L abbattimento degli NOx nei termovalorizzatori

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1 64-68_TER_apr_tomei:TER_apr_gaetani :35 Pagina 64 di G. Tomei L abbattimento degli NOx nei termovalorizzatori Metodo diretto o metodo catalitico? a presente memoria ha l obiettivo di presentare un confronto tra le L 2 tecnologie attualmente più diffuse per l abbattimento degli ossidi di azoto nell ambito degli impianti di, quella SNCR e quella SCR. La tecnologia SNCR (Selective Non Catalitic Reduction) è stata utilizzata storicamente per prima nei termovalorizzatori a causa delle sue caratteristiche più favorevoli in termini di semplicità e basso costo di installazione. Questo sistema perviene al - l abbattimento degli NOx per mezzo di una reazione in fase gassosa tra radicali ammonici ed ossidi di azoto che conduce alla formazione di N2 ed acqua secondo la reazione NH 2 + NO N 2 + H 2 O Parte prima in assenza di qualsiasi catalizzatore. Ulteriori fattori che caratterizzano la reazione sono: - forte dipendenza dalla temperatura; - necessità della presenza di ossigeno. Questa reazione, in condizioni ideali di laboratorio quali: miscelamento perfetto dei reagenti, temperatura di C, tempo di permanenza maggiore di 0,5 s consente di raggiungere percentuali di abbattimento del contenuto di NO x interno del 90% (Figura 1) [1]. La tecnologia SCR (Selective Catalitic Reaction) è stata sviluppata successivamente per essere realizzata a temperature notevolmente inferiori ai C, tipicamente nell interno tra i 250 e i 350 C [4]. A questo scopo si fa uso di opportuni catalizzatori che consentono alla reazione di svilupparsi in modo completo, con percentuali di abbattimento che possono essere superiori al 90% anche a queste temperature relativamente basse rispetto alle condizioni ideali. Passando dalla situazione di laboratorio a quella tipica degli impianti di i risultati del processo cambiano in modo considerevole ed i vincoli per ottenere un esercizio corretto diventano numerosi ed assai differenti nel caso del processo SNCR rispetto a quello SCR. L esperienza Aster nell abbattimento degli NOx presenti nei fumi da termovalorizzatori ha consentito di seguire l evolversi della tecnologia in questo ultimo decennio. Dopo l impiego del sistema diretto con iniezione di urea in camera di combustione, negli ultimi anni si è passati al sistema catalitico con abbattimento a valle dei gruppi di filtrazione dei fumi mediante iniezione di ammoniaca. Questa tecnologia consente risultati migliori rispetto alla precedente, ma comporta nuovi rischi e diverse problematiche. La memoria analizza le differenze fondamentali sia dal punto di vista prestazionale sia dal punto di vista dei costi di esercizio tra i due sistemi e confronta i risultati del recente impianto realizzato per l ACSM di Como con i dati medi tipici di precedenti impianti di taglia similare operanti con tecnologia diretta. Viene anche analizzata la maggiore influenza che i parametri ambientali hanno sulle prestazioni dei sistemi catalitici e le modalità per cercare di valutarne gli effetti. Si precisa infine l impatto che gli scostamenti dalle condizioni di esercizio nominali possono avere sul rispetto delle garanzie contrattuali e la necessità di tenere conto di questi fattori nel corso dei collaudi prestazionali. Il processo SNCR nelle applicazioni reali sui termovalorizzatori Passando alla situazione impiantistica reale nel caso del sistema SN- CR ci troviamo di fronte a numerosi fattori che possono influenzare negativamente le prestazioni reali rispetto a quelle teoriche. In primo luogo si deve considerare il fatto che la zona dove le condizioni di temperatura e velocità dei fumi uscenti dalla camera di combustione del forno sono più favorevoli può essere inaccessibile per una serie di limitazioni di tipo costruttivo o progettuale. Ad esempio ci si potrebbe trovare troppo vicini al punto di installazione dei bruciatori di post-riscaldamento dei fumi, oppure in zone dove è ancora presente all interno la parete membranata, o ancora in zone dove non è materialmente possibile realizzare il necessario accesso dall esterno tramite passerelle per gli operatori che devono eseguire la manutenzione o FIGURA 1 - La tecnologia SNCR: limiti prestazionali Ing. Guglielmo Tomei, ex DT ASTER SpA, attualmente Zincar Srl. 64 La Termotecnica Aprile 2008

2 64-68_TER_apr_tomei:TER_apr_gaetani :35 Pagina 65 la sostituzione degli ugelli di iniezione. Un altro ostacolo può derivare dalla difficoltà ad ottenere un perfetto miscelamento tra il riducente iniettato ed il flusso di fumi contenente gli ossidi di azoto da abbattere. Per quanto si cerchi di ottimizzare il numero e la posizione dei punti di iniezione esistono sempre situazioni anomale di turbolenza e di percorsi preferenziali nel flusso dei fumi che rendono difficile il raggiungimento dell obiettivo di un perfetto miscelamento nei tempi di contatto relativamente brevi che si hanno a disposizione prima che le condizioni termiche dei fumi vengano alterate dall ingresso degli FIGURA 2 - La tecnologia SNCR in condizioni reali stessi nella caldaia a recupero posta immediatamente a valle del forno. Un terzo fattore di scostamento nella resa di abbattimento degli NO x è dato dal fatto che le condizioni di temperatura dei fumi e di concentrazione degli inquinanti variano continuamente nel corso dell esercizio. Nel caso dei termovalorizzatori è bensì vero che la temperatura minima dei fumi viene comunque mantenuta a valori superiori agli 850 C, tuttavia questa regolazione è basata essenzialmente sull intervento di bruciatori di emergenza che contribuiscono anch essi a modificare col loro intervento la portata e composizione dei fumi e le concentrazioni di inquinanti. Per meglio comprendere l effetto negativo causato dalle variazioni di concentrazione di NO x si tenga presente il fatto che la reazione di abbattimento avviene ad un ben definito rapporto stechiometrico normalizzato (RSN) cioè il rapporto tra la quantità di riducente iniettata e quella di ossidi di azoto presenti nei fumi. Nel caso dei sistemi SNCR il riducente utilizzato può essere l ammoniaca sia in forma anidra sia in soluzione acquosa o l urea in soluzione acquosa. Nel caso dell urea a parità di RSN il quantitativo richiesto in termini molari è la metà di quello di ammoniaca poiché l urea dispone di due radicali ammonici ognuno in grado di reagire con una molecola di NO x. Nell esercizio di un termovalorizzatore i parametri di portata massica, temperatura e concentrazione di NO x variano continuamente e con notevole rapidità. Per mantenere il tasso di abbattimento vicino ai valori ideali sarebbe necessario mantenere un valore di RSN sempre leggermente superiore al valore 1, tipicamente intorno a valori compresi tra 1,0 e 1,1 a parità di altre condizioni. Le variazioni dei parametri di esercizio dovrebbero quindi essere misurate in continuo ed influenzare la portata di reattivo immessa. Purtroppo l esecuzione di tali misure con buona precisione e adeguata rapidità risulta praticamente impossibile allo stato attuale della tecnologia per un sistema SNCR. Nella maggior parte dei casi l iniezione del reattivo è pertanto variata in base ai dati medi di contenuto di inquinante al camino e alla portata e temperatura dei fumi uscenti dal forno. A causa di ciò il valore di RSN varia continuamente tra i valori estremi di 0,6 e 2,0 [2]. La conseguenza di questa variabilità è quindi una significativa riduzione del tasso di abbattimento medio accompagnato da importanti punte nel tasso di fuga di ammoniaca al camino (Ammonia Slip), con rischio del superamento dei limiti di accettabilità per questo inquinante. Ancora due fattori sono da citare per giustificare il peggioramento dei valori del tasso di abbattimento rispetto alle condizioni di laboratorio. Si tratta di fattori spesso sottovalutati, ma che in determinate condizioni possono avere effetti non trascurabili. Il primo è la presenza di monossido di carbonio nei fumi, che ha effetti inibitori sulla reazione di abbattimento degli ossidi di azoto. Nel caso dei termovalorizzatori, che operano con elevati eccessi d aria e tenori di CO nei fumi generalmente inferiori a 50 mg/nm 3 questo fattore può essere influente solo in particolari condizioni transitorie (carichi bassi, bruciatori di post-combustione accesi ecc.). Il secondo fattore è invece potenzialmente più importante. Abbiamo infatti detto che l RSN viene in genere variato in modo automatico dalla regolazione, ma esiste la possibilità di modificarlo in qualsiasi momento da parte dell ope ratore. In molti casi l esperienza acquisita dal conduttore gli consentirebbe di eseguire interventi di ottimizzazione di tale parametro sulla base dell effettiva situazione di lavoro del forno (tipo di rifiuto bruciato, quantità di rifiuto immessa, stabilità di esercizio ecc.). Non sempre però questa possibilità è effettivamente utilizzata e questo conduce a penalizzazioni anche rilevanti nell ef - ficienza di abbattimento. Per termovalorizzatori alimentati con RSU il campo di prestazioni minime e massime effettivamente ottenibili è rappresentato nella Figura 2 [1]. Risulta evidente che i valori migliori non superano il limite del 60%. Si tratta di valori comunque buoni rispetto ad esempio a quelli raggiungibili nelle centrali termoelettriche a carbone polverizzato, dove le percentuali di abbattimento oscillano intorno al 40% [2], o alle centrali a biomassa legnosa dove si può raggiungere il 50% [1]. Tutti questi risultati sono compatibili con un valore di Ammonia Slip uguale o inferiore a 10 ppm. L esperienza diretta di Aster conferma queste prestazioni, che consentono il raggiungimento di concentrazioni medie giornaliere al camino comprese tra 130 mg/nm 3 e 150 mg/nm 3, con ammoniaca notevolmente inferiore a 10 mg/nm 3 (1-3 mg/nm 3 ). Un altro aspetto di notevole importanza da rilevare per la tecnologia SNCR è che tutte le prestazioni indicate sono sostanzialmente indipendenti dai dati ambientali esterni quali temperatura, pressione, umidità relativa ecc.). Dal punto di vista del processo il sistema SNCR ha due possibili alternative fondamentali: - Iniezione diretta di ammoniaca in forma gassosa; - Iniezione di soluzione acquosa di urea. La prima alternativa costituisce l approccio più semplice ed economico dal punto di vista del costo del reagente, ma richiede una maggiore complessità impiantistica per lo stoccaggio del prodotto e per il suo trasferimento al punto di iniezione. Inoltre minimizza i rischi di corrosione ai condotti ed agli iniettori. La seconda ha un maggior costo per il reagente, ma semplifica notevolmente il sistema di stoccaggio che avviene in forma liquida all interno di un normale serbatoio atmosferico. L iniezione avviene, dopo un opportuno preriscaldo, sotto forma di minute goccioline spruzzate direttamente nel flusso dei fumi tramite iniettori ad alta pressione. Il fatto di utilizzare il primo sistema o il secondo non ha nessuna influenza sulle prestazioni dal punto di vista chimico, tuttavia si introducono alcune maggiori difficoltà nel caso dell urea a garantire una distribuzione del reagente altrettanto uniforme rispetto all ammoniaca gassosa ed esiste una significativa esposizione alla corrosione a causa della maggiore aggressività chimica della soluzione ammoniacale in fase liquida rispetto a quella gassosa e del rischio che altri inquinanti presenti nei fumi quali acido cloridrico e anidride solforica vengano disciolti nella fase liquida e ne esaltino fortemente le capacità corrosive. Specialmente nel caso dei termovalorizzatori, questo comporta la necessità di maggiori precauzioni e di un attento studio nella scelta del numero degli ugelli e del loro posizionamento. La Termotecnica Aprile

3 64-68_TER_apr_tomei:TER_apr_gaetani :35 Pagina 66 Il sistema SCR nelle applicazioni a termovalorizzatori Questa tecnologia, nata in Giappone alla fine degli anni Settanta, ottiene la riduzione degli NO x tramite una reazione simile a quella del sistema SNCR. Tale reazione però avviene a temperature notevolmente inferiori ( C) grazie alla presenza di un catalizzatore a base di ossidi di vanadio e titanio. Grazie alle proprietà di questo catalizzatore la reazione avviene con abbattimenti praticamente pari al 90% teorico raggiungibile in laboratorio nelle condizioni ottimali di temperatura. Naturalmente questo comporta due sostanziali differenze in termini impiantistici: - La reazione deve avvenire all interno di un opportuno reattore contenente il materiale catalitico; - Il reattore non può essere installato a valle della camera di combustione, ma deve invece essere posto a valle della caldaia a recupero all interno della linea trattamento fumi. Risulta infatti evidente che l interazione tra inquinante e reagente deve avvenire in condizioni controllate e in presenza del catalizzatore. Si ha pertanto la seguente successione di passaggi: Abbattimento della temperatura dei fumi fino al valore ottimale per la reazione catalizzata; Depurazione dei fumi in modo da eliminare dagli stessi tutte le sostanze che possono danneggiare il catalizzatore o influenzarne comunque negativamente le prestazioni; Iniezione del reagente nei fumi in maniera da garantirne una concentrazione omogenea in tutto il volume ai valori stechiometrici richiesti per ottenere la riduzione del tenore di NO x compatibile col rispetto dei limiti di emissione al camino; Ingresso dei fumi contenenti il reagente nel reattore con attraversamento del catalizzatore e sviluppo della reazione di abbattimento dell inquinante; Uscita dei fumi depurati. Si comprende facilmente la complessità assai superiore dal punto di vista impiantistico che viene imposta al sistema dalla necessità di rispettare queste fasi successive. In primo luogo non può sfuggire la criticità che assume ai fini di un corretto esercizio il buon funzionamento del generatore di vapore a recupero posto a valle del forno. Si tratta di una macchina che è soggetta ad un graduale sporcamento dovuto alla presenza di sospensioni solide nei fumi che tendono progressivamente ad aumentare la temperatura di uscita dei fumi stessi nonostante l azione dei sistemi di contrasto, rendendo necessaria una periodica pulizia a caldaia ferma. Se la temperatura di progetto all uscita è pari a 250 C si deve tenere conto di questa evoluzione e prevedere che a caldaia perfettamente pulita il valore effettivo sia inferiore, ad esempio 200 C. In determinate fasi di esercizio esiste pertanto il rischio di un abbassamento della temperatura dei fumi al di sotto dei limiti accettabili per un buon funzionamento del sistema SCR. Per non trovarsi in questa situazione si deve disporre di un sistema di riscaldamento dei fumi che normalmente consiste in un bruciatore ausiliario posto sul condotto fumi immediatamente a monte del reattore. Oltre ad attivarsi quando in esercizio la temperatura fumi scende sotto al limite minimo questo bruciatore consente di eseguire la fase di preriscaldo lento del reattore in avviamento evitando l immissione brusca di fumi a temperatura elevata con rischio di danni al materiale catalizzante. Una ulteriore funzione del bruciatore ausiliario è la sopraelevazione della temperatura durante la rigenerazione del catalizzatore. Per una serie di ragioni che saranno meglio evidenziate in seguito, durante l esercizio avviene infatti un progressivo degrado delle prestazioni del reattore rispetto ai valori iniziali sia in termini di minore capacità di abbattimento sia in termini di aumento delle perdite di carico. Per ripristinare le condizioni iniziali di efficienza è necessario ricorrere alla procedura di rigenerazione, che consiste nel fare attraversare il reattore da fumi a temperatura molto più alta di quella prevista nelle condizioni nominali di esercizio. Anche questa operazione può essere realizzata ricorrendo al bruciatore ausiliario che deve quindi essere dimensionato per condizioni di lavoro molto diverse, tutte assai importanti nell economia ed affidabilità dell impianto. Il successivo problema attinente la tecnologia SCR è la necessità di assicurare una adeguata protezione al reattore dall attacco degli elementi aggressivi contenuti nei fumi provenienti dalla camera di combustione del termovalorizzatore. I principali inquinanti pericolosi per l SCR sono senza dubbio gli SO x tra i quali in particolare l SO 3. Anche se nei termovalorizzatori questi composti non sono in genere presenti in quantità elevate (meno di 100 mg/nm 3 ) essi però possono avere picchi anche assai spinti quando si bruciano rifiuti particolari quali ad esempio i pneumatici. Si verifica quindi una reazione che può essere così schematizzata: NH 3 +H 2 O+SO 3 NH 4 HSO 4 Questa reazione genera la precipitazione di solfato d ammonio quando la temperatura nel reattore è inferiore al punto di rugiada. Trattandosi di un liquido alquanto viscoso si ha una progressiva occlusione dei pori del catalizzatore ed un inevitabile decadimento delle prestazioni. Inoltre le perdite di carico aumentano progressivamente anche se in modo meno rapido della disattivazione del materiale catalitico. Per minimizzare questo fenomeno si devono quindi contenere gli SO x al di sotto di un limite massimo di mg/nm 3 tramite l iniezione di opportuni reattivi quali l idrato di Calcio o il bicarbonato di Sodio, gli stessi che vengono utilizzati anche per l abbat - timento dell altro principale inquinante presente nei fumi dei termovalorizzatori e cioè l acido cloridrico. Naturalmente anche con concentrazioni ridotte di SO x si verifica un progressivo degrado delle prestazioni e questo comporta dopo un certo tempo di dover procedere alla rigenerazione, come accennato in precedenza, con progressiva rievaporazione del solfato di ammonio depositatosi. Poiché la reazione di produzione del solfato di ammonio è esaltata dalla presenza di concentrazioni elevate di ammoniaca si deve operare il sistema SCR tenendo un rapporto stechiometrico tra ammoniaca iniettata ed NO x nei fumi inferiore all unità. Per questa ragione il valore tipico di RSN in questi impianti è intorno allo 0,9, quindi decisamente inferiore a quello dei sistemi SNCR. Un altro inquinante che può creare problemi prestazionali è proprio un composto appartenente al gruppo degli NO x vale a dire l NO 2. La reazione tra questo inquinante e l ammoniaca può portare infatti in condizioni di bassa temperatura alla formazione di nitrato d ammonio che precipita in forma solida. Quando la temperatura aumenta nuovamente il nitrato d ammonio sublimerà, ma esiste il rischio che per temperature ancora più alte avvenga la decomposizione esotermica del nitrato con brusco aumento del tenore di NO 2 nei fumi. Un altro effetto negativo della presenza elevata di NO 2 rispetto agli altri NO x è la diminuzione di attività del catalizzatore se il rapporto NO 2 / NO x supera il valore 0,5. In genere per i termovalorizzatori questo è però un caso alquanto raro. L ultimo rischio per il reattore SCR è quello dovuto alla presenza di polveri nei fumi in ingresso. Valori di polverosità anche poco superiori ai 10 mg/nm 3 possono creare col tempo problemi di intasamento, specialmente se la polvere non è perfettamente secca e se la granulometria è inferiore ai 5 micron. Questa limitazione è probabilmente la più stringente dal punto di vista impiantistico perché richiede che l installazione del reattore avvenga a valle di un filtro a maniche che elimini praticamente tutte le sospensioni presenti nei fumi. 66 La Termotecnica Aprile 2008

4 64-68_TER_apr_tomei:TER_apr_gaetani :35 Pagina 67 Inoltre, poiché è sempre possibile una lacerazione delle maniche del filtro durante l esercizio, il reattore deve essere protetto dal rischio di un improvviso afflusso di fumi altamente polverosi con l installazione di un filtro temporaneo sull ingresso in grado di reggere per almeno 30 minuti prima di arrivare al totale intasamento. Naturalmente deve anche essere previsto a valle del filtro a maniche un sensore di polverosità che consenta di segnalare rapidamente l avaria del filtro isolando la cella dove si trova la manica lacerata. Possiamo quindi dire che la tecnologia SCR applicata ai termovalorizzatori consente di ottenere ottime prestazioni in termini di abbattimento degli NO x con consumi di reattivo a parità di prestazioni alquanto ridotti rispetto al sistema SNCR. Il suo utilizzo tuttavia comporta sicuramente un notevole investimento dovuto non solo al reattore, che già di per sé incide pesantemente in modo aggiuntivo sui costi, ma anche alla necessità di disporre del filtro a maniche. Tale filtro non solo aumenta la complessità impiantistica, ma anche impone una severa limitazione alle temperature ammissibili per i fumi che lo attraversano. Come noto infatti il costo e la durata delle maniche filtranti sono rispettivamente proporzionali in modo diretto ed inverso alla temperatura dei fumi, specialmente quando questi superano i 200 C, mentre la reazione catalizzata di abbattimento degli NO x ha la sua fascia di massima efficienza tra i 250 e i 350 C. Postazione: Camino linea 1 - Dati validati normalizzati e corretti in O 2 (Data: 31 gennaio 2005) Ore Portata 02 PC Temp. PC NO x FTIR NO FTIR NO 2 FTIR Nm 3 /h vol.% C mg/nm 3 mg/nm 3 mg/nm K 7,3 K 982,2 K 127,9 KM 81,8KM 2,1 KM K 6,7 K 987,7 K 157,0 KM 100,9 KM 1,8 KM K 6,8 K 981,1 K 159,5 KM 102,6 KM 1,8KM K 6,8 K 989,9 K 143,2 KM 91,9 KM 1,9KM K 7,3 K 987,3 K 164,8 KM 105,7 KM 2,2 KM K 7,0 K 986,3 K 165,3 KM 106,4 KM 1,7 KM K 7,7 K 959,4 K 137,1 KM 87,9 KM 2,0 KM K 6,9 K 995,1 K 160,4 KM 103,1 KM 1,9KM K 6,8 K 1001,0 K 143,7 KM 99,8 BM 0,6 BM K 6,9 K 995,4 K 136,9KM 88 8 KM 0,4 KM K 6,8 K 89,8K 139,4 KM 90,2KM 0,6 KM K 7,0 K 986,5 K 124,1 KM 80,3 KM 0,6 KM K 7,0 K 982,0 K 123,5 KM 80,0 KM 0,5 KM K 6,9 K 988,2 K 165,8 KM 107,5 KM 0,6 KM K 7,0 K 982,1 K 132,9 KM 86,1 KM 0,5 KM K 7,3 K 986,3 K 151,2 KM 97,9 KM 0,7 KM K 6,8 K 968,8 K 137,1 KM 88,8 KM 6,6 K M K 6,6 K 978,0 K 137,2 KM 89,0KM 0,4 KM K 6,9 K 966,2 K 147,3 KM 95,5 KM 0,5 KM K 7,2 K 969,6 K 153,8 KM 99,6 KM 0,7 KM K 6,8 K 987,8 K 145,5KM 94,2KM 0,6 KM K 6,7 K 985,8 K 152,0 KM 98,5 KM 0,6 KM K 7,1 K 973,9 K 141,4 KM 91,6KM 0,6 KM K 6,8 K 975,5 K 151,3 KM 98,1 KM 0,4 KM limite orario 400 % > limite 0 Max orario K 7,7 K 1001,0 K 165,8 KM 107,5 KM 2,2 KM media giorn K 7,0 K 982,7 K 145,8 K 94,2 K 1,0 K Limite giorn. 200 Med. mobile 7,2 K 981,8 K 145,1 K FIGURA 3 - Prestazioni di un impianto SNCR su termovalorizzatore Non basta quindi prevedere l inserimento di un filtro a maniche, deve trattarsi di un filtro che appartiene alla fascia di costo più alta in base alle sue caratteristiche tecnologiche di resistenza alla temperatura. Questa esigenza di temperature relativamente alte influisce poi anche sulla tecnologia di abbattimento degli altri inquinanti a monte del reattore. Se infatti si opta per un abbattimento dei principali inquinanti quali HCl ed SO x mediante l insufflazione di idrato di calcio ci si trova ad avere una temperatura ottimale di reazione inferiore ai 150 C, mentre nel caso di insufflazione di bicarbonato di sodio tale temperatura è superiore ai 220 C. Si tratta come evidente di un vincolo non da poco perché il bicarbonato di sodio è un reattivo decisamente più costoso dell idrato di calcio. Tale vincolo può essere superato prevedendo il ricircolo del reattivo, ma questa soluzione introduce comunque ulteriori complessità impiantistiche con costi certamente non trascurabili. Vista l importan za del parametro temperatura negli impianti SCR non deve stupire che l evoluzione di questa tecnologia sia indirizzata verso la riduzione del costo dei catalizzatori e l aumento dell efficienza a temperature inferiori. Oltre ai tradizionali reattori con struttura a nido d ape, aventi volumi relativamente elevati, sono recentemente apparsi reattori con materiale catalizzante estruso granulare e struttura a letto con lastre sottili di tipo modulare. Queste modifiche hanno consentito una riduzione del costo attraverso la diminuzione del quantitativo di catalizzatore a parità di abbattimento o in alternativa la riduzione delle temperature di lavoro a parità di volume di catalizzatore. Significativa anche la diminuzione di perdite di carico ottenibile con questa soluzione grazie al minore spessore di catalizzatore che i fumi devono attraversare. Una ulteriore soluzione possibile per contemperare i vantaggi e gli svantaggi delle tecnologie SCR e SNCR che in questa memoria ci limiteremo però solo ad accennare è quella del sistema ibrido SNCR/SCR. Si tratta di una soluzione che si configura come un espan sione di un sistema SNCR già esistente al fine di migliorarne le prestazioni fino a livelli assai vicini a quelle di un SCR vero e proprio. Sul piano concettuale si tratta di sfruttare gli elevati livelli di ammonia slip ottenibili facendo operare il sistema SNCR a temperature inferiori a quelle ottimali a parità di RSN. Questa modalità operativa consente di recuperare l ammoniaca residua inserendo un sistema SCR direttamente all interno del condotto fumi invece che in un reattore dedicato. Non risultano applicazioni del sistema a impianti di RSU, ma test effettuati su centrali a carbone hanno fornito risultati di abbattimento NO x fino al 90% con RSN di 1,56 e ammonia slip complessivo inferiore a 10 ppm [2]. In conclusione si può affermare che la spinta verso l utilizzo crescente della tecnologia SCR è motivata essenzialmente dalle sempre più stringenti limitazioni che la legislazione impone in prospettiva alle emissioni di ossidi di azoto al camino. I valori medi giornalieri applicabili per i termovalorizzatori sono ormai di 200 mg/nm 3 e le deroghe per gli impianti esistenti sono destinate ad essere gradualmente eliminate, specialmente riguardo agli impianti collocati nelle vicinanze di aree cittadine densamente popolate dove maggiore è la pressione dei residenti e degli ambientalisti. Ulteriori riduzioni del limite fino a valori di 50 mg/nm 3 sono previste per i prossimi anni. La Termotecnica Aprile

5 64-68_TER_apr_tomei:TER_apr_gaetani :35 Pagina 68 Problematiche di regolazione per i sistemi SNCR e SCR Riteniamo utile completare la fase di confronto tra le due tecnologie accennando ad alcune problematiche pertinenti alle possibilità di regolazione delle loro prestazioni. In ambedue le tecnologie si è cercato di trovare una modalità automatica che consentisse di collegare l RSN alle concentrazioni di NO x nei fumi misurate al camino. Nel caso del sistema SNCR il problema principale nasce dal notevole ritardo che esiste tra il momento in cui il flusso di reattivo é entrato effettivamente nel condotto dei fumi e il momento in cui viene fatta la misura al camino (tempo morto). Un ulteriore problema secondario nasce dalla necessità di garantire una suddivisione della portata perfettamente omogenea tra i vari ugelli di iniezione in tutte le condizioni di carico. Per il sistema SCR tale ritardo è inferiore a motivo della notevole vicinanza al camino del reattore, tuttavia si presentano altre problematiche dovute alla grande sensibilità delle prestazioni al parametro della temperatura dei fumi e all influenza dell accumulo di ammoniaca e/o composti ammoniacali all interno dei granuli di materiale catalizzante. In generale si può affermare che le problematiche di regolazione sono però più pesanti per i sistemi SNCR dove il rischio è quello di trovarsi in situazioni che conducano a forti aumenti delle fughe di ammoniaca al camino dovute alla grande sproporzione tra l immissione di reattivo e l effettiva quantità di inquinante presente nei fumi, situazione esaltata dal fatto che già in condizioni nominali l RSN è superiore a 1. Nel caso dell SCR questo effetto è tamponato dalla capacità di smorzamento del catalizzatore, che accumula le punte e le rilascia con una certa gradualità, e dalla maggiore rapidità di risposta del sistema. Nell esperienza Aster i tentativi di mantenere una efficace regolazione dell immissione di reattivo nelle applicazioni SN- CR hanno richiesto una prolungata messa a punto per cercare di minimizzare l effetto delle condizioni sfavorevoli alla regolazione che questa tecnologia comporta. Si riportano a questo proposito in Figura 3 i valori medi orari delle emissioni misurate al camino di un termovalorizzatore realizzato da Aster che consentono di verificare i buoni risultati ottenibili con la tecnologia SNCR nonostante le sue intrinseche limitazioni. L esperienza su applicazioni SCR è assai più limitata nel tempo, ma consente di confermare che le possibilità di regolazione automatica dell immissione di reattivo sono molto migliori anche se strettamente dipendenti dalle modalità di misura degli inquinanti adottate sulla linea fumi. Trattandosi di un argomento di notevole importanza si ritiene preferibile approfondirlo nel capitolo in cui descriviamo in modo specifico le esperienze di esercizio acquisite sulle linee di depurazione fumi realizzate da Aster per il termovalorizzatore dell ACSM di Como. L impatto economico dei sistemi SNCR ed SCR Il confronto tra i due sistemi deve naturalmente essere fatto tenendo conto delle fondamentali caratteristiche che li differenziano, vale a dire il minor costo di impianto per l SNCR a fronte del minor costo di gestione per l SCR a parità di portata fumi e di concentrazione di NO x in ingresso. Naturalmente questa affermazione vale se i due sistemi operano allo stesso livello di inquinante in uscita e diventa meno applicabile nel caso i due sistemi vengano invece utilizzati al massimo delle loro potenzialità. In questo caso il costo di investimento dell SCR sarà ancora più elevato rispetto al sistema SNCR, ma il vantaggio del primo in termini di costo di gestione si ridurrà inevitabilmente tenendo conto del maggior consumo di reattivo causato dal più alto livello di abbattimento richiesto. Nella prima ipotesi i dati disponibili sono essenzialmente riferiti ad applicazioni diverse dai termovalorizzatori quali ad esempio i cementifici. I costi derivanti da queste esperienze indicano che il rapporto tra il costo di investimento per il sistema SNCR e quello SCR scende da un fattore 0.5 per impianti di taglia relativamente piccola (1.000 t/g) con abbattimento del 25% fino ad un fattore 0,4 per impianti di grande taglia (5.000 t/g) con abbattimento del 60%. Se invece i due impianti vengono utilizzati al loro limite tecnico di abbattimento (rispettivamente 60% e 90%) il rapporto nel caso di un impianto di taglia media (2.000 t/g) diventa 0,35. Sempre in questo caso il rapporto tra i costi di gestione diventa pari a 1,27 [3]. Nelle applicazioni ai termovalorizzatori l uso della tecnologia SCR si sta diffondendo solo per la necessità di rispettare i nuovi e più stringenti livelli di emissioni ammissibili. Si tratta quindi di impianti utilizzati al massimo delle loro prestazioni e da confrontare in termini economici con gli impianti SNCR impiegati al loro limite tecnico. L esperienza Aster relativamente al costo di investimento su termovalorizzatori fornisce dati leggermente più bassi di quelli provenienti da applicazioni su cementifici con valori del rapporto pari a 0,32 per impianti di taglia media (150 t/g) utilizzati al loro limite tecnico, tenendo naturalmente conto del fatto che i rapporti di costo indicati si riferiscono agli oneri del solo sistema di abbattimento e non includono i costi dovuti ai sistemi di protezione necessari a monte del reattore per il suo corretto esercizio. È opportuno segnalare che gli impianti realizzati da Aster con tecnologia SNCR sono stati completati nella seconda metà degli anni Novanta su linee di incenerimento dimensionate per un massimo di 150 t/g di RSU, mentre quello con tecnologia SCR è stato completato nel Si è trattato della modifica delle due linee da 100 e 150 t/g del termovalorizzatore già esistente a Como di proprietà dell ACSM, integrandole con un nuovo sistema di abbattimento degli inquinanti nei fumi adeguato non solo al rispetto della attuale normativa sulle emissioni al camino, ma anche di quella prevedibile per il prossimo futuro. Questa situazione si riferisce pertanto ad un intervento su un impianto esistente, con tutte le limitazioni ed i maggiori costi che questo comporta, in parte compensati dalla scelta di installare un reattore del tipo a estruso granulare con letto a lastre sottili e struttura modulare invece del tradizionale sistema con banchi catalizzanti a nido d ape. Per quanto riguarda i costi di gestione, riferiti a linee da 150 t/g ed estesi su un arco temporale mensile, si ottiene un rapporto di 1,6 basato sull uso di urea al 45% per il sistema SN- CR e di ammoniaca in soluzione acquosa al 25% per l SCR. Sono anche qui esclusi gli oneri per gli interventi di tipo protettivo sul sistema catalitico e quelli derivanti dalla necessità di rigenerare periodicamente il catalizzatore e di sostituirlo dopo alcuni anni di utilizzo. (segue Parte seconda). Bibliografia [1] David Wojichowski, SNCR Systems to minimize emissions; Chemical Engineering; New Brunswick; Nov [2] Vincent Albanese et al., Evaluation of Hybrid SNCR/SCR for Nox abatement on a utility boiler; FT TPP-522. [3] Jan Wulf Schnabel et al., Economic evaluation of NOx abatement technology in the European Cement Industry, Final Report, Sett [4] Greg Braswell et al., NOx in non utility industries - Control options and monitoring methodology; EPM; Giugno La Termotecnica Aprile 2008