ITMI20131931A1

ITMI20131931A1 - Bruciatore industriale autorigenerativo e forno industriale per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa

Info

Publication number: ITMI20131931A1
Application number: IT001931A
Authority: IT
Inventors: Marco Ageno; Toni Rossi
Original assignee: Tenova Spa
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-21
Also published as: BR112016010901B1; EP3071883A1; RU2016119146A; WO2015075666A1; CA2928038C; RU2656220C1; BR112016010901A2; MX378341B; US10288285B2; CA2928038A1; US20160245514A1; EP3071883B1; MX2016006313A

Description

BRUCIATORE INDUSTRIALE AUTORIGENERATIVO E FORNO INDUSTRIALE PER LA CONDUZIONE DI PROCESSI DI COMBUSTIONE AUTORIGENERATIVA.

La presente invenzione si riferisce a un bruciatore industriale per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa anche in modalità di fiamma, più in particolare, la presente invenzione si riferisce a un bruciatore industriale di tipo cosiddetto “autorigenerativo”.

La presente invenzione si riferisce, inoltre, a un forno industriale, in particolare un forno industriale per il trattamento termico di prodotti, in particolare semilavorati e prodotti siderurgici, materiali metallici e inorganici, comprendente un tale bruciatore industriale per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa anche in modalità di fiamma.

La presente invenzione si riferisce anche a un metodo di pilotaggio di un bruciatore industriale autorigenerativo per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa anche in modalità di fiamma.

La presente invenzione è applicabile a tutti i processi industriali di riscaldamento o, più in generale, di trattamento termico condotti in forni e per i quali sia richiesta un’elevata efficienza di preriscaldo dell’aria di combustione e nel corso della conduzione dei quali la temperatura di processo sia relativamente bassa (per esempio dell’ordine di 450°C) o comunque inferiore alla temperatura di auto-ignizione del combustibile almeno per la maggior parte del tempo di processo.

Sono noti bruciatori industriali che sono strutturati per recuperare il calore dei fumi di combustione per preriscaldare l’aria di combustione prima che questa sia miscelata al combustibile.

Tali bruciatori sono in grado di preriscaldare l’aria di combustione fino a temperature che possono essere inferiori alla temperatura interna al forno di circa 100°C.

Esistono, in particolare, i cosiddetti “bruciatori rigenerativi”, ciascuno dei quali è dotato di un accumulatore di calore alternativamente attraversato dai fumi di combustione e dall’aria di combustione.

Questi “bruciatori rigenerativi” lavorano sempre in coppia, alternando la fase di combustione alla fase di aspirazione dei fumi di combustione. Per ciascuna coppia un bruciatore funziona come bruciatore vero e proprio, utilizzando aria di combustione che viene preriscaldata nell’attraversare il rispettivo accumulatore di calore (nel quale il calore è stato accumulato durante il precedente ciclo di funzionamento), e l’altro bruciatore funziona da aspiratore o camino, accumulando nel rispettivo accumulatore di calore il calore dei fumi di combustione che vengono aspirati attraverso esso. A predeterminati intervalli di tempo il funzionamento dei due bruciatori di ciascuna coppia è invertito.

Sono anche noti bruciatori di tipo cosiddetto “autorigenerativo” i quali sono dotati ciascuno di una coppia di accumulatori di calore e funzionano ciascuno contemporaneamente come bruciatore vero e proprio e come aspiratore o camino dei fumi di combustione, alternando il flusso dell’aria di combustione in ingresso e dei fumi di combustione in uscita fra i propri due accumulatori di calore.

Uno dei principali problemi che insorge nel funzionamento dei bruciatori “autorigenerativi” è l’aspirazione di incombusti (in particolare monossido di carbonio CO) provenienti dalla fiamma.

Questo problema è usualmente risolto facendo funzionare il bruciatore in modalità di combustione diluita o senza fiamma, che permette di staccare e allontanare la fiamma dal bruciatore stesso e, quindi, di minimizzare la possibilità di aspirare incombusti in prossimità di esso.

Questa modalità di funzionamento è schematicamente illustrata nell’allegata Figura 1, nella quale è schematicamente rappresentato il diffusore 1 di un bruciatore “autorigenerativo” di tipo noto applicato a una camera di combustione C. Il diffusore 1 è provvisto di un primo ugello 2 centrale di iniezione di combustibile e di una coppia di secondi ugelli 3 e 4 disposti su una circonferenza centrata nel primo ugello 2 ed alternativamente e selettivamente attraversati dall’aria di combustione e dai fumi di combustione (nella Figura 1, il secondo ugello 3 è raffigurato nella modalità di funzionamento di iniezione di aria di combustione e il secondo ugello 4 è raffigurato nella modalità di funzionamento come aspiratore dei fumi di combustione, come schematicamente rappresentato dalle frecce). Per semplicità di rappresentazione non sono mostrati gli accumulatori di calore associati ai due secondi ugelli 3 e 4, né il dispositivo di commutazione dei flussi fra essi, che devono comunque intendersi presenti.

L’aria di combustione e il gas di combustione sono iniettati nella camera di combustione C a elevata velocità (dell’ordine di 100 m/s), in modo da non generare una fiamma ancorata al diffusore 1, ma una combustione diluita in una zona Z1 avanzata rispetto al diffusore 1. Ciò permette di separare la zona di combustione Z1 dalla zona Z2 in corrispondenza della quale i fumi di combustione vengono aspirati dall’interno della camera di combustione C, minimizzando, così, l’aspirazione verso l’esterno di incombusti.

Come noto, per poter condurre stabilmente una combustione senza fiamma è necessario che la temperatura interna alla camera di combustione C sia superiore alla temperatura di auto-ignizione del combustibile di un valore tale da evitare anche possibili rischi di esplosione. Qualora, per esempio, il combustibile sia gas naturale, la soglia di temperatura al di sopra della quale è possibile condurre stabilmente una combustione senza fiamma è di circa 800°C.

I bruciatori “autorigenerativi” di tipo noto, quindi, sono usualmente equipaggiati con un dispositivo 5 per generare una fiamma pilota F, come mostrato schematicamente nell’allegata Figura 2 (schema a sinistra). Il dispositivo 5 comprende ulteriori ugelli per l’iniezione di aria di combustione fredda, la quale viene utilizzata per generare una fiamma pilota F ancorata al diffusore 1. La fiamma pilota F serve per portare la temperatura interna alla camera di combustione C al di sopra di 800°C, al raggiungimento della quale il dispositivo 5 viene disattivato, essendo possibile far operare il bruciatore in modalità di funzionamento senza fiamma con preriscaldo dell’aria di combustione a opera degli accumulatori di calore associati ai secondi ugelli 3 e 4 (Figura 2, schema a destra).

Il bruciatore “autorigenerativo” è, quindi, in grado di preriscaldare l’aria di combustione con elevata efficienza di preriscaldo solo quando la camera di combustione C è al di sopra di 800°C.

Infatti, per la generazione della fiamma pilota F e il mantenimento della stessa fino al raggiungimento all’interno della camera di combustione di una temperatura superiore alla temperatura di autoignizione del combustibile viene usata aria di combustione fredda, sicché l’efficienza di preriscaldo dell’aria di combustione scende a 0 per temperature interne alla camera di combustione inferiori a tale temperatura (800°C per gas naturale).

A questo problema si è parzialmente ovviato con bruciatori “autorigenerativi” che, in un determinato intervallo di temperature, comunque inferiori alla temperatura di auto-ignizione del combustibile (per il gas naturale nell’intervallo di temperatura compreso fra 500°C e 800°C), sono in grado di funzionare in una modalità intermedia, in cui una frazione dell’aria di combustione, tipicamente la metà, viene preriscaldata e la restante frazione viene utilizzata fredda dal dispositivo pilota 5 per la generazione di una fiamma pilota F.

Questa modalità di funzionamento è schematicamente rappresentata in Figura 3 riferita alla tecnica nota, ove il primo schema illustra il bruciatore “autorigenerativo” in modalità di funzionamento con fiamma pilota (la temperatura interna alla camera di combustione C essendo inferiore a 500°C), il secondo schema illustra il bruciatore nella modalità di funzionamento intermedia come sopra descritta (la temperatura interna alla camera di combustione C essendo compresa fra 500°C e 800°C) e il terzo schema mostra il bruciatore in modalità di funzionamento senza fiamma con preriscaldo di tutta l’aria di combustione.

Tuttavia, anche in tal caso, l’uso di aria fredda per la conduzione della fiamma pilota penalizza l’efficienza complessiva del preriscaldo dell’aria di combustione.

Nell’allegata Figura 4 è riportato un grafico che mostra i valori di efficienza di preriscaldo dell’aria di combustione (i.e. il rapporto fra la temperatura di preriscaldo dell’aria di combustione e la temperatura interna alla camera di combustione) tipici di un bruciatore “autorigenerativo” di tipo noto al variare della temperatura interna alla camera di combustione nelle diverse modalità di funzionamento del bruciatore “autorigenerativo” come sopra descritte e operante con gas naturale.

Si nota che al di sopra di 800°C l’efficienza di preriscaldo è circa 80%, mentre al di sotto degli 800°C l’efficienza crolla a 0 o, in alternativa, si dimezza nell’intervallo di temperatura compreso tra 500 e 800°C.

L’utilizzo di aria fredda per generare una fiamma pilota limita, quindi, fortemente l’utilizzo del bruciatore “autorigenerativo” che, quindi, trova applicazione solo nei forni con temperatura di processo al di sopra della temperatura di auto-ignizione del combustibile (pari a circa 800°C per il gas naturale).

Esistono, tuttavia, numerosi forni industriali di trattamento termico ove la temperatura di processo è nettamente inferiore alla temperatura di auto-ignizione del combustibile, per esempio essa è compresa tra 450°C e 700°C (mediamente pari a 600°C), e, quindi, sempre inferiore alla soglia di combustione senza fiamma. In altri casi, invece, anche se la temperatura di trattamento può superare la temperatura di autoignizione del combustibile, essendo per esempio compresa tra 700°C e 900°C, essa, per la maggior parte del tempo di trattamento, si mantiene al di sotto di tale temperatura (i.e. al di sotto di 800°C per il gas naturale).

Per poter estendere il funzionamento di un bruciatore “autorigenerativo” in modalità di preriscaldo dell’aria di combustione anche a temperature interne alla camera di combustione inferiori a quella di auto-ignizione del combustibile (i.e. 800°C per gas naturale), occorre poter separare la zona ove avviene la combustione dalla zona in corrispondenza della quale i fumi di combustione sono aspirati e, allo stesso tempo, occorre produrre una fiamma stabile e ancorata che non si estingua a causa della bassa temperatura interna alla camera di combustione e della bassa percentuale di ossigeno presente nei fumi di combustione (usualmente non superiore al 3% in volume).

A tal fine sono state proposte soluzioni come per esempio descritte in US 5,628,629, in cui il diffusore (“burner tile”) presenta una porzione centrale sporgente rispetto alla superficie in corrispondenza della quale sono definite le aperture per il flusso di ingresso dell’aria di combustione e per il flusso di uscita dei fumi di combustione e attraverso la quale viene iniettato il combustibile. Tale sporgenza centrale ha lo scopo di allontanare la zona in corrispondenza della quale si genera la fiamma pilota dalla zona in corrispondenza della quale i fumi di combustione sono aspirati verso l’esterno, così da ridurre la quantità di incombusti che possono essere aspirati assieme ai fumi di combustione.

Sempre secondo quanto descritto in US 5,628,629 è possibile disporre un cilindro che sostiene la combustione (“combustion assistance cylinder”) frontalmente alla porzione centrale sporgente del diffusore. Tale cilindro circonda e racchiude al proprio interno sia l’ugello di iniezione del combustibile, il quale è coassiale alla porzione centrale sporgente del diffusore, sia le aperture di flusso dell’aria di combustione e dei fumi di combustione, le quali sono disposte lungo una circonferenza che è concentrica all’ugello di iniezione del combustibile e che giace all’interno del cilindro (“combustion assistance cylinder”).

Tale configurazione, come descritta in US 5,628,629, permette di far operare il bruciatore “autorigenerativo” anche a basse temperature.

Anche in tal caso, tuttavia, per stabilizzare la fiamma è comunque presente un dispositivo pilota (del tipo per esempio descritto in US 6,079,976) che genera una fiamma pilota alimentata con aria di combustione fredda, con conseguenze negative sull’efficienza di preriscaldo a opera del bruciatore.

Un’ulteriore soluzione è stata proposta da US 6,033,208, in cui i due accumulatori di calore del bruciatore “autorigenerativo” cono disposti in due camere coassiali agli ugelli di iniezione del combustibile. Questa soluzione permette di utilizzare la camera più interna per generare la fiamma pilota, eliminando, così, la necessità di un dispositivo pilota dedicato. Anche in tal caso, tuttavia, è necessario produrre una fiamma pilota con l’impiego di aria di combustione fredda per portare la temperatura interna alla camera di combustione al di sopra della temperatura di auto-ignizione (800°C), al di sopra della quale il bruciatore opera in modalità di autorigenerazione con preriscaldo dell’aria di combustione.

I bruciatori “autorigenerativi” di tipo noto, quindi, sono in grado di preriscaldare efficientemente l’aria di combustione solo quando la temperatura interna alla camera di combustione è superiore a quella di auto-ignizione del combustibile e, quindi, solo in modalità di combustione senza fiamma. Al di sotto di tale temperatura, essi operano in modalità fiamma, per la generazione della quale è sempre usata almeno una frazione di aria di combustione fredda che penalizza l’efficienza di preriscaldo complessiva.

È, quindi, sentita l’esigenza di un bruciatore industriale di tipo “autorigenerativo” che, indipendentemente dalla temperatura interna alla camera di combustione, sia in grado di generare una fiamma stabile e ancorata utilizzando per la stessa solo aria di combustione preriscaldata, anziché aria di combustione fredda.

È, cioè, sentita l’esigenza di un bruciatore industriale di tipo “autorigenerativo” che sia in grado di funzionare anche in modalità fiamma, e non solo in modalità senza fiamma, preriscaldando la totalità dell’aria di combustione e che sia in grado di mantenere il livello di incombusti (in particolare CO) aspirati assieme ai fumi di combustione inferiore ai limiti imposti dalle normative vigenti (tipicamente inferiore a 100 ppm).

Scopo della presente invenzione è, quindi, quello di realizzare un bruciatore industriale autorigenerativo e un forno industriale per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa che permettano di preriscaldare con elevata efficienza l’aria di combustione anche quando la temperatura interna alla camera di combustione è inferiore alla temperatura di auto-ignizione del combustibile.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un bruciatore industriale autorigenerativo e un forno industriale per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa che, qualsiasi sia la temperatura interna alla camera di combustione, permettano di generare una fiamma stabile e ancorata utilizzando per la stessa solo aria di combustione preriscaldata.

Un altro scopo ancora della presente invenzione è quello di realizzare un bruciatore industriale autorigenerativo e un forno industriale per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa che, qualsiasi sia la temperatura interna alla camera di combustione, permettano di evitare o comunque limitare l’aspirazione di incombusti assieme ai fumi di combustione.

Un altro scopo ancora della presente invenzione è quello di fornire un metodo di pilotaggio di un bruciatore industriale autorigenerativo applicato a un forno industriale per il trattamento termico di prodotti che permetta di controllare il funzionamento di tale bruciatore per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa, qualsiasi sia la temperatura interna alla camera di combustione.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un bruciatore industriale autorigenerativo e un forno industriale per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa particolarmente semplici e funzionali, con costi contenuti.

Questi scopi secondo la presente invenzione sono raggiunti realizzando un bruciatore industriale autorigenerativo per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa come esposto nella rivendicazione 1.

Questi scopi secondo la presente invenzione sono raggiunti realizzando un forno industriale per il trattamento termico di prodotti, in particolare semilavorati e prodotti siderurgici, materiali metallici e inorganici, per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa, come esposto nella rivendicazione 14.

Questi scopi sono altresì raggiunti con un metodo di pilotaggio di un bruciatore industriale autorigenerativo per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa in forni industriali per il trattamento termico di prodotti, in particolare semilavorati e prodotti siderurgici, materiali metallici e inorganici, come esposto nella rivendicazione 15.

Ulteriori caratteristiche sono previste nelle rivendicazioni dipendenti.

Le caratteristiche e i vantaggi di un bruciatore industriale autorigenerativo e di un forno industriale per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa secondo la presente invenzione, risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

le figure da 1 a 4 mostrano schematicamente le modalità di conduzione di bruciatori “autorigenerativi” secondo la tecnica nota;

la figura 5 mostra schematicamente e parzialmente la struttura di base di un bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione;

le figure 5A e 5B mostrano schematicamente in alzato laterale e in vista frontale un particolare del bruciatore industriale autorigenerativo di figura 5; la figura 6 mostra schematicamente un bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione;

la figura 7 è un grafico che mostra i valori di efficienza di preriscaldo in funzione della temperatura interna alla camera di combustione di un forno industriale di un bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione in comparazione a quelli di un bruciatore industriale autorigenerativo secondo la tecnica nota;

la figura 8 mostra schematicamente una prima alternativa forma di realizzazione del bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione con a fianco un particolare su scala ingrandita;

la figura 9 mostra schematicamente possibili conformazioni dell’estremità terminale dei secondi ugelli del bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione alternativamente attraversati dall’aria di combustione e dai gas esausti di combustione;

la figura 10 mostra schematicamente una seconda alternativa forma di realizzazione del bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione;

la figura 11 mostra schematicamente una terza alternativa forma di realizzazione del bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione;

la figura 12 mostra schematicamente una quarta alternativa forma di realizzazione del bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione;

la figura 13 è una vista in assonometria di una possibile forma di realizzazione della struttura di base del bruciatore autorigenerativo secondo la presente invenzione;

la figura 14 è una vista in assonometria del bruciatore di figura 13 con indicate le linee di flusso dell’aria di combustione e dei gas esausti di combustione;

la figura 15 è una vista frontale di figura 13 con indicate le linee di flusso dell’aria di combustione e dei gas esausti di combustione;

la figura 16 è una vista in alzato laterale di figura 13;

la figura 17 è un grafico che mostra in funzione del tempo l’andamento della temperatura dell’aria di combustione, dei gas esausti di combustione e interna a un forno di trattamento termico cui è stato applicato un bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione;

la figura 18 è un grafico che mostra i valori di emissione di ossigeno, monossido di carbonio e ossidi di azoto rilevati durante la conduzione del forno alle condizioni indicate nel grafico di figura 13.

Con riferimento alle allegate figure da 5 a 16 si è complessivamente indicato con 10 un bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione applicato a un forno industriale 100 per il trattamento termico di prodotti, in particolare semilavorati e prodotti siderurgici, materiali metallici e inorganici.

Si precisa che l’uso nella descrizione che segue e nelle rivendicazioni allegate di aggettivi quali “primo”, “secondo”, “terzo” o simili è fatto ai soli fini di chiarezza di esposizione.

Si precisa altresì che nella presente descrizione per “aria di combustione” si intende indicare aria comburente o comunque un comburente che assiste la combustione di un combustibile, mentre per “gas esausti di combustione” si intende indicare i fumi prodotti dalla combustione del combustibile.

Per combustibile si intende indicare un combustibile gassoso o liquido e, in particolare, gas naturale.

Le allegate figure, inoltre, mostrano solo schematicamente il bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione in diverse possibili varianti e il principio di funzionamento dello stesso; di esse, in particolare, la sola Figura 6 mostra il bruciatore industriale autorigenerativo secondo la presente invenzione completo degli accumulatori di calore e del dispositivo di commutazione dei flussi di aria di combustione e di gas esausti di combustione che devono intendersi comunque presenti in un bruciatore industriale “autorigenerativo” secondo la presente invenzione e, in particolare, devono intendersi presenti in un bruciatore industriale autorigenerativo come schematicamente rappresentato nelle allegate figure 5, 8, 10 e da 11 a 16.

Il forno industriale 100 è solo schematicamente illustrato e di esso si è indicata con 101 la camera internamente alla quale viene condotto il trattamento termico desiderato, cioè la camera di combustione 101.

Il bruciatore 10 comprende una testata 11, anche detta “diffusore”, alla quale sono associati almeno un primo ugello 12 di iniezione di combustibile, il quale è associabile, in ingresso, a un gruppo di alimentazione di combustibile 13, e almeno una coppia di secondi ugelli 14 e 15, i quali sono alternativamente e selettivamente attraversabili da aria di combustione e da gas esausti di combustione. In particolare, i secondi ugelli 14 e 15 di ciascuna coppia di secondi ugelli sono alternativamente e selettivamente attraversabili dall’aria di combustione che alimenta il bruciatore 10 e dai gas esausti di combustione prodotti all’interno della camera di combustione 101 ed aspirati da questa per il tramite dello stesso bruciatore 10.

Si nota che nelle allegate figure da 5 a 12 è rappresentata una sola coppia di secondi ugelli 14 e 15; è, tuttavia, di tutta evidenza il fatto che il bruciatore 10 possa comprendere più coppie di secondi ugelli 14 e 15.

In una preferita forma di realizzazione del bruciatore 10, si hanno almeno tre coppie di secondi ugelli 14 e 15, ciascuno alternativamente e selettivamente attraversato dall’aria di combustione e dai gas esausti di combustione a intervalli di tempo predeterminati durante il funzionamento del bruciatore 10. Una tale forma di realizzazione è parzialmente rappresentata nelle figure da 13 a 16.

Il bruciatore 10 comprende, inoltre, un corpo tubolare 16 aperto alle estremità opposte e che è disposto frontalmente alla testata 11 e coassiale al primo ugello 12 di iniezione del combustibile.

Il corpo tubolare 16 ha un’estremità prossima o comunque associata o applicata alla faccia della testata 11 in corrispondenza della quale sboccano o comunque protrudono il primo ugello 12 e i secondi ugelli 14 e 15.

L’estremità del corpo tubolare 16 opposta e, quindi, distante da quella affacciata alla testata 11, si prolunga all’interno della camera di combustione 101; il corpo tubolare 16, cioè, si prolunga all’interno della camera di combustione 101.

Secondo una caratteristica peculiare della presente invenzione:

- ciascuno dei secondi ugelli 14 e 15 comprende almeno una prima porzione tubolare 140 e 150 che giace radialmente all’esterno del corpo tubolare 16 e a un’estremità della quale è definita almeno una rispettiva prima bocca 14a e 15a, alternativamente di uscita dell’aria di combustione e di entrata dei gas esausti di combustione, che è disposta radialmente all’esterno del corpo tubolare 16 e a una definita distanza d dalla superficie laterale esterna di esso, -il corpo tubolare 16 comprende almeno un’apertura 17 radiale che è ricavata passante attraverso la sua parete laterale e che funge da ingresso dell’aria di combustione alternativamente in uscita da uno dei secondi ugelli 14 e 15, o di almeno una frazione di essa, all’interno del corpo tubolare 16, ove essa si miscela con il combustibile in uscita dal primo ugello 12.

Secondo un’ulteriore caratteristica peculiare della presente invenzione, la prima porzione tubolare 140 e 150 di ciascun secondo ugello 14 e 15 di ciascuna coppia di secondi ugelli ha un asse longitudinale centrale, schematicamente indicato dalla traccia A, che è inclinato rispetto all’asse longitudinale centrale del corpo tubolare 16 stesso e schematicamente indicato dalla traccia B.

In maggior dettaglio, come schematicamente rappresentato nelle figure 5A e 5B, l’inclinazione dell’asse longitudinale centrale A di ciascuna prima porzione tubolare 140 e 150 di ciascun secondo ugello 14 e 15 ha almeno una prima componente di inclinazione “radiale” αrconvergente verso l’asse longitudinale centrale B del corpo tubolare 16 (Figura 5A).

Vantaggiosamente, l’inclinazione dell’asse longitudinale centrale A di ciascuna prima porzione tubolare 140 e 150 di ciascun secondo ugello 14 e 15 ha almeno una seconda componente di inclinazione “tangenziale” αtche dispone l’asse longitudinale centrale A di ciascuna porzione tubolare 140 e 150 su un piano inclinato rispetto all’asse longitudinale centrale B del corpo tubolare 16 (figura 5B) in modo tale che esso non intersechi l’asse longitudinale centrale B del corpo tubolare 16.

Complessivamente, quindi, l’asse longitudinale centrale A di ciascuna prima porzione tubolare 140 e 150 di ciascun secondo ugello 14 e 15 è sghembo rispetto all’asse longitudinale centrale B del corpo tubolare 16.

La Figura 5A mostra in modo schematico un secondo ugello 14 o 15 di ciascuna coppia di secondi ugelli, il quale comprende un condotto 141 o 151 il cui asse longitudinale centrale (indicato dalla traccia C) è sostanzialmente parallelo all’asse longitudinale centrale B del corpo tubolare 16.

Da un’estremità del condotto 141 o 151, in particolare dall’estremità di esso opposta a quella rivolta verso la testata 11, si prolunga la rispettiva prima porzione tubolare 140 o 150.

Considerando il piano contenente l’asse longitudinale centrale B del corpo tubolare 16 e l’asse longitudinale centrale C del condotto 141 o 151, cioè il piano di disegno della Figura 5A, l’asse longitudinale centrale A, o meglio la sua proiezione su tale piano, ha un’inclinazione radiale di un angolo αrrispetto all’asse longitudinale centrale B del corpo tubolare 16.

È evidente che, nel caso in cui l’asse longitudinale centrale A della prima porzione tubolare 140 o 150 di ciascun secondo ugello 14 o 15 sia dotato anche di un’inclinazione tangenziale αt, la prima porzione tubolare 140 o 150 non giace sul piano di disegno della Figura 5A.

La Figura 5B mostra in modo schematico una vista frontale di Figura 5A; in essa è schematicamente rappresentata l’inclinazione tangenziale αtdell’asse longitudinale centrale A della porzione tubolare 140 o 150 di ciascun secondo ugello 14 o 15.

L’inclinazione complessiva dell’asse longitudinale centrale A della prima porzione tubolare 140 e 150 dirige il flusso di aria di combustione immessa dal rispettivo secondo ugello 14 e 15 verso il corpo tubolare 16 o meglio verso la corrispondente apertura 17 ricavata nel corpo tubolare 16 così da indirizzare il getto di aria di combustione all’interno del corpo tubolare 16 (inclinazione radiale αr), imprimendogli, inoltre, un modo vorticoso (inclinazione tangenziale αt). Per esempio, l’angolo di inclinazione radiale αrpuò essere scelto nell’intervallo 10°- 60° e l’angolo di inclinazione tangenziale αtpuò essere scelto nell’intervallo 0°-15°; in una possibile forma di realizzazione l’angolo di inclinazione radiale αrè pari a 30° e l’angolo di inclinazione tangenziale αtè pari a 5°. Le figure 14 e 15 mostrano chiaramente le linee di flusso dell’aria di combustione immessa nel corpo tubolare 16 e le linee di flusso dei gas esausti aspirati.

In maggior dettaglio, il primo ugello 12 si prolunga all’interno del corpo tubolare 16 per una lunghezza tale che la sua bocca di uscita 12a giaccia in corrispondenza della porzione longitudinale del corpo tubolare 16 in corrispondenza della quale sono ricavate le aperture 17. In particolare, la bocca di uscita 12a giace su un piano trasversale del corpo tubolare 16 che interseca le aperture 17 in corrispondenza della loro emi-estensione parallelamente all’asse longitudinale centrale B del corpo tubolare 16. Non si escludono, tuttavia, alternative forme di realizzazione in cui la bocca di uscita 12a giace su un diverso piano trasversale del corpo tubolare 16. Per esempio, la bocca di uscita 12a può trovarsi su un piano trasversale del corpo tubolare 16 che interseca le aperture 17 in un punto che, considerando l’estensione delle aperture 17 in direzione parallela all’asse longitudinale centrale B del corpo tubolare 16 stesso, è compreso fra l’emi-estensione delle aperture 17 stesse e l’estremità terminale di esse rivolta da parte opposta rispetto alla testata 11.

Nella parete laterale del corpo tubolare 16 è ricavata una pluralità di aperture 17 disposte tra loro distanziale lungo almeno una porzione circonferenziale del corpo tubolare 16; in particolare, nella parete laterale del corpo tubolare 16 è ricavato un numero di aperture 17 pari al numero di secondi ugelli 14, 15.

Per ciascuna coppia di secondi ugelli 14 e 15 può essere prevista una rispettiva coppia di aperture 17, ciascuna delle quali è affacciata a una rispettiva prima bocca 14a e 15a; in alternativa può essere prevista un’unica apertura 17 comune ai secondi ugelli 14 e 15 di una stessa coppia di secondi ugelli e alla quale si affacciano entrambe le prime bocche 14a e 15a dei due secondi ugelli 14 e 15 di tale coppia. In quest’ultimo caso, quindi, si avrà un numero di aperture 17 pari alla metà del numero di secondi ugelli 14 e 15 e, quindi, pari al numero di coppie di secondi ugelli 14 e 15, in cui ciascuna apertura 17 è asservita ai due secondi ugelli 14 e 15 di una stessa coppia, come rappresentato nelle figure da 13 a 16 in cui sono presenti tre coppie di secondi ugelli 14 e 15 e tre aperture 17.

In generale, quindi, il numero di secondi ugelli 14 e 15 è pari e il corpo tubolare 16 comprende un numero di aperture 17 uguale al numero di secondi ugelli 14 e 15, in cui ciascuna apertura 17 è asservita a un rispettivo secondo ugello, oppure un numero di aperture 17 uguale alla metà del numero di secondi ugelli 14 e 15 (le aperture 17 sono cioè in numero uguale al numero di coppie di secondi ugelli 14 e 15) in cui ciascuna apertura 17 è asservita a una rispettiva coppia di secondi ugelli 14 e 15.

Al limite è presente una sola coppia di secondi ugelli 14 e 15 e una sola apertura 17 cui si affacciano entrambe le prime bocche 14a e 15a.

I secondi ugelli 14, 15 sono disposti in modo tale che la loro prima bocca 14a e 15a, alternativamente di uscita dell’aria di combustione e di ingresso dei gas esausti di combustione, giaccia radialmente all’esterno del corpo tubolare 16 - cioè su una circonferenza ideale centrata sull’asse longitudinale B del corpo tubolare 16 e di diametro maggiore del diametro esterno della porzione del corpo tubolare 16 a essa affacciata – e si affacci almeno parzialmente a una rispettiva apertura 17 a una distanza d non nulla dalla superficie laterale esterna del corpo tubolare 16.

In particolare, gli stessi secondi ugelli 14 e 15 giacciono radialmente all’esterno del corpo tubolare 16.

Nel caso in cui siano presenti più coppie di secondi ugelli 14 e 15, i secondi ugelli che, in uno stesso ciclo di funzionamento del bruciatore 10, sono attraversati da aria di combustione o dai gas esausti di combustione possono essere disposti, tra loro distanziati, su una rispettiva superficie emicilindrica che abbraccia esternamente il corpo tubolare 16, oppure possono essere disposti alternati ai secondi ugelli che nello stesso ciclo di funzionamento del bruciatore 10 sono attraversati dal flusso opposto, quest’ultimo caso è rappresentato per esempio nelle figure da 13 a 16.

Come appare evidente dalla Figura 9, l’estremità della prima porzione tubolare 140 e 150 di ciascun secondo ugello 14 e 15 che definisce la rispettiva prima bocca 14a e 15a è opportunamente sagomata ed è definita su un piano di giacitura che può essere ortogonale o inclinato rispetto all’asse longitudinale centrale A di un angolo β (Figura 9).

Modificando i valori degli angoli di inclinazione radiale αre tangenziale αtcome sopra definiti è possibile generare un moto di “swirling” dell’aria di combustione iniettata all’interno del corpo tubolare 16 e, quindi, agire sulla lunghezza della fiamma generata dal bruciatore 10. Modificando, invece, l’angolo di inclinazione β della bocca di uscita 14a e 15a è possibile localizzare ulteriormente l’aspirazione dei gas esausti di combustione in corrispondenza di zone non interessate dalla fiamma.

All’interno del corpo tubolare 16 è collocato un dispositivo di innesco 18 atto a generare la scintilla di accensione della combustione.

Il primo ugello 12 inietta il combustibile all’interno del corpo tubolare 16 formando un getto che si propaga a partire dalla porzione longitudinale del corpo tubolare 16 in corrispondenza della quale sono ricavate le aperture 17.

Uno dei due secondi ugelli, nelle figure 5, 10, 11, 12 e 14 il secondo ugello 14 e nella figura 15 il secondo ugello 15, è utilizzato per iniettare l’aria di combustione all’interno della camera di combustione 101, mentre l’altro dei due secondi ugelli, nelle figure 5, 10, 11, 12 e 14 il secondo ugello 15 e nella figura 15 il secondo ugello 14, è utilizzato per aspirare i gas esausti di combustione dalla camera di combustione 101, come schematicamente indicato dalle frecce ivi riportate.

L’aria di combustione iniettata dal secondo ugello 14 penetra all’interno del corpo tubolare 16 attraverso l’affacciata apertura 17. L’aria di combustione che entra nel corpo tubolare 16 si miscela con il combustibile ivi iniettato dal primo ugello 12 e, a seguito di innesco, all’interno del corpo tubolare 16 si genera una fiamma F in grado di essere stabilizzata, anche con l’ausilio di accorgimenti e/o sistemi noti al tecnico del ramo e per questo non dettagliati, e di rimanere confinata e ancorata al corpo tubolare 16.

I gas esausti di combustione sono aspirati da una zona esterna (radialmente esterna) al corpo tubolare 16 a opera del secondo ugello 15. Poiché la fiamma F è confinata all’interno del corpo tubolare 16 e comunque ancorata al corpo tubolare 16, si evita l’aspirazione a opera del secondo ugello 15 di incombusti direttamente dalla fiamma F stessa.

Come noto al tecnico del ramo, infatti, l’aspirazione di un gas a opera di un ugello è fortemente localizzata all’estremità di ingresso dell’ugello stesso; al contrario un getto di gas emesso da un ugello è coerente con se stesso anche a distanza dall’estremità di uscita dell’ugello stesso. Nel caso specifico, il getto di aria di combustione emesso dal secondo ugello 14 rimane coerente con se stesso anche a distanza dalla prima bocca 14a dalla quale esso è emesso, così che l’aria di combustione riesce a penetrare all’interno del corpo tubolare 16 attraverso l’affacciata apertura 17. I gas esausti di combustione, invece, sono aspirati dal secondo ugello 15 localmente e in prossimità della sua prima bocca 15a che, giacendo all’esterno del corpo tubolare 16, impedisce l’aspirazione di incombusti dall’interno del corpo tubolare 16 stesso.

Tale effetto, inoltre, può essere supportato dal fatto che i gas esausti di combustione presenti all’esterno del corpo tubolare 16 possono essere in esso risucchiati attraverso le stesse aperture 17 ed essere così ricircolati, anche se ciò che in via principale impedisce l’aspirazione di incombusti provenienti dalla fiamma è la localizzazione dell’aspirazione dei gas esausti di combustione in corrispondenza della prima bocca 14a e 15b dei secondi ugelli 14 e 15.

La figura 6 mostra un bruciatore 10 secondo la presente invenzione raffigurato completo degli accumulatori di calore e del dispositivo di commutazione dei flussi di aria di combustione e di gas esausti di combustione.

Il bruciatore 10 comprende una coppia di accumulatori di calore rispettivamente indicati con 19 e 20, i quali sono tra loro separati e disposti a monte della faccia della testata 11 opposta a quella in corrispondenza della quale sboccano o protrudono il primo ugello 12 e i secondi ugelli 14 e 15.

Gli accumulatori di calore 19 e 20 hanno struttura di tipo noto e, per questo motivo, non sono descritti nel dettaglio; essi, in particolare, contengono una massa di rigenerazione atta a scambiare calore con il fluido che la attraversa e che può avere, per esempio, struttura a nido d’ape o a sfere ed essere realizzata in materiali ceramici.

I due accumulatori di calore 19 e 20, inoltre, possono essere costituiti da sezioni separate e termicamente isolate l’una dall’altra di un unico accumulatore.

Ciascuno di tali accumulatori di calore 19 e 20 è in comunicazione fluida con una seconda bocca, rispettivamente 14b e 15b, alternativamente di ingresso di aria di combustione e di uscita di gas esausti di combustione, di almeno un rispettivo secondo ugello 14 e 15, ove la seconda bocca 14b e 15b è opposta alla rispettiva prima bocca 14a e 15a.

All’estremità degli accumulatori di calore 19 e 20 opposta a quella in comunicazione fluida con i secondi ugelli 14 e 15, è presente un dispositivo di commutazione 21 del flusso che attraversa i secondi ugelli 14 e 15 e il rispettivo accumulatore di calore 19 e 20.

In maggior dettaglio e con specifico riferimento alla Figura 6, l’accumulatore di calore 19 è in comunicazione fluida con la seconda bocca 14b del secondo ugello 14 e l’accumulatore di calore 20 è in comunicazione fluida con la seconda bocca 15b del secondo ugello 15.

Il dispositivo di commutazione 21, in pratica costituito da un insieme di valvole di intercettazione ON-OFF, è pilotabile fra una prima posizione e una seconda posizione.

Nella prima posizione, rappresentata nel primo schema di Figura 6, l’aria di combustione è alimentata attraverso l’accumulatore di calore 19 e il rispettivo secondo ugello 14, mentre i gas esausti di combustione sono aspirati dall’altro secondo ugello 15 e da questo iniettati nel rispettivo accumulatore di calore 20.

Nella seconda posizione, rappresentata nel secondo schema di Figura 6, i flussi di aria di combustione e dei gas esausti di combustione sono invertiti: l’aria di combustione è alimentata attraverso l’accumulatore di calore 20 e il rispettivo secondo ugello 15, mentre i gas esausti di combustione sono aspirati dall’altro secondo ugello 14 e da questo iniettati nel rispettivo accumulatore di calore 19. In questo modo, i due accumulatori di calore 19 e 20 alternativamente accumulano e cedono calore rispettivamente dai gas esausti di combustione e all’aria di combustione che li attraversa.

Il bruciatore 10, quindi, è in grado di operare in condizioni di “autorigenerazione” e, quindi, di preriscaldare l’aria di combustione in modo efficace anche quando la temperatura interna alla camera di combustione 101 è inferiore alla temperatura di autoignizione del combustibile (800°C per gas naturale).

La previsione del corpo tubolare 16 e le sue disposizione e conformazione in relazione ai secondi ugelli 14 e 15, infatti, permettono di condurre una combustione con fiamma stabile e confinata o comunque ancorata al corpo tubolare 16, aspirando i gas esausti di combustione dalla camera di combustione 101 per recuperarne il calore al fine di pre-riscaldare l’aria di combustione usata per generare e mantenere la fiamma stessa, senza il rischio di aspirare con essi incombusti dalla fiamma stessa.

In Figura 7 è riportato un grafico che mostra i valori di efficienza di preriscaldo in funzione della temperatura interna alla camera di combustione di un forno industriale di un bruciatore industriale “autorigenerativo” 10 secondo la presente invenzione in comparazione a quelli di un bruciatore industriale “autorigenerativo” secondo la tecnica nota.

Si nota che l’efficienza di preriscaldo del bruciatore “autorigenerativo” secondo la presente invenzione è sempre pari a circa 80%, qualsiasi sia la temperatura interna alla camera di combustione e, in particolare, anche a temperature inferiori a 800°C. Al contrario, l’efficienza di preriscaldo dei bruciatori “autorigenerativi” secondo la tecnica nota, scende a 0 oppure al 40% quando la temperatura interna alla camera di combustione è inferiore a 800°C, non essendo questi ultimi in grado di produrre una fiamma ancorata e stabile compatibile con il preriscaldo, tramite autorigenerazione, del 100% dell’aria di combustione.

In particolare, sono state condotte prove sperimentali di funzionamento di un bruciatore autorigenerativo secondo la presente invenzione del tipo di quello rappresentato nelle figure da 13 a 16 e dotato di tre coppie di secondi ugelli egualmente distanziati tra loro lungo una circonferenza concentrica ed esterna al corpo tubolare e ciascuno affacciato a una rispettiva apertura ricavata nel corpo tubolare stesso, in cui l’asse longitudinale centrale della prima porzione tubolare di ciascun secondo ugello è inclinata di un angolo di inclinazione radiale pari a 30° e di un angolo di inclinazione tangenziale pari a 5°.

Il bruciatore oggetto di tali prove sperimentali ha una potenza di 650 kW ed è stato installato in forno dotato di una camera di sezione quadrata con lato di 2m e di lunghezza pari a 5.5m. Le prove sono state condotte utilizzando come combustibile gas naturale operando con un eccesso di aria di combustione compreso fra il 10% e il 15%; le prove sono state condotte sia operando alla portata nominale massima, sia a portate inferiore a quest’ultima di circa il 50-55%. L’inversione del flusso di aria di combustione e del flusso di gas esausti di combustione rispettivamente iniettato e aspirato da ciascun secondo ugello è avvenuta ogni 20 o 30 secondi. La portata dei gas esausti di combustione aspirati attraverso il bruciatore è pari a circa l’80-90% dei gas prodotti dalla combustione. Il bruciatore è stato provato sia in modalità ON/OFF (cioè con accensioni e spegnimenti successivi), sia in modalità continua (cioè con immissione continua di gas di combustione).

I grafici riportati nelle Figure 17 e 18 mostrano i dati rilevati sperimentalmente.

La Figura 17 mostra l’andamento della temperatura in funzione del tempo; si nota che la temperatura interna al forno è compresa fra 580°C e 740°C, l’aria di combustione è preriscaldata a una temperatura compresa fra 500°C e 650°C, mentre i gas esausti di combustione sono raffreddati a circa 100°C.

La Figura 18 è un grafico che mostra i valori di ossigeno (O2), monossido di carbonio (CO) e ossidi di azoto (NOx) rilevati nei gas esausti di combustione aspirati dal bruciatore durante la conduzione dello stesso alle condizioni indicate nel grafico di Figura 16. Si nota in particolare che i valori di monossido di carbonio (CO) presente nei gas esausti di combustione aspirati dal bruciatore sono inferiori a 20 ppm.

La Figura 8 mostra una prima alternativa forma di realizzazione del bruciatore 10 autorigenerativo secondo la presente invenzione, in cui ciascun secondo ugello 14 e 15 comprende un tratto tubolare (in pratica costituito dal condotto 141 e 151) che protrude dalla testata 11 verso l’interno della camera di combustione 101, giace comunque all’esterno del corpo tubolare 16 e che si raccorda alla rispettiva prima porzione tubolare 140, 150, in cui in corrispondenza di tale tratto tubolare è ricavata almeno una fessura radiale 22. Lo scopo di tali fessure 22 è quello di favorire ulteriormente l’aspirazione dei gas esausti di combustione in corrispondenza di una zona della camera di combustione 101 non interessata dalla fiamma. Quando ciascun secondo ugello 14 e 15 è usato per immettere l’aria di combustione ed è, quindi, attraversato dal flusso di aria di combustione, la quantità di aria che esce dalla rispettiva fessura 22 è trascurabile. Quando, invece, ciascun secondo ugello 14 e 15 è usato per aspirare i gas esausti di combustione dalla camera di combustione, questi gas vengono aspirati sia attraverso la rispettiva prima estremità 14a e 15a, sia attraverso la rispettiva fessura 22 (come schematicamente rappresentato dalle frecce di diverso spessore riportate nel particolare in scalda ingrandita).

La Figura 10 mostra una seconda alternativa forma di realizzazione del bruciatore 10 autorigenerativo secondo la presente invenzione, in cui è presente una coppia di primi ugelli, rispettivamente 12 e 12’, disposti tra loro coassiali e dei quali uno (il primo ugello 12’), è interno all’altro (il primo ugello 12) e quindi di diametro inferiore a quest’ultimo.

I primi ugelli 12, 12’ sono associati in ingresso a un gruppo di alimentazione 13 di combustibile per il tramite di un gruppo di commutazione 23.

Il gruppo di commutazione 23, in pratica costituito da valvole di intercettazione ON-OFF, è predisposto per commutare il flusso di alimentazione di combustibile alimentato dai primi ugelli 12 e 12’ fra almeno una prima configurazione operativa del bruciatore 10, in cui il bruciatore 10 opera in condizioni di fiamma confinata o comunque ancorata al corpo tubolare 16 e il combustibile è alimentato attraverso il primo ugello 12 più esterno, e almeno una seconda configurazione operativa, in cui il bruciatore 10 opera in condizioni di fiamma distaccata dal corpo tubolare 16 o in condizioni senza-fiamma e il combustibile è alimentato attraverso il primo ugello 12’ interno all’altro.

Questa seconda configurazione operativa del bruciatore 10 è realizzata quando la temperatura interna alla camera di combustione 101 supera la temperatura di auto-ignizione del combustibile (i.e.

800°C). Ciò permette, se necessario, di ridurre le emissioni di NOx quando la temperature interna alla camera di combustione 101 è sopra agli 800°C.

Questa seconda alternativa forma di realizzazione del bruciatore 10 permette anche di allungare la fiamma qualora sia necessario per il fatto che la fiamma stessa è staccata dal corpo tubolare 16. Tipicamente, il primo ugello 12’ più interno immette il combustibile ad alta velocità di immissione, generalmente compresa fra 80 m/s e 130 m/s.

La Figura 11 mostra schematicamente una terza possibile alternativa forma di realizzazione del bruciatore 10 autorigenerativo secondo la presente invenzione, in cui il bruciatore 10 comprende inoltre almeno una coppia di terzi ugelli 24 di iniezione di combustibile, i quali sono associabili, in ingresso, al gruppo di alimentazione 13 di combustibile e che sono disposti radialmente all’esterno del corpo tubolare 16 e sostanzialmente paralleli all’asse longitudinale B del corpo tubolare 16.

Un rispettivo gruppo di commutazione 23 del flusso di alimentazione di combustibile è predisposto per commutare il flusso di combustibile alimentato attraverso il primo ugello 12 e i terzi ugelli 24 fra almeno una prima configurazione operativa e una seconda condizione operativa del bruciatore 10.

Nella prima configurazione operativa, bruciatore 10 opera in condizioni di fiamma confinata o comunque ancorata al corpo tubolare 16 e il combustibile è alimentato attraverso il primo ugello 12.

Nella seconda condizione operativa, il bruciatore 10 opera in condizioni senza-fiamma, la temperatura interna alla camera di combustione essendo superiore alla temperatura di auto-ignizione del combustibile (i.e. 800°C), e il combustibile è alimentato attraverso i terzi ugelli 24. Anche in tal caso, ciò permette, se necessario, di ridurre le emissioni di NOx a temperature interne alla camera di combustione superiori a 800°C.

I terzi ugelli 24 immettono il combustibile direttamente all’interno della camera di combustione 101 ad alta velocità, generalmente, compresa fra 80 m/s e 130 m/s.

La Figura 12 mostra una quarta possibile alternativa forma di realizzazione del bruciatore 10 autorigenerativo secondo la presente invenzione, in cui ciascun secondo ugello 14 e 15 comprende almeno una seconda porzione tubolare 142, 152 a un’estremità della quale è definita una bocca ausiliaria, rispettivamente 14c e 15c, alternativamente di uscita di aria di combustione e di ingresso di gas esausti di combustione, in cui tale seconda porzione tubolare 142, 152 (e con essa la rispettiva bocca ausiliaria 14c, 15c) giace radialmente all’esterno del corpo tubolare 16 e ha il rispettivo asse longitudinale centrale A’ che è sostanzialmente parallelo all’asse longitudinale B del corpo tubolare 16.

Ciascun secondo ugello 14 e 15, quindi, quando attraversato dall’aria di combustione, immette una frazione di quest’ultima all’interno del corpo tubolare 16, per il tramite della prima bocca 14a e 15a e l’affacciata apertura 17, e una frazione direttamente in camera di combustione 101 in direzione parallela all’asse del corpo tubolare 16.

In questo modo è possibile se necessario diminuire la quantità di NOx e/o allungare la fiamma F.

Considerando un bruciatore 10 secondo la presente invenzione applicato a un forno 100 per il trattamento termico di prodotti, in particolare semilavorati e prodotti siderurgici, materiali metallici e inorganici, esso può essere pilotato con le fasi comprendenti il:

- alimentare il combustibile attraverso il almeno primo ugello 12 con una velocità di immissione compresa fra 15 m/s e 30 m/s, generando, in particolare, un getto di combustibile che si mantiene coerente almeno per una distanza assiale uguale o maggiore alla distanza assiale fra la bocca di uscita 12a del primo ugello 12 stesso e le aperture 17;

- alimentare l’aria di combustione immettendola in uno dei secondi ugelli 14 o 15 con una velocità di immissione compresa fra 30 m/s e 100 m/s generando un getto di aria di combustione che si mantiene sostanzialmente coerente almeno per la distanza che separa la rispettiva prima bocca 14a e 15a dalla superficie laterale esterna del corpo tubolare 16, in cui almeno una frazione dell’aria di combustione così alimentata entra, attraverso la corrispondente apertura 17, all’interno del corpo tubolare 16 ove si miscela con il combustibile alimentato dal primo ugello 12 per generare una fiamma F confinata o comunque ancorata al corpo tubolare 16;

- evacuare i gas esausti di combustione in uscita dall’estremità del corpo tubolare 16 opposta a quella affacciata alla testata 11 o comunque presenti nella camera di combustione 101, aspirandoli dall’esterno del corpo tubolare 16 attraverso l’altro dei secondi ugelli 14 o 15 con una velocità di aspirazione compresa fra 30 m/s e 100 m/s.

Essendo il bruciatore 10 di tipo “autorigenerativo”:

- l’alimentazione dell’aria di combustione comprende il far fluire l’aria di combustione attraverso l’accumulatore di calore 19 o 20 associato al secondo ugello 14 o 15 utilizzato per alimentare l’aria di combustione, prima di immetterla in quest’ultimo, e

- l’evacuazione dei gas esausti di combustione dalla camera di combustione 101 comprende il far fluire i gas esausti di combustione aspirati dall’altro dei secondi ugelli 14 o 15 attraverso il rispettivo accumulatore di calore 19 o 20.

A intervalli di tempo predeterminabili i flussi di aria di combustione e di gas esausti di combustione che attraversano i secondi ugelli 14 e 15 e i rispettivi accumulatori di calore 19 e 20 sono invertiti, così che il calore accumulato nell’accumulatore di calore 19 o 20 prima attraversato dai gas esausti di combustione sia ceduto all’aria di combustione preriscaldandola e l’altro accumulatore di calore 19 o 20 accumuli il calore dai gas esausti in evacuazione.

Qualora il bruciatore 10 sia del tipo rappresentato nelle Figure 10 o 11, quando la temperatura interna alla camera di combustione 101 è superiore alla temperatura di auto-ignizione del combustibile (i.e. 800°C), l’alimentazione del combustibile attraverso il primo ugello 12 è interrotta e il combustibile è alimentato rispettivamente attraverso l’altro primo ugello 12’ o i terzi ugelli 24 con una velocità di immissione compresa fra 80 m/s e 130 m/s, per generare, una combustione senza-fiamma a valle del corpo tubolare 16 o per generare una fiamma distaccata del corpo tubolare 16.

Il bruciatore industriale oggetto della presente invenzione ha il vantaggio di poter operare come bruciatore “autorigenerativo” che, indipendentemente dalla temperatura interna alla camera di combustione, è in grado di generare una fiamma che può essere stabilizzata e ancorata utilizzando per la stessa solo aria di combustione preriscaldata, anziché aria di combustione fredda.

Il bruciatore industriale “autorigenerativo” secondo la presente invenzione ha il vantaggio di poter funzionare anche in modalità fiamma, e non solo in modalità senza fiamma, preriscaldando la totalità dell’aria di combustione ed è in grado di mantenere il livello di incombusti (in particolare CO) aspirati assieme ai fumi di combustione inferiore ai limiti imposti dalle normative vigenti (tipicamente inferiore a 100 ppm).

Il bruciatore industriale autorigenerativoe forno industriale per la conduzione di processi di combustione autorigenerativa così concepiti sono è 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

RIVENDICAZIONI 1) Bruciatore (10) industriale autorigenerativo comprendente: - una testata (11) alla quale sono associati almeno un primo ugello (12) di iniezione di combustibile, il quale è associabile, in ingresso, a un gruppo di alimentazione (13) di combustibile, e almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15), i quali sono alternativamente e selettivamente attraversabili da aria di combustione e da gas esausti di combustione, - un corpo tubolare (16) aperto alle estremità opposte, il quale è disposto frontalmente a detta testata (11) e coassiale a detto almeno un primo ugello (12) con un’estremità prossima alla faccia di detta testata (11) in corrispondenza della quale sboccano o protrudono detto primo ugello (12) e detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) e l’estremità opposta distante da detta faccia, in cui, quando detto bruciatore (10) è applicato a una camera di combustione (101), in particolare la camera di un forno industriale (100), detto corpo tubolare (16) si estende all’interno di detta camera di combustione (101), caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti secondi ugelli (14, 15) comprende almeno una prima porzione tubolare (140, 150) che giace radialmente all’esterno di detto corpo tubolare (16) e a un’estremità della quale è definita almeno una prima bocca (14a, 15a), alternativamente di uscita di detta aria di combustione e di entrata di detti gas esausti di combustione, che giace radialmente all’esterno di detto corpo tubolare (16), e dal fatto che detto corpo tubolare (16) comprende almeno una apertura (17) radiale ricavata passante attraverso la sua parete laterale, in cui detta almeno un’apertura (17) funge da ingresso almeno dell’aria di combustione in uscita da uno di detti secondi ugelli di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15), o di almeno una frazione di essa, in detto corpo tubolare (16) ove essa si miscela con il combustibile in uscita da detto almeno un primo ugello (12).
2) Bruciatore (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto corpo tubolare (16) comprende una pluralità di dette aperture (17) radiali disposte tra loro distanziate lungo almeno una porzione circonferenziale di detto corpo tubolare (16).
3) Bruciatore (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto almeno un primo ugello (12) si prolunga all’interno di detto corpo tubolare (16) fino ad almeno la porzione longitudinale di esso in corrispondenza della quale è ricavata detta almeno una apertura radiale (17).
4) Bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun secondo ugello di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) ha detta rispettiva prima bocca (14a, 15a), alternativamente di uscita di aria di combustione e di ingresso di gas esausti di combustione, che è disposta radialmente all’esterno di detto corpo tubolare (16) in corrispondenza di una rispettiva detta apertura (17) radiale e a una definita distanza (d) dalla superficie laterale esterna di detto corpo tubolare (16).
5) Bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta prima porzione tubolare (140, 150) di ciascuno di detti secondi ugelli (14, 15) di detta almeno una coppia di secondi ugelli ha un asse longitudinale centrale (A) inclinato rispetto all’asse longitudinale centrale (B) di detto corpo tubolare (16).
6) Bruciatore (10) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto asse longitudinale centrale (A) di detta prima porzione tubolare (140, 150) di ciascun detto secondo ugello (14, 15) ha almeno una prima componente di inclinazione radiale (αr) convergente verso detto asse longitudinale centrale (B) di detto corpo tubolare (16).
7) Bruciatore (10) secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che detto asse longitudinale centrale (A) di detta prima porzione tubolare (140, 150) di ciascun detto secondo ugello (14, 15) ha una seconda componente di inclinazione tangenziale (αt).
8) Bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una coppia di accumulatori di calore (19, 20), i quali sono tra loro separati e disposti a monte della faccia di detta testata (11) opposta a quella in corrispondenza della quale sboccano o protrudono detto almeno un primo ugello (12) e detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) e che sono in comunicazione fluida con una seconda bocca (14b, 15b), alternativamente di ingresso di aria di combustione e di uscita di gas esausti di combustione, di un rispettivo secondo ugello di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15), la quale seconda bocca (14b, 15b) è opposta a detta prima bocca (14a, 15a), e un dispositivo di commutazione (21) del flusso che attraversa detti secondi ugelli di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) e il rispettivo detto accumulatore (19, 20), in cui detto dispositivo di commutazione (21) è pilotabile fra una prima posizione, in cui l’aria di combustione è alimentata attraverso uno di detti accumulatori di detta almeno una coppia di accumulatori (19, 20) e il rispettivo detto secondo ugello di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) e i gas esausti di combustione sono evacuati attraverso l’altro secondo ugello di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) e il rispettivo accumulatore di detta almeno una coppia di accumulatori (19, 20), e una seconda posizione, in cui i flussi di aria di combustione e dei gas esausti di combustione attraverso detti accumulatori di detta almeno una coppia di accumulatori (19, 20) e i rispettivi secondi ugelli di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) sono invertiti.
9) Bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta prima bocca (14a, 15a), alternativamente di uscita di aria di combustione o di ingresso di gas esausti di combustione, di ciascuno di detti secondi ugelli di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) giace su un piano ortogonale o inclinato rispetto al corrispondente detto asse longitudinale centrale (A) della rispettiva prima porzione tubolare (140, 150).
10) Bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun secondo ugello di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) comprende un tratto tubolare che protrude da detta testata (11) e in corrispondenza del quale è ricavata almeno una fessura radiale (22).
11) Bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una coppia di detti primi ugelli (12, 12’) disposti tra loro coassiali e un gruppo di commutazione (23) del flusso di alimentazione di combustibile predisposto per commutare il flusso di combustibile alimentato da detti primi ugelli (12, 12’) di detta coppia fra almeno una prima configurazione operativa di detto bruciatore, in cui detto bruciatore (10) opera in condizioni di fiamma confinata o comunque ancorata a detto corpo tubolare (16) e detto combustibile è alimentato attraverso il primo ugello (12) di detta coppia di primi ugelli coassiali che circonda l’altro, e almeno una seconda configurazione operativa, in cui detto bruciatore (10) opera in condizioni di fiamma distaccata da detto corpo tubolare (16) o in condizioni senza-fiamma e detto combustibile è alimentato attraverso il primo ugello (12’) di detta coppia di primi ugelli coassiali che è interno all’altro.
12) Bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una coppia di terzi ugelli (24) di iniezione di combustibile, i quali sono associabili, in ingresso, a detto gruppo di alimentazione (13) di combustibile e che sono disposti radialmente all’esterno di detto corpo tubolare (16) e sostanzialmente paralleli a detto asse longitudinale (B) di detto corpo tubolare, e un gruppo di commutazione (23) del flusso di alimentazione di combustibile predisposto per commutare il flusso di combustibile alimentato da detto almeno un primo ugello (12) e da detti terzi ugelli (24) fra almeno una prima configurazione operativa di detto bruciatore, in cui detto bruciatore (10) opera in condizioni di fiamma confinata o comunque ancorata a detto corpo tubolare (16) e detto combustibile è alimentato attraverso detto almeno un primo ugello (12), e almeno una seconda configurazione operativa, in cui detto bruciatore (10) opera in condizioni senza-fiamma e detto combustibile è alimentato attraverso detta almeno una coppia di terzi ugelli (24).
13) Bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun secondo ugello di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) comprende una seconda porzione tubolare (142, 152) che giace radialmente all’esterno di detto corpo tubolare (16) e che è provvista a un’estremità di almeno una bocca ausiliaria (14c, 15c), alternativamente di uscita di aria di combustione e di ingresso di gas esausti di combustione, che giace radialmente all’esterno di detto corpo tubolare (16), in cui l’asse longitudinale centrale (A’) di detta seconda porzione tubolare (142, 152) è sostanzialmente parallelo a detto asse longitudinale centrale (B) di detto corpo tubolare (16).
14) Forno (101) industriale per il trattamento termico di prodotti, in particolare di semilavorati e prodotti siderurgici, materiali metallici e inorganici, comprendente una camera (101) di trattamento termico delimitata da pareti e da una volta, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti e che è associato, montato o integrato in almeno una di dette pareti o di detta volta, in cui detto corpo tubolare (16) si estende all’interno di detta camera (101).
15) Metodo di pilotaggio di un bruciatore (10) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, quando applicato a una camera di combustione (101), in particolare la camera di un forno (100) industriale per il trattamento termico di prodotti, in particolare di semilavorati e prodotti siderurgici, materiali metallici e inorganici, comprendente: - alimentare detto combustibile attraverso detto almeno un primo ugello (12) con una velocità di immissione compresa fra 15 m/s e 30 m/s; - alimentare aria di combustione immettendola in uno di detti secondi ugelli di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) con una velocità di immissione compresa fra 30 m/s e 100 m/s generando un getto di aria di combustione che si mantiene sostanzialmente coerente almeno per la distanza che separa detta rispettiva prima bocca (14a, 15a) dalla superficie laterale esterna di detto corpo tubolare (16), in cui almeno una frazione dell’aria di combustione così alimentata entra, attraverso detta almeno una apertura radiale (17), all’interno di detto corpo tubolare (16) ove si miscela con il combustibile alimentato da detto almeno un primo ugello (12) per generare una fiamma confinata o comunque ancorata a detto corpo tubolare (16); - evacuare i gas esausti di combustione in uscita dall’estremità di detto corpo tubolare (16) opposta a quella affacciata a detta testata (11) o comunque presenti in detta camera di combustione (101), aspirandoli dall’esterno di detto corpo tubolare (16) attraverso l’altro di detti secondi ugelli di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) con una velocità di aspirazione compresa fra 30 m/s e 100 m/s.
16) Metodo di pilotaggio secondo la rivendicazione 15, in cui: - detto alimentare aria di combustione comprende il far fluire detta aria di combustione attraverso un accumulatore di almeno una coppia di accumulatori di calore (19, 20), i quali sono tra loro separati e disposti a monte della faccia di detta testata (11) opposta a quella in corrispondenza della quale sboccano o protrudono detto almeno un primo ugello (12) e detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) e che sono in comunicazione fluida con una seconda bocca (14b, 15b), alternativamente di ingresso di aria di combustione e di uscita di gas esausti di combustione, di un rispettivo secondo ugello di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15), la quale seconda bocca (14b, 15b) è opposta a detta prima bocca (14a, 15a), prima di immetterla in detto rispettivo secondo ugello di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15), in cui - detto evacuare i gas esausti di combustione comprende il far fluire i gas esausti di combustione aspirati dall’altro di detti secondi ugelli di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) attraverso l’altro accumulatore di calore di detta almeno una coppia di accumulatori di calore (19, 20), e in cui, inoltre, - a intervalli di tempo predeterminabili i flussi di aria di combustione e di gas esausti di combustione che attraversano detti secondi ugelli di detta almeno una coppia di secondi ugelli (14, 15) sono invertiti.
17) Metodo di pilotaggio secondo la rivendicazione 15 o 16, comprendente l’interrompere detto alimentare il combustibile attraverso detto almeno un primo ugello (12) e alimentare il combustibile immettendolo attraverso un ulteriore primo ugello (12’) coassiale e interno a detto primo ugello con una velocità di immissione compresa fra 80 m/s e 130 m/s, per generare, quando la temperatura interna a detta camera di combustione (101) è superiore alla temperatura di autoignizione di detto combustibile, una combustione senzafiamma a valle di detto corpo tubolare (16) o per generare una fiamma distaccata da detto corpo tubolare (16).
18) Metodo di pilotaggio secondo una o più delle rivendicazioni da 15 a 17, comprendente, quando la temperatura interna a detta camera di combustione (101) è superiore alla temperatura di auto-ignizione di detto combustibile, l’interrompere detto alimentare il combustibile attraverso detto almeno un primo ugello (12) e alimentare il combustibile immettendolo attraverso almeno una coppia di terzi ugelli (24) di iniezione di combustibile disposti radialmente all’esterno di detto corpo tubolare (16) e sostanzialmente paralleli a detto asse longitudinale (B) di detto corpo tubolare con una velocità di immissione compresa fra 80 m/s e 130 m/s per generare una combustione senza fiamma a valle di detto corpo tubolare (16).