ITMI20010457A1 - Procedimento ed impianto per il recupero energetico dei gas esausti di combustione di un forno industriale in particolare di un forno di fus - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione è relativa ad un procedimento e ad un impianto per il recupero energetico dai gas esausti di combustione di un forno industriale, in particolare di un forno di fusione del vetro.
La produzione industriale del vetro avviene normalmente per fusione di masse di materie prime solide (compreso, eventualmente, vetro di riciclo) alimentate entro appositi forni: l'energia necessaria al processo di fusione è fornita dalla combustione di combustibili fossili bruciati in presenza di aria comburente: è noto che il processo di fusione, che richiede temperature di esercizio intorno ai 1500÷1600°C, comporta un consumo energetico molto elevato e pesanti emissioni in atmosfera; d'altra parte, i gas esausti della combustione uscenti dai forni hanno temperature relativamente elevate (tipicamente intorno a 1500÷1550°C), per cui non sono mancate le proposte di recuperare almeno parte del calore dei gas esausti, in particolare allo scopo di preriscaldare l'aria comburente.
Sono note due tipologie principali di recupero di calore dai gas esausti, impiegate rispettivamente nei forni cosiddetti "unit melter" e nei forni "a camere di rigenerazione" .
I forni "unit melter" prevedono l'uso di recuperatori metallici in cui parte del calore posseduto dai gas esausti uscenti dal forno è ceduto al flusso di aria comburente in unità di scambio termico metalliche: l'uso di recuperatori metallici tradizionali è però fortemente limitato dall'elevata temperatura e corrosività dei gas esausti e dalla presenza di particolati: di conseguenza, i.1 recupero energetico è relativamente basso: tipicamente, un forno "unit melter" dotato Ldi recuperatori metallici consente di preriscaldare l'aria comburente a 700÷800°C, con un rendimento che non supera il 40%.
Nei forni a camere di rigenerazione, invece, lo scambio termico tra i gas esausti uscenti dal forno e l'aria comburente avviene in camere di rigenerazione a riempimento refrattario, alimentate alternativamente con i gas esausti e con l'aria comburente. Questo sistema risulta relativamente efficiente dal punto di vista del recupero energetico, consentendo di ottenere aria preriscaldata a 1200÷1300°C, con un rendimento di calore di circa il 60%. L'uso di camere di rigenerazione presenta però il grave inconveniente di portare l'aria comburente in contatto con i residui particellari dei gas esausti e, a causa di inevitabili infiltrazioni, provoca un significativo aumento del volume dei gas esausti da trattare.
Inoltre, i forni a camere di rigenerazione non consentono, a differenza dei forni "unit melter", un efficace controllo della combustione: infatti, i forni "unit melter" prevedono un sistema di combustione distribuita lungo le pareti del forno, con conseguente possibilità di controllare l'erogazione differenziata di aria e combustibile lungo l'asse del forno: in questo modo, è anche possibile ottenere una combustione a stadi in grado di ridurre in maniera significativa le emissioni inquinanti di ossidi d'azoto, che, come noto, costituiscono, a causa dell'elevata temperatura di fiamma, uno dei problemi ambientali più seri dei forni da vetro.
È dunque uno scopo della presente invenzione quello di fornire un procedimento ed un impianto per il recupero energetico dai gas esausti di combustione di un forno industriale, in particolare di un forno di fusione del vetro, che siano privi degli inconvenienti sopra ricordati delle tecnologie note, consentendo, in particolare, un significativo recupero energetico in modo relativamente semplice ed economico.
In accordo con tale scopo, la presente invenzione è dunque relativa ad un procedimento per il recupero energetico dai gas esausti dì combustione di un forno industriale, in particolare di un forno di fusione del vetro, il procedimento comprendendo le fasi di prelevare un flusso di gas esausti di combustione da detto forno e preriscaldare un flusso di aria comburente, destinato ad alimentare la combustione in detto forno, tramite scambio termico con detto flusso di gas 'esausti; il procedimento essendo caratterizzato dal fatto che detta fase di preriscaldare detto flusso di aria comburente comprende una prima ed una seconda fase di scambio -termico distinte, condotte in serie e in successione una all'altra rispettivamente in una prima ed una seconda unità di scambio termico tra detto flusso di aria comburente e detto flusso di gas esausti; detto flusso di aria comburente essendo circolato successivamente in detta prima unità e poi in detta seconda unità per essere scaldato a rispettive temperature crescenti, detto flusso di gas esausti essendo circolato successivamente in detta seconda unità e poi in detta prima unità per essere raffreddato a rispettive temperature decrescenti.
Nella prima unità vengono dunque circolati il flusso di aria comburente da preriscaldare e il flusso di gas esausti che è già transitato nella seconda unità ed è stato raffreddato al di sotto di una temperatura prefissata; nella seconda unità vengono circolati il flusso di aria comburente in uscita dalla prima unità e il flusso di gas esausti direttamente prelevato dal forno .
Durante entrambe le fasi di scambio termico, il flusso di aria comburente è mantenuto separato dal flusso di gas esausti; la prima fase di scambio termico è condotta in una unità di scambio termico metallica mentre la seconda fase di scambio termico è condotta in una unità di scambio termico ceramica.
La presente invenzione si estende ad un impianto per il recupero energetico dai gas esausti di combustione di un forno industriale, in particolare di un forno di fusione del vetro, idoneo a realizzare il procedimento precedentemente descritto nelle sue linee generali: l'invenzione è dunque relativa ad un impianto per il recupero energetico dai gas esausti di combustione di un forno industriale, in particolare di un forno di fusione del vetro, l'impianto comprendendo mezzi di prelievo di un flusso di gas esausti di combustione da detto forno e mezzi di scambio termico per preriscaldare un flusso di aria comburente destinato ad alimentare la combustione in detto forno tramite scambio termico con detto flusso di gas esausti; l'impianto essendo caratterizzato dal fatto che detti mezzi di scambio termico comprendono una prima ed una seconda unità di scambio termico distinte, disposte in serie e in successione una all'altra; l'impianto comprendendo inoltre primi mezzi di circolazione per circolare detto flusso di aria comburente successivamente a detta prima unità e a detta seconda unità, e secondi mezzi di circolazione per circolare detto flusso di gas esausti successivamente a detta seconda unità e a detta prima unità.
In sostanza, secondo l'invenzione, il recupero energetico dai gas esausti ad alta temperatura emessi dal forno avviene in due fasi distinte, condotte a temperature diverse in due distinte unità di scambio termico: in una prima unità di scambio termico a media temperatura (metallica), l'aria comburente viene riscaldata (a 700÷800°C) sottraendo calore ad un flusso di gas esausti che è già transitato nella seconda unità di scambio termico ad alta temperatura (ceramica) ed è stato quindi già raffreddato e portato ad una temperatura (indicativamente compresa tra 1100÷1300°C) compatibile con l'uso di scambiatori di calore metallici, oltretutto configurati controcorrente (e quindi con incrementata efficienza di scambio termico e senza problemi di eccessive sollecitazioni termiche derivanti, come noto, proprio dalla configurazione controcorrente: nelle tecnologie attualmente note la soluzione controcorrente non viene utilizzata proprio per l'elevata temperatura dei gas esausti); l'aria comburente in uscita dalla prima unità di scambio termico a media temperatura viene quindi ulteriormente riscaldata (anche fino a circa 1000÷1100°C e oltre) nella seconda unità di scambio termico ad alta temperatura dove sottrae calore dai gas esausti direttamente prelevati dal forno (e aventi temperature intorno a 1400÷1500°C).
Da quanto sopra sommariamente esposto risultano chiari i vantaggi conseguiti dal trovato, che possono essere riassunti nei seguenti punti:
il trovato consente, tramite recupero energetico spinto del calore dei gas esausti, di alimentare la combustione nel forno con aria comburente preriscaldata ad alta temperatura (indicativamente 900÷1000°C e oltre), vale a dire ad una temperatura molto più elevata della temperatura ottenibile nei forni "unit melter" tradizionali; a sua volta, l'elevata temperatura dell'aria comburente alimentata al forno consente di ottimizzare il processo di combustione nel forno stesso e ridurre significativamente la formazione di ossidi d'azoto fortemente inquinanti;
il trovato consente una riduzione del consumo energetico complessivo del processo di fusione, in conseguenza, prima di tutto, del già citato incremento del rendimento termico del recupero energetico dai gas esausti di combustione con conseguente innalzamento della temperatura dell'aria di combustione;
- il trovato si presta all'impiego su forni di fusione tradizionali di tipo "unit melter" a combustione distribuita lungo le pareti del forno: vengono pertanto mantenuti tutti i vantaggi di questa tipologia di forni in termini di controllo di combustione (è possibile erogare in maniera differenziata aria e combustibile lungo l'asse del forno) e, in particolare, di riduzione di emissioni inquinanti (ossidi d'azoto);
- le specifiche soluzioni del trovato consentono di spingere il raffreddamento dei gas esausti al massimo livello possibile, fino a ridurre la temperatura dei gas esausti poco sopra il limite di condensa acida (intorno ai 200°C) e recuperando così dai gas esausti praticamente tutto il calore possibile;
- grazie al fatto che l'aria comburente viene sempre mantenuta separata dai gas esausti, il trovato consente la produzione di una massa di aria calda pulita alle temperature limite dell'unità di scambio termico metallica (700÷750°C): questa aria, se (come in genere accade) eccedente la quantità necessaria ad alimentare la combustione nel forno, può essere spillata ed utilizzata per altre applicazioni; per lo stesso motivo, i condotti di ingresso dell'aria al forno non presentano deposizioni di materiale particolato e non variano nel tempo la loro forma in sezione, conservando così la loro piena funzionalità;
- i gas esausti vengono portati, in uscita dalla unità di scambio termico metallica, ad una temperatura compatibile con i processi di depurazione più pratici e funzionali, per esempio condotti in filtri a maniche (i filtri a maniche permettono di ridurre a livelli molto bassi il contenuto di polveri ma anche, mediante iniezione di additivi basici, il contenuto di inquinanti quali HC1, S02 e, in parte, ossidi d'azoto).
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alla figura annessa che illustra schematicamente, tramite uno schema a blocchi, il procedimento e l'impianto secondo il trovato.
Con riferimento alla figura annessa, è indicato nel suo complesso con il numero 1 un impianto per il recupero energetico dai gas esausti di combustione di un si forno 2 industriale di fusione per vetro, in particolare un forno del tipo cosiddetto "unit melter", sostanzialmente noto: il forno 2 è provvisto di bruciatori 3 (per esempio distribuiti lungo le pareti del forno stesso) ai quali sono alimentati un combustibile 4 e, tramite un distributore d'aria 5 (noto), un flusso di aria comburente 6 (schematicamente rappresentato da frecce bianche in figura) : la combustione del combustibile 4 e del flusso di aria comburente 6 genera il calore necessario alla fusione di materie prime solide introdotte nel forno 2 per formare vetro 7 fuso e l'emissione di un flusso di gas esausti 8 o fumi di combustione (schematicamente rappresentato da frecce nere in figura) che vengono asportati dal forno 2 tramite appositi mezzi di prelievo 9 (noti).
L'impianto 1 comprende una prima unità 11 di scambio termico a media temperatura ed una seconda unità
12 di scambio termico ad alta temperatura: le unità 11,
12 sono distinte e disposte in serie lungo rispettivi circuiti 13, 14 per la circolazione del flusso di aria comburente 6 e, rispettivamente, del flusso di gas esausti 8. I circuiti 13, 14 sono separati tra loro e privi di comunicazione fluidodinamica uno con l'altro; le unità 11, 12 prevedono rispettivi condotti di passaggio separati per il flusso di aria comburente 6 e, rispettivamente, per il flusso di gas esausti 8, che pertanto non vengono mai in contatto né miscelati tra loro in nessun punto dell'impianto 1.
L'unità 11 è una unità di scambio termico metallica comprendente almeno uno scambiatore metallico, in particolare uno scambiatore a fascio tubiero configurato controcorrente, in cui il flusso di aria comburente 6 è circolato lato tubi e il flusso di gas esausti 8 è circolato lato mantello; l'unità 12 è invece una unità di scambio termico ceramica comprendente almeno uno scambiatore ceramico, per esempio del tipo a baionetta e presentante condotti separati per il flusso di aria comburente 6 e il flusso di gas esausti 8.
Vantaggiosamente, anche se non necessariamente, l'impianto 1 comprende anche una terza unità 16 di scambio termico a bassa temperatura, disposta in serie alle unità 11, 12: l'unità 16 è disposta lungo il circuito 13 a monte dell'unità 11 nel senso di percorrenza del flusso dì aria comburente 6 e lungo il circuito 14 a valle dell'unità 11 nel senso di percorrenza del flusso di gas esausti 8. L'impianto 1 comprende poi una unità di depurazione 17, nota e preferibilmente del tipo con filtri a maniche, disposta lungo il circuito 14 a valle della terza unità 16 nel senso di percorrenza del flusso di gas esausti 8 per depurare il flusso di gas esausti 8 prima dell'emissione in atmosfera tramice un camino 18.
Il circuito 13 per la circolazione del flusso di aria comburente 6 collega in serie un ingresso di aria 19, l'unità 16, l'unità 11, l'unità 12 e il distributore d'aria 5 del forno 2; il circuito 14 per la circolazione del flusso di gas esausti 8 collega in serie il forno 2, l'unità 12, l'unità 11, l'unità 16, l'unità di depurazione 17 ed il camino 18. L'unità 11 e/o l'unità 16 possono essere provviste di rispettivi mezzi di derivazione 20 (noti) per prelevare rispettive frazioni d'aria 21 in eccesso dal flusso di aria comburente 6 in uscita dalle stesse unità 11 e 16, da utilizzare per eventuali valorizzazioni collaterali.
L'unità 16 può anche mancare e in tal caso il circuito 13 collega direttamente l'ingresso di aria 19 con l'unità 11, come rappresentato con linea tratteggiata in figura.
Il funzionamento dell'impianto 1 in attuazione del procedimento secondo il trovato è il seguente.
Il flusso di gas esausti 8 viene prelevato dal forno 2 ed utilizzato per preriscaldare il flusso di aria comburente 6 destinata ad alimentare la combustione nel forno 2; secondo il trovato, il preriscaldamento del flusso di aria comburente 6 tramite scambio termico con il flusso di gas esausti 8 avviene in due fasi di scambio termico distinte, condotte in serie e in successione una all'altra rispettivamente nelle unità 11, 12 e durante entrambe le quali, come del resto nell'intero procedimento secondo il trovato, il flusso di aria comburente 6 e il flusso di gas esausti 8 non vengono mai a contatto né miscelati tra loro; il flusso di aria comburente 6 viene circolato successivamente nella unità 11 e poi nella unità 12, per essere scaldato a rispettive temperature crescenti (per esempio, rispettivamente, a circa 700÷900°C e a circa 1000÷1100°C) , mentre il flusso di gas esausti 8 viene circolato successivamente nell'unità 12 e poi nell'unità 11 per essere raffreddato a rispettive temperature decrescenti (per esempio, rispettivamente, a circa 1100÷1300°C e a circa 500÷600°C).
Il procedimento secondo il trovato prevede dunque essenzialmente di circolare nella prima unità 11 di scambio termico a media temperatura il flusso di gas esausti 8 che è già transitato nella seconda unità 12 di scambio termico ad alta temperatura ed è stato quindi già raffreddato e portato al di sotto di una temperatura prefissata (almeno inferiore a circa 1300°C): nell'unità 11 il flusso di gas esausti 8 viene ulteriormente raffreddato dal flusso di aria comburente 6 che è inviato all'unità 11 a temperatura relativamente bassa (eventualmente, in mancanza dell'unità 16, a temperatura ambiente); nell'unità 12 vengono invece circolati il flusso di aria comburente 6 in uscita dall'unità 11 e il flusso di gas esausti direttamente prelevato dal forno.
Eventualmente, il flusso di gas esausti 8 in uscita dall'unità 11 può essere ulteriormente raffreddato nell'unità 16, sempre per scambio termico con il flusso di aria comburente 6, il quale transita nell'unità 16 prima di essere inviato all'unità 11: nell'unità 16 il flusso di gas esausti 8 viene portato ad una temperatura di emissione finale compatibile con l'unità di depurazione 17: nella unità di depurazione 17 il flusso di gas esausti 8 viene quindi depurato da polveri e inquinanti prima dell'emissione in atmosfera. L'unità 16, oltre a contribuire al recupero complessivo di calore dal flusso di gas esausti 8, consente inoltre di inviare all'unità di depurazione 17 un flusso di gas esausti 8 a livello termico compatibile con i processi di purificazione e di ridurre le dimensioni dell'unità 11 di scambio termico a media temperatura.
Risulta infine chiaro che al procedimento e all'impianto qui descritti ed illustrati possono essere apportate numerose altre modifiche e varianti che non escono dall'ambito della presente invenzione.
Claims (17)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il recupero energetico dai gas esausti di combustione di un forno (2) industriale, in particolare di un forno di fusione del vetro, il procedimento comprendendo le fasi di prelevare un flusso di gas esausti (8) di combustione da detto forno (2) e preriscaldare un flusso di aria comburente (6), destinato ad alimentare la combustione in detto forno, tramite scambio termico con detto fbusso di gas esausti; il procedimento essendo caratterizzato dal fatto che detta fase di preriscaldare detto flusso di aria comburente comprende una prima ed una seconda fase di scambio termico distinte, condotte in serie e in successione una all'altra rispettivamente in una prima (11) ed una seconda (12) unità di scambio termico tra detto flusso di aria comburente (6) e detto flusso di gas esausti (8); detto flusso di aria comburente (6) essendo circolato successivamente in detta prima unità (11) e poi in detta seconda unità (12) per essere scaldato a rispettive temperature crescenti, detto flusso di gas esausti (8) essendo circolato successivamente in detta seconda unità (12) e poi in detta prima unità (11) per essere raffreddato a rispettive temperature decrescenti.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in detta prima unità (11) vengono circolati detto flusso di aria comburente (6) da preriscaldare e il flusso di gas esausti (8) che è già transitato in detta seconda unità (12) ed è stato raffreddato al di sotto di una temperatura prefissata; e dal fatto che in detta seconda unità (12) vengono circolati il flusso di aria comburente (6) in uscita da detta prima unità (11) e il flusso di gas esausti (8) direttamente prelevato da detto forno (2).
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che durante entrambe dette prima e seconda fase di scambio termico detto flusso di aria comburente (6) è mantenuto separato da detto flusso di gas esausti (8).
- 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta prima fase di scambio termico è condotta in una unità (11) di scambio termico metallica e detta seconda fase di scambio termico è condotta in una unità (12) di scambio termico ceramica.
- 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta prima fase di scambio termico è condotta in uno scambiatore metallico a fascio tubìero configurato controcorrente, in cui detto flusso di aria comburente è circolato lato tubi e detto flusso di gas esausti è circolato lato mantello.
- 6. Procedimento secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzato dal fatto che detta seconda fase di scambio termico è condotta in uno scambiatore ceramico a baionetta, presentante condotti separati per detto flusso di aria comburente e detto flusso di gas esausti.
- 7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una fase di depurazione (17) di detto flusso di gas esausti (8) in uscita da detta prima unità (11), prima dell'emissione di detto flusso di gas esausti (8) in atmosfera.
- 8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una terza fase di scambio termico, nella quale detto flusso di aria comburente (6) viene circolato, prima di essere inviato a detta prima unità (11), in una terza unità (16) di scambio termico, disposta in serie a dette prima e seconda unità (11, 12) per sottrarre calore a detto flusso di gas esausti (8) in uscita da detta prima unità (11).
- 9. Impianto (1) per il recupero energetico dai gas esausti di combustione di un forno (2) industriale, in particolare di un forno di fusione del vetro, l'impianto comprendendo mezzi di prelievo (9) di un flusso di gas esausti (8) di combustione da detto forno e mezzi di scambio termico (11, 12) per preriscaldare un flusso di aria comburente (6) destinato ad alimentare la combustione in detto forno tramite scambio termico con detto flusso di gas esausti; l'impianto essendo caratterizzato dal fatto che detti mezzi di scambio termico comprendono una prima (11) ed una seconda (12) unità di scambio termico distinte, disposte in serie e in successione una all'altra; l'impianto comprendendo inoltre primi mezzi di circolazione (13) per circolare detto flusso di aria comburente (6) successivamente a detta prima unità (11) e a detta seconda unità (12), e secondi mezzi di circolazione (14) per circolare detto flusso di gas esausti (8) successivamente a detta seconda unità (12) e a detta prima unità (11).
- 10. Impianto secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti primi e secondi mezzi di circolazione comprendono un primo (13) e, rispettivamente, un secondo (14) circuito per la circolazione di detto flusso di aria comburente (6) e di detto flusso di gas esausti (8); detta seconda unità (12) essendo disposta lungo detto primo circuito (13) a valle di detta prima unità (11) nel senso di percorrenza di detto flusso di aria comburente (6); detta seconda unità (12) essendo disposta lungo detto secondo circuito (14) a monte di detta prima unità (11) nel senso di percorrenza di detto flusso di gas esausti (8).
- 11. Impianto secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detti primo e secondo circuito (13, 14) sono separati e privi di comunicazione fluidodinamica uno con l'altro; dette prima e seconda unità (11, 12) prevedendo rispettivi condotti di passaggio separati per detto flusso di aria comburente (ó) e, rispettivamente, detto flusso di gas esausti (8).
- 12. Impianto secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detta prima unità (11) è una unità di scambio termico metallica e detta seconda unità (12) è una unità di scambio termico ceramica.
- 13. Impianto secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detta prima unità (11) comprende almeno uno scambiatore metallico a fascio tubiere configurato controcorrente, in cui detto flusso di aria comburente (6) è circolato lato tubi e detto flusso di gas esausti (8) è circolato lato mantello.
- 14. Impianto secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che detta seconda unità (12) comprende almeno uno scambiatore ceramico a baionetta, presentante condotti separati per detto flusso di aria comburente (6) e detto flusso di gas esausti (8).
- 15. Impianto secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi di depurazione (17) di detto flusso di gas esausti (8) in uscita da detta prima unità (11), detti mezzi di depurazione (17) essendo disposti lungo detto secondo circuito (14) a valle di dette prima e seconda unità (11, 12) nel senso di percorrenza di detto flusso di gas esausti (8) .
- 16. Impianto secondo la rivendicazione 14 o 15, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una terza unità (13) di scambio termico, disposta in serie a dette prima e seconda unità (11, 12); detta terza unità (16) essendo disposta lungo detto primo circuito (13) a monte di detta prima unità (11) nel senso di percorrenza di detto flusso di aria comburente (6) e lungo detto seconde circuito (14) a valle di detta prima unità (11) nel senso di percorrenza di detto flusso di gas esausti (8).
- 17. Procedimento ed impianto per il recupero energetico dai gas esausti di combustione di un forno industriale, in particolare di un forno di fusione del vetro, sostanzialmente come descritti ed illustrati nei disegni annessi.
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