ITMI932700A1 - Sistema di abbattimento a caldo delle polveri nei fumi di combustione di inceneritori e centrali termiche - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di abbattimento delle polveri a bassa granulometria nei fumi ad alta temperatura di inceneritori e centrali termiche, che consente il recupero dell'entalpia dei fumi trattati ed una pi? elevata efficienza dei recuperatori di calore.

La depurazione dei fumi di combustione di un'inceneritore di rifiuti solidi urbani ad elevata temperatura e dei fumi di centrali termiche,coinvolge tecnologie ad oggi non completamente sviluppate e problematiche ad ampio spettro.

I fumi di combustione contengono sostanze acide allo stato molecolare e particelle solide residuali di combustione che non possono essere rilasciate nell'atmosfera per i loro effetti inquinanti e tossici e che, anche nell'impianto termico o di incenerimento, hanno effetti dannosi.

L?abbattimento dell'acidit? dei fumi ? ottenuto a valle dell'impianto essenzialmente con torridi lavaggio (o "scrubbers") disposte immediatamente a monte del camino di dispersione dei fumi.

L'abbattimento delle particelle solide trasportate dai fumi ? ottenuto in pi? stadi.

Una prima filtrazione ? conseguita imponendo ai fumi brusche variazioni di percorso che tendono a far precipitare il particolato di maggiori dimensioni (> di 50 ?) in camere di raccolta.

Una successiva filtrazione ? conseguita con l'impiego di depuratori a ciclone disposti generalmente a valle dell'impianto e seguiti da precipitatori elettrostatici che completano il processo di filtrazione che ha avuto origine nel ciclone, eliminando dai fumi le particelle di piccole dimensioni (inferiori a 10 ? circa) sulle quali l'effetto centrifugo prodotto dal ciclone non risulta efficace ai fini della filtrazione.

L'eventuale particolato residuo dei fumi ? trattenuto dal liquido delle torri di lavaggio.

Necessariamente iprecipitatorielettrostaticidevono essere disposti a valle dell'impianto in una zona in cui i fumi hanno una temperatura relativamente bassa dell'ordine di 200*C ed i depuratori a ciclone sono preferibilmente disposti immediatamente a monte.

La loro disposizione in una sezione del percorso dei fumi a temperatura pi? elevata, per quanto possibile richiederebbe un isolamento termico del ciclone molto pi? efficace e costoso e darebbe luogo a rilevanti dissipazioni termiche, atteso che la temperatura dei fumi in uscita dalla camera di combustione ? dell'ordine di 900?C ed in alcuni impianti termici pu? anche essere superiore.

E' quindi evidente che tutti gli elementi scambiatori di calore dell'impianto disposti sul percorso d?i fumi caldi sono lambiti da fumi carichi di polvere che, depositandosi ed accumulandosi gradualmente sugli stessi,oltre a possibili effetti corrosivi determinano una rilevante riduzione della conducibilit? termica degli scambiatori, quindi della loro efficienza.

Per ripristinare l'efficienza degli scambiatori, sono necessarie frequenti manutenzioni o l'adozione di costosi sistemi di pulizia a getti di vapore od aria compressa che devono agire su tutta la superficie degli scambiatori ed il cui intervento riduce in ogni caso il rendimento globale dell'impianto.

Inoltre i depuratori a ciclone, dimensionati per l'intera portata dei fumi, risultano ingombranti e di efficienza limitata.

La loro efficienza pu? essere aumentata e l'ingombro ridotto aumentando la velocit? di attraversamento dei fumi, ma ci? comporta un rilevante aumento delle perdite di carico nel depuratore e la necessit? di sistemi di aspirazione con consumo energetico proporzionalmente maggiore e costo pi? elevato.

Ovvia a queste limitazioni il sistema di abbattimento delle polveri nei fumi oggetto della presente invenzione che consente l'abbattimento delle polveri a caldo, quando la temperatura dei fumi ? ancora dell'ordine di 800-900 "C, quindi a monte degli elementi scambiatori di calore, con consumi energetici minimi ed efficienza cos? elevata da rendere superfluo l'impiego dei costosi filtri elettrostatici (ed in qualche misura anche di scrubbers) e da ridurre al minimo la necessit? di manutenzione o di pulizia degli scambiatori.

Questi risultati sono conseguiti da un sistema di filtrazione costituito da un ciclone assiale dotato di vorticatore o "swirler" attraversato dall'intera portata dei fumi e fornito in uscita di un anello parzializzatore di flusso che opera una suddivisione del flusso in due parti, la prima delle quali, a bassissima concentrazione di polveri,costituita da una portata di fumi pari a circa il 90% del totale, la seconda delle quali, pari a circa il 10% del totale e ad elevata concentrazione di polveri, viene inviata ad un secondo stadio di filtrazione di dimensioni ridotte ed efficienza elevata in grado di operare ad alta temperatura. ...

Sia la prima portata di fumi in uscita dal ciclone assiale, che la seconda portata di fumi in uscita dal secondo stadio di filtrazione, quindi depurate, possono essere inviate negli scambiatori di calore contribuendo integralmente al recupero energetico con formazione minima di depositi sugli elementi scambiatori.

I fumi raffreddati possono poi essere lavati in modo convenzionale in uno scrubber.

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, il secondo stadio di filtrazione comprende una o pi? candele ceramiche filtranti, in grado di operare ad alta temperatura.

Secondo un altro aspetto della presente invenzione, per aumentare ulteriormente l'efficienza e la durata di utilizzazione del secondo stadio,la o le candele ceramiche sono integrate in un ciclone a flusso inverso di tipo assiale con swirler o ad ingresso tangenziale ed operano rispettivamente come terzo stadio (le candele) e secondo stadio (il ciclone) di filtrazione.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno pi? chiari dalla descrizione che segue di una forma di realizzazione preferita e dai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 rappresenta in schema a blocchi il sistema di abbattimento delle polveri oggetto della presente invenzione, inserito in un impianto termico;

- la figura 2 rappresenta in sezione un ciclone assiale, elemento costitutivo di un primo stadio di filtrazione del sistema di figura 1;

- la figura 3 rappresenta in sezione un elemento filtrante ceramico a candela, elemento costitutivo in una forma preferita di realizzazione di un secondo stadio di filtrazione del sistema di figura 1;

- la figura 4 rappresenta in vista prospettica,parzialmente in sezione,un elemento filtrante ceramico integrato in un ciclone a flusso inverso ad ingresso tangenziale, formanti un secondo stadio di filtrazione a ciclone ed un terzo stadio di filtrazione a candela ceramica;

- la figura 5 rappresenta in sezione un elemento filtrante ceramico integrato in un ciclone assiale a flusso inverso, formante un secondo stadio di filtrazione a ciclone assiale a flusso inverso ed un terzo stadio di filtrazione a candela ceramica.

Con riferimento alla figura 1, un impianto termico o di incenerimento comprende essenzialmente una camera di combustione 1, in cui mediante la reazione tra aria comburente e combustibile, vengono sviluppati fumi ad alta temperatura, una caldaia di recupero 5 in cui attraverso scambiatori di calore i fumi caldi cedono il loro calore ad un fluido di scambio termico (generalmente acqua portata allo stato di vapore ed eventualmente aria di combustione che viene pre-riscaldata) un sistema di depurazione dei fumi 6, comprendente in cascata cicloni, precipitatori elettrostatici, torri di lavaggio, ed infine un camino 8 per l'emissione dei fumi nell'atmosfera.

Il tiraggio indotto dal camino 8 ? in generale integrato con mezzi di aspirazione 7, per esempio ventilatori.

Secondo l'invenzione il sistema di depurazione dei fumi 6 ? sostituiti in tutto o in parte da un sistema di depurazione che comprende un primo stadio di filtrazione 2, costituito da un ciclone assiale con vorticatore e da un secondo stadio di filtrazione 3.

Il ciclone assiale 2 ? alimentato dall'intera portata 9 dei filmi in uscita dalla camera di combustione 1 (o in uscita da una prima caldaia a recupero, non illustrata, se la temperatura dei fumi ? particolarmente elevata superiore ai 900*C).

La figura 2 rappresenta in sezione la struttura del ciclone assiale 2.

Questo ? costituito da un tronco di tubazione cilindrica 10, con boccaglio di ingresso 11, internamente al quale ? alloggiata un'elica 12 a pale fisse o vorticatore o swirler.

A distanza opportuna dal vorticatore 12 e coassiale alla tubazione cilindrica 10, ? innestata una tubazione od anello 13, di diametro convenientemente inferiore a quello della tubazione 10, e convenientemente sagomata a formare un ugello divergente che si raccorda ad una paratia 14 di separazione a formare una camera 15 di confinamento di flusso secondario.

Il vorticatore 12, per mezzo delle sue pale, conferisce ai fumi che entrano nel boccaglio 11, in direzione assiale, una componente rotatoria.

A questa componente rotatoria, il cui valore ? molto prossimo a quello della velocit? assiale di ingresso dei fumi, si deve l'effetto centrifugo che confina le particelle in uno strato periferico del flusso dei fumi che si dirige verso la tubazione 13

La tubazione 13 ha l'effetto di dividere il flusso dei fumi in due parti,la prima parte,corrispondente alla sezione centrale di flusso,penetra internamente alla tubazione 13,proseguendo nel suo movimento assiale, indicato dalla freccia 16, la seconda parte, corrispondente alla sezione anulare di flusso compresa tra tubazione 13 e tubazione 10,viene catturata dalla tubazione 13 e convogliata nella camera di confinamento 15 da cui viene estratta come flusso secondario rappresentato dalla freccia 17.

Le tubazioni 10 e 13 sono convenientemente dimensionate in modo che il flusso principale dei filmi, rappresentato dalla freccia 16, corrisponde a circa il 90% del flusso totale dei fumi ed il flusso secondario corrisponde a circa il 10% del flusso totale dei fumi.

A parit? di perdite di carico con un ciclone di tipo convenzionale ad ingresso tangenziale,il ciclone assiale presenta un ingombro molto minore ed una efficienza molto pi? elevata.

E* infatti noto che le perdite di carico di un flusso aeriforme sono in buona misura proporzionali a V , dove V ? la velocit? del flusso, e che l'accelerazione centrifuga ? data da V /R dove R ? il raggio di curvatura impresso al flusso ossia, per il flusso pi? periferico, il raggio del ciclone.

In un ciclone a ingresso tangenziale, R ? necessariamente molto maggiore del raggio equivalente della sezione di flusso, (che pu? anche essere non circolare, per esempio quadrata o rettangolare).

Invece nel ciclone assiale il raggio di curvatura impresso al flusso coincide con il raggio della sezione di flusso in ingresso, quindi a parit? di velocit? tangenziale a portata, risulta molto minore e determina un effetto centrifugo molto maggiore.

Solo le particelle di dimensioni minime, inferiore ai 10 ?, risentono in misura limitata dell'effetto centrifugo e rimangono in gualche misura disperse nel flusso principale 16.

Buona parte di queste,tuttavia, insieme alle particelle di diametro maggiore di 10 ? viene confinata nel flusso secondario 17 e da questo trascinata.

In relazione al suo ingombro ridotto, il ciclone assiale pu? essere efficacemente coibentato cos? da rendere trascurabili le dispersioni di calore.

Pertanto i flussi primario e secondario in uscita conservano sostanzialmente lo stesso contenuto termico del flusso in ingresso.

Il flusso principale 16, come indicato in figura 1, viene poi inviato ad uno scambiatore recuperatore di calore 5, la cui efficienza non viene pregiudicata, se non a lungo termine, dal limitato contenuto di particolato solido dei fumi.

Il flusso secondario 17, ad alta concentrazione di polveri e portata ridotta (10% del flusso totale)viene invece convogliato in dispositivi di filtrazione 3, che possono essere di tipo convenzionale a ciclone con ingresso tangenziale,dimensionato per una portata pari al 10% del flusso totale dei fumi.

Risultano quindi molto meno ingombranti ed in questi si possono imprimere velocit? di flusso molto elevate conseguendo una maggiore efficienza di abbattimento delle polveri,con un limitato aumento della potenza richiesta da organi di aspirazione 4, per compensare le maggiori perdite di carico.

Anche il flusso secondario,cos? filtrato nel secondo stadio di filtrazione 3, pu? essere immesso, come indicato dalla freccia 18, nello scambiatore 5, in modo da recuperarne il contenuto termico.

I fumi in uscita dallo scambiatore 5, possono poi essere immessi in un depuratore finale 6, consistente in un semplice scrubber, senza necessit? di filtri elettrostatici e di qui, attraverso sistemi di aspirazione 7 ed un camino 8,possono essere rilasciati nell'atmosfera.

Al limite, in impianti che fanno uso di combustibili a basso contenuto acido,o in cui sono previsti sistemi di abbattimento a caldo dell'acidit? dei fumi,l'abbattimento delle polveri prodotto dai due stadi di filtrazione-2 e 3 pu? rendere superfluo l'impiego di scrubber finali, il contenuto residuo di polveri nei fumi risultando inferiore a limiti ammissibili per la loro dispersione nell'atmosfera.

In particolare ci? pu? essere reso possibile con l'impiego, in sostituzione di sistemi convenzionali di filtrazione per il secondo stadio di filtrazione 3 (figura 1) di sistemi filtranti ad alta efficienza ed in grado di operare ad alta temperatura, che vengono ora descritti con riferimento alle figure 3,4,5.

In figura 3 il flusso secondario 17 viene immesso in una camera 118 opportunamente coibentata.

Nella camera 118 ? alloggiata almeno una candela ceramica 19 (in pratica una batteria di candele) sinterizzata con un conveniente grado di porosit?.

La candela, a forma di elemento cilindrico cavo, chiuso ad una estremit? e provvisto di un collare conico 23 di fissaggio all'altra estremit?, ? fissata in un bicchiere conico di alloggiamento 20 di cui ? fornita una parete della camera 118.

Per compensare le dilatazioni termiche differenziali tra candela e bicchiere conico 20, sono previste guarnizioni in feltro ceramico 21,22, rispettivamente interposte tra bicchiere 20 e collare conico 23 e tra collare conico 23 ed una flangia di serraggio 24 provvista di controbicchier? di tenuta.

Il serraggio della flangia 24 al bicchiere 20 ? assicurato da un anello elastico 25 inserito in una gola del bicchiere 20 o da mezzi equivalenti.

Il flusso secondario 17, entrando nella camera 118, si disperde nella camera perdendo velocit?,cosi che gran parte delle particelle solide trasportate si deposita sul fondo della camera da cui pu? essere periodicamente estratta mediante l'apertura di portelli di scarico o mediante una coclea con spillamento continuo di una portata trascurabile di fumi.

Per effetto di un conveniente differenziale di pressione mantenuto tra l'interno della camera 118 e l'interno della candela (dagli organi di aspirazione 4 di figura 1) i fumi contenuti nella esimer? 118 vengono poi aspirati attraverso la candela 19 che ne filtra il particolato residuo, cosi che dalla candela si estraggono fumi puliti e caldi convogliati agli scambiatori di calore.

La pulizia periodica della candela o delle candele ? agevolmente ottenuta con getti di aria compressa in controcorrente di breve durata insufflati all'interno della candela, che ne impediscono l'otturazione senza diminuirne la temperatura.

Candele di questo tipo sono in grado di lavorare a temperature elevate, fino a 850*C ed al limite oltre.

La limitazione ? essenzialmente imposta non tanto dalle caratteristiche del materiale ceramico,quanto dal rischio che il particolato dei furai possa fondere con formazione di scorie vetrose occludenti.

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, l'efficienza del secondo stadio di filtrazione 3-del flusso secondario ? aumentata prevedendo un sistema filtrante in cui almeno una candela filtrante ? alloggiata in un ciclone a flusso inverso.

Con riferimento alla figura 4 un ciclone con ingresso tangenziale a flusso inverso ? essenzialmente costituito da una camera cilindrica 30 in cui una bocca di ingresso 31, raccordata alla parete laterale della camera da una superficie a spirale, immette il flusso secondario 17 da filtrare.

La camera cilindrica 30 si estende inferiormente in una camera a tronco di cono 32 o imbuto, terminata in un pozzetto 33 apribile periodicamente per lo scarico del particolato solido (o anche in questo caso per uno scarico continuo mediante spillamento di una portata trascurabile dei fumi).

In posizione assiale ? alloggiata nelle camere 30,32 una candela ceramica 34 raccordata ad una tubazione assiale di efflusso 35.

Il flusso secondario 17, immesso nella camera 30, assume un moto vorticoso elicoidale che si propaga, a contatto delle pareti del ciclone, fino al pozzetto 33, depositando sulle pareti del ciclone le particelle solide che,perdendo velocit?, si depositano gradualmente nel pozzetto 33.

Il flusso vorticoso cos? depurato tende poi a risalire nel volume pi? interno della camera e lambisce la candela 34, attraverso la quale viene aspirato e convogliato nella tubazione di efflusso 35.

La filtrazione del flusso secondario avviene quindi in due stadi, uno dei quali ? costituito dal ciclone a flusso inverso, l?altro stadio essendo costituito dalla candela 34 che ha la sola funzione di trattenere il particolato residuo, di dimensioni pi? fini, non catturato dallo stadio precedente.

Poich? il flusso secondario rappresenta solo una frazione minima (10%) del flusso totale dei fumi e la candela 34 risulta alloggiata internamente al ciclone, il gruppo combinato ciclonecandela pu? essere realizzato in forma compatta e facilmente coibentabile,pu? essere alimentato con un flusso ad alta velocit? e quindi offrire una efficacia filtrante elevata senza richiedere una esorbitante potenza per l'alimentazione del flusso e senza dare luogo a dispersione di contenuto termico dei fumi

Lo stesso risultato pu? essere conseguito, con efficacia similare, usando un ciclone con vorticatore raccordato ad una camera troncoconica che provoca un flusso inverso.

Come rappresentato in figura 5 un ciclone assiale 40 ? realizzato preferibilmente come un tubo venturi con ugello convergente 41 e ugello divergente 42.

Nella sezione minima del tubo ? collocato un vorticatore 43 che imprime al flusso in ingresso 17 una componente rotatoria di velocit? elevata pari all'incirca alla velocit? assiale del flusso nella sezione minima.

L'ugello divergente di uscita 42 del ciclone assiale ? raccordato ad una camera troncoconica 44, del tutto simile a quella gi? considerata con riferimento alla figura 4, e terminata in una vasca toroidale 46 di raccolta delle polveri.

Attraverso la vasca toroidale 46 ? inserito e alloggiata nella camera 44 una candela ceramica 45 del tipo gi? descritto.

Anche in questo caso il vortice indotto dal vorticatore 43 determina la centrifugazione del particolato solido sulle pareti della camera 44 ed il vortice di ritorno, in larga misura depurato, viene risucchiato attraverso la candela 45 ed ulteriormente filtrato da questa.

Il flusso 18 in uscita dalla candela pu? poi essere convogliato ad uno scambiatore di calore.

E' quindi evidente che con le diverse soluzioni realizzative descritte si ottengono i seguenti vantaggi:

elevata efficienza di filtrazione. Il processo di filtrazione viene attuato sui fumi caldi in due o tre stadi.

Al primo ? affidata la cattura del particolato di dimensioni maggiori e di buona parte di quello con dimensioni inferiori a 10 ? per l'intera portata, al secondo un compito di filtrazione di una frazione modesta della portata totale, al terzo (in caso di candela integrata in ciclone) la filtrazione del particolato sfuggito alla barriera precedente.

- Ingombro ridotto con sviluppo ridotto delle superfici da coibentare e quindi riduzione delle perdite di contenuto termico.

Al tempo stesso, a parit? di velocit? del flusso, maggiore efficacia dell'azione filtrante ? dovuta all'effetto centrifugo.

- Costi di impianto ridotti,derivanti dall'utilizzazione di componenti semplici dal punto di vista costruttivo rispetto a filtri di altro tipo come quelli elettrostatici ed al frazionamento del flusso in due parti di cui quella ad alta concentrazione di polveri richiede un apparato di filtrazione ridotto e corrispondentemente ventilatori di aspirazione di potenza e dimensioni estremamente contenute.

- Costi di esercizio ridotti:le perdite di carico maggiori prodotti dalle candele interessano solo il 10% della portata complessiva richiedendo quindi ai ventilatori di aspirazione un consumo energetico proporzionalmente ridotto.

- Recupero energetico ottimale, grazie alla possibilit??di impiego dell'intera portata dei fumi depurati e caldi in scambiatori meno soggetti al deposito di particolato solido che pregiudica lo scambio termico.

Possibilit? di disconnettere lo stadio filtrante del flusso secondario per operazioni di manutenzione e di far funzionare temporaneamente il primo stadio filtrante da solo,o di impiegare in parallelo una batteria di stadi filtranti nel flusso secondario con possibilit? di esclusione di uno degli stadi per operazioni di manutenzione e revisione senza necessit? di messa in fuori servizio dell'intero impianto.

Per queste caratteristiche il sistema di filtrazione descritto risulta di vantaggiosa applicazione non solo in impianti di incenerimento e centrali termiche di terra, ma anche in apparati di motori navali.

La descrizione che precede riguarda solo una forma preferita di realizzazione e di alcune sue varianti ma ? chiaro che altre varianti possono essere apportate. Per esempio, nel caso di sistema filtrante in cui una candela ? integrata in un ciclone a flusso inverso con vorticatore, la candela anzich? essere raccordata alla camera di raccolta delle polveri a valle del ciclone, pu? anche essere raccordata con tubazione a gomito, alla parete del ciclone ed al limite anche allo stesso vorticatore.

Allo stesso modo gli elementi filtranti ceramici, indicati come candele cilindriche chiuse ad una estremit?, possono consistere in elementi conici chiusi ad una estremit? e al limite in piastre filtranti.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1.Sistema di abbattimento a caldo delle polveri nei fumi di combustione di inceneritori e centrali termiche, comprendente: - un ciclone assiale attraversato dal flusso di fumi caldi, - un anello separatore del flusso di fumi in uscita da detto ciclone assiale in un flusso primario a bassa concentrazione di polveri ed alta portata ed un flusso secondario ad alta concentrazione di polveri e bassa portata e un secondo stadio di filtrazione attraversato da detto flusso secondario per trasferire in uscita un flusso secondario depolverizzato.
2. 2. Sistema di abbattimento come a rivendicazione 1, comprendente uno scambiatore di calore ricevente in ingresso da detto ciclone assiale e detto secondo stadio di filtrazione rispettivamente detto flusso primario a bassa concentrazione di polveri e detto flusso secondario depolverizzato.
3. 3. Sistema di abbattimento come a rivendicazione 1, in cui detto secondo stadio di filtrazione comprende almeno un elemento filtrante in materiale ceramico sinterizzato e poroso.
4. 4. Sistema di abbattimento come a rivendicazione 1, in cui detto secondo stadio di filtrazione comprende un secondo ciclone di filtraggio ed almeno un elemento filtrante in materiale ceramico sinterizzato e poroso alloggiato in una camera di detto secondo ciclone e formante un terzo stadio di filtrazione di detto flusso secondario in uscita da detto secondo ciclone.
5. 5. Sistema come a rivendicazione 4, in cui detto elemento filtrante ? una candela ceramica.
6. 6. Sistema come a rivendicazione 4, in cui detto secondo ciclone ? un ciclone a flusso inverso con ingresso tangenziale.
7. 7. Sistema come a rivendicazione 4, in cui detto secondo ciclone ? un ciclone ? ? a flusso inverso con vorticatore.
8. 8. Gruppo di filtraggio di flusso secondario per il sistema di rivendicazione 1, comprendente un ciclone di filtraggio ed almeno un elemento filtrante in materiale ceramico sinterizzato e poroso alloggiato in una camera di detto ciclone di filtraggio e formante una via di uscita per fumi caldi entranti in detto ciclone di filtraggio.
9. 9. Gruppo di filtraggio come a rivendicazione 8, in cui detto elemento filtrante ? una candela ceramica e detto ciclone di filtraggio ? del tipo a flusso inverso.