Depurazione dell aria

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1 Depurazione dell aria SNCR: la soluzione più semplice ed economica per abbattere gli NOx derivati dalla combustione La riduzione degli ossidi di azoto (NOx) nelle emissioni in atmosfera provenienti da processi di combustione o di produzione industriale si può in genere ottenere con misure primarie (riduzione dell emissione all origine, ad esempio con l impiego di bruciatori Low-NOx), oppure con misure secondarie (abbattimento degli inquinanti prima dell emissione al camino). Le misure secondarie più utilizzate consistono nell installazione di impianti di abbattimento basati sulle tecnologie SCR (riduzione Catalitica Selettiva) e SNCR (Riduzione Selettiva Non Catalitica): entrambe si basano sulla reazione di particolari reagenti azotati (urea o soluzione acquosa ammoniacale) con gli ossidi di azoto ma, come ben specificato dalla denominazione, in un Anno XV luglio 2013 caso (SCR) si utilizza l apporto di un catalizzatore, mentre negli impianti SNCR avviene una reazione non mediata da catalizzatori, dipendente dalle sole condizioni di processo. Dal punto di vista costruttivo, gli impianti SCR e SNCR sono molto simili, con l ovvia differenza che in questi ultimi non esiste il reattore catalitico, mentre i sistemi di dosaggio del reagente sono praticamente sovrapponibili. Negli impianti SNCR il reagente viene immesso direttamente nel punto più prossimo alla fonte di NOx (ad esempio, direttamente nella camera di combustione di una caldaia), dove le condizioni di processo possano essere le più vicine possibili a quelle ideali per la massima efficienza di reazione. Skid SNCR completo di pompe, riserva NH4OH e quadro elettrico di gestione per il dosaggio del reagente

2 Anno XV luglio 2013 Il dosaggio del reagente avviene automaticamente in base ad un setpoint impostato ed al livello di NOx e, quando necessario, di NH3 (ammonia slip) rilevati al camino di emissione. In caso di intervento su impianti ad emissione variabile con il carico, un segnale proporzionale al carico istantaneo può essere utilizzato per quantificare rapidamente le variazioni di dosaggio. Il sistema di dosaggio è relativamente semplice, ed è composto nella sua forma più elementare da un serbatoio per il reagente, da una pompa volumetrica monovite e da una o più lance in grado di emettere una nube di aerosol nel flusso di gas da trattare. Nella realtà l impianto è più complesso e comprende, oltre al sistema di g e s t i o n e ( b a s a t o s u un interfaccia SCADA remotizzabile, un microcontrollore industriale, un bus di campo ed i sensori e gli azionamenti in grado di mantenere sotto controllo le variabili di impianto) tutti i servizi ancillari necessari al funzionamento e gli allacciamenti per aria compressa ed acqua demineralizzata a servizio della lancia. La temperatura ottimale di reazione si aggira intorno ai 950 C ma altri fattori sono indispensabili per ottenere un rendimento elevato: il reagente deve essere disperso nei fumi da trattare nel modo più omogeneo possibile e la grandezza media delle particelle di aerosol deve rientrare in una classe prestabilita per avere un evaporazione né troppo rapida né troppo prolungata; inoltre è indispensabile un corretto tempo di transito per dare il tempo alla reazione di compiersi efficacemente. La scelta del reagente ideale Per la reazione di riduzione possono essere utilizzate una soluzione acquosa di urea (CO (NH2)2 oppure una soluzione acquosa di ammoniaca (NH4OH): le migliori prestazioni si possono tuttavia ottenere solo con la soluzione ammoniacale, che consente inoltre di ridurre le emissioni indesiderate di ammoniaca non reagita (ammonia split) e di semplificare il protocollo di manutenzione. L urea, nebulizzata nei gas caldi da trattare, si scinde in ammoniaca (NH3) ed acido isocianico (HNCO), il quale in parte libera a sua volta ammoniaca ed in parte forma NCO che si trasforma in protossido d azoto (N2O), un gas serra indesiderato; inoltre, l acido isocianico può formare depositi condensando nei punti freddi sotto forma di acido cianurico ed una serie di prodotti di polimerizzazione. Questi depositi possono complicare notevolmente le operazioni di manutenzione e possono costituire fonti di emissione di NOx secondari. Utilizzando invece la soluzione ammoniacale, il tempo di reazione è inferiore e si possono ottenere rendimenti più elevati senza la formazione di elementi indesiderati e/o dannosi. La soluzione ammoniacale (idrossido di ammonio NH4OH) al 25% è classificata come R34 e non è soggetta Schema di un impianto SNCR tipo. Nella sua forma più semplice, un sistema SNCR è formato da un serbatoio di reagente, una pompa, una lancia di nebulizzazione e un sistema di gestione che modula l apporto di reagente necessario a mantenere una certa concentrazione di NOx al camino, stabilita da un setpoint. Nel sistema SNCR Deparia, tutti i componenti principali sono installati su uno skid facilmente trasportabile e posizionabile a bordo impianto da trattare: in base allo spazio disponibile e alle preferenze del Cliente, lo skid può ospitare anche il quadro elettrico di comando. In ogni caso la gestione può essere operata in remoto via protocollo di rete tcp/ip.

3 Anno XV luglio 2013 e l emissione di NH3 non reagita può raggiungere più facilmente dei livelli non trascurabili. D altra parte, quando le concentrazioni di NOx da trattare sono già contenute all origine, come in gran parte delle moder ne cal dai e, l applicazione dei sistemi SNCR è ideale. Negli impianti SNCR è indispensabile un accurato studio fluidodinamico per assicurare una corretta miscelazione del reagente (credit Italflows, Cassano d Adda) Sullo skid SNCR è sempre prevista una pompa di riserva selezionabile in caso di avaria o manutenzione di una pompa principale. Come opzioni disponibili, il serbatoio temporaneo può essere coibentato e l esecuzione generale fornita a norme ATEX. all applicazione del DLgs 334/99 (Seveso bis). Per questi motivi, Deparia Engineering raccomanda sempre l utilizzo della soluzione ammoniacale, ed il sistema di dosaggio viene fornito sempre predisposto in tal senso. Tuttavia, in particolari situazioni (basse concentrazioni di NOx da trattare, impossibilità di rispettare gli a- deguamenti di sicurezza richiesti dalla soluzione ammoniacale) è possibile ricorrere in alternativa alla soluzione di urea. SCR o SNCR? Le due tipologie di impianto sono caratterizzate da ambiti di impiego differenti, in base alle temperature di processo e al rendimento nella riduzione degli NOx che si rende necessario per il rispetto dei limiti di emissione imposti. Inoltre, è necessario considerare anche i limiti da rispettare per quanto riguarda la concentrazione di NH3 non reagita. Infatti i sistemi SNCR sono più semplici da gestire e più economici da installare rispetto ai sistemi catalitici SCR, ma il rendimento di abbattimento è sensibilmente inferiore In alcuni casi, più diffusi di quanto si possa pensare, è il caso di considerare l installazione di entrambi i sistemi in cascata, cioè un SNCR seguito da un reattore SCR in configurazione High Dust, cioè un SCR progettato per funzionare con livelli importanti di polveri e contaminanti, a temperature relativamente elevate (intono ai 450 C). In particolare, questi casi riguardano retrofit su installazioni di SNCR esistenti, magari non più in grado di rispettare i nuovi limiti di emissione, o impianti caratterizzati da grandi variazioni di carico in tempi brevi, dove SNCR e SCR possono lavorare in sinergia per ottenere rendimenti molto elevati ed una risposta rapida ai transienti di concentrazione degli inquinanti da abbattere, senza rischiare emissioni eccessive di NH3 non reagita. I sistemi SNCR, se progettati allo stato dell arte, possono garantire rendimenti intorno al 50-60% e non oltre, per non incorrere in livelli eccessivamente elevati di ammonia slip. I sistemi SCR, più ingombranti e costosi, possono però raggiungere rendimenti anche del 95-98% restando entro un limite di 5 mg/m 3 di NH3 non reagita. Nel caso di un SCR installato a valle di un SNCR, il rendimento complessivo rimarrà quello elevato dell SCR, ma i consumi di reagente si ridurran-

4 no considerevolmente, tanto da permettere il recupero del maggiore costo di installazione in breve tempo. Il valore di ammonia slip dell SNCR verrà utilizzato nella reazione all interno dell SCR, ed al camino rimarrà il valore tipico dell SCR, più contenuto e controllabile. Anno XV luglio 2013 Deparia Engineering possiede una notevole esperienza per quanto riguarda gli impianti combinati SNCR+SCR, specialmente su applicazioni di processo caratterizzate da carichi variabili, molto difficili da gestire con gli approcci standard. SNCR a regola d arte Gli impianti SNCR sono sì concettualmente semplici, ma necessitano di una attenta progettazione per garantire le migliori prestazioni attese: occorrono quindi una perfetta padronanza dei parametri progettuali ed un attento studio della situazione di processo su cui si va ad intervenire. In particolare, la corretta progettazione di un SNCR non può prescindere da un approfondito studio fluidodinamico che riguardi sia la distribuzione dell inquinante nell aeriforme, sia la diffusione e la miscelazione del reagente. Inoltre, occorre garantire la giusta temperatura di reazione ed un tempo di transito adeguato affinché la reazione possa giungere a compimento. Per ottenere risultati soddisfacenti, in genere non basta il ricorso ai mezzi di simulazione digitale (CFD); il loro responso dipende infatti dall attendibilità parametri immessi, che devono essere attentamente valutati sul campo con prove strumentali di concentrazione degli inquinanti e di distribuzione di velocità del flusso all interno dell impianto da trattare. Deparia Engineering dispone delle conoscenze, del personale specializzato e della strumentazione per rilevare in autonomia tutti i parametri necessari ad una corretta progettazione e, per i casi più difficili, anche di impianti SCR pilota che possono essere installati presso il Cliente per valutazioni più approfondite. Campo di applicazione Influenza del tempo di residenza sul rendimento della reazione SNCR. Un tempo insufficiente non solo può compromettere l efficienza, ma comporterà in aggiunta un notevole aumento della concentrazione di ammoniaca non reagita al camino. Di crescente interesse è l applicazione su emissioni industriali di processo, come ad esempio la sintesi di alcuni polimeri, di particolari prodotti chimici o la raffinazione di idrocarburi. Idealmente, ogni processo industriale che generi ossidi di azoto in una corrente di gas a temperatura sufficientemente elevata è in grado di ospitare un sistema SNCR per il trattamento delle emissioni. Naturalmente, è necessario tenere conto delle particolarità del sistema SNCR in rapporto alla concentrazione di NOx da trattare, un valore che al massimo si può indi- L applicazione più comune dei sistemi SNCR rimane quella su impianti di combustione, alimentati con idrocarburi gassosi, liquidi o solidi, biomassa liquida o solida e rifiuti solidi urbani, quindi in caldaie e forni di media e grossa potenzialità termica a servizio di centrali elettriche, centrali di cogenerazione, centrali di teleriscaldamento, cementifici, inceneritori di rifiuti. Effetto della temperatura sulla reazione SNCR ad un determinato rapporto stechiometrico normalizzato (NSR) tra reagente e NOx, in questo caso =2. La temperatura ideale è intorno ai 950 C, ma la il valore di ammonia slip può essere troppo elevato. Aumentando la temperatura aumenterebbe anche l ossidazione diretta dell ammoniaca, causando un incremento degli NOx secondari: l unica strada percorribile per contenere lo slip di NH3 è quella di diminuire l NSR e limitare il rendimento intorno al 50-60%.

5 Anno XV luglio 2013 Un aspetto particolarmente critico dell impianto SNCR è rappresentato dalle problematiche connesse alla nebulizzazione del reagente nella corrente dei gas da trattare e dalla successiva diffusione e miscelazione dell ammoniaca gassosa affinché possa avvenire nel modo più completo ed omogeneo possibile il contatto con le molecole di ossidi di azoto da ridurre. Ogni impianto richiede uno studio approfondito sulla scelta delle lance e degli ugelli da utilizzare e sul loro posizionamento ideale, specialmente in impianti di combustione realizzati in origine senza tenere conto della necessità di dovervi installare, in un secondo momento, un sistema di trattamento delle emissioni. Impianto combinato SNCR+SCR su emissioni di processo da sintesi di polibutadiene. Quando gli spazi disponibili non consentono l installazione di uno skid, il sistema di dosaggio può essere realizzato con elementi indipendenti, come la centralina sopra illustrata. viduare intorno ai mg/ m 3. Per valori iniziali maggiori è necessario prendere in considerazione l installazione di un sistema catalitico SCR o di un sistema combinato SNCR+SCR che, come abbiamo visto precedentemente, permette di sfruttare in sinergia le qualità dei singoli sistemi. Nebulizzazione e miscelazione A volte può essere necessario installare più lance in sedi diverse o realizzare delle lance speciali per adeguarsi a camere di combustione o condotti dalla geometria particolare. In sede di collaudo si procede normalmente all ottimizzazione del funzionamento delle lance attraverso la calibrazione della pressione di esercizio della soluzione da nebulizzare e dell aria compressa ausiliaria: questa operazione permette di ottenere la granulometria ideale delle particelle di aerosol emesse, in rapporto al tempo disponibile per l evaporazione del reagente e per la reazione di riduzione. Quando la nebulizzazione del reagente viene effettuata direttamente in camera di combustione, in genere non è possibile intervenire con accorgimenti particolari per migliorare la miscelazione dell ammoniaca (oltre alla scelta del posizionamento più idoneo della lancia); quando invece la nebulizzazione deve essere effettuata in un condotto, devono essere messi in pratica tutti gli accorgimenti necessari per promuovere la m a s s i m a m i s c e l a z i o n e (installazione di miscelatori statici, baffles, diaframmi ecc.). Lo studio ed il dimensionamento di questi dispositivi deve essere effettuato di volta in volta in base alla conformazione del condotto, in base a tecniche di flow modeling e ad opportune verifiche sul campo.

6 Il sistema di dosaggio Anno XV luglio 2013 Il reagente deve essere dosato alle lance di nebulizzazione con precisione e tempestività in modo da mantenere entro i limiti stabiliti le emissioni al camino di ossidi di azoto e di ammoniaca, in base ad un set point impostato. Questo risultato viene ottenuto per mezzo di un PC-SCADA, che può essere gestito localmente o in remoto, che acquisisce i dati di concentrazione di NOx ed ammoniaca provenienti da un sistema di analisi in continuo installato a camino. In alcuni casi (impianti a carico variabile) può essere necessario acquisire anche i dati di concentrazione a monte del trattamento e la percentuale di carico momentanea. In base a questi dati, il sistema governa le pompe volumetriche di dosaggio tramite inverter. Il sistema acquisisce anche tutti i parametri di processo necessari alla regolazione (temperatura, portata del flusso da trattare, portata del reagente ecc.). Compito del sistema di dosaggio è anche quello di gestire automaticamente i transienti di accensione e di spegnimento dell impianto, in modo da consentire l avvio del processo solo alle temperature consentite e da preservare le lance da fenomeni di intasamento. Deparia Engineering Corso Europa CALOLZIOCORTE (Lecco) ITALY Tel. : (r.a. 6 linee ISDN) Fax: Website: info@deparia.com Skid di dosaggio idrossido di ammonio per installazione all aperto, completo di tettoia e coibentazione serbatoio., fondata nel 1975, progetta, costruisce ed installa impianti d'avanguardia per l'abbattimento dei reflui industriali aeriformi (SCR, SNCR, reattori termici catalitici e recuperativi, elettrofiltri, colonne ad umido ecc.) con particolare riguardo alle emissioni dei motori stazionari per la cogenerazione, un settore dove opera, unica sul mercato italiano, con tecnologie e brevetti propri. Negli ultimi anni, si è specializzata nella messa a punto di impianti di abbattimento sulle emissioni di caldaie e motori alimentati a biomasse di origine vegetale ed animale ed ha sviluppato una serie di soluzioni che permettono un funzionamento soddisfacente dei catalizzatori anche alla presenza dei particolari contaminanti tipici di questa classe di combustibili. TECNOLOGIE INNOVATIVE PER L AMBIENTE Lancia di nebulizzazione reagente installata direttamente su camera di combustione.