Filtri ceramici catalitici per l abbattimento del particolato nella combustione di biomasse

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1 Filtri ceramici catalitici per l abbattimento del particolato nella combustione di biomasse Vincenzo Palma, Eugenio Meloni Dipartimento di Ingegneria Industriale Università degli Studi di Salerno

2 Meccanismo di formazione del particolato Nucleazione Formazione dei nuclei precursori ad elevata temperatura Coagulazione Crescita di dimensione dei nuclei carboniosi per adesione superficiale di sostanze povere di idrogeno Aggregazione Auto aggregazione di particelle carboniose in agglomerati di dimensioni maggiori

3 Peculiarità del particolato da biomasse Notevoli quantità di elementi inorganici che portano a maggiori % di ceneri. Tali elementi possono essere suddivisi in tre categorie: (i) elementi non volatili Ca, Si, Mg, Fe,Al; (ii) elementi più volatili. K, Na, S, Cl; (iii) metalli pesanti. Zn, Cd,Pb

4 Perchè ridurre il particolato? Conseguenze sulla salute umana: patologie all'apparato respiratorio e cardio circolatorio aumento dei tumori Effetti sull ambiente: disturbi alla propagazione e assorbimento delle radiazioni solari riduzione visibilità atmosferica

5 Abbattimento del particolato: attuali tecnologie Cicloni e/o multi cicloni (a secco o a umido) efficienza 30 50%, per particelle da 1 m concentrazione di particolato mg/m 3. Filtri a maniche o a sacco (baghouses) efficienza 99%, per particelle da 1 m concentrazione di particolato 4 7 mg/m 3. Scrubber a umido efficienza 96%, per particelle da 1 m concentrazione di particolato 15 mg/m 3. Precipitatori elettrostatici (ESP) efficienza 98%, per particelle da 1 m concentrazione di particolato 4 7 mg/m 3.

6 Abbattimento del particolato: I filtri Wall Flow Sono monoliti di natura ceramica: Cordierite o in SiC. Sono caratterizzati da canali paralleli tappati alternativamente e da pareti porose.

7 Meccanismo di filtrazione dei WFF L intercettazione del particolato avviene per: Depth filtration Inertial deposition Diffusional deposition Streamline interception Cake filtration

8 Abbattimento del particolato: WFF Efficienza di filtrazione superiore al 95% Resistenti alle alte temperature Resistenti alle sollecitazioni meccaniche Tecnologie innovative: FILTRO WALL FLOW in SiC CATALIZZATO con CuFe 2 O 4 Rigenerazione assistita da Microonde

9 Abbattimento del particolato: rigenerazione assistita da MW Sistema : Soot/CuFe 2 O 4 /SiC Riscaldamento istantaneo e selettivo, funzione delle sole proprietà dielettriche dei materiali. Materiale Costante dielettrica ε Fattore di perdita dielettrica ε Diesel soot Quarzo Cordierite Alumina ceramic Al 2 O Carburo di Silicio SiC

10 Impianto sperimentale MW source Mothorized stub tuner

11 Motore Il motore Diesel è un motore bicilindrico da 505 cm 3 (Lombardini LDW 502) con 7kW@3600 r.p.m. Materiali I monoliti in SiC sono stati forniti dalla PIRELLI ECOTECHNOLOGY Total channels Open channels Channel lenght (L) [mm] Filter wall thickness [mm] a [mm] b [mm] c [mm] A L C B

12 Ferrite di Rame (CuFe 2 O 4 ) Il catalizzatore preparata attraverso ripetute fasi di: impregnazione a umido del filtro in soluzione acquosa di nitrati di Cu e Fe; essiccazione a 60 C; calcinazione a 1000 C. Il carico di specie attive sul filtro è dal 15%wt al 30%wt.

13 RISULTATI: Efficienza di filtrazione L efficienza di filtrazione dei Filtri Wall Flow in SiC, è stata ricavata correlando la concentrazione di particolato carbonioso e l opacità media nei gas esausti. rpm Opacity in [%] C in [mg/m 3 ] Opacity out [%] C after [mg/m 3 ] Eff [%]

14 Analisi termogravimetrica Solo soot Tm= 600 C, All aumentare del carico di specie attive diminuisce la T ignizione elatm. Aumenta la velocità della reazione catalitica di combustione

15 Test di aderenza delle specie attive Condotti con ultrasuoni e shock termici da RT a 120 C; Perdite minori di quelle riportate in letteratura per supporti con washcoat; elevata stabilità meccanica dei monoliti catalitici; ottima adesione delle specie attive al supporto ottenuta anche in assenza di washcoat.

16 Immagini SEM (1)

17 Immagini SEM (2) Non catalitico Catalitico, 15%wt CuFe 2 O 4

18 Immagini SEM - EDX (3) O Filtro catalitico, 15%wt CuFe 2 O 4 Si Fe Cu

19 Porosimetria a penetrazione di mercurio Diametro medio dei pori ( m) Volume totale dei pori (mm 3 /g) Filtro non catalitico 17,0 329,8 Filtro catalitico con 14,7 263,6 15 % in peso di CuFe 2 O 4 Filtro catalitico con 20 % in peso di CuFe 2 O 4 Filtro catalitico con 25 % in peso di CuFe 2 O 4 Filtro catalitico con 30 % in peso di CuFe 2 O 4 13,3 246,7 12,2 143,1 12,1 134,2

20 Test di resistenza meccanica WFF tipology Wall thickness (mm) Channel (mm) Bending Strenght (MPa) Uncatalytic 0,58 1,56 30 SiC + 15% CuFe 2 O 4 0,58 1,53 50 SiC + 30% CuFe 2 O 4 0,55 1,56 52 L aumento del carico di specie attive comporta l aumento della resistenza meccanica dei filtri, anche se l aumento maggiore si ha aumentando il carico di specie attive fino al 15%, mentre l ulteriore aumento fino al 30% dà luogo ad un minimo aumento della resistenza meccanica.

21 Fase di accumulo

22 Fase di accumulo: effetto del carico di specie attive L aumento del carico di specie attive comporta l aumento delle perdite di carico iniziali attraverso il filtro catalitico Wall Flow da 30 mbar (15%) a 75 mbar (30%)

23 Rigenerazione dei filtri catalitici: effetto del carico di specie attive L aumento del carico di specie attive dal 20% al 30% in peso comporta: 1. maggiore velocità di reazione; 2. minore tempo necessario per la rigenerazione completa del filtro, passando da circa 25 minuti a circa 15 minuti; 3. Minore energia necessaria per la rigenerazione, passando da circa 1185 kj (20%) a circa 816 kj (30%)

24 Riassumendo. Con la procedura di preparazione dei filtri catalitici utilizzata è possibile ottenere una omogenea distribuzione delle specie attive sulla superficie del supporto in SiC; È stato studiato l effetto del carico di specie attive: analisi SEM EDX, porosimetria a penetrazione di mercurio, test di attività catalitica; Le prove di accumulo del particolato e rigenerazione dei filtri Wall Flow hanno dimostrato che è possibile utilizzare tali sistemi quali dispositivi per l abbattimento del particolato carbonioso da sistemi di combustione. L aumento del carico di specie attive dal 15 al 30% in peso comporta l aumento delle perdite di carico iniziali attraverso il filtro: in particolare, si è osservato l aumento del DP iniziale da circa 30 mbar a circa 75 mbar; L aumento del carico di specie attive comporta la diminuzione del tempo (da 25 a 15 minuti) e dell energia (da 1185 kj a 816 kj) necessari per la rigenerazione del filtro. Sono stati preparati ed inviati al Centro ENEA UTTS di Saluggia n 15 filtri con diverso contenuto di specie attive da provare direttamente allo scarico della caldaia a biomassa.

25 Conclusioni I risultati dell attività sperimentale condotta in parallelo con il Centro ENEA UTTS Saluggia consentono di dire che: I filtri Wall Flow in Carburo di Silicio catalizzati con la Ferrite di Rame, sono un ottimo dispositivo per l abbattimento del Particolato Carbonioso allo scarico di sistemi di combustione (Diesel o biomassa); L efficienza di filtrazione di tali dispositivi in tutti i casi è sempre superiore al 95%; Si ottiene la rigenerazione in continuo del filtro catalitico a temperature di circa 400 C, con un simultaneo sensibile abbattimento del CO pari al 95% circa.

26 Sviluppi futuri A causa della diversa natura chimica del particolato emesso dalla caldaia a biomassa, caratterizzato dalla presenza di sostanze accumulate e adsorbite durante il processo di combustione quali Zn, K, P, Ca, S, Cl, e altri metalli alcalini e alcalino terrosi, per le future attività si ritiene necessario condurre ulteriori test per verificare le prestazioni del filtro catalitico in differenti condizioni operative così come la resistenza alla disattivazione per individuarne la durata che potrebbe essere sensibilmente diversa anche in funzione del tipo di biomassa trattata.

27 GRAZIE PER L ATTENZIONE

28 Analisi XRD L analisi XRD mostra la presenza nella Ferrite di Rame preparata dei tipici picchi di CuFe 2 O 4 nella sua forma tetragonale e cubica