Dans le cadre d'un projet conjoint du Gas Heat Institute (GWI), de l'Institute for Brick Research (IZF), de la société Lingl et du briquetier Bellenberg (ZWB) financé par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie dans le cadre du 7e programme de recherche énergétique, un brûleur pour fours tunnel a été développé qui utilise directement l'air chaud de la zone de refroidissement comme air de combustion sans nécessiter de mesures externes complexes.
1 Situation de départ et contexte
Dans l'industrie des briques et tuiles en terre cuite, les fours tunnels modernes atteignent le contrôle de processus nécessaire pour gérer des capacités élevées et obtenir des qualités de produit constantes, notamment du fait que presque sur toute la zone de préchauffage ainsi que la zone de ne générer la chaleur de processus que là où elle est nécessaire, mais en même temps générer un flux impulsionnel de grande portée. En conséquence, outre la température de gaz de combustion requise, une homogénéisation adéquate des températures et des compositions de gaz est obtenue sur la section transversale du four. La condition préalable pour cela est que l'atmosphère du four dans la zone de préchauffage et de trempage soit générée en grande partie par les produits de combustion de brûleurs à fonctionnement généralement superstoechiométrique, c'est-à-dire qu'ils fonctionnent avec un excès d'air. L'utilisation de l'air chaud provenant de la zone de refroidissement est donc actuellement limitée au séchage de produits verts car la zone de préchauffage et de palier du four tunnel ne peut utiliser cet air de refroidissement à haute valeur énergétique que dans une mesure limitée pour ce qui précède. raisons mentionnées.
Dans les fours tunnels utilisés aujourd'hui dans l'industrie de la brique et des tuiles, en termes de génie des procédés, il existe un couplage de deux sous-processus qui se déroulent l'un après l'autre, comme le montre »1. La première partie consiste en le processus de préchauffage jusqu'à la température de palier, à laquelle l'égalisation de la température a lieu dans l'empilage du produit ou dans le cas d'une cuisson à un étage dans les briques vertes. De plus, pour des raisons liées à l'ingénierie céramique, un temps de séjour à cette température maximale peut être nécessaire dans certaines circonstances. Suite à cela, dans le deuxième sous-processus, les briques sont refroidies jusqu'à la température de sortie dans un refroidisseur à contre-courant à un ou plusieurs étages. L'air de refroidissement chauffé ici est retiré du processus du four et utilisé ailleurs pour le séchage des produits de brique verte [1]. De cette manière, le four tunnel actuel diffère des concepts de four tunnel antérieurs en ce que dans le four tunnel, il n'y a pas de zone de cuisson explicite avec préchauffage à contre-courant précédent des briques vertes, mais il y a - plus ou moins - un chauffage du combustible dans l'ensemble. zone de préchauffage et d'égalisation, qui peut être supportée par des systèmes de circulation atmosphérique.
Avec cette procédure, il est nécessaire de synchroniser au maximum le fonctionnement du four et du séchoir de sorte que l'optimisation énergétique des processus individuels devient presque impossible. Un autre aspect qui rend le couplage énergétique entre le sécheur et le four plus difficile est la situation dans laquelle le four fonctionne en continu pendant sept jours, 24 heures sur 24, le séchoir par contre uniquement pendant le temps de production de la semaine, de sorte que dans certaines circonstances, aucun l'utilisation de l'énergie du réseau du four peut être garantie. La situation est très extrême dans les usines de tuiles car ici les produits sont cuits individuellement dans des supports H. Cela signifie que dans le four, seulement environ 45% du produit est traité thermiquement tandis que les gazettes doivent également être chauffées ou refroidies. Pour cette raison, dans ces usines, plus de deux fois plus d'énergie du four est disponible que ce qui est nécessaire pour sécher les produits. Pour la fabrication de ces produits, il est d'autant plus important de conserver autant d'air de refroidissement que possible dans le four. Pour l'optimisation énergétique du procédé de production de produits de briqueterie, il est donc nécessaire de rompre le plus possible le couplage énergétique jusqu'ici étroit entre la zone de refroidissement du four tunnel et le séchoir. Pour cela, selon l'état de la technique, il est notamment logique d'utiliser l'air de refroidissement chauffé lors du refroidissement du produit dans les brûleurs du four tunnel comme air de combustion préchauffé. Ceci est fait dans le but exclusif de remplacer le combustible par l'utilisation d'air de combustion préchauffé, c'est-à-dire dans le but de maintenir les gaz de combustion formés dans le brûleur à une quantité et qualité largement constantes et sans changement notable de la température de combustion théorique.
Pour la cuisson des briques, il n'est pas intéressant de réaliser des températures de combustion plus élevées avec de l'air préchauffé, il s'agit exclusivement de réduire la demande d'énergie dans des conditions par ailleurs constantes même si un facteur d'air accru doit être accepté. »2 montre l'influence de la température de l'air de combustion sur l'économie d'énergie résultant d'un calcul de combustion. En cela, le pourcentage d'économie d'énergie possible peut être considéré comme une fonction de la température de préchauffage de l'air pour différentes températures d'échappement. Pour le diagramme, le rapport d'air et la température des gaz d'échappement peuvent être considérés comme constants. L'économie d'énergie résulte de l'augmentation de l'énergie thermique de l'air fourni. Dans la zone de refroidissement, cette énergie thermique est transférée suite au refroidissement des briques à l'air de refroidissement et utilisée comme air préchauffé.
En tant qu'obstacles à l'utilisation de la technologie de l'air de combustion préchauffé, les arguments suivants sont avancés:
- Émissions de NOx plus élevées en raison de la flamme plus chaude
- Espace requis et dépenses pour l'isolation des pipelines
- Augmentation de la perte de charge et éventuellement un ventilateur plus grand nécessaire
- Le ventilateur, les brûleurs, la surveillance de la flamme et les vannes doivent résister à des températures plus élevées.
2 Nouveau concept de brûleur
Le nouveau concept de brûleur développé dans le cadre de ce projet est basé sur un fonctionnement synchronisé. Le combustible n'est pas oxydé avec une alimentation en air dédiée mais au moyen de l'extraction du comburant déjà présent dans la chambre de cuisson sous forme d'air chaud de la zone de refroidissement vers la zone de réaction. L'impulsion de gaz élevée nécessaire pour cela est générée par une buse de gaz à grande vitesse qui alimente le gaz de combustion par cycles dans la zone d'atmosphère chaude du four. La buse à gaz est complétée par un tuyau de mélange. »3 montre le prototype du brûleur. L'objectif du principe de fonctionnement est l'oxydation en deux étapes du carburant. La première étape a lieu entre la buse de gaz et le tuyau de mélange, la deuxième étape à la sortie du tuyau de mélange. Avec l'impulsion de gaz élevée, une oxydation partielle du carburant doit être obtenue dans la première étape. Avec le mélange du comburant (air) et du carburant dans la conduite de mélange, le débit massique augmente considérablement par rapport au débit pur du carburant. A la sortie de la conduite de mélange, le mélange gaz / air doit, en raison de la forte impulsion, extraire l'air de combustion nécessaire par aspiration et être complètement oxydé. Le développement d'un nouveau brûleur à injecteur de gaz pur (conception et calcul du débit) a été réalisé sur la base de simulations CFD (CFD: Computational Fluid Dynamics). Des simulations d'écoulement et de combustion ont été utilisées dans la conception et le développement du brûleur, car des études de paramètres et une optimisation liée à l'écoulement de divers modèles géométriques ont pu être effectuées avant même la fabrication réelle du composant. L'objectif des simulations était de comparer les processus de combustion des modèles de brûleurs individuels dans un domaine de simulation basé sur un four à briques en ce qui concerne son atmosphère, sa température et ses vitesses d'écoulement.
La première visualisation numérique du principe du brûleur est réalisée au moyen d'une simple combinaison d'une lance à gaz avec une buse d'injection à la sortie ainsi qu'un tube de mélange autoportant. Le domaine de la simulation est caractérisé dans la première étape en ce qu'un brûleur individuel est alimenté en air préchauffé à travers un espace et se déclenche dans une chambre de cuisson rectangulaire. »4 montre les lignes d'écoulement de l'air dans l'opération d'allumage en fonction de la fraction volumique d'oxygène et montre les performances d'aspiration du gaz de combustion par rapport à l'air chaud. Les simulations montrent que dans le processus de cuisson cyclique avec la configuration existante avec un effet d'injection à deux étages du brûleur, suffisamment d'air peut être aspiré pour une flamme entièrement formée. D'après le schéma des lignes d'écoulement, on peut également comprendre que dans la zone de la buse d'injection en raison de la vitesse d'écoulement élevée du gaz de combustion, une partie de l'air est aspirée dans et à la sortie du tuyau de mélange en raison de la forte impulsion du mélange carburant / air, une autre partie de l'air entre dans la fente de tir. La chambre de cuisson était basée géométriquement sur un segment entre deux piles de briques dans lesquelles le brûleur allume du toit du four vers le bas et est oxydé par un flux de gaz d'échappement d'air du côté, cf. »5. Le gaz de combustion est régulé par pression et est projeté avec la température ambiante dans la chambre de cuisson. Comme pression d'entrée, les niveaux de pression 0,9 bar (standard industriel) et 1,4 bar (pression de ligne chez Bellenberg Brickworks) ont été prévus. Le gaz naturel H est utilisé comme gaz de combustion. Comme comburant, on utilise un mélange gaz d'échappement-air (composition des gaz dans la zone de cuisson), comme cela a été typiquement mesuré dans l'atmosphère du four dans le cadre d'une campagne de mesure dans l'usine, cf. Tableau 1. Celui-ci est envoyé dans la chambre de cuisson à une température de 850 ° C et à une vitesse de 5 m / s. La température du comburant est également basée sur les valeurs mesurées. La vitesse d'entrée de l'oxydant est une valeur empirique des partenaires de recherche.
