Commande de la combustion de brûleurs modulants pour fours de traitement thermique

Les brûleurs de combustible fossile sont souvent utilisés comme moyen principal pour apporter l'énergie aux fours et aux hauts-fourneaux.

L'importance grandissante de la réduction des coûts à poussé les fabricants à s'intéresser à de nouvelles techniques de conception de brûleur et, au fil des années, des progrès significatifs ont été réalisés en terme de rendement. Les systèmes de gestion et de commande des brûleurs doivent également être adaptatifs.

Eurotherm fournit des techniques de commande éprouvées et efficaces capables de réduire les coûts d'exploitation tout en procurant des ressources permettant une plus grande souplesse dans la commande et la gestion des installations. La combustion au moyen de brûleurs utilise généralement une méthode ou une combinaison de plusieurs méthodes parmi les suivantes :

• Régulation de l'excès d'air

• Réduction de l'oxygène

• Modulation des brûleurs

• Limite croisée air/combustible

• Régulation de chaleur totale

 Régulation de l'excès d'air

Dans la pratique, les systèmes à gaz, mazout, charbon et autres ne mélangent pas le combustible et l'air de façon parfaite, même dans les meilleures conditions possibles. De plus, un mélange complet peut demander beaucoup de temps. La Figure 1 montre que pour obtenir une combustion complète et réduire la perte de chaleur, l'excès d'air doit être maintenu dans des limites appropriées. 

Figure 1 Rendement de chaudière

La régulation de l'excès d'air permet d'obtenir :

• un meilleur taux de transfert de la chaleur du four

• un "préavis d'alerte" de problèmes de gaz de cheminée (excès d'air à la sortie de la zone de rendement maximum)

• des économies importantes de combustible

Réduction de l'oxygène

Lorsqu'une mesure d'oxygène dans les gaz combustibles est disponible, il est possible d'améliorer considérablement le mécanisme de commande de la combustion (car le pourcentage d'oxygène dans la cheminée est étroitement lié à la quantité d'air en excès) en ajoutant un module de commande de correction d'oxygène, permettant

• un contrôle plus serré de l'excès d'air au point de consigne d'oxygène pour un meilleur rendement

• un retour plus rapide au point de consigne suite à des perturbations

• un contrôle plus serré des émissions de cheminée

• la conformité aux normes d'émissions

• l'incorporation aisée d'un dispositif de sécurité en cas de présence de monoxyde de carbone ou d'opacité

Modulation des brûleurs

Le contrôle de la modulation est une amélioration essentielle pour réguler la combustion. Un signal de demande continue est généré par un régulateur qui surveille l'atmosphère du four.

Des réductions de la température entraînent une hausse du taux d'allumage. La modulation des brûleurs dans la régulation de la combustion présente plusieurs avantages, notamment :

• les besoins en combustible et en air sont continuellement adaptés à la demande de combustion

• la température du four est maintenue dans des tolérances plus étroites

• meilleur rendement du four

• la température moyenne pondérée des gaz de cheminée est inférieure

Limite croisée air/combustible

Une stratégie de commande de combustion à limite croisée empêche les rapports air/combustible dangereux dans les procédés de combustion. Cette stratégie est mise en œuvre en augmentant systématiquement le débit d'air avant d'autoriser la hausse du débit de combustible, comme illustré dans la Figure 2, ou en diminuant le débit de combustible avant d'autoriser la baisse du débit d'air. 

Figure 2 Mécanisme de combustion à limite croisée

La Figure 3 est un schéma de principe simplifié du circuit de combustion à limite croisée. Un allumage combiné et simultané de plusieurs combustibles est également facilement réalisable.

La commande de la combustion à limite croisée est extrêmement efficace et peut offrir : 

• une optimisation de la consommation de combustible

• des conditions d'exploitation plus sûres en réduisant le risque d'explosion

• une adaptation rapide aux variations des alimentations en combustible et en air

• la satisfaction de la demande en vapeur de l'installation 

Figure 3 Commande de combustion à limite croisée avec correction de 06

Limité croisée améliorée

Une commande de combustion à limite croisée double est une version améliorée de ce qui précède. Elle est obtenue en appliquant des limites dynamiques supplémentaires aux points de consigne de l'air et du combustible. Ceci se traduit par le maintien du rapport air/combustible dans une bande prédéfinie pendant et après la transition. Cette méthode évite que le signal de demande ne rende le rapport air/combustible trop pauvre, réduisant ainsi la perte de chaleur.

Contrôle en boucle fermée

La plupart des procédés de traitement thermique nécessitent un contrôle précis de la température du matériau. Avec les progrès des brûleurs à réponse rapide et des systèmes de commande de brûleur, il est facile de mettre en œuvre un contrôle en cascade très réactif pour le four.

Dans ce mode, le brûleur est maintenu sous contrôle strict de la température avec un capteur très étroitement couplé à l'énergie produite. La boucle esclave étroitement couplée répond aux demandes de la boucle "maître" où le capteur est installé dans la pièce de fabrication. De cette façon, le four peut être entièrement optimisé pour les besoins dynamiques des brûleurs et les exigences de la pièce de fabrication, ce qui permet d'obtenir un rendement maximal et un traitement thermique garanti.