Si considerano le caratteristiche degli off-gas in una sezione rappresentativa della settling chamber di un tipico processo con EAF di capacità 70 t, a due ceste di carico e ciclo tap-to-tap di 68 min (e suddiviso a intervalli di 117 s). I dati derivano da misurazioni sperimentali fornite dalla società ECO-D Environmental Systems S.r.l di Udine [39].
Premessa: considerazioni sull’affidabilità dei dati di input, variabilità delle caratteristiche 7.2.1
dei fumi e potenza recuperabile nella sezione di interesse
Ci si pone il problema dell’affidabilità e validità dei dati dei fumi utilizzati come input al sistema e che dipendono significativamente dalla tecnologia utilizzata per il loro rilievo. Come detto, nella trattazione si è fatto affidamento ai dati forniti da ECO-D Environmental Systems S.r.l [39] in merito alle caratteristiche degli off-gas nella settling chamber e i valori misurati sono stati confrontati con quelli reperibili in letteratura. In particolare si è fatto riferimento ai rilievi effettuati da Nardin et al. [42] - [43] effettuati durante la prima metà degli anni ’80 sugli impianti industriali delle Ferriere Nord - Gruppo Pittini di Osoppo (Udine). L’indagine era stata condotta per studiare le caratteristiche chimico-fisiche dei fumi di scarico in tutte le fasi del processo fusorio e il calore sensibile della corrente gassosa al fine di individuare il punto più idoneo a ospitare eventuali sistemi di recupero energetico e di attuare un controllo accurato degli effetti inquinanti. La sezione C con la settling chamber risultò essere la migliore per quanto illustrato al paragrafo 7.1.
L’impianto di riferimento è del tipo rappresentato in Figura 70 con potenzialità nominale del forno di 70 t, 3 ceste di carico e TTT superiore agli 80 min.
Figura 70 - Schema linea trattamento e depurazione fumi dell'acciaieria Ferriere Nord S.p.A. - Gruppo Pittini, anni '80. Adattato da: [42].
In Figura 71 si riportano le fasi di un ciclo TTT dell’EAF e gli andamenti di portata, temperatura e calore specifico dei fumi emessi durante il ciclo nella sezione C.
Le temperature medie dei fumi sono state registrate sperimentalmente durante il ciclo TTT; oscillano moltissimo, con grandi differenze tra picchi superiori ai 600 °C e momenti invece in cui la temperatura scende a meno di 200 °C in corrispondenza alle diverse fasi di power-on e power-off del forno. La portata è abbastanza costante e si attesta attorno ai 200000 Nm3/h.
Sono le condizioni operative oltre al tipo di rottame che determinano l’andamento della temperatura dei fumi e la sua grande variabilità.
Una cosa importante di questo grafico è l’andamento del coefficiente cp nel tempo ciclo; tale valore è molto altalenante e rispecchia abbastanza bene quello delle temperature. Occorre tener conto di ciò in fase di progettazione del sistema di recupero dagli off-gas (non si può far affidamento ad un valore medio).
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Figura 71 - Rilevamenti di portata (Q), temperatura (t) e calore specifico dei fumi (cp) nella sezione C
dell'impianto considerato: EAF 70 t, 3 ceste di carico, TTT 80 min. Fonte [42].
La potenza immagazzinata da questi fumi è molto alta e dipende dalle componenti della miscela degli off-gas. Può essere calcolata con la seguente formula:
(9) 𝑞 =1𝜏 � �𝑐𝑝,𝑖𝑗100 ∗ 𝑄∗ 𝑋𝑗 𝑖𝑡𝑖 𝑛 𝑗=1 𝜏 𝑖=1 con:
• τ durata del ciclo TTT [min];
• n numero di componenti la miscela gassosa;
• cpij calore specifico del componente j-esimo [J/Nm3K];
• Xj contenuto percentuale del componente j-esimo nella miscela gassosa: • Qi portata dei fumi nella sezione considerata [Nm3/h];
I valori della potenza sono ottenuti a intervalli di un minuto in cui è stata discretizzata l’intera durata dell’operazione di misura e l’andamento è rappresentato nella seguente figura, unitamente a quello dell’entalpia dei fumi.
Figura 72 - Andamento di entalpia e potenza dei fumi nella sezione C dell’impianto considerato: EAF 70 t, 3 ceste di carico, TTT 80 min. Fonte: [42].
I valori misurati, per quanto datati, trovano comunque riscontro nelle misurazioni effettuate da ECO-D Environmental Systems S.r.l. [39]. Le uniche differenze si riscontrano nella durata del ciclo TTT (68 min, intervalli di 117 s) e nel numero di ceste utilizzate (2 anziché 3).
Figura 73 - Andamento della temperatura nella settling chamber riferita alle misurazioni di ECO-D Environmental Systems S.r.l : EAF 70 t, due ceste di carico, due cicli TT da 68 min. Fonte: [39].
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Il rilevamento di Nardin non viene preso in considerazione nei calcoli effettuati sul sistema di recupero proposto, ma è servito sia per evidenziare e analizzare nel dettaglio la variabilità delle temperature e portate dei fumi, sia per avere un ordine di grandezza delle potenze in gioco e dell’energia potenzialmente recuperabile dai fumi. Inoltre dai dati sperimentali provenienti dalle due distinte fonti si può notare come la temperatura media dei fumi e l’energia contenuta in essi (proporzionale all’area sottesa dal profilo di temperatura) presentino sempre gli stessi ordini di grandezza e una discreta ripetibilità in diversi cicli TTT. Questo permette di affermare con buona approssimazione che in presenza di un sistema di recupero energetico può essere garantita una fornitura tendenzialmente costante di energia.
D’altra parte è doveroso ricordare che le caratteristiche termodinamiche dei fumi al primario e i tempi ciclo possono variare sensibilmente in funzione del tipo di acciaio prodotto.
Analisi della composizione degli off-gas 7.2.2
Fumi primari
Per la composizione dei fumi primari in ingresso alla settling chamber si fa riferimento ai dati reperiti in letteratura, come spiegato al paragrafo 3.2: i principali componenti degli off-gas sono quelli riportati in Tabella 3 al paragrafo 3.2.1. Per quanto riguarda gli elementi gassosi si considerano le percentuali riportate nella Tabella 4 dello stesso paragrafo, ma con una semplificazione, ovvero considerando nulle quelle di H2 e CO: infatti, dato che lo scopo della trattazione è di recuperare la maggior quantità di energia, si è ipotizzato che l’entrata di aria dal gap sia la minore possibile per completare la post-combustione, ottenendo così la minima diluizione possibile; ne consegue che tutta la CO e H2 abbiano completato le loro reazioni di post-combustione. Ad ogni modo, i residui incombusti (ppm) hanno rilevanza dal punto di vista ambientale, ma non tecnico-energetico.
Fumi secondari
Anche in questo caso, per le caratteristiche dei fumi secondari si fa riferimento alla letteratura (paragrafo 3.3) e si considerano i dati della Tabella 5.
Polveri
Per quanto riguarda le polveri, queste, come anticipato al paragrafo 3.4, sono legate al tipo di acciaio prodotto e al processo. Come verrà descritto al paragrafo 7.5.3.3, le simulazioni per studiare l’andamento del PCM nel differitore vengono dapprima fatte senza considerare lo sporcamento causato dalle polveri; questo fenomeno è valutato separatamente ipotizzando il deposito di uno strato di polvere pari a 1 cm sull’apparato.
Analisi dell’andamento della temperatura degli off-gas come dato di input al sistema e 7.2.3
approssimazioni
In Tabella 14 sono riassunte le proprietà medie dei fumi esaminati nella sezione rappresentativa della settling chamber, quali la temperatura, la velocità, la portata, la viscosità, la densità, il calore specifico e la conducibilità termica; in Figura 74 è riportato l’andamento della temperatura dei fumi durante un ciclo TTT di 68 min, suddiviso a intervalli di 117 s.
Tabella 14 - Proprietà dei fumi nella sezione rappresentativa della settling chamber. Fonte: [39]. PROPRIETÀ DEI FUMI
Temperatura media
(approssimata) Tm °C 600,0
Temperatura massima Tmax °C 950,8
Temperatura minima Tmin °C 223,0
Velocità v m/s 10
Portata volumetrica teorica 𝑄̇𝑡 Nm³/h 100.000
Portata volumetrica reale 𝑄̇𝑟 m³/h 319.780
Portata massica M Kg/s 36,11
Viscosità dinamica µ Kg/ms 3,30E-05
Densità teorica 𝜌𝑡 Kg/Nm³ 1,3
Densità reale 𝜌𝑟 Kg/m³ 0,41
Calore specifico cp J/Nm³K 1330
Conducibilità termica λ W/mK 0,051
Non vengono invece presi in considerazione l’irraggiamento, la polverosità e altre caratteristiche chimico-fisiche degli off-gas, salvo poi tenerne conto in termini di sporcamento e variazioni indotte da questi fattori sullo scambio termico.
Un’ulteriore approssimazione fatta in tutta la trattazione riguarda la portata degli off-gas che è stata considerata costante: questo ha semplificato il calcolo delle energie in gioco senza per altro discostarsi molto dalla realtà del fenomeno.
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Figura 74 - Andamento della temperatura in un ciclo TTT di 68 min (intervalli di 117 s) nella sezione rappresentativa della settling chamber.
Osservando il grafico della temperatura si distinguono chiaramente le fasi caratteristiche di un ciclo fusorio: all’aumento della temperatura dei fumi a partire da 200 °C corrisponde la fusione della prima cesta; si nota un piccolo calo ti temperatura verso i 600 °C dovuto all’apertura dei bruciatori. La temperatura continua poi ad aumentare raggiungendo quasi i 1000 °C in seguito alla post-combustione. A fusione completata, gli elettrodi vengono spenti e la volta aperta per consentire l’introduzione della seconda cesta; a questa fase corrisponde una diminuzione della temperatura dei fumi che raggiungono i 500 °C. Ha inizio quindi la seconda fusione con il relativo aumento della temperatura: anche in questo caso si nota un calo verso i 700 °C dovuto all’apertura dei bruciatori e un picco di temperatura pari a circa 900 °C in seguito alla post-combustione. Quando l’acciaio risulta completamente fuso gli elettrodi vengono spenti e alzati per consentirne lo spillaggio dall’EBT: si ha in questo caso una nuova diminuzione della temperatura dei fumi. Un’ulteriore abbassamento si verifica in corrispondenza della chiusura dell’EBT e dell’apertura della volta per l’inizio di un nuovo ciclo fusorio.
Come già affermato, è il processo che definisce l’andamento delle temperature degli off-gas e ne caratterizza la grande variabilità, cosa che rende molto difficile qualsiasi intervento in termini di recupero termico.
Occorre quindi ridurre la variabilità della temperatura dei fumi (e di conseguenza dell’energia termica) minimizzando la differenza tra la temperatura massima e quella minima raggiunte (ΔT = Tmax - Tmin). Per quantificare questa variabilità si fa riferimento a due grandezze statistiche, varianza e deviazione standard, che permettono di valutare gli scostamenti tra le temperature istantanee e la temperatura media dei fumi.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 10 20 30 40 50 60 70