ITMI20101734A1 - Scambiatore di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici, apparato di trattamento di fumi di impianti siderurgici comprendente tale scambiatore di calore e relativo metodo di trattamento - Google Patents

Description

Scambiatore di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici, apparato di trattamento di fumi di impianti siderurgici comprendente tale scambiatore di calore e relativo metodo di trattamento.

La presente invenzione si riferisce a uno scambiatore di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici.

La presente invenzione si riferisce, inoltre, a un apparato di trattamento di fumi di impianti siderurgici comprendente tale scambiatore di calore e relativo metodo di trattamento.

Con specifico riferimento agli impianti siderurgici e, in particolare, agli impianti per la produzione di acciaio, à ̈ noto che essi emettono grandi quantità di fumi a temperature che variano fra 1500-1800°C (all’uscita di forni elettrici) e 800-900°C (all’uscita di post-combustori o di sistemi di preriscaldamento del materiale di carica), nei quali sono presenti sia polveri contenenti ossidi, metalli e ossidi metallici (Fe, CaO, Al2O3, SiO2, MnO, Zn, Cu, Cr, Ni, etc.), sia sostanze inquinanti, quali per esempio i prodotti di combustione di sostanze organiche polimeriche presenti nel materiale di carica.

Le normative vigenti in diversi Paesi impongono severe restrizioni alla temperatura e alla composizione delle emissioni in atmosfera, per soddisfare le quali i fumi devono essere sottoposti a trattamenti di raffreddamento e abbattimento che gravano pesantemente sui costi di conduzione degli impianti.

Al fine di limitare l’impatto economico di tali trattamenti, sono state da tempo sviluppate tecnologie volte a recuperare sia il calore dei fumi, sia le polveri in essi contenute.

Per quanto riguarda le polveri, esse, una volta separate dai fumi in appositi apparati di depolverizzazione, vengono sottoposte a trattamenti di recupero delle sostanze riutilizzabili in esse presenti, tra le quali, in particolare, i metalli quali Fe, Zn, Pb, Cr e altri. Tali trattamenti sono noti e consolidati da tempo e si basano su processi di pirometallurgia o di piro-idrometallurgia.

Per quanto riguarda il calore dei fumi, esso à ̈, per esempio, usato per pre-riscaldare il materiale di carica dei forni elettrici o aria utilizzata come comburente in processi di post-combustione dei fumi stessi o come fonte energetica per la produzione di vapore.

Tecnologie di tal tipo sono per esempio descritte in WO2005/083130 e in US4,655,436.

Un aspetto che riguarda in particolare i fumi siderurgici e, ancora più in particolare, i fumi di acciaieria à ̈ la presenza in essi di diossine e/o furani, intendendo indicare con tali termini l’intera classe “tossicologica†delle diossine, diossino-simili e furani e/o di loro precursori.

La presenza di tali sostanze à ̈ dovuta, in via principale, all’utilizzo di materie prime contenti sostanze organiche polimeriche, in particolare sostanze clorurate, come materiale di carica dei forni per la produzione di acciaio. Tali materie prime sono per esempio costituite da rottami metallici nei quali sono presenti, per esempio, vernici, oli, gomme, materie plastiche e simili.

E’ noto che le diossine vengono eliminate per combustione mantenendo i fumi a temperature superiori a 800-850°C per un tempo sufficientemente lungo. Tuttavia, à ̈ anche noto che le diossine si possono riformare nelle sezioni “fredde†degli impianti di trattamento dei fumi. Infatti, qualora nei fumi siano presenti precursori (clorebenzene e clorefenoli) delle diossine, formatisi dalla combustione di sostanze organiche polimeriche presenti nei rottami usati come materiale di carica, questi precursori, nell’intervallo di temperatura compreso fra circa 800°C e circa 200°C, reagiscono formando le diossine in misura tanto maggiore quanto più lungo à ̈ il tempo di permanenza in tale intervallo di temperatura.

La presenza nei fumi degli impianti siderurgici, e in particolare nei fumi degli impianti di produzione dell’acciaio, sia di polveri, sia di inquinanti chimici, fra i quali le diossine, i furani e/o i loro precursori, oltre che di altre sostanze quali acidi e sali, rende problematico il recupero del calore contenuto nei fumi stessi al fine di un suo riutilizzo. Da un lato, infatti, le polveri, tra cui gli ossidi metallici, hanno un effetto abrasivo ed erosivo sulle superfici con le quali vengono a contatto, per limitare il quale si riduce la velocità di flusso dei fumi. Al diminuire della velocità di flusso dei fumi, tuttavia, aumenta la separazione da essi e il deposito delle polveri stesse che, a causa del loro limitato coefficiente di scambio termico, riducono la capacità di scambio termico. Dall’altro lato, occorre garantire che il contenuto di sostanze inquinanti, tossiche o nocive, in particolare di diossine e furani presenti nei fumi immessi in atmosfera, rientri nei limiti imposti dalle normative.

Le tecnologie a oggi sviluppate sono state focalizzate sull’abbattimento delle sostanze inquinanti, tossiche o nocive. Tali tecnologie si basano su trattamenti chimici, fisici e termici.

Un trattamento chimico noto consiste nell’iniettare un opportuno agente chimico, avente per esempio proprietà di inibire la formazione di tali sostanze o di catturare i loro precursori, direttamente entro un tratto del percorso seguito dai fumi, come per esempio descritto in JP2008-049206 o in JP2007-268372.

L’aggiunta di agenti chimici in un ambiente inquinato e sporco come quello interno ai condotti attraversati dai fumi di impianti siderurgici, la cui composizione inoltre non à ̈ costante e nota a priori, può dare origine a reazioni chimiche non prevedibili e dalle quali si possono formare sostanze diverse da quelle previste e che possono essere nocive per l’ambiente e/o per l’impianto stesso.

Inoltre, l’iniezione di tali agenti chimici direttamente nei condotti percorsi dai fumi rende difficile garantire una loro distribuzione omogenea. Infine, le polveri e il particolato presenti nei fumi tendono a intercettare e inglobare gli agenti chimici iniettati, riducendone l’efficacia.

Un altro trattamento chimico noto consiste nel cosiddetto “lavaggio†(scrubbing) dei fumi mediante iniezione di acqua, nebulizzata o in forma di pioggia, direttamente nei condotti percorsi dai fumi o in apposite camere o torri previste lungo il percorso seguito dai fumi stessi.

Un esempio di un sistema di “lavaggio†e contemporaneo raffreddamento dei fumi mediante nebulizzazione di acqua direttamente nel condotto di scarico dei fumi à ̈ descritto in GB 1,235,803.

L’acqua introdotta nel flusso di fumi dissolve le sostanze solubili in essi presenti. Tale trattamento, tuttavia, ha un’efficacia limitata nei confronti di diossine e furani a causa della bassa solubilità di tali composti in acqua. Efficacia che incrementa qualora venga introdotto nel fluido di lavaggio coke attivato.

Tali sistemi, inoltre, presentano il problema dello smaltimento dei reflui, le sostanze nocive, infatti, vengono di fatto trasferite nel fluido di lavaggio, il quale, quindi, dovrà essere opportunamente trattato o smaltito.

L’efficacia dei trattamenti di tipo chimico sopra descritti (per iniezione diretta di agenti chimici o per lavaggio), infine, à ̈ limitata dalla temperatura dei fumi. Tanto maggiore à ̈ tale temperatura, tanto maggiore à ̈ la possibilità che l’agente chimico o il fluido di lavaggio evapori senza esplicare la propria azione o rilasciando il particolato da esso catturato.

I trattamenti di tipo fisico si basano sull’impiego di filtri, in particolare di filtri a carbone attivo. L’efficacia di tali filtri à ̈, tuttavia, legata alla temperatura dei fumi che li attraversano, tanto più alta à ̈ tale temperatura, tanto minore à ̈ l’efficacia di filtrazione. Essi, quindi, richiedono un abbattimento della temperatura dei fumi in ingresso oltre che almeno un trattamento di pre-filtrazione o decantazione al fine di evitare l’intasamento del filtro stesso e, quindi, la sua rigenerazione o sostituzione.

Al fine di ridurre la temperatura dei fumi da filtrare, così come di quelli da sottoporre a trattamento chimico, à ̈ noto sia miscelarli ad aria ambiente, sia trattarli in uno scambiatore di calore di tipo radiante e noto nel settore come “hair pin cooler†.

Nel caso in cui i fumi vengano miscelati ad aria ambiente, si assiste a uno svantaggioso incremento dei volumi da trattare.

Gli scambiatori di calore di tipo radiante, invece, sono utilizzati per ridurre la temperatura dei fumi da trattare sia mediante iniezione in essi di polveri di coke attivo, sia mediante filtrazione degli stessi attraverso un letto a carbone attivo.

Essi sono costituiti da un fascio di tubi di diametro compreso fra 300 mm e 600 mm, di lunghezza compresa fra 8 m e 20 m, collocati all’esterno dei capannoni di un impianto siderurgico ove, in aggiunta alla trasmissione per radiazione del calore dalla parete del condotto all’ambiente circostante, l’aria ambiente che lambisce i tubi funge da fluido refrigerante. Un tal tipo di raffreddamento non presenta caratteristiche costanti e ripetibili; si pensi anche solo alle variazioni climatiche che influiscono sulla temperatura dell’aria ambiente. In tali scambiatori di calore, inoltre, a causa delle dimensioni dei tubi, i fumi subiscono un forte rallentamento che, se da un lato riduce l’effetto abrasivo che essi hanno sui tubi stessi, dall’altro lato favorisce il deposito delle polveri, in particolare degli ossidi metallici, che ostacolano poi lo scambio termico.

Infine, allo specifico scopo di ostacolare la sintesi delle diossine nelle zone “fredde†degli impianti di trattamento dei fumi, à ̈ noto sottoporre questi ultimi a cosiddetto “raffreddamento rapido†(quenching).

Attualmente il quenching viene eseguito con metodi a “umido†o con metodi a “secco†.

I metodi di quenching a “umido†sono del tutto simili a un trattamento di lavaggio (scrubbing) e consistono nel nebulizzare o nell’iniettare un fluido refrigerante, in generale acqua, nel flusso di fumi. Tali metodi, quindi, presentano gli stessi inconvenienti sopra evidenziati in relazione ai metodi di lavaggio, tra i quali, in particolare, la produzione di reflui da trattare o smaltire.

I metodi di quenching a “secco†si basano sull’insufflaggio di aria nel flusso dei fumi, come per esempio descritto in JP2000210522, o sull’impiego di scambiatori di calore a fascio tubiero, come per esempio descritto in CN101274212 o in JP59112197.

Negli scambiatori di calore a fascio tubiero, tuttavia, si formano facilmente e frequentemente depositi e incrostazioni di polveri che, da un lato, riducono l’efficienza di scambio termico e, quindi, la drasticità della riduzione di temperatura richiesta per un efficace quenching, e che, dall’altro lato, intasano i tubi ostacolando il flusso dei fumi.

Per ovviare a tali inconvenienti si prevede, generalmente, un elevato numero di tubi così da compensare la riduzione di velocità di flusso e di scambio termico che si può generare durante il funzionamento degli scambiatori di tal genere.

In ogni caso, tali scambiatori di calore richiedono interventi di pulizia che possono essere condotti solo durante un fermo impianto e che sono rese complesse e laboriose dalla presenza di numerosi tubi.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di ovviare agli inconvenienti della tecnica nota sopra descritti.

In particolare, scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire uno scambiatore di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici che consenta di ridurre velocemente e drasticamente la temperatura di tali fumi al fine di controllare la sintesi di diossine e/o furani in modo da rispettare i limiti delle loro concentrazioni imposti dalle norme relative alle emissioni in atmosfera.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire uno scambiatore di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici che sia strutturalmente e costruttivamente semplice e che permetta di eseguire interventi di manutenzione o pulizia in modo agevole, anche senza richiedere il fermo impianto.

Altro scopo ancora del presente trovato à ̈ quello di fornire uno scambiatore di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici che consenta di recuperare il calore sottratto ai fumi che lo attraversano.

Uno scopo ancora della presente invenzione à ̈ quello di fornire un apparato di trattamento di fumi di impianti siderurgici e relativo metodo di trattamento che consentano di ridurre drasticamente e velocemente la temperatura dei fumi al fine di controllare la sintesi di diossine e/o furani, in modo da rispettare i limiti delle loro concentrazioni imposti dalle norme, e che permettano di recuperare in modo efficiente il calore estratto dai fumi stessi.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare uno scambiatore di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici e un apparato di trattamento di fumi di impianti siderurgici particolarmente semplici e funzionali, con costi contenuti.

Questi scopi secondo la presente invenzione sono raggiunti realizzando uno scambiatore di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici, caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura di supporto di almeno un modulo che a sua volta comprende un collettore di ingresso dei fumi e un collettore di uscita dei fumi che sono tra loro contrapposti e allineati, una pluralità di pannelli che si estendono fra detto collettore di ingresso e detto collettore di uscita e che sono tra loro sovrapposti a una definita distanza l’uno dall’altro, in cui coppie di pannelli adiacenti definiscono canali di flusso di detti fumi che sono chiusi lateralmente da spalle e che hanno alle estremità opposte rispettivamente una bocca di ingresso in comunicazione con detto collettore di ingresso e una bocca di uscita in comunicazione con detto collettore di uscita, e condotti di circolazione di un fluido refrigerante associati a detti pannelli.

In una preferita forma di realizzazione le coppie di pannelli, ovvero i canali di flusso dei fumi, si alternano a intercapedini definite fra i pannelli stessi.

In un’ulteriore preferita forma di realizzazione sono previste due spalle laterali che chiudono i lati opposti di tutti i canali di flusso dei fumi. In alternativa, ciascun canale à ̈ chiuso lateralmente da una rispettiva coppia di spalle. In ogni caso le spalle, siano esse tali da chiudere contemporaneamente tutti i canali o singolarmente ciascun canale, sono di tipo rimovibile, così da consentire un facile accesso all’interno dei canali stessi per l’esecuzione di interventi di pulizia e manutenzione.

In una preferita forma di realizzazione sono previsti primi mezzi di chiusura, contemporanea o selettiva, delle bocche di ingresso dei canali di flusso dei fumi ed eventualmente anche secondi mezzi di chiusura, contemporanea o selettiva, delle bocche di uscita dei canali stessi.

In un’ulteriore preferita forma di realizzazione ciascun canale di flusso dei fumi à ̈ chiuso lateralmente da rispettive spalle rimovibili e sono previsti primi e secondi mezzi di chiusura selettiva delle bocche di ingresso e di uscita dei canali stessi. Tale configurazione consente di escludere un canale dal flusso dei fumi sia per poter intervenire su esso con operazioni di manutenzione e pulizia, sia per far fronte a una riduzione dei volumi di fumi da trattare, pur mantenendo operativi gli altri.

In un’ulteriore preferita forma di realizzazione sono previsti due moduli in serie, con i rispettivi canali allineati sulla verticale.

La sezione trasversale dei canali di flusso dei fumi può decrescere a partire della loro bocca di ingresso verso la loro bocca di uscita, ciò al fine di compensare la riduzione di volume subita dai fumi man mano si raffreddano e mantenere un’elevata velocità di flusso.

Forma oggetto della presente invenzione anche un apparato di trattamento di fumi di impianti siderurgici, comprendente un gruppo di captazione dei fumi in uscita da un forno ad arco elettrico o da un convertitore, un gruppo di pre-trattamento dei fumi captati, uno scambiatore di calore come sopra definito e il cui collettore di ingresso à ̈ collegato all’uscita di detto gruppo di pre-trattamento e il cui collettore di uscita à ̈ collegato a un gruppo di aspirazione dei fumi, un gruppo di post-trattamento dei fumi in uscita da detto scambiatore, un circuito del fluido refrigerante che opera in detto scambiatore, in cui lungo detto circuito à ̈ posto un gruppo di raffreddamento del fluido refrigerante in uscita da detto scambiatore con recupero del calore sottratto a detto fluido refrigerante per la produzione di energia o di un fluido caldo di servizio.

Forma altresì oggetto della presente invenzione un metodo di trattamento di fumi di impianti siderurgici, comprendente le fasi consistenti nel:

- captare i fumi in uscita da un forno ad arco elettrico o da un convertitore a una temperatura compresa fra 500°C e 1800°C;

- pre-trattare i fumi captati in un gruppo di pretrattamento così da ottenere in uscita da quest’ultimo fumi a una temperatura prossima a 800-900°C;

- far attraversare ai fumi pre-trattati uno scambiatore di calore riducendo la loro temperatura a un valore prossimo a 200°C con una velocità media di quenching maggiore o uguale a 300°C/sec, preferibilmente di 350°C/sec e ancora più preferibilmente di 400°C/sec, trasferendo il calore sottratto a detti fumi a un fluido refrigerante;

- recuperare il calore trasferito a detto fluido refrigerante per la produzione di energia o di un fluido caldo di servizio.

La fase di raffreddamento dei fumi avviene in uno scambiatore di calore oggetto della presente invenzione il quale viene attraversato dai fumi con una velocità di flusso media maggiore o uguale a 15m/s e consente di ridurre rapidamente e drasticamente la temperatura dei fumi da 800-900°C a 200°C circa controllando la sintesi di diossine e furani.

Il fluido refrigerante à ̈ olio diatermico e il calore da esso sottratto ai fumi viene recuperato per produrre energia, in particolare energia elettrica, o un fluido caldo di servizio, quale vapore o acqua calda, o utilizzato esso stesso come fluido vettore.

Le caratteristiche e i vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 Ã ̈ una sezione schematica in alzato laterale di uno scambiatore di calore secondo la presente invenzione;

le figure 2 e 3 mostrano, schematicamente e su scala ingrandita, i particolari d’estremità dello scambiatore di figura 1;

la figura 4 mostra, schematicamente e su scala ingrandita, un particolare di figura 3;

la figura 5 Ã ̈ una vista in assonometria schematica dello scambiatore di figura 1 privo della struttura di supporto;

la figura 6 Ã ̈ una sezione schematica secondo il piano VI-VI di figura 5;

la figura 7 mostra, schematicamente e in spaccato parziale, un particolare d’estremità di figura 5;

la figura 8 mostra, schematicamente e in esploso, una porzione di un canale di flusso di fumi dello scambiatore secondo la presente invenzione;

la figura 9 Ã ̈ una sezione schematica secondo il piano IX-IX di un pannello dello scambiatore secondo la presente invenzione;

la figura 10 mostra schematicamente i condotti interni al pannello di figura 9;

la figura 11 mostra, schematicamente e in assieme, la porzione di canale di figura 8;

le figure 12 e 13 mostrano schematicamente due diverse forme di realizzazione dello scambiatore di calore oggetto della presente invenzione;

la figura 14 mostra lo schema di un apparato di trattamento di fumi di impianti siderurgici secondo la presente invenzione.

Con riferimento alle figure, viene mostrato uno scambiatore di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici, complessivamente indicato con 1.

Lo scambiatore 1 comprende una struttura di supporto 2 di almeno un modulo 100 che a sua volta comprende un collettore di ingresso 3 dei fumi e un collettore di uscita 4 dei fumi che sono tra loro contrapposti e allineati.

Fra il collettore di ingresso 3 e il collettore di uscita 4 si estendono una pluralità di pannelli 5 che sono tra loro sovrapposti a una definita distanza l’uno dall’altro.

Coppie di pannelli 5 adiacenti definiscono canali 6 di flusso dei fumi, i quali canali 6 sono chiusi lateralmente da spalle 7 e hanno alle estremità opposte rispettivamente una bocca di ingresso 8 in comunicazione con il collettore di ingresso 3 e una bocca di uscita 9 in comunicazione con il collettore di uscita 4.

Ai pannelli 5 sono associati condotti 10 di circolazione di un fluido refrigerante, vantaggiosamente olio diatermico.

Le coppie di pannelli 5 si alternano a intercapedini 11 definite fra i pannelli stessi.

Fra il collettore di ingresso 3 e le bocche di ingresso 8 dei canali 6 sono interposti mezzi di distribuzione 12 dei fumi in ingresso ai canali stessi.

Analogamente, fra le bocche di uscita 9 dei canali 6 e il collettore di uscita 4 sono interposti mezzi convogliatori 13 dei fumi raffreddati in uscita verso il collettore di uscita stesso.

Sono inoltre previsti primi mezzi di chiusura 14, contemporanea o selettiva, delle bocche di ingresso 8 dei canali 6 e secondi mezzi di chiusura 15, contemporanea o selettiva, delle bocche di uscita 9 dei canali 6.

Con particolare riferimento alle figure 8-10, ciascun canale 6 à ̈ delimitato da due pannelli 5, i quali possono essere realizzati da moduli tra loro assemblati. Nelle figure 8-11 à ̈ mostrato uno solo di tali moduli, che, quindi, forma una porzione dei pannelli 5, mentre, nelle figure 1, 5, 12 e 13, sono mostrati pannelli 5 costituiti da più moduli assemblati.

Ciascun pannello 5 à ̈ realizzato in materiale termicamente conduttivo. All’interno di ciascun pannello 5 sono presenti i condotti 10 di circolazione del fluido refrigerante. Il flusso del fluido refrigerante può essere in controcorrente o in equicorrente rispetto al flusso dei fumi. Il tecnico del ramo ben comprende che il numero, la disposizione, le dimensioni e la forma di realizzazione dei condotti 10 possono variare in funzione di diverse condizioni di progetto e che il flusso indicato in figura 10 à ̈ puramente indicativo e non limitativo.

La faccia dei pannelli 5 destinata a definire la superficie interna dei canali 6 à ̈ piana e liscia, priva cioà ̈ di asperità, così da ridurre i rischi di abrasione della stessa a opera delle polveri presenti nei fumi.

In una preferita forma di realizzazione, ciascun canale 6 definito fra una coppia di pannelli 5 Ã ̈ chiuso lateralmente da una rispettiva coppia di spalle 7 di tipo rimovibile.

In un’alternativa forma di realizzazione, non raffigurata, à ̈ prevista un’unica coppia di spalle, anch’esse di tipo rimovibile, che chiudono i lati opposti di tutti i canali 6.

In ogni caso, la possibilità di rimuovere le spalle 7 di chiusura laterale consente un agevole accesso ai canali 6 per poter eseguire interventi di pulizia e manutenzione.

Nel caso in cui ciascun canale 6 sia chiuso lateralmente da una rispettiva coppia di spalle 7 Ã ̈ possibile intervenire su un singolo canale 6 alla volta.

I mezzi di distribuzione 12 comprendo una pluralità di corpi cuneiformi 16 ciascuno dei quali à ̈ disposto in modo tale che la propria base si estenda fra due pannelli 5 adiacenti di due canali 6 successivi e le proprie facce inclinate si prolunghino dai pannelli 5 stessi come rappresentato nelle figure 1 e 3.

I corpi cuneiformi 16 ripartiscono i fumi in ingresso allo scambiatore 1 fra i vari canali 6.

Similmente, i mezzi convogliatori 13 comprendono una pluralità di corpi cuneiformi 17 ciascuno dei quali à ̈ disposto in modo tale che la propria base si estenda fra due pannelli 5 adiacenti di due canali 6 successivi e le proprie facce inclinate si prolunghino dai pannelli 5 stessi come rappresentato nelle figure 1 e 2.

I corpi cuneiformi 17 convogliano i fumi raffreddati in uscita verso il collettore di uscita 4 riducendo la possibilità che si formino vortici che potrebbero incrementare l’effetto abrasivo delle polveri presenti nei fumi.

All’interno del collettore di uscita 4 sono poi presenti deviatori di flusso 18.

I primi mezzi di chiusura 14 delle bocche di ingresso 8 dei canali 6 possono essere costituiti da un’unica piastra mobile opportunamente sagomata o dagli stessi corpi cuneiformi 16 che, in tal caso, saranno montati in modo mobile fra una configurazione in cui la loro base si estende fra i pannelli 5 adiacenti di due canali 6 successivi e una configurazione in cui la loro base si sovrappone alla bocca di ingresso 8 di uno di tali canali 6.

Nella forma di realizzazione rappresentata nelle figure 1-3, i primi mezzi di chiusura 14 comprendono una pluralità di sportelli 19 del tipo a ghigliottina ciascuno dei quali à ̈ atto a chiudere la bocca di ingresso 8 di un canale 6.

Analogamente i secondi mezzi di chiusura 15 delle bocche di uscita 9 dei canali 6 possono essere costituiti da un’unica piastra mobile opportunamente sagomata o dagli stessi corpi cuneiformi 17 che, in tal caso, saranno montati in modo mobile fra una configurazione in cui la loro base si estende fra i pannelli 5 adiacenti di due canali 6 successivi e una configurazione in cui la loro base si sovrappone alla bocca di uscita 9 di uno di tali canali 6.

Nella forma di realizzazione rappresentata nelle figure 1-3, i secondi mezzi di chiusura 15 comprendono una pluralità di sportelli 20 del tipo a ghigliottina ciascuno dei quali à ̈ atto a chiudere la bocca di uscita 9 di un canale 6.

Il tecnico del ramo ben comprende che nel caso in cui i primi e secondi mezzi di chiusura 14 e 15 consentano di chiudere selettivamente rispettivamente le bocche di ingresso 8 e di uscita 9 dei canali 6, à ̈ possibile isolare anche un solo canale 6, pur mantenendo attivi gli altri, così da poter intervenire su esso per ragioni di manutenzione e pulizia o da far fronte a una riduzione dei volumi di fumi da trattare.

Per compensare la riduzione di volume subita dai fumi a causa del raffreddamento e garantire comunque un’elevata velocità di flusso all’interno dello scambiatore 1, velocità che, in media, ha un valore maggiore o uguale a 15m/s, la sezione trasversale dei canali 6 decresce a partire dalle loro bocche di ingresso 8 verso le loro bocche di uscita 9.

In una forma di realizzazione, i pannelli 5 sono tra loro paralleli e la riduzione di sezione dei canali 6 à ̈ ottenuta riducendo progressivamente la larghezza dei pannelli 5. Per il tecnico del ramo à ̈ evidente che la riduzione in larghezza dei pannelli 5 può avvenire a scalare in modo discreto o in modo continuo.

In un’alternativa forma di realizzazione, i pannelli 5 sono disposti tra loro inclinati convergenti verso la bocca di uscita 9 di ciascun canale 6, come rappresentato nella figura 12. Anche in tal caso la riduzione della distanza fra i due pannelli 5 che delimitano un canale 6 può avvenire in modo continuo o in modo discreto a scalare.

In entrambi i casi, la riduzione della sezione trasversale dei canali 6 fra la loro bocca di ingresso 8 e la loro bocca di uscita 9 à ̈ dell’ordine del 50%, essendo di tale ordine la riduzione attesa del volume dei fumi durante il loro raffreddamento.

Nella forma di realizzazione rappresentata nelle figure 1-7, lo scambiatore 1 comprende un unico modulo 100 i cui collettori di ingresso 3 e di uscita 4 sono allineati sulla verticale con il collettore di ingresso 3 all’estremità inferiore, ove sono previsti mezzi di raccolta ed evacuazione delle polveri che si separano dai fumi, i quali mezzi sono costituiti per esempio da una tramoggia 21.

In tale forma di realizzazione i pannelli 5 sono tra loro paralleli e di larghezza costante.

La figura 12 mostra un’alternativa forma di realizzazione dello scambiatore 1 in cui i canali 6 hanno sezione trasversale decrescente verso la loro bocca di uscita 9.

In figura 13 à ̈ rappresentato uno scambiatore di calore che comprende due moduli 100, 100’ che sono tra loro affiancati con i rispettivi collettori di ingresso 3 e di uscita 4 allineati sulla verticale e che sono tra loro collegati in serie con il collettore di uscita 4 del primo modulo 100 raccordato al collettore di ingresso 3 del secondo modulo 100’. Il collettore di ingresso 3 del primo modulo 100 e il collettore di uscita 4 del secondo modulo 100’ sono collocati all’estremità inferiore dello scambiatore 1 e ciascuno di essi à ̈ provvisto di una rispettiva tramoggia 21.

Per tener conto della riduzione del volume dei fumi man mano questi si raffreddano, la larghezza dei pannelli 5 del secondo modulo 100’ sarà inferiore alla larghezza dei pannelli 5 del primo modulo 100, in alternativa, il numero di canali 6 del secondo modulo 100’ potrebbe essere inferiore al numero di canali 6 del primo modulo 100.

Tale configurazione garantisce che, anche in caso di accidentale riduzione della velocità di flusso dei fumi, le poveri o eventuali aggregati solidi in essi presenti si separino per gravità e vengano raccolti sul fondo del secondo modulo 100’.

A parità della lunghezza complessiva dei canali 6, tale configurazione consente una riduzione dell’altezza dei due moduli 100, 100’ consentendo di installare lo scambiatore 1 anche in ambienti in cui vi siano limitazioni dello spazio in senso verticale.

Nelle figure allegate il flusso dei fumi à ̈ stato schematizzato, in modo esemplificativo e non limitativo, dalle frecce F, mentre quello del fluido refrigerante à ̈ stato schematizzato dalle frecce H.

Il tecnico del ramo ben comprende che il numero dei pannelli 5 e, quindi, dei canali 6 può variare a seconda delle esigenze del caso, così come può variare il numero dei moduli 100, collegati in serie o in parallelo. Per esempio, ciascun modulo 100 può essere disposto orizzontalmente, anziché verticalmente come rappresentato nelle allegate figure.

In figura 14 Ã ̈ mostrato un apparto 200 di trattamento di fumi di impianti siderurgici incorporante lo scambiatore 1 secondo la presente invenzione.

L’apparato 200 comprende un gruppo di captazione 201 dei fumi in uscita da un forno ad arco elettrico 202 o da un convertitore, un gruppo di pre-trattamento 203 dei fumi captati, uno scambiatore di calore 1 il cui collettore di ingresso à ̈ collegato all’uscita del gruppo di pre-trattamento 203 e il cui collettore di uscita à ̈ collegato a un gruppo di aspirazione dei fumi, non schematizzato, e un gruppo di post-trattamento 204 dei fumi in uscita dallo scambiatore 1.

E’ inoltre previsto un circuito 205 del fluido refrigerante che opera nello scambiatore 1, in cui lungo tale circuito 205 à ̈ posto un gruppo di raffreddamento 206 del fluido refrigerante in uscita dallo scambiatore 1 con recupero del calore sottratto al fluido refrigerante per la produzione di energia elettrica o di un fluido caldo di servizio.

Il gruppo di pre-trattamento 203 comprende un post-combustore dei fumi captati e/o un tunnel di preriscaldo del rottame di carica per il forno ad arco elettrico 202.

Il gruppo di post-trattamento 204 comprende per esempio un depolverizzatore o un filtro.

I fumi in uscita dal forno ad arco elettrico 202 vengono captati e convogliati nel gruppo di pretrattamento 203. All’uscita dal forno ad arco elettrico 202 i fumi hanno una temperatura compresa fra 500°C e 1800°C.

Nel gruppo di pre-trattamento 203, che per esempio à ̈ costituito da un tunnel di preriscaldo del rottame di carica per il forno ad arco elettrico, i fumi cedono una frazione del loro calore così da raggiungere in uscita una temperatura prossima a 800-900°C.

I fumi a 800-900°C entrano nello scambiatore 1 e, grazie al gruppo di aspirazione, lo attraversano a elevata velocità, dell’ordine di almeno 15m/s.

All’interno dello scambiatore 1 i fumi subiscono una riduzione di temperatura a un valore prossimo a 200°C con velocità media di quenching maggiore o uguale a 300°C/sec, preferibilmente di 350°C/sec, ancora più preferibilmente di 400°C/sec, trasferendo il calore al fluido refrigerante. Eventuale particolato che si separa dai fumi si raccoglie nella tramoggia 21 dello scambiatore 1.

Tale raffreddamento rapido e drastico consente di controllare o meglio di impedire la sintesi di diossine e furani.

Il calore ceduto al fluido refrigerante viene recuperato nel gruppo di raffreddamento 206 per la produzione di energia o di un fluido caldo di servizio.

I fumi raffreddati in uscita dallo scambiatore 1 vengono convogliati in un gruppo di post-trattamento 204 quale per esempio un dispositivo di filtrazione.

Lo scambiatore di calore oggetto della presente invenzione ha il vantaggio di consentire un rapido e drastico raffreddamento dei fumi di impianti siderurgici con una struttura particolarmente semplice e modulare facilmente adattabile a impianti esistenti.

Lo scambiatore di calore oggetto della presente invenzione, grazie alla particolare struttura dei singoli canali che lo formano, consente di eseguire in modo semplice e agevole interventi di manutenzione e pulizia senza dover necessariamente richiedere un fermo impianto, garantendo così una continuità di funzionamento di quest’ultimo.

Lo scambiatore di calore oggetto della presente invenzione, grazie alla possibilità di chiudere selettivamente i canali che lo compongono, consente di garantire la riduzione di temperatura desiderata anche in caso di una variazione dei volumi di fumi da trattare.

Inoltre, la struttura e conformazione dei singoli canali di flusso dei fumi, che, nella forma di base sono delimitati da pannelli piani disposti secondo le facce di un parallelepipedo, favorisce il flusso stesso riducendo i rischi di abrasione dei pannelli stessi.

Un apparato di trattamento di fumi di impianti siderurgici secondo la presente invenzione ha il vantaggio di recuperare il calore sottratto ai fumi per produrre energia o un fluido caldo di servizio.

Lo scambiatore di calore e l’apparato di trattamento di fumi di impianti siderurgici così concepiti sono suscettibili di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’invenzione; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

Claims (33)

1. RIVENDICAZIONI 1) Scambiatore (1) di calore per il raffreddamento rapido di fumi di impianti siderurgici, caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura di supporto (2) di almeno un modulo (100) che a sua volta comprende un collettore di ingresso (3) dei fumi e un collettore di uscita (4) dei fumi che sono tra loro contrapposti e allineati, una pluralità di pannelli (5) che si estendono fra detto collettore di ingresso (3) e detto collettore di uscita (4) e che sono tra loro sovrapposti a una definita distanza l’uno dall’altro, in cui coppie di pannelli (5) adiacenti definiscono canali (6) di flusso di detti fumi che sono chiusi lateralmente da spalle (7) e che hanno alle estremità opposte rispettivamente una bocca di ingresso (8) in comunicazione con detto collettore di ingresso (3) e una bocca di uscita (9) in comunicazione con detto collettore di uscita (4), e condotti (10) di circolazione di un fluido refrigerante associati a detti pannelli (5).
2. 2) Scambiatore (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette coppie di pannelli (5) si alternano a intercapedini (11) definite fra detti pannelli (5).
3. 3) Scambiatore (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che comprende una coppia di dette spalle (7) che chiudono i lati opposti di tutti detti canali (6).
4. 4) Scambiatore (1) secondo una a più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti canali (6) à ̈ chiuso lateralmente da una rispettiva coppia di spalle (7).
5. 5) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette spalle (7) sono rimovibili.
6. 6) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che fra detto collettore di ingresso (3) e le bocche di ingresso (8) di detti canali (6) sono interposti mezzi di distribuzione (12) dei fumi in ingresso a detti canali.
7. 7) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che fra le bocche di uscita (9) di detti canali (6) e detto collettore di uscita (4) sono interposti mezzi convogliatori (13) di detti fumi in uscita verso detto collettore di uscita (4).
8. 8) Scambiatore (1) di calore secondo la rivendicazione 6 o 7, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di distribuzione (12) e/o detti mezzi convogliatori (13) comprendono una pluralità di corpi cuneiformi (16, 17) la cui base si estende fra i pannelli (5) adiacenti di due canali (6) successivi e le cui facce inclinate si prolungano da detti pannelli.
9. 9) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende primi mezzi di chiusura (14) contemporanea o selettiva delle bocche di ingresso (8) di detti canali (6).
10. 10) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende secondi mezzi di chiusura (15) contemporanea o selettiva delle bocche di uscita (9) di detti canali (6).
11. 11) Scambiatore (1) di calore secondo le rivendicazioni 8 e 9 o 10, caratterizzato dal fatto che detti primi mezzi di chiusura (14) o detti secondi mezzi di chiusura (15) comprendono detti corpi cuneiformi (16, 17) i quali sono montati in modo mobile fra una configurazione in cui la loro base si estende fra i pannelli (5) adiacenti di due canali (6) successivi e una configurazione in cui la loro base si sovrappone alla bocca di ingresso (8) o di uscita (9) di uno di detti canali (6) successivi.
12. 12) Scambiatore (1) di calore secondo la rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che detti primi mezzi di chiusura (14) e/o detti secondi mezzi di chiusura (15) comprendono sportelli a ghigliottina (19, 20).
13. 13) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la sezione trasversale di detti canali (6) decresce da detta bocca di ingresso (8) verso detta bocca di uscita (9).
14. 14) Scambiatore (1) di calore secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detti pannelli (5) hanno larghezza decrescente a partire dalla loro estremità prossima a detta bocca di ingresso (8) verso la loro estremità prossima a detta bocca di uscita (9).
15. 15) Scambiatore (1) di calore secondo la rivendicazione 13 o 14, caratterizzato dal fatto che i pannelli (5) di ciascuna coppia sono inclinati convergenti verso detta bocca di uscita (9).
16. 16) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 14, caratterizzato dal fatto che detti pannelli (5) sono tra loro paralleli.
17. 17) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto collettore di ingresso (3) e detto collettore di uscita (4) sono allineati sulla verticale e dal fatto che all’estremità inferiore di detto scambiatore sono previsti mezzi di raccolta ed evacuazione (21) delle polveri che si separano da detti fumi.
18. 18) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno due detti moduli (100, 100’) tra loro collegati in serie con il collettore di uscita del primo modulo (100) raccordato al collettore di ingresso del secondo modulo (100’).
19. 19) Scambiatore (1) di calore secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detti moduli (100, 100’) sono tra loro affiancati con i rispettivi collettori di ingresso e di uscita allineati sulla verticale.
20. 20) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il flusso di detto fluido refrigerante in detti condotti (6) à ̈ in controcorrente o in equicorrente con il flusso di detti fumi.
21. 21) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto fluido refrigerante à ̈ olio diatermico.
22. 22) Scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti pannelli (5) ha struttura modulare.
23. 23) Apparato (200) di trattamento di fumi di impianti siderurgici, comprendente un gruppo di captazione (201) dei fumi in uscita da un forno ad arco elettrico (202) o da un convertitore, un gruppo di pretrattamento (203) dei fumi captati, uno scambiatore (1) di calore secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 22 il cui collettore di ingresso à ̈ collegato all’uscita di detto gruppo di pre-trattamento (203) e il cui collettore di uscita à ̈ collegato a un gruppo di aspirazione dei fumi, un gruppo di post-trattamento (204) dei fumi in uscita da detto scambiatore (1), un circuito (205) del fluido refrigerante che opera in detto scambiatore, in cui lungo detto circuito à ̈ posto un gruppo di raffreddamento (206) del fluido refrigerante in uscita da detto scambiatore (1) con recupero del calore sottratto a detto fluido refrigerante.
24. 24) Apparato (200) secondo la rivendicazione 23, caratterizzato dal fatto che detto gruppo di pretrattamento (203) comprende un post-combustore di detti fumi captati e/o un tunnel di pre-riscaldo del rottame di carica per un forno ad arco elettrico.
25. 25) Apparato (200) secondo le rivendicazioni 23 o 24, caratterizzato dal fatto che detto gruppo di raffreddamento (206) recupera il calore per la produzione di energia o di un fluido caldo di servizio.
26. 26) Apparato (200) secondo una o più delle rivendicazioni da 23 a 25, caratterizzato dal fatto che detto gruppo di post-trattamento (204) comprende un depolverizzatore o un filtro.
27. 27) Metodo di trattamento di fumi di impianti siderurgici, comprendente le fasi consistenti nel: - captare i fumi in uscita da un forno ad arco elettrico (202) o da un convertitore a una temperatura compresa fra 500°C e 1800°C; - pre-trattare i fumi captati in un gruppo di pretrattamento (203) così da ottenere in uscita da quest’ultimo fumi a una temperatura prossima a 800-900°C; - far attraversare ai fumi pre-trattati uno scambiatore (1) di calore riducendo la loro temperatura a un valore prossimo a 200°C con una velocità media di quenching maggiore o uguale a 300°C/sec, preferibilmente pari a 350°C/sec e, ancora più preferibilmente pari a 400°C/sec, trasferendo il calore sottratto a detti fumi a un fluido refrigerante; - recuperare il calore trasferito a detto fluido refrigerante per la produzione di energia o di un fluido caldo di servizio.
28. 28) Metodo secondo la rivendicazione 27, in cui in detta fase di attraversamento la velocità media di flusso di detti fumi à ̈ maggiore o uguale a 15m/s, preferibilmente compresa fra 35m/s e 50m/s.
29. 29) Metodo secondo la rivendicazione 27 o 28, comprendente inoltre una fase di post-trattamento dei fumi in uscita da detto scambiatore di calore.
30. 30) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 27 a 29, in cui detta fase di pre-trattamento comprende il far attraversare a detti fumi in uscita dal forno ad arco elettrico un tunnel di pre-riscaldo del rottame di carica di detto forno ad arco elettrico, gli uni in controcorrente all’altro, ove all’interno di detto tunnel detti fumi cedono una frazione del loro calore a detti rottami.
31. 31) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 27 a 30, in cui detta fase di pre-trattamento comprende la post-ossidazione di detti fumi in uscita dal forno ad arco elettrico.
32. 32) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 27 a 31, in cui detto fluido refrigerante à ̈ olio diatermico.
33. 33) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 27 a 32, in cui detto scambiatore di calore à ̈ uno scambiatore di calore secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 22.