Dimensionamento del camino di evacuazione dei gas combusti nell'ambito dell'ammodernamento dei forni di fusione dell'alluminio, per controllare le emissioni e rispettare le norme ambientali.
L'essenziale. Nell'ambito dell'ampliamento di Aluminium Dunkerque — installazione di un nuovo forno n°8 da 65 tonnellate — EOLIOS ha dimensionato tramite simulazione CFD il camino di evacuazione dei gas combusti. Lo studio combina il quadro normativo (Decreto del 2 febbraio 1998, NF EN 13084-1), un audit sul sito (termografia, test fumogeni) e simulazioni delle modalità di fusione e mantenimento dei forni 7 e 8, per garantire un tiraggio sufficiente, controllare le perdite di carico e rispettare le norme ambientali sulle emissioni.
Il dimensionamento dei camini industriali nei settori che trattano materie prime, come l'alluminio, è essenziale per ottimizzare le prestazioni degli impianti. Tiene conto di criteri tecnici, normativi e ambientali, per rispondere alle esigenze di efficienza energetica e di riduzione delle emissioni.
Prendendo come esempio una missione realizzata da EOLIOS, questo articolo esamina le specificità di progettazione necessarie per i camini dei forni ad alluminio, sottolineando l'importanza delle soluzioni avanzate per controllare le emissioni di fumi e gas, rispettando al contempo gli standard ambientali.
L'evacuazione dei fumi di combustione è cruciale per l'ambiente, la sicurezza e il comfort degli operatori. Il dimensionamento del camino è regolato da normative. Il camino agisce come un aspiratore di fumo creando una depressione per estrarre i fumi dalla camera di combustione. Espelle i fumi sollevandoli per favorirne la dispersione e ridurne l'impatto ambientale.
Non vi è obbligo di legge, ma una norma raccomanda una verifica ogni due anni. I camini sono esposti a temperature elevate e ad attacchi acidi, richiedendo una sorveglianza regolare.
Le principali normative sono il Codice dell'ambiente e il Decreto del 2 febbraio 1998. Norme come NF EN 13084-1, EN 1990, EN ISO 14122-1 e schede tecniche di combustione forniscono direttive per il dimensionamento, la sicurezza, la conformità e la gestione degli impatti ambientali legati all'evacuazione dei fumi di combustione.
Sicurezza, ambiente e conformità. I fumi di combustione sono caldi, corrosivi e possono contenere composti nocivi (particelle di alluminio, gas tossici). Un sottodimensionamento compromette la depressione di estrazione, la dispersione delle emissioni e la conformità al Decreto del 2 febbraio 1998.
Nell'ambito del progetto di aumento della capacità di produzione di lingotti, si prevede l'installazione di un nuovo forno (n°8) accanto al forno esistente (n°7). Questo forno avrà una capacità di 65 tonnellate e sarà utilizzato per la fusione di metalli solidi, oltre che per mantenere il metallo allo stato liquido in vista della colata nella linea di produzione di lingotti. I due forni funzionano in tandem per assicurare la continuità della produzione. Questo ampliamento richiederà un'estrazione supplementare dei gas combusti verso il camino esistente.
Il sito di Aluminium Dunkerque, costruito nel 1991, comprendeva inizialmente 6 forni di alluminio, 3 unità di colata di lastre e 1 linea di produzione di lingotti. Nel 2004 è stato installato un settimo forno, e nel 2015 è stata aggiunta una seconda linea di produzione di lingotti. Nel 2022 la prima linea di produzione di lingotti è stata smantellata. Il capannone di fonderia ospita i forni allineati in lunghezza, con aeratori per l'estrazione d'aria e griglie per l'introduzione d'aria nuova.
Il dimensionamento di un camino industriale per forni di fusione dell'alluminio dipende da diversi fattori, in particolare:
L'altezza del camino è determinata in funzione dei livelli di emissioni di inquinanti e della presenza di ostacoli che potrebbero ostacolare la dispersione dei gas. Non può essere inferiore a 10 metri. Questa misura è stabilita conformemente agli articoli da 53 a 56 del decreto del 2 febbraio 1998, o calcolata basandosi sui risultati di uno studio delle condizioni di dispersione dei gas adattato al sito.
La CFD è utilizzata per simulare e analizzare il comportamento dei fluidi (aria, acqua, gas…) all'interno di un forno, al fine di comprendere i fenomeni di trasferimento di calore, di velocità del flusso e di miscelazione. La termografia, invece, permette di visualizzare le variazioni di temperatura con l'aiuto di telecamere a infrarossi, che convertono le differenze di temperatura in immagini termiche. Queste immagini forniscono informazioni preziose sulle zone calde, fredde e sulle differenze di temperatura nel forno industriale.
Grazie all'uso congiunto della termografia e della CFD, gli ingegneri possono adottare misure correttive per migliorare l'efficienza energetica del forno, ottimizzare i processi di produzione, ridurre i costi operativi e massimizzare la performance globale. La termografia permette di ottenere dati in tempo reale, non invasivi, sulle temperature all'interno del forno, facilitando il rilevamento dei problemi potenziali (punti caldi eccessivi, zone di raffreddamento insufficiente).
L'audit termico ha lo scopo di individuare i punti dove il calore è concentrato e di creare una mappatura delle zone calde e fredde. È importante notare che le temperature fornite mirano a dare una stima generale piuttosto che una misura precisa.
I test fumogeni mirano a visualizzare la ventilazione attorno al forno 7. Questi test, come le immagini termiche, apportano dati complementari per la validazione delle simulazioni. Data la presenza di aperture come l'adduzione d'aria e le aperture laterali del forno, è essenziale considerare il volume che circonda il forno e le condizioni aerauliche che vi prevalgono.
Il funzionamento del forno si divide in più fasi distinte: la fusione, il mantenimento, la salita in temperatura, l'apertura delle porte e altre operazioni. La portata dei gas varia nel corso di queste fasi ed è influenzata dal numero di forni in funzione. L'aggiunta del forno 8 in alternanza è prevista per raggiungere le portate di gas necessarie conformemente alla normativa.
Uno dei metodi essenziali del nostro approccio è la simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics). Questa tecnica all'avanguardia permette di analizzare e modellare il comportamento dei fluidi (gas, liquidi, sospensioni) con l'aiuto di equazioni matematiche complesse risolte al computer. Forniamo così previsioni precise e dettagliate sui fenomeni aerotermici, sui flussi di fluido, sui trasferimenti di calore e sulle perdite di carico.
Nel caso del dimensionamento del camino per forno industriale, la CFD è particolarmente utile per comprendere e ottimizzare il processo di combustione. Studiando le proprietà del fluido (temperatura, velocità, pressione) e la sua interazione con i diversi componenti del camino, valutiamo le perdite di carico, ossia le pressioni perse durante il flusso attraverso il sistema.
La perdita di carico è la caduta di pressione subita da un fluido che scorre in un condotto, per effetto degli attriti e delle singolarità (curve, cambi di sezione). Su un camino, perdite di carico troppo elevate riducono il tiraggio e compromettono l'evacuazione dei fumi.
Inoltre, la CFD permette di analizzare l'aumento di pressione per tiraggio termico naturale nel camino — essenziale per assicurare un'estrazione efficace dei fumi utilizzando la differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno. Possiamo così ottimizzare la progettazione per un tiraggio massimo minimizzando le perdite di pressione. Infine, studiamo l'erosione da parte delle polveri nei fumi: la CFD prevede le zone sensibili all'erosione, individua i meccanismi di usura e propone soluzioni di protezione adatte (rivestimenti resistenti, modifiche di geometria).
Il tiraggio termico è il movimento ascendente dei gas caldi nel camino, provocato dalla loro differenza di densità con l'aria esterna più fredda. Maggiori sono la differenza di temperatura e l'altezza, più forte è il tiraggio : è il motore naturale dell'estrazione dei fumi.
La struttura della copertura deve essere rinforzata localmente per consentire il passaggio del camino. È previsto un rinforzo particolare, sotto forma di una trave diagonale, per facilitare questo passaggio. Dati i vincoli di spazio sulla copertura, esistono cinque opzioni possibili per la posizione di questo passaggio. Le posizioni 1 e 5 sono privilegiate per la loro accessibilità e idoneità.
Abbiamo ottimizzato le curve e i collegamenti per migliorare l'efficienza del flusso. Il nostro approccio consiste nel limitare ogni curva a un massimo di 3 elementi per controllare i costi di realizzazione.
Abbiamo effettuato simulazioni per i due scenari più impegnativi: la modalità di fusione dei forni 7 e 8, nonché la modalità di mantenimento dei forni 7 e 8. L'obiettivo principale era valutare le velocità di espulsione e le portate d'aria a livello degli ingressi d'aria situati sopra il punto di misura.
![Piano di velocità sull'asse e la sezione di uscita — [7M8M]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture9.png.webp)
![Piano di velocità sull'asse e la sezione di uscita — [7F8F]](https://eolios.fr/wp-content/uploads/2023/10/Capture10.png.webp)
Le dimensioni degli ingressi d'aria erano simili a quelle dei camini dei forni da 1 a 6. Per il primo camino, le simulazioni hanno mostrato che gli ingressi d'aria avevano un impatto limitato sul flusso, con portate entranti ben al di sotto dell'obiettivo fissato; tuttavia, le velocità all'uscita restavano conformi agli obiettivi. Per il secondo camino, le perdite di carico causate dalle curve brusche nel condotto del forno 8 hanno avuto un impatto negativo sul tiraggio, riducendo l'apporto d'aria esterna e, nel caso della fusione dei forni 7-8, invertendo il senso del flusso. Tuttavia, la differenza di distribuzione di temperatura tra i due camini è rimasta minima.
Saper fare: il dimensionamento dei camini industrialiDimensionamento del camino, tiraggio termico e simulazione CFD delle emissioni industriali.
Un camino ben dimensionato crea la depressione necessaria per estrarre i fumi dalla camera di combustione, poi li espelle abbastanza in alto da favorirne la dispersione e limitare l'impatto ambientale. Il dimensionamento garantisce un tiraggio sufficiente, controlla le perdite di carico e assicura la conformità normativa.
Dipende dai livelli di emissioni di inquinanti e dagli ostacoli che possono ostacolare la dispersione dei gas. Non può essere inferiore a 10 metri e si calcola secondo gli articoli da 53 a 56 del decreto del 2 febbraio 1998, o a partire da uno studio di dispersione adattato al sito.
Il tiraggio termico è il movimento ascendente dei gas caldi, provocato dalla loro differenza di densità con l'aria esterna più fredda. È il motore naturale dell'estrazione dei fumi : la CFD permette di ottimizzare la progettazione per massimizzare questo tiraggio minimizzando le perdite di carico. Maggiori dettagli nel nostro dossier sull'effetto di tiraggio termico.
La termografia e i test fumogeni forniscono misure reali (zone calde, ventilazione attorno al forno) che servono a calibrare e validare le simulazioni. Combinati con la CFD, permettono di analizzare scenari impossibili da riprodurre sul sito e di rendere più affidabile il dimensionamento.
I principali riferimenti sono il Codice dell'ambiente e il Decreto del 2 febbraio 1998, completati da norme come NF EN 13084-1, EN 1990 e EN ISO 14122-1. Regolano il dimensionamento, la sicurezza, la conformità e la gestione degli impatti ambientali.
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Dimensionamento CFD del camino di evacuazione dei gas combusti per l'ammodernamento dei forni di fusione di alluminio (Aluminium Dunkerque): quadro normativo (Decreto del 2 febbraio 1998, NF EN 13084-1), fattori chiave (portata di gas, temperatura, composizione dei fumi), audit sul sito (termografia, test fumogeni), modello 3D e ottimizzazione dei condotti, simulazioni delle modalità fusione/mantenimento dei forni 7 e 8 e analisi del tiraggio termico.
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