Cappa del forno: configurazioni della cappa di ingresso e di uscita

La cappa del forno è l'involucro fisso in acciaio, rivestito in refrattario, posto a ciascuna estremità di un forno rotante. Essa convoglia il flusso di gas, contiene la radiazione della zona di combustione, ospita il bruciatore principale all'estremità di scarico e forma l'interfaccia meccanica tra il mantello rotante e la canalizzazione fissa dell'impianto. Ogni forno rotante ne ha due: una cappa di ingresso sul lato di alimentazione (preriscaldatore) e una cappa di uscita sul lato di scarico (raffreddatore).

Questo articolo tratta la funzione di ciascuna cappa, le configurazioni riscontrate nella pratica e il motivo per cui lo spazio tra la cappa e il mantello è uno dei maggiori punti di ingresso dell'aria parassita in un cementificio. Il termine "cappa del forno" si riferisce qui alle strutture industriali in acciaio di 5-15 m di diametro utilizzate negli impianti di cemento, calce, DRI e calcinazione, e non al componente omonimo per la ceramica artistica.

Cappa del forno: l'involucro fisso, rivestito in refrattario, all'estremità di alimentazione (cappa di ingresso) e all'estremità di scarico (cappa di uscita) di un forno rotante. Essa convoglia il flusso di gas, contiene la radiazione della zona di combustione, ospita il bruciatore principale e forma l'interfaccia con la canalizzazione fissa dell'impianto tramite una guarnizione della cappa.

Cappa di ingresso vs cappa di uscita: qual è la differenza?

La cappa di ingresso si trova all'estremità di alimentazione a temperature dei gas di circa 1.000-1.100 °C e si collega al condotto di risalita o al preriscaldatore. La cappa di uscita si trova all'estremità di scarico, esposta a radiazioni di 1.300-1.500 °C dalla zona di combustione, si collega al raffreddatore del clinker e ospita il bruciatore principale. Il delta di temperatura determina diverse scelte di refrattari e sistemi di tenuta: la cappa di ingresso gestisce il tiraggio a monte e la direzione del flusso di gas; la cappa di uscita gestisce la stabilità del bruciatore, lo scarico del clinker e (negli impianti con precalcinatore) il prelievo dell'aria terziaria per il calcinatore.

La tenuta della cappa di ingresso e la tenuta della cappa di uscita non sono problemi interscambiabili. Una guarnizione della cappa di uscita è soggetta a temperature continue più elevate e a un carico di polvere maggiore; una guarnizione della cappa di ingresso è soggetta a temperature più basse ma a cicli termici più aggressivi durante gli arresti.

Configurazioni della cappa del forno

La geometria della cappa del forno è dettata dalla disposizione del bruciatore, dal prelievo dell'aria terziaria e dall'allineamento forno-preriscaldatore. Cinque configurazioni coprono quasi tutto ciò che si riscontra nella pratica.

Cappa di uscita:

• Cappa diritta a bruciatore singolo. Bruciatore allineato con l'asse del forno. La configurazione predefinita per i forni da cemento a processo a secco e la maggior parte dei forni da calce.
• Cappa angolata. Bruciatore sfalsato per gestire l'impatto della fiamma o creare spazio per le lance di iniezione di combustibili alternativi.
• Cappa multi-bruciatore. Bruciatore principale più bruciatori per combustibili alternativi e di accensione, comuni negli impianti di co-trattamento; la cappa è allargata per accogliere l'array di bruciatori.

Cappa di ingresso:

• Cappa di ingresso diritta. Asse del forno allineato con il condotto di risalita. Flusso di gas più pulito, minima caduta di pressione.
• Cappa di ingresso sfalsata. Asse del forno spostato lateralmente rispetto al condotto di risalita; una transizione curva reindirizza il gas. La caduta di pressione e la deposizione di polvere sono maggiori, e lo sfalsamento deve essere progettato per evitare l'accumulo di polvere.

Negli impianti di cemento con precalcinatore, la cappa di uscita ospita anche il prelievo dell'aria terziaria per il calcinatore, quindi qualsiasi retrofit della disposizione del bruciatore deve riconsiderare la canalizzazione dell'aria terziaria come una modifica accoppiata.

Dove la cappa del forno incontra il mantello: il problema della tenuta

Lo spazio tra il mantello rotante del forno e la cappa fissa è uno dei maggiori punti di ingresso dell'aria parassita in un cementificio. Se non trattata, la perdita nell'area della cappa rappresenta tipicamente il 30-50% dell'aria parassita totale lato forno; una cappa ben sigillata mantiene la perdita totale di aria di combustione al di sotto del 5%, mentre una guarnizione danneggiata può farla superare il 20% [2][3].

Lo spazio esiste perché il forno si muove e la cappa no. Tre modalità di movimento relativo devono essere assorbite dalla guarnizione:

• Dilatazione termica assiale. I mantelli dei forni da cemento sono progettati per una dilatazione longitudinale di circa 0,25-0,3% tra l'avvio a freddo e il funzionamento a regime; su un forno di 60-70 m ciò corrisponde a circa 100-200 mm di crescita assiale (riferimenti di progettazione Phillips Kiln Services / cementkilns.co.uk) [1].
• Oscillazione radiale e ovalizzazione del mantello. L'ovalizzazione del mantello dello 0,5-1% del diametro è normale; su un mantello di 5 m ciò corrisponde a una deviazione radiale di 25-50 mm per ogni giro.
• Vibrazione. La vibrazione lato azionamento e dovuta allo spostamento del carico sovrappone una componente ad alta frequenza al lento movimento termico e di ovalizzazione.

La guarnizione tollera anche l'ingresso di polvere, lo sfaldamento del refrattario sul bordo della cappa e i cicli termici ad ogni arresto. La letteratura di prodotto Oswal lo afferma direttamente: "I sistemi di tenuta convenzionali sono progettati per condizioni statiche, mentre i forni rotanti operano sotto continuo movimento assiale, dilatazione termica, ovalizzazione del mantello e distorsione meccanica" [4]. Per gli impianti che non hanno misurato di recente l'aria parassita nell'area della cappa, come si misura l'aria parassita in un forno da cemento illustra il metodo del bilancio di O₂, e comprendere l'aria parassita nei forni da cemento spiega perché la percentuale è importante per il costo del combustibile.

Tecnologie di tenuta per le cappe del forno

Tre tecnologie di tenuta dominano le applicazioni delle cappe del forno: le guarnizioni a lamelle per il movimento meccanico, le guarnizioni in grafite per il contatto termico e i sistemi ibridi duplex che combinano le due. La maggior parte delle installazioni separa anche la compensazione radiale e assiale in elementi dedicati all'interno di un unico assieme.

Intervalli secondo le specifiche di prodotto Oswal [4][5]. I limiti specifici dipendono dal design della guarnizione e dall'inviluppo operativo del forno.

Guarnizioni a lamelle. Segmenti di acciaio sovrapposti a più lame, caricati a molla contro il mantello rotante. Ogni lama flette indipendentemente, assorbendo bene il movimento assiale e radiale. La linea di elementi di tenuta a lamelle è la scelta tipica per le cappe di ingresso e per le cappe di uscita dove la temperatura lato gas rimane al di sotto del limite continuo del materiale delle lamelle.

Guarnizioni in grafite. Blocchi di grafite segmentati tenuti contro il mantello da una contropressione. La grafite gestisce meglio le temperature continue rispetto all'acciaio ma è sensibile ai cicli termici rapidi; i blocchi possono incrinarsi se sottoposti a carico d'urto. La linea di elementi di tenuta in grafite si adatta agli ambienti di radiazione delle cappe di uscita oltre ciò che una guarnizione a lamelle può sostenere.

Ibrida Duplex. Il Sistema di Tenuta Duplex per Forni Oswal combina un'interfaccia primaria a lamelle (che assorbe il movimento assiale e radiale) con un'interfaccia secondaria in grafite (che mantiene la continuità della tenuta termica) in un unico assieme [4]. È progettato per forni con elevata ovalizzazione o cicli termici frequenti, condizioni in cui una guarnizione a tecnologia singola perde contatto intermittentemente e presenta perdite.

A livello di sistema, le linee di prodotti sistema di tenuta ingresso forno, sistema di tenuta uscita forno e controllo integrato dell'aria parassita raggruppano la tenuta dell'area della cappa con il monitoraggio e l'ambito di retrofit. Il catalogo Oswal Duplex cita un intervallo di ritorno sull'investimento di 6-18 mesi per i retrofit integrati, derivante da un minor consumo di combustibile e una ridotta potenza assorbita dal ventilatore ID [4]; il valore per un dato impianto dipende dalla percentuale di aria parassita di riferimento e dal costo locale del combustibile.