Descrizione della tecnologia
Il vantaggio della combustione catalitica, rispetto quella termica, è di garantire la completa ossidazione delle sostanze organiche volatili a temperatura relativamente bassa, solitamente tra 320-450 C; la bassa temperatura di combustione, oltre che permettere consumi energetici più contenuti, assicura una produzione trascurabile di NOx, inquinante solitamente presente in concentrazione ai limiti della normativa nei combustori che operano a temperature più alte.
L’ossidazione degli inquinanti organici può essere realizzata con un rendimento non inferiore al 98%, se il tempo di contatto tra effluente da depurare e catalizzatore è adeguato.
Come catalizzatore, le prestazioni migliori in termini di cinetica, resa, selettività e resistenza agli agenti avvelenanti sono ottenute dai metalli preziosi, quali Pt e Pd, finemente dispersi in di ossido di alluminio o di magnesio a media, o alta, superficie microporosa. L’allumina, o altro ossido microporoso, costituisce il supporto funzionale necessario ad assicurare al metallo prezioso la dispersione in microcristalli in una elevata densità di siti attivi. Spesso gli ossidi impregnati di metallo prezioso sono supportati da monoliti di cordierite o da superfici metalliche che assicurano il supporto meccanico del catalizzatore ed una elevata superficie specifica esposta al flusso dell’aria.
Per applicazioni particolari, quale la ossidazione della diossina, sono disponibili anche i catalizzatori tipo De-NOx, costituiti da ossidi V2O5-TiO2. Per la ossidazione di idrocarburi alogenati sono stati sperimentati con successo anche catalizzatori a base di Cr2O3 impregnato su Al2O3, TiO2 e SiO2 microporosi.
Nel caso di monoliti ceramici la reazione catalitica è generalmente limitata dal trasporto nel film gassoso esterno e sono generalmente richieste velocità spaziali a livello 20000-35000 ore-1, riferite alla portata del gas a 273 K.
Il recupero termico rigenerativo e recuperativo
La tecnologia della combustione catalitica può essere applicata con recupero termico di tipo rigenerativo o con recupero termico tradizionale con scambiatore di calore a superficie. Naturalmente è la concentrazione dei solventi che principalmente determina il tipo di recupero termico più idoneo.
Il recupero termico del tipo rigenerativo si propone per concentrazioni di solvente organico comprese tra 0,80-1,50 g/Nm3 ed in questo campo la combustione catalitica rigenerativa costituisce una valida alternativa alla combustione termica rigenerativa.
L’impianto di combustione catalitico con recupero termico rigenerativo è molto simile all’analogo impianto di combustione termica e prevede quindi due o tre torri con riempimento ceramico, la camera di combustione in testa con il bruciatore per la combustione del combustibile ausiliario, le valvole di fondo per la distribuzione delle correnti di aria inquinata, aria di lavaggio ed aria depurata.
Il riempimento ceramico deve essere preferibilmente del tipo a monoliti rettangolari con canali rettilinei che in sommità possono raccordarsi con i monoliti catalitici in continuità di flusso con i monoliti termici.
Il recupero termico del tipo recuperativo viene applicato alla combustione catalitica per concentrazione a livello 3÷6 g/Nm3, con resa termica variante da 0,5÷0,65 a seconda della concentrazione dei solventi.
Nel combustore catalitico recuperativo la corrente di aria inquinata, prima di confluire in camera di combustione, è convogliata in uno scambiatore di calore a superficie, riscaldata in controcorrente dal flusso di aria depurate uscente dal pacco catalitico.
La camera di combustione opera con un bruciatore in vena d’aria, che evita la immissione di aria comburente fredda, e consente la combustione di una frazione non trascurabile di solventi vaporizzati che attraversano la fiamma. In camera di combustione opera un controllo di temperatura che regola la temperatura della camera agendo sulla valvola di ingresso del combustibile ausiliario ed assicura all’aria in ingresso al pacco catalitico una temperatura minima di innesco di 250 C. A valle del pacco catalitico opera il controllo di temperatura primario, che regola la temperatura in uscita generalmente tra 380÷450 C, con azione diretta sul controllo di temperatura secondario operante in camera di combustione.
Nella combustione catalitica i vantaggi economici derivanti dal minore consumo di combustibile ausiliario vanno confrontati con gli oneri di acquisto del catalizzatore, con i costi dei lavaggi e di sostituzione finale del catalizzatore ormai esausto. Spesso il bilancio economico volge a favore della combustione di tipo catalitico in quanto in assenza di veleni ben noti e specifici la vita utile del catalizzatore è assicurata a livello 15.000 ÷ 30.000 ore.
Va considerato che nelle applicazioni normali la corrente di aria va filtrata da polveri fino a livello 0,1-0,3 g/Nm3 per evitare sporcamento dei letti ed il ricorso frequente ad adeguati lavaggi del pacco catalitico.
L'esperienza di Cematek
Cematek ha una vasta esperienza nel campo della combustione catalitica nella esecuzione di tipo recuperativo che viene generalmente proposta in combinazione con il processo di concentrazione solventi.
Normalmente il combustore catalitico viene fatto operare a concentrazione compresa tra 3÷8 g/Nm3, in funzione della condizioni operative del concentratore di solventi a monte. La temperatura a valle del pacco catalitico è controllata tra 320-450°C in funzione della tipologia dei solventi da ossidare; il catalizzatore è del tipo a metalli preziosi a base di Pt, o miscela Pt+ Pd, dispersi in allumina microporosa in monolite di cordierite a canalicoli rettilinei.
In accordo con i profili di temperatura lungo il letto catalitico a partire della temperatura di innesco, spesso inferiore ai 260°C, fino alla temperatura di uscita spesso a livello di 450°C, sono previsti monoliti di diversa composizione e formulazione in modo da ottimizzare il costo del pacco catalitico con le prestazioni funzionali di elevato livello.
Con velocità spaziali tra 20.000-25.000 ore-1, si ottengono rese di conversione in CO2 superiori a 98%.
La resa termica del recuperatore è generalmente prevista al 50%, che rappresenta il valore ottimale per il combustore accoppiato all’unità di concentrazione solventi.
Cematek propone la combustione catalitica di tipo rigenerativo a due torri nei processi di combustione CO2, distruzione diossina, ossidazione degli idrocarburi clorurati. A volte viene proposta la combustione catalitica di tipo rigenerativo nella ossidazione dei solventi organici, qualora la complessità della miscela solvente è tale da sconsigliare ogni tipologia di adsorbente disponibile.
Cematek dispone di un impianto pilota dedicato allo studio delle reazioni di ossidazione catalitica, di capacità 50 Nm3/ora, costruito allo scopo di affinare le procedure di dimensionamento dei letti catalitici e per la sperimentazione su nuove formulazione. Vengono programmati test su tale impianto pilota per verificare il livello di attività dei monoliti catalitici installati in impianti in funzione e per il controllo dei monoliti riattivati dopo lavaggi con soluzioni basiche ed acide. Può essere installato su diramazioni da correnti industriali di aria inquinata, in modo da verificare l’applicazione della ossidazione catalitica su reflui gassosi.