  • the optimum setpoint values which can be done once and for all when the oven is started, setpoint corrections can then be made during the life of the oven, taking into account for example aging of the materials and possible alterations in the tightness of the oven.
  • the set value DC ⁇ j can be corrected, during cooking, so as to maintain it at an optimal value.
  • computer means (5.50), known in themselves, are used to store set values or ranges of said set values of different 13 parameters for each Cly partition on the entire oven, in particular E ⁇ y, to compare these values with the measured values of these parameters, after calculation if necessary, as well as actuators, controlled by said computer means, to possibly correct said regulation parameters, in particular by modifying the air flow DA y , so that the measurement values are equal to the set values or fall within the ranges of set values.
  • Another object of the invention is constituted by a furnace regulation device for implementing the regulation method according to the invention, device comprising - means for measuring the flow rates DG j of the combustion smoke flows G j ,
  • This device can also comprise the storage of the correlation function (63) between the reference values of the energy flows Eo or E ⁇ j and the reference values of the fuel flow rates DCo or DC ⁇ j and the corresponding regulation of said flow rates at from any variation of Eo or E ⁇ j
  • It can optionally include computer means (5) for storing reference values or ranges of reference values of the pressure Po J; to compare this value with the pressure value P j measured, as well as actuators, commands by said computer means, to possibly correct said regulation parameters by modifying the air flow DA j , so that the measurement values are equal to the setpoints or fall within the ranges of setpoints But. 14 preferably, as already indicated, the air flows DA j are maintained at a predetermined constant value
  • a Venturi tube (214) placed in each of said suction nozzles A, (210)
  • the Venturi tubes used are of small size, so as to be able to be placed inside said suction nozzles A j and to capture only a determined fraction of the gas flow G j5 typically from 1/5 th to 1/20 th of this flow , indeed the Applicant has observed that the use of such tubes has great advantages compared to the use of a Venturi tube through which the entire gas flow would pass, namely, low cost, low loss of load, low fouling, small footprint, and above all very good accuracy of flow measurement
  • the air flow rates DA j and the flow rates DG j of combustion smoke (35) drawn in can be modulated by adjusting shutters, denoted respectively VA, (212) and VG j ( 232) and placed respectively on each of the supply air nozzles S j (230) connected to an air supply ramp (231) and on each of the suction nozzles A j (210) connected to a suction rail (211 )
  • Figures 1, la, lb, le, 2, 3, 3a, 6 and 7 illustrate the invention.
  • the heating partitions Cl y (3) are provided with openings (30) making it possible to introduce into said partitions the necessary mobile devices, with, from right to left, that is from upstream to downstream in the direction of circulation. gas flows (34, 35)
  • an air blowing ramp (23 1) placed transversely at the upstream end of the cooling chamber Cio, provided with air blowing nozzles S_, (230), each air blowing nozzle S j insufflante in the corresponding heating partition Qio j an air flow DA j regulated by a shutter VA, (232) and an actuator (233) of this shutter,
  • a suction manifold (21 1) placed transversely at the downstream end of the preheating chamber Ci, provided with suction nozzles A, (210), each nozzle sucking in said heating partition CUj a flow of combustion fumes G, of mass flow DG j which can vary thanks to a shutter VG, (212) and to an actuator (213) of this shutter.
  • each suction connection A is provided with a device (214) for measuring the mass flow rate DG j of the flow of combustion smoke, of the "Venturi tube” type as described in FIGS. 3 and 3a, of a device for measuring the temperature T j of this flow, another device measuring the temperature Ta of the ambient air
  • Said measuring device of the temperature comprises a gas temperature sensor (215), which measures the temperature Tj of the gases flowing in the suction nozzles Aj (210), preferably downstream of the device (214) for measuring the mass flow
  • the measurement of temperature is typically achieved using thermocouples 16
  • a pressure sensor ramp (234) is placed on the chamber C7 to measure the pressure P j and thus verify that the first combustion chamber It is indeed at a pressure slightly lower than atmospheric pressure
  • Figure la corresponds to Figure 1 and shows a sectional view of the furnace (1), in the vertical plane and in the long direction, and in particular the succession of hollow heating partitions, from C ⁇ ⁇ to Clio j , ensuring the circulation of the different gas flows, air flow (34) in the cooling chambers C 7 to C 10 , combustion smoke flow (35) in the combustion chambers C to C and in the preheating chambers Ci to C 3
  • air flow (34) in the cooling chambers C 7 to C 10
  • combustion smoke flow (35) in the combustion chambers C to C and in the preheating chambers Ci to C 3
  • the chambers C 7 to do being under overpressure, an air flow (37) escapes from these chambers, while an air flow (38) enters the chambers Ci to Ce which are in depression, as shown in Figure ld.
  • the figure shows, schematically, the computer means of control and regulation (5) allowing
  • FIG. 2 is a perspective view, partially exploded, of an oven (1) according to the prior art comprising means according to the invention. It shows in particular, in the transverse direction noted Y-Y ', the succession of hollow heating partitions (3) provided with openings (30) and baffles (31), and cells (4) containing the stacks of carbonaceous blocks (40) to be cooked It shows, in the long direction noted X-X ', a first chamber (chamber C 2 ) in exploded form, and a second chamber (chamber Ci) equipped with suction nozzles (210) connected to a suction rail (211), each connection comprising a flow sensor (214), a shutter (212) and an actuator (213) of this shutter.
  • Y-Y ' the succession of hollow heating partitions (3) provided with openings (30) and baffles (31), and cells (4) containing the stacks of carbonaceous blocks (40) to be cooked It shows, in the long direction noted X-X ', a first chamber (chamber C 2 ) in exploded
  • FIGS. 3 and 3 a show in longitudinal section a flow sensor according to the invention, constituted by a “Venturi” type tube placed inside each suction connection A, (210) measuring a static pressure Ps and a differential pressure Pd, thus allowing the calculation of the mass flow DG,
  • This flow is equal to K (Ps Pd / T) " , K being a constant taking account in particular of geometric factors, only a fraction of the flow of combustion fumes (35 ) passing through the Venturi tube
  • FIG. 7 is a schematic representation of the regulation according to the invention each suction nozzle (210), connected to the suction ramp (21 1), comprises a 18 Venturi type flow sensor (214), a shutter (212) driven by an actuator (213) Regulation and control means (50) of the DG flow rates, combustion fumes make it possible, in particular from pressure measurements provided by the flow sensor (214), calculating the mass flow DG, of the flow of combustion smoke (35), then calculating the value of R, that is to say of the energy E j corresponding, taking into account either the necessary temperature measurements Ta and T or other data entered in memory, such as the specific mass heat of the fumes C g as a function of their temperature and their pressure, to compare it to a value of setpoint E ⁇ j or has a range of setpoints, and actuate the shutter (212) so as to vary DG, in the desired direction and thus correct the value of R or E j
  • FIG. 7 are also represented the burners (221) with a predetermined flow rate DCo
  • a dotted line (630) connects the values of DCo or DC ⁇ j to those of Eo or Eoillerthe relation between the two being constituted by the correlation between Ec and Eg illustrated by the portion (63) of the regression line (6) in Figure 6
  • the invention has very significant advantages.

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Abstract

Le procédé de régulation d'un four (1) comprenant une succession de chambres Ci, chambres de refroidissement (23), chambres de cuisson (22), et des chambres de préchauffage (21), dont la dernière, en queue, est munie de pipes d'aspiration Aj (210) des gaz de combustion (34), et comprenant, dans le sens travers, une succession de cloisons chauffantes creuses Clij (3) et d'alvéoles Alij (4) dans lesquels sont empilés les blocs carbonés à cuire (40), lesdites cloisons creuses assurant la circulation des flux gazeux (33, 34), est caractérisé en ce que le débit massique DGj de chacun des flux de fumées de combustion Gj (34) est régulé en mesurant ce débit et la température Tj, de manière à reproduire une valeur de consigne prédéterminée le produit DGj.(Tj-Ta).Cg, Tj et Ta étant respectivement la température dudit flux de fumées de combustion Gj et celle de l'air ambiant, et Cg étant la chaleur spécifique massique des fumées de combustion.

Description

1
PROCEDE ET DISPOSITIF DE REGULATION DES FOURS DE CUISSON A FEU TOURNANT
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne le domaine des fours à chambres dit à feu tournant ("ring furnace" en anglais) pour la cuisson de blocs carbonés et plus particulièrement un procédé et un dispositif de régulation de tels fours.
ETAT DE LA TECHNIQUE
On connaît déjà des méthodes de régulation de ce type de fours, comme dans les demandes françaises FR 2 600 152 et FR 2 614 093 au nom de la demanderesse, et dans la demande internationale WO 91/19147.
Ce type de four, dit également à « chambre ouverte », comprend, comme décrit dans ces documents cités, dans le sens long, une pluralité de chambres de préchauffage, de cuisson et de refroidissement, chaque chambre étant constituée, dans le sens travers, par la juxtaposition, en alternance, de cloisons chauffantes creuses dans lesquelles circulent les gaz de combustion, et d'alvéoles dans lesquelles sont empilés les blocs carbonés à cuire, les blocs étant noyés dans une poussière carbonée.
Ce type de four comporte deux travées dont la longueur totale peut atteindre plus d'une centaine de mètres. Chaque travée comporte une succession de chambres séparées par des murs transversaux et ouvertes à leur partie supérieure, pour permettre le chargement des blocs crus et le déchargement des blocs cuits refroidis. Chaque chambre comporte, disposées parallèlement au sens long du four, c'est-à-dire au grand axe du four, un ensemble de cloisons creuses, à parois minces, dans lesquelles vont circuler les gaz chauds ou fumées de combustion assurant la cuisson, alternant, dans le sens travers du four, avec des alvéoles dans lesquelles on empile les blocs à cuire Les cloisons creuses sont munies, a leur partie supérieure, d'ouvertures obturables dites « ouvreaux » Elles comportent en outre des chicanes pour allonger et repartir plus uniformément le trajet des gaz ou fumées de combustion
Le chauffage du four est assure par des rampes de brûleurs ayant une longueur égale a la largeur des chambres, les mjecteurs de ces brûleurs étant introduits, via les ouvreaux, dans les cloisons creuses des chambres concernées En amont des brûleurs (par rapport au sens d'avancement du feu), on dispose de piquages de soufflage d'air de combustion montes sur une rampe de soufflage munie de ventilateurs, ces piquages de soufflage étant connectes, via les ouvreaux, aux dites cloisons En aval des brûleurs, on dispose de piquages d'aspiration de fumées de combustion, montes sur une rampe d'aspiration alimentant des centres de captation de fumées, et dotées de volets permettant d'obturer lesdits piquages d'aspiration au niveau souhaité Le chauffage est assure a la fois par la combustion du combustible injecte dans les chambres de cuisson, et par celle des vapeurs de brai émises par les blocs en cours de cuisson dans les chambres de prechauffage, vapeurs qui, compte tenu de la dépression des chambres de prechauffage, quittent les alvéoles en traversant la cloison creuse et viennent brûler avec l'oxygène restant dans les fumées de combustion qui circulent dans les cloisons creuses de ces chambres
Typiquement, une dizaine de chambres sont « actives » simultanément quatre dans la zone de refroidissement, trois dans la zone de chauffage, et trois dans la zone de prechauffage
Au fur et a mesure que la cuisson se produit, on fait avancer d'une chambre, par exemple toutes les 24 heures, l'ensemble « piquages de soufflage - brûleurs - piquages d'aspiration » chaque chambre assurant ainsi successivement en amont de la zone de prechauffage, une fonction de chargement des blocs carbones crus, puis, dans la zone de prechauffage, une fonction de prechauffage naturel par les fumées de combustion et la combustion des vapeurs de brai, puis, dans la zone de cuisson, une fonction de chauffage des blocs a 1100-1200°C, et enfin, dans la zone de refroidissement, une fonction de refroidissement des blocs par l'air froid et, corrélativement αe prechauffage de l'air constituant le comburant du four, la zone de refroidissement étant suivie, en aval, d'une zone de déchargement des blocs carbones refroidis
La methoαe de régulation la plus usuelle de ce type de four consiste a réguler en température et/ou en pression un certain nombre de chambres du four Typiquement, sur 10 chambres actives simultanément, 4 ont des mesures de température et 2 ont des mesures de pression D'une part, les trois rampes de brûleurs sont régulées en fonction de la température des fumées de combustion, l'injection de carburant étant ajustée pour suivre une courbe de montée en température, typiquement la température des fumées de combustion mais éventuellement celle des blocs carbones D'autre part, la vitesse des ventilateurs de la rampe de soufflage est typiquement régulée en fonction d'une pression statique mesurée en amont des brûleurs, mais elle peut être aussi laissée constante Enfin, les volets de la rampe d'aspiration sont régules en fonction d'une dépression mesurée dans une chambre située entre les brûleurs et les piquages d'aspiration Mais, le plus souvent, en particulier dans les fours les plus récents, ladite dépression est elle-même pdotee par une consigne de température, typiquement la température des fumées de combustion, de sorte que lesdits volets sont pilotes par une mesure de température et sa comparaison a une valeur de consigne
La régulation du four peut en outre faire appel a d'autres moyens complémentaires
- dans la demande française FR 2 600 152 est decπt en outre un dispositif pour optimiser la combustion dans la zone de cuisson permettant de mesurer l'opacité des fumées dans les piquages d'aspiration et de réguler cette aspiration en conséquence ,
- dans la demande française FR 2 614 093 est décrite en outre une méthode pour optimiser la combustion dans le four en injectant, en permanence, la quantité d'air nécessaire et suffisante pour obtenir la combustion complète a la fois des matières volatiles dégagées au cours de la cuisson des blocs carbones et du combustible injecte dans les brûleurs
- dans la demande WO 91/19147, en outre on contrôle le rapport oxygène/carburant dans le four en mesurant la teneur en oxygène dans le four PROBLEME POSE
Les méthodes de régulation utilisées à ce jour sont basées essentiellement sur des mesures de température et des mesures de pression, dans un grand nombre de chambres, et dans les différentes cloisons d'une même chambre. Des mesures complémentaires, comme indiqué dans l'état de la technique cité, peuvent venir compléter ces mesures de base.
Par ailleurs, sont connues les valeurs de consigne de température et de pression de chaque chambre, à respecter pour obtenir des blocs carbonés de qualité requise et pour obtenir un fonctionnement correct du four, en particulier dans la zone de préchauffage
En effet, c'est durant le préchauffage des blocs carbonés à cuire que sont éliminées les matières volatiles contenues dans le brai. Il importe que ces gaz ou vapeurs soient aspirés vers les cloisons creuses et brûlent immédiatement en présence de l'oxygène résiduel présent dans les fumées de combustion. Sinon, ces vapeurs de brai peuvent encrasser les piquages, la rampe d'aspiration et les conduites qui mènent à la captation. Ces dépôt peuvent s'enflammer au contact des particules incandescentes de poussier. Ces feux endommagent les canalisations et leurs fumées chaudes brûlent les filtres et les ventilateurs des centres de captation. Face à ces risques, des marges de sécurité sont prises en augmentant les débits des fumées de combustion aspirées, débits qui génèrent à leur tour une surconsommation de carburant et une baisse des performances énergétiques du four.
De plus, on observe que la régulation actuelle des fours conduit à des instabilités, et génère de brusques variations aléatoires des débits des fumées de combustion aspirées et des débits de carburant, de sorte que le four ne présente pas un régime stable de transfert thermique, ce qui est préjudiciable au rendement de l'échange ou transfert thermique entre les fumées de combustion et lesdits blocs carbonés.
Enfin, cette dispersion des différents débits entraîne une dispersion des niveaux de cuisson qui impose de surcuire une partie des blocs carbonés ou anodes pour assurer la qualité minimale de l'ensemble des anodes, ce qui conduit ipso facto a une dégradation des performances énergétiques du four
En définitive, la conduite et la régulation actuelle des fours se caractérise d'une part, par un accroissement considérable du nombre de capteurs de mesures, et d'autre part, par l'adoption de grandes marges de secuπte en ce qui concerne chacun des trois paramètres principaux qui assurent la conduite du four le soufflage d'air en amont des chambres de refroidissement, l'injection de carburant dans les chambres de cuisson et l'aspiration des fumées de combustion en aval des chambres de prechauffage
Il resuite de cet état de fait que
- d'une part, l'ensemble des moyens de mesure et de régulation intervient pour une part non négligeable dans le coût de l'investissement et de fonctionnement du four, beaucoup de capteurs, compte tenu des conditions particulièrement difficiles de température et d'environnement, ayant une faible durée de vie et pouvant de ce fait être considères comme une matière consommable,
- d'autre part, comme cet ensemble de moyens de mesure et de régulation ne permet pas de stabiliser le fonctionnement du four, il en resuite une consommation énergétique vaπable, avec une consommation moyenne assez éloignée de l'optimum compte tenu des marges de secuπte qui sont prises pour garantir la qualité des blocs de carbone fabriques et pour garantir l' intégrité et la longévité du four
La présente invention vise a résoudre ce double problème et a assurer la conduite automatisée et optimisée du four en diminuant tout a la fois le coût d investissement et de fonctionnement des équipements de contrôle et de régulation, et la consommation énergétique du four
DESCRIPTION DE L'INVENTION
Un premier objet de l'invention est un procède de régulation d'un four a feu tournant de cuisson de blocs carbones comprenant une succession de chambres C, actives 6 simultanément mais de manière différenciée, a savoir, d'amont en aval et dans le sens longitudinal, des chambres de refroidissement, dont la première, en tête, est alimentée en air atmosphérique a l'aide de piquages de soufflage Sj, des chambres de cuisson équipées d'au moins une rampe de brûleurs a injecteurs I, alimentes en carburant, et des chambres de prechauffage, dont la dernière, en queue, est munie de piquages d'aspiration A, des fumées de combustion, et comprenant, dans le sens travers et en alternance une succession de cloisons chauffantes creuses Clυ et d'alvéoles Al,j dans lesquels sont empiles les blocs carbones a cuire, lesdites cloisons Cl,, d'une chambre donnée C, munies d'ouvreaux destines a recevoir lesdits piquages de soufflage Sj et/ou lesdits injecteurs I, et/ou lesdits piquages d'aspiration A, et/ou des moyens de mesure communiquant avec les cloisons creuses Cl,.ij et Cl,-ij des chambres précédente C,-ι et suivante C,-ι de manière a assurer la circulation d'amont vers l'aval d'un flux gazeux comprenant l'air atmosphérique et/ou les fumées de combustion, caracteπse en ce que le débit massique DG, de chacun des flux de fumées de combustion G, traversant lesdits piquages d'aspiration Aj en queue des chambres de prechauffage, est régule en mesurant le débit massique DGj et la température T, de chacun des flux de fumées de combustion G,, en calculant les flux d'énergie Ej correspondants, typiquement par le produit R égal a DGj (Tj-T,) Cg, Tj et Ta étant respectivement la température des fumées de combustion Gj et celle de l'air ambiant, et Cg étant la chaleur spécifique massique des fumées de combustion a la température T,, de façon a maintenir, pour chacun des flux de fumées de combustion G,, ledit flux d'énergie Ej a une valeur de consigne Eθj prédéterminée
Cette valeur de consigne Eθj peut être soit une constante, soit une fonction du temps f(t) prédéterminées Typiquement toutes les 24 heures, les équipements mobiles du four (rampes de brûleurs rampe de piquages de soufflage, rampe de piquages d'aspiration, etc ) avancent d'une chambre Donc, les valeurs de consigne qui sont fonction du temps sont définies sur cette période T, comme ce peut être le cas pour Eθj II peut être avantageux d avoir durant le temps de séjour T du feu sur une chambre donnée une valeur de consigne Eθj qui comprenne soit une rampe, c'est-a-dire une variation régulière de la valeur de consigne Eθj durant le temps de séjour, soit des valeurs de consigne particulières en début ou en fin de temps de séjour T Le moyen essentiel de l'invention réside donc dans le fait de contrôler le flux d'énergie Ej des fumées de combustion aspirées par chaque piquage d'aspiration A, pour commander les actionneurs du four, alors que selon l'art antérieur, les piquages d'aspiration, tout comme les brûleurs, sont commandés en fonction d'une courbe de température, qui est elle-même généralement fonction du temps sur la période T
Le flux d'énergie Ej de chaque flux de fumées de combustion est en fait un flux enthalpique dont la valeur de R ( = DG, . (T, - Ta) Cg ) constitue une bonne approximation Une valeur plus précise peut être obtenue en remplaçant « (T, - Ta) Cg » par la valeur de l'intégrale { Gg (T).dT pour T compris entre Ta et T,, ou par toute expression polynomique approchée de cette intégrale
De manière surprenante, la demanderesse a trouvé que ce moyen essentiel selon l'invention, quoique beaucoup plus simple que les moyens de contrôle utilisés dans l'état de la technique, constituait bien la solution au problème posé. En effet, elle a pu vérifier que ce moyen permettait en particulier .
- un fonctionnement du four stabilisé, au lieu d'un fonctionnement avec de brusques variations des paramètres, - un fonctionnement économique en ce qui concerne la consommation de carburant,
- une simplification des équipements et dispositifs de contrôle et régulation
Globalement, il en résulte une fabrication de blocs carbonés cuits à qualité plus constante et à meilleur coût Les raisons pour lesquelles le moyen selon l'invention conduit à ces résultats surprenants ne sont pas clairement établies Cependant, selon une hypothèse de la demanderesse, les flux d'air extérieur qui pénètrent dans les chambres de préchauffage en dépression dans un four à chambre ouverte, pourraient interférer avec le fonctionnement du four et constituer un élément perturbateur contribuant à accentuer les variations des paramètres du four Sur la base de son hypothèse, la demanderesse a eu l'idée de choisir comme paramètre de régulation, un paramètre indépendant de l'apport plus ou moins grand d'air extérieur Pour cela, elle a trouve qu'un paramètre tel que le paramètre R, équivalent a un flux d'énergie par rapport a la température ambiante était donc totalement indépendant de la plus ou moins grande quantité d'air ayant pénètre dans le four et pouvait permettre de ce fait une régulation effective du four avec une conduite de four stable et économique
Selon l'invention, ladite valeur de consigne, notée Eθj, des flux d'énergie E, des fumées de combustion G, est choisie, typiquement expérimentalement, a une valeur la plus basse possible qui soit compatible avec les exigences usuelles de qualité des blocs carbones fabπques et de fonctionnement du four
Selon l'invention, il est aussi possible de réguler non pas tous les flux d'énergie E, mais seulement un nombre limite de flux, par exemple un sur deux Dans ce cas, au flux non régule Ek est assigne la moyenne des valeurs de flux régules voisins E . I et E -i
DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures 1, la, lb, 2, 3, 3a, 6 et 7, relatives a l'invention, sont expliquées dans l'exemple selon l'invention ou dans la descπption Les figures 4 et 5 illustrent des éléments déjà connus des fours selon l'invention
La figure 1 est une vue de dessus de la partie «active » d'un four de cuisson a feu tournant (1) selon l'invention La figure la correspond a la figure 1 et présente une vue en coupe du four (1), dans le plan vertical et dans le sens long, et en particuher la succession de cloisons chauffantes creuses, de Cli, a CUo,, assurant le circulation des différents flux gazeux La figure lb est la courbe de pression d'air (34) et/ou de fumées de combustion (35) dans les différentes cloisons chauffantes La figure le représente, de manière schématique, les moyens informatiques de commande et de régulation (5) associes aux figures précédentes La figure 2 est une vue en perspective, partiellement éclatée, d'un four (1) comprenant des moyens selon l'invention.
La figure 3 représente en coupe longitudinale un capteur de débit selon l'invention. La figure 3 a montre une variante de l'invention dans laquelle la température T, est mesurée dans le piquage d'aspiration (210), de préférence en aval du capteur de débit (214)
La figure 4 est une vue en coupe dans le plan X-Z d'une cloison chauffante (3) d'une chambre C, selon l'état de la technique assurant la circulation des flux gazeux (34,35) Chaque chambre C, comprend des chicanes (31) augmentant le parcours des flux gazeux (34,35) et est séparée de la précédente C,.ι et de la suivante C,^ par un mur transversal (32). La cloison (3) comprend des ouvreaux (30) munis de couvercles (36) au droit desquels se trouve un puits (39), c'est-à-dire un espace vertical ne comprenant ni chicane (31) ni entretoise (33), de manière à pouvoir descendre dans ladite cloison les dispositifs mobiles nécessaires au fonctionnement du four, notamment lesdits piquages d'aspiration (210) et lesdits piquages de soufflage (230).
La figure 5 est une vue en coupe dans le plan X-Y d'une chambre C, de préchauffage selon l'état de la technique, montrant l'alternance de cloisons (3) et d'alvéoles (4) Chaque alvéole (4) contient les blocs carbonés à cuire (40) recouverts d'une poudre carbonée (42), chaque alvéole Aly (4) étant chauffée grâce aux deux cloisons chauffantes Cl,j et Cly+i adjacentes. Les vapeurs de brai (41), dégagées par lors du chauffage des blocs carbonés, se répandent dans les cloisons (3) en dépression et s'enflamment en présence de l'oxygène restant des fumées de combustion (35) ou celui du flux d'air (38)
La figure 6 représente un graphique de points, chaque point correspondant à un relevé de mesures expérimentales effectuées par la demanderesse sur les fours régulés selon l'état de la technique Le graphique porte en ordonnée l'énergie consommée Ec (carburant) en MJ par tonne de blocs carbonés produite, et en abscisse, l'énergie dissipée Eg dans les fumées de combustion en MJ par tonne produite 10 La figure 7 est une représentation schématique de la régulation selon l'invention
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'invention a pour origine l'idée de la demanderesse d'étudier le fonctionnement des fours régules selon l'état de la technique, sous l'angle d'une comparaison entre énergie consommée et énergie perdue, comme représente par le graphique de la figure 6 II ressort de ce graphique que l'énergie consommée varie considérablement, entre les droites extrêmes (61, 62), de 2200 a 2900 MJ/t La demanderesse a observe une forte corrélation entre les valeurs de Ec et de Eg, qui se traduit par une droite de régression (6)
Avec le procède de régulation selon l'invention, on choisit de faire fonctionner le four avec une valeur de Eg prédéterminée, la plus faible possible, valeur déterminée expérimentalement, et avec une valeur de Ec égale a ou voisine de la valeur de corrélation de cette valeur de Eg sur la portion (63) de la droite de régression (6)
Aux valeurs de Eg-Ec, expπmees en MJ/t, correspondent des valeurs proportionnelles de Eo-DCo ayant la dimension d'une énergie par unité de temps, de sorte que la portion de droite de régression (63) permet aussi, une fois défîmes expérimentalement les valeurs de consigne Eo pour l'énergie globale des fumées de combustion ou Eθj pour l'énergie des fumées de combustion au niveau de chaque piquage d'aspiration A,, de déterminer la valeur de consigne correspondante pour les débits de carburant DCo pour l'ensemble des brûleurs, ou les débits DCθj ou DCo.j correspondants aux cloisons Clj ou CltJ selon qu'il y a une ou plusieurs rampes de brûleurs
De préférence, le débit de carburant DC, alimentant lesdits brûleurs I, est donc fixe a un niveau prédétermine DCθj comme illustre aux figures 1 et le, et a la figure 7
Ainsi, l'invention autorise une absence de mesure de température des fumées de combustion pour la régulation du débit de carburant DC, étant entendu que ce débit de 11 carburant, généralement réparti entre plusieurs rampes de brûleurs, typiquement trois à quatre rampes de brûleurs, positionnées sur des chambres successives, de C, à C,- ou à C,-3. est fixé à une valeur prédéterminée DCθj, éventuellement fonction du temps, établie notamment lors des essais de mise en route du four, et en fonction du niveau d'énergie Eθ], comme cela à été déjà mentionné à propos des figures 6 et 7, cette valeur de consigne DCθj étant corrélée, selon la portion (63) de la droite de régression expérimentale de la figure 6, avec le niveau prédéterminé dudit produit R, correspondant au flux d'énergie Eo ou Eθj des fumées de combustion
II s'agit là d'un moyen qui va totalement à l' encontre de l'enseignement de l'état de la technique où, de manière traditionnelle, le débit de carburant est typiquement régulé par la température des gaz de combustion dans les chambres de cuisson.
Toutefois, ledit niveau prédéterminé de débit de carburant DCθj peut être choisi, pour une cloison creuse donnée Cly (3) d'une chambre de cuisson donnée C, (22) d'un four donné, de manière à ce que la température mesurée des fumées de combustion (34) dans ladite cloison creuse Cly (3) ait une valeur prédéterminée, typiquement comprise entre 1000° et 1300°C
II va de soi, que, dans la phase de mise au point d'un four ou de redémarrage d'un four, il convient de vérifier que les températures visées dans chacune des chambres sont bien atteintes, ce qui est à distinguer de la régulation proprement dite d'un four fonctionnant en routine
Dans le cadre de l'invention, ledit débit d'air DA, desdits piquages de soufflage Sj (230) en tête des chambres de refroidissement (23) peut être régulé, soit de façon à ce que la pression dans les cloisons creuses Cly desdites chambres de cuisson C, (22) soit inférieure à la pression atmosphérique et comprise dans une plage de pression prédéterminée, la pression statique P; en queue des chambres de refroidissement (23) étant sensiblement égale à la pression atmosphérique, soit de façon à ce que la vitesse du flux d'air (34), ou celle du ventilateur mettant en mouvement ce flux d'air, à l'entrée desdites chambres de 12 cuisson soit constante, et à une valeur prédéterminée, comme illustré aux figures 1 , 1a, lb et le.
Mais, selon l'invention, le débit d'air DAj est, de préférence, fixé à une valeur prédéterminée de manière à ce que la pression statique en tête des chambres de cuisson (22) soit inférieure à la pression atmosphérique. Dans ce cas, la mesure de pression Pj peut éventuellement servir à vérifier, à intervalle de temps régulier, par exemple une fois par jour ou une fois par semaine, l'absence de dérive du procédé.
Selon l'invention, les valeurs de consigne, notamment Eo correspondant au flux d'énergie des fumées de combustion aspirés à l'extérieur du four, et la valeur correspondante de DCo correspondant à la consommation de carburant dans les brûleurs, sont définies pour chacune des cloisons Cly du four, et sont repérées dans le sens travers du four par l'indice « j », et sur toute la longueur du four par l'indice « i », de manière à avoir une cartographie des valeurs de consigne qui tienne compte des effets de bord à la fois sur les côtés dudit four et à ses extrémités lors du déplacement du feu. En effet, il est avantageux, pour obtenir une constance de qualité des produits fabriqués et à* un coût le plus faible possible, de prendre en compte les effets de bord, c'est-à-dire de définir en fonction des indices « i » et « j », pour toute cloison Cly, les valeurs de consigne optimum, ce qui peut être fait une fois pour toutes au moment du démarrage du four, des corrections de consigne pouvant ensuite être apportées durant la vie du four compte tenu par exemple du vieillissement des matériaux et d'éventuelles altérations de l'étanchéité du four. La valeur de consigne DCθj peut être corrigée, en cours de cuisson, de manière à la maintenir à une valeur optimale. En particulier, il a été trouvé avantageux de corriger DCθj à l'aide d'une mesure de la teneur en monoxyde de carbone contenue dans les fumées à la sortie du four. Pour cela, la mesure de la teneur en monoxyde de carbone peut être effectuée sur la rampe d'aspiration ou à l'entrée du centre de traitement des fumées.
De préférence, on utilise des moyens informatiques (5,50), connus en eux-mêmes, pour stocker des valeurs de consigne ou plages desdites valeurs de consigne de différents 13 paramètres pour chaque cloison Cly sur l'ensemble du four, notamment Eθy, pour comparer ces valeurs aux valeurs mesurées de ces paramètres, après calcul éventuellement, ainsi que des actionneurs, commandés par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement lesdits paramètres de régulation, notamment en modifiant le débit d'air DAy, de façon à ce que les valeurs de mesure soient égales aux valeurs de consigne ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne.
Un autre objet de l'invention est constitué par un dispositif de régulation de four pour mettre en oeuvre le procédé de régulation selon l'invention, dispositif comprenant - des moyens de mesure des débits DGj des flux de fumées de combustion Gj,
- des moyens informatiques (5,50) pour stocker des valeurs de consigne ou plages de valeurs de consigne des flux d'énergie Eθj, pour comparer ces valeurs, après calcul de la valeur de R en fonction notamment du débit DGj et de la température T, des fumées de combustion, avec les valeurs de flux d'énergie mesurées E,, - et des actionneurs (213), commandés par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement la valeur du flux d'énergie mesurée Ej en modifiant le débit DGj du flux de fumées de combustion, de façon à ce que les valeurs de mesure Ej soient égales aux valeurs de consigne Eθj ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne
Ce dispositif peut en outre comprendre le stockage de la fonction de corrélation (63) entre les valeur de consigne des flux d'énergie Eo ou Eθj et les valeurs de consigne des débits de carburant DCo ou DCθj et la régulation correspondante desdits débits à partir de toute variation de Eo ou Eθj
II peut éventuellement comprendre des moyens informatiques (5) pour stocker des valeurs de consigne ou plages de valeurs de consigne de la pression PoJ; pour comparer cette valeur à la valeur de pression Pj mesurée, ainsi que des actionneurs, commandes par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement lesdits paramètres de régulation en modifiant le débit d'air DAj, de façon à ce que les valeurs de mesure soient égales aux valeurs de consigne ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne Mais. 14 de préférence, comme déjà indiqué, les débits d'air DAj sont maintenus à une valeur constante prédéterminée
Il a été trouvé avantageux de choisir, comme moyen pour mesurer les débits DGj des gaz de combustion GJt un tube de Venturi (214) placé dans chacune desdits piquages d'aspiration A, (210) De préférence, les tubes de Venturi utilisés sont de faible dimension, de manière à pouvoir être placés à l'intérieur desdits piquages d'aspiration Aj et à ne capter qu'une fraction déterminée du flux gazeux Gj5 typiquement de 1/5 ème a 1/20 ème de ce flux, en effet la demanderesse a observé que l'emploi de tels tubes présentait de gros avantages par rapport à l'utilisation d'un tube Venturi à travers lequel passerait la totalité du flux gazeux, à savoir, un faible coût, une faible perte de charge, un faible encrassement, un faible encombrement, et surtout une très bonne précision de la mesure de débit
Dans le dispositif selon l'invention, les débits d'air DAj et les débits DGj de fumées de combustion (35) aspirés peuvent être modulés par réglage de volets d'obturation, notés respectivement VA, (212) et VGj (232) et placés respectivement sur chacun des piquages de soufflage Sj (230) reliées à une rampe de soufflage d'air (231) et sur chacun des piquages d'aspiration Aj (210) reliées à une rampe d'aspiration (211)
EXEMPLE DE REALISATION
Les figures 1, la, lb, le, 2, 3, 3a, 6 et 7 illustrent l'invention.
La figure 1, selon l'invention, est une vue de dessus de la partie «active » d'un four de cuisson à feu tournant (1), partie « active » comprenant, dans le sens long, 10 chambres C, avec i = 1 à 10 et, de gauche à droite, une succession de 3 chambres de préchauffage (21) (Ci à Cj), 3 chambres de cuisson (22) (C à Ce), et 4 chambres de refroidissement (23) (C7 à Cio), et, dans le sens travers, et en alternance, une succession de cloisons 15 chauffantes creuses Cly (3) et d'alvéoles Aly (4) dans lesquels sont empilés les blocs carbonés à cuire (40), avec i = 1 à 10, et j - 0 à 6 pour Cly et 1 à 6 pour Al y
Les cloisons chauffantes Cly (3) sont munies d' ouvreaux (30) permettant d'introduire dans lesdites cloisons les dispositifs mobiles nécessaires, avec, de droite à gauche, c'est à dire d'amont en aval dans le sens de circulation des flux gazeux (34, 35)
- une rampe de soufflage d'air (23 1) placée transversalement à l'extrémité amont de la chambre Cio de refroidissement, munie de piquages de soufflage d'air S_, (230), chaque piquage de soufflage d'air Sj insufflant dans la cloison chauffante correspondante Qioj un débit d'air DAj régulé grâce à un volet d'obturation VA, (232) et à un actionneur (233) de ce volet,
- trois rampes de brûleurs (220) placées transversalement sur les chambres de cuisson C à Ce, chaque rampe comprenant deux rangées de brûleurs (221) avec injecteurs de carburant Iy avec i = 4 à 6, et j = 0 à 6, chaque injecteur de carburant Iy assurant un débit de carburant DC,j.
- une rampe d'aspiration (21 1) placée transversalement à l'extrémité aval de la chambre Ci de préchauffage, munie de piquages d'aspiration A, (210), chaque piquage aspirant dans ladite cloison chauffante CUj un flux de fumées de combustion G, de débit massique DGj pouvant varier grâce à un volet d'obturation VG, (212) et à un actionneur (213) de ce volet.
En vue de la régulation selon l'invention, chaque piquage d'aspiration A, est munie d'un dispositif de mesure (214) du débit massique DGj du flux de fumées de combustion, du type « tube de Venturi » comme décrit aux figures 3 et 3a, d'un dispositif de mesure de la température Tj de ce flux, un autre dispositif mesurant la température Ta de l'air ambiant Ces dispositifs ne sont pas en eux-mêmes représentés sur la figure 1 Ledit dispositif de mesure de la température comprend un capteur de température des gaz (215), qui mesure la température Tj des gaz circulant dans les piquages d'aspirations Aj (210), de préférence en aval du dispositif (214) de mesure du débit massique La mesure de température est typiquement réalisée à l'aide de thermocouples 16
Une rampe d'obturateurs déployables (217), positionnée sur la chambre Co, obstrue les cloisons creuses Cly en aval de la rampe d'aspiration (21 1) positionnée sur la chambre Ci, de manière à ce que le flux de fumées de combustion ne soit dilué par un apport d'air venant des chambres situées en aval du feu
Une rampe de capteurs de pression (234) est placée sur la chambre C7 pour mesurer la pression Pj et vérifier ainsi que la première chambre de combustion Ce est bien à une pression légèrement inférieure à la pression atmosphérique
La figure la correspond à la figure 1 et présente une vue en coupe du four (1), dans le plan vertical et dans le sens long, et en particulier la succession de cloisons chauffantes creuses, de C\\} à Clioj, assurant le circulation des différents flux gazeux, flux d'air (34) dans les chambres de de refroidissement C7 à C10, flux de fumées de combustion (35) dans les chambres de combustion C à C et dans les chambres de préchauffage Ci à C3 Les chambres C7 à do étant en surpression, un flux d'air (37) s'échappe de ces chambres, tandis qu'un flux d'air (38) pénètre dans les chambres Ci à Ce qui sont en dépression, comme représenté à la figure ld.
La figure lb est la courbe de pression d'air (34) ou de fumées de combustion (35) dans les différentes cloisons chauffantes : la chambre C7 en amont des chambres de combustion est à la pression atmosphérique Pa, tandis que la pression en amont de la chambre C10 est égale Pa+p avec p = 50 à 60 Pa, tandis que la pression en aval de la chambre Ci est égale à Pa-p', avec p' = 100 à 200 Pa.
La figure le représente, de manière schématique, les moyens informatiques de commande et de régulation (5) permettant
- en amont, de préférence, la fixation à une valeur prédéterminée du débit d'air DAj soufflé dans les cloisons chauffantes creuses Clioj, ou éventuellement, la régulation du débit d'air DA,, grâce au volet d'obturation VA, (232) et à son actionneur (233). de manière à ce que la pression Pj mesurée juste en amont des chambres de combustion soit 17 maintenue constante et comprise dans une plage de valeur de consigne sous la forme Pθj ± po,
- au niveau des chambres de combustion, la fixation des débits de carburant des trois rampes d'injecteurs I4j, Isj et I6j, le débit DCy d'un injecteur Iυ devant être égal à une valeur de consigne DCθy,
- en aval, le régulation des flux des fumées de combustion (35) aspirés, en mesurant les valeurs de chaque débit gazeux DG,, de sa température T,, de la température ambiante Ta, en calculant la valeur du produit R, c'est à dire la valeur de l'énergie E, = DGj Cg (Tj - Ta) contenue dans le flux G, de fumées aspirées, et en régulant chaque débit DG, de manière à ce que Ej soit égal à une valeur de consigne Eθj
La figure 2 est une vue en perspective, partiellement éclatée, d'un four (1) selon l'état de la technique comprenant des moyens selon l'invention. Elle montre notamment, dans le sens travers noté Y-Y', la succession de cloisons chauffantes creuses (3) munies d'ouvreaux (30) et de chicanes (31), et d'alvéoles (4) contenant les empilements de blocs carbonés (40) à cuire Elle montre, dans le sens long noté X-X', une première chambre (chambre C2) sous forme éclatée, et une seconde chambre (chambre Ci) équipée de piquages d'aspiration (210) reliées à une rampe d'aspiration (211), chaque piquage comprenant un capteur de débit (214), un volet d'obturation (212) et un actionneur (213) de ce volet.
Les figures 3 et 3 a représentent en coupe longitudinale un capteur de débit selon l'invention, constitué par un tube de type « Venturi » placé à l'intérieur de chaque piquage d'aspiration A, (210) mesurant une pression statique Ps et une pression différentielle Pd, permettant ainsi le calcul du débit massique DG, Ce débit est égal à K (Ps Pd/T) ", K étant une constante tenant compte notamment de facteurs géométriques, une fraction seulement du flux des fumées de combustion (35) passant dans le tube Venturi
La figure 7 est une représentation schématique de la régulation selon l'invention chaque piquage d'aspiration (210), branché sur la rampe d'aspiration (21 1), comprend un 18 capteur de débit (214) de type Venturi, un volet d'obturation (212) mû par un actionneur (213) Des moyens de régulation et de commande (50) des débits DG, des fumées de combustion permettent, a partir notamment des mesures de pression fournies par le capteur de débit (214), de calculer le débit massique DG, du flux de fumées de combustion (35), de calculer ensuite la valeur de R, c'est-a-dire de l'énergie Ej correspondante, compte tenu soit des mesures de température Ta et T, nécessaires soit des autres données introduites en mémoire, telle que la chaleur spécifique massique des fumées Cg en fonction de leur température et de leur pression, de la comparer a une valeur de consigne Eθj ou a une plage de valeurs de consigne, et d'actionner le volet d'obturation (212) de manière a faire varier DG, dans le sens souhaite et corriger ainsi la valeur de R ou Ej
Sur la figure 7 sont représentes aussi les brûleurs (221) a débit prédétermine DCo Un trait en pointillés (630) relie les valeurs de DCo ou DCθj a celles de Eo ou Eo„ la relation entre les deux étant constitue par la corrélation entre Ec et Eg illustrée par la portion (63) de la droite de régression (6) de la figure 6
AVANTAGES DE L'INVENTION
L'invention présente des avantages très importants Elle permet en effet
- d'une part de simplifier la régulation des fours de cuisson a feu tournant, et ainsi de diminuer le coût d'investissement ou de remplacement des dispositifs de mesure ce qui correspond a des gains importants, compte tenu du fait que la régulation d'un four compte environ pour 10% de l'investissement total Avec une régulation selon l'invention dans laquelle les brûleurs notamment sont pilotes par une consigne de puissance (flux d'énergie Eo - Eθj) et non plus de température comme selon l'état de la technique, et ainsi, ce sont 50 a 100 thermocouples par four ayant une durée de vie de trois mois qui sont économises
- d'autre part de diminuer la consommation énergétique des fours d'au moins 10% en la faisant passer d'une moyenne de 2450 MJ/t a moins de 2200 MJ/t 19
- d'assurer une constance de qualité des blocs carbonés cuits, compte tenu de la disparition de variations brusques de la température dans les fours,
- de s'adapter aux fours existants et ainsi d'améliorer le fonctionnement de ces fours sans investissement important.

Claims

20
REVENDICATIONS
1 Procédé de régulation d'un four à feu tournant (1) de cuisson de blocs carbonés (40) comprenant une succession de chambres C, (2, 21, 22, 23) actives simultanément mais de
5 manière différenciée, à savoir, d'amont en aval et dans le sens longitudinal, des chambres de refroidissement (23), dont la première, en tête, est alimentée en air atmosphérique (33) à l'aide de piquages de soufflage Sj (230), des chambres de cuisson (22) équipées d'au moins une rampe (220) de brûleurs à injecteurs I, (221) alimentés en carburant, et des chambres de préchauffage (21), dont la dernière, en queue, est munie de piquages 0 d'aspiration A, (210) des fumées de combustion (34), et comprenant, dans le sens travers et en alternance, une succession de cloisons chauffantes creuses Cly (3) et d'alvéoles Al y (4) dans lesquels sont empilés les blocs carbonés à cuire (40), lesdites cloisons Cly (3) d'une chambre donnée C, (2, 21, 22, 23) munies d'ouvreaux (30) destinés à recevoir lesdits piquages de soufflage Sj (230) et/ou lesdits injecteurs L, (221) et/ ou lesdits
15 piquages d'aspiration A, (210) et/ou des moyens de mesure (214, 215, 234) communiquant avec les cloisons creuses Cl,.^ et CL-i, des chambres précédente C,-ι et suivante C,^ de manière à assurer la circulation d'amont vers l'aval d'un flux gazeux comprenant l'air atmosphérique (33) et les fumées de combustion (34), caractérisé en ce que le débit massique DG, de chacun des flux de fumées de combustion G, (34)
20 traversant lesdits piquages d'aspiration A, (210) en queue des chambres de préchauffage (23), est régulé en mesurant le débit massique DGj et la température T, de chacun des flux de fumées de combustion G,, en calculant les flux d'énergie Ej correspondants, de façon à maintenir, pour chacun des flux de fumées de combustion Gj, ledit flux d'énergie Ej à une valeur de consigne Eθj prédéterminée
T
2 Procédé selon la revendication 1 dans lequel les flux d'énergie Ej sont calculés par le produit R égal à DG, (Tj-Ta) Cg, Tj et Ta étant respectivement la température des fumées de combustion G, et celle de l'air ambiant, et C2 étant la chaleur spécifique massique des fumées de combustion à la température T,
30 21
3 Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel ladite valeur de consigne Eθj est soit une constante, soit une fonction du temps f(t) prédéterminées
4 Procédé selon une quelconque des revendication 1 à 3 dans lequel le débit de carburant DC, alimentant lesdits brûleurs I, (221) est fixé à un niveau prédéterminé DCθj
5 Procédé selon la revendication 4 dans lequel ledit niveau prédéterminé DCθj dudit débit de carburant DC, est établi à partir d'une valeur de consigne Eθj pour ledit flux d'énergie Ej et une courbe expérimentale de corrélation (63) entre ledit flux d'énergie Ej et ledit débit de carburant DC, alimentant lesdits brûleurs.
6 Procédé selon une quelconque des revendications 4 à 5 dans lequel ledit niveau prédéterminé de débit de carburant est choisi, pour une cloison creuse donnée Cly (3) d'une chambre de cuisson donnée C, (22) d'un four donné, de manière à ce que la température mesurée des fumées de combustion (34) dans ladite cloison creuse Cly (3) ait une valeur prédéterminée, typiquement comprise entre 1000° et 1300°C.
7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel ledit débit d'air DAj desdits piquages de soufflage Sj (230) en tête des chambres de refroidissement (23) est régulé, soit de façon à ce que la pression dans les cloisons creuses Cly desdites chambres de cuisson C, (22) soit inférieure à la pression atmosphérique et comprise dans une plage de pression prédéterminée, la pression statique Pj en queue des chambres de refroidissement (23) étant sensiblement égale à la pression atmosphérique, soit de façon à ce que la vitesse du flux d'air (34), ou celle du ventilateur utilisé pour mettre en mouvement ce flux d'air, à l'entrée desdites chambres de cuisson soit constante, et a une valeur prédéterminée
8 Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel le débit d'air DAj est, de préférence, fixé à une valeur prédéterminée de manière à ce que la pression statique en tête des chambres de cuisson (22) soit inférieure à la pression atmosphérique 22
9 Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel ladite valeur de consigne Eoj5 des flux d'énergie des fumées de combustion G, est choisie, typiquement expérimentalement, à une valeur la plus basse possible qui soit compatible avec les exigences usuelles de qualité des blocs carbonés fabriqués et de fonctionnement du four
10 Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel les valeurs de consigne, notamment Eoj et la valeur correspondante de DCθj, sont définies pour chacune des cloisons Cly du four, non seulement dans le sens travers du four, avec repérage par l'indice j, mais aussi sur toute la longueur du four, avec repérage par l'indice i, de manière à avoir une cartographie des valeurs de consigne, e g Eo,j, qui tienne compte des effets de bord à la fois sur les côtés dudit four et à ses extrémités lors du déplacement du feu
11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans lequel DCoj est corrigée, en cours de cuisson, à l'aide de mesures de la teneur en monoxyde de carbone des fumées à la sortie du four
12 -Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 11 dans lequel on utilise des moyens informatiques (5) pour stocker des valeurs de consigne ou plages desdites valeurs de consigne de différents paramètres pour chaque cloison sur l'ensemble du four, notamment Eoy, pour comparer ces valeurs aux valeurs mesurées de ces paramètres, après calcul éventuellement, ainsi que des actionneurs, commandés par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement lesdits paramètres de régulation, notamment en modifiant les débits d'air DAυ, de façon à ce que les valeurs de mesure soient égales aux valeurs de consigne ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne
13 Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel la température Tj est effectuée dans les piquages d'aspirations A, (210)
14 Dispositif de régulation de four pour mettre en oeuvre le procédé de régulation selon une quelconque des revendications 1 à 13 comprenant 23
- des moyens de mesure des débits DGj des flux de fumées de combustion G,,
- des moyens informatiques (5,50) pour stocker des valeurs de consigne ou plages de valeurs de consigne des flux d'énergie EoJ; pour comparer ces valeurs, après calcul de la valeur de R en fonction notamment du débit DG, et de la température T, des fumées de combustion, avec les valeurs de flux d'énergie mesurées Ej
- et des actionneurs (213), commandés par lesdits moyens informatiques, pour corriger éventuellement la valeur du flux d'énergie mesurée Ej en modifiant le débit DG, du flux de fumées de combustion Gj, de façon à ce que les valeurs de mesure Ej soient égales aux valeurs de consigne Eθj ou rentrent dans les plages de valeurs de consigne
15 Dispositif selon la revendication 14 comprenant en outre le stockage de la fonction de corrélation (63) entre les valeur de consigne des flux d'énergie Eo ou Eθj et les valeurs de consigne correspondantes des débits de carburant DCo ou DCθj et assurant la régulation correspondante desdits débits à partir de toute variation de Eo ou Eθj.
16. Dispositif de régulation selon une quelconque des revendications 14 à 15 dans lequel ledit moyen pour mesurer les débits DG, du flux de fumées de combustion G, comprend un tube de Venturi (214) placé dans chacun des piquages d'aspiration A, (210), de manière à ne capter qu'une fraction déterminée du flux gazeux G,
17. Dispositif de régulation selon une quelconque des revendications 14 à 16 dans lequel les débits d'air DA, soufflés ou les débits DGj du flux de fumées de combustion (35) aspirés sont fixés ou modulés par réglage de volets d'obturation, notés respectivement VA, (212) et VG, (232) et placés respectivement sur chacune des piquages de soufflage Sj (230) reliées à une rampe de soufflage d'air (231) et sur chacun des piquages d'aspiration A, (210) reliées à une rampe d'aspiration (21 1)
18 Dispositif de régulation selon une quelconque des revendications 14 à 17 dans lequel le capteur de température des gaz (215) mesure la température Tj des gaz circulant dans les piquages d'aspirations Aj (210)
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