ITRA20090021A1 - Post - combustore al plasma di microonde - Google Patents

Description

Descrizione dell’Invenzione

II Post combustore al Plasma a microonde

Aspetti Generali

La innovazione tecnologica nel campo delle applicazioni delle microonde riguarda la tecnica di formazione del plasma con le microonde ed il suo utilizzo soprattutto in sistemi antinquinamento, in particolare per l’abbattimento di fumi e gas nocivi e per il trattamento dei rifiuti.

La tecnologia, innovativa come processi, deriva dalle ricerche svolte in vari anni in Laboratori scientifici ed industriali sulla formazione e sulla natura del plasma prodotto da radiazioni microonde. L’ azione delle microonde si è rilevata fondamentale come generatori di specie transienti, di radicali e di ioni sia in sistemi liquidi che gassosi. Nei sistemi gassosi si produce un flusso di elettroni energetici in continuo aumento in gas tipo Ossigeno, Azoto, Argon Metano ed in fumi prodotti in varie forme di termodistruzione fino a formare un plasma che brucia a temperature di 6000° 8000° C. Tali temperature atomizzano tutte le molecole. Il plasma si rivela generalmente autocombustibile sotto microonde dopo l’accensione, che avviene in genere con la formazione di un arco. Inoltre il plasma si forma anche a basse potenze, da meno di 500 Watt in su fino a centinaia di kWatt.

Nel campo della spettroscopia molecolare il plasma si forma ed è utilizzato a livello scientifico fino a frequenze di 30 GHz ed oltre, partendo da 9 GHz ma quelli in uso in piccole apparecchiature o in Impianti industriali si limitano generalmente a 900 MHz , 2.45 GHz e 5 - 6 GHz. Nel brevetto tedesco No. 103 55 025 9 del 35.11.203, è stato utilizzato un plasma freddo a microonde per distruggere alcuni inquinanti dei gas di scarico da autoveicoli, utilizzando una frequenza di 20 Ghz ( possibilità di utilizzo da 5,7 a 36 GHz) e con un processo diverso da quello utilizzato con frequenze a 2.45 GHz e 900 MHz.. Il sistema è piuttosto complesso e scarsamente utilizzabile in piccoli ambienti o piccole apparecchiature.

Un secondo brevetto italiano BO2005A000 100 descrive alcune apparecchiature di base per l’uso dei plasma a microonde di 2.45 GHz.di frequenza

Questi sistemi innovativi antinquinamento di cui sono stati realizzati i prototipi sono relativi all’abbattimento dei gas di scarico degli autoveicoli, ai gas in uscita da cappe di laboratorio o di cucine, in sistemi di distruzione di piccole quantità di rifiuti liquidi.

Il presente impianto utilizza in forma innovativa il plasma a microonde con un sistema multifunzionale a più sorgenti di microonde (cinque nel sistema realizzato), mostrato in figura 1) che lavora anche con una sola sorgente, il cui schema è mostrata in fig.2) L’impianto è posto su una struttura mobile la) per poter essere facilmente trasportabile.

Il campo di frequenza utilizzato è di 2.45 GHz ma adattabile anche alla frequenza di 900 Mhz. Ambedue i sistemi sono utilizzabili , e non solamente, per:

- l’abbattimento dei fumi prodotti negli inceneritori di rifiuti solidi, per grandi dimensioni, con rimpianto originale mostrato in figura 1 e la serie di Torce al plasma di microonde in fig.ld) . In Fig. lb) si nota l’ingresso dei fumi mentre in le) si vede l’uscita dei fumi e gas combusti.

- l’abbattimento dei residui gassosi delle centrali elettriche a carbone od a petrolio o a biomasse, con lo stesso schema di figura I)

- Γ eliminazione diretta di composti gassosi tossici e nocivi prodotti anche da armi chimiche del tipo gas nervini, che per la loro pericolosità necessitano di impianti di bassa potenza per quantità inferiori con l’originale sistema mono sorgente di figura 2.

Il mono generatore di microonde di figura 2).

Il principio tecnico per il funzionamento della camera al plasma di fig.2) è realizzato da un punto di vista costruttivo per contenere in se in maniera innovativa gli elementi necessari per inviare alla zona del plasma, 2 a) gas, vapori od aerosol; di poter modificare la posizione d’uscita del gas o dell’aerosol entro la camera al plasma, facendolo proficuamente innalzare od abbassare 2b), eventualmente eliminando il tubo del gas del plasma ove non necessario 2c) e di poter aumentare il volume del plasma, aumentando solo la potenza del magnetron e dell’alimentatore.

Le prove effettuate hanno dimostrato che il plasma rimane acceso, dopo la formazione dell’arco, utilizzando anche come gas del plasma lo stesso gas inquinante. Fino a che il plasma rimane i gas o vapori o fumi, che passano nelfinterno della fiamma, ad una temperatura di 5000° - 8000° C, si atomizzano in Azoto, Solfo, Carbone, Fosforo ect, eliminando le molecole inquinanti tipo NOx, COx, SOx ect. In caso degli aerosol nel tubo interno fig.2 a) deve essere modificato l’accesso del gas del plasma per lasciare libero il tubo dove viene immesso l’aerosol, fig. 2b).

L’ aspetto sicuramente altrettanto innovativo ed interessante

dell’ apparecchiatura sopra descritta è proprio l’interno della camera al plasma, fig.2d) L’idea è nata dalla esigenza di modellare l’interno della camera perché il flusso di microonde crei dove necessario una bolla energetica di microonde sufficiente per la formazione del plasma subito al di sopra del foro del tubo di accensione e quindi per mantenere accesa la fiamma. In fig. 2e) è evidenziata la scala delle intensità dell’energia a microonde, massima nella zona plasma nulla nella parte superiore.

sistema. Nel punto 3h) lateralmente vi è un foro per inserire la sonda del gas cromatografo per le analisi dei gas e fumi combusti. La tubatura interna per il passaggio dei firmi è mostrata in fig. 3i) e per quello dei gas del plasma in fig. 31). La finestra d’uscita delle microonde dalla guida d’onda, posta al di sotto della camera al plasma, fig. 3m), è utilmente fatta di materiale ceramico trasparente alle microonde e termoisolante con sovrapposta un’altra finestra di quarzo. In fig.3i) sono visibili i due tubi che portano il gas del plasma ed il gas di scarico o l’aerosol.

L’alimentatore è fuori dal sistema, per necessità di peso e di dimensioni. Gli alimentatori del post ‘combustore sono posti tutti in un rack chiuso in un armadio. La potenza del magnetron varia mediamente da 2000 a 6000 Watt.,o a potenze superiori per esigenze industriali Può comunque essere diversificata proficuamente a seconda della potenza necessaria all’uso specifico.

Descrizione del Processo di formazione del plasma nei fumi Il termine plasma è usato per descrivere un gas in cui le molecole han perduto un elettrone e sono diventate ioni e/o sono in stato transiente eccitato. Gli elettroni energetici si associano ai gas neutri formando un flusso di ioni negativi e che a loro volta in base all’energia posseduta danno altri stati eccitati modificando l’equilibrio ionico. Tale flusso di elettroni associati a gas fortemente energetici ( ionizzatoli) costituiscono il plasma, che si evidenzia quando brucia sotto l’azione di un arco o di una corona o di luce ad incandescenza come plasma freddo o come plasma ad alta temperatura, fino a 8,000° C.

Tre sono i principali tipi di plasma che sono utilizzati: i plasma elettrici che utilizzano elettrodi, i plasma a radiofrequenza ed i plasma a microonde che non utilizzano gli elettrodi. Il consumo di energia è fortemente diversificato fra i tre tipi. Quello nettamente inferiore è il plasma a microonde, che consuma un terzo di energia del plasma a radiofrequenza e circa la metà di quello elettrico a parità di lavoro svolto, o di energia termica sviluppata.

La differenza di energia usata dai tre sistemi al plasma si evidenzia dal seguente esempio: per provocare una rottura molecolare con una corrente DC ed a pressione atmosferica è di 30 kV/cm per il plasma elettrico, di 15 kV/cm per quello a microonde con frequenza di 2,4 GHz e 40 kV/cm per il plasma a radiofrequenza di 50 Mhz.

Esempi di applicazione dei tipi di plasma nel trattamento dei rifiuti urbani industriali e radioattivi sono ,per altro poco utilizzati, quello elettrico e quello a radiofrequenza per i costi elevati di energia o per l’impatto ambientale, mentre per il plasma con microonde si conoscono impianti per il trattamento di rifiuti radioattivi inserendoli in una vetrificazione o solo apparecchiatura da Laboratorio per il trattamento di piccole quantità di materiale o di composti chimici, soprattutto utilizzando le temperature superficiali del plasma non superiori a 1500 - 2500°C. Non utilizzando elettrodi il plasma a microonde non produce polveri metalliche per cui è nettamente più pulito e più semplice come manutenzione degli altri tipi di plasma

Utilizzo e meccanismo di azione del plasma a microonde.

Il metodo di azione del plasma a microonde segue un meccanismo di azione identico in tutti i gas plasma.

La novità della presente ricerca riguarda il fatto che il plasma è prodotto anche dai fumi o gas, che debbono essere distrutti, in presenza di ossigeno o di aria o di altro gas che potenzi il plasma Questo elemento innovativo permette di distruggere i gas nell'interno del plasma utilizzando la temperatura massima del plasma stesso. L’impianto può essere modulato proficuamente in funzione della quantità e della tipologia del gas o filmo o vapore trattato.

Il processo più importante nell’uso del plasma e quello di creare campi di energia del plasma, sotto forma di bolle di grande densità energetica significatamene uniformi, all’uscita della guida d’onda nella zona di miscelazione del flusso di microonde con i gas o filmi o vapori. A questo fine e decisiva la miscelazione dei gas del plasma con i fumi o vapori da distruggere, come si vedrà in seguito.

Le frequenze più proficuamente utilizzate sono quelle a 900 MHz, a 2.45 GHz e quelle a 5 — 6 GHz, a pressione ambiente. Le frequenze sono estremamente importanti e differenziano i processi di formazione del plasma. Occorre tener convenientemente presente che per formare il plasma con microonde ad una concentrazione di energia sufficiente a creare una fiamma con un arco e di mantenerla, la potenza energetica varia in funzione della frequenza nella seguente entità· per un campo di energia pari a quello prodotto da 1000 watt di potenza a 5 - 6 GHZ occorrono circa 5 kW di potenza a 2.45 GHz e circa 60 kW di potenza a 900 MHz, a pressione ambientale. Inversamente proporzionale alla potenza è invece il volume in cui è concentrata la potenza di energia. Per avere una intensità di energia abbastanza uniforme nel sistema a 5 -6 GHz di frequenza il volume della bolla energetica non supera i 2 cm di diametro, in quello a 2.45 GHz i 4 cm di diametro, mentre in quello a 0.9 GHz gli 8 cm di diametro. La fiamma che si forma varia in lunghezza da 5 a 30 cm in funzione delle frequenza e della potenza delle radiazioni microonde usate e delle dimensioni del tubo di uscita della miscela microonde più gas o con fumo o vapore. I valori dei parametri sopra indicati hanno carattere di esemplificazione perché essi possono variare proficuamente in situazioni e per esigenze speciali, anche per la natura fortemente modulare dei dispositivi predisposti e per il tipo di gas che aumenta la formazione del plasma dovuta al tipo di vapore o fumi.

Sulla base dei parametri trovati e risultati tra i migliori, sono stati sperimentati e messi a punto vari sistemi di potenza, utilizzando in genere le frequenze a 2.45 GHz per piccole apparecchiature e per basse potenze, ad esempio da 0.5 a 30 kWatt, mentre quelle a 900 MHz sono preferibili per impianti di tipo industriale e per alte potenze, ad esempio da 30 a 500 e più kWatt. Per la miscela dei gas si è tenuto presente la natura ossidante o riducente e dielettrica dei gas del plasma e dei fumi o vapori o aerosol.

Il sistema tipo del dispositivo innovativo per la produzione di plasma è formato da un generatore di microonde, figura 1, collegato ad un collettore delle radiazioni che si restringe a tubo di due - otto cm di diametro, figura 2b) dove viene indirizzato il fascio di microonde ed il gas da trattare, talvolta anche un altro gas per migliorare il plasma, ad esempio Ossigeno (o aria) come sistema ossidante o Metano come sistema riducente e coadiuvante la combustione del plasma, per complessivi 4-5 tubi interni da 10-20 mm di diametro. Immediatamente nella parte superiore del collettore è posta una bacchetta di metallo che viene avvicinata, fig. 3e) con comando a distanza per formare l’arco di

accone della fiamma del plasma, alternativamente può essere utilizzato l’accensione pizoelettrica, e quindi la bacchetta viene immediatamente allontanata mentre la fiamma rimane accesa per autocombustione ad opera delle microonde. La zona della fiamma è chiamata zona del plasma.

L’uscita del collettore di radiazioni a microonde di 50-80 mm serve per l’uscita dei tubi con i gas da distruggere e con i gas del plasma del tipo aria o metano. Il diametro del tubo dovrebbe di norma variare da 10 a 40 mm per ottenere una fiamma per una temperatura più alta ed uniforme mentre una corona o una bolla di fuoco c è sufficiente a raggiungere una temperatura media minore di 4000° C.

Il processo di combustione del materiale da trattare può avvenire in due maniere a seconda della forma fisica del materiale. Se sono sotto forma gassosa, tipo gas o vapori o fumi, si mescolano nel tubo con la radiazioni. In questo caso la temperatura di combustione varia da 4000° a 7000°C, che è la temperatura interna della fiamma.

Se sono invece liquidi o solidi la combustione avviene per azione della fiamma sul materiale, come termodistruzione dall’esterno. In questo caso la combustione varia da 1500<oo>a 2500° C, che è la temperatura media superficiale della fiamma.

Dopo la combustione il gas residuo ad alta temperatura viene aspirato da una cappa ed inviato ad un sistema di scambiatore di calore per il suo utilizzo, figura 4c, se l’energia calorifica sviluppata è in quantità utilizzabile o ad uno scambiatore di calore per il suo raffreddamento per poi essere scaricato nell’aria in forma di gas inerte.

Il materiale solido rimasto, polveri e metalli, è raccolto in un contenitore nell’interno della rete di protezione posta sotto la camera del plasma ed è eliminato in discarica come materiale inerte o ricuperato se utilizzabile.

Descrizioni del sistema al plasma a microonde per impianti di termodistruzione di rifiuti solidi e gassosi, di tipo urbano o industriale, tossici e nocivi mostrato in figura 1.

Il sistema a plasma a microonde si può inserire in maniera originale in impianti di termodistruzione soprattutto di rifiuti, o di produzione di energia con carbone o petrolio per distruggere i rifiuti gassosi o liquidi questi ultimi sotto forma di aerosol .

Considerando un sistema globale di impianto di trattamento di rifiuti a blocchi, si veda la fig. 4), questi sarebbero di tre tipi. Il primo A) è rappresentato dal termo distruttore, il secondo B) dall’impianto al plasma il terzo C) da uno scambiatore di calore o da un generatore di energia o di ricupero calore .

Il blocco B rappresentato nei dettagli in figura 1) è formato da una o più generatori di microonde descritto in figura 2) con camera al plasma di microonde.

L’impianto costruito e raffigurato in Fig. 1) come esempio delFinnovazione, è costituito da cinque unità al plasma ciascuna di 6 kWatt di potenza con 2,45 GHz di frequenza., fig. la). Nella parte inferiore di ciascuna unità è posto il tubo di ingresso dei gas di scarico o di aerosol e di gas del plasma., fig. Ib) Tutti i tubi per lo scarico dei gas provengono rispettivamente da un unico tubo di scarico del combustore del termo distruttore e da una unica sorgente di gas generatore del plasma. I gas od aerosol vengono quindi dirottati nei singoli tubi che vanno nelle camere al plasma

Dalla o dalle camere al plasma il gas finale viene inviato attraverso i tubi di fig, le) ad uno scambiatore di calore per il ricupero del calore e quindi per lo scarico neiratmosfera, una volta diventato inerte

L’ impianto è stato testato con molteplici prove con diverse regolazioni di

potenza , con diverse regolazioni della camera al plasma e con diversi gas

generatori del plasma. Come esempio di gas di scarico è stato utilizzato il

gas di scarico di una auto con motore diesel. I gas per il plasma erano del

tipo aria, argon , anidride carbonica, metano da miscelare con fumi di

scarico del motore diesel.

Le prove più significative sono state raccolte in tabelle a diverse potenze

del generatore di microonde .

Riportiamo di seguito i risultati delle prove più significative

Prove con torcia al plasma da 2 KW

I risultati delle prove mostrano che abbiamo avuto una elevata riflessione di potenza a causa della forma della camera di formazione del plasma, inoltre abbiamo riscontrato una elevata instabilità della fiamma dovuta alla bassa potenza effettiva utilizzata per la formazione del plasma.

Le analisi dei gas mostrano una forte diminuzione della CO e C02 con un aumento dei derivati dell’Azoto. Ritenendo i risultati non soddisfacenti abbiamo proseguito le prove con la sorgente da 6KW ed abbiamo modificato la camera del plasma.

Prove con torcia al plasma da 6 KW

In base alla modifica della camera abbiamo avuto una riflessione di potenza con l’argon mentre con gli altri gas la riflessione è stata alta, siamo riusciti comunque ad elevare la potenza utilizzata per la formazione del plasma e questo ha fatto abbassare la riflessione.

Durante le prove abbiamo notato una frequente formazione di archi alfinterno della camera che comportavano una ulteriore diminuzione della potenza utilizzata, giustificando l’alta riflessione. Senza archi la riflessione di abbassare notevolmente fino al 10% dell’energia erogata.

Le analisi dei gas confermano la forte riduzione della CO e C02 oltre all’elevato aumento dei derivati dell’Azoto. Quest’ultimo si spiega con l’effetto delle microonde in assenza di plasma che funge da catalizzatore delle reazioni tra ossigeno e azoto con la formazione di ossigeno di singole tto e di azoto attivato.

Ponendo all’uscita finale del gas dopo l’azione del plasma un catalizzatore di ossidi d’azoto esso ne abbassa fortemente la concentrazione portandola ai valori di sicurezza ambientale.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Impianto e processo di postcombustione come da figura 1) per fumi, gas, vapori o aerosol derivati da sistemi di termodistruzione di rifiuti urbani od industriali , di fanghi biologici, organici, inorganici industriali , da sistemi di produzione di energia con impianti a carbone od a petrolio grezzo o a biomasse utilizzando la tecnologia al plasma di microonde secondo uno schema generale a blocchi di figura 4! 2) Impianto di post-combustione secondo la rivendicazione 1) reso proficuamente portatile per la sua compattezza e per la mobilità su ruote che permette un migliore posizionamento 3) Impianto e processo di postcombustione secondo la rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che durante la miscelazione di microonde con i gas del plasma ed i fumi o vapori o areosol si formano fasci di elettroni più o meno energetici secondo il tipo di gas da plasma e che inducono stati ionici transienti per la formazione del plasma I 4) Impianto secondo le rivendicazioni 1) e 3) per cui il plasma viene acceso provocando un arco all’altezza della camera di miscelazione con microonde con azione dall’esterno. La fiamma una volta accesa si autoalimenta con qualsiasi gas sia formato il plasma anche ed in maniera originale con i filmi o vapori derivati da termodistruzione. 5) Impianto secondo le rivendicazioni 1), 3), e 4)in cui il plasma si forma per la tipologia interna innovativa della camera di combustione mostrata in fig. 2e) che impedisce la fuoriuscita di microonde, ed è a forma cilindrica nella parte superiore e conica al centro, tipologia che permette una alta densità di energia a microonde formando il plasma e sviluppando una forte temperatura 6) Procedimento derivato dall’impianto secondo le rivendicazioni 1), 3) e 4) basato in forma innovativa sulla miscelazione con gas del plasma diversi che provocano l’abbattimento del CO e della C02, degli idrocarburi , dei derivati organici ed alogeno-organici . 7) Impianto secondo le rivendicazioni 1), in cui la finestra d’uscita delle microonde dalla guida d’onda è protetta da una lastra di quarzo e da uno spessore di ceramica termoisolante e trasparente alle microonde per la protezione del magnetron. 8) Impianto secondo la rivendicazione 1) in cui alla uscita alla uscita del post combustore al plasma di microonde è posto un catalizzatore del tipo di quello della auto per l’abbattimento degli ossidi d’azoto. 9) L’impianto secondo la rivendicazione 1) in cui possono essere inviati direttamente liquidi anche tossici sotto forma di aerosol per la loro termodistruzione ad alta temperatura, sopra i 1500°C, nella camera al plasma, quest’ultimo prodotto da gas appropriato, tipo ossigeno, argon , metano, anidride carbonica o altro gas fortemente ionizzabile sotto microonde, con la formazione di flussi di elettroni a maggiore energia.