ITMI20071985A1

ITMI20071985A1 - Bruciatore industriale a bassa emissione di nox e relativo processo di combustione

Info

Publication number: ITMI20071985A1
Application number: IT001985A
Authority: IT
Original assignee: Danieli Off Mecc; Danieli Ct Comb S P A
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-04-13
Also published as: EP2212619B1; WO2009047338A3; US8920160B2; US20100233642A1; WO2009047338A2; EP2212619A2

Description

Domanda di brevetto dell’invenzione industriale dal titolo:

“Bruciatore industriale a bassa emissione di NOxe relativo processo di combustione”

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un bruciatore industriale a combustibile gassoso, in particolare ad un bruciatore a bassissime emissione di NOxatto a realizzare sia la combustione a stadi (modalità “flame”), sia la combustione senza fronte di fiamma (modalità “flameless”), e ad un relativo processo di combustione.

Stato della tecnica

I limiti sulle concentrazioni di NOxnei fumi di scarico, imposti dalle normative nazionali ed internazionali, influiscono notevolmente sulla realizzazione di nuovi bruciatori che ottengano un rendimento ottimale e che, al tempo stesso, producano emissioni inquinanti che rientrino nei limiti obbligati. Gli inventori e le aziende produttrici di bruciatori negli ultimi anni hanno cercato soluzioni realizzative che migliorassero i rendimenti dei forni e che contemporaneamente diminuissero le emissioni inquinanti.

Per aumentare l’efficienza del forno, è solito preriscaldare l’aria comburente recuperando parte del calore dei fumi, scambiandolo con detta aria comburente, e conseguentemente aumentare la temperatura di fiamma; è noto però che le emissioni inquinanti variano anche in funzione della temperatura di fiamma che si genera: aumentano infatti al crescere della temperatura di fiamma.

In particolar modo le emissioni di NOxgenerate sono date dalla somma di due particolari tipi di NOxche si differenziano per la loro modalità di formazione: “thermal” NOxe “prompt" NOx.

Come noto, il “thermal” NOx, ossia l’ossido NO, è originato attraverso un meccanismo di ossidazione dell’azoto atmosferico e si verifica alle alte temperature (1200°C). E’ pertanto tipico del fronte di fiamma e della zona dei prodotti di combustione, ove l’azoto permane ad alta temperatura per un tempo più o meno lungo. Il "prompt" NOxè invece legato alla reazione tra radicali intermedi presenti al fronte di fiamma. Il meccanismo di formazione trae il nome dal breve tempo caratteristico di reazione. I parametri che influenzano la formazione di NOxsono principalmente: alta temperatura, tempo di residenza ad alta temperatura, eccesso d’aria, bassa ricircolazione dei fumi e contenuto di azoto nel combustibile.

Per ovviare al problema della concentrazione di NOxsono note varie tecniche di combustione come ad esempio: la combustione diluita, la combustione a stadi e la combustione di volume.

Solitamente la combustione a stadi può essere effettuata attraverso la “stadiazione” dell’aria (air staging) o la “stadiazione” del combustibile (gas staging) oppure attraverso la concomitanza di entrambe le soluzioni. Adottando questi tipi di soluzione, ne derivano particolari complicazioni realizzative quali ad esempio la presenza del doppio ingresso di aria e gas.

Nel caso della stadiazione di aria, la combustione primaria è realizzata in difetto d’aria con un forte eccesso di gas ottenendo una combustione volutamente incompleta; nella combustione secondaria viene iniettata la quota parte di aria necessaria per completare la combustione realizzata parzialmente nel primo stadio. Il risultato complessivo è l’esclusione della coesistenza contemporanea di alta temperatura di fiamma e alta concentrazione di ossigeno che sono, come già detto, cause della formazione di NOx.

Un’altra tecnica usata che permette una diminuzione ulteriore delle emissioni inquinanti è la combustione di volume, denominata comunemente in lingua anglosassone “flameless”. I vantaggi derivanti da questa tecnica sono riscontrabili nella riduzione della produzione di NOxe neN’uniformità di temperatura all’interno nella camera di combustione. La tecnica della combustione di volume è attuata attraverso una forte diluizione dei reagenti puri, cioè aria comburente e gas combustibile, che vengono mescolati con i prodotti di combustione, sostanzialmente gas inerti, ai fini di un’ulteriore combustione prima che questa avvenga. I prodotti di combustione vengono messi in ricircolo dall’alta velocità di iniezione di aria e gas che li trascina per effetto di eiezione. Quando i reagenti, fortemente diluiti, entrano in contatto ad alta temperatura, ne risulta una combustione senza un visibile fronte di fiamma, da cui l’appellativo di flameless, che si espande in un elevato volume della camera di combustione rendendo uniforme la temperatura del forno e diminuendo la produzione di NOx.

La combustione flameless presenta però un grosso limite di utilizzo: a temperature inferiori a quelle di autoignizione del combustibile non è possibile mantenere innescato stabilmente il processo di combustione. Per questo problema, quindi, la maggior parte dei bruciatori flameless sono comunemente affiancati a bruciatori chiamati pilota che hanno la funzione di portare la temperatura di esercizio del forno a quella di autoignizione del combustibile.

Ne deriva che nella fase di riscaldo del forno, in cui la combustione flameless risulterebbe instabile, si adopera almeno un bruciatore pilota e le emissioni di NOxsono elevatissime in quanto questo non adotta alcuna delle succitate tecniche di abbattimento degli NOx.

Il risultato è che per temperature intorno agli 850°C (temperatura di autoignizione del gas naturale) le emissioni di NOxsono molto alte e diminuiscono soltanto quando le temperature del forno sono tali da consentire l’utilizzo di bruciatori flameless.

Difficilmente quindi le emissioni durante la fase di riscaldo rientrano nei limiti imposti e comunque durante la marcia del forno possono verificarsi situazioni in cui la bassa temperatura di zona non consente l’uso del flameless.

E’ sentita, pertanto, l’esigenza di realizzare un bruciatore ed un relativo processo di combustione che consenta di ottenere emissioni di NOxmolto basse sia nella fase di accensione, ossia a freddo, che nel suo funzionamento a regime.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un bruciatore industriale a bassa emissione di NOx, atto a funzionare sia in modalità a stadi o flame, sia in modalità flameless, cosicché risulta possibile realizzare anche la fase di riscaldamento della camera di un forno mediante lo stesso bruciatore, senza prevedere un bruciatore pilota, garantendo bassissime emissioni di NOxper la totalità del range di funzionamento del bruciatore e delle temperature di camera.

Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di fornire un processo di combustione, realizzato mediante detto bruciatore, che prevede la possibilità di combinare la modalità di funzionamento a stadi con la modalità flameless conseguendo un notevole abbattimento delle emissioni inquinanti.

La presente invenzione, pertanto, si propone di raggiungere gli scopi sopra discussi realizzando, secondo un primo aspetto dell’invenzione, un bruciatore industriale a bassa emissione di NOx, che, conformemente alla rivendicazione 1, comprende un corpo metallico cavo definente un asse longitudinale; un diffusore refrattario, disposto ad una estremità aperta del corpo cavo in modo da definire un volume all’interno di detto corpo; una prima zona di combustione, ricavata in una cavità di detto diffusore; una seconda zona di combustione, a valle della prima camera di combustione e comunicante con questa; una prima lancia di iniezione del gas combustibile, disposta centralmente all’interno di detto corpo cavo, comunicante ad una estremità con detta prima zona di combustione; almeno due seconde lance di iniezione del gas combustibile, disposte lateralmente all’Interno di detto corpo cavo, direttamente comunicanti ad una estremità con detta seconda zona di combustione, mezzi di commutazione atti a commutare l’iniezione del gas combustibile dalla prima lancia di iniezione alle seconde lance di iniezione o viceversa; un condotto per l’alimentazione di aria comburente in detto volume; primi fori longitudinali, previsti nel diffusore e disposti lungo una prima superficie laterale cilindrica, la cui sezione di uscita è direttamente comunicante con la prima zona di combustione, per l’iniezione di una prima porzione di aria comburente; secondi fori longitudinali, previsti nel diffusore e disposti lungo una seconda superficie laterale cilindrica coassiale ed esterna alla prima superficie, la cui sezione di uscita è direttamente comunicante con la seconda zona di combustione, per l’iniezione di una seconda porzione di aria comburente; in cui ciascuna di dette seconde lance di iniezione è almeno parzialmente alloggiata all’interno di un rispettivo secondo foro longitudinale, detto bruciatore essendo atto a realizzare una combustione multistadio con fronte visibile di fiamma durante la fase di riscaldamento della camera di combustione fino al raggiungimento della temperatura di autoignizione del gas combustibile e, indifferentemente, una combustione multistadio con fronte visibile di fiamma o una combustione senza un visibile fronte di fiamma a temperature più elevate di detta temperatura di autoignizione, garantendo basse emissioni di NOx in qualunque regime di funzionamento.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione i suddetti scopi vengono raggiunti mediante un processo di combustione a bassissime emissioni di NOx, realizzabile mediante il suddetto bruciatore ed un forno con il quale il bruciatore agisce in cooperazione, che, conformemente alla rivendicazione 12, comprende i seguenti passi:

a) riscaldo della camera di combustione di un forno fino a raggiungere la temperatura di autoignizione di un gas combustibile utilizzato, detto riscaldo essendo eseguito mediante le operazioni contemporanee di - iniezione di gas combustibile attraverso una prima lancia di iniezione, disposta centralmente all’interno del bruciatore, in una prima zona di combustione della camera di combustione;

- iniezione di una prima porzione di aria comburente in detta prima zona di combustione attraverso primi fori longitudinali del diffusore refrattario disposti lungo una prima superficie laterale cilindrica in modo che avvenga una combustione primaria in eccesso di gas;

- iniezione di una seconda porzione di aria comburente in una seconda zona di combustione, disposta a valle della prima zona di combustione, attraverso secondi fori longitudinali del diffusore refrattario disposti lungo una seconda superficie laterale cilindrica coassiale ed esterna rispetto alla prima superficie, in modo che avvenga una combustione secondaria in eccesso di aria che completa la combustione di detta prima porzione di gas combustibile;

b) quando la temperatura della camera di combustione è superiore a quella di autoignizione del gas combustibile, il processo di combustione prosegue prevedendo le seguenti operazioni contemporanee di

- iniezione di gas combustibile nella seconda zona di combustione attraverso almeno due seconde lance di iniezione, disposte lateralmente all’interno del bruciatore e ciascuna di esse almeno parzialmente alloggiata all’interno di un rispettivo secondo foro;

- iniezione di detta prima porzione di aria comburente in detta prima zona di combustione attraverso i primi fori longitudinali ed iniezione di detta seconda porzione di aria comburente nella seconda zona di combustione attraverso i secondi fori longitudinali, in modo che avvenga una combustione senza un visibile fronte di fiamma per via di una diluizione di gas combustibile e aria comburente ad opera dei prodotti di combustione presenti nella camera di combustione;

in cui la variazione dell’iniezione del gas combustibile nel passaggio dal passo a) al passo b) avviene mediante idonei mezzi di commutazione. Il bruciatore, secondo la presente invenzione, risulta particolarmente adatto quando, in alcuni processi, risulta necessario disporre di un bruciatore a bassa emissione di NOxcon fronte di fiamma visibile, mentre, in altri processi, occorre disporre di un bruciatore atto a funzionare in modalità flameless. In particolare, detto bruciatore è adatto a funzionare in modalità “flame” a stadi durante la fase di riscaldo del forno, ossia quando la temperatura di esercizio è al di sotto della temperatura di autoignizione che per il gas naturale è di 850 °C, ed in entrambe le modalità, a stadi o flameless, una volta raggiunta la temperatura di autoignizione del combustibile.

Vantaggiosamente il bruciatore dell’invenzione ottiene il miglior abbattimento di ΝΟχ quando funziona in modalità flame al di sotto della temperatura di autoignizione, con un livello di emissioni di ossidi di azoto molto basso grazie al sistema di combustione multistadio, ed in modalità flameless al di sopra di detta temperatura diminuendo ulteriormente le emissioni inquinanti.

Il bruciatore secondo la presente invenzione non necessita quindi di alcun bruciatore pilota, ad esso associato, che porti preventivamente la temperatura del forno al di sopra della temperatura di autoignizione. Nel bruciatore secondo l’invenzione viene utilizzata la tecnica effettuata attraverso la stadiazione dell'aria ottenuta con un solo ingresso di aria e un solo ingresso di gas, ottenendo una prima zona di combustione o zona riducente (ricca di combustibile), ed una seconda zona di combustione o zona ossidante (ricca di aria) comprendente una o più zone intermedie ed una zona finale di combustione in cui la combustione viene completata. Detta seconda zona di combustione comprende almeno un primo tratto di profilo cilindrico ed un secondo tratto avente un profilo interno divergente rispetto l’asse longitudinale del bruciatore.

La combustione multistadio secondo la presente invenzione ha lo scopo di ridurre la formazione di ossidi di azoto attraverso una combustione primaria in eccesso di gas, una diminuzione progressiva dell’eccesso di gas nelle zone intermedie del bruciatore e una combustione finale (secondaria) in eccesso di aria, in modo tale da evitare la concomitanza di alta temperatura e alta concentrazione di O2, causa principale della formazione di NOxtermici. La combustione secondaria ha un rapporto sovra-stech iometrico tale da completare la combustione e mantenere il corretto contenuto di ossigeno all’interno del forno. Questo tipo di combustione multistadio è realizzata tramite una lancia centrale per l’iniezione di gas combustibile e un diffusore d’aria comburente in materiale refrattario, dotato di fori o ugelli, che ha la funzione di dirigere il comburente in diverse zone del bruciatore, via via più lontane rispetto al punto di efflusso del gas da detta lancia, così da individuare in successione: una zona arretrata, cioè molto vicina al punto di efflusso del gas, all’interno di una cavità cilindrica che identifica il primo stadio della combustione, una o più zone intermedie, ed una zona avanzata, a valle di detta cavità cilindrica, che delimita l’ultimo stadio della combustione e ne completa la miscelazione.

La combustione senza il fronte di fiamma (flameless) ha lo scopo di ridurre ulteriormente le emissioni di ossidi di azoto attraverso una combustione diluita, tramite un forte ricircolo dei gas combusti e una bassa percentuale di ossigeno presente nella camera di combustione. Un ulteriore risultato ottenuto da questo sistema di combustione è dovuto a una maggiore uniformità della temperatura all’interno del forno che si può tradurre in una migliore uniformità di temperatura del prodotto.

La combustione flameless è realizzata dal bruciatore secondo la presente invenzione attraverso l’alimentazione del gas combustibile nel forno da una pluralità di lance laterali, poste a distanza determinata dall’asse longitudinale della lancia centrale. L’alimentazione dell’aria rimane vantaggiosamente invariata rispetto alla modalità di funzionamento a stadi. La manovra di passaggio dalla modalità flame alla modalità flameless è eseguita con valvole automatiche scambiando l’ingresso del gas combustibile da un condotto ad un altro mantenendo inalterato l’ingresso dell’aria comburente.

Vantaggiosamente, inoltre, il bruciatore secondo la presente invenzione è collegato all’impianto di alimentazione dei reagenti (aria e gas) attraverso una sola linea di alimentazione per l’aria comburente ed una sola linea di alimentazione per il gas combustibile. Per il gas combustibile detta linea o condotto di alimentazione si suddivide in prossimità del bruciatore in due tubazioni di ingresso utilizzate rispettivamente una in modalità flame e l’altra in modalità flameless.

Risulta, pertanto, che per qualsiasi condizione di utilizzo del bruciatore, le emissioni inquinanti risultano basse se viene utilizzata la combustione multistadio e diminuiscono ulteriormente se si passa alla combustione flameless al di sopra della temperatura di autoignizione del gas. Grazie al sistema di iniezione multistadio dell’aria (in entrambe le modalità di funzionamento) risulta particolarmente vantaggiosa la capacità di poter definire due diverse tipologie di fiamma cambiando la modalità di alimentazione del solo combustibile.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di un bruciatore industriale a bassa emissione di NOx, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 mostra il bruciatore secondo la presente invenzione in una prima vista prospettica;

la Fig. 1a mostra il bruciatore di Fig. 1 in una seconda vista prospettica; la Fig. 2 mostra una sezione trasversale schematica del bruciatore di figura 1;

la Fig. 2a mostra una sezione trasversale schematica dal basso del bruciatore di figura 1 ;

la Fig. 3 mostra una sezione parziale del bruciatore completo di diffusore.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione

Con riferimento alle Figure, viene descritto un bruciatore 1, secondo la presente invenzione, atto a realizzare una combustione mediante la combinazione del funzionamento in modalità a doppio stadio (flame) ed in modalità flameless. Il bruciatore 1 comprende:

- un corpo principale metallico 2 di forma cilindrica,

- un condotto per l’alimentazione dell’aria comburente 8,

- un diffusore refrattario 3 per il passaggio del gas combustibile e dell’aria comburente nella camera di combustione del forno,

- una flangia di attacco 7 alla muratura del forno;

- una lancia di alimentazione 10 del gas per la combustione a doppio stadio,

- una lancia di alimentazione 11 del gas per la combustione flameless, che si suddivide ad una estremità in due o più lance laterali 12,

- un alloggiamento ricavato nel corpo metallico 2 per un dispositivo di accensione pilota 19,

- un alloggiamento ricavato nel corpo metallico 2 per un dispositivo di rilevazione di fiamma 21.

Il condotto per l’alimentazione dell’aria 8 è in comunicazione da un’estremità con le tubazioni dell’impianto di alimentazione attraverso la flangia 4 e dall’altra estremità con il volume 24 all’interno del corpo cilindrico 2. Detto volume 24 è delimitato dal rivestimento isolante 23 interno al corpo 2, dalla parete posteriore 25, ad esempio di forma circolare, e dal diffusore refrattario 3. La parete posteriore 25 è forata per il passaggio della lancia del gas 11, della lancia del gas 10, concentrica e disposta coassialmente all’interno di un tratto della lancia 11 , e per gli alloggiamenti del dispositivo di accensione pilota 19 e del dispositivo di rivelazione di fiamma 21.

Il diffusore refrattario 3, ad esempio di forma cilindrica, è munito di fori 14 per il passaggio di una prima porzione di aria comburente, denominata aria primaria, e fori 15 per il passaggio una seconda porzione di aria comburente, denominata aria secondaria, nella camera del forno. Il diffusore è anche munito di un foro centrale 16 per il passaggio di aria e nel quale è inserita una estremità della lancia 10 per l’alimentazione di gas combustibile in modalità a doppio stadio.

Vantaggiosamente le due o più lance laterali del gas 12 per l’alimentazione in modalità flameless sono posizionate in parte all’interno del volume 24 ed in parte all’interno di alcuni dei fori 15 per il passaggio dell’aria secondaria. Questa configurazione consente, pertanto, un raffreddamento delle lance 12 mediante il passaggio dell’aria al loro esterno. Solitamente nei bruciatori noti eventuali lance laterali sono disposte all’esterno del corpo del bruciatore, rendendo più complesso il sistema di raffreddamento, e sono inoltre provviste di un condotto d’ingresso gas separato.

In una variante preferita del bruciatore sono previste due lance 12 posizionate parzialmente in modo coassiale all’interno di due dei quattro fori 15 per il passaggio dell’aria secondaria nella camera di combustione del forno.

La lancia del gas 10 è in comunicazione da un’estremità con la tubazione dell’impianto di alimentazione attraverso una flangia assiale 6 e dall’altra con il foro 16 situato centralmente nel diffusore refrattario 3. La sezione del foro 16 è la sezione di ingresso di un condotto 13 di comunicazione tra il volume 24 ed una cavità o zona 26, ricavata nel diffusore 3, in cui si affacciano anche i fori 14 per il passaggio dell’aria primaria. La lancia del gas 11 è in comunicazione da un’estremità con la tubazione dell’impianto di alimentazione attraverso la flangia 5, definente un asse ortogonale all’asse della flangia 6, e dall’altra con le almeno due lance del gas 12 per l’alimentazione in modalità flameless.

Per il gas combustibile in prossimità del bruciatore si ha un unico condotto di alimentazione che si suddivide in due tubazioni di ingresso direttamente connesse alle flangie 5 e 6. Queste due tubazioni d’ingresso sono provviste di valvole di commutazione che comandano l’alimentazione alla lancia 10 ed alla lancia 11.

L’ingresso dell’aria nella camera di combustione è attuato tramite i fori 14, 15, 16 realizzati nel diffusore refrattario. In particolare i fori 14, preferibilmente in numero di quattro, consentono l’immissione dell’aria primaria nella prima zona 26 di miscelazione con il gas, ed i fori 15, preferibilmente in numero di quattro, consentono l’immissione dell'aria secondaria nella seconda zona di miscelazione, comprendente le zone 27 e 28 (Fig. 3), disposta a valle della prima zona 26.

Gli assi dei fori 14 sono paralleli e disposti su una superficie cilindrica; sono equidistanti tra loro e dall’asse longitudinale della lancia del gas 10. Analogamente, gli assi dei fori 15 sono paralleli e disposti su una ulteriore superficie cilindrica; anche essi sono equidistanti tra loro e dall’asse X della lancia del gas 10. La loro distanza dall’asse X della lancia del gas 10 è maggiore rispetto a quella degli assi dei fori 14 dell’aria primaria. Secondo la presente invenzione, il bruciatore presenta un ulteriore passaggio d’aria attraverso il foro 16 concentrico con la lancia del gas 10, atto a permettere l’accensione del bruciatore e una prima miscelazione tra i reagenti nel condotto 13.

Il volume della prima zona di miscelazione 26 è delimitato dal tratto cilindrico 9, dalla parete esterna 29 del diffusore refrattario 3 e dalla seconda zona di miscelazione comprendente le zone 27 e 28. In particolare la zona 27 è delimitata, a sua volta, dalla parete esterna 30 del diffusore 3 concentrica alla parete 29, dal tratto cilindrico 17 e dalla zona 28. Detta zona 28 è delimitata dalla zona 27, dal tratto divergente 18, ad esempio di superficie troncoconica, e dalla camera 33 del forno.

Il tratto cilindrico 17 ed il tratto divergente troncoconico 18 (Fig. 3) sono ricavati nella parte di muratura 40 del forno in cui viene inserito il bruciatore.

Nella parete esterna 29 del diffusore refrattario sono previsti, oltre ai fori 14 dell’aria primaria e la sezione di uscita del condotto 13, i fori 20 e 22 (Fig. 2a) per il passaggio rispettivamente del dispositivo di accensione pilota 19 e del dispositivo di rilevazione di fiamma 21 con cella UV.

Nella parete esterna 30 del diffusore refrattario sono previsti i fori 15 dell'aria secondaria e la sezione di uscita delle lance del gas 12.

Il funzionamento con combustione a doppio stadio, utilizzato vantaggiosamente fino a raggiungere la temperatura di autoignizione del gas combustibile, si realizza alimentando simultaneamente il bruciatore 1 con il gas passante per lancia del gas 10, con l’aria primaria passante per i fori 14, con l’aria secondaria passante per i fori 15 e con l’aria passante per il condotto 13, definito anche corona d’aria.

La portata d’aria passante nel condotto 13 ha la funzione di permettere una più facile accensione del bruciatore. Nel caso il bruciatore non sia utilizzato per l’accensione a freddo si può chiudere il foro 16 ed evitare il passaggio di detta aria.

Il gas si miscela con l’aria primaria nella prima zona di miscelazione o combustione 26 creando una combustione sottostechiometrica e un fronte di fiamma che si ancora alla sezione di passaggio tra le zone 26 e 27. Il gas in eccesso e i prodotti di questa prima combustione o combustione primaria si spostano dalla zona 27 verso la zona 28 miscelandosi completamente con l’aria secondaria iniettata mediante i fori 15. La zona 27 e la zona 28 definiscono, pertanto, una seconda zona di combustione.

I getti d’aria secondaria hanno anche la funzione di trascinare i prodotti di combustione già presenti nella camera del forno e mescolarli con l’aria comburente e il gas in eccesso della combustione primaria in modo tale da ridurre la percentuale di O2nel volume in cui avviene la combustione. Si ottiene, quindi, una combustione primaria con bassa concentrazione di O2e una combustione secondaria con percentuale di O2tale da completare la combustione. Il risultato è un bassissimo valore di NOxed una notevole miscelazione e diluizione dei reagenti della combustione secondaria sia con i prodotti della combustione primaria sia con i gas combusti già presenti nella camera del forno. Vantaggiosamente il bruciatore 1 ha un solo condotto 8 di ingresso dell’aria comburente in quanto la ripartizione delle portate di aria è regolata da appropriate dimensioni delle sezioni dei fori 14, 15 e 16.

Vantaggiosamente il funzionamento con combustione flameless, utilizzato preferibilmente ma non necessariamente una volta raggiunta la temperatura di autoignizione del gas combustibile, si realizza alimentando simultaneamente il bruciatore con il gas combustibile passante per le lance 12, con l’aria primaria passante per i fori 14, con l’aria secondaria passante per i fori 15 e con l’aria passante per il condotto o corona d’aria 13. Le alte velocità del gas, uscente dalle lance 12, e del'aria secondaria, uscente dai fori 15, permettono un ricircolo dei prodotti di combustione già presenti nella camera del forno abbassando la percentuale di O2presente nel volume di combustione. Il gas uscente dalle lance 12 si miscela con l’aria passante per il condotto 13, con l’aria primaria, con l’aria secondaria e con i prodotti della combustione in un volume molto vasto della camera del forno. Grazie alla miscelazione diluita, il risultato ottenuto è una combustione di volume nel quale non è più visibile il fronte di fiamma e che vanta una maggiore uniformità di temperatura in tutta la camera del forno, uniformità di flusso termico e minori emissioni inquinanti.

Come già detto, le lance del gas 12 sono poste all’interno di due dei quattro fori 15 per il passaggio dell’aria secondaria ed hanno vantaggiosamente sezione tale da permettere un passaggio minimo di aria dai due fori.

Con il bruciatore, secondo la presente invenzione, a qualsiasi range di funzionamento del bruciatore, di potenza termica e di temperatura del forno, le emissioni inquinanti sono mantenute a livelli bassissimi a prescindere dalla modalità di combustione, a doppio stadio con fiamma visibile a qualsiasi temperatura o flameless a temperature superiori della temperatura di autoignizione. Detto bruciatore è dotato, inoltre, del dispositivo di rilevazione di fiamma 21 con cella UV che ha lo scopo di rilevare la fiamma quando la combustione è del tipo a doppio stadio. Quando viene utilizzato il funzionamento in modalità flameless la cella UV non può essere utilizzata a causa dell'assenza di un fronte di fiamma definito.

La manovra di passaggio da una modalità di funzionamento all’altra è eseguita con mezzi di commutazione comprendenti, ad esempio, valvole automatiche scambiando l’ingresso di gas da un condotto ad un altro, ossia dalla flangia 6 alla flangia 5 o viceversa.

Di seguito vengono riportati alcuni parametri del processo di combustione, che garantiscono una combustione efficace, ed alcuni dati progettuali del bruciatore secondo la presente invenzione:

- la velocità media di iniezione deH’aria comburente può variare tra 20÷170 m/s con aria preriscaldata a 200÷550°C; preferibilmente le velocità ottimali sono comprese tra 90 e 130 m/s;

- la ripartizione dell’aria nei diversi stadi della combustione è: 0÷40% per l’aria di premiscela uscente dal condotto o corona 13, 5÷60% per l’aria primaria, 5÷75% per l’aria secondaria; preferibilmente la ripartizione ottimale è 0÷20% per l’aria di premiscela, 25÷50% per l’aria primaria, 35÷75% per l’aria secondaria;

- la pressione dell’aria comburente in ingresso nel condotto 8 può variare tra 30÷55 mbar;

- la pressione del gas combustibile in ingresso al bruciatore, a monte della biforcazione delle due tubazioni di alimentazione connesse alle flangie 5 e 6, può variare tra 50÷170 mbar, preferibilmente tra 100÷170 mbar;

- la lunghezza assiale del tratto cilindrico 17 può variare tra 5÷150 mm preferibilmente tra 40÷90 mm; la lunghezza elevata del tratto cilindrico 17 privilegia la stabilità di fiamma e penalizza al tempo stesso le emissioni inquinanti;

- l’angolazione del tratto divergente 18, a valle del tratto cilindrico 17, può variare tra 10÷ 65° rispetto l’asse X, preferibilmente tra 20÷45°;

- il numero di fori 14 per l’aria primaria può variare tra 2÷6;

- il numero di fori 15 per l’aria secondaria può variare tra 2÷6;

- il numero delle lance del gas 12 può variare tra 2÷4;

- il rapporto fra il diametro delle lance 12 e quello dei fori 15 può essere compreso tra 0,1 e 1, preferibilmente tra 0,5 a 1;

- il rapporto tra la sezione del foro centrale 16 per il passaggio dell’aria di premiscela e la somma delle sezioni di tutti i fori 14, 15 e 16 per il passaggio dellaria può variare tra 0÷0,2;

- il rapporto tra la somma delle sezioni dei fori 14 per l’aria primaria e la somma delle sezioni di tutti i fori 14, 15 e 16 per il passaggio dell'aria può variare tra 0,25÷0,5;

- il rapporto tra la somma delle sezioni dei fori 15 per l'aria secondaria e la somma delle sezioni di tutti i fori 14, 15 e 16 per il passaggio dell’aria può variare tra 0,35÷0,75;

- il rapporto tra la sezione delle lance del gas 12 e la lancia del gas centrale 10 può variare tra 0,25÷0,5;

- definito un rapporto x pari alla distanza tra l’asse della lancia del gas centrale 10 e l’asse di uno dei fori 15 per l’aria secondaria diviso la distanza tra lo stesso asse della lancia centrale 10 e l’asse di uno dei fori 14 per l’aria primaria può variare tra 1,2÷3,5, preferibilmente tra 2÷3,2;

- la distanza dell’asse di una delle lance 12 dall’asse della lancia del gas centrale 10 dipende (Fig. 2) dalla distanza dei fori 15 per l’aria secondaria dall’asse della lancia del gas centrale 10.

In particolare, il numero, il dimensionamento e la disposizione dei fori 14, 15 nel diffusore refrattario 3 consente di realizzare con efficienza la combustione a doppio stadio e l’intero processo di combustione secondo l’invenzione.

Vantaggiosamente nel caso di modalità di funzionamento a doppio stadio la velocità media del gas combustibile uscente dalla lancia centrale 10 può variare tra 5÷70 m/s, preferibilmente tra 25÷55 m/s, mentre nel caso di modalità di funzionamento flameless la velocità del gas combustibile uscente dalle lance laterali 12 può variare tra 30÷200 m/s, preferibilmente tra 100÷190 m/s.

Il processo di combustione a bassissime emissioni di NOx anche a freddo, oggetto della presente invenzione e realizzabile mediante il bruciatore sopra descritto, comprende i seguenti passi:

a) riscaldo della camera di combustione di un forno, con il quale detto bruciatore agisce in cooperazione, fino a raggiungere la temperatura di autoignizione di un gas combustibile utilizzato, detto riscaldo essendo eseguito mediante le operazioni di

- iniezione del gas combustibile attraverso una prima lancia 10, disposta centralmente all’interno del bruciatore, in una prima zona di miscelazione 26 della camera di combustione;

- eventuale iniezione di aria di premiscela fino al 40% dell’aria totale, solo nel caso che il bruciatore si accenda a freddo;

- iniezione di una prima porzione di aria comburente, denominata aria primaria, in percentuale compresa tra il 5 ed il 60% deH’aria totale, in detta prima zona di miscelazione 26 attraverso primi fori longitudinali 14 del diffusore refrattario 3 disposti lungo una prima superficie cilindrica in modo che avvenga una combustione primaria in eccesso di gas;

- iniezione di una seconda porzione di aria comburente, denominata aria secondaria, in percentuale compresa tra il 5 ed il 75% dell’aria totale, in una seconda zona di miscelazione 27 della camera di combustione, disposta a valle della prima zona 26, attraverso secondi fori longitudinali 15 del diffusore refrattario 3 disposti lungo una seconda superficie cilindrica coassiale ed esterna rispetto alla prima superficie, in modo che avvenga una combustione secondaria in eccesso di aria che completa la combustione di detta prima porzione di gas combustibile;

b) quando la temperatura della camera di combustione è superiore a quella di autoignizione del gas combustibile, il processo di combustione prosegue prevedendo le operazioni di

- iniezione del gas combustibile nella seconda zona di miscelazione 27, 28 attraverso almeno due seconde lance 12, disposte lateralmente all'interno del bruciatore e ciascuna di esse almeno parzialmente alloggiata all'interno di un rispettivo secondo foro 15;

- iniezione di detta prima porzione di aria comburente, in percentuale compresa tra il 5 ed il 60% deN’aria totale, in detta prima zona di miscelazione 26 attraverso i primi fori longitudinali 14 ed iniezione di detta seconda porzione di aria comburente, in percentuale compresa tra il 5 ed il 75% deH’aria totale, nella seconda zona di miscelazione 27, 28 attraverso i secondi fori longitudinali 15, in modo che avvenga una combustione senza un visibile fronte di fiamma per via di una diluizione di gas combustibile e aria comburente ad opera dei prodotti di combustione presenti nella camera di combustione;

in cui la variazione dell’iniezione del gas combustibile nel passaggio dal passo a) al passo b) avviene mediante idonei mezzi di commutazione, ad esempio mediante una o più valvole.

Quando la temperatura della camera di combustione è superiore a quella di autoignizione del gas combustibile, il processo di combustione può anche proseguire con la modalità dello stesso stadio a), ossia con una modalità di combustione a doppio stadio e fiamma visibile, garantendo sempre basse emissioni di NOx. In alternativa, si può vantaggiosamente passare allo stadio b) variando l’alimentazione del gas combustibile, dal la lancia centrale a due o più lance o ugelli laterali, e lasciando inalterata l'immissione di aria comburente prevista nello stadio a), in modo da ottenere una combustione senza un visibile fronte di fiamma per via della forte diluizione dei reagenti (aria e gas) ad opera dei gas combusti.

Utilizzando la combustione a doppio stadio la prima zona di miscelazione 26 rappresenta una zona riducente della camera di combustione (reazione in eccesso di gas), mentre la seconda zona di miscelazione o combustione, comprendenti le zone 27 e 28, rappresenta una zona ossidante (reazione in eccesso di aria). In questa seconda zona bruciano la parte rimanente di gas combustibile, l’aria comburente secondaria ed i prodotti della combustione primaria ottenendo una combustione secondaria in eccesso di aria che completa la combustione del passo a).

Il processo secondo l’invenzione consente di minimizzare le emissioni inquinanti in qualsiasi range di funzionamento, sia in termini di potenza del bruciatore, che di temperatura di esercizio del forno, che di temperatura deN’aria comburente, che di eccesso di ossigeno nella camera, ecc. Per eseguire il suddetto processo secondo l’invenzione possono essere previsti mezzi di elaborazione e controllo del processo, integrati con il bruciatore sopra descritto. Detto bruciatore, ad elevata flessibilità in qualsiasi condizione di utilizzo, presenta vantaggiosamente bassi costi di realizzazione, è caratterizzato da livelli emissivi particolarmente bassi fin dal primo istante del suo funzionamento permettendo pertanto risultati industriali particolarmente interessanti in tutti i range di funzionamento di un tipico forno di riscaldo. In particolare, grazie alla facilità di commutazione delle condizioni di fiamma, il bruciatore presenta un ampio campo di “temperature di camera" alle quali il suo funzionamento presenta una sostanziale stabilità di fiamma. Il bruciatore dell’invenzione garantisce, pertanto, emissioni basse anche quando nel forno le temperature di esercizio, per un certo periodo, oscillano in prossimità della temperatura di autoignizione del gas combustibile.

Ulteriori vantaggi del bruciatore sono:

- la semplicità di installazione su impianti tipici di combustione;

- e l’unico ingresso previsto per l’aria comburente.

I modi particolari di realizzazione qui descritti non limitano il contenuto di questa domanda che copre tutte le varianti dell’invenzione definite dalle rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Bruciatore industriale (1) a basse emissioni di NOxcomprendente: - un corpo metallico cavo (2) definente un asse longitudinale (X), - un diffusore refrattario (3), disposto ad una estremità aperta del corpo cavo (2) in modo da definire un volume (24) all'interno di detto corpo, - una prima zona di combustione (26), ricavata in una cavità di detto diffusore refrattario (3), - una seconda zona di combustione (27, 28), a valle della prima camera di combustione e comunicante con questa, - una prima lancia di iniezione (10) del gas combustibile, disposta centralmente all’interno di detto corpo cavo (2), comunicante ad una estremità con detta prima zona di combustione (26), - almeno due seconde lance di iniezione (12) del gas combustibile, disposte lateralmente all'interno di detto corpo cavo (2), direttamente comunicanti ad una estremità con detta seconda zona di combustione (27, 28), - mezzi di commutazione atti a commutare l’iniezione del gas combustibile dalla prima lancia di iniezione (10) alle seconde lance di iniezione (12) o viceversa, - un condotto per l’alimentazione di aria comburente (8) in detto volume (24), - primi fori longitudinali (14), previsti nel diffusore refrattario (3) e disposti lungo una prima superficie laterale cilindrica, la cui sezione di uscita è direttamente comunicante con la prima zona di combustione (26), per l’iniezione di una prima porzione di aria comburente, - secondi fori longitudinali (15), previsti nel diffusore refrattario (3) e disposti lungo una seconda superficie laterale cilindrica coassiale ed esterna alla prima superficie, la cui sezione di uscita è direttamente comunicante con la seconda zona di combustione (27, 28), per l’iniezione di una seconda porzione di aria comburente, in cui ciascuna di dette seconde lance di iniezione (12) è almeno parzialmente alloggiata all’interno di un rispettivo secondo foro longitudinale (15), detto bruciatore essendo atto a realizzare una combustione multistadio con fronte visibile di fiamma durante la fase di riscaldamento della camera di combustione fino al raggiungimento della temperatura di autoignizione del gas combustibile e, indifferentemente, una combustione multistadio con fronte visibile di fiamma o una combustione senza un visibile fronte di fiamma a temperature più elevate di detta temperatura di autoignizione, garantendo basse emissioni di NOx in qualunque regime di funzionamento.
2. Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui sia il numero dei primi fori longitudinali (14) che il numero dei secondi fori longitudinali (15) può variare tra 2÷6.
3. Bruciatore secondo la rivendicazione 2, in cui il numero delle seconde lance di iniezione (12) può variare tra 2÷4.
4. Bruciatore secondo la rivendicazione 3, in cui il rapporto fra il diametro delle seconde lance di iniezione (12) e quello dei secondi fori longitudinali (15) è compreso tra 0, 1 e 1.
5. Bruciatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui è prevista una ulteriore lancia di iniezione (11) del gas combustibile, coassiale ed esterna alla prima lancia di iniezione (10), che si suddivide ad una prima estremità nelle dette almeno due seconde lance di iniezione (12), mentre ad una seconda estremità è atta ad essere in comunicazione con la tubazione dell’impianto di alimentazione del gas combustibile attraverso una prima flangia (5).
6. Bruciatore secondo la rivendicazione 5, in cui sono previste due seconde lance di iniezione (12) posizionate parzialmente in modo coassiale all'interno di due di quattro secondi fori longitudinali (15).
7. Bruciatore secondo la rivendicazione 6, in cui la prima lancia di iniezione (10) ha una prima estremità inserita in foro centrale (16), previsto nel diffusore (3) e comunicante il volume (24) con la prima zona di combustione (26), ed una seconda estremità atta ad essere in comunicazione con la tubazione di un impianto di alimentazione del gas combustibile attraverso una flangia assiale (6).
8. Bruciatore secondo la rivendicazione 7, in cui detta prima superficie laterale cilindrica è coassiale ed esterna rispetto a detto foro centrale (16).
9. Bruciatore secondo la rivendicazione 8, in cui la seconda zona di combustione (27, 28) comprende almeno un primo tratto cilindrico (17), avente una estensione longitudinale compresa tra 5÷150 mm, ed un secondo tratto avente un profilo interno divergente (18) con una angolazione di 10÷ 65° rispetto l’asse (X).
10. Bruciatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui in detto corpo (2) sono previsti un primo alloggiamento per un dispositivo di accensione pilota (19) ed un secondo alloggiamento per un dispositivo di rilevazione di fiamma (21).
11. Bruciatore secondo la rivendicazione 10, in cui in una parete (29) di detta cavità cilindrica, perpendicolare all’asse (X), sono previsti, oltre ai primi fori longitudinali (14) ed al foro centrale (16), ulteriori due fori (20, 22) per il passaggio rispettivamente di detto dispositivo di accensione pilota (19) e di detto dispositivo di rilevazione di fiamma (21).
12. Processo di combustione a bassissime emissioni di NOx, realizzabile mediante il bruciatore secondo la rivendicazione 1 ed un forno con il quale detto bruciatore agisce in cooperazione, comprendente i seguenti passi: a) riscaldo della camera di combustione di un forno fino a raggiungere la temperatura di autoignizione di un gas combustibile utilizzato, detto riscaldo essendo eseguito mediante le operazioni contemporanee di - iniezione di gas combustibile attraverso una prima lancia di iniezione (10), disposta centralmente all’interno del bruciatore, in una prima zona di combustione (26) della camera di combustione; - iniezione di una prima porzione di aria comburente in detta prima zona di combustione (26) attraverso primi fori longitudinali (14) del diffusore refrattario (3) disposti lungo una prima superficie laterale cilindrica in modo che avvenga una combustione primaria in eccesso di gas; - iniezione di una seconda porzione di aria comburente in una seconda zona di combustione (27, 28), disposta a valle della prima zona di combustione (26), attraverso secondi fori longitudinali (15) del diffusore refrattario (3) disposti lungo una seconda superficie laterale cilindrica coassiale ed esterna rispetto alla prima superficie, in modo che avvenga una combustione secondaria in eccesso di aria che completa la combustione di detta prima porzione di gas combustibile; b) quando la temperatura della camera di combustione è superiore a quella di autoignizione del gas combustibile, il processo di combustione prosegue prevedendo le seguenti operazioni contemporanee di - iniezione di gas combustibile nella seconda zona di combustione (27, 28) attraverso almeno due seconde lance di iniezione (12), disposte lateralmente all'interno del bruciatore e ciascuna di esse almeno parzialmente alloggiata all'interno di un rispettivo secondo foro (15); - iniezione di detta prima porzione di aria comburente in detta prima zona di combustione (26) attraverso i primi fori longitudinali (14) ed iniezione di detta seconda porzione di aria comburente nella seconda zona di combustione (27, 28) attraverso i secondi fori longitudinali (15), in modo che avvenga una combustione senza un visibile fronte di fiamma per via di una diluizione di gas combustibile e aria comburente ad opera dei prodotti di combustione presenti nella camera di combustione (33); in cui la variazione dell'iniezione del gas combustibile nel passaggio dal passo a) al passo b) avviene mediante idonei mezzi di commutazione.
13. Processo secondo la rivendicazione 12, in cui l’iniezione della prima e della seconda porzione di aria comburente è ottenuta alimentando, mediante un condotto (8), aria comburente in un volume (24) del bruciatore, delimitato dal diffusore (3), ad una predeterminata pressione.
14. Processo secondo la rivendicazione 13, in cui detta predeterminata pressione può variare tra 30÷55 mbar.
15. Processo secondo la rivendicazione 14, in cui la velocità media di iniezione dell’aria comburente può variare tra 20÷170 m/s con aria preriscaldata a 200÷550°C.
16. Processo secondo la rivendicazione 15, in cui la prima porzione di aria comburente è in percentuale compresa tra il 5 ed il 60% deH’aria totale, preferibilmente tra il 25 ed il 50%.
17. Processo secondo la rivendicazione 16, in cui la seconda porzione di aria comburente è in percentuale compresa tra il 5 ed il 75% deH’aria totale, preferibilmente tra il 35 ed il 75%.
18. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 17, in cui è prevista una iniezione di aria di premiscela attraverso un foro centrale (16), previsto nel diffusore (3) e comunicante il volume (24) con la prima zona di combustione (26), nel caso in cui si preveda una accensione a freddo del bruciatore.
19. Processo secondo la rivendicazione 18, in cui l’aria di premiscela è in percentuale fino al 40% deN’aria comburente totale, preferibilmente fino al 20%.
20. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 19, in cui la pressione di alimentazione del gas combustibile in ingresso al bruciatore può variare tra 50÷170 mbar.
21. Processo secondo la rivendicazione 20, in cui durante il passo a) la velocità media del gas combustibile uscente dalla prima lancia di iniezione (10) è compresa tra 5÷70 m/s, mentre durante il passo b) in cui la combustione avviene senza un visibile fronte di fiamma la velocità del gas combustibile uscente dalle seconde lance di iniezione (12) è com presa tra 30÷200 m/s.