ITRE20090108A1 - Impianto di tostatura con recupero ossidativo dei gas - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“IMPIANTO DI TOSTATURA CON RECUPERO OSSIDATIVO DEI GASâ€

La presente invenzione inerisce agli impianti di tostatura in genere, ed agli impianti di tostatura per caffà ̈ in particolare.

La tostatura à ̈ un trattamento termico cui vengono sottoposti alcuni prodotti, come caffà ̈, orzo, cacao, semi oleosi e simili, per ottenere un prodotto adatto ad essere successivamente sottoposto ad ulteriori lavorazioni per renderlo adatto al consumo.

I tempi di permanenza in temperatura e la temperatura di processo sono correlati tra di loro e ben noti ai tecnici del ramo.

Nel seguito si farà specifico riferimento alla tostatura del caffà ̈, restando inteso che quanto detto si applica anche ad altri prodotti.

Il processo di tostatura del caffà ̈ avviene sottoponendo la massa del prodotto, eventualmente mantenuta rimescolata, al flusso dei gas di combustione generati, in una camera di combustione, da un bruciatore di combustibile gassoso o liquido diluito in aria.

Detti gas caldi verranno nel seguito indicati come gas di tostatura.

La massa del prodotto, sottoposta alla azione dei gas caldi della tostatura, emette a sua volta gas che si sommano ai gas di tostatura e che contengono sostanze non completamente ossidate le quali sono considerate pregiudizievoli se vengono scaricate in atmosfera.

I gas scaricati in atmosfera verranno nel seguito chiamati gas di scarico.

Le sempre più severe norme ecologiche che stanno entrando in vigore nella quasi totalità dei paesi, vietano lo scarico in atmosfera dei gas di scarico non perfettamente ossidati.

E’ noto ai tecnici del ramo che per ottenere la ossidazione completa dei gas di tostatura occorre portarli ad una temperatura di circa 800 °C, in presenza di ossigeno sufficiente.

Il procedimento di tostatura avviene al contrario a temperature comprese tra 300 °C e 500 °C, e quindi emette gas non ossidati.

Effettuare il trattamento di tostatura ad una temperatura prossima o superiore agli 800 °C. , molto più alta della temperatura necessaria alla tostatura che à ̈ dell’ordine dei 500 °C., non à ̈ possibile, poiché il prodotto sarebbe danneggiato irrimediabilmente.

Inoltre tutto il processo avverrebbe ad una temperatura molto superiore a quella strettamente necessaria, con scarico in atmosfera di una imponente quantità di calore.

Secondo la tecnica nota si effettua il trattamento alla minima temperatura richiesta dal processo, generalmente inferiore ai 500 °C, e si sottopone il gas di scarico ad un processo ossidativo prima della immissione in atmosfera.

In questo caso si riduce sostanzialmente la dissipazione del calore di trattamento, ma la presenza di sostanze organiche nei gas di scarico rende necessario l’impiego di impianti di depurazione il cui costo di installazione e di gestione à ̈ rilevante.

Gli impianti di depurazione sono atti ad ossidare le sostanze nocive presenti nei gas di scarico della tostatura riducendo la loro concentrazione, espressa in carbonio organico totale, al di sotto dei limiti consentiti dalla legge.

Gli impianti di tostatura noti presentano un lay out molto semplice.

Esistono impianti a ciclo aperto che comprendono una camera di tostatura, di caratteristiche note, nella quale viene mantenuta in agitazione una certa quantità di caffà ̈.

A detta camera vengono indirizzati i gas di combustione generati in una camera di combustione da un bruciatore di combustibile, generalmente gas metano CH4,o gas butano/propano, o di combustibile liquido, generalmente gasolio, previa miscelazione con aria eventualmente preriscaldata.

I gas, detti gas di tostatura, dopo avere attraversato la camera di tostatura vengono scaricati direttamente in atmosfera tramite un opportuno camino, previo eventuale passaggio in un dispositivo a ciclone che separa le particelle solide.

Poichà ̈ la temperatura dei gas di tostatura à ̈ inferiore a 760-820 °C, i gas di scarico debbono essere depurati per ridurre il carbonio organico totale. La depurazione avviene in un dispositivo ossidatore di tipo noto posto prima del camino.

Sono noti anche impianti a ciclo semi aperto, nei quali i gas che hanno attraversato la camera di tostatura, sempre previa eventuale separazione delle particelle solide, vengono riciclati alla camera di combustione.

In questi impianti i gas in uscita dalla camera di combustione vengono in parte inviati alla camera di tostatura ed in parte inviati al camino per lo scarico in atmosfera.

Anche in questo caso, poichà ̈ la temperatura dei gas di tostatura à ̈ inferiore a 760-820 °C, i gas vanno depurati per ridurre il carbonio organico totale.

Tutti gli impianti di tostatura noti presentano quindi problemi di carattere energetico nascenti dalla grande massa di gas caldi scaricata in atmosfera.

La invenzione risolve il problema del recupero energetico grazie ad un impianto e ad un processo le cui caratteristiche sono recitate nelle rivendicazioni indipendenti.

Secondo l’invenzione la depurazione dei gas di scarico avviene avvalendosi di un post combustore-scambiatore di calore all’interno del quale i gas raggiungono temperature superiori ai 760-820 °C, temperatura che garantisce la quasi completa eliminazione del carbonio organico totale, consentendo di mantenere la temperatura di tostatura ai valori strettamente necessari dell’ordine dei 300-500 °C variabili durante il ciclo.

Il processo di trattamento dei gas di scarico nel postcombustore à ̈ un processo di ossidazione sostanzialmente esotermico, e necessita solo di essere innescato per poi auto mantenersi grazie al calore sviluppato dalla ossidazione dei gas.

I gas in uscita dal post-combustore vengono in parte scaricati in atmosfera tramite l’usuale camino, ed in parte riciclati nella camera di combustione ove essi si miscelano ai gas di combustione del bruciatore presente nella medesima.

I pregi e le caratteristiche costruttive e funzionali del trovato risulteranno evidenti dalla particolareggiata descrizione che segue che, con l’aiuto della allegata tavola disegni, ne illustra una particolare preferita forma di attuazione data a titolo di esempio non limitativo.

La Fig.1 mostra lo schema del trovato.

La Fig.2 mostra schematicamente il dispositivo di depurazione dei gas

La fig.3 mostra la sezione III-III di fig.2.

Nelle figure si rileva la camera di tostatura 1, di tipo generalmente noto (a camera di tostatura rotante, a letto fluido, a centrifugazione ecc.) nella quale viene introdotta una determinata quantità di prodotto da trattare.

Alla camera 1 viene collegato il condotto 20 che raccoglie i gas di tostatura in uscita dalla camera di combustione 2 nella quale à ̈ presente un bruciatore 3 di gas metano CH4alimentato in modo autonomo da mezzi 31 convogliatori di aria comburente e da mezzi 32 convogliatori di combustibile.

Sul condotto 20 Ã ̈ presente una derivazione 21 dotata di valvola 22 per la eventuale immissione di aria fresca. Dalla camera di tostatura 1 si diparte il condotto di scarico 4 dei gas di scarico, che fa capo ad un separatore a ciclone 5.

Il separatore a ciclone trattiene le particelle solide presenti nei gas di scarico ed invia i medesimi al dispositivo depuratore 6, meglio illustrato nella Fig.2.

I gas in uscita dal dispositivo depuratore 6 vengono parte inviati al camino 7 e parte riciclati nella camera di combustione 2.

Con riferimento alla Fig.2 ed alla Fig.3 si rileva che il depuratore 6 comprende un involucro 60 coibentato nel quale à ̈ sistemata una massa ceramica porosa 8, come un alveare, di materiale ceramico, la quale delimita all’interno dell’involucro una zona superiore 62.

La zona 62 comprende un bruciatore 9 dotato dei mezzi alimentatori del combustibile e dell’aria comburente, rispettivamente 91 e 92.

La zona 61 inferiore dell’involucro 60 comprende due setti separatori 601 e 602 verticali, che suddividono la parte inferiore in tre camere separate A, B e C, in ognuna delle quali à ̈ contenuta una porzione della massa ceramica 8, rispettivamente 81, 82 e 83.

Ad ognuna delle camere A, B e C perviene un condotto di ingresso dei gas, rispettivamente 511, 512 e 513, che fa capo al condotto 51 proveniente dal ciclone 5.

Ognuno di detti condotti comprende una valvola di intercettazione, rispettivamente 510, 520 e 530.

Ad ognuna delle camere A, B e C fa capo anche un condotto di uscita dei gas, rispettivamente 611, 612 e 613, che fa capo al collettore comune 600 dei gas di scarico.

Ognuno di detti condotti comprende una valvola di intercettazione, rispettivamente 610, 620 e 630.

Dal collettore 600 si diparte un condotto che comprende un aspiratore 10, così che all’interno dell’involucro 60 del depuratore si ha sempre una leggera depressione.

A valle dell’aspiratore 10 si diramano due condotti 11 e 12, di cui 11 confluisce nel camino 7 e l’altro 12 à ̈ collegato alla camera di combustione 2.

La massa dell’alveare à ̈ preferibilmente conformata a nido d’ape.

Le pareti dell’alveare hanno uno spessore tale da garantire un rapporto tra vuoto e pieno compreso tra 95% e 140%.

Il volume complessivo dell’alveare sarà convenientemente compreso tra 5% e 15% del volume complessivo del gas che deve essere depurato dalle sostanze organiche per ogni minuto di funzionamento.

ESEMPIO 1

Un impianto di tostatura conforme allo schema di Fig.1 comprende una camera di tostatura 1 a tamburo ad asse orizzontale rotante avente diametro pari a 1650 mm e lunghezza assiale di 1800 mm.

Nel tamburo viene posta una quantità di caffà ̈ da tostare pari a 600 Kg.

Il depuratore 6 presenta un involucro 60 avente le dimensioni interne di 4800 mm x 1600 mm x 4200 mm, con volume totale di 32 m<3>circa.

All’interno dell’involucro à ̈ posta la massa ceramica 8 composta da tre alveari in ceramica 81, 82 e 83 comprendenti canali adiacenti ed aventi ognuno dimensioni misurate nel piano ortogonale ai canali pari a 1600 mm x 1600 mm dedotto lo spessore dei setti divisori 601 e 602, ed una dimensione nella direzione dei canali pari a 1900 mm.

La massa di ogni alveare à ̈ pari a 4850 Kg, e quindi la massa ceramica complessiva à ̈ pari a 14550 Kg.

L’alveare presenta una pluralità di canali a sezione rettangolare o esagonale, adiacenti, con un rapporto tra vuoto e pieno pari a 135%.

La porzione 62 che funge da camera di combustione presenta dimensioni pari a 4800 mm x 1500 mm x 1600 mm. Nella porzione 62 à ̈ posto un bruciatore 9 di gas metano atto avente una capacità di 270 kW con un consumo medio di 20 Nm<3>/h di metano.

L’aspiratore 10 posto a valle del depuratore 6 ha una portata prossima a 10.000 m<3>/h ed una prevalenza residua di 35 mmH20, al netto delle perdite di carico nel depuratore.

Nella camera di combustione 2 à ̈ posto un bruciatore 3 di gas metano avente una capacità di 750 kW con un consumo medio di 25 Nm3/h.

L’impianto comprende anche sensori di temperatura, e precisamente:

ST1 posto all’uscita della camera di tostatura 1;

ST2 posto nella camera di tostatura;

ST3 posto all’ingresso del separatore 5;

ST4 posto all’uscita del depuratore 6;

ST5 posto all’ingresso del camino;

ST6 posto all’uscita della camera di combustione 2;

STA, STB ed STC posti rispettivamente nelle camere A, B e C (Fig.2);

STA2, STB2 ed STC2 posti nella camera 62 rispettivamente sopra le masse ceramiche 81, 82, 83 (Fig.2).

FUNZIONAMENTO

Il funzionamento dell’impianto à ̈ il seguente.

Innanzitutto vengono azionati i bruciatori 3 e 9 ed i ventilatori 41 e 10.

Viene poi chiuse le valvole 610 e 630 di uscita dalle camere A e C, nonché le valvole 520 e 530 di ingresso nelle camere B e C, restando aperte le valvole 510 di ingresso nella camera A e la valvola 620 di uscita dalla camera B.

Il gas proveniente dalla camera di tostatura 1 entra quindi nella camera A, attraversa la massa ceramica 81, si mescola coi gas di combustione del bruciatore 9 nella camera superiore 62, attraversa la massa ceramica 82, pasa nella camera B e viene aspirato dal ventilatore 10. Allorchà ̈ la camera B ha raggiunto la temperatura desiderata di 350-400 °C, vengono chiuse le valvole 610 e 520 e vengono aperte le valvole 520 e 630; il gas caldo proveniente dal tamburo 1 attraversa la massa 82, precedentemente riscaldata, si mescola col gas di combustione del bruciatore 9 e riscalda la massa ceramica 83 e passa nella camera C sino a portarla alla desiderata temperatura di 350-400 °C.

Una volta scaldata la massa 83, vengono chiuse le valvole 630 e 520, e vengono aperte le valvole 610 e 530; il gas proveniente dalla camera di tostatura 1 attraversa quindi la massa ceramica calda 83, si mescola col gas di combustione del bruciatore 9 ed attraversa la massa ceramica 81 aspirato dal ventilatore 10.

Il ciclo si ripete sino a quando all’interno della camera di tostatura 1 si ottiene una temperatura di circa 200°C.

A questo punto vengono caricati nella camera di tostatura 1 Kg 600 di caffà ̈ e la tostatura ha inizio.

I gas di tostatura hanno all’inizio del ciclo una temperatura di circa 500°C ed una portata espressa in m<3>/min avente un valore compreso tra 5% ed 55% della massa del prodotto da tostare.

Poiché la temperatura dei gas in uscita dal depuratore 6 à ̈ di 350-400 °C, occorre un ulteriore riscaldamento nella camera di combustione per portarli a 500 °C.

Durante il processo la temperatura media del caffà ̈ viene portata gradualmente fino a circa 200-230°C in un tempo di 8-20 minuti, entrambi variabili in funzione del tipo di processo desiderato; durante il ciclo di tostatura, la temperatura dei gas che entrano nella camera di tostatura 1 deve diminuire da 500 °C a meno di 300 °C; per ottenere questa diminuzione si riduce progressivamente la potenza del bruciatore 3 fino a spegnerlo completamente, poi immettendo aria fredda dalla derivazione 22.

I gas di scarico dal tamburo hanno una temperatura di circa 150-300°C e vengono inviati al depuratore attraversando una delle masse ceramiche 81, 82 o 83 che li preriscaldano fino a circa 750 °C; da qui passano nella camera 62 dove il bruciatore li scalda fino a circa 820 °C, e scaricandosi dopo miscelazione coi gas di combustione da un’altra di dette camere attraverso la rispettiva massa ceramica che viene così portata ad una temperatura media di circa 600°C.

La temperatura di uscita dei gas che depurati dai prodotti organici possono essere scaricati in atmosfera, ed in gran parte riciclati nel bruciatore 2 con recupero di una importante quantità di calore à ̈ di 350-400 °C.

Con l’impianto a regime, la temperatura nella camera di combustione 62 si stabilizza a 780-820 °C.

Nella seconda metà di ciascun ciclo di tostatura, quando la formazione di sostanze organiche diviene consistente, si spegne il bruciatore 9 del depuratore 6, e la temperatura della massa ceramica si mantiene grazie alla reazione esotermica della ossidazione dei gas prodotti dalla tostatura.

Se i gas fossero poveri di sostanze organiche, e la reazione esotermica non fosse sufficiente, si riaccende sporadicamente il bruciatore 9.

Dopo un tempo di circa 8-20 minuti, la tostatura si à ̈ completata, il tamburo 1 viene vuotato e riempito per un nuovo ciclo.

Il consumo specifico per tostare un kilogrammo di caffà ̈ à ̈ risultato pari complessivamente a 935 kJ con un consumo specifico di 0,025 Nm<3>di metano.

Lo stesso impianto privo del depuratore rigenerativo ha consumato, nelle stesse condizioni, 1700 kJ/Kg con un consumo di 0,048 Nm<3>/Kg; il risparmio energetico realizzato dal trovato à ̈ risultato del 48%.

Si intende che l’invenzione non à ̈ limitata all’esempio sopra descritto, e che varianti e perfezionamenti possono esservi apportati senza uscire dall’ambito delle seguenti rivendicazioni.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto di tostatura per caffà ̈, orzo, cacao e semi oleosi in genere comprendente una camera di tostatura atta a contenere il prodotto da tostare, una prima camera di combustione comprendente un primo bruciatore per generare e convogliare nella camera di tostatura un flusso di gas di tostatura; mezzi per prelevare da detta camera di tostatura i gas di scarico comprendenti i gas di tostatura ed i gas emessi dal prodotto durante la tostatura; mezzi per ridurre i componenti organici presenti nel gas di scarico, e mezzi per convogliare i gas di scarico in atmosfera, caratterizzato dal fatto che i mezzi per ridurre i componenti organici presenti nel gas di scarico comprendono un secondo bruciatore di combustibile atto a portare i gas di scarico ad una temperatura superiore a 800°C e che tra i mezzi per ridurre i componenti organici presenti nel gas di scarico ed i mezzi per convogliare in atmosfera i gas di scarico à ̈ posta una derivazione che convoglia nella camera di combustione una parte dei gas in uscita dai mezzi per ridurre i componenti organici.
2. 2. Impianto secondo la riv.1 caratterizzato dal fatto che i mezzi per ridurre i componenti organici presenti nel gas in uscita dalla camera di tostatura comprendono un involucro separato in una prima ed in una seconda zona da una massa ceramica porosa avente un rapporto tra spazi vuoti e spazi pieni non superiore al 140 %, ed una massa totale espressa in Kg da un numero almeno pari al 5% del numero che esprime la portata in m<3>/min del flusso di gas di tostatura, la prima zona comprendendo un secondo bruciatore di combustibile e la seconda zona comprendendo almeno un condotto di immissione dei gas di scarico provenienti dalla camera di tostatura ed almeno un condotto di uscita dei gas di scarico provenienti dalla camera di tostatura e dei gas di combustione del secondo bruciatore, detti condotti essendo ognuno chiuso da una valvola.
3. 3. Impianto secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che la seconda zona in cui la massa porosa separa l’involucro à ̈ divisa in almeno tre parti da almeno due setti, la massa porosa comprendendo almeno tre porzioni indipendenti ognuna posta in una di dette almeno tre parti, ognuna delle porzioni indipendenti comprendendo un condotto di immissione dei gas di scarico ed un condotto di uscita dei gas di scarico e dei gas di combustione del bruciatore.
4. 4. Impianto secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che detti almeno un condotto di uscita dei gas di scarico e dei gas di combustione del secondo bruciatore confluiscono in un collettore che comprende un ventilatore che favorisce lo scarico dei gas.
5. 5. Impianto secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che a valle di detto collettore à ̈ presente una derivazione da cui si deriva un condotto confluente nella prima camera di combustione, ed un condotto comunicante coi mezzi per convogliare i gas di scarico in atmosfera.
6. 6. Impianto secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che detti almeno un condotto di immissione dei gas di scarico della camera di tostatura si derivano da un unico collettore collegato alla camera di tostatura.
7. 7. Impianto secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che tra detto collettore e la camera di tostatura à ̈ posto un ventilatore atto a porre in depressione la camera di tostatura.
8. 8. Impianto secondo la rivendicazione 7 caratterizzato dal fatto che tra detto ventilatore e detto collettore à ̈ posto un separatore a ciclone.
9. 9. Impianto secondo le rivendicazioni 2 e 3 caratterizzato dal comprendere ulteriormente almeno un sensore di temperatura posto all’uscita della camera di tostatura 1; almeno un sensore di temperatura posto nella camera di tostatura; almeno un sensore di temperatura posto all’uscita del depuratore 6; almeno un sensore di temperatura posto all’ingresso del camino; almeno un sensore di temperatura posto all’uscita della camera di combustione 2; ed almeno un sensore di temperatura posto nell’involucro dei mezzi per ridurre i prodotti organici.
10. 10. Impianto secondo la rivendicazione 9 caratterizzato dal comprendere ulteriormente almeno tre sensori di temperatura posti rispettivamente ognuno in una tre porzioni indipendenti in cui à ̈ suddivisa la seconda zona dell’involucro.
11. 11. Impianto secondo la rivendicazione 10 caratterizzato dal comprendere ulteriormente almeno tre sensori di temperatura posti nella prima zona dell’involucro, ognuno rispettivamente sopra una delle porzioni indipendenti in cui à ̈ suddivisa la massa ceramica.
12. 12. Processo di tostatura per caffà ̈ caratterizzato dal comprendere le seguenti fasi: - alimentare ad una camera di tostatura contenente caffà ̈ in grani il gas di scarico di una caldaia alla temperatura di circa 500°C; - mantenere il gas alimentato alla camera di tostatura ad una temperatura compresa tra 500 e 300°C per un tempo da 8 a 20 minuti onde portare gradualmente la temperatura del caffà ̈ ad un valore di 200 a 230°C; - convogliare il gas che esce dalla camera di tostatura ad una temperatura di 150-300°C, ad una camera di trattamento per eliminare le sostanze organiche mediante ossidazione; - preriscaldare detto gas ad una temperatura di circa 750°C per scambio con masse ceramiche porose e grazie alla reazione esotermica di ossidazione delle sostanze organiche; - portare poi detto gas ad una temperatura di almeno 800°C mediante miscelazione con gas di combustione; - convogliare detto gas parte al camino di scarico nell’atmosfera, e parte alla caldaia ad una temperatura compresa tra 350 e 400 °C.
13. 13. Processo secondo la riv.12 caratterizzato che tra la camera di tostatura e la camera di trattamento dei gas i gas vengono sottoposti ad una separazione a ciclone.
14. 14. Processo secondo la riv.12 caratterizzato che i gas provenienti dalla caldaia prima di entrare nella camera di tostatura vengono miscelati con aria fresca.