ITMI20000196A1 - Sistema catalitico per la depurazione dei fumi di una caldaia - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

Sistema catalitico per la depurazione dei fumi di una caldaia”.

Campo dell’invenzione·

Il trovato consiste in un sistema catalitico per la depurazione dei fumi da installare in una caldaia da riscaldamento, di qualsiasi potenza calorifica, funzionante a gasolio combustibile.

Tale sistema catalitico è posto all’uscita della caldaia in corrispondenza dello scambiatore di calore fumi-fluido e dei canali di uscita dei fumi, che devono attraversare il sistema catalitico prima di giungere al camino, e comprende un reattore multistadio, costituito da catalizzatori insensibili all'avvelenamento da zolfo e/o da alogeni ed atti, rispettivamente, ad ossidare idrocarburi incombusti e CO, ad intrappolare e bruciare il particolato carbonioso ed a ridurre gli ossidi di azoto.

Tecnica anteriore.

Gli impianti termici generano una quantità di emissioni inquinanti, disperse nell’atmosfera tramite i fumi, che hanno (o possono avere) un notevole impatto sulle condizioni ambientali e sulla salute dei cittadini: ciò rende sempre più rilevante e cogente il problema di abbattere le sostanze inquinanti presenti nei fumi o, quanto meno, di contenerne le concentrazioni entro i limiti sempre più stretti imposti dalle Norme vigenti e/o di prossima applicazione.

Anche se l’inquinamento ambientale risente delle emissioni dei mezzi di trasporto a combustibile liquido (benzina, gasolio o nafta), esso dipende in larghissima misura dalle emissioni inquinanti degli impianti termici, rendendo indispensabili interventi mirati alla loro drastica riduzione Uno di tali interventi è stato individuato neli'ottimizzazione delle emissioni dei generatori termici ed in particolare delle caldaie a gasolio di taglia media o medio/grande, molto diffuse negli impianti di riscaldamento domestico ed industriale.

Tra i vari tipi di bruciatori e di combustibili attualmente utilizzati, assumono particolare rilevanza i bruciatori a gasolio, che godono di ampia diffusione per ragioni di economicità, di sicurezza e di versatilità d’impiego; le Norme anti-inquinamento emesse recentemente in vari Paesi hanno imposto di utilizzare combustibili a basso tenore di zolfo, ma tali combustibili non costituiscono una valida risposta alla necessità di abbattere polveri, CO, ossidi di azoto ed idrocarburi residui attualmente ancora presenti nei fumi dispersi nell’atmosfera.

Sotto questo punto di vista i bruciatori a gasolio attualmente presenti sul mercato non risultano ancora competitivi con quelli a metano (caratterizzati da emissioni di idrocarburi incombusti, CO e polveri nettamente inferiori a quelli degli impianti a gasolio), che costituiscono attualmente una possibile via per far rientrare le emissioni dei suddetti inquinanti nei limiti dell’attuale normativa italiana ed a maggior ragione per far rientrare tali emissioni nei limiti della Normativa Europea sulle emissioni di inquinanti che dovrebbe entrare in vigore in un prossimo futuro.

Il sistema catalitico oggetto del presente trovato, posto tra l’uscita della caldaia e l'ingresso del camino, costituisce una valida risposta all’esigenza di depurare i fumi d'uscita da una caldaia (in particolare da una caldaia a gasolio) con costi d'installazione e/o manutenzione molto ridotti.

Un importante vantaggio del presente trovato quello di permettere la messa a norma degli impianti a gasolio attualmente esistenti a costi abbastanza contenuti, senza la necessità di sostituire il bruciatore a gasolio con un altro bruciatore che usi un combustibile meno inquinante come, ad esempio, il metano: tale sostituzione è comunque impossibile in zone non raggiunte dalla rete di distribuzione del metano che, come noto, non copre ampie zone del territorio italiano.

Sommario deirinvenzione.

Forma oggetto del presente trovato un sistema catalitico per la depurazione dei fumi di una caldaia, che è allocato in un contenitore, fissato a tenuta all'uscita della caldaia in corrispondenza dell’uscita dello scambiatore di calore fumi-fluido e dei canali di uscita dei fumi ed all’ingresso del camino, che è attraversato dai fumi uscenti dalla caldaia.

Il sistema catalitico comprende un reattore, posto all'interno del contenitore, costituito da un letto multistrato di catalizzatori atti, rispettivamente, ad ossidare idrocarburi incombusti e CO, ad intrappolare e bruciare il particolato carbonioso ed a ridurre gli ossidi di azoto.

I catalizzatori che costituiscono il letto multistrato del reattore sono insensibili all'avvelenamento da zolfo e da alogeni.

Elenco delle figure.

Il trovato sarà ora meglio descritto con riferimento ad un esempio di realizzazione a carattere non limitativo illustrato nelle figure allegate, dove: - la figura 1 mostra schematicamente una caldaia di tipo noto, non equipaggiata con un sistema catalitico secondo il trovato;

- la figura 2 mostra la caldaia di figura 1 equipaggiata con un sistema catalitico secondo il trovato;

- la figura 3 mostra schematicamente l'estremità della caldaia di figura 2 ove è installato il sistema catalitico secondo il trovato.

Nelle figure allegate, gli elementi corrispondenti saranno identificati mediante gli stessi riferimenti numerici.

Descrizione dettagliata.

Il sistema catalitico oggetto del presente trovato è stato studiato per depurare in modo ottimale i fumi di una caldaia a gasolio o a cherosene, ma può essere vantaggiosamente utilizzato per depurare i fumi di caldaie alimentate da altri combustibili (come, ad esempio, il metano) nei quali alcuni degli elementi inquinanti sono assenti o presenti in quantità molto inferiori a quelle riscontrabili nei fumi di una caldaia a gasolio: in tal caso alcuni catalizzatori presenti nel trovato non saranno utilizzati oppure saranno sotto-utilizzati.

Come noto, una caldaia a gasolio genera dei fumi contenenti residui nocivi di combustione quali CO, catene di idrocarburi parzialmente combuste, polveri e particelle carboniose e, inoltre l'alta temperatura della fiamma del bruciatore permette la produzione di residui di ossidi di azoto NOx: tali residui nocivi sono (o possono essere) particolarmente consistenti a causa di difetti di combustione (dovuti, ad esempio, ad un’errata regolazione del bruciatore e/o a carenze di manutenzione) oppure quando la caldaia funziona in un regime transitorio (per esempio all'avviamento a freddo dell'impianto).

La figura 1 mostra lo schema di una caldaia 1 per un impianto di riscaldamento civile/residenziale oppure industriale, di tipo noto, che comprende un bruciatore a gasolio (o ad altro olio combustibile) 2, un corpo in lamiera metallica 3 ed uno scambiatore di calore fumi/acqua 4, il quale trasferisce parte del calore dei fumi di combustione del gasolio all’acqua che attraversa tubi che costituiscono il suddetto scambiatore di calore 4. Tali tubi sono normalmente raggruppati in un fascio tubiera centrale ed in una pluralità di fasci tubieri periferici, disposti a corona attorno al fascio tubiera centrale: i fumi fluiscono lungo canali d’uscita (schematicamente indicati nelle figure con 12) che sono disposti a corona attorno al fascio tubiera centrale e, di conseguenza, escono dallo scambiatore di calore 4 prevalentemente lungo la periferia dello scambiatore stesso. Dopo aver lambito i fasci tubieri, i fumi vengono raccolti in un collettore 5 e fuoriescono nell’atmosfera attraverso il camino 6.

Il fatto che lo scambiatore di calore permetta lo scambio di calore tra i fumi e l’acqua dell’impianto di riscaldamento anziché tra fumi ed aria o altro fluido termoconvettore non inficia né limita la validità del presente trovato.

La figura 2 mostra la caldaia 1 di figura 1 equipaggiata con un sistema catalitico realizzato secondo il trovato, che è allocato in un contenitore metallico 7 fissato a tenuta in modo in sé noto (ad esempio mediante una flangia, non illustrata nelle figure per semplicità di rappresentazione grafica, imbullonata alla corrispondente flangia portata dal corpo 3 della caldaia 1 ) all'uscita della caldaia 1 in corrispondenza deil'uscita dello scambiatore di calore fumi-acqua 4 e dei canali di uscita dei fumi 12 ed all’ingresso del camino 6 e che è attraversato dai fumi uscenti dalla caldaia 1 .

Il contenitore metallico 7 ha, preferibilmente, un diametro sostanzialmente eguale a quello del corpo 3 della caldaia 1 per adattarvisi senza discontinuità che potrebbero ostacolare il deflusso dei fumi, inficiando l'efficienza della caldaia stessa.

Il sistema catalitico comprende un reattore 8, posto all’interno del contenitore 7, costituito da un letto multistrato di catalizzatori atti, rispettivamente, ad ossidare idrocarburi incombusti e CO, ad intrappolare e bruciare il particolato carbonioso ed a ridurre gli ossidi di azoto.

I catalizzatori che costituiscono il letto multistrato del reattore 8 sono insensibili all’avvelenamento da zolfo e da alogeni.

Preferibilmente ma non necessariamente, il catalizzatore che costituisce il primo strato del letto multistrato del reattore 8 che è attraversato dai fumi è adatto alla riduzione di NOx ed è seguito da uno strato di un catalizzatore che presenta una struttura mesoporosa per essere atto ad intrappolare e bruciare il particolato carbonioso.

Le caratteristiche costruttive del sistema catalitico oggetto del presente trovato possono essere meglio rilevate dalla figura 3, che mostra schematicamente l'estremità della caldaia 1 di figura 2, opposta a quella ove è allocato il bruciature 2, ove è installato il sistema catalitico.

II contenitore metallico 7 presenta almeno una griglia di entrata (p. es.

metallica) 9 affacciata sull’uscita dei fumi dallo scambiatore acqua/fumi 4 ed una griglia d'uscita (p. es. metallica) 10 affacciata sul collettore 5 che convoglia i fumi al camino 6: in tal modo il contenitore 7 ed il reattore 8 (posto all’interno del contenitore 7) sono attraversati dal flusso di fumi che dal bruciatore 2 lambiscono i fasci tubieri dello scambiatore di calore 4 e vanno verso il camino 6.

Se, come detto più sopra, i canali di uscita dei fumi sono disposti a corona attorno al fascio tubiera centrale e, di conseguenza, i fumi escono dallo scambiatore di calore 4 prevalentemente lungo la periferia dello scambiatore stesso, la griglia d’ingresso 9, il reattore 8 e la griglia di uscita 10 hanno forma toroidale (o altra forma, equivalente a quella toroidale, se la caldaia 1 non ha sezione circolare).

In ogni caso, il reattore 8 presenta un vano passante e la parte della griglia d’ingresso 9 posta in corrispondenza di detto vano è piena per impedire che una parte anche limitata dei fumi uscenti dallo scambiatore di calore 4 posso raggiungere il camino 6 senza attraversare il reattore 8 per esservi depurati.

I differenti tipi di catalizzatori che costituiscono i singoli strati del letto multistrato del reattore 8 sono in genere disposti nel contenitore 7 in strati separati e possono essere separati da mezzi di separazione come, ad esempio, griglie metalliche ma tale separazione non è strettamente necessaria per il corretto funzionamento del reattore 8.

Nella forma preferita di realizzazione qui descritta, il contenitore 7 comprende inoltre una tramoggia 11 atta consentire di caricare il reattore 8 con i materiali catalitici che costituiscono il letto multistrato del reattore 8 e/o di rabboccarlo senza dover asportare il sistema catalitico né interferire con il suo normale funzionamento.

I vari strati di catalizzatori possono essere introdotti nell'involucro 7, tramite la tramoggia 11 , sotto forma di “rings", granuli, sferette e/o pellets e possono essere (eventualmente) aspirati dal contenitore 7 (sempre tramite la tramoggia 11 ) quando sia necessario sostituirli.

Il contenitore metallico 7 (comprese eventuali griglie metalliche per separare gli strati di catalizzatori nel reattore 8) può essere realizzato facilmente ed economicamente con semplici tecnologie di carpenteria metallica in acciaio al carbonio in modo da adattarsi facilmente alle varie tipologie di generatori di calore disponibili sul mercato o già installati e funzionanti, seguendo il criterio geometrico di affacciare la griglia 9 di ingresso dei fumi nel reattore 8 alla/alle bocche di uscita dei fumi dallo scambiatore di calore 4.

La limitata varietà di forme costruttive dei generatori di calore attualmente utilizzati permette una facile standardizzazione delle caratteristiche geometriche del contenitore 7: ciò consente di installare facilmente ed economicamente il sistema catalitico secondo il trovato sugli impianti di generazione di calore già esistenti, il che è particolarmente vantaggioso nel caso di adeguamenti a norme sulle emissioni inquinanti più restrittive.

Il posizionamento del reattore 8 immediatamente a valle dello scambiatore di calore 4:

- coibenta verso l’esterno lo scambiatore di calore 4, aumentandone l’efficienza e consentendo di sfruttare (quasi) integralmente il calore dei fumi all’uscita dello scambiatore 4;

- permette di sfruttare (quasi) integralmente il calore sviluppato dalle reazioni esotermiche che avvengono all’interno del reattore 8 cedendo tale calore allo scambiatore di calore 4 ed ai fumi.

L'apporto di calore dovuto alle reazioni catalizzate migliora le prestazioni della caldaia 1 poiché:

- innalza la temperatura dei fumi, aumentando la quantità di calore trasferita all’acqua nello scambiatore di calore 4 e compensando le perdite di carico dovute alla diminuzione del tiraggio del camino 6 causata dal reattore 8 posto tra lo scambiatore di calore 4 ed il camino 6, in modo che la presenza del reattore 8 non diminuisca la temperatura di emissione dei fumi ed il tiraggio del camino 6;

- abbatte gli elementi inquinanti anche se, per un malfunzionamento, la temperatura dei fumi dovesse superare i normali valori di funzionamento (in genere 250-300X).

Sempre allo scopo di eliminare (o, quanto meno, ridurre) le perdite di carico dovute al reattore 8, risulta vantaggioso utilizzare i suddetti catalizzatori sotto forma di "rings” aventi dimensioni comprese tra 5x5 mm e 10x20 mm (preferibilmente 7x10 mm oppure 7x15 mm) e/o aventi una superficie attiva non inferiore a 80 m<2>/gr.

Sempre allo scopo di eliminare (o, quanto meno, ridurre) le perdite di carico dovute al reattore 8, i catalizzatori possono essere supportati da una struttura "a nido d’ape" in modo da presentare una perdita di carico ancora inferiore.

I catalizzatori che costituiscono il letto multistrato appartenente al reattore 8 sono (preferibilmente) a base di ossidi metallici puri (MnOx, V205) o misti selezionati nel gruppo degli ossidi di Mn, Fe, Cr, Co, Cu, Sn, Zn, Nb, Al e Zr.; vantaggiosamente tali ossidi metallici sono insensibili al’avvelenamento da zolfo e da alogeni (almeno alla temperatura dei fumi) e sono stabilizzati fino ad una temperatura molto maggiore di quella d’innesco della reazione catalitica, per preservarli da ogni rischio di essere danneggiati e/o distrutti (ad esempio, sinterizzati) da un’eventuale aumento di temperatura che dovesse verificarsi all'interno della caldaia 1 a seguito di circostanze fortuite e/o accidentali che potrebbero (almeno teoricamente) verificarsi durante l’esercizio della caldaia stessa.

A puro titolo di esempio non limitativo, i catalizzatori che costituiscono il letto multistrato appartenente al reattore 8 possono essere:

-V2O5 in pellets per ridurre gli ossidi di azoto;

- MnOx / Al203 per ossidare CO ed idrocarburi incombusti;

- pellets di catalizzatori con struttura mesoporosa (ad esempio CuCrOx / Al203) per intrappolare e bruciare il particolato carbonioso.

La temperatura dei fumi è (in praticamente tutti gli impianti di riscaldamento attualmente in esercizio) di circa 250-300°C (fino a 350°C in caso di transitori di regolazione o anomalie): sono stati scelti perciò i suddetti catalizzatori a base di ossidi metallici, ben noti ad un tecnico del ramo, perché hanno una temperatura di attivazione non inferiore a quella dei fumi e possono essere stabilizzati (in modo in sé noto) in modo da avere una temperatura di sinterizzazione molto elevata (p. es. 850°C) e comunque molto maggiore di quella di attivazione, alla quale si innesca la reazione catalitica.

Senza uscire dall’anribito del trovato è possibile per un tecnico del ramo sostituire i suddetti catalizzatori a base di ossidi metallici con altri catalizzatori funzionalmente equivalenti (ad esempio a metalli nobili, molto più costosi), non discussi in questa sede perché in sé noti e comunque estranei al presente trovato.

I vantaggi conseguiti (o conseguibili) adottando un sistema catalitico per la depurazione dei fumi realizzato secondo il trovato risulteranno più evidenti dal seguente esempio comparativo, riportato a mero titolo di esempio non limitativo.

Esempio 1

Si sono rilevate le concentrazioni di alcuni agenti inquinanti nei fumi emessi da una caldaia da 250.000 Kcal/h, funzionante a gasolio, priva di un sistema catalitico secondo il trovato (colonna A) e nei fumi emessi dalla stessa caldaia equipaggiata un sistema catalitico secondo il trovato (colonna B), evidenziando l'abbattimento percentuale Δ dei suddetti agenti inquinanti ottenuto mediante il trovato; si sono inoltre riportati (colonna C) gli attuali valori limite di Legge per le caldaie di riscaldamento funzionanti a gasolio.

Senza uscire dall’ambito del trovato è possibile per un tecnico apportare al sistema catalitico per la depurazione dei fumi di una caldaia a gasolio oggetto della presente descrizione tutte le modifiche ed i perfezionamenti suggeriti dalla normale esperienza e dalla naturale evoluzione della tecnica.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema catalitico per la depurazione dei fumi di una caldaia, caratterizzato dal fatto di essere allocato in un contenitore (7) fissato a tenuta all'uscita della caldaia (1) in corrispondenza deH’uscita dello scambiatore di calore (4) fumi-fluido e dei canali di uscita dei fumi (12) ed all'ingresso del camino (6) ed attraversato dai fumi uscenti dalla caldaia (1) e dal fatto di comprende un reattore (8), posto all’interno del contenitore (7), costituito da un letto multistrato di catalizzatori atti, rispettivamente, ad ossidare idrocarburi incombusti e CO, ad intrappolare e bruciare il particolato carbonioso ed a ridurre gli ossidi di azoto.
2. 2) Sistema catalitico come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il contenitore metallico (7) ha un diametro sostanzialmente eguale a quello del corpo (3) della caldaia (1).
3. 3) Sistema catalitico come alla rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che i catalizzatori che costituiscono il letto multistrato del reattore (8) sono insensibili all'avvelenamento da zolfo e da alogeni.
4. 4) Sistema catalitico come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il contenitore (7) comprende almeno una griglia di entrata (9) affacciata sull’uscita dei fumi dallo scambiatore di calore (4) ed una griglia d'uscita (10) affacciata su un collettore (5) che convoglia i fumi al camino (6)· 5) Sistema catalitico come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il reattore (8) presenta un vano passante e dal fatto che la parte della griglia d’ingresso (9) posta in corrispondenza di detto vano è piena per impedire che almeno parte dei fumi uscenti dallo scambiatore di calore (4) possa raggiungere il camino (6) senza attraversare ii reattore (8). 6) Sistema catalitico come alla rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che gli strati di catalizzatori che costituiscono il letto multistrato del reattore (8) sono separati da mezzi di separazione appartenenti al contenitore (7). 7) Sistema catalitico come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il catalizzatore che costituisce il primo strato del letto multistrato del reattore (8) attraversato dai fumi è atto alla riduzione di NOx e dal fatto che tale catalizzatore è seguito da un ulteriore strato di un catalizzatore atto ad intrappolare e bruciare il particolato carbonioso. 8) Sistema catalitico come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il contenitore (7) comprende inoltre almeno una tramoggia di carico (11) atta consentire di caricare e/o di rabboccare il reattore (8) con i catalizzatori che costituiscono il letto multistrato del reattore (8) senza interferire con il normale funzionamento del sistema catalitico. 9) Sistema catalitico come alla rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che i catalizzatori sono introdotti nel contenitore (7), tramite la tramoggia di carico (11), sotto forma di “rings", granuli, sferette e/o pellets. 10) Sistema catalitico come alla rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che i catalizzatori possono essere sostituiti aspirandoli dal contenitore (7) tramite la tramoggia di carico (11 ). 11) Sistema catalitico come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i catalizzatori che costituiscono il letto multistrato appartenente al reattore (8) sono a base di ossidi metallici puri (MnOx, V2O5) o misti selezionati nel gruppo degli ossidi di Mn, Fe, Cr, Co, Cu, Sn, Zn, Nb, Al e Zr. 12) Sistema catalitico come alla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che gli ossidi metallici che costituiscono il letto multistrato appartenente al reattore (8) sono stabilizzati fino ad una temperatura molto maggiore di quella d'innesco della reazione catalitica. 13) Sistema catalitico come alla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che gli ossidi metallici che costituiscono il letto multistrato appartenente al reattore (8) sono utilizzati sotto forma di "rings" aventi dimensioni comprese tra 5x5 mm e 10x20 mm. 14) Sistema catalitico come alla rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che gli ossidi metallici che costituiscono il letto multistrato appartenente al reattore (8) sono utilizzati sotto forma di “rings” aventi dimensioni 7x10 mm oppure 7x15 mm. 15) Sistema catalitico come alla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che gli ossidi metallici che costituiscono il letto multistrato appartenente al reattore (8) sono utilizzati sotto forma di “rings” aventi una superficie attiva non inferiore a 80 m<2>/gr. 16) Sistema catalitico come alla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che gli ossidi metallici che costituiscono il letto multistrato appartenente al reattore (8) sono supportati da una struttura “a nido d’ape”.