IT201900004881A1 - Dispositivo di abbattimento per particolato - Google Patents

Description

Dispositivo di abbattimento per particolato

Descrizione

La presente invenzione ha come oggetto un dispositivo di abbattimento per particolato carbonioso, in particolare emesso da stufe, in particolare del tipo che sfrutta la combustione di biomasse combustibili solide, come per esempio legno, cippato e in pellet, o altri prodotti legnosi come gusci di noci e nocciole e simili.

Per legno cippato si intende un prodotto combustibile a base di trucioli di legno, mentre per pellet di legno si intende un prodotto legnoso fornito sotto forma di pastiglie pressate, prodotte a partire da segatura. Si tratta di due forme di combustibile diffuse ed economiche, ma che soffrono di grossi pregiudizi perché la loro combustione produce grandi quantità di particolato, ragione per cui in molte aree, soprattutto urbane, il loro impiego è vietato o comunque molto limitato.

Tuttavia, vista la disponibilità, la facilità di trasporto, stoccaggio e impiego e l’economicità di questi prodotti, permane un grande interesse nel loro possibile utilizzo come combustibile, soprattutto in stufe in ambito domestico, attrezzando queste con dispositivi che possano abbattere il particolato prodotto dalla combustione.

Inoltre, la propensione verso l’utilizzo di fonti alternative rinnovabili di energia, come le biomasse sopra descritte, è altresì da attribuirsi all’esaurimento delle riserve di combustibili fossili, tuttora principale fonte di energia. In molti paesi europei i passi avanti nella tecnologia e nel trattamento delle biomasse legnose hanno portato questo tipo di combustibile a presentarsi come una reale alternativa ai combustibili fossili tradizionali.

Infatti, l’automatizzazione dei dispositivi, la possibilità di regolare la temperatura, la presenza di sistemi automatici di carico del combustibile, l’impiego di accessori in grado di distribuire uniformemente il calore ed altre innovazioni introdotte hanno generalmente invogliato l’utente finale a scegliere la stufa a pellet come fonte principale di riscaldamento.

I benefici maggiori legati all’utilizzo delle biomasse come materiali da riscaldamento sono da ricondursi al fatto che, rispetto ai combustibili fossili, esse determinano una riduzione delle emissioni di CO2, in quanto si assume che l’anidride carbonica liberata dalle biomasse al momento della loro combustione sia quella catturata e assorbita dalla pianta legnosa nei decenni precedenti al suo taglio, direttamente dall’atmosfera.

Nel bilancio complessivo le emissioni di CO2 da biomassa sarebbero pertanto nulle, e quindi l’impiego di biomasse legnose come combustibile contribuirebbe a raggiungere gli obiettivi di riduzione nella produzione di CO2 allo scopo di ridurre l’impatto degli impianti di riscaldamento sull’ambiente e sull’effetto serra.

Tuttavia, La combustione di biomasse, specie negli impianti di riscaldamento di piccola taglia, come quello domestico, è fonte di particolato carbonioso (PM) e di emissioni gassose tra cui bisogna evidenziare, per i loro effetti negativi, monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2), ossidi di azoto (NOx), idrocarburi policiclici aromatici (IPA), composti organici volatili (COV). In particolare, rispetto ai combustibili liquidi e gassosi, la combustione di biomasse comporta più elevate emissioni di particolato, la qual cosa spiega la crescente attenzione verso l’abbattimento di tale composto inquinante.

Allo scopo di individuare la migliore soluzione per l’abbattimento di particolato, è stato evidenziato che i moderni dispositivi di riscaldamento domestico lavorano in leggera depressione, pochi Pa, e la velocità nei condotti di scarico dei fumi di combustione è dell’ordine di pochi m/s. Ne consegue che l’utilizzo di sistemi standard di filtrazione determinerebbe perdite di carico eccessivamente elevate per le apparecchiature in questione, e tali da comprometterne il loro corretto funzionamento in termini di tiraggio, il quale non raggiungerebbe più livelli sufficienti per tenere la stufa/caldaia in funzione.

Questa leggera depressione, o tiraggio, è determinata semplicemente dal fatto che, quando si accende una stufa o caldaia, i fumi di combustione caldi si espandono, per via della loro elevata temperatura, riducendo così la loro densità, per cui l’aria esterna, più pesante, tende a prenderne il posto, consentendo così un tiraggio, cosiddetto naturale, idoneo a far fluire i gas e far funzionare il dispositivo. Se viene meno questa condizione di tiraggio naturale l’apparecchiatura si spegne per mancanza di aria fresca, cioè ossigeno necessario alla reazione di combustione.

Le emissioni nocive degli apparecchi a biomasse legnose sono costituite principalmente da monossido di carbonio (CO), composti organici volatili (COV), ossidi di azoto (NOx) e polveri.

Il monossido di carbonio (CO) è un gas inodore, risultato di una combustione incompleta, che appena emesso in atmosfera si ossida facilmente in CO2. A titolo di esempio, per le stufe a pellet, la norma UNI EN 14783: 2006 fissa un limite all’emissione di CO pari a 500 mg/m<3 >per il funzionamento a potenza nominale.

I composti organici volatili (COV) sono idrocarburi caratterizzati da un odore molto forte. In confronto al CO essi hanno un impatto sulla salute umana e sull’ambiente notevolmente maggiore poiché sono classificati almeno in parte come sostanze cancerogene.

Gli ossidi di azoto (NOx) sono inizialmente emessi in forma di NO e poi, in presenza di ossigeno, rapidamente ossidati in diossido di azoto (NO2), un gas tossico dall’odore penetrante che in quantità superiori a 150 ppm può provocare danni all’apparato respiratorio.

Le polveri totali consistono nella parte separata, mediante un apposito filtro, dai gas di scarico della combustione. La loro componente più fine prende il nome di particolato carbonioso (particulate matter: PM), costituito da particelle le cui dimensioni variano tra 0.2 nm e 500 μm.

Si noti che la maggior parte delle ceneri formatesi durante la combustione della biomassa rimane nella camera di combustione: queste sono le cosiddette ceneri pesanti, costituite principalmente da elementi non volatili. Una minore quantità di ceneri viene invece trascinata fuori dalla camera di combustione dai gas di scarico: le cosiddette ceneri leggere grossolane con particelle di diametro maggiore di 1 μm e le cosiddette ceneri sottili, con particelle di diametro inferiore a 1 μm, originatesi a partire dagli elementi inorganici volatili.

Gli elementi più rilevanti durante la combustione di biomassa sono potassio, zolfo e cloro; seguono sodio, zinco e piombo. In fase gassosa le suddette specie sono soggette a reazioni che portano alla formazione di cloruri di sodio e potassio, solfati, carbonati e ossidi.

Tra le emissioni nocive dei sistemi di riscaldamento domestico, vanno annoverati anche i cosiddetti idrocarburi policiclici aromatici (IPA), sostanze nocive a base di cloro e metalli pesanti. Nello specifico, gli IPA, con particolare riferimento al benzopirene, rappresentano un inquinante cancerogeno la cui pericolosità è maggiore di quella del PM10 giacché quest’ultimo determina effetti sulla salute potenzialmente meno gravi.

Soprattutto l’aumento della concentrazione di polveri nell’ambiente determina una serie di effetti negativi sulla salute della popolazione esposta, tra cui un aumento dell’incidenza di malattie dell’apparato respiratorio e cardiovascolare, e un conseguente aumento della mortalità, anche per via della loro probabile cancerogenicità per l’uomo.

Nel tempo sono stati sviluppati diversi meccanismi finalizzati all’abbattimento o quanto meno alla riduzione di tali particelle solide.

Le misure di riduzione delle polveri si dividono in misure primarie, che riguardano lo sviluppo tecnologico dei sistemi di riscaldamento come la geometria della camera, l’immissione d’aria, ecc., e si attuano sul fluido contenente polveri stesse, già all’interno dei sistemi di combustione, prima che esso si diffonda nell’atmosfera; e misure secondarie, che si rivolgono all’impiego di sistemi di separazione o filtri, e si usano per ridurre la quantità di particolato solido, all’uscita del sistema di combustione.

Tuttavia, le particelle più fini, che come già detto, sono quelle presenti in percentuale maggiore e costituite principalmente da sostanze inorganiche (sali di potassio), non vengono ridotte in maniera significativa dall’adozione di misure primarie ma necessitano di misure secondarie per molte applicazioni, incluso il riscaldamento domestico.

Le tecnologie impiegate per la separazione di particolato solido dai sistemi di combustione a biomassa possono essere classificate in base alle tecniche di separazione, e sono:

● inerziale – si basa essenzialmente sull’incapacità delle particelle solide, più dense e pesanti, di assecondare un cambiamento nella direzione della corrente di fluido che le sta trasportando (l’efficienza della separazione aumenta all’aumentare del cambio di direzione);

● elettrostatica – prevede un caricamento delle particelle e una conseguente attrazione delle stesse su apposite superfici ove tendono a raccogliersi; e

● filtrazione – impiega un filtro o un altro mezzo di raccolta attraverso il quale si fanno passare i gas da depurare.

Nei separatori inerziali, oggetto in generale della presente invenzione e noti come cicloni separatori, le particelle trascinate dal fluido in moto hanno una certa energia cinetica, dunque per separarle dalla corrente gassosa occorre annullare la loro energia e ciò si può realizzare per urto contro una parete: su questo principio si basa il funzionamento dei separatori inerziali.

Generalmente, nei cicloni una forza centrifuga viene creata dall’adozione di un condotto curvo, a spirale, che separa il particolato solido dalla corrente gassosa. Il gas, immesso tangenzialmente dall’alto di un collettore cilindrico, è forzato a proseguire seguendo un percorso elicoidale che produce un vortice, nel quale le particelle solide più pesanti vanno a scontrarsi con le pareti del collettore e, ormai prive di energia cinetica, cadono e vengono raccolte sul fondo.

Tuttavia, se le sezioni di passaggio sono ridotte e le curve imposte al percorso dei fumi hanno un raggio di curvatura ridotto, le perdite di carico associate a questi sistemi di separazione risultano elevate, e influiscono negativamente sul tiraggio della stufa, anche con l’adozione di un tiraggio forzato a ventola.

D’altra parte, aumentando le sezioni di passaggio e i raggi di curvatura, si otterrebbero dispositivi di abbattimento di dimensioni eccessive, incompatibili con gli ingombri previsti, in particolare per stufe e caldaie di tipo commerciale.

Peraltro, è noto dalla letteratura che in un ciclone separatore l’unico parametro da dimensionare è il diametro del ciclone, cioè dell’involucro cilindrico esterno, da cui dipendono tutti gli altri parametri dimensionali.

Il problema tecnico che è alla base della presente invenzione è di fornire un dispositivo di abbattimento per particolato di tipo inerziale che consenta di ovviare agli inconvenienti menzionati con riferimento alla tecnica nota, e che sia perfettamente integrato all’interno del condotto di scarico dei fumi.

Tale problema viene risolto da un dispositivo di abbattimento per particolato di tipo inerziale che comprende:

● un raccordo che accoppia il dispositivo di abbattimento a uno o più scarichi di fumi; e

● almeno una coppia di cicloni separatori con un asse cilindrico parallelo tra loro, disposti specularmente, con rispettivi ingressi disposti adiacenti, entrambi connessi a detto raccordo, e posizionati per indurre, nei fumi che vengono introdotti, un percorso elicoidale che segue un senso orario e antiorario rispettivamente, e rispettivi scarichi assiali che confluiscono in una canna fumaria.

Il principale vantaggio del dispositivo di abbattimento secondo la presente invenzione risiede nel consentire sia una notevole efficienza nell’abbattimento del particolato sia perdite di carico compatibili col normale funzionamento del sistema di combustione.

Si intende inoltre che l’adozione di particolari geometrie di raccordo possono consentire l’impiego di più di due cicloni, tutti collegati al medesimo scarico fumi e tutti associati alla medesima canna fumaria, qualora particolari esigenze costruttive lo consigliassero.

La presente invenzione verrà qui di seguito descritta secondo due suoi esempi di realizzazione preferiti, forniti a scopo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

* la figura 1 mostra una vista laterale e schematica di una stufa, completa di canna fumaria, con un primo esempio di realizzazione di dispositivo di abbattimento secondo l’invenzione interposto tra di esse;

* la figura 2 mostra una vista prospettica in alzato del dispositivo di abbattimento di figura 1;

* la figura 3 mostra una vista prospettica in sezione longitudinale del dispositivo di abbattimento di figura 1;

* la figura 4 mostra una vista prospettica in alzato del dispositivo di abbattimento di figura 1, privato del suo involucro esterno;

* la figura 5 mostra una vista prospettica si un componente del dispositivo di abbattimento di figura 1;

* la figura 6 mostra una vista prospettica in alzato di un secondo esempio di realizzazione di dispositivo di abbattimento in accordo con la presente invenzione

* la figura 7 mostra una prima vista prospettica in sezione longitudinale del dispositivo di abbattimento di figura 6; e

* la figura 8 mostra una seconda vista prospettica in sezione longitudinale del dispositivo di abbattimento di figura 6.

Con riferimento alla figura 1, una stufa 1 è rappresentata schematicamente, con un involucro scatolare con un retro in corrispondenza del quale è predisposto uno scarico dei fumi, del tipo che presenta una direzione di scarico sostanzialmente orizzontale.

La stufa del presente esempio può essere a circolazione forzata, con una ventola di estrazione dei fumi, ma si intende che essa potrebbe essere a circolazione naturale indotta dal camino e dalla temperatura dei fumi stessi.

La stufa 1 presenta una canna fumaria 2 che si estende in verticale; tra esse è predisposto un dispositivo di abbattimento 3 che comprende un raccordo 4 tubolare e sostanzialmente conico, che si accoppia con detto scarico dei fumi, che presenta generalmente una bocca circolare.

Un raccordo 4 è rappresentato in figura 5, e presenta una prima apertura 5 circolare che si accoppia con la bocca di scarico dei fumi, un corpo 6 conico, rastremato, e una seconda apertura 7 la cui conformazione è tale da adattarsi a una coppia o più condotti tubolari di immissione affiancati, di asse longitudinale parallelo a quello del raccordo e dello scarico dei fumi.

Un primo esempio di realizzazione di un dispositivo di abbattimento 3 delle figure da 2 a 4 comprende un involucro cilindrico 8 che ha un diametro sostanzialmente uguale o simile a quello della canna fumaria 2, disposto verticalmente e raccordato con la canna fumaria in modo da formare una superficie cilindrica sostanzialmente unica, eventualmente interrotta da una flangia di connessione.

Si intende che la medesima canna fumaria, ovvero la sua porzione inferiore posizionata all’altezza della bocca di scarico dei fumi della stufa o caldaia 1, può costituire l’involucro cilindrico sopra menzionato. In questo modo, l’adozione del dispositivo di abbattimento, ne comporta un aumento degli ingombri del sistema stufa e canna fumaria, né richiede una canna fumaria apposita, che potrà quindi essere collegata direttamente al dispositivo di abbattimento o accoglierlo al suo interno.

L’involucro cilindrico 8 presenta altresì un fondo di raccolta 9, che può essere fornito di mezzi per l’estrazione del particolato, ma che in esercizio è sigillato.

Internamente a detto involucro 8, il dispositivo 3 comprende una coppia di cicloni separatori 10 con un asse cilindrico parallelo tra loro, e quindi disposti in verticale, con una porzione cilindrica 11, fornita di un condotto di ingresso 12 sostanzialmente tangenziale, e una porzione rastremata 13, o conica, che termina con un’estremità di scarico assiale 14, disposta in prossimità di detto fondo di raccolta 9.

I cicloni 10 di detta coppia sono disposti affiancati e sono sostanzialmente speculari tra loro, e ciò implica che i rispettivi condotti di ingresso 12 sono disposti adiacenti, entrambi connessi a detto raccordo 4 in corrispondenza della sua seconda apertura 7 la cui forma oblunga mantiene affiancati e adiacenti le estremità di detti condotti 12.

In questo modo, visto che entrambi i condotti sono tangenziali alla rispettiva porzione cilindrica 11, la disposizione qui descritta è tale da indurre, nei fumi che vengono introdotti, un percorso elicoidale che segue, nei due cicloni 10, un senso orario e antiorario rispettivamente.

Sulla sommità della porzione cilindrica 11 di ciascun ciclone 10 è previsto poi un rispettivo scarico assiale 15 che confluisce nell’estremità inferiore di detta canna fumaria 2.

Un secondo esempio di realizzazione di un dispositivo di abbattimento 3 delle figure da 6 a 8 comprende anch’esso un involucro cilindrico 8 che ha un diametro sostanzialmente uguale o simile a quello della canna fumaria 2, che è disposto come descritto nell’esempio precedente, e che presenta un fondo di raccolta 9 sigillato in esercizio.

Internamente a detto involucro 8, il dispositivo 3 comprende tre cicloni separatori 10 con un asse cilindrico parallelo tra loro e di pari diametro, e quindi disposti in verticale. Essi sono sostanzialmente uguali a quelli descritti in precedenza, ma presentano rispettivi condotti di ingresso che sono posizionati in modo da essere raggruppati e adiacenti tra loro: uno di essi sarà sfalsato rispetto agli altri.

In questo modo, detti condotti di ingresso 12 sono connessi a detto raccordo 4 in corrispondenza della sua seconda apertura 7 la cui forma sarà adattata alla loro disposizione.

In questo modo, in almeno uno dei cicloni sarà indotta una circolazione in senso orario, e in almeno uno dei cicloni sarà indotta una circolazione in senso antiorario, mentre un terzo ciclone avrà una circolazione dei fumi in senso orario o antiorario.

Sulla sommità di ciascuna porzione cilindrica 11 ciascun ciclone 10 è fornito di un rispettivo scarico assiale 15 che confluisce nell’estremità inferiore di detta canna fumaria 2.

Il dispositivo di abbattimento sopra descritto può essere dimensionato in base a diverse considerazioni: dimensioni e dispersione granulometrica delle particelle, parametri molto restrittivi di funzionamento che vincolano a valori di perdite di carico massime consentite, per esempio non superiori a 11 Pa, economicità del sistema, facilità di manutenzione, efficienza di filtrazione, specie per PM2.5.

Un altro parametro di cui si può tener conto è il diametro del camino di scarico.

Per il suddetto dimensionamento del ciclone separatore è possibile utilizzare equazioni fluidodinamiche riportate in letteratura, che consentono di correlare il rendimento in funzione del diametro delle particelle e le relative perdite di carico.

L’applicazione di tali correlazioni consente di progettare un sistema costituito da due cicloni posti in parallelo, ottenendo, a parità di efficienza di abbattimento, con una sensibile riduzione delle perdite di carico. In particolare, è possibile ricavare le dimensioni caratteristiche dei singoli cicloni disposti specularmente.

Per una stufa commerciale, il diametro di ogni singolo ciclone può essere ad esempio di 60 mm, rientrando così nella sagoma di una canna fumaria commerciale, senza quindi richiedere una maggiorazione nell’ingombro complessivo. In questo modo, i valori stimati di efficienza di filtrazione e perdite di carico che possono essere ottenuti sono rispettivamente un’efficienza pari al 90% e perdite di carico uguali a circa 4 Pa per ogni ciclone. Entrambe le grandezze trovano un ottimo accordo con evidenze sperimentali. Infatti, con un’efficienza di abbattimento che si attesta in un intervallo compreso tra 75% e 88%, mentre le perdite di carico mantengono un valore totale costante di circa 8 Pa, ben inferiore a quello che era stato fissato come massimo consentito.

Il dispositivo di abbattimento progettato e realizzato risulta, quindi, essere idoneo a poter essere utilizzato a valle di una stufa a pellet per utilizzo domestico in quanto non ne compromette in nessun modo il normale funzionamento ed è alloggiato perfettamente nel camino di scarico già esistente.

Al sopra descritto dispositivo di abbattimento un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare ulteriori e contingenti esigenze, potrà apportare numerose ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro comprese nell'ambito di protezione della presente invenzione, quale definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di abbattimento (3) di tipo inerziale per particolato carbonioso, in particolare emesso da stufe che presentano uno o più scarichi di fumi, che comprende: ● un raccordo (4) che accoppia il dispositivo di abbattimento (3) a detto uno o più scarichi di fumi; e ● almeno una coppia di cicloni separatori (10) con un asse cilindrico parallelo tra loro, disposti specularmente, con rispettivi condotti di ingresso (12) disposti adiacenti, entrambi connessi a detto raccordo (4), e posizionati per indurre, nei fumi che vengono introdotti, un percorso elicoidale che segue un senso orario e antiorario rispettivamente, e rispettivi scarichi assiali (15) che confluiscono in una canna fumaria (2).
2. 2. Dispositivo abbattitore (3) secondo la rivendicazione 1, in cui detto raccordo è ad asse orizzontale.
3. 3. Dispositivo abbattitore (3) secondo la rivendicazione 1, in cui detto raccordo è sostanzialmente conico, e presenta una prima apertura (5) circolare, che si accoppia con la bocca di scarico dei fumi, un corpo (6) conico o comunque rastremato, e una seconda apertura (7) la cui conformazione è tale da adattarsi a una coppia o più condotti tubolari (12).
4. 4. Dispositivo abbattitore (3) secondo la rivendicazione 1, in cui è previsto un involucro cilindrico (8) che contiene detti cicloni (10) e che ha un diametro sostanzialmente uguale o simile a quello della canna fumaria (2), disposto verticalmente e raccordato con la canna fumaria in modo da formare una superficie cilindrica unica, eventualmente interrotta da una flangia di connessione.
5. 5. Dispositivo abbattitore (3) secondo la rivendicazione 4, in cui detto involucro cilindrico (8) è costituito da una porzione di base della canna fumaria (2).
6. 6. Dispositivo abbattitore (3) secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui L’involucro cilindrico 8 presenta altresì un fondo di raccolta (9) che in esercizio è sigillato.
7. 7. Dispositivo abbattitore (3) secondo la rivendicazione 1, in cui detti cicloni separatori (10) sono disposti in verticale.
8. 8. Dispositivo di abbattimento (3) di tipo inerziale per particolato carbonioso, in particolare emesso da stufe che presentano uno o più scarichi di fumi, che comprende: ● un raccordo (4) che accoppia il dispositivo di abbattimento (3) a detto uno o più scarichi di fumi; e ● tre cicloni separatori (10) con un asse cilindrico parallelo tra loro, disposti affiancati e in verticale, con rispettivi condotti di ingresso (12) disposti adiacenti, entrambi connessi a detto raccordo (4), in cui in almeno uno dei cicloni sarà indotta una circolazione in senso orario, e in almeno uno dei cicloni sarà indotta una circolazione in senso antiorario, mentre un terzo ciclone avrà una circolazione dei fumi in senso orario o antiorario e posizionati per indurre, i cicloni (10) comprendendo un rispettivo scarico assiale (15) che confluisce in una canna fumaria (2).
9. 9. Stufa (1) comprendente uno scarico dei fumi e una canna fumaria (2), con un dispositivo di abbattimento (3) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i cicloni (10) separatori sono disposti verticalmente e ricevono i fumi da detto scarico secondo una direzione orizzontale, e in cui la canna fumaria (2) è disposta in verticale, il dispositivo di abbattimento comprendendo un involucro cilindrico (8) che contiene detti cicloni (10) e che ha un diametro sostanzialmente uguale o simile a quello della canna fumaria (2), raccordato con la canna fumaria (2) in modo da formare, per quanto possibile, una superficie cilindrica unica, eventualmente interrotta da una flangia di connessione.
10. 10. Stufa (1) secondo la rivendicazione 7, in cui è prevista una circolazione forzata, con una ventola di estrazione dei fumi.
11. 11. Stufa (1) secondo la rivendicazione 7, in cui il dispositivo di abbattimento dei fumi (3) presenta a regime una perdita di carico non superiore a 11 Pa, e un’efficienza di filtrazione compresa tra 75% e 90%.
12. 12. Stufa (1) secondo la rivendicazione 7, in cui la stufa è del tipo a legna in pellet.