Dans un four de fusion, les matières premières sont transformées en matière fondue grâce à un apport d'énergie thermique qui est généralement pour au moins une partie fournie par combustion.

La partie majeure de l'énergie thermique générée par les flammes est transférée à la charge (matières premières solides et matière fondue). Toutefois, de l'énergie résiduelle est évacuée du four avec les fumées de combustion.

Dans le cas d'un four de fusion en aéro-combustion, ou combustion à l'air, il est ainsi connu d'utiliser des échangeurs à contre-courant alterné composés de céramiques (régénérateurs) ou des échangeurs en acier (récupérateurs) pour préchauffer l'air de combustion en amont du four, de manière à augmenter non seulement le rendement de la combustion dans le four mais aussi celui de l'installation dans sa totalité dans la mesure où une partie de l'énergie thermique contenue dans les fumées évacuées est récupérée et utilisée comme énergie de préchauffage pour l'air de combustion.

Dans un four à verre à récupérateurs, l'air de combustion est préchauffé à 700°C tandis que les régénérateurs permettent d'atteindre des températures d'air de combustion de 1200°C voire 1250°C en début de vie de l'installation.

Les opérateurs des fours de fusion, et notamment les verriers, adoptent de plus en plus de l'oxy-combustion, technologie à la fois plus efficace (car éliminant le ballast thermique de l'azote), et moins polluante (réduction des NOx et du C0 ₂ , ce même azote étant à l'origine des NOx formés).

Cependant, les systèmes de récupération d'énergie des fumées développés pour l'aéro-combustion (régénérateurs et récupérateurs) ne sont généralement pas adaptés pour la récupération d'énergie thermique des fumées générées par l'oxy-combustion.

EP-A-1338848 décrit un système de récupération d'énergie des fumées d'un four à verre, et en particulier d'un four à verre en oxy-combustion. Ledit système comprend au moins un échangeur de chaleur pour le préchauffage d'un gaz riche en oxygène et/ou d'un combustible gazeux par échange thermique avec les fumées évacuées du four, une chaudière située en aval du au moins un échangeur de chaleur et apte à générer de la vapeur surchauffée par échange thermique avec les fumées et une turbine à vapeur pour l'expansion de la vapeur surchauffée avec production d'énergie mécanique. Selon EP-A-1338848, l'énergie mécanique générée par la turbine peut être utilisée pour fournir au moins une partie des besoins énergétiques d'une installation de séparation des gaz de l'air qui fournit de l'oxygène de combustion pour le four à verre.

Pour la production de vapeur surchauffée dans la chaudière avec une efficacité industriellement acceptable, les fumées à l'entrée de la chaudière, et donc aussi à la sortie de l'échangeur de chaleur, doivent présenter une température d'au moins 1000°C, voire de 1200°C à 1500°C.

Malgré les bonnes résistances à de telles températures des matériaux identifiés dans EP-A-1338848, les verriers préfèrent utiliser des systèmes de récupération d'énergie à plus basse température estimés plus durables.

Un tel système alternatif particulièrement fiable pour la récupération d'énergie des fumées d'un four à verre à oxy-combustion est décrit dans EP-A-0872690.

Selon EP-A-0872690, les fumées issues du four à oxy-combustion sont utilisées pour le préchauffage indirect de l'oxygène et/ou du combustible en amont du four. Dans un premier échangeur de chaleur, les fumées issues du four chauffent un fluide intermédiaire, tel que par exemple de l'air, par échange thermique entre les deux fluides. Le fluide intermédiaire chauffé issu du premier échangeur est utilisé dans un deuxième échangeur thermique pour chauffer de l'oxygène de combustion et/ou le combustible.

Le système de récupération d'énergie des fumées selon EP-A-0872690 ne permet toutefois pas une récupération supplémentaire d'énergie des fumées sous forme de vapeur surchauffée, comme c'est le cas dans EP-A-1338848, du fait qu'en pratique les fumées à la sortie du premier échangeur présentent une température nettement inférieure à 1000°C.

La présente invention a pour objectif d'accroître l'efficacité de récupération de chaleur sur les fumées d'un four de fusion utilisant un combustible gazeux et/ou de l'oxygène comme comburant et dans lequel de l'oxygène de combustion et/ou du combustible gazeux sont préchauffés par échange de chaleur indirecte avec les fumées évacuées du four.

La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de fusion dans un four comportant une chambre de fusion. Selon ce procédé, on préchauffe de l'oxygène de combustion et/ou du combustible gazeux dans un échangeur de chaleur dit échangeur primaire en amont de la chambre de fusion par échange thermique avec un gaz caloporteur.

On utilise l'oxygène de combustion et/ou le combustible gazeux préchauffé pour chauffer la chambre de fusion au moyen de combustion, générant ainsi de l'énergie thermique et des fumées dans la chambre de fusion. On évacue les fumées de la chambre de fusion et on les introduit dans un échangeur de chaleur, dit échangeur secondaire, pour chauffer de l'air comprimé par échange thermique avec les fumées évacuées de la chambre de fusion.

Suivant l'invention, on utilise l'air comprimé chauffé issu de l'échangeur secondaire en tant que comburant dans une turbine à gaz. Cette turbine à gaz génère ainsi de l'énergie mécanique et/ou électrique et un effluent gazeux. Ledit effluent gazeux de la turbine à gaz est utilisé comme gaz caloporteur pour le préchauffage de l'oxygène de combustion et/ou du combustible gazeux dans l'échangeur primaire.

On préchauffe avantageusement au moins de l'oxygène de combustion et, de préférence, également du combustible gazeux, dans l'échangeur primaire. En effet, du fait que, suivant l'invention, on chauffe le réactif de combustion par échange de chaleur indirecte avec les fumées, c'est-à-dire à travers un fluide caloporteur, la présente invention est particulièrement apte et fiable pour le préchauffage d'oxygène.

On observe, suivant l'invention, une synergie significative entre, d'une part, le système de récupération d'énergie thermique des fumées issues de la chambre de fusion et, d'autre part, la turbine à gaz, En effet, on constate un rendement énergétique nettement au- dessus du rendement énergétique à prévoir pour une simple combinaison d'une turbine à gaz avec du préchauffage d'oxygène de combustion et/ou de combustible gazeux au moyen des fumées.

II est à noter que la combustion n'est pas nécessairement le seul moyen de chauffage de la chambre de fusion, qui peut comporter d'autres moyens de chauffage tels que des électrodes.

L'oxygène de combustion préchauffé peut être le seul comburant utilisé pour la combustion dans la chambre de fusion ou en combinaison avec un autre comburant, typiquement de l'air.

Le four peut ainsi être un four d'oxycombustion (dont l'oxygène est le seul comburant), un four à combustion enrichi (avec comme comburant de l'air enrichi en oxygène), ou encore un four à oxydant mixte (utilisant une combinaison d'une part, de combustion avec de l'oxygène et d'autre part, de combustion avec de l'air, éventuellement enrichi en oxygène).

Dans le présent contexte, le terme « oxygène » se réfère à un gaz ayant une teneur en 0 ₂ d'au moins 75% vol, de préférence entre 80% vol et 100% vol, et encore de préférence entre 90%> vol et 100% vol. De manière analogue, le combustible gazeux préchauffé peut être le seul combustible utilisé pour la combustion dans la chambre de fusion ou le combustible gazeux préchauffé peut être utilisé en combinaison avec un autre combustible.

L'énergie mécanique et/ou électrique générée par la turbine à gaz peut au moins en partie être fournie à un ou plusieurs compresseurs d'air. Le ou les compresseurs d'air sont notamment choisis parmi : un compresseur d'air qui alimente l'échangeur de chaleur secondaire, un compresseur d'air qui alimente une unité de séparation des gaz de l'air et un autre compresseur d'air. En effet, non seulement l'installation de fusion est équipée d'un compresseur d'air, souvent appelé soufflante, pour la fourniture d'air comprimé à l'échangeur secondaire, mais en plus l'installation peut également comprendre une unité de séparation des gaz de l'air et/ou d'autres unités consommatrices d'air comprimé. L'installation peut notamment comprendre une unité de séparation des gaz de l'air qui fournit l'oxygène de combustion, des installations de refroidissement à air comprimé, etc.

Suivant une forme de réalisation du procédé suivant l'invention, la turbine à gaz fournit entre 75% et 100%, de préférence 100% de la consommation énergétique du compresseur d'air qui alimente l'échangeur de chaleur secondaire en air comprimé.

De préférence, la turbine à gaz fournit entre 25% et 100%, de préférence entre 50% et 100%), et en particulier 100% de la consommation énergétique du compresseur d'air qui alimente l'unité de séparation des gaz de l'air. Cette unité de séparation des gaz de l'air génère de préférence de l'oxygène de combustion pour le procédé de fusion. L'unité de séparation des gaz de l'air peut notamment comporter une colonne à distillation cryogénique des gaz de l'air, mais d'autres types d'unités de séparation des gaz de l'air sont également envisageables. L'unité de séparation des gaz de l'air peut notamment être un système basé sur la technique dite VSA (Vacuum Swing Absorption).

II est utile de prévoir un réservoir d'oxygène liquide comme source d'oxygène de combustion lors d'un arrêt ou d'une réduction de la production d'oxygène de combustion par l'unité de séparation des gaz de l'air. Quand l'unité de séparation est alimentée en énergie par la turbine à gaz, un tel arrêt ou une telle réduction de l'unité de séparation peut notamment se produire lors d'une mise hors opération pour maintenance de la turbine à gaz. Un tel réservoir d'oxygène présente un volume de stockage permettant l'alimentation en oxygène de combustion à une capacité de la chambre de fusion pendant 6 à 8 heures lors d'un arrêt de l'unité de séparation des gaz de l'air. Il est également utile de prévoir une source auxiliaire d'énergie, telle qu'un groupe électrogène, pour fournir de l'énergie mécanique et/ou de l'énergie électrique à utiliser lors d'un arrêt de la turbine à gaz. Les paramètres du procédé suivant l'invention dépendent de la matière à fondre, telle que du verre, du métal, de l'émail, etc., de la taille et du type de la chambre de fusion, du débit de matière fondue, etc.

Les paramètres d'opération suivants ont été identifiés comme avantageux, seuls ou en combinaison, notamment, mais pas uniquement, quand le procédé est un procédé de fusion de verre :

• la température des fumées à l'entrée de l'échangeur secondaire est de 1000°C à 2000°C,

• l'air comprimé est à une pression de 10 à 20 atm à l'entrée de l'échangeur secondaire,

• la température de l'air comprimé chauffé à la sortie de l'échangeur secondaire est de 600°C à 800°C,

• la température de l'effluent gazeux à la sortie de la turbine à gaz est de 600°C à 800°C.

De manière utile, on utilise, comme carburant pour la turbine à gaz, une partie du combustible gazeux préchauffé issu de l'échangeur primaire.

La présente invention concerne également une installation de fusion adaptée pour la mise en œuvre de l'une quelconque des formes de réalisation du procédé suivant l'invention.

Ainsi, l'invention concerne une installation de fusion qui comporte un four définissant une chambre de fusion chauffée par combustion. La chambre de fusion comporte également au moins une sortie de fumées pour l'évacuation des fumées générées par cette combustion.

L'installation comporte également un échangeur de chaleur primaire pour le préchauffage, par échange thermique avec un fluide caloporteur, d'oxygène de combustion et/ou de combustible gazeux en amont de la chambre de fusion. Ledit échangeur primaire présente (a) une entrée de fluide caloporteur (chaud) et une sortie de fluide caloporteur (tempéré) et (b) une entrée d'oxygène de combustion (pour l'oxygène de combustion à préchauffer) et une sortie d'oxygène de combustion (pour l'oxygène de combustion préchauffé) et/ou une entrée de combustible gazeux (pour du combustible gazeux à préchauffer) et une sortie de combustible gazeux (pour le combustible gazeux préchauffé).

L'échangeur primaire présente de manière utile une entrée et une sortie d'oxygène de combustion et de préférence également une entrée et une sortie de combustible gazeux. ,

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L'installation de fusion comporte aussi un échangeur de chaleur secondaire pour le chauffage d'air comprimé par échange thermique avec les fumées issues de la chambre de fusion. Ledit échangeur secondaire présente (a) une entrée d'air comprimé (pour l'air comprimé à chauffer) et une sortie d'air comprimé (pour l'air comprimé chauffé) et (b) une entrée de fumées (chaudes) et une sortie de fumées (tempérées).

L'installation de fusion est équipée d'un premier compresseur d'air relié à l'entrée d'air comprimé de l'échangeur secondaire de manière à permettre la fourniture par le premier compresseur d'air comprimé à l'échangeur secondaire.

En règle générale, dans le présent contexte, le terme « relié » est utilisé au sens de « fiuidiquement relié », par exemple au moyen d'une canalisation.

L'entrée de fumées de l'échangeur primaire est reliée à au moins une sortie de fumées de la chambre de fusion. La sortie d'oxygène de combustion de l'échangeur primaire est reliée à au moins un injecteur de comburant de la chambre de fusion et/ou la sortie de combustible gazeux de l'échangeur primaire est reliée à au moins un injecteur de combustible de la chambre de fusion.

Suivant l'invention, l'installation comporte également une turbine à gaz avec une tuyère d'admission d'air et un échappement. La sortie d'air comprimé de l'échangeur secondaire est reliée à la tuyère d'admission d'air de la turbine à gaz. L'échappement de la turbine à gaz est relié à l'entrée de fluide caloporteur de l'échangeur primaire de manière à permettre la fourniture du gaz d'échappement de la turbine à gaz comme fluide caloporteur à l'échangeur primaire.

Suivant une forme de réalisation préférée de l'installation, la turbine à gaz fournit de l'énergie mécanique et/ou électrique à au moins un compresseur d'air. La turbine à gaz peut notamment fournir de l'énergie mécanique et/ou électrique à au moins un compresseur d'air choisi parmi : le premier compresseur d'air, un compresseur d'air qui alimente une unité de séparation des gaz de l'air et un autre compresseur d'air, tel qu'un compresseur d'air, dit « second compresseur » qui fournit de l'air comprimé à au moins une autre unité de l'installation consommatrice d'air comprimé.

Quand la turbine à gaz fournit de l'énergie mécanique à au moins un compresseur d'air, ceci est avantageusement réalisé au moyen d'un arbre de transmission reliant la turbine à gaz audit compresseur d'air.

Quand l'installation suivant l'invention comporte une unité de séparation des gaz de l'air, celle-ci présente de préférence une sortie d'oxygène reliée à la chambre de fusion pour la fourniture d'oxygène de combustion à ladite chambre par l'unité de séparation des gaz. Pour cette fourniture d'oxygène de combustion, la sortie d'oxygène de l'unité de séparation des gaz de l'air est, de préférence, reliée à l'entrée d'oxygène de combustion de l'échangeur primaire. La sortie d'oxygène de l'unité de séparation des gaz de l'air est alors reliée à la chambre de fusion par le biais de l'échangeur primaire dont la sortie d'oxygène de combustion est reliée à ladite chambre de fusion.

Ainsi, cette sortie d'oxygène de l'unité de séparation peut être reliée à un ou plusieurs injecteurs de comburant dont est équipée la chambre de fusion directement ou, de préférence, à travers l'échangeur primaire.

Comme indiqué ci-dessus, l'unité de séparation des gaz de l'air comporte de préférence une colonne à distillation cryogénique des gaz de l'air, mais peut également être une installation de type VSA.

L'installation comporte avantageusement également un réservoir d'oxygène comme source d'oxygène de combustion lors d'un arrêt ou d'une productivité réduite de l'unité de séparation des gaz de l'air. L'installation peut également, de manière utile, comporter une source auxiliaire d'énergie mécanique et/ou d'énergie électrique, tel qu'un groupe électrogène, pour la fourniture d'énergie mécanique et/ou électrique lors d'un arrêt de la turbine à gaz.

Comme indiqué précédemment, la combustion peut être le seul moyen de chauffage de la chambre de fusion ou peut être combinée avec d'autres systèmes de chauffage tels que des électrodes.

L'oxygène de combustion (chaud) peut être le seul comburant ou peut être combiné avec d'autres comburants, tels qu'en particulier de l'air. Le combustible gazeux peut être le seul combustible ou peut être combiné avec d'autres combustibles.

Un injecteur de comburant relié à la sortie d'oxygène de combustion de l'échangeur primaire peut faire partie d'un brûleur de la chambre de fusion. Un tel injecteur d'oxygène peut également faire partie d'une lance de comburant de la chambre de fusion et en particulier d'une lance d'oxygène.

De manière analogue, un injecteur de combustible gazeux relié à la sortie de combustible gazeux de l'échangeur primaire peut faire partie d'un brûleur de la chambre de fusion ou peut être intégré dans une lance de combustible de ladite chambre.

Suivant une forme de réalisation préférée, le four de fusion est un four à verre, et en particulier un four à verre de type four float (c'est-à-dire comportant un bain de flottage, également appelé bain de métal), mais l'invention est également utile pour d'autres fours à o

fusion, y compris des fours de fusion de métaux tels que par exemple, les métaux non- ferreux.

L'utilisation d'une installation de fusion suivant l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus dans un procédé suivant l'invention est également couverte.

La présente invention et ses avantages sont décrits plus en détail ci-après en se référant aux figures 1 et 2.

Les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques de deux exemples d'une installation et d'un procédé suivant l'invention.

Le four de fusion 10 est un four à oxy-combustion, chauffé par un nombre d'oxy- brûleurs (non représentés). Lesdits brûleurs sont alimentés en combustible, tel que par exemple le gaz naturel, par le conduit 12 et en oxygène de combustion par le conduit 1 1.

L'oxygène de combustion est généré par une unité de séparation des gaz de l'air 50 qui sépare de l'air comprimé 51 en un flux d'oxygène 52, ayant une teneur en 0 ₂ d'au moins 90%vol, et un flux (non représenté) consistant principalement de N ₂ .

Les fumées générées par l'oxy-combustion dans le four 10 sont évacuées de la chambre de fusion par la sortie 13, lesdites fumées ayant une température entre 1000°C et 2000°C, par exemple entre 1250°C et 1750°C.

Lesdites fumées sont amenées vers un échangeur thermique, dit « échangeur de chaleur secondaire » 30. Les fumées chaudes entrent dans Γ échangeur secondaire par une entrée de fumées 31 et sortent par la sortie de fumées 32. A l'intérieur de l'échangeur secondaire 30, les fumées chauffent de l'air comprimé par échange thermique, l'air comprimé étant obtenu par compression d'air ambiant 33 à une pression entre 10 et 20 atm, par exemple à environ 15 atm, dans le compresseur 34. Le compresseur 34 peut également fournir de l'air comprimé à l'unité de séparation des gaz de l'air 50. L'unité 50 peut aussi avoir un compresseur d'air (non représenté) spécifiquement dédié à la fourniture d'air à l'unité 50.

L'air comprimé est introduit dans l'échangeur secondaire 30 par une entrée d'air 35. L'air chauffé sort de l'échangeur secondaire 30 par la sortie d'air 36 à une température entre 600°C et 800°C.

Suivant l'invention, l'air chauffé issu de l'échangeur secondaire 30 est utilisé pour générer de l'énergie mécanique et/ou électrique selon le principe de fonctionnement d'une turbine à gaz. Ainsi, l'air chauffé est introduit dans une chambre de fusion 41 par la tuyère d'admission d'air. Dans la chambre de fusion 41, l'air chauffé est utilisé pour brûler du combustible (gazeux) introduit par l'admission de combustible 47. Les gaz de combustion ainsi obtenus ont une température de 1000°C à 1600°C, par exemple entre 1200°C et 1400°C, et sont envoyés vers l'entrée 43 d'une turbine d'expansion 42.

Dans les cas illustrés, l'énergie obtenue par cette expansion des gaz de combustion est transmise :

• d'une part au compresseur d'air 34 sous forme d'énergie mécanique par l'arbre de transmission 45, et

· d'autre part à l'unité de séparation 50 sous forme d'énergie électrique par la connexion 46.

A la sortie ou échappement de la turbine d'expansion 42, les gaz de combustion 44 ont une température de 550°C à 750°C. Ces gaz de combustion 44 sont introduits dans un deuxième échangeur thermique, dit « échangeur primaire » 20 par l'entrée de fluide caloporteur 21 et sortent de Γ échangeur primaire 20 par la sortie de fluide caloporteur 22.

Un seul échangeur primaire 20 est montré dans les figures. Toutefois, ledit échangeur primaire 20 peut se décomposer en une série de plusieurs sous-échangeurs primaires, c'est-à dire une série d'échangeurs fluide caloporteur / oxygène de combustion et/ou d'échangeurs fluide caloporteur / combustible gazeux.

Le flux d'oxygène 52 issu de l'unité de séparation 50 est introduit dans l'échangeur primaire 20 par l'entrée d'oxygène 23 et sort de l'échangeur primaire en tant qu'oxygène préchauffé par la sortie d'oxygène 24. Un flux de gaz naturel 60 est introduit dans l'échangeur primaire 20 par l'entrée de combustible 25 et sort de l'échangeur primaire en tant que gaz naturel préchauffé par la sortie de combustible 26. A l'intérieur de l'échangeur primaire 20, le flux d'oxygène 52 est préchauffé à une température entre 350°C et 650°C, par exemple à 550°C, par échange thermique avec les gaz de combustion et le flux de gaz naturel 60 est préchauffé à une température entre 250°C et 550°C, par exemple à 450°C, également par échange thermique avec les gaz de combustion.

L'oxygène ainsi préchauffé est transporté en tant qu'oxygène de combustion vers le four 10 par le conduit 11 et le gaz naturel ainsi préchauffé est transporté en tant que combustible vers le four 10 par le conduit 12.

La forme de réalisation illustrée dans la figure 2 se distingue de celle de la figure 1 en ce que, dans la figure 2, on utilise une partie du gaz naturel préchauffé en tant que combustible dans la chambre de fusion 41. Exemple

La présente invention et ses avantages sont illustrés dans l'exemple comparatif ci- après.

L'exemple suivant l'invention correspond au schéma de la figure 1.

La référence correspond au même schéma, si ce n'est qu'elle ne comporte pas de chambre de fusion 41 ni de turbine d'expansion 42 telles que décrites ci-dessus, c'est-à- dire qu'elle ne comporte pas de turbine à gaz.

Le four est un four de fusion de verre chauffé par oxy-combustion uniquement avec une consommation d'oxygène de 7000 Nm ³ /h et une production d'environ 620 t/j de verre.

La consommation électrique de l'unité de séparation des gaz de l'air est estimée à

3 MWe.

Dans l'échangeur primaire, l'oxygène est préchauffé à 550°C et le gaz naturel est préchauffé à 450°C.

Dans l'échangeur primaire, l'air comprimé à 15 atm est chauffé à 350°C.

Dans l'exemple suivant l'invention, les gaz de combustion sortent de la chambre de fusion 41 à la température de 1300°C.

Le bilan électrique est défini en prenant en compte deux postes de consommation :

^■ Les étages de compression de l'unité de séparation 50, et;

^■ Les étages de compression de l'air caloporteur;

Comme poste de génération d'énergie est considéré :

^■ La détente des gaz de combustion dans la turbine d'expansion 42 Les bilans matière et énergie calculés montrent que l'invention est capable de générer toute l'énergie nécessaire pour la production du flux d'oxygène par l'unité de séparation, voire même de dégager un excédent d'énergie, moyennant néanmoins une consommation de gaz naturel.

Le tableau résume les résultats des consommations énergétiques.

Tableau 1 : bilans énergétiques et consommations de gaz naturel associées Deux scénarios sont à envisager :

un scénario où le prix de l'électricité est comparable à celui du gaz (€/MWh),

- un scénario où le prix de l'électricité est au moins trois fois celui du gaz (€/MWh)

Les coûts opératoires incluent la consommation d'électricité et de gaz naturel.

Le ratio d'investissement est calculé sur la base d'un amortissement sur 4 ans avec une disponibilité de l'équipement de 8600 heures/an.

Le tableau 2 fournit les données économiques issues de ces bilans matière et énergie, sur la base des prix de gaz naturel et d'électricité suivants : gaz naturel à 40€/MWh et électricité à 70€/MWh.

Tableau 2 : ca cul du coût d'investissement (scénario 1)

Pour le scénario 2 où le gaz naturel est à 40€/MWh et l'électricité à 140€/MWh, les données économiques sont présentées en tableau 3 :

Tableau 3 : ca cul du coût d'investissement (scénario 2)