IT202100000794A1 - Processo di combustione con aria trattata mediante sistemi a membrana e relativo apparato - Google Patents
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Description
Descrizione dell?invenzione dal titolo: Processo di combustione con aria trattata mediante sistemi a membrana e relativo apparato
Sfondo dell?invenzione
La presente invenzione si riferisce al settore della combustione e pi? precisamente ad un processo ed il relativo apparato per la combustione con aria arricchita in ossigeno preferibilmente utilizzato in sistemi di riscaldamento.
Figure
Nel seguito si far? riferimento alle figure allegate, relative ad alcuni casi della tecnica nota e ad una preferita forma di realizzazione dell'invenzione in cui:
La figura 1 (TECNICA NOTA) rappresenta a puro titolo esemplificativo un modulo a membrana per la produzione di aria arricchita in ossigeno della ditta
La figura 2 (TECNICA NOTA) mostra il disegno del modulo a membrana mod. GENERON 330 che verr? impiegato nell?esempio applicativo descritto nel seguito (https://www.generon.com/product/membrane-oxygen-modules/).
La figura 3 (TECNICA NOTA) mostra un esempio di bilancio energetico di una caldaia a condensazione in grado di recuperare calore anche dalla condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi di scarico (https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwi6g5 yImpTuAhUSHewKHT84CCEQFjAAegQIBhAC&url=https%3A%2F%2Fwww.vaillant.it%2F downloads%2Fvgoa-vaillant-it-doc%2Fspecifiche-tecniche%2Fmurali-condensing-7%2Fspecifichetecnichecondensing06-2017-1009626.pdf&usg=AOvVaw0cI75HX9T5_vi1222Cp7vn).
La figura 4 ? uno schema a blocchi del processo oggetto della presente invenzione,
La figura 5 mostra in grafico la temperatura di rugiada dei fumi di combustione al variare dell?eccesso di aria (%) e del rapporto di arricchimento (N/O) dell?aria alimentata alla camera di combustione (nella legenda ?aria? sta per N/O=80/20 ed ?O2? per N/O=0).
Stato dell?arte
L?ossi-combustione ? una tecnica nota nella quale un carburante viene bruciato con ossigeno ottenendo, rispetto alla combustione tradizionale con aria, una serie di vantaggi tra i quali la riduzione di emissioni di inquinanti ed, in particolare, la eliminazione dalle emissioni degli ossidi di azoto. Inoltre, vi ? un innalzamento della temperatura di combustione che porta, in generale, ad un aumento di efficienza energetica.
A titolo di esempio, la ossi-combustione del metano produce anidride carbonica ed acqua secondo la reazione:
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O ?H = - 891 kJ mol<-1 >(1)
Una mole di metano reagisce con due moli di ossigeno per produrre una mole di anidride carbonica e due moli di acqua. Tra i prodotti di reazione possono essere presenti anche alcuni inquinanti ulteriori provenienti da una combustione incompleta (ad esempio CO, aerosol liquidi e solidi, ecc.) e dalla presenza di impurezze nel combustibile (ceneri, metalli, composti dello zolfo).
Nel caso della combustione con aria, la presenza di azoto tra i reagenti porta alla formazione di ossidi di azoto che vengono in generale indicati con NOx e sono costituiti principalmente da monossido di azoto NO, protossido di azoto N2O e biossido di azoto NO2.
Tra i due casi estremi sopra esposti (combustione con aria ed ossi-combustione) vi pu? essere la combustione con aria arricchita con ossigeno: in questo caso i vantaggi offerti dalla ossicombustione saranno presenti nella misura del livello di arricchimento impiegato.
Tra la tecnica nota, con lo scopo principale di ridurre le emissioni di inquinanti, l?arricchimento di aria con ossigeno ? stato realizzato mediante l?utilizzo di membrane per l?alimentazione di motori a combustione interna [1, 2]. In una di queste applicazioni, ad esempio, viene rivendicato l?utilizzo di un sistema a membrana per produrre due correnti, una di aria arricchita in ossigeno ed una di aria arricchita in azoto. Queste correnti gassose vengono utilizzate per alimentare un motore a combustione interna nelle sue diverse fasi di funzionamento al fine di massimizzarne l?efficienza [3].
Come esempio di tecnica nota per la realizzazione dell?arricchimento dell?aria in ossigeno, si riportano i moduli a membrana della ditta statunitense
Questi moduli a membrana possono essere costituiti da un riempimento (in polimeri o materiale inorganico) del tipo ?hollow fibers? sistemato in contenitori cilindrici in alluminio come riportato in figura 1. A sua volta, pi? moduli a membrana possono essere assemblati in parallelo per trattare le portate richieste dal processo. Nell?esempio applicativo riportato successivamente verr? considerato il modulo a membrana modello 330 della in grado di produrre una corrente di aria arricchita in ossigeno (oxygen product outlet di figura 1) di 156.7 L/min (9.4 Nm<3>/h) con concentrazione in O2 di 38.5%. Le dimensioni di un modulo 330 GENERON sono contenute (circa 978 mm di lunghezza e 64 mm di diametro) come riportato in figura 2.
Descrizione dell?invenzione
Definizioni:
- aria arricchita in ossigeno: una corrente di aria con contenuto in ossigeno > 20% e fino al 100 %,
- aria arricchita in azoto: una corrente di aria con contenuto in azoto < 80% e fino allo 0 %,
- combustibile: una sostanza che viene ossidata nel processo di combustione producendo energia termica, tale sostanza pu? essere in forma solida, liquida o gassosa,
- scambiatore di calore: un dispositivo in cui si realizza lo scambio di energia termica tra i fumi di combustione ed il fluido termovettore,
- fluido termovettore: fluido utilizzato per il trasporto del calore dallo scambiatore di calore alle apparecchiature di utilizzazione negli impianti di riscaldamento,
- condensa: la quantit? di acqua che presente allo stato di vapore nei fumi raggiunge nello scambiatore di calore le condizioni di saturazione e subisce il passaggio di fase da vapore a liquido cedendo calore al fluido termovettore.
L?oggetto di questo brevetto consiste nell?applicazione a sistemi di riscaldamento residenziale di dispositivi a membrana in grado di arricchire in ossigeno l?aria utilizzata per la combustione. Oltre la riduzione delle emissioni nocive, l?aspetto innovativo introdotto da questo brevetto consiste nell?innalzare la temperatura alla quale pu? essere utilizzato il calore di condensazione del vapore d?acqua contenuto nei fumi di combustione. Attualmente, le caldaie per riscaldamento residenziale di ultima generazione, cosiddette caldaie a condensazione, riescono a raggiungere rendimenti elevati (circa 110% calcolato sul potere calorico inferiore del combustibile) recuperando calore dalla condensazione del vapore d?acqua contenuto nei fumi. La temperatura di rugiada dei fumi emessi ? di circa 55 ?C: questo significa che le caldaie a condensazione possono esibire rendimenti elevati solo quando forniscono calore all?acqua (o altro fluido termico) al di sotto di questa temperatura, come rappresentato nello schema di figura 3.
In generale, le caldaie a condensazione possono esibire le massime prestazioni in termini di rendimento energetico quando vengono utilizzate in impianti di riscaldamento che operano a bassa temperatura, tipicamente a 30-40 ?C, quali ad esempio impianti a pavimento oppure impianti con radiatori dotati di valvole termostatiche. Di conseguenza, l?installazione di caldaie a condensazione in impianti termici gi? esistenti comporta spesso costi aggiuntivi di rifacimento e manutenzione al fine di sfruttare al meglio gli elevati rendimenti di questo tipo di caldaie.
Entrambe queste caratteristiche (riduzione delle emissioni ed incremento della efficienza energetica) possono contribuire a contenere l?inquinamento nelle aree urbane densamente abitate. Infatti il riscaldamento residenziale contribuisce significativamente all?inquinamento in ambito urbano: questo ? stato verificato durante il periodo di lockdown nella primavera 2019 quando a fronte di una sensibile riduzione del traffico veicolare (48-60%) ? stata osservata [4] una riduzione meno marcata di alcuni inquinanti, come ad esempio NOx, ed addirittura l?incremento di altri, ozono e polveri sottili.
L?oggetto del trovato ? rappresentato schematicamente in figura 4 e riguarda l?accoppiamento di una membrana in grado di arricchire l?aria in ossigeno con una caldaia per riscaldamento costituita a sua volta da una camera di combustione ed uno scambiatore di calore. La camera di combustione ? in grado di recuperare calore dalla condensazione del vapore d?acqua contenuto nei fumi di combustione.
Con riferimento alla figura 4, il separatore a membrana (3) alimentato attraverso un compressore o altro sistema di pompaggio (2) con aria (1) produce due correnti gassose: una arricchita in ossigeno (5) ed una arricchita in azoto (4).
La camera di combustione (8) viene alimentata dalla corrente di aria arricchita in ossigeno (5) e dal combustibile (9). Al fine di ridurre la temperatura della camera di combustione (8), i prodotti di combustione o fumi (10) possono essere parzialmente riciclati alla camera di combustione attraverso la linea (7) ed il compressore o altro sistema di pompaggio (6). I prodotti di combustione non riciclati (10?) vengono inviati ad uno scambiatore di calore (11) nel quale il calore dei fumi viene ceduto ad un fluido termovettore (13). La condensazione del vapore d?acqua contenuto nei fumi produce una corrente liquida raccolta nello scarico di condensa (12).
Si pu? notare che, nel caso limite di membrana con selettivit? infinita, le due correnti (5) e (4) sono costituite da gas puri (ossigeno ed azoto rispettivamente): in questo caso la camera di combustione ? alimentata con ossigeno puro e quindi i prodotti di combustione sono costituiti principalmente da CO2 ed acqua (oltre le impurezze).
Lo scopo principale dell?applicazione del trovato di questa invenzione consiste nella riduzione della quantit? e della qualit? delle emissioni come conseguenza della minore quantit? di azoto alimentato nella camera di combustione. In particolare, oltre alla riduzione delle emissioni di alcuni inquinanti (i.e. NOx), si ottiene anche un significativo aumento della qualit? del calore fornito dai sistemi di riscaldamento residenziale. Infatti, nel caso di combustione con aria arricchita in ossigeno la presenza di una minore quantit? di alcuni gas, quali ad esempio l?azoto e gli ossidi di azoto, nei fumi comporta una maggiore pressione parziale del vapore acqueo e quindi una pi? alta temperatura di condensazione (temperatura del punto di rugiada dei fumi). Questa ? una caratteristica importante nelle caldaie di ultima generazione (cosiddette caldaie a condensazione) che sono in grado di recuperare calore anche dalla condensazione del vapore contenuto nei fumi cos? da esibire rendimenti energetici molto alti (fino a circa 110%). Per ottenere la condensazione in caldaia ? necessario che la temperatura di uscita dei fumi sia inferiore a quella del punto di rugiada. A sua volta la temperatura di uscita dei fumi rappresenta il limite superiore di temperatura alla quale pu? essere scaldata l?acqua (o il fluido termico). Quindi l?utilizzo di aria arricchita in ossigeno nella alimentazione delle caldaie a condensazione permette di avere rendimenti elevati anche fornendo calore ad acqua (od altro fluido termico) a temperatura pi? alta di quanto permette la combustione con aria (circa 55 ?C per le caldaie a metano).
Nel seguito viene riportata una analisi della composizione delle emissioni dalla combustione del metano per tre valori di eccesso di aria: 10%, 50 % e 100 %. Questi valori sono significativi del funzionamento di caldaie per uso residenziale di elevata potenza (centinaia di kW) che utilizzano eccessi d?aria di 10-20% e di piccole caldaie domestiche (intorno a 20 kW) che operano con eccessi d?aria tra 50 e 100%. L?analisi della reazione di combustione di 1 Nm<3 >di metano ? stata condotta in condizioni di equilibrio termodinamico alla pressione di 1 bar.
La combustione realizzata con aria arricchita in ossigeno comporta un aumento della temperatura di combustione: ad esempio, alla combustione del metano in aria corrisponde una temperatura adiabatica di combustione di 1963 ?C contro i 3680 ?C per il caso di combustione con ossigeno. L?aumento della temperatura di combustione, da una parte, permette di aumentare l?efficienza di scambio termico tra i gas combusti e l?acqua del circuito di riscaldamento (o altro fluido termovettore), d?altra parte, pu? essere controproducente perch? pu? favorire reazioni di formazione di alcuni ossidi di azoto annullando l?effetto atteso dall?uso di eccesso di ossigeno in alimentazione. Per controllare la temperatura, una parte dei gas di scarico possono essere riciclati, particolare (7) dello schema di figura 4. In questa analisi, pertanto, si ? fatta l?ipotesi che la temperatura di combustione in tutti i casi considerati sia di 1000 ?C.
I casi considerati nell?analisi sono i seguenti:
- combustione con aria (assenza di dispositivo per arricchimento dell?aria in ossigeno), - utilizzo di un dispositivo a membrana in grado di produrre una corrente di aria arricchita in ossigeno con rapporto N/O rispettivamente uguale a 60/40, 40/60 e 20/80,
- utilizzo di un dispositivo con membrane completamente selettive in grado di produrre una corrente di ossigeno puro.
I risultati dell?analisi sono riportati nelle Tabelle I, II, III e IV che riportano la composizione delle emissioni per combustione condotta con sistemi a membrana che realizzano diversi valori di arricchimento in ossigeno dell?aria alimentata: combustione con rapporto N/0 = 80/20 (cio? con aria), N/0 =60/40, N/0 = 40/60, N/0 = 20/80 e combustione in ossigeno puro cio? N/0 = 0/100. I calcoli sono condotti per il caso di combustione con ossigeno stechiometrico (2 moli di ossigeno per 1 mole di metano) sono riportati in Tab. I. I calcoli con tre differenti valori di eccesso d?aria (10%, 50% e 100% corrispondenti rispettivamente a 2.2, 3 e 4 moli di ossigeno per 1 mole di metano) riportati nell?ordine nelle Tab. II, III e IV.
Questi risultati mostrano che gli ossidi di azoto presenti nelle emissioni sono costituiti principalmente da NO seguito in maniera minore da NO2 e N2O: la loro quantit? diminuisce all?aumentare dell?arricchimento in ossigeno mentre aumenta con l?incremento dell?eccesso d?aria adottato.
Tabella I ? Composizione delle emissioni in g nel caso di combustione di 1 Nm<3 >di metano con ossigeno stechiometrico (2 moli di ossigeno per 1 mole di metano) a 1000 ?C e 1 bar per diverse composizioni di comburente (aria, aria arricchita in ossigeno con rapporto N/O pari a 60/40, 40/60 e 20/80 ed infine ossigeno 100%).
Tabella II ? Composizione delle emissioni in g nel caso di combustione di 1 Nm<3 >di metano con eccesso di aria 10% (corrispondente a 2.2 moli di ossigeno per 1 mole di metano) a 1000 ?C e 1 bar per diverse composizioni di comburente (aria, aria arricchita in ossigeno con rapporto N/O pari a 60/40, 40/60 e 20/80 ed infine ossigeno 100%).
Tabella III ? Composizione delle emissioni in g nel caso di combustione di 1 Nm<3 >di metano con eccesso di aria 50% (corrispondente a 3 moli di ossigeno per 1 mole di metano) a 1000 ?C e 1 bar per diverse composizioni di comburente (aria, aria arricchita in ossigeno con rapporto N/O pari a 60/40, 40/60 e 20/80 ed infine ossigeno 100%).
Tabella VI ? Composizione delle emissioni in g nel caso di combustione di 1 Nm<3 >di metano con eccesso di aria 100% (corrispondente a 4 moli di ossigeno per 1 mole di metano) a 1000 ?C e 1 bar per diverse composizioni di comburente (aria, aria arricchita in ossigeno con rapporto N/O pari a 60/40, 40/60 e 20/80 ed infine ossigeno 100%).
Se confrontiamo il contenuto delle emissioni nella combustione con aria con quelle nella combustione con aria arricchita con rapporto N/O = 60/40 (che sar? il caso esaminato nell?esempio applicativo riportato successivamente) si vede che NO, il principale ossido di azoto, diminuisce di circa il 40% mentre NO2 di circa il 15%. Con l?utilizzo di aria arricchita con rapporto N/O = 20/80 si ha che NO diminuisce di circa il 75% ed NO2 di circa il 50%. Le emissioni di CO nel caso di eccesso d?aria 10% diminuiscono di circa il 25% e 50% con l?utilizzo di aria arricchita con rapporto N/O = 60/40 e 20/80, rispettivamente.
La figura 5 riporta la temperatura di rugiada per i tre differenti valori di eccesso d?aria (10%, 50% e 100%, che corrispondono rispettivamente a 2.2, 3 e 4 moli di ossigeno per 1 mole di metano) e per l?utilizzo di diversi sistemi di separazione a membrana. Nella legenda di figura 5 ?aria? sta per combustione con aria ambiente con nessuna membrana utilizzata (cio? rapporto N/O = 80/20), mentre ?N/O = 60/40?, ?N/O =40/60? e ?N/O =20/80? riferisce a membrane che producono aria arricchita con i rispettivi tre rapporti azoto/ossigeno, ed infine ?O2? sta per utilizzo di ossigeno puro (N/O = 0/100). Il valore calcolato per eccesso d?aria 50% senza l?utilizzo di alcuna membrana (voce ?aria? della legenda) ? circa 55 ?C: questo valore ? rappresentativo dello stato dell?arte delle attuali caldaie a condensazione commerciali. L?utilizzo di membrane in grado di produrre una corrente di aria arricchita con rapporto N/O = 60/40 (che sar? il caso esaminato nell?esempio applicativo) permette di incrementare la temperatura di rugiada di circa 12 ?C per tutti e tre i valori di eccesso d?aria utilizzati (10%, 50% e 100%). All?aumentare dell?arricchimento in ossigeno (i.e. con la riduzione del rapporto N/O), l?incremento della temperatura di rugiada cresce ulteriormente diventando di circa 22 ?C per il caso di aria arricchita con rapporto N/O = 20/80.
Esempio applicativo
Viene analizzato un sistema di riscaldamento costituito da una caldaia a metano alimentata con aria arricchita in ossigeno come rappresentato nello schema di figura 4.
Per l?arricchimento dell?aria in ossigeno si utilizzano a puro titolo di esempio dei moduli a membrana della ditta statunitense . Nello specifico, verr? considerato il modulo a membrana modello 330 della in grado di produrre una corrente di aria arricchita in ossigeno di portata 156.7 L/min (9.4 Nm<3>/h) con concentrazione in O2 di 38.5%. Le dimensioni di un modulo 330 GENERON sono contenute (circa 978 mm di lunghezza e 64 mm di diametro) come riportato in figura 2 e compatibili con l?accoppiamento con una caldaia per uso domestico.
Il calcolo della portata di aria arricchita (concentrazione in ossigeno di circa il 40%) ? stato realizzato per due valori di potenza di caldaia a metano per riscaldamento residenziale:
- potenza di 22 kW, rappresentativa di una caldaia utilizzata per riscaldare un appartamento di medie dimensioni (circa 100 m<2>), questo tipo di caldaie opera in generale con un eccesso di aria del 50%,
- potenza di 200 kW, rappresentativa di una caldaia utilizzata per riscaldare un condominio o comunque un edificio residenziale di piccole-medie dimensioni, questo tipo di caldaie opera in generale con un eccesso di aria del 10%.
I valori di portata di aria arricchita necessaria per i due casi studiati sono riportati in Tabella VII che evidenzia rispettivamente la necessit? di utilizzare un modulo e sette moduli GENERON 330 per la caldaia ad uso domestico (22 kW) e per quella condominiale (200 kW).
Tabella VII ? Numero di moduli di membrana mod. 330 GENERON per il caso di caldaia domestica (22 kW) e caldaia condominiale (220 kW).
Claims (13)
1. Processo per il riscaldamento di un fluido termovettore comprendente i seguenti stadi:
- produzione di una corrente di aria arricchita in ossigeno (aria con contenuto in ossigeno maggiore del 20%),
- reazione di combustione di un combustibile con aria arricchita in ossigeno,
- trasferimento del calore dai fumi di combustione ad un fluido termovettore.
2. Processo secondo la rivendicazione 1 quale caratterizzato dal fatto che la corrente di aria arricchita in ossigeno ? prodotta mediante un separatore a membrana alimentato con aria ambiente,
3. Processo secondo le rivendicazioni 1 e 2 condotto ad una pressione compresa tra 1 e 10 bar e temperature comprese tra 100 e 2000 ?C,
4. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3 quale caratterizzato dal fatto che i fumi di combustione sono parzialmente riciclati allo stadio di combustione,
5. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4 quale caratterizzato dal fatto che il combustibile ? metano,
6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5 quale caratterizzato dal fatto che la corrente di aria arricchita in ossigeno ? costituita da ossigeno al 100%,
7. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6 quale caratterizzato dal fatto che il fluido termovettore ? acqua,
8. Apparato per il riscaldamento di un fluido termovettore comprendente almeno un separatore a membrana (3) alimentato con aria (1) attraverso un sistema di compressione o pompaggio (2) ed il separatore a membrana (3) produce due correnti, una di aria arricchita in ossigeno (5) ed una di aria arricchita in azoto (4), ed ? connesso mediante mezzi di passaggio della corrente di aria arricchita in ossigeno ad almeno una camera di combustione (8) in cui avviene la combustione di un combustibile (9) con la corrente di aria arricchita in ossigeno (5), essendo la camera di combustione connessa mediante mezzi di passaggio dei fumi di combustione (10?) ad almeno uno scambiatore di calore (11) nel quale il calore dei fumi viene ceduto ad un fluido termovettore (13),
9. Apparato secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore (11) ? atto a recuperare calore sensibile dei fumi (10?) e calore latente dalla condensazione del vapore d?acqua contenuto nei fumi (10?),
10. Apparato secondo la rivendicazione 9 caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore (11) ? dotato di un sistema di scarico del vapore d?acqua condensato (12),
11. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 10 caratterizzato dal fatto che i fumi di combustione sono parzialmente riciclati alla alimentazione dello stadio di combustione attraverso la linea (7) ed il sistema di pompaggio o compressione (6),
12. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 11 caratterizzato dal fatto che il combustibile ? metano,
13. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 12 caratterizzato dal fatto che la corrente di aria arricchita in ossigeno ? costituita da ossigeno al 100%.
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