Il trattamento delle emissioni in atmosfera

I sistemi di trattamento delle emissioni industriali servono per evitare l'immissione nell'ambiente di sostanze inquinanti io pericolose nell'aria circostante.

Si dividono in tre categorie:

  • Interventi sul processo e/o sull'impianto: viene valutata una modifica delle materie, degli impianti e dei processi per ridurre le emissioni. E' il più incentivato dato il costo elevato degli interventi a valle (end-of-pipe).
  • Tecniche di captazione: il flusso di gas inquinato viene convogliato ad un sistema di trattamento. Occorre sempre valutare il rapporto tra la quantità di inquinante catturato e il volume d'aria preso insieme ad esso: più è grande questo rapporto, migliore è la captazione.

  • Interventi end-of-pipe: sono sistemi che trattano il gas prima che venga immesso nell'atmosfera. Possono essere fisici, chimici, chimico-fisici, termici e biologici.

Interventi end-of-pipe (fisici)

Condensazione: in un condensatore entra un flusso di aria e di inquinante organico. La bassa temperatura permette la condensazione della sostanza organica che fuoriesce separata dall'aria. Più la concentrazione di inquinante è elevata, maggiore è l'efficienza e il recupero della sostanza organica.

Sistemi di depolverazione

  • Lavaggio con acqua: ingresso: aria + polveri, uscita: aria, acqua + polveri.

  • Ciclone: sfrutta la forza centrifuga, costa poco, va bene per flussi ad alte temperature, consuma poco ma il rendimento decresce con il diminuire del diametro delle particelle: in poche parole non separa i fini!
  • Filtri a tessuto: filtrano le particelle solide. Il vero effetto filtrante è dato però dai granelli di polvere che si depositano sul filtro. Sono ottimi filtri ma per le particelle fini ma dopo un po' le sovrappressioni diventano elevate e quindi il loro rendimento decresce. Oltretutto non resistono alle alte temperature (non vanno bene per temperature di solito maggiori di 200 °C) e quindi spesso si ricorre ad un misuratore di temperatura a monte del filtro che uno sfiato con acqua nebulizzata o un ventilatore. Per rilevare un'eventuale manica bucata si può mettere un misuratore di pressione (anche se serve principalmente per capire se le maniche si stanno intasando) oppure un torbidimetro a valle del filtro.

  • Separatori elettrostatici: sono basati sul fatto che una forte differenza di pressione tra un conduttore (filo) e un cilindro genera un moto delle particelle polverose verso il collettore. Ha un forte costo energetico ed è valido per grandi scale di dimensioni delle particelle.

  • Separatore ad umido (per polveri): un flusso di acqua nebulizzata viene mandata dentro un serbatoio in cui viene fatto defluire anche il flusso di aria e polvere. Questo sistema genera però un flusso grande di acque di scarico.
  • Separatore Venturi: l'acqua di lavaggio viene spruzzata in un restringimento del tubo per aumentare le probabilità che la particella d'acqua intercetti quella di polvere. Anche questo sistema genera delle acque di scarico.

Interventi end-of-pipe (chimico-fisici)

Asdorbimento su colonna a carbone attivo: è un metodo valido per gli inquinanti organici e per le diossine. A basse temperature l'equilibrio è spostato verso il carbone ed ad alte temperature il carbone attivo può bruciarsi. Non è facile capire quando la colonna ha esaurito la sua capacità di fissazione, pertanto spesso occorre campionare la corrente di uscita per valutare la sua saturazione.

Carbone in polvere e filtro a tessuto: si usa per rimuovere il mercurio negli inceneritori urbani. Il carbone in polvere viene dosato direttamente sulla corrente di gas da trattare prima di passare attraverso un filtro a tessuto.

Interventi end-of-pipe (chimici)

Neutralizzazione a secco, a umido, a semisecco: si aggiunge un agente neutralizzante per gli acidi e per le basi.

Rimozione SO2 -> aggiunta di Ca(OH)2, Na(OH)

Rimozione NH3 -> aggiunta di H2SO4

Rimozione HCl -> aggiunta di Ca(OH)2, Na(OH), CaCO3

Dosando calce idrata si hanno le seguenti reazioni:

Ca (OH)2 + 2 HCl -> Ca Cl2 + 2 H2O

Ca (OH)2 + 2 HF -> Ca F2 + 2 H2O

Ca (OH)2 + SO2 -> Ca SO3 + H2O

Ca (OH)2 + SO3 -> Ca SO4 + H2O

Tra i precipitati si ritrovano anche CaCO3 e Ca (OH)2 residuo, visto che sono normalmente utilizzati eccessi del 200-400 % rispetto alle quantità stechiometriche. Proprio questi precipitati, assieme a quelli salini sopracitati, determinano fenomeni di chemi-adsorbimento dei vari gas acidi, aumentando quindi l'efficienza del processo.

Questi sistemi devono operare a temperature massime di 200 °C e poiché costituiscono di norma il primo stadio di trattamento dopo il recupero di energia in caldaia, essi richiedono un pre-raffreddamento dei fumi mediante l'iniezione di acqua.

Si e' anche osservato che a minori temperature corrisponde una maggiore resa di rimozione dei gas acidi a causa degli effetti sui fenomeni di chemi-adsorbimento. In particolare risultano ottimali temperature inferiori a 130-140 °C che consentono rese superiori al 98% (per HCl, HF, SOx) con dosaggio stechiometrico di calce.

I reagenti vanno scelti il base ai seguenti criteri:

  • efficacia reagente;
  • formazione di sottoprodotti;
  • costo del reagente;
  • problemi impiantistici coinvolti.

Ad esempio si consideri la rimozione di SO2. Scegliendo tra NaOH (liquido) o Ca(OH)2 (solido) si possono avere i due schemi seguenti:

Na2SO4 può essere rigenerato aggiungendo una base, ma NaOH costa di più mentre CaO è presente in maniera abbondante in natura ma è irrecuperabile. Quindi bisognerà valutare attentamente quale dei due reagenti è meglio, sia in termini di efficacia, sia in termini di costo.

Generalmente vengono impiegati sistemi a secco, a umido (vantaggio dal punto di vista cinetico, ma alla lunga possono dare problemi di corrosione) e a semi-secco (vedi figura).

In questo caso il calore ceduto dal flusso di ingresso fa evaporare l'acqua.

Ossidazione: si usa per le sostanze organiche non solubili in acqua, quindi al posto del lavaggio si fa l'ossidazione mediante l'immissione di ipoclorito di sodio.

Rimozione dei nitrati: si immette dell'ammoniaca dei flussi di gas. Possono avvenire due tipi di reazioni:

NOx + NH3 -> ?N2 + H2O (reazione desiderata)

O2 + NH3 -> NOx (reazione indesiderata)

Ciascuna reazione avrà una sua efficienza in funzione della temperatura:

Quindi bisognerà operare nel range degli 800-900 °C, eliminando il 40-50% di NOx.

L'abbattimento dei nitrati segue le seguenti reazioni:

4 NO + 4 NH3 + O2 ->? 4 N2 + 6 H2O

2 NO2 + 4 NH3 -> 3 N2 + 6 H2O

Generalmente si usa un eccesso di reagente del 10 – 15 %.

Per effettuare la rimozione dei nitrati a temperature più basse si può fare una rimozione catalitica (mediante un catalizzatore) tramite ammoniaca: l'effetto è quello illustrato nella figura successiva e si rimuovono circa il 70-80% degli ossidi di azoto.

Un possibile schema di questo sistema è la SCR (selettivity cathalitic rimotion):

L'ammoniaca può anche venire immessa nella camera di combustione, quindi il catalizzatore e i sistemi di raffreddamento e riscaldamento sono inesistenti (SNCR, selettivity non cathalitic rimotion).

Interventi end-of-pipe (termici)

la reazione che avviene è la seguente: R + O2 ->? CO2 , ma occorre prestare attenzione alle alte temperature a causa della formazione di NOx. La curva di distruzione dell'inquinante organico R è la seguente:

Questa reazione è esotermica, ma date le piccole quantità di inquinanti presenti nel flusso d'aria, sovente si favorisce la combustione con un combustibile secondario.

Il flusso caldo di gas uscente può servire per un eventuale recupero di energia. Si può costruire una caldaia nuova e prendere aria dall'esterno o utilizzarne una già esistente, ma bisogna valutare gli eventuali problemi impiantistici. Altrimenti si può pensare all'utillizzo di un sistema a torcia.

Sistema a recupero energetico: le sostanze organiche vengono bruciate mediante l'ausilio di combustibile secondario (metano) in quanto la concentrazione di combustibile organico è solitamente limitata. Il flusso aeriforme in uscita viene poi mandato al recupero energetico.

Interventi end-of-pipe (biologici)

Si usano sistemi di biofiltrazione per rimuovere le sostanze organiche. Sono dei filtri a biomassa adesa (acqua e microrganismi) che fissano a sé le particelle di inquinante organico. Il sistema deve essere umido affinché avvenga la reazione biologica.