BR102020017199A2

BR102020017199A2 - System for heat recovery from the exhaust gases of an intermittent ceramic kiln

Info

Publication number: BR102020017199A2
Application number: BR102020017199-2A
Authority: BR
Inventors: Nathalie Terra De Azevedo; Marcos Antonio Cruz Moreira; Vicente De Paulo Santos De Oliveira
Original assignee: Instituto Federal De Educação, Ciência E Tecnologia Fluminense
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2022-03-03

Abstract

sistema para recuperação de calor a partir dos gases de exaustão de um forno cerâmico intermitente. a presente invenção se trata de um "sistema para recuperação de calor a partir dos gases de exaustão de um forno cerâmico intermitente", um sistema que aproveita e dá destino adequado ao calor gerado durante a queima de fornos cerâmicos intermitentes, com a finalidade de realizar o pré-aquecimento do ar de combustão dos fornos. os fornos cerâmicos são classificados como intermitentes quando sua produção se dá por bateladas e não de forma contínua. mesmo os melhores fornos para produção de cerâmica vermelha têm perdas de calor entre 30 e 60% através dos gases de exaustão. dentre as principais características de um forno intermitente tipo abóbada aponta-se o baixo rendimento térmico. esta característica se deve à grande quantidade de combustível necessária para gerar calor e aquecer a estrutura interna do forno e à perda de calor pelos gases de exaustão na chaminé. as perdas de calor residual nos fornos resultam de ineficiências de projetos e de limitações termodinâmicas em equipamentos e processos. podem ser feitos esforços para projetar fornos mais eficientes em termos energéticos, com melhor transferência de calor e temperaturas de exaustão mais baixas, mas as leis da termodinâmica colocam um limite inferior sobre a temperatura dos gases de exaustão. a recuperação do calor residual industrial pode ser conseguida através de numerosos métodos onde o calor pode ser reutilizado dentro do mesmo processo ou transferido para outro processo. tais métodos para recuperar o calor podem ajudar as instalações a reduzir significativamente o consumo de combustível fóssil, bem como reduzir os custos operacionais associados e as emissões de gases poluentes. o objetivo dessa invenção é reduzir a utilização de combustíveis durante a queima de um forno intermitente na indústria cerâmica vermelha e consequentemente reduzir as emissões de poluentes, otimizando parte do processo de produção da cerâmica.system for recovering heat from the exhaust gases of an intermittent ceramic kiln. the present invention is a "system for recovering heat from the exhaust gases of an intermittent ceramic kiln", a system that takes advantage of and gives adequate destination to the heat generated during the firing of intermittent ceramic kilns, in order to perform the preheating of the combustion air of the ovens. Ceramic kilns are classified as intermittent when their production takes place in batches and not continuously. even the best kilns for the production of red ceramics have heat losses between 30 and 60% through the exhaust gases. among the main characteristics of an intermittent dome type oven is the low thermal efficiency. this characteristic is due to the large amount of fuel needed to generate heat and heat the internal structure of the furnace and to the heat loss by the exhaust gases in the chimney. waste heat losses in furnaces result from design inefficiencies and thermodynamic limitations in equipment and processes. Efforts can be made to design more energy-efficient furnaces with better heat transfer and lower exhaust temperatures, but the laws of thermodynamics place a lower limit on the temperature of the exhaust gases. Industrial waste heat recovery can be achieved through numerous methods where the heat can be reused within the same process or transferred to another process. such methods to recover heat can help facilities significantly reduce fossil fuel consumption, as well as reduce associated operating costs and greenhouse gas emissions. the objective of this invention is to reduce the use of fuels during the firing of an intermittent kiln in the red ceramic industry and consequently reduce pollutant emissions, optimizing part of the ceramic production process.

Description

SYSTEM FOR HEAT RECOVERY FROM THE EXHAUST GASES OF AN INTERMITTENT CERAMIC OVEN

FIELD OF THE INVENTION

[01] A presente invenção refere-se a um sistema de recuperação de calor dos gases de exaustão em fornos intermitentes para o segmento de cerâmica vermelha.[01] The present invention refers to a heat recovery system from exhaust gases in intermittent kilns for the red ceramic segment.

DESCRIPTION OF THE STATE OF THE TECHNIQUE

[02] Atualmente, o calor gerado durante a queima de fornos intermitentes em cerâmica vermelha não possui muito aproveitamento, não há uma continuidade na quantidade de calor gerado já que a queima do forno se dá por bateladas, assim, o calor é simplesmente liberado para a atmosfera durante todo o processo de queima. Tais gases se encontram no interior dos fornos e são liberados para a atmosfera através de uma chaminé interligada ao forno por meio de uma canalização subterrânea. No final do processo de queima, quando o forno precisa ser resfriado, é feita a transferência do calor interno do forno para pré-aquecer outro forno de iguais condições ou para secagem de peças cerâmicas em estufas.[02] Currently, the heat generated during the firing of intermittent red ceramic kilns does not have much use, there is no continuity in the amount of heat generated since the kiln burns in batches, thus, the heat is simply released to the atmosphere during the entire burning process. Such gases are found inside the kilns and are released into the atmosphere through a chimney connected to the kiln by means of an underground pipeline. At the end of the firing process, when the kiln needs to be cooled, the internal heat of the kiln is transferred to preheat another kiln under the same conditions or to dry ceramic pieces in ovens.

[03] O atual estado da técnica antecipa alguns documentos de patentes que versam sobre o aproveitamento do calor em processos industriais, como o Pl 1102275-2 intitulado Sistema Reaproveitador de Gases Produzidos Durante a Queima de Cerâmicas e Direcionador do Calor Liberado para Aquecer outros Fornos de Pré-Aquecimento - que prevê elevar as propriedades físicas dos artefatos cerâmicos produzidos, eliminar grande parte dos gases poluentes presentes (principalmente CO2), e reaproveitar o calor liberado durante o resfriamento dos artefatos por meio da implantação do sistema definido pelos dois fornos e setor de aquecimento e eliminação de unidade interligados pela central de mistura e distribuição de calor. O documento acima tem uma construção complexa e voltada para uma planta cerâmica, onde a figura do misturador central com os respectivos exaustores e ventiladores são essenciais para a movimentação do fluxo de ar quente dos fornos para a seção onde se dá a eliminação de umidade. Para tanto, há a necessidade de toda uma infraestrutura basal em ditos fornos com pisos vazados e colmeias com dutos subterrâneos. Em suma, o sistema supracitado não serve para recuperar calor durante a etapa de queima em um forno intermitente.[03] The current state of the art anticipates some patent documents that deal with the use of heat in industrial processes, such as Pl 1102275-2 entitled System for Reuse of Gases Produced During Ceramics Firing and Direction of Heat Released to Heat Other Kilns Pre-Heating - which provides for raising the physical properties of the ceramic artifacts produced, eliminating a large part of the polluting gases present (mainly CO2), and reusing the heat released during the cooling of the artifacts through the implementation of the system defined by the two kilns and sector heating and disposal unit interconnected by the mixing and heat distribution plant. The document above has a complex construction and is aimed at a ceramic plant, where the figure of the central mixer with the respective exhaust fans and fans are essential for the movement of the flow of hot air from the ovens to the section where moisture is eliminated. For this, there is a need for an entire basal infrastructure in said ovens with hollow floors and beehives with underground ducts. In short, the aforementioned system does not serve to recover heat during the firing stage in an intermittent kiln.

[04] O MU 8701586-2 intitulado Aperfeiçoamento Introduzido em Fornos para Reaproveitamento de Energia Térmica- utiliza uma parede refletiva espelhada entre as paredes de aço e refratária do forno, a qual terá a função de fazer o reaproveitamento dos raios ultravioletas encaminhando-os à câmara geradora de calor e, assim aumentado o poder calorífico e reduzindo o consumo de energia elétrica, mineral e/ ou vegetal. O documento acima somente prevê um revestimento interno entre as paredes do forno, sendo uma solução totalmente díspar da aqui apresentada e, portanto, não impeditiva.[04] The MU 8701586-2 entitled Improvement Introduced in Furnaces for Reuse of Thermal Energy - uses a reflective mirrored wall between the steel and refractory walls of the furnace, which will have the function of making the reuse of ultraviolet rays by forwarding them to the heat generating chamber and, thus, increasing the calorific value and reducing the consumption of electrical, mineral and/or vegetable energy. The document above only provides for an internal lining between the walls of the oven, which is a totally different solution from the one presented here and, therefore, not an impediment.

[05] O MU 8101432-5 intitulado Sistema de Reaproveitamento de Calor do Forno Túnel para Forno de Cura do Revestimento Polimérico em Ciclo Contínuo - consiste de uma tubulação devidamente isolada que conduz o calor do forno túnel para o forno de cura de revestimento polimérico e, o excedente do processo retorna para o primeiro forno citado, de forma a fechar um ciclo contínuo que ao atingir a temperatura desejada a mesma é mantida neste patamar. Como se observa, o documento acima somente prevê solução para fornos contínuos.[05] MU 8101432-5 entitled Tunnel Oven Heat Reuse System for Continuous Cycle Polymer Coating Curing Oven - consists of a properly insulated pipe that conducts heat from the tunnel oven to the polymeric coating curing oven and , the process surplus returns to the first mentioned oven, in order to close a continuous cycle that when reaching the desired temperature, it is maintained at this level. As can be seen, the above document only provides a solution for continuous furnaces.

[06] O "SISTEMA PARA RECUPERAÇÃO DE CALOR PARTIR DOS GASES DE EXAUSTÃO DE UM FORNO CERÂMICO INTERMITENTE" compreende na alocação de um trocador de calor instalado na canalização que interliga o forno a chaminé de extravasamento de gases residuais, perfazendo um ciclo fechado que torna possível o reaproveitamento do calor gerado durante o processo de queima cerâmico que possui seu valor máximo em 900°C (figura 1). Assim, com o trocador de calor é possível pré-aquecer o ar atmosférico responsável por manter as chamas acessas nas fornalhas e o forno queimando material cerâmico, desta forma menos combustível é necessário para atingir um determinado valor de temperatura. Com a instalação do sistema foi obtido a recuperação de pelo menos 50% do calor que antes era perdido, houve redução de pelo menos 10% de consumo de combustível e redução de pelo menos 10% em tempo de queima do forno.[06] The "SYSTEM FOR HEAT RECOVERY FROM THE EXHAUST GASES OF AN INTERMITTENT CERAMIC OVEN" comprises the allocation of a heat exchanger installed in the duct that connects the oven to the residual gas overflow chimney, making a closed cycle that makes It is possible to reuse the heat generated during the ceramic firing process, which has its maximum value at 900°C (figure 1). Thus, with the heat exchanger it is possible to preheat the atmospheric air responsible for keeping the flames lit in the furnaces and the kiln burning ceramic material, in this way less fuel is needed to reach a certain temperature value. With the installation of the system, it was possible to recover at least 50% of the heat that was previously lost, there was a reduction of at least 10% in fuel consumption and a reduction of at least 10% in the oven's burning time.

[07] Em suma, o sistema pleiteado apresenta como vantagens mais preponderantes: Economia de combustível/ energia; Solução ecologicamente correta e sustentável; Redução de emissão de poluentes; Melhorias nas curvas de queima.[07] In short, the claimed system has the following main advantages: Fuel/energy savings; Ecologically correct and sustainable solution; Reduction of pollutant emissions; Improved firing curves.

[08] O sistema de recuperação de calor possui um trocador tipo casco-tubo com área de troca de calor equivalente a 66,7m²; 176 tubos com 63,5mm de diâmetro e 4 chicanas, o projeto considerou o isolamento térmico feito com lã de rocha de duas polegadas (2’’) e foi projetado para uma vazão de ar de 1920 m³/h no lado do casco e para uma vazão de 3630.89 m³/h no lado do tudo.[08] The heat recovery system has a shell-tube exchanger with a heat exchange area equivalent to 66.7m²; 176 tubes with 63.5mm diameter and 4 baffles, the project considered the thermal insulation made with two-inch (2'') rock wool and was designed for an air flow of 1920 m³/h on the hull side and for a flow of 3630.89 m³/h on the tube side.

[09] O trocador foi projetado especificamente para o forno intermitente tipo abóbada (figura 1) que possui 6,90m de diâmetro, 2m de altura do solo até a carga e 3m do solo ao centro da abóbada, possui quatro fornalhas e duas portas de 1,84m de altura cada, a largura da parede do forno é de 1,20m. O forno é feito de tijolo maciço comum, somente as fornalhas possuem tijolos refratários, pois estas atingem cerca de 1200ºC, neste tipo de forno a tiragem dos gases provenientes da combustão é feita no piso, através da depressão causada por uma chaminé.[09] The heat exchanger was specifically designed for the intermittent vault type oven (figure 1) which has a diameter of 6.90 m, 2 m height from the ground to the load and 3 m from the ground to the center of the vault, has four furnaces and two 1.84m high each, the width of the oven wall is 1.20m. The oven is made of common solid brick, only the furnaces have refractory bricks, as these reach about 1200ºC, in this type of oven the extraction of gases from the combustion is done on the floor, through the depression caused by a chimney.

[10] O combustível utilizado no forno em estudo é o pó de serra, na fase de esquente do forno é utilizado lenha para aumentar a temperatura. Para a avaliação do sistema de recuperação de calor, a massa cerâmica foi fabricada com a mesma argila e em um mesmo processo de produção. A tabela 1 apresenta os valores de lenha e pó de serra utilizados antes e depois da instalação do sistema de recuperação de calor.

[10] The fuel used in the kiln under study is sawdust, in the heating phase of the kiln, firewood is used to increase the temperature. For the evaluation of the heat recovery system, the ceramic mass was manufactured with the same clay and in the same production process. Table 1 presents the values of firewood and sawdust used before and after the installation of the heat recovery system.

[11] Observa-se que na queima pós instalação do sistema, houve uma redução de pelo menos 2,5% na utilização de pó de serra durante todo ciclo de queima, e não houve redução significativa de utilização da lenha. Isso se deve ao fato do sistema inserir nas fornalhas o ar atmosférico com aumento de temperatura ao longo do ciclo de queima.[11] It is observed that in the burning after installation of the system, there was a reduction of at least 2.5% in the use of sawdust during the entire burning cycle, and there was no significant reduction in the use of firewood. This is due to the fact that the system inserts atmospheric air into the furnaces with an increase in temperature throughout the firing cycle.

[12] A tabela 2 mostra os valores de temperatura no lado do casco e no lado dos tubos. Os valores medidos são da temperatura do ar quente, que entra pelos tubos do trocador, e a temperatura do ar atmosférico na saída do casco.

[12] Table 2 shows the shell side and tube side temperature values. The measured values are the temperature of the hot air, entering through the tubes of the exchanger, and the temperature of the atmospheric air at the exit of the hull.

[13] Os valores de temperatura recuperados demonstram o bom rendimento do trocador projetado para esta aplicação. Recuperou-se pelo menos 50% da temperatura da entrada dos tubos na saída do casco. O dimensionamento errado do equipamento poderia reduzir a diferença de pressão entre o forno e a chaminé e prejudicar a tiragem dos gases do forno que é realizada de forma natural.[13] The recovered temperature values demonstrate the good performance of the exchanger designed for this application. At least 50% of the temperature from the inlet of the tubes to the outlet of the hull was recovered. The wrong dimensioning of the equipment could reduce the pressure difference between the oven and the chimney and impair the extraction of gases from the oven, which is carried out naturally.

[14] As etapas de esquente e queima da curva de queima foram acompanhadas antes e depois da instalação do sistema de recuperação de calor, esta possui grande importância, através dela é acompanhado o resultado final da queima que tem relação direta com a qualidade final do produto.[14] The heating and firing stages of the firing curve were followed before and after the installation of the heat recovery system, this is of great importance, through which the final result of the firing is monitored, which is directly related to the final quality of the product.

[15] As figuras 2 e 3 mostram as curvas de queima do forno abóbada; o forno possui seis termopares do tipo K, estes são dispostos de forma que dois termopares se encontram na parte do meio da porta do forno, são eles M1 e M2; M4 equivale ao termopar que está na parte inferior da porta (chão); C2 e C1 são os termopares que estão na parte superior da porta e T9 é o termopar que fica no topo da abóboda.[15] Figures 2 and 3 show the firing curves of the vaulted furnace; the oven has six type K thermocouples, these are arranged so that two thermocouples meet in the middle part of the oven door, they are M1 and M2; M4 is equivalent to the thermocouple that is at the bottom of the door (floor); C2 and C1 are the thermocouples at the top of the door and T9 is the thermocouple at the top of the vault.

[16] O controle empírico de queima do forno se baseia na elevação da temperatura da abóbada com o coeficiente de 15°C/h na fase de esquente do forno; quando a curva atinge a temperatura máxima, o forno entra na região de queima da curva. Assim que a temperatura do termopar do chão atinge 600°C, o forno é desligado e o material é considerado pronto. Observa-se na figura 3, que o forno atingiu sua temperatura ideal para ser desligado em 100h de queima, enquanto na figura 4, esta temperatura é atingida somente com 108h; a redução do tempo de queima do forno permitiu uma economia de combustível de pelo menos 8%.[16] The empirical control of kiln firing is based on raising the temperature of the vault with a coefficient of 15°C/h in the heating phase of the kiln; when the curve reaches the maximum temperature, the furnace enters the firing region of the curve. As soon as the temperature of the floor thermocouple reaches 600°C, the oven is turned off and the material is considered ready. It can be seen in figure 3 that the oven has reached its ideal temperature to be turned off in 100h of firing, while in figure 4, this temperature is reached only with 108h; the reduction of the kiln burn time allowed a fuel saving of at least 8%.

[17] O sistema foi interligado ao forno no início do ciclo de queima, antes deste ciclo, o forno recebe calor de um outro forno abóbada que se encontra na mesma cerâmica, os fornos são queimados alternadamente. Na figura 3 percebe-se que o sistema possibilitou um aumento de pelo menos 9,8% na temperatura do topo da abóbada durante a fase de esquente do forno e um aumento de pelo menos 28,5% na temperatura do chão do forno durante a mesma fase. Durante a fase de queima, houve um aumento da temperatura do chão do forno de pelo menos 7,5%, a temperatura da abóbada não apresentou ganhos relevantes nesta fase.[17] The system was connected to the kiln at the beginning of the firing cycle, before this cycle, the kiln receives heat from another vault kiln that is in the same ceramic, the kilns are fired alternately. In figure 3 it can be seen that the system allowed an increase of at least 9.8% in the temperature of the top of the vault during the heating phase of the oven and an increase of at least 28.5% in the temperature of the floor of the oven during the heating phase. same phase. During the firing phase, there was an increase in the oven floor temperature of at least 7.5%, the vault temperature showed no relevant gains in this phase.

Claims

Heat recuperator from the exhaust gases of an intermittent dome-type ceramic kiln, characterized by a shell-tube heat exchanger with at least four baffles, maximum total exchange area of 66.7m², installed in the exhaust gas channel .

Device according to claim 1, characterized by a reduction of at least 10% in fuel consumption during the burning cycle.

Device according to claim 1, characterized by the recovery of 45 to 50% of the heat lost by exhaustion in a dome-type ceramic kiln.

Device according to claim 1, characterized in that it makes it possible to reduce by at least 7.5% the hours of duration of the firing cycle.

Device according to claim 1, characterized in that the oven floor temperature increases by at least 28.5% on the firing curve during the heating phase of the firing process.

Device according to claim 1 and according to claim 2 characterized by the reduction of the emission of polluting gases in the atmosphere compared to ovens of the same type.