ITMI930269A1 - Introduzione di addittivi polverulenti nelle tubiere che alimentano un forno con comburente - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"INTRODUZIONE DI ADDITIVI POLVERULENTI NELLE TUBIERE CHE ALIMENTANO UN FORNO CON COMBURENTE"

DESCRIZIONE

L'invenzione si riferisce ai forni industriali in cui un gas comburente, come l'aria o l'ossigeno, ? condotto nel forno attraverso tubiere, come ? il caso nei cubilotti o negli altiforni. Essa concerne pi? particolarmente l'introduzione di materiali polverulenti nel forno attraverso le tubiere e specialmente quella delle polveri dei fumi o di additivi alla composizione.

Nell'industria, parecchi procedimenti di elaborazione a caldo di prodotti a partire da materie prime utilizzano un combustibile, come ad esempio il coke, miscelato alla materia prima, in questo caso il gas comburente, aria e/o ossigeno ? introdotto sotto pressione ad un'estremit? del forno con l'aiuto di tubi, mentre i fumi escono all'altra estremit?. Si desidera spesso introdurre nel forno alcuni elementi utili all'elaborazione della materia utilizzando come veicolo il gas di combustione.

Cos?, per esempio, nella fabbricazione di lana di roccia a partire da materie prime a base di scorie di alto forno e di rocce basaltiche fuse in un cubilotto, si desidera introdurre materie pulverulente affinch? siano aggiunte alla miscela vetrificabile.

Queste tecniche di produzione di lana di roccia a partire da materiali ad alto punto di fusione sono pi? generalmente denominate a "centrifugazione libera". Qui, si porta il materiale da ridurre in fibre, allo stato fuso, alla periferia di tre o quattro ruote di centrifugazione ad asse orizzontale, disposte una in prossimit? dell'altra, il materiale essendo versato su una prima ruota che l'accelera e rinviato sulla ruota seguente. Ciascuna ruota trasforma una parte del materiale fuso e invia l'eccesso sulla ruota successiva.

Il materiale ? ordinariamente fuso in forni di tipo a "cubilotto", utilizzati in fonderia. I cubilotti, di forma sostanzialmente cilindrica ad asse verticale, sono caricati nella loro parte superiore con strati successivi alternati di combustibile, generalmente coke, e di materiale per formare fibre. La zona di combustione si situa nella parte inferiore del cubilotto, in vicinanza dei tubi attraverso i quali ? insufflato gas comburente, generalmente aria, eventualmente arricchita d'ossigeno. La temperatura sviluppata dalla combustione comporta la fusione del materiale da formare in fibre, che sfugge attraverso un foro di colata situato a un livello leggermente inferiore al livello delle tubiere. Infine, al fondo del cubilotto si accumulano i residui di ghisa, provenienti sia dai noduli inclusi nella scoria, sia dalla riduzione degli ossidi di ferro del resto della carica. Sebbene la ghisa di maggior densit? si separi naturalmente dal materiale da ridurre in fibre allo stato fuso, il foro di colata dev'essere a livello pi? elevato possibile affinch? non sfuggano ahche piccole quantit? di ghisa, che determinerebbero una rapida usura delle ruote di centrifugazione.

Tali ambienti di fusione sono molto vantaggiosi, se si considerano le portate molto importanti di prodotti fusi e il piccolo costo energetico di questa fusione. In un tale ambiente, la fusione della roccia ? relativamente lenta, ? necessario stare attenti affinch? i gas comburenti e i gas prodotti dalla combustione possano circolare facilmente nella zona di fusione e soprattutto per questi ultimi, possano sfuggire in direzione del camino, perci? la carica non deve essere troppo compatta a rischio di creare una sovrapressione nella zona di fusione, sovrapressione che conduce ad un aumento delle turbolenze nella zona di colata. Perci? la carica di materia prima ? preferibilmente introdotta sottoforma di blocchi o mattonelle estruse, per esempio cilindriche. Un tale metodo di preparazione della carica in mattonelle ? ben noto dal brevetto US 2 020 403. Esso presenta inoltre il vantaggio di permettere un ricupero delle polveri dei fumi, dei materiali non fusi e delle scorie di fibre che possono cos? essere reintrodotti nel cubilotto, essa permette anche una regolazione della composizione delle materie prime. Tuttavia, in particolare per i prodotti ricuperati nei fumi, ? relativamente complicato raccoglierli e immagazzinarli dopo raffreddamento e trasportarli sul luogo di fabbricazione delle mattonelle. Sarebbe interessante poter procedere al riciclaggio direttamente sul posto, ci? che permetterebbe inoltre, nel caso delle polveri, di realizzare un'economia di energia evitando di dover effettuare un nuovo riscaldamento.

Inoltre, negli altiforni ? noto introdurre del coke sotto forma polverulenta facendolo trasportare dal gas comburente.

Le tecniche esistenti per l'introduzione di coke in polvere si possono ricondurre a due grandi gruppi: le une utilizzano un gas vettore addizionale, le altre l'effetto Venturi. In uno dei gruppi come nell'altro la difficolt? consiste nel dosare la quantit? di materiali polverulenti introdotti in ciascuna tubiera. In questi due gruppi di tecniche le difficolt? sono legate al fatto che le quantit? di polvere introdotte dipendono fortemente dalle condizioni di flusso del gas vettore nelle tubiere, e, a valle di queste nel forno stesso.

L'invenzione ha come scopo di fornire una tecnica che permetta di introdurre quantit? determinata di materiali polverulenti nelle tubiere di adduzione del gas comburente dei forni, come cubilotti o altiforni.

In particolare, l'invenzione deve dare la possibilit? di realizzare questa introduzione per portate che siano indipendenti dalle condizioni di sfruttamento del forno, come per esempio la pressione o la velocit? dei gas nelle tubiere.

Fra i documenti che propongono metodi per introdurre polveri nelle tubiere di un altoforno, citiamo il brevetto degli Stati Uniti US 5 123632, nel quale delle polveri di carbone sono immagazzinate in silos per essere distribuite nelle tubiere grazie ad un distributore che ripartisce uniformemente la portata di polvere fra i canali che sboccano in ciascuna tubiera. Il documento propone, grazie a un gas ausiliario, di mantenere costante la pressione in ciascuno dei canali, affinch? la portata resti anch'essa costante, e ci? nonostante le variazioni di pressione (e di temperatura) nel forno, all'orifizio di ciascuna tubiera .

Un altro documento, US 5 070 797, propone di utilizzare un sistema di Venturi per introdurre diversi elementi polverulenti, principalmente carbone, nell'aria di combustione di un cubilotto a livello della tubiera. Il sistema comporta un circuito d'aria in pressione con un restringimento seguito da un allargamento e l'introduzione della polvere secondo l'asse, precisamente nella posizione pi? stretta. US 5 070 597 prevede anche un sistema di compensazione di pressione affinch? la portata sia indipendente dalle fluttuazioni di pressione che possono esistere nel cubilotto. Fra i materiali che si prevede di introdurre nel forno con il mezzo descritto vi sono sottoprodotti di origini diverse e polveri ricuperate al momento della filtrazione dei fumi del cubilotto.

Cos?, i mezzi noti per introdurre materiali polverulenti nelle tubiere di adduzione del gas comburente in un cubilotto o un altoforno richiedono tutti dei sistemi addizionali che garantiscano una portata prefissata. Tali sistemi sono relativamente complessi poich? necessitano una rivelazione delle variazioni di pressione nelle tubiere, affinch? si possa realizzare una compensazione delle variazioni di portata risultanti.

Secondo l'invenzione, nel procedimento per l'introduzione di materiali nelle tubiere di alimentazione di gas di un reattore, come un altoforno o un cubilotto. I materiali sono granulati e i materiali granulati stessi, in massa compatta, assicurano la tenuta stagna fra la zona in pressione da alimentare e l'esterno.

L'invenzione si riferisce anche al dispositivo per realizzare il procedimento; esso presenta un tubo che trasporta i materiali granulari che formano ivi un tappo il cui spessore ? tale che essi si oppongono al passaggio dei gas. In una delle sue varianti, il procedimento comporta un tubo rivestito contenente materiali granulari, con la parte inferiore a gomito e un vibratore nella parte bassa del tubo comandato da un sistema per mantenere un livello definito nel tubo. Questo dispositivo ? vantaggiosamente applicato al riciclo immediato delle polveri raccolte nei fumi del reattore e, in questo caso, il sistema di mantenimento di un livello definito comprende vantaggiosamente, come rivelatore, una sonda di misura di temperatura, come una termocoppia. Il dispositivo si applica anche all'introduzione di materie prime, elementi della composizione del materiale in corso di elaborazione nel reattore.

In un'altra variante, il dispositivo per mettere in opera il procedimento comporta una vite senza fine in un tubo, che presenta una tramoggia di alimentazione per i materiali granulari con, una riserva di materiali, a valle della vite, che costituisce un tappo nel tubo.

L'invenzione si riferisce anche all'applicazione del procedimento all'introduzione di materie prime nel reattore, al riciclo nel reattore di rifiuti endogeni o esogeni, se necessario dopo frantumazione o sminuzzamento, o anche alla sua applicazione al riciclo nel reattore delle polveri raccolte nei fumi che ne sono usciti.

Le tecniche dell'invenzione permettono di controllare la portata di introduzione dei materiali polverulenti nelle tubiere sia, come nel caso di introduzione di elementi di composizione o di scarti o residui esogeni, con un ritmo che si sceglie in funzione dei parametri di produzione, sia, se si tratti di riciclo immediato di scarti endogeni, con reintroduzione istantanea e completa degli scarti o residui prodotti.

I dispositivi proposti per la messa in opera dell'invenzione sono molto semplici, come ? il caso in particolare per la reintroduzione delle polveri emesse con i fumi.

La descrizione e le figure che seguono permettono di comprendere il funzionamento dell'invenzione.

Nelle figure:

La figura 1 rappresenta un cubilotto e il suo sistema di ricupero delle polveri nei fumi,

la figura 2 mostra un dispositivo di reintroduzione delle polveri ricuperate,

e la figura 3 ? una variante per l'introduzione di scarti a un ritmo qualsiasi.

Nella produzione di lana di roccia mediante la tecnica del cubilotto e della "centrifugazione libera", si introducono le materie prime essenzialmente sotto forma di blocchi, o naturali, quando si tratta di rocce basaltiche frantumate, o risultanti da un'elaborazione anteriore, come per esempio il coke o le scorie, che sono dei sottoprodotti della produzione della ghisa, o le mattonelle, costituite particolarmente per reintrodurre degli scarti e regolare la composizione. Per vari motivi si ? interessati a introdurre alcuni elementi della composizione direttamente sotto forma di polvere. Si tratta in primo luogo di ci? che si produce sul posto, come gli "infibrati" - granuli di materiale espulsi dalle centrifughe senza aver potuto formare fibre - o soprattutto i residui solidi che lasciano il cubilotto trascinati dai fumi. Si tratta di polveri di composizione e di coke mescolate. Si tratta dunque di un prodotto direttamente assimilabile poich? la sua composizione si allontana poco da quella dei materiali introdotti nel forno. D'altra parte, la loro temperatura ? elevata e la loro reintroduzione immediata economizza il calore che sarebbe necessario per riscaldarle di nuovo. Si desidera anche introdurre materie prime sotto forma di polvere al fine di regolare con precisione la composizione del materiale in corso di elaborazione nel cubilotto. Anche l'introduzione di scarti di origine esterna, ridotti in polvere, ? interessante.

La figura 1 mostra il cubilotto 1 con le doppie pareti 2 raffreddate mediante circolazione d'acqua, l'orifizio di carica 3, due delle sue tubiere 4, 5 di alimentazione d'aria carica d'ossigeno, il suo estrattore di fumi 6 che porta al ciclone 7, che estrae le polveri che cadono quindi nell'imbuto 8, mentre i fumi partono verso il camino attraverso il condotto 9. Per permettere l'estrazione delle polveri, l'uscita dell'imbuto 8 ? dotata di una valvola, non illustrata. Su questa stessa figura 1, si vede illustrata in 40 una tramoggia destinata a contenere materie prime in polvere, che si devono introdurre nel cubilotto per regolare la composizione. Si pu? trattare, per esempio, di sabbia, dolomia, ecc. All'uscita dalla tramoggia, una valvola dosatrice 41, comandata dal meccanismo 42, permette di regolare la portata degli additivi in caso di necessit?.

All'uscita dal ciclone 7, le polveri calde (temperatura superiore a 150?C come anche le materie prime in polvere all'uscita dalla tramoggia 40, sono prese da un trasportatore 13 che le porta verso il dispositivo dosatore 10 dell'invenzione. La funzione di questo ? di introdurlo nel canale 11 della tubiera 5 al ritmo secondo cui arrivano. L'introduzione avviene al livello della camera dei venti 12. Si tratta di un canale che ? attorno al cubilotto e alimenta le tubiere con aria calda (all'incirca 500?C) carica di ossigeno.

La figura 2 mostra il particolare del dispositivo dosatore 10. Sulla figura, si ? rappresentato il cubilotto 1 con la sua camicia d'acqua 2, la tubiera 5 con la sua estremit? raffreddata 13. La tubiera qui illustrata presenta, a differenza di quella della figura 1, una lancia a ossigeno 44 alimentata dal condotto 45. Questo si trova sull'asse della tubiera. Il fondo del cubilotto presenta una pigiata di cui si vede il limite superiore 14. Al fondo del cubilotto, della ghisa liquida 15 ? ricoperta dalla massa vetrosa liquida 16 in cui si trova anche del coke solido 17.

La camera dei venti 12 serve per alimentare le tubiere, l'aria in essa ? ad una pressione di 8000 Pa e, nel condotto 11 della tubiera, la velocit? ? di 70 m/s. Il dispositivo 10 presenta due parti, una parte alta 20 costituita da un tubo con diametro, per esempio, di 150 mm e una parte bassa che ? un tubo rettilineo verticale 18 di 70 mm di diametro. Questo tubo 18 ? fissato in modo stagno trasversalmente alla parte superiore della camera dei venti 12, proprio di fronte all'orifizio del canale di alimentazione 11 della tubiera 5. La parte 19 del canale 11 che ? di fronte al tubo 18 ? allargata fino a un diametro di 128 mm. I due orifizi dei tubi 18 e 19 coassiali sono nello stesso piano .

La zona alta 20 del dispositivo 10 ha una parte superiore rettilinea verticale, 21, e una parte inferiore anch'essa verticale, 22, che ? sfalsata lateralmente. Fra le due ? prevista una zona ad S. Infine, nella parte superiore, un'imboccatura allargata 23 garantisce un riempimento facile con il trasportatore 13. Il tubo 20 ? in un materiale che resiste bene alla temperatura e all'abrasione delle polveri emesse con i fumi, per esempio in acciaio. Esso ? fissato nella parte alta mediante un collare ed ? dotato, nella parte bassa, di un vibratore 25. Il collegamento con il tubo 18 di diametro minore ? realizzato mediante un manicotto flessibile 28 in un materiale adatto, come amianto oppure come un tessuto siliconato.

Il principio di funzionamento del dispositivo 10 ? il seguente: quando il tubo 20 ? separato dalla camera 12, per esempio grazie ad una valvola disposta sul tubo 18 non illustrata, si riempie rapidamente il tubo 20 di polvere prelevata, per esempio, all'uscita dall'imbuto 8 del ciclone 7. Si forma allora in 26 una scarpata che blocca la discesa della polvere. Quando la polvere raggiunge un livello 27 predeterminato, si arresta il riempimento. Il sistema ? innescato e pu? allora funzionare: la valvola sul tubo 18 ? aperta, la polvere ? portata in 23 dal trasportatore 13 e il vibratore 25 ? messo in azione tutte le volte che ? necessario affinch? il tubo si vuoti dal basso e il livello 27 sia mantenuto identico. Per un funzionamento automatico si dispone nello stesso luogo un rivelatore di livello 29 per esempio una sonda di temperatura, che rivela la presenza della polvere calda all'interno del tubo. Quando la polvere non ? pi? davanti al rivelatore 29, il vibratore 25 si arresta e, poich? l'arrivo di polvere ? permanente, il livello risale immediatamente e il vibratore si rimette in funzione quando si raggiunge il livello fissato.

In modo generale, sia che si tratti solamente di reintrodurre integralmente e in continuo un tipo di scarti prodotti dall'unit? stessa, sia che si desideri aggiungervi quantit? determinate di materie prime polverulente, l'esperto nel campo determiner? semplicemente per tentativi quali valori dei parametri sia il caso di scegliere per:

- il diametro del tubo 20

la pendenza della zona intermedia dove si forma la scarpata 26

- l'altezza della colonna di polvere (fra 26 e 27) per compensare la sovrapressione nella camera dei venti.

Si ? visto che, per le polveri recuperate nei fumi di un cubilotto di fabbricazione di lana di roccia, che hanno una dimensione dei grani inferiore a 1 mm, era adatto un diametro di 150 mm per il tubo 20, l'inclinazione della zona intermedia del tubo 20, dove si trova il vibratore 25, era di 45? e la differenza di livello fra la scarpata 26 e il livello superiore era di 1,10 m. Il vibratore era del tipo a eccentrico e la sua frequenza di battimento era di 7500 al minuto.

I parametri precedenti permettono senza problema di introdurre in una sola tubiera tutte le polveri recuperate nei fumi del cubilotto per mezzo del ciclone, vale a dire, delle quantit? che possono raggiungere pi? di 100 kg all'ora. Il sistema appena descritto, che non comporta alcun elemento meccanico mobile nella polvere, ? particolarmnte adatto all'introduzione di materiali polverulenti abrasivi nel cubilotto .

Una variante del procedimento dell'invenzione utilizza il dispositivo rappresentato in figura 3. Si tratta piuttosto dell'introduzione di materiali {scarti endogeni o esogeni o materie prime) a un ritmo che non ? necessariamente imposto, come era precedentemente quello della reintroduzione delle polveri che vien fatto vantaggiosamente dal momento in cui esse sono prodotte.

Si vede in figura 3 un tubo di diametro 140 mm che presenta una parte rettilinea 30 e un gomito 31. Nell'asse della parte rettilinea ? posta una vite senza fine 34 mossa in rotazione grazie ad un moto-variatore, non illustrato. Una tramoggia laterale 32 posta nella parte superiore del tubo 30, a monte, permette di alimentare la vite con materiali 33 che sono trascinati dalla vite 34 verso la sinistra della figura. L'inclinazione del tubo 30 sull'orizzontale non ? un fattore determinante. La funzione della vite 34 in movimento ? di creare un "tappo" 35 di materiale che riempie completamente il tubo 30 su una lunghezza (lo "spessore" del tappo) per esempio di 20 cm. Questa lunghezza pu? variare, essa dipende dalla natura e dalla consistenza dei materiali da introdurre. L'esigenza ? che essa debba essere sufficiente affinch? il "tappo? 35 assicuri la tenuta fra la zona a valle, dove regna una pressione per esempio di 8000 pascal, e la zona a monte, che ? in generale a pressione atmosferica. Lo spessore del tappo 35 sar? cos?, per esempio, maggiore nel caso che si tratti di introdurre scarti di lana di roccia sminuzzati piuttosto che nel caso che si tratti di polveri di materie prime.

Il funzionamento del dispositivo a vite senza fine ? molto facile. E' sufficiente in effetti che la lunghezza disponibile fra l'estremit? 36 della vite 34 e il gomito 31 del tubo sia superiore o uguale allo spessore del "tappo" necessario per evitare il ritorno del gas da valle verso monte e, allora, il sistema funziona qualunque siano le velocit? di introduzione delle materie nella tramoggia 32 e/o di rotazione della vite senza fine.

La scelta fra il primo dispositivo, quello della figura 2, e il secondo (figura 3) dipende dalla natura del materiale da introdurre. Le polveri abrasive, come le polveri recuperate nei fumi emessi da un cubilotto di fabbricazione di lana di roccia, sono, per esempio, incorapatibili con la vite senza fine, poich? l'usura ? troppo notevole, ma, in compenso, il sistema "passivo" della figura 2 ? ben adatto a queste polveri .

Le due tecniche che si sono appena descritte costituiscono due esempi di messa in opera del principio dell'invenzione, secondo il quale il materiale da introdurre nelle tubiere costituisce esso stesso il tappo fra la zona a valle, a pressione pi? elevata, e la zorra a monte, a pressione atmosferica. E' bene evidente che altri dispositivi, non qui descritti, permettono di compiere la stessa funzione e sono ugualmente coperti con il presente documento. La presentazione dei materiali da introdurre ? importante, le polveri sono evidentemente adatte, ma anche i granuli, a condizione che non siano troppo grossi o che siano comprimibili, come ? il caso dei noduli ottenuti mediante sminuzzamento di materassi fibrosi.

L'invenzione appena descritta si caratterizza per la sua grande semplicit?, persino la sua rozzezza: dei mezzi molto semplici, a buon mercato, che consumano poca energia - poich? il primo, per esempio, utilizza il peso come mezzo d'azione - permettono di realizzare, in modo molto pi? semplice che secondo la tecnica precedente, l'introduzione di elementi suddivisi direttamente nelle tubiere di alimentazione di gas comburente dei cubilotti o altiforni.

Nel caso della reintroduzione delle polveri raccolte nei fumi, il vantaggio dell'invenzione ? ancora pi? netto, poich?, da una parte, la reintroduzione avviene a temperatura elevata (economia sull'energia di riscaldamento) e d'altra parte non ? pi? necessaria la costosa fabbricazione di mattonelle.

L ' invenzione, d'altra parte, fornisce un mezzo semplice per reintrodurre nel cubilotto di un'unit? di fabbricazione di lana di roccia degli scarti esogeni come per esempio isolanti fibrosi (lana di vetro o di roccia) provenienti dalle industrie che fabbricano apparecchi con isolamento termico e che sono obbligate, dalla normativa per la protezione dell'ambiente, a riprendersi gli apparecchi usati e a riciclarne i costituenti.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l'introduzione di materie nelle tubiere di alimentazione di gas di un reattore come un altoforno o un cubilotto, caratterizzato dal fatto che i materiali sono granulati e dal fatto che i materiali granulari stessi, in massa compatta, assicurano la tenuta fra la zona in pressione da alimentare e l'esterno.
2. 2. Applicazione del procedimento secondo la rivendicazione 1 all'introduzione di materie prime nel reattore.
3. 3. Applicazione del procedimento secondo la rivendicazione 1 al riciclo, nel reattore, di scarti endogeni o esogeni, se necessario, dopo frantumazione o sminuzzamento.
4. 4. Applicazione del procedimento secondo la rivendicazione 3 al riciclo nel reattore delle polveri raccolte nei fumi che ne sono usciti .
5. 5. Dispositivo per l'introduzione di materie granulari nelle tubiere di alimentazione di gas di un reattore quale un altoforno o un cubilotto, caratterizzato da ci? che esso presenta un tubo che trasporta i materiali granulari che ivi formano un tappo, il cui spessore ? tale che essi si oppongono al passaggio dei gas.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che comprende un tubo rivestito contenente i materiali granulari, con la parte inferiore a gomito e un vibratore nella parte bassa del tubo comandato da un sistema di mantenimento di un livello definito nel tubo.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che ? applicato al riciclo immediato delle polveri raccolte nei fumi del reattore.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7 caratterizzato dal fatto che il sistema di mantenimento ad un livello definito comporta come rivelatore una sonda di misura di temperatura, quale una termocoppia .
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che ? applicato all'introduzione di materie prime, elementi della composizione del materiale in corso di elaborazione nel reattore.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che presenta una vite senza fine in un tubo, dal fatto che presenta una tramoggia di alimentazione di materiali granulari e che, a valle della vite, ? prevista nel tubo una riserva di materiali costituente un tappo.