Controllo ed abbattimento delle emissioni di gas inquinanti

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Lino Grande
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1 Controllo ed abbattimento delle emissioni di gas inquinanti

2 CONSUMO DI ENERGIA In media 2 kw per essere umano 10 kw USA (5% della popolazione mondiale usa il 25 % dell energia) 5 kw Europa < 1kW resto del mondo (p.e. In India 0.2 kw)

3 1 Mtoe = 1 milione di tonnelate di petrolio equivalenti = 42 GJ di energia

4 OSSIDI DI ZOLFO Lo zolfo S si trova in natura essenzialmente come solfato (anidrite, CaSO 4 ). Tutti i combustibili contengono zolfo: Petrolio: % Benzina: pochissimo zolfo Carbone: % Gas naturale: fino al 40% di H 2 S Emissioni naturali: CH 3 SCH 3 DMS dimetilsolfuro H 2 S acido solfidrico

1-3 % Benzina: pochissimo zolfo Carbone: 0.

5 Effetti dell inquinamento da SOx Formazione di particolato Piogge acide Problemi respiratori

6 STRATEGIE PER L ABBATTIMENTO DELLE EMISSIONI DI ZOLFO 1. Consumare meno energia! 2. Sostituzione del combustibile gas naturale versus carbone benzina versus gasolio 3. Purificazione del combustibile parte di S è intrappolato sotto forma di «inclusioni» in minerali del carbone (pirite). polverizzazione prima della combustione e separazione per differente densità abbattimento fino al 80% di S (in media 40%)

Purificazione del combustibile parte di S è intrappolato sotto forma di «inclusioni» in minerali del

7 4. Desulfurazione dei gas combusti (Flue Gas Desulphuration, FGD) Nelle centrali termoelettriche (sistemi a letto fluidizzato) Calcare poverizzato viene mescolato con acqua e quindi immesso nella camera di combustione, in sospensione con un getto di aria compressa. CaCO 3 + SO 2 + ½ O 2 + H 2 O CaSO 4 H 2 O + CO 2 In alternativa si può utilizzare calce spenta per ottenere solfito di calcio CaO + SO 2 + ½ H 2 O CaSO 3 ½H 2 O

combustione, in sospensione con un getto di aria compressa.

8 5. Reazioni acido-base a. Produzione di acido solforico SO 2 + H 2 O + ½ O 2 H 2 SO 4 Impianti vicino al mare: di solito scarico nelle acque marine! Arrostimento dei metalli pregiati (Ni, Cu) 2 NiS + 3 O 2 2NiO + 2 SO 2 CuFeS 2 + 5/2 O 2 Cu + FeO + 2SO 2 Elevata produzione di SO 2 e di H 2 SO 4

9 b. Tecniche di scrubbing (lavaggio) Se si aggiunge un reattivo chimico che consuma uno dei prodotti si favorisce il passaggio di SO 2 in acqua o in miscele fangose adatte. Esempio: Na 2 CO 3 +SO 2 Na 2 SO 3 + CO 2 (nello scrubber) Na 2 SO 3 + CaCO O 2 CaSO 4 + Na 2 CO 3 (nella camera di sostegno) 2NaOH + SO O 2 Na 2 SO 4 + H 2 O (interferenza di CO 2 )

Esempio: Na 2 CO 3 +SO 2 Na 2 SO 3 + CO 2 (nello scrubber) Na 2 SO 3 + CaCO 3 + 0.

10 6. reazione di Claus: 2 H 2 S + SO 2 3S + 2H 2 O L industria petrolifera emette nell aria il biossido di zolfo direttamente come SO 2 o in direttamente come H 2 S nelle operazioni di raffinazione del petrolio o di ripulitura del gas naturale.

direttamente come SO 2 o in direttamente come H 2 S nelle

11 Abbattimento di SOx e di particolato Precipitatore elettrostatico

12 EU entro il 2010 raggiungere le 4 Mt di biossido di zolfo Cina 50 Mt nel 2020

13 OSSIDI DI AZOTO Una grande quantità di NOx (circa il 50%) viene emessa in atmosfera dalle centrali per la produzione di energia elettrica. Il resto dal traffico veicolare e dalle combustioni in genere. cinetica O+N 2 NO+N N+O 2 NO+O Meccanismo termico (Zeldovitch) termodinamica O 2 +N 2 2NO Processo endotermico

Il resto dal traffico veicolare e dalle combustioni in genere.

14 Effetti dell inquinamento da NOx Smog fotochimico (ozono, aldeidi, PAN,...) Piogge acide Problemi respiratori Ipertrofizzazione delle acque

15 STRATEGIE PER L ABBATTIMENTO DELLE EMISSIONI DI OSSIDI DI AZOTO 1. Consumare meno energia! 2. Combustibili a basso tenore di azoto (poco efficace) 3. Rapporto aria/combustibile (energeticamente sfavorevole) 4. Camere di combustione a stadi di temperatura variabile Reburning Flue Gas Recirculation

Combustibili a basso tenore di azoto (poco efficace) 3.

16 5. Bruciatori a bassa produzione di NOx 6. Uso di enormi convertitori catalitici (Europa, Giappone) 7. Denitrificazione dei gas combusti (denox) Uso di ammoniaca NH 3 (o di urea) a temperature ºC 4NH NO + O 2 4 N H 2 O Oppure uso di temperature piu basse ( ºC) e catalizzatori Efficace ma costoso e necessario controllo accurato! NH 3 + 3/4 O 2 NO + 3/2 H 2 O

Denitrificazione dei gas combusti (denox) Uso di ammoniaca NH 3 (o di urea) a temperature

17 OSSIDI DI CARBONIO Nella normale combustione del carbonio si possono formare biossido di carbonio (anidride carbonica, CO 2 ) oppure monossido di carbonio CO, a seconda che si operi in eccesso o in difetto di aria. C+ ½ O 2 CO C + O 2 CO 2 CO e un gas incolore, inodore ed altamente tossico. Ad alte temperature si ottiene quasi sempre l esclusiva formazione di CO (essenzialmente nella combustione dei motori degli autoveicoli). C + CO 2 2CO CO si puo comunque essere successivamente ossidato a CO 2

C+ ½ O 2 CO C + O 2 CO 2 CO e un gas incolore, inodore ed altamente tossico.

18 VOC (Composti Organici Volatili) Quei composti organici che in condizioni STD hanno una pressione di vapore superiore a atm. Tipicamente sono idrocarburi leggeri che possono anche contenere anche atomi di N,O ed S. (etilene, propilene, butano, CFC, aldeidi, alcool,.. ) Contribuiscono allo smog fotochimico Contribuiscono al riscaldamento globale (assorbimento IR) Alcuni sono cancerogeni altri tossici. Vengono emessi tipicamente da fonti piccole: automobili, vernici, solventi, pesticidi, combustioni,. I VOC naturali sono legati alla attività biochimica delle piante: metano, DMS, etilene, isoprene, terpeni.

. ) Contribuiscono allo smog fotochimico Contribuiscono al riscaldamento globale (assorbimento IR) Alcuni sono cancerogeni altri tossici.

19 IPA (Idrocarburi Policiclici Aromatici) Due o più anelli benzenici uniti fra loro, in un unica struttura piana, attraverso coppie di atomi di carbonio condivisi fra anelli adiacenti naftalene antracene Benzo[a]pirene Effetti: Lipofilici (biomagnificazione) Molto cancerogeni Fonti: Combustione, asfalti, effluenti domestici, aerosol da combustione, fumo da tabacco

adiacenti naftalene antracene Benzo[a]pirene Effetti: Lipofilici (biomagnificazione) Molto

20 TRAFFICO VEICOLARE La maggiore fonte d'inquinamento atmosferico nei centri urbani (inquinamento atmosferico urbano) è costituita dal traffico veicolare, mentre in misura minore contribuiscono il riscaldamento degli insediamenti civili e le emissioni delle zone industriali. La combustione di idrocarburi produce: H 2 O e CO 2 ma anche: VOC, CO, NO NO 2, NO 3, SO SO 2, SO 3, particolato

il riscaldamento degli insediamenti civili e le emissioni delle zone industriali.

21 NORMATIVA EUROPEA Euro 1: obbligo della marmitta catalitica ed alimentazione ad iniezione Euro 2: maggiore riduzione delle emissioni inquinanti anche per i motori diesel Euro 3: installazione del sistema Eobd (European on Board Diagnostic) Euro 4: ulteriore riduzione delle emissioni inquinanti Euro 5: abbattimento del 80% del particolato

25 TRATTAMENTO POST-COMBUSTIONE Reazioni per distruggere gas di scarico inquinanti: 2 CO + O 2 2 CO 2 C x H y + a O 2 b CO 2 + c H 2 O 2 NO O 2 + N 2 2 NO 2 2 O 2 + N 2 Sono reazioni spontanee, ma molto lente. Per renderle veloci occorre un catalizzatore.

26 composti organici volatili, ossidi d azoto, d CO marmitta catalitica H 2 O, N 2, CO 2

27 Marmitta Catalitica

28 Platino (ottimo catalizzatore per le ossidazioni) Rodio (ottimo catalizzatore per le riduzioni) Al 2 O 3

29 Covertitore a tre stadi (2 camere) Camera di riduzione Camera di ossidazione H 2 O + VOC O 2 + H 2 2H 2 + 2NO N H 2 O 2 CO + O 2 CO 2 VOC + O 2 CO 2 +H 2 O Catalizzatore: Rh Catalizzatore: Pt/Pd motore aria (O 2 ) addizionale atmosfera Si possono utilizzare anche catalizzatori meno costosi come Cu o Cr. A temperatura operativa si eliminano 80-90% degli inquinanti. A basse T o in corrispondenza di improvvise accelerazioni e decelerazioni il convertitore non opera efficacemente. Attenzione il Pb avvelena il catalizzatore. E sufficiente 1 pieno con benzina rossa per ridurre drasticamente l efficienza dei processi. Il 50% dell inquinamento attuale deriva da catalizzatori malfunzionanti!

30 Nei catalizzatori moderni a 3 stadi si usa una sola camera dove avvengono sia riduzioni che ossidazioni. Ciò è efficace solo per un preciso rapporto combustibile/aria che deve essere continuamente monitorato (ed eventualmente corretto) da un microchip.

31 Per i motori diesel le marmitte catalitiche sono molto meno efficaci a causa dell elevato contenuto di zolfo nel combustibile e di ossigeno nelle camere di combustione. Una eccessiva ossidazione dello zolfo porta alla formazione di SOLFATI (particolato solido) che depositandosi sul catalizzatore lo inibisce. Le prime marmitte catalitiche per motori diesel lavorano al 50% della loro capacità. In condizioni di bassa ossidazione è molto difficile eliminare contemporaneamente VOC, polveri sottili e NOx

32 Difficile ridurre contemporaneamente PM e NOx!

37 Il problema dei rifiuti solidi 108 milioni di tonnellate di rifiuti prodotti ogni anno in Italia, di cui circa 30 di origine urbana. 80% conferito in discarica 7% smaltito per mezzo di inceneritori (con e senza recupero energetico) 13% recuperato attraverso la raccolta differenziata. Gli inceneritori o termodistruttori sono impianti di smaltimento di rifiuti che bruciandoli ne riducono il peso ed il volume.

38 Principali effluenti gassosi inorganici generati nel trattamento termico dei rifiuti Reazioni ad alta temperatura (~900 ºC) con ossigeno Carbonio, C particolato e ossidi di carbonio (CO, anidride carbonica CO 2 ) Idrogeno, H acqua, H 2 O Azoto, N ossidi di azoto, NO x Fosforo, P ossidi di fosforo, P 4 O 10 Zolfo, S ossidi di zolfo, SO x Principali effluenti gassosi organici: composti organici del cloro (diossine, furani, PCB - policlorobifenili), IPA (idrocarburi policiclici aromatici), VOC

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