ITUB20159452A1 - Bruciatore compatto con rigenerazione sia di combustibile che di comburente - Google Patents

Description

BRUCIATORE COMPATTO CON RIGENERAZIONE SIA DI

COMBUSTIBILE CHE DI COMBURENTE

La presente invenzione si riferisce ad un bruciatore compatto con rigenerazione sia di combustibile che di comburente .

Nei forni siderurgici avvengono processi ad alta temperatura, che generalmente richiedono combustibili ad alto potere calorifico per raggiungere la temperatura di processo, ove ad esempio tali temperature proprio nei forni giungono indicativamente fino a 1150°-1320°C.

Si deve peraltro fare presente che proprio per consentire agevoli variazioni della produttività in tali apparati vengono impiegate risorse di energia costose guali possono essere fonti chimiche nobili come il gas naturale .

E' altrettanto noto che guest e grandi attrezzature consumano in maniera rilevante energia termica per il loro funzionamento . Per guesta ragione nell'industria siderurgica si cercano di sostituire fonti energetiche nobili , guali il gas naturale, con gas generati come sottoprodotti generati con altri apparati produttivi , guali ad esempio altoforno o cokeria. Questa tendenza ha il beneficio di ridurre i livelli di emissione di C02 da parte dell'intero stabilimento industriale . Ciò si verifica in guanto normalmente i gas di processo generati come sottoprodotti da parte di apparati moderni ed efficienti hanno generalmente poteri calorifici sempre più bassi . Ciò comporta che tali sottoprodotti non possono essere agevolmente impiegati come combustibili in apparati di processo operanti ad alta temperatura . Pertanto tali sottoprodotti vengono impiegati con bassa efficienza per la generazione di energia elettrica oppure bruciati in torcia prima di essere rilasciati in atmosfera.

Gli apparati di processo vengono di conseguenza alimentati con combustibili più nobili andando così ad incrementare globalmente le emissioni massiche di C02 da parte dell'intero stabilimento oltre che a far crescere i costi di produzione. Quindi un più efficiente utilizzo dei sottoprodotti all'interno dello stabilimento consente di raggiungere notevoli benefici per l'ambiente e per la redditività della produzione industriale.

Da tutte gueste problematiche è scaturita una tendenza, in particolare nel campo della produzione di acciaio, a promuovere l'uso di bruciatori rigenerativi che , preriscaldando 1'aria di combustione, sono in grado di provvedere al recupero di energia che altrimenti andrebbe persa nei fumi di scarico e di permettere contemporaneamente 1' utilizzo di sottoprodotti caratterizzati da un basso potere calorifico.

Per consentire l'impiego di tali sottoprodotti con basso potere calorifico in processi ad alta temperatura si ricorre al preriscaldo del combustibile in un recuperatone centralizzato di calore e talora, laddove disponibile , alla miscelazione con combustibili più nobili . Per ottimizzare il consumo della frazione di combustibile nobile si ricorre inoltre alla rigenerazione dell' aria comburente .

Gli attuali bruciatori rigenerativi preriscaldano peraltro unicamente 1'aria comburente per il fatto che idrocarburi complessi sono soggetti a fenomeni di crackizzazione che degradano il potere calorifico effettivo rilasciato nel corso del processo di combustione .

Tuttavia, nel caso di sottoprodotti gassosi privi o con limitata presenza di idrocarburi complessi , quali ad esempio il gas di altoforno caratterizzato da elevata presenza di monossido di carbonio, la rigenerazione di combustibile è vantaggiosa per:

- la riduzione ed il potenziale azzeramento dell'impiego di combustibili nobili.

- 1'utilizzo a più alta efficienza energetica di sottoprodotti a basso potere calorifico.

- 1'utilizzo di detti prodotti a basso potere calorifico in processi ad alta temperatura.

- la possibilità di alimentare il forno con gas a basso potere calorifico a temperatura ambiente per mezzo di tubazioni gas di dimensioni più contenute rispetto al caso del preriscaldo del suddetto gas. - la riduzione complessiva di emissioni di C02 nell'atmosfera.

Rispetto alla tecnica illustrata nel brevetto anteriore CN2G4114925 relativo ad una tecnologia per certi versi similare la presente invenzione si propone di realizzare un miglioramento nella combustione , di limitare gli incombusti e consentire una più agevole accensione a freddo .

Scopo generale della presente invenzione è quello di realizzare un bruciatore rigenerativo in grado di rigenerare sia 1'aria comburente che il combustibile a basso potere calorifico, quale ad esempio il gas d'altoforno, in maniera estremamente semplice, economica e funzionale all'esercizio degli apparati produttivi . Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un bruciatore rigenerativo in grado di realizzare una combustione stabile tra combustibile e comburente entrambi a temperatura ambiente, ovvero non rigenerati , all'interno di una camera di combustione anch' essa inizialmente a temperatura ambiente . Questa modalità è rilevante per la fase di partenza di un forno industriale , quando i fumi all'interno della camera non sono ancora sufficientemente caldi da garantire l'ignizione della miscela.

Altro scopo della presente invenzione è quello di offrire un bruciatore rigenerativo con possibilità di una modalità di alimentazione mista alternativa a quella del solo gas a basso potere calorifico.

Le caratteristiche strutturali e funzionali della presente invenzione e i suoi vantaggi nei confronti della tecnica conosciuta risulteranno ancora più chiari ed evidenti da un esame della descrizione seguente , riferita ai disegni schematici allegati, che mostrano un esempio di attuazione del trovato stesso. Nei disegni: - la figura 1 è una sezione vista in alzata laterale di un bruciatore compatto rigenerativo secondo la presente invenzione, e

- la figura 2 è una ulteriore sezione del bruciatore rigenerativo illustrato in figura 1.

Con riferimento alle figure, un bruciatore compatto rigenerativo secondo la presente invenzione è complessivamente indicato con il ed individua un doppiobruciatore rigenerativo .

Tale bruciatore rigenerativo nel suo complesso comprende un blocco refrattario 12, un corpo metallico 13 del bruciatore , rivestito internamente da uno strato isolante refrattario 14 , e un bruciatore pilota o dispositivo di accensione 15 con rilevazione di fiamma.

Lo spazio occupato dal dispositivo di accensione 15 può essere utilizzato per alloggiare la lancia di iniezione di combustibile non rigenerato.

Il blocco refrattario 12 è posto direttamente affacciato ad una camera di combustione del forno (non mostrata). Il corpo metallico 13 del bruciatore essenzialmente comprende una unità rigeneratrice di aria 16 ed una unità rigeneratrice di combustibile 17 collaboranti, integrate tra loro e supportate nel corpo metallico 13 ed entrambe rivestite dallo strato isolante refrattario 14 . In particolare, nell'esempio mostrato, 1'unità rigeneratrice di aria 16 è provvista di una flangia di collegamento 18 per l'aria e fumi di scarto rigenerati. L'unità rigeneratrice di combustibile 17 è provvista di una flangia di collegamento 19 per il combustibile e i fumi di scarico rigenerati rispettivamente per le modalità di rigenerazione e di combustione .

Sull<1>unità rigeneratrice di aria 16 viene realizzato un foro di ispezione e controllo 20 per consentire operazioni di manutenzione . Tale foro di ispezione e controllo 20 comprende una flangia di chiusura 21 e una guarnizione 22 idonea a temperature e cadute di pressione medie. Sull'unità rigeneratrice di combustibile 17 viene previsto un altro foro di ispezione 23 per gli stessi motivi e anch'esso comprende una flangia di chiusura 24 con una guarnizione idonea 25 in grado di evitare perdite nocive e pericolose del combustibile per 1'ambiente circostante .

Più particolarmente , 1'unità rigeneratrice di aria 16 comprende un plenum freddo 26 , un mezzo poroso di rigenerazione 27 e un plenum caldo 28. Il plenum freddo 26 permette una distribuzione uniforme dell'aria in ingresso dalla flangia 18 guando il bruciatore è in modalità di combustione . Il mezzo poroso di rigenerazione 27 funge da accumulatore di calore durante la modalità di rigenerazione guando i gas di scarico caldi vengono estratti dalla camera di combustione del forno . Tale estrazione avviene attraverso un condotto composto da passaggi collegati comprendenti una precamera di combustione del bruciatore 29 alla guale segue un condotto intermedio 30 verso il plenum caldo 28 guindi i gas di scarico vengono raffreddati interagendo con il mezzo di rigenerazione freddo 27.

Durante la modalità di combustione il mezzo di rigenerazione 27 agisce come fonte di calore per l'aria in ingresso che passa attraverso la flangia 18 poi attraverso il plenum freddo 26, attraverso il mezzo di rigenerazione 27 e, infine , attraverso il condotto intermedio 30 nella pre-camera di combustione del bruciatore 29 .

L'unità di rigenerazione del combustibile 17 funziona in modo del tutto simile sia in modalità di rigenerazione che in modalità di combustione . Per tale unità si indicano elementi simili con numeri di riferimento simili a quelli dell 'unità rigeneratrice di aria 16, seguiti da un primo. Dunque tale unità 17 comprende anch' essa un plenum freddo 26', un mezzo poroso di rigenerazione 21 e un plenum caldo 28'.

Il blocco refrattario 12 del bruciatore 11 è un blocco cavo all 'interno del quale si trova la pre-camera di combustione del bruciatore 29. Tale pre-camera di combustione del bruciatore 29 agisce come corretto miscelatore dei reagenti al fine di stabilire una fiamma stabile durante 1 'avvio a freddo dell 'intero doppio sistema di combustione rigenerativo che si compone di vari bruciatori doppio- ri generativi. Questo permette di installare solo bruciatori doppio- rigenerat ivi senza la necessità di prevedere bruciatori addizionali per il solo preriscaldo della camera di combustione del forno al di sopra della temperatura di autoignizione, fornendo così vantaggi tecnici ed economici rilevanti con un sistema di combustione doppio- rigene rativo. Inoltre la pre-camera di combustione del bruciatore 29 permette di evitare la formazione di prodotti parziali della combustione in guanto il processo di combustione è correttamente avviato anche guando si utilizzano reagenti freddi .

La pre-camera di combustione del bruciatore 29 può essere realizzata in una cavità di varie forme possibili con diverse serie di passaggi ad essa collegati. Una prima serie di passaggi affiancati comprendente condotti intermedi o ingressi d'aria 30 ed una seconda serie di passaggi affiancati comprendente condotti intermedi o ingressi di combustibile 31 collegati da tale pre-camera di combustione del bruciatore 29 verso 1 'unità rigeneratrice di aria 16 e rispettivamente verso l'unità rigeneratrice di combustibile 17 . Preferibilmente secondo la presente invenzione detti condotti o passaggi affiancati 30 e 31 sono disposti inclinati di un angolo a rispetto ad un asse orizzontale x del bruciatore , ove tale valore di a è compreso tra 0° e 90° così da favorire la circolazione sia dei gas di scarico di ritorno dalla camera di combustione del forno che dell' aria e del combustibile che giunge dalle unità rigeneratrici di aria 16 e di combustibile 17.

Una terza serie di condotti 32 disposti tra la pre-camera di combustione del bruciatore 2 9 verso la camera di combustione del forno per permettere il passaggio dei prodotti di combustione di uscita guando il bruciatore è in modalità di combustione. Quando invece il bruciatore è in modalità di rigenerazione gli stessi passaggi o condotti 32 agiscono in modo diverso quali passaggi per i gas di scarico provenienti dalla camera di combustione del forno.

In guesto caso infatti la pre-camera di combustione del bruciatore 2 9 funge da plenum per tali gas di scarico. In questa camera avviene il frazionamento del flusso dei gas di scarico proveniente dalla camera di combustione del forno in due flussi differenti, vale a dire gas di scarico che devono essere rigenerati all'interno dell 'unità rigeneratrice di aria 16 che passano attraverso i passaggi 30 e gas di scarico che devono essere rigenerati all'interno dell 'unità rigeneratrice di combustibile 17 che passano attraverso i passaggi 31. Il frazionamento della portata dei gas di scarico in entrata è realizzata mediante un corretto dimensionamento dei passaggi 30 e 31 tale da generare una equilibrata distribuzione delle perdite di carico. Scopo di detto frazionamento è quello di generare durante la fase di rigenerazione un rapporto tra la portata di fumi in 30 e quella in 31 simile al rapporto tra la portata di aria in 30 e la portata di combustibile in 31 durante la fase di combustione.

Il blocco refrattario 12, che caratterizza la pre-camera di combustione del bruciatore 29, è collegato al corpo del bruciatore 13 recante le due unità, ovvero 1'unità rigeneratrice di aria 16 e 1'unità rigeneratrice di combustibile 17 separate tra loro. La pre-camera di combustione del bruciatore 29 è alimentata dai plenum caldi 28 e 28'.

Il bruciatore pilota 15 con rilevazione di fiamma è disposto in una zona intermedia tra 1 'unità rigeneratrice di aria 16 e 1 'unità rigeneratrice di combustibile 17, dovendo anch'esso essere collocato in modo stabile sul corpo metallico 13 del bruciatore .

Ed è proprio in guesta zona intermedia del corpo metallico 13 del bruciatore che deve essere evitata ogni possibile interazione tra 1'unità rigeneratrice di aria 16 e l'unità rigeneratrice di combustibile 17.

In primo luogo i plenum caldi 28 e 28' delle due unità 16, 17, oltre a essere parzialmente circondati dallo strato refrattario 14, sono separati per mezzo di un blocco refrattario intermedio 33, ad esempio in materiale refrattario prefabbricato ma non limitato ad esso . Tale blocco refrattario intermedio 33 ha proprio la funzione di fornire una tenuta o barriera intrinsecamente stabile e robusta ad azioni di circolazione termica tra 1'unità rigeneratrice di aria 16 e 1'unità rigeneratrice di combustibile 17, nonché una tenuta rispetto al blocco refrattario 12.

Inoltre il blocco refrattario intermedio speciale 33 circonda e protegge il sistema bruciatore pilota 15 con rilevazione di fiamma che fornisce le funzioni di combustione e rivelazione alla miscela infiammabile all 'interno della pre-camera di combustione del bruciatore 29. In alternativa a tale sistema bruciatore pilota 15 possono essere disposti una candela di accensione così come un sistema di rilevazione di fiamma. Ulteriormente il blocco refrattario intermedio speciale 33 agevola e realizza un posizionamento stabile rispetto all' associato blocco refrattario 12 per mezzo di disposizioni specifiche sulle loro superfici di connessione affacciate sotto forma ad esempio di tagli e creste. Queste disposizioni specifiche, sotto forma di diverse caratteristiche geometriche , sono anche utili per aumentare la tenuta tra le parti ed evitare fughe di aria dal plenum di aria calda 28 nel plenum di combustibile caldo 28' o viceversa, fughe che potrebbero potenzialmente portare ad auto-ignizione della miscela risultante con pericolo conseguente .

La previsione di un corpo metallico 13 del bruciatore in un sol pezzo provvisto di un'unica flangia frontale 34 per il posizionamento rispetto al forno, ovvero alla camera di combustione del forno, semplifica la disposizione sia dell'unità rigeneratrice di aria 16 che dell' unità rigeneratrice di combustibile 17.

La previsione del blocco refrattario 33 posto intermedio tra 1'unità rigeneratrice di aria 16 e 1'unità rigeneratrice di combustibile 17 mantenute solidali dal corpo metallico 13 del bruciatore è garante dell' isolamento di ciascuna unità rigeneratrice 16, 17 impedendone ogni eventuale interazione , anche accidentale .

Inoltre nella modalità di funzionamento alternativa con combustibile più ricco detto blocco refrattario 33 può ospitare , alternativamente al dispositivo di accensione 15 con rilevazione di fiamma, una lancia di iniezione di combustibile non rigenerato .

Si è dungue visto come rispetto alla tecnica nota del brevetto anteriore CN204114925 la presente invenzione realizza un netto miglioramento nella combustione , limita gli incombusti e consente una agevole accensione a freddo: questo in quanto introduce una pre-camera di combustione in qrado di stabilizzare la combustione , limitare gli incombusti e consentire 1'accensione dell'intero apparato a freddo. Inoltre sono integrati su un unico corpo compatto i due rigeneratori rispettivamente dell'aria comburente e del gas per mezzo di un disegno in grado di garantire la sicurezza di esercizio del bruciatore .

Secondo la presente invenzione è consentito inoltre ottenere un bruciatore rigenerativo con possibilità di una modalità di alimentazione mista alternativa a quella del solo gas a basso potere calorifico.

Questa necessità si può verificare qualora gli apparati produttivi non rendano disponibile al processo i sottoprodotti utilizzati da questo come combustibile ad esempio durante una fermata per manutenzione. Ad esempio si può figurare il caso in cui il bruciatore progettato per essere doppio-ri generativo funziona alimentato con un combustibile più ricco, quale ad esempio gas di petrolio liquefatto, iniettato non attraverso il rigeneratore gas ma tramite altro condotto.

Naturalmente , le forme della struttura per la realizzazione di un bruciatore dell'invenzione possono essere diverse da quelle mostrate a solo titolo di esempio non limitativo nei disegni , come pure diversi possono essere i materiali e le modalità di assemblaggio. E' così conseguito lo scopo menzionato al preambolo della descrizione .

L'ambito di tutela della presente invenzione è definito dalle rivendicazioni allegate .

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1) Bruciatore compatto con rigenerazione sia di combustibile che di comburente (11) comprendente: un blocco refrattario (12), un corpo metallico (13) del bruciatore , rivestito internamente da uno strato isolante refrattario (14), e un dispositivo di accensione (15) con rilevatore di fiamma, in cui detto blocco refrattario (12) è posto direttamente affacciato a una camera di combustione di un forno, in cui detto corpo metallico (13) del bruciatore comprende una unità rigeneratrice di aria (16) ed una unità rigeneratrice di combustibile (17) integrate tra loro ed entrambe rivestite da detto strato isolante refrattario (14), entrambe dette unità rigeneratrice di aria (16) e unità rigeneratrice di combustibile (17) essendo collegate ad una pre-camera di combustione del bruciatore (29) ricavata in detto blocco refrattario (12), ove detta pre-camera di combustione del bruciatore (29) è collegata anche a detto dispositivo di accensione (15) con rilevatore di fiamma interposto da dette due unità (16, 17), essendo inoltre previsto un blocco refrattario intermedio (33) che separa detta unità rigeneratrice di aria (16) e detta unità rigeneratrice di combustibile (17) e collabora a tenuta con detto blocco refrattario (12).
2. 2) Bruciatore rigenerativo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sia detta unità rigeneratrice di aria (16) che detta unità rigeneratrice di combustibile (17 ) comprendono un plenum freddo (26, 26' ), un mezzo poroso di rigenerazione (27, 27') e un plenum caldo (28, 28').
3. 3) Bruciatore rigenerativo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che sia detta unità rigeneratrice di aria (16) che detta unità rigeneratrice di combustibile (17) prevedono un foro di ispezione e controllo (20, 23) provvisto di una flangia di chiusura (21, 24) e una guarnizione (22, 25).
4. 4) Bruciatore rigenerativo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni , caratterizzato dal fatto che detta unità rigeneratrice di aria (16) e detta unità rigeneratrice di combustibile (17) sono collegate a detta pre-camera di combustione del bruciatore (29) tramite almeno un rispettivo condotto intermedio (30, 31) .
5. 5) Bruciatore rigenerativo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni da l a i, caratterizzato dal fatto che detta unità rigeneratrice di aria (16) e detta unità rigeneratrice di combustibile (17) sono collegate a detta pre-camera di combustione del bruciatore (29) tramite una rispettiva prima e seconda serie di passaggi o condotti affiancati (30, 31).
6. 6) Bruciatore rigenerativo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti passaggi o condotti affiancati (30, 31) sono disposti inclinati di un angolo a rispetto ad un asse orizzontale x del bruciatore, ove tale valore di a è compreso tra 0° e 90°.
7. 7) Bruciatore rigenerativo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni , caratterizzato dal fatto che detto blocco refrattario intermedio (33) circonda detto dispositivo di accensione (15) con rilevatore di fiamma.
8. 8) Bruciatore rigenerativo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto corpo metallico (13) del bruciatore è in un sol pezzo, supporta sia detta unità rigeneratrice di aria (16) che detta unità rigeneratrice di combustibile (17) ed è provvisto di un'unica flangia frontale (34) per il posizionamento rispetto al forno, ovvero alla camera di combustione del forno.
9. 9) Bruciatore rigenerativo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato da una iniezione di combustibile non rigenerato attraverso lo spazio di alloggiamento del dispositivo di ignizione (15).