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Combustione catalitica su sistemi perovskitici strutturati

Il processo di combustione catalitica si inserisce nell’ambito della riduzione dell’inquinamento atmosferico, attraverso le applicazioni ampiamente diffuse per la rimozione di agenti inquinanti incombusti dai gas di scarico delle autovetture (marmitte catalitiche a tre vie), e dei composti organici volatili (VOC) da correnti industriali. In questi casi si tratta di sistemi di controllo secondario dell’inquinamento atmosferico, dato che sono posti a valle della produzione dei composti indesiderati. D’altronde negli ultimi anni, hanno riscosso un crescente interesse quelle applicazioni della combustione catalitica che mirano all’utilizzo pulito ed efficiente di vari combustibili (ed in particolare il metano) per la produzione diretta di calore ed energia elettrica. L’impiego di turbine a gas alimentate con gas naturale è in forte crescita in seguito agli sviluppi tecnologici che hanno consentito di incrementarne l’efficienza fino a valori prossimi al 60% in centrali a ciclo combinato: ulteriori vantaggi vengono dalla possibile cogenerazione di vapore, dalla forte modularità, e da costi e tempi di installazione per Kilowatt più bassi rispetto ad altri tipi di impianti. Parallelamente si è verificato un progressivo inseverimento della normativa sulle emissioni. Lo studio effettuato durante il Dottorato di Ricerca è stato concentrato sui sistemi catalitici di combustione a base di ossidi con struttura perovskitica, in virtù delle proprietà intermedie di attività catalitica e stabilità termica di questi materiali, a metà strada tra i metalli nobili e gli esaalluminati. Il lavoro di ricerca è stato dunque indirizzato al tentativo di estendere l’intervallo di utilizzo di questi catalizzatori, sia verso temperature più basse che più elevate, necessarie per lo sviluppo di sistemi efficaci nella combustione del metano. Nelle tre sezioni in cui si articola la presente tesi di Dottorato vengono affrontati ciascuno degli argomenti principali della ricerca effettuata, secondo una progressione logica e temporale che, partendo dallo studio fondamentale su fasi attive a base di perovskiti massive, passa poi attraverso la loro dispersione su supporti ad alta stabilità ed area superficiale in forma di polveri, per concludersi nell’applicazione pratica dei nuovi catalizzatori su sistemi monolitici strutturati per la combustione catalitica del metano ad alta temperatura.

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17 Combustore Catalitico Parziale La combustione catalitica parziale è la soluzione proposta tra gli altri da Catalytica, Engelhard e Johnson – Mattey [Dalla Betta et al., 1995]. L’idea è anche in questo caso quella di alimentare tutto il combustibile al catalizzatore ma di ossidarne solo una parte. La combustione prosegue e si completa poi autonomamente in fase omogenea, visto che la corrente gassosa, preriscaldatasi fino a 800-900°C nel passaggio attraverso il catalizzatore monolitico, si trova ora all’interno dei limiti di infiammabilità. Spostare lontano dal catalizzatore la zona in cui la corrente gassosa raggiunge la sua temperatura finale (e quindi limitare la conversione sul catalizzatore) non basta a impedire che il monolito si porti alla temperatura adiabatica di fiamma della miscela alimentata, a causa dell’analogia tra trasporto di calore e materia in condizioni di regime diffusivo esterno. Per questo motivo si deve ricorrere ad ulteriori sistemi atti a impedire che la temperatura del catalizzatore (di alta attività specifica) superi la soglia degli 800-900°C. Apparentemente questo controllo è realizzato in due modi concomitanti: (1) controllo dell’attività catalitica del palladio attraverso trasformazioni chimiche reversibili; (2) scambio termico [Zwinkels et al., 1998]. La transizione reversibile tra PdO e Pd metallico, che avviene spontaneamente a temperature superiori a 700°C e dipendenti della pressione e concentrazione di ossigeno, è sfruttata per regolare l’attività del catalizzatore: quando la temperatura inizia a divenire eccessiva, il passaggio ad una fase meno attiva (quella metallica) consente di arrestarne la crescita, funzionando quindi come un interruttore. Allo stesso tempo il reattore monolitico viene esercito in modo multifunzionale, non ricoprendo tutti i canali di fase attiva, ma realizzando una deposizione alternata. I canali vuoti servono da scambiatori di calore: preriscaldano la corrente gassosa che by-passa lo stadio catalitico e contemporaneamente sottraggono calore ai canali adiacenti in cui avvengono le reazioni di superficie, aiutando a controllare la temperatura del monolito al di sotto dei limiti consentiti. Affinché lo scambio termico radiale tra canali adiacenti sia efficace è necessaria una buona conducibilità termica del supporto, per cui sono favoriti i monoliti a base di leghe metalliche. Anche nei canali in cui è presente il rivestimento di fase attiva si provvede a realizzare un gradiente assiale di concentrazione di catalizzatore sempre con l’intento di mitigare la velocità di reazione ed anche di favorire la transizione alle reazioni in fase omogenea. Seguendo questo approccio Catalytica ha recentemente portato ad uno stadio di sviluppo pre- commerciale una tecnologia di combustione catalitica denominanta XONON. Presso la centrale termoelettrica di Santa Clara in California una turbina Kawasaki da 1.5 MWe equipaggiata con tale tecnologia sta operando da oltre 4000 h in condizioni reali di esercizio.

Tesi di Dottorato

Dipartimento: Ingegneria Chimica

Autore: Stefano Cimino Contatta »

Composta da 182 pagine.

 

Questa tesi ha raggiunto 2716 click dal 20/03/2004.

 

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Disponibile in PDF, la consultazione è esclusivamente in formato digitale.