ITUD20110023A1 - CATALYTIC TREATMENT DEVICE OF COMBUSTION FUMES FOR A BIOMASS STOVE, PARTICULARLY IN WOOD - Google Patents
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Description
Descrizione del trovato avente per titolo: Description of the invention having as title:
"DISPOSITIVO DI TRATTAMENTO CATALITICO DI FUMI DI COMBUSTIONE PER UNA STUFA A BIOMASSA, PARTICOLARMENTE A LEGNA" "DEVICE FOR THE CATALYTIC TREATMENT OF COMBUSTION FUMES FOR A BIOMASS STOVE, PARTICULARLY WOOD"
CAMPO DI APPLICAZIONE FIELD OF APPLICATION
Il presente trovato si riferisce ad un dispositivo di trattamento catalitico dei fumi di combustione applicabile a camere di combustione o a canne fumarie di stufe a biomassa, ad esempio a legna, e utilizzate per esempio in ambito domestico per il riscaldamento o la produzione di acqua calda sanitaria. The present invention relates to a device for the catalytic treatment of combustion fumes applicable to combustion chambers or flues of biomass stoves, for example wood-burning, and used for example in the domestic environment for heating or the production of domestic hot water. .
STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE
È noto l'utilizzo di dispositivi di trattamento catalitico associati alle camere di combustione o ai condotti di scarico dei fumi di combustione prodotti da stufe utilizzate per il riscaldamento di ambienti e/o la produzione di acqua calda sanitaria. Esempi di utilizzo di un dispositivo di trattamento catalitico in una stufa del tipo di cui si discute sono descritti nelle domande di brevetto per invenzione industriale in Italia UD2010A000183 e UD2010A000222 a nome della Richiedente . The use of catalytic treatment devices associated with the combustion chambers or with the exhaust ducts of the combustion fumes produced by stoves used for space heating and / or the production of domestic hot water is known. Examples of use of a catalytic treatment device in a stove of the type discussed are described in the patent applications for industrial invention in Italy UD2010A000183 and UD2010A000222 in the name of the Applicant.
Tali dispositivi di trattamento catalitico sono tipicamente utilizzati per trattare i fumi della combustione in modo da ossidare i composti carboniosi, principalmente CO e composti organici volatili (VOC) mediante l'ossigeno in eccesso che prende parte alla combustione. Tale processo di ossidazione è favorito da un catalizzatore, solitamente metalli nobili che hanno un alto potere ossidante, tra i quali generalmente si scelgono il platino o il rodio, ed anche dall'operare a temperature dei dispositivi di trattamento catalitico nell'intervallo tra circa 250° C e 450° C. Such catalytic treatment devices are typically used to treat the combustion fumes in order to oxidize the carbonaceous compounds, mainly CO and volatile organic compounds (VOC) by means of the excess oxygen that takes part in the combustion. This oxidation process is favored by a catalyst, usually noble metals that have a high oxidizing power, among which platinum or rhodium is generally chosen, and also by operating at temperatures of the catalytic treatment devices in the range between about 250 ° C and 450 ° C.
Le reazioni chimiche di ossidazione avvengono su un supporto tipicamente a struttura a nido d'ape, immerso nel flusso dei fumi, su cui viene deposto il rivestimento, o "coating", contenente il metallo nobile . The chemical oxidation reactions take place on a support typically with a honeycomb structure, immersed in the flow of fumes, on which the coating, or "coating", containing the noble metal is deposited.
Nella domanda di brevetto DE-A-3527634 è descritto un dispositivo di trattamento catalitico noto con una struttura alveolare a nido d'ape a base di ceramica con un catalizzatore attivo a base di platino o rodio ed associabile al by-pass di una canna fumaria o al focolare di una stufa del tipo di cui si discute. Patent application DE-A-3527634 describes a known catalytic treatment device with a ceramic-based honeycomb honeycomb structure with an active catalyst based on platinum or rhodium and which can be associated with the by-pass of a flue. or at the hearth of a stove of the type under discussion.
Un inconveniente dei dispositivi di trattamento catalitico noti è che il supporto del catalizzatore, essendo alloggiato all'interno dei condotti dei fumi, deve svilupparsi lungo la lunghezza di tali condotti per avere superfici tali da permettere il completamento delle reazioni chimiche di ossidazione. Tale disposizione determina perdite di carico aumentate nei flussi dei fumi. A drawback of known catalytic treatment devices is that the catalyst support, being housed inside the flue ducts, must extend along the length of said ducts to have surfaces such as to allow the completion of the chemical oxidation reactions. This arrangement determines increased pressure losses in the flue gas flows.
Uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di trattamento catalitico dei fumi di combustione che da un lato consenta di completare le reazioni di ossidazione dei composti nocivi presenti nei fumi di combustione e dall'altro lato assicuri un valore minimo di pressione a valle del dispositivo stesso, tale da permettere un corretto funzionamento della canna fumaria. An object of the present invention is to provide a device for the catalytic treatment of the combustion fumes which on the one hand allows to complete the oxidation reactions of the harmful compounds present in the combustion fumes and on the other hand ensures a minimum value of downstream pressure. of the device itself, such as to allow correct operation of the flue.
Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questo ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato. In order to obviate the drawbacks of the known art and to obtain this and further objects and advantages, the Applicant has studied, tested and implemented the present invention.
ESPOSIZIONE DEL TROVATO EXPOSURE OF THE FOUND
Il presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione indipendente. The present invention is expressed and characterized in the independent claim.
Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell'idea di soluzione principale. The dependent claims disclose other characteristics of the present invention or variants of the main solution idea.
Un dispositivo di trattamento catalitico dei fumi di combustione secondo il presente trovato, utilizzabile in una stufa a biomassa, particolarmente a legna, è formato da un corpo catalizzatore avente una struttura a nido d'ape con fori passanti che definiscono una pluralità di canali per il passaggio ed il trattamento catalitico dei fumi di combustione, con una densità di fori compresa fra circa 3,0 e circa 4,7 fori per cm<2>, con un rapporto percentuale vuoto su pieno compreso tra circa 40% e 80%. A device for the catalytic treatment of combustion fumes according to the present invention, usable in a biomass stove, particularly wood, is formed by a catalyst body having a honeycomb structure with through holes which define a plurality of channels for the passage and the catalytic treatment of the combustion fumes, with a density of holes between about 3.0 and about 4.7 holes per cm <2>, with an empty to full percentage ratio between about 40% and 80%.
Secondo il presente trovato, il corpo catalizzatore è formato da una struttura di base in ceramica, tipicamente una miscela di caolino, talco, alluminio e titanio, la quale è rivestita da un primo strato di γallumina ad elevata porosità, in modo da aumentare notevolmente la superficie disponibile per 1'ossidazione . According to the present invention, the catalyst body is formed by a basic ceramic structure, typically a mixture of kaolin, talc, aluminum and titanium, which is coated with a first layer of high porosity γalumina, so as to significantly increase the surface available for oxidation.
Su tale primo strato in γ-allumina è depositato un secondo strato composto da uno o più metalli nobili ad elevata capacità ossidante, quali platino o rodio, con funzione di catalizzazione dell'azione di ossidazione dei fumi di combustione. A second layer composed of one or more noble metals with high oxidizing capacity, such as platinum or rhodium, is deposited on this first γ-alumina layer, with the function of catalyzing the oxidation action of the combustion fumes.
La conformazione del corpo catalizzatore come sopra descritta determina una sinergia tra composizione chimica del dispositivo di trattamento catalitico e configurazione fisica dei fori e dei canali che permette di ottenere, quindi, un aumento notevole della superficie interna dei canali e quindi della zona attiva chimicamente ed un elevato potere di reazione ossidante, garantendo comunque un ottimale tiraggio della canna fumaria. The conformation of the catalyst body as described above determines a synergy between the chemical composition of the catalytic treatment device and the physical configuration of the holes and channels which therefore allows to obtain a considerable increase in the internal surface of the channels and therefore in the chemically active zone and a high power of oxidizing reaction, guaranteeing in any case an optimal draft of the flue.
In particolare l'uno o più metalli nobili che fungono da catalizzatore favoriscono fortemente la reazione tra l'ossigeno in eccesso, proveniente dalla combustione, e le specie da ossidare in maniera che non siano nocive. Secondo alcune forme di realizzazione, la lunghezza di ciascuno dei canali di cui sopra è correlata almeno alla portata dei fumi di combustione che transitano tipicamente prodotta dalle stufe di cui si discute ed è tale da garantire un adeguato tempo di residenza degli stessi fumi nei canali, per ottenere una ossidazione sostanzialmente completa almeno dei composti a base di carbonio, azoto e zolfo in essi contenuti, in modo da permettere un trattamento dei fumi di scarico che garantisca il rispetto delle vigenti normative in materia, garantendo nel contempo un ottimale tiraggio della canna fumaria cui il presente trovato è associato. In particular, the one or more noble metals that act as catalyst strongly favor the reaction between the excess oxygen, coming from combustion, and the species to be oxidized so that they are not harmful. According to some embodiments, the length of each of the above channels is correlated at least to the flow rate of the combustion fumes that transit typically produced by the stoves under discussion and is such as to guarantee an adequate residence time of the same fumes in the channels, to obtain a substantially complete oxidation at least of the carbon, nitrogen and sulfur-based compounds contained therein, so as to allow a treatment of the exhaust fumes that guarantees compliance with the current regulations on the subject, while guaranteeing an optimal draft of the flue with which the present invention is associated.
Rientra nel presente trovato anche un procedimento per la realizzazione di un dispositivo di trattamento catalitico di fumi di combustione, utilizzabile in una stufa a biomassa, particolarmente a legna, che prevede di realizzare un corpo catalizzatore avente una struttura a nido d'ape con fori passanti che definiscono una pluralità di canali per il passaggio ed il trattamento catalitico dei fumi di combustione, con una densità di fori compresa fra circa 3,0 e circa 4,7 fori per cm<2>, con un rapporto percentuale vuoto su pieno compreso tra circa 40% e 80%. Il corpo catalizzatore è formato associando una struttura di base in ceramica che viene rivestita da un primo strato di γ-allumina ad elevata porosità e su tale primo strato viene depositato un secondo strato composto da uno o più metalli nobili ad elevata capacità ossidante con funzione di catalizzazione dell'azione di ossidazione dei fumi di combustione. The present invention also includes a process for manufacturing a catalytic treatment device for combustion fumes, usable in a biomass stove, particularly wood, which provides for the creation of a catalyst body having a honeycomb structure with through holes. which define a plurality of channels for the passage and the catalytic treatment of the combustion fumes, with a density of holes between about 3.0 and about 4.7 holes per cm <2>, with a percentage empty to full ratio between about 40% and 80%. The catalyst body is formed by associating a basic ceramic structure that is coated with a first layer of high porosity γ-alumina and a second layer composed of one or more noble metals with high oxidizing capacity is deposited on this first layer with the function of catalyzing the oxidation action of combustion fumes.
ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI ILLUSTRATION OF DRAWINGS
Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di una forma preferenziale di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui: These and other characteristics of the present invention will become clear from the following description of a preferential embodiment, given by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings in which:
- la fig. 1 è una vista in pianta del dispositivo di trattamento catalitico secondo il presente trovato; - fig. 1 is a plan view of the catalytic treatment device according to the present invention;
- la fig. 2 è una vista laterale parzialmente sezionata del dispositivo di trattamento catalitico secondo il presente trovato; - la fig. 3 è un dettaglio ingrandito schematizzato dell'interno di un canale del dispositivo di trattamento catalitico secondo il presente trovato. - fig. 2 is a partially sectioned side view of the catalytic treatment device according to the present invention; - fig. 3 is an enlarged schematic detail of the interior of a channel of the catalytic treatment device according to the present invention.
DESCRIZIONE DI UNA FORMA PREFERENZIALE DI DESCRIPTION OF A PREFERENTIAL FORM OF
REALIZZAZIONE REALIZATION
Con riferimento alle figure allegate, un dispositivo 10 di trattamento catalitico dei fumi di combustione secondo il presente trovato comprende un corpo catalizzatore 14 con una conformazione alveolare, ad esempio a nido d'ape, con fori passanti che definiscono una pluralità di canali 18 per il passaggio ed il trattamento catalitico dei fumi di combustione. With reference to the attached figures, a device 10 for the catalytic treatment of combustion fumes according to the present invention comprises a catalyst body 14 with a honeycomb shape, for example a honeycomb, with through holes which define a plurality of channels 18 for the passage and catalytic treatment of combustion fumes.
La densità di fori è compresa fra circa 3,0 e circa 4,7 fori per cm<2>con riferimento ad una superficie frontale del dispositivo 10, come si vede in fig. 1, con un rapporto percentuale vuoto su pieno compreso tra 40% e 80%. The density of holes is comprised between about 3.0 and about 4.7 holes per cm <2> with reference to a front surface of the device 10, as seen in fig. 1, with an empty to full percentage ratio between 40% and 80%.
Il corpo catalizzatore 14 è formato da una struttura di base 19 in ceramica, tipicamente una miscela di caolino, talco, alluminio e titanio, la quale è rivestita da un primo strato 20 di γ-allumina ad elevata porosità. In particolare, con la γ-allumina la porosità superficiale è aumentata almeno di un fattore IO<4>rispetto alle tradizionali strutture in ceramica. The catalyst body 14 is formed by a base structure 19 in ceramic, typically a mixture of kaolin, talc, aluminum and titanium, which is coated with a first layer 20 of high porosity γ-alumina. In particular, with γ-alumina the surface porosity is increased by at least an IO factor <4> compared to traditional ceramic structures.
Generalmente, tali pori sono cavità o spazi anche di forma irregolare, con dimensioni nominali maggiori di circa 5 μιη in almeno due dimensioni, oppure aventi sezione trasversale di area di almeno 10 μπι<2>. Generally, these pores are cavities or spaces even of irregular shape, with nominal dimensions greater than about 5 μιη in at least two dimensions, or having a cross-sectional area of at least 10 μπι <2>.
Su tale primo strato 20 in γ-allumina è depositato un secondo strato 21 composto da uno o più metalli nobili ad elevata capacità ossidante, quali platino o rodio, con funzione di catalizzazione dell'azione di ossidazione dei fumi di combustione. La deposizione del secondo strato 21 può avvenire con tecniche note, ad esempio mediante immersione in un opportuno bagno, mediante "spray" oppure "over-spray". A second layer 21 composed of one or more noble metals with a high oxidizing capacity, such as platinum or rhodium, is deposited on this first γ-alumina layer 20, with the function of catalyzing the oxidation action of the combustion fumes. The deposition of the second layer 21 can take place with known techniques, for example by immersion in a suitable bath, by means of "spray" or "over-spray".
La parte catalitica attiva del dispositivo 10 è formata, quindi, dal primo 20 e secondo 21 strato di cui sopra. Tale parte catalitica attiva ha vantaggiosamente uno spessore medio compreso tra circa 2 μπιe circa 4 μπι. The active catalytic part of the device 10 is therefore formed by the first 20 and second 21 layers above. This active catalytic part advantageously has an average thickness ranging from about 2 μπι to about 4 μπι.
Il corpo catalizzatore 14 è dimensionato, in particolare per ciò che riguarda altezza e diametro, in modo tale che la lunghezza di ciascun canale 18 sia tale che, per un determinato intervallo applicativo di portate dei fumi di combustione tipico delle stufe di cui si discute, il tempo di residenza dei fumi stesso all'interno dei canali 18 sia tale da ottenere un efficace effetto catalitico e quindi la voluta reazione ossidativa, pur avendo un adeguato tiraggio della canna fumaria cui il dispositivo 10 è associato, con un valore di pressione garantito a valle del dispositivo 10, vantaggiosamente di circa 12 Pa per le stufe di cui si discute. The catalyst body 14 is dimensioned, in particular as regards height and diameter, in such a way that the length of each channel 18 is such that, for a given range of application of flow rates of the combustion fumes typical of the stoves in question, the residence time of the fumes itself inside the channels 18 is such as to obtain an effective catalytic effect and therefore the desired oxidative reaction, despite having an adequate draft of the flue with which the device 10 is associated, with a guaranteed pressure value at downstream of the device 10, advantageously of about 12 Pa for the stoves under discussion.
In alcune forme di realizzazione, l'altezza del corpo catalizzatore 14 è compresa tra circa 30 e circa 90 mm, ad esempio circa 60 mm, mentre il suo diametro esterno è compreso tra circa 80 e circa 300 mm, ad esempio circa 236 mm. In some embodiments, the height of the catalyst body 14 is comprised between about 30 and about 90 mm, for example about 60 mm, while its external diameter is between about 80 and about 300 mm, for example about 236 mm.
II corpo catalizzatore 14 può essere alloggiato in una struttura portante 11, (fig. 2) di dimensioni adeguate e formata, nel caso di specie, da un tubo in metallo 12 di sagoma coniugata a quella del corpo catalizzatore 14, di spessore sottile, provvista di almeno due alette di aggancio 15 alla canna fumaria della stufa di cui si discute, come descritto ad esempio nelle citate domande UD2010A000183 e UD2010A000222, e di elementi di sostegno 16 sporgenti dalla superficie laterale del tubo 12 verso l'interno, su cui appoggia il corpo catalizzatore 14. The catalyst body 14 can be housed in a supporting structure 11, (fig. 2) of adequate size and formed, in this case, by a metal tube 12 with a shape matching that of the catalyst body 14, of thin thickness, provided of at least two hooking fins 15 to the flue of the stove in question, as described for example in the aforementioned applications UD2010A000183 and UD2010A000222, and of support elements 16 protruding from the lateral surface of the pipe 12 towards the inside, on which the catalyst body 14.
Tra il corpo catalizzatore 14 e la superficie interna del tubo 11 è posta una guarnizione 13 che ha la proprietà di espandersi con il calore. Between the catalyst body 14 and the internal surface of the tube 11 there is a gasket 13 which has the property of expanding with heat.
Nel caso di specie, il corpo catalizzatore 14 ha una struttura a nido d'ape di forma esterna a cilindro, con asse longitudinale X, ed è provvisto di un foro centrale 17 cui accoppiare un meccanismo di by-pass di una canna fumaria, come descritto ad esempio nelle citate domande UD2010A000183 e UD2010A000222. Tale foro centrale 17 è coassiale all'asse longitudinale X ed ha un diametro compreso tra 40 mm e 120 mm, preferibilmente tra 60 mm e 120 mm, ad esempio di 90 mm. I canali 18 formati dai fori passanti sono anch'essi longitudinali con asse parallelo all'asse longitudinale X, nel caso di specie a sezione quadrata, anche se potrebbero essere esagonali o di altra forma poligonale, oppure circolari o ellittici, e sono disposti secondo una matrice che copre tutta la superficie trasversale del corpo catalizzatore 14 stesso, realizzando la suddetta struttura a nido d'ape. Ad esempio, la sezione dei fori quadrati può avere dimensione del lato di 4 mm ed i fori possono essere separati da una parete circa spessa 1 mm. In the present case, the catalyst body 14 has a honeycomb structure with an external cylinder shape, with a longitudinal axis X, and is provided with a central hole 17 to which a by-pass mechanism of a flue can be coupled, such as described for example in the aforementioned applications UD2010A000183 and UD2010A000222. This central hole 17 is coaxial to the longitudinal axis X and has a diameter of between 40 mm and 120 mm, preferably between 60 mm and 120 mm, for example of 90 mm. The channels 18 formed by the through holes are also longitudinal with axis parallel to the longitudinal axis X, in this case with a square section, even if they could be hexagonal or other polygonal shape, or circular or elliptical, and are arranged according to a matrix covering the entire transverse surface of the catalyst body 14 itself, forming the aforementioned honeycomb structure. For example, the section of the square holes can have a side dimension of 4 mm and the holes can be separated by a wall about 1 mm thick.
Il primo strato 20 di γ-allumina è ottenuto depositando uno strato di α-allumina sulla struttura di base 19 in ceramica, che poi viene trattato termicamente per convertire Ι'α-allumina in γ-allumina. Il corpo catalizzatore 14 del presente trovato è adatto ad operare alle temperature di esercizio ottimali tra circa 250 °c e circa 500 °C (valori tipicamente raggiungibili nella combustione di legna) e, grazie alla sinergia tra il materiale di cui è realizzato e la geometria dei fori passanti di cui sopra, è in grado di ossidare sostanzialmente la maggior parte delle sostanze ossidabili che tratta presenti nei fumi, nell'intervallo di portate dei fumi per cui il corpo catalizzatore 14 è dimensionato e con percentuali di ossigeno in eccesso alla combustione dell '8% The first layer 20 of γ-alumina is obtained by depositing a layer of α-alumina on the base structure 19 in ceramic, which is then heat treated to convert Ι'α-alumina into γ-alumina. The catalyst body 14 of the present invention is suitable for operating at optimal operating temperatures between about 250 ° C and about 500 ° C (values typically achievable in the combustion of wood) and, thanks to the synergy between the material of which it is made and the geometry of the through holes mentioned above, is able to substantially oxidize most of the oxidizable substances that it treats present in the fumes, in the range of flow rates of the fumes for which the catalyst body 14 is sized and with percentages of oxygen in excess upon combustion of the 8%
In particolare, nei fumi di scarico che transitano nel dispositivo 10 del presente trovato è tipicamente presente ossigeno 02, che si lega al metallo nobile del secondo strato 21 aumentando l'effetto ossidativo, C02che transita senza reagire, VOC, TOC e CO che sono ossidati a C02, e NOxe SOxche sono a loro volta ossidati . In particular, oxygen 02 is typically present in the exhaust fumes passing through the device 10 of the present invention, which binds to the noble metal of the second layer 21 increasing the oxidative effect, CO2 which passes without reacting, VOC, TOC and CO which are oxidized to C02, and NOx and SOx which are in turn oxidized.
Inoltre, alla temperatura operativa di cui si discute il carbonio C prodotto viene combusto ed eliminato come cenere . Furthermore, at the operating temperature under discussion, the carbon C produced is combusted and eliminated as ash.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| IT000023A ITUD20110023A1 (en) | 2011-02-18 | 2011-02-18 | CATALYTIC TREATMENT DEVICE OF COMBUSTION FUMES FOR A BIOMASS STOVE, PARTICULARLY IN WOOD |
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ID=43976529
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| IT (1) | ITUD20110023A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP0037281A2 (en) * | 1980-04-02 | 1981-10-07 | Corning Glass Works | Solid fuel burning stove and catalytic converter |
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-
2011
- 2011-02-18 IT IT000023A patent/ITUD20110023A1/en unknown
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