Le MTD del trattamento dei flussi aeriformi

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1 POLITECNICO DI TORINO I Facoltà di Ingegneria Corso di laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio Tesi di Laurea Le MTD del trattamento dei flussi aeriformi Esame del documento BREF ed esempio applicativo di studio preliminare di fattibilità Relatore Ing. Maurizio Onofrio Candidata: Irene Zaniratti Dicembre 2006

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3 Ai miei genitori A Francesco, il suo sorriso e la sua gentilezza resteranno sempre nei nostri cuori

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5 INDICE PREFAZIONE... 1 PARTE I... 3 BREF PER IL TRATTAMENTO DI EMISSIONI GASSOSE... 3 INTRODUZIONE AL BREF... 5 CAPITOLO DESCRIZIONE GENERALE... 7 I.1.1 Gestione ambientale con riferimento ai gas di scarto I.1.2 Tecnologia di trattamento... 9 I.1.3 Impatti ambientali dei trattamenti e loro interdipendenza CAPITOLO 2 - GESTIONE DEI GAS DI SCARTO I.2.1 Sistema di gestione ambientale (EMS) I.2.2 Strumenti di gestione I Strumenti di inventario I Inventario del sito I Inventario o registro di flusso I Analisi dei flussi di energia e di materia (EMFA) I Strumenti operativi I Monitoraggio I Disposizione e regolare revisione di obiettivi interni o programmi I Scelta delle opzioni di trattamento I Selezione del sistema di controllo dei gas di scarto I Scelta dei sistemi di raccolta I Implementazione delle opzioni selezionate di controllo delle emissioni I Metodi di controllo della qualità I Strumenti di gestione strategica I Valutazione del rischio I Confronto tra impianti simili I Valutazione del ciclo di vita (LCA) I Strumenti di sicurezza ed emergenza I Pianificazione della risposta ad un incidente da inquinante CAPITOLO 3 - TECNOLOGIE DI TRATTAMENTO APPLICATE I.3.1 Informazioni presentate in questo capitolo I.3.2 Informazioni sui costi I.3.3 Tecniche di trattamento end-of pipe dei gas di scarto I Tecniche di recupero per VOC e composti inorganici I Membrana di separazione I Condensazione I Adsorbimento I Scrubber ad umido per la rimozione di gas I Operazioni e processi di abbattimento per VOC e composti inorganici I Biofiltrazione I Bioscrubbing I Letto percolatore I Ossidazione termica I Ossidazione catalitica i

6 I Torce...78 I Tecniche di abbattimento e rimozione del particolato...83 I Separatore...83 I Ciclone...84 I Precipitatore elettrostatico (ESP)...88 I Scrubber ad umido per polveri...93 I Filtro a maniche I Filtrazione catalizzata I Filtro per polveri a doppio stadio I Filtro assoluto (HEPA filtro) I Filtri per Aria ad Alta Efficienza (HEAF) I Filtro per nebbie (mist filter) I Tecniche di abbattimento e rimozione di inquinanti gassosi da gas esausti I Iniezioni di assorbente, tecniche FGD I Riduzione selettiva di NO x (SNCR e SCR) CAPITOLO 4 - MTD PER IL TRATTAMENTO E LA GESTIONE DEI GAS DI SCARTO NEL SETTORE CHIMICO I.4.1 MTD generali I MTD per la gestione ambientale generale I MTD per la gestione dei gas di scarto I.4.2 MTD per i flussi gassosi I MTD per misure di processo integrato I MTD per la raccolta dei gas di scarto I MTD per il trattamento delle emissione gassose RIFERIMENTI PARTE II ESEMPIO APPLICATIVO II.1 Introduzione II.2 Dati del problema II.3 Confronto tra le alternative e scelta finale CONCLUSIONI SITOGRAFIA ALLEGATO: DETTAGLIO CALCOLI DIMENSIONAMENTO Carbone attivo con rigenerazione Carbone attivo senza rigenerazione Incenerimento Ossidazione termica Incenerimento Ossidazione catalitica Lavaggio Scrubber ad umido per la rimozione di gas ii

7 PREFAZIONE Il presente lavoro si compone di due parti. La prima ha l obiettivo di analizzare e rendere più fruibile il documento BREF della Comunità Europea intitolato Reference Document on Best Available Techniques in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector (February 2003). Il mio lavoro é circoscritto alla parte relativa al trattamento dei gas di scarto. Si tratta di un documento molto corposo, disponibile solo in inglese ed in formato PDF protetto in modo da impedirne gli estratti. Il testo è stato pertanto tradotto in italiano ed è stata fatta una sintesi delle parti meno rilevanti. La seconda parte del mio elaborato consiste nell analisi di un caso pratico, cioè un flusso aeriforme che richiede un trattamento end-of-pipe prima del suo rilascio in atmosfera. L intento di questo studio è una prima valutazione di fattibilità economica di tre possibili interventi sul gas in esame. A tale scopo sono state selezionate tre tecniche tra le MTD descritte nel BREF e si è fatto riferimento ai dati su costi e consumi forniti dal documento. Ove necessario, è stato eseguito un dimensionamento di prima approssimazione dell impianto, in modo da considerare voci di costo rilevanti per la tecnologia, anche se non esplicitamente riportate nel documento. 1

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9 PARTE I BREF PER IL TRATTAMENTO DI EMISSIONI GASSOSE Controllo e prevenzione dell'inquinamento integrati. Documento di riferimento sulle migliori tecniche disponibili nei sistemi di trattamento e gestione di comuni gas di scarto nel settore chimico. 3

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11 Introduzione al BREF INTRODUZIONE AL BREF Le MTD, cioè le Migliori Tecniche Disponibili, chiamate in inglese BAT, Best Available Techniques, sono state introdotte per la prima volta nella Direttiva Europea IPPC 96/61 (Integrated Pollution Prevention and Control) relativa alla prevenzione e alla riduzione dell'inquinamento. Tale Direttiva ha l'intento di disciplinare una serie di attività ritenute causa di impatto ambientale e prevede, per il loro esercizio, un approvazione basata sulle MTD da parte delle autorità. Il paragrafo 11 dell articolo 2 della Direttiva suddetta fornisce la definizione di Migliori Tecniche Disponibili che vengono intese come la più efficiente e avanzata fase di sviluppo di attività e relativi metodi di esercizio indicanti l'idoneità pratica di determinate tecniche a costituire la base dei valori limite di emissione intesi ad evitare e/o ridurre in modo generale le emissioni e l'impatto sull'ambiente nel suo complesso. In particolare si intende per: "tecniche", sia le tecniche impiegate, sia le modalità di progettazione, costruzione, manutenzione, esercizio e chiusura dell'impianto; "disponibili", le tecniche sviluppate su una scala che ne consenta l'applicazione in condizioni economicamente e tecnicamente valide nell'ambito del pertinente comparto industriale, prendendo in considerazione i costi e i vantaggi, indipendentemente dal fatto che siano o meno applicate o prodotte nello Stato membro di cui si tratta, purché il gestore possa avervi accesso a condizioni ragionevoli; "migliori", le tecniche più efficaci per ottenere un elevato livello di protezione dell'ambiente nel suo complesso. Il termine MTD include, a parte le tecnologie di trattamento, una strategia di gestione per raggiungere la prevenzione o il controllo ottimali sugli scarichi. Il termine impatto sull'ambiente include, in questo ambito: il consumo di risorse, quali acque da corpi idrici naturali, energia, materie prime, sostanze chimiche, ecc. l'emissioni in acqua e aria, inclusi odori e rumori la generazione di scarichi l'aumento delle emissioni in corrispondenza di particolari attività In Italia la Direttiva IPPC è stata recepita dal DL 372/99. Per affrontare le complesse problematiche legate all'individuazione delle migliori tecniche disponibili è stato istituito, a livello europeo, l'european IPPC Bureau con lo scopo di raccogliere le informazioni inerenti le MTD, le prescrizioni in materia di controllo e i relativi sviluppi e inoltre favorire lo scambio di tali informazioni tra gli Stati membri e le industrie interessate. Tutti i dati, opportunamente raccolti da un speciale gruppo di lavoro, hanno portato alla realizzazione di un documento-guida detto BREF (Bat REFerence). Tale testo comprende i livelli di emissione e di consumo che si possono conseguire mediante il ricorso alle MTD, alcune indicazioni circa i costi e le interazioni tra i vari comparti ambientali, nonché il grado di applicabilità di ciascuna tecnica nei vari impianti soggetti alla procedura di autorizzazione IPPC. 5

12 Introduzione al BREF Un ulteriore novità presentata dalla direttiva 96/61/CE è costituita dal concetto di approccio integrato che permette una riduzione dell inquinamento nelle varie componenti ambientali, tramite la prevenzione ed il controllo delle emissioni e la valutazione dei crossmedia effects, cioè gli effetti incrociati. Il documento di seguito analizzato copre l intero settore dell industria chimica ed è inteso come supporto e guida nel prendere decisioni sui permessi riguardanti rilasci gassosi e acquosi dagli stabilimenti chimici. Lo scopo principale per un approccio integrato è di migliorare il controllo e la gestione dei processi industriali così da garantire un alto livello di protezione per l'ambiente intero. Centrale in questo approccio è il principio generale secondo il quale gli operatori dovrebbero prendere tutte le misure preventive appropriate contro gli inquinanti, in particolare tramite l applicazione delle MTD capaci di far migliorare la loro performance ambientale. L'ambito di questo testo comprende: l'applicazione di sistemi di gestione ambientale e relativi strumenti, l'applicazione di strategie di trattamento per le acque e i gas di scarto, l'identificazione o la conclusione delle migliori tecniche disponibili, basate sui due punti precedenti. La manipolazione dei gas e delle acque di scarto è stata identificata come problema trasversale (documento a linee guida orizzontali - horizontal BREF), che interessa tutto il settore chimico: le MTD, quindi, sono valutate indipendentemente dai particolari processi di produzione delle singole industrie, dei quasi si occupano i vertical BREF. Poiché i metodi di trattamento sono molto numerosi, il documento deve limitarsi a quelle tecniche che sono comunemente usate o applicate al settore. Cioè esso includerà tecniche che possono essere utilizzate in più processi o la cui applicazione è generalmente conosciuta o che ancora non sono state messe in uso nell industria chimica, ma in altri settori; verranno invece trascurate tecniche utilizzate in singoli stabilimenti o specifiche per un solo processo produttivo. L argomento principale di questo documento è la gestione dei flussi gassosi di scarto. Con il termine gestione si intende, nel documento BREF, l'adattamento delle condizioni locali (produzione specifica, legislazione, situazione ambientale locale, disponibilità e varietà delle materie prime e/o ausiliarie, problemi climatici) con un'efficace gestione economica ed ecologica del sito industriale nel complesso. Il compito di questo documento è di descrivere l'approccio o gli approcci necessari a prendere decisioni di gestione per minimizzare l'impatto sull'ambiente delle emissioni di acque e gas di scarto. Il documento non si occupa, invece, dei processi e degli accorgimenti preventivi, anche se questi sono preferibili laddove vi sia la possibilità di applicarli. In accordo con l articolo 9(4) della Direttiva i valori limite di emissione, i parametri equivalenti e le misure tecniche devono essere basati sulle migliori tecniche disponibili, senza pregiudicare la conformità agli standard di qualità ambientale e senza alcuna prescrizione di uso di una tecnica o una tecnologia specifica, ma tenendo conto delle caratteristiche tecniche dello stabilimento in questione, la sua collocazione geografica e le condizioni ambientali locali. I vincoli dei permessi devono includere provvedimenti sulla minimizzazione dell inquinamento a lunga distanza o oltre confine e devono assicurare un alto livello di protezione per l ambiento intero. 6

13 Cap. 1 Descrizione generale CAPITOLO 1 DESCRIZIONE GENERALE Il primo capitolo di questo documento è dedicato alla descrizione generale dei gas di scarto fornisce informazioni generali sui sistemi di gestione e trattamento e sugli impatti ambientali di questi. Le leggi scientifiche generali, come l'equilibrio chimico o fisico, rendono inevitabile la formazione di prodotti di scarto indesiderati, i quali dovranno essere espulsi. Le caratteristiche e la gamma di queste emissioni sono fortemente variabili e dipendono dalla composizione di materiali grezzi, prodotti, prodotti intermedi, ausiliari, condizioni di processo, ecc. Gli scarichi in aria e in acqua costituiscono i principali fattori di impatto ambientale causati dai rilasci delle installazioni chimiche. I principali inquinanti sono: VOC (composti organici volatili) i composti dello zolfo (SO 2, SO 3, H 2 S, CS 2, COS) i composti dell'azoto (NO x, N 2 O, NH 3, HCN) i composti alogeni (Cl 2, Br 2, HF, HCl, HBr) i prodotti di combustione incompleta (CO, C x H y ) i particolati Le principali sorgenti di gas di scarto nell'industria chimica, sono: le emissioni convogliate, le uniche emissioni che possono essere trattate le emissioni diffuse le emissioni fuggitive Per quanto concerne le emissioni diffuse e fuggitive è obiettivo dei sistemi di gestione, proposti nel documento, prevenirle e/o minimizzarle. Nello specifico, le emissioni convogliate comprendono: emissioni aspirate da un processo flussi di gas dalle unità di produzione di energia gas di scarto dalle attrezzature di controllo delle emissioni, come i filtri gas di scarto da reattori e condensatori gas di scarto dalla rigenerazione catalizzata gas di scarto dalla rigenerazione con solvente gas di scarto dall'immagazzinamento o dalla manipolazione dei prodotti gas di scarto dagli impianti di pre-riscaldamento generati durante le operazioni di avvio o arresto dell'impianto gas esausti dal sistema generale di ventilazione 7

14 Cap. 1 Descrizione generale gas catturati dalle sorgenti diffuse o fuggitive I.1.1 Gestione ambientale con riferimento ai gas di scarto. La gestione ambientale come parte del sistema completo di gestione sta diventando sempre più importante. Essa include la struttura organizzativa, le responsabilità, le pratiche, le procedure, i processi e le risorse per sviluppare, implementare, ottenere, rivedere e monitorare la politica ambientale della compagnia industriale. Essa inoltre detta le regole per trovare i concetti, pianificare, valutare, progettare, costruire, operare e mantenere un sito chimico. La gestione ambientale ha a che vedere con aspetti economici e competitivi e con la scelta tra diverse opzioni alla luce della particolare situazione. Essa può essere un ausilio nel prendere decisioni riguardanti diversi ambiti, quali: la considerazione di un possibile impatto ambientale conseguente all introduzione di una nuova linea di produzione il processo produttivo l implementazione delle misure di processo integrato i percorsi di scarico l implementazione di controlli o trattamenti centralizzati o decentralizzati i metodi di minimizzazione della contaminazione la creazione di una infrastruttura appropriata, o la modifica di una già esistente per migliorare la qualità dei gas e delle acque di scarto la valutazione dei cross-media effects dei diversi tipi di trattamento la prevenzione delle emissioni fuggitive, rimpiazzando o modificando vecchie apparecchiature Per minimizzare le cause del rilascio di gas di scarto è necessaria una strategia ambientale integrata a tutto tondo. A tal fine è bene riflettere sui seguenti temi: anche se l'aria non è una risorsa esauribile la sua purezza è essenziale per la vita quindi è necessario fare maggiori sforzi per evitare il rilascio di inquinanti nell'atmosfera; una sostanziale componente dei gas di scarto, detti non condotti, non sono suscettibili al trattamento. Si deve quindi ricorrere a politiche e tecniche di prevenzione; occorre porre attenzione a quelle tecniche di trattamento dei gas che necessitano l'utilizzo di acqua; se la prevenzione completa degli scarichi non è praticabile, lo step successivo è la minimizzazione, non solo del volume, ma anche dell'impatto causato dalle sostanze pericolose; solo infine si procede al controllo degli scarichi inevitabili con l'implementazione dei più efficaci sistemi di trattamento; è necessario tenere conto della qualità del mezzo ricevente che può comportare misure più restrittive per la qualità dei gas o delle acque di scarto. La pianificazione delle fasi operative è solo una parte della gestione ambientale. Il successivo e più importante passo è un processo di continuo miglioramento della situazione. L'indicazione di base della gestione ambientale applicata agli scarichi è di evitare o ridurre 8

15 Cap. 1 Descrizione generale l'introduzione di inquinanti nei sistemi di trattamento finali, non adatti alla loro rimozione. L'approccio e il principio, ma probabilmente non il risultato, della gestione ambientale come proposto in questo documento sono in linea di massima gli stessi sia per i nuovi stabilimenti che per quelli già esistenti. I.1.2 Tecnologia di trattamento Le differenti sorgenti di emissione e la varietà dei contaminanti e dei loro carichi rende inevitabile per ogni sito di industria chimica, l attualizzazione di un sistema più o meno complesso di tecniche di manipolazione (di prevenzione e/o di controllo), basato sulle decisioni di gestione. Tale sistema consiste di: misure di processo integrato per la prevenzione di inquinanti trattamenti end-of-pipe Lo schema di Figura 1.1 illustra i confini e l ambito di questo documento a linee guida orizzontali. Figura 1.1 Tecniche di manipolazione dei gas di scarto Misure di processo integrato Le misure di processo integrato non sono trattate in questo documento BREF ma vengono menzionate ugualmente, in quanto generalmente applicabili all'industria chimica. La protezione ambientale avanzata si sta sempre più spostando dai metodi end-of-pipe a tali misure, che sono fonti di un significativo miglioramento ambientale sia nei siti già esistenti che in quelli nuovi. Esse hanno l'intento di ridurre o evitare la produzione di residui direttamente alla sorgente, 9

16 Cap. 1 Descrizione generale prima che diventino scarichi. Spesso queste misure aiutano a ridurre i costi, aumentando la produttività e diminuendo la quantità di materie prime necessarie. Un appropriato processo integrato per la protezione ambientale usa tutte le possibili tecniche fisiche, chimiche, biologiche ed ingegneristiche per la prevenzione, la riduzione e il riciclo dei residui. È stata effettuata una selezione di tecniche per inquinante, in Tabella 1.1, e per velocità di flusso in Tabella 1.2. Tabella 1.1 Tecniche selezionate per inquinante Tecnica Componenti gassose organiche o vaporose Componenti gassose in organiche o vaporose Particolato organico Particolato inorganico Parte umida Parte secca Recupero ed abbattimento di polveri Separatore (pre) X X X X Ciclone (pre) X X X X Scrubber ad umido per polveri (FT) X X X X Precipitatore elettrostatico (FT) X X X X (X) (X) Filtro a maniche (FT) X X X Filtrazione catalizzata (FT) X X X X X Filtro per polveri a doppio stage (pol) X X X Filtro assoluto (HEAP) (pol) X X X HEAF (pol) X Filtro a nebbia (pre, pol) X (X) Recupero di gas Odori Membrana di separazione (pre) X Condensatore (pre) (X) X Cryocondensazione (pre, FT) (X) X (X) Adsorbimento (FT) X X X Scrubber ad umido per gas (acqua) (FT) (X) (X) (X) (X) X X X Scrubber ad umido per gas (alcalino) (FT) (X) (X) (X) (X) X X X Scrubber ad umido per gas (ossidazione alcalina) (FT) (X) (X) (X) (X) X Abbattimento di gas Biofiltrazione (FT) X X X Bioscrubbing (FT) X X X Letto percolatore (FT) X X X Ossidazione termica (FT) X X X Ossidazione catalitica (FT) X X Torce (FT) X X Trattamento di gas di combustione Iniezione a secco (alcalina) (FT) Iniezione a semi-secco (alcalina) (FT) Iniezione a umido di latte di calce (FT) SNCR (FT) SCR (FT) X: applicazione primaria (X): applicazione secondaria (pre): principalmente come dispositivo di pre-trattamento (FT): tecnica usato come trattamento finale (pol): principalmente come tecnica di pulizia dopo una tecnica standard X X X X X 10

17 Cap. 1 Descrizione generale Tabella 1.2 Tecniche selezionate per portata Tecnica 100 [Nm 3 /h] 1000 [Nm 3 /h] [Nm 3 /h] [Nm 3 /h] Recupero e abbattimento di polveri Separatore x x xx xx Ciclone x xx xx x Scrubber ad umido per polveri x xx xx Precipitatore elettrostatico x x Filtro a maniche x x xx xx Filtro in ceramica xx x x Filtrazione catalizzata x x x Filtro per polveri a doppio stadio x x Filtro assoluto (HEAP) x x HEAF xx xx x Filtro a nebbia x xx xx Recupero di gas Membrana di separazione Condensatore x x xx x Cryocondensazione x x Adsorbimento x xx xx x Scrubber ad umido per gas (acqua) x x xx xx Scrubber ad umido per gas (alcalino) x x xx xx Scrubber ad umido per gas x x xx x (ossidazione alcalina) Scrubber ad umido per gas (acido) x x xx xx Abbattimento di gas Biofiltrazione x xx xx xx Bioscrubbing x x x x Letto percolatore x x x x Ossidazione termica x xx Ossidazione catalitica x xx Trattamento di gas di combustione Iniezione a secco (alcalina) xx x Iniezione a semi-secco (alcalina) x xx Iniezione a umido di latte di calce x x x SNCR x x x x SCR x xx xx x = applicazione xx = applicazione molto comuni Tecniche end-of-pipe Le tecniche end-of-pipe trattano il flusso di scarto prodotto da un'unità o un'area di processo o immagazzinamento per ridurre il suo contenuto di inquinanti. Normalmente il trattamento dei gas di scarto ha luogo direttamente alla sorgente. Solo raramente flussi di gas con caratteristiche diverse possono essere trattate simultaneamente in un'unica unità di trattamento centrale, in quanto in genere ogni tecnica é specifica per una particolare composizione di gas. Inoltre si deve porre particolare attenzione al rilascio di componenti tossici e pericolosi ed al loro impatto ambientale. Nell'industria chimica infatti sono molti i componenti che possono essere considerati tali e normalmente si tratta di grandi volumi manipolati. 11

18 Cap. 1 Descrizione generale I.1.3 Impatti ambientali dei trattamenti e loro interdipendenza A causa delle leggi fondamentali di conservazione molte tecnologie di trattamento possono avere, oltre alle loro capacità di purificazione, impatti negativi sull'ambiente: diverse tecniche utilizzate per depurare le acque hanno come conseguenza emissioni gassose che hanno bisogno di essere inviate a sistemi di trattamento secondari di gas. D'altro canto le tecnologie di trattamento dei gas portano al rilascio di flussi gassosi o liquidi che devono a loro volta essere trattati. E' difficile dare un'indicazione del break-even point, per il quale gli effetti positivi hanno maggior peso degli effetti negativi, in quanto esso è fortemente influenzato dalle condizioni locali. Alcuni impatti potenziali dei trattamenti utilizzati sui diversi compartimenti ambientali sono riportati in Tabella 1.3. Tabella 1.3 Impatti potenziali dei trattamenti dei gas di scarto Comparti ambientali Aria Acqua Scarti Energia Impatti potenziali dei trattamenti utilizzati Significativa riduzione di contaminanti Sostituzione del VOC con contaminanti di gas di ciminiera Emissioni da fiamme Processi di scrubbing o assorbimento trasferiscono i contaminanti dall'aria all'acqua Alcuni processi di trattamento necessitano di una quantità eccessiva di acqua Fanghi dal trattamento secondario delle acque reflue originate dal trattamento dei gas di scarto Residui da trattamenti come l'adsorbimento su sostanze solide Le apparecchiature per i trattamenti consumano energia 12

19 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto CAPITOLO 2 - GESTIONE DEI GAS DI SCARTO La gestione ambientale è una strategia per il trattamento o la prevenzione degli scarti dalle attività dell'industria chimica, che tiene conto delle condizioni locali del sito chimico. Non rientra nello scopo del documento dare una visione dettagliata dell'intero sistema di gestione ambientale per un sito chimico, perciò in seguito il significato di "sistema di gestione ambientale" sarà circoscritto al coinvolgimento dei gas di scarto. I.2.1 Sistema di gestione ambientale (EMS) Questo capitolo descrive gli aspetti della gestione dei gas di scarto nel contesto dell IPPC. Esso enfatizza l importanza della gestione ai fini di un alto livello di protezione dell ambiente. La gestione ambientale è qui descritta come compromesso tra sistemi e strumenti di gestione. La gestione ambientale (Environmental Management System EMS) è molto importante e porta all'industria molteplici vantaggi, alcuni dei quali sono: miglioramento della visione degli aspetti ambientali miglioramento delle basi per prendere decisioni aumento della motivazione del personale maggiori possibilità per la riduzione dei costi operativi e per la qualità del prodotto altri miglioramenti riguardanti l'immagine e le relazioni dell'azienda. L'EMS consiste in un ciclo di tappe strategiche, illustrato in Figura 2.1: politica ambientale, cioè la dichiarazione pubblica delle intenzioni, dei principi di azione e degli obiettivi che governano la gestione della compagnia organizzazione e struttura per attualizzare la politica ambientale della compagnia registro comprensivo della legislazione applicabile e degli standard aziendali programma di monitoraggio programma ambientale specifico per il sito revisione ambientale riesame regolare dell'applicabilità ed efficienza dell'ems 13

20 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto Figura 2.1 Ciclo del sistema di gestione ambientale (EMS) Quindi la gestione ambientale non è un processo univoco, ma un cammino interattivo di ottimizzazione della situazione ambientale. Essa permette all'operatore di: migliorare la conoscenza sui meccanismi di generazione dell'inquinante dei processi produttivi prendere decisioni equilibrate sulle misure ambientali evitare soluzioni temporanee e investimenti non produttivi stare al passo con le nuove tendenze in materia ambientale. L'EMS generalmente segue un processo ciclico che consiste nel: analizzare o caratterizzare l'inquinante e valutare i processi produttivi per comprendere come l'inquinante si genera identificare la possibilità di una riduzione dell'inquinante adottando misure quali: o considerazione dell'impatto ambientale di nuove linee di produzione o dell'ampliamento di linee già esistenti o ri-pensamento e ri-progettazione delle tecnologie di processo o misure di prevenzione di processo integrato o possibilità di riciclare o recuperare il contenuto degli scarti o miglioramento della raccolta e del controllo delle emissioni o misure end-of-pipe o valutazione dei trattamenti end-of-pipe centralizzati o decentralizzati valutare le opzioni maggiormente efficaci, tenendo in considerazione: o i benefici e gli impatti ambientali o la realizzabilità tecnica, organizzativa e finanziaria o le opzioni e le costrizioni del sito specifico 14

21 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto o le questioni di sicurezza perseguire gli obiettivi e monitorare il loro raggiungimento, tramite, ad esempio: o schede (o programmi) di azione o responsabilità operative o metodi di monitoraggio Il ciclo descritto è illustrato in Figura 2.2: una volta concluso si ricomincia l intero ciclo, in quanto il sistema di gestione ambientale è un processo iterativo. Caratterizzazione e valutazione dell inquinamento Esecuzione, monitoraggio e valutazione Identificazione di alternative di miglioramento Valutazione delle opzioni più efficaci Figura 2.2 Strategia di un EMS sito-specifico. La realizzazione di un sistema di gestione ambientale è molto complessa, in quanto il ciclo nella figura precedente deve essere seguito per tutte le singole unità di processo. L'EMS è completato da un giudizio esperto, supportato da strumenti di gestioni, i quali sono analizzati di seguito. I.2.2 Strumenti di gestione Un sistema di gestione ambientale normalmente segue un processo a ciclo continuo e i vari steps sono supportati da un certo numero di strumenti di gestione e ingegnerizzazione, che possono essere così classificati: strumenti di inventario: forniscono informazioni trasparenti e dettagliate sulla collocazione, la produzione, le circostanze ambientali e le emissioni del sito chimico. Essi includono: o inventario del sito: ubicazione del sito, processi produttivi e loro sedi, sistemi di collegamento, ecc. o inventario del flusso: informazioni dettagliate sui flussi (quantità, contenuto di inquinante, variabilità, ecc.), sorgenti, cause di emissione, ecc., per giungere ad una lista di priorità per i futuri cambiamenti 15

22 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto o analisi del flusso di energia e di materiali, allo scopo di migliorare l'efficienza operativa dei processi strumenti operativi: gettano le basi per mettere in pratica le decisioni, quali: o monitoraggio e manutenzione regolari o aggiornamento regolare degli obiettivi di miglioramento o scelta di opzioni di trattamento basati sugli strumenti di inventario o metodi di controllo della qualità, usati come soluzioni nel momento in cui i sistemi esistenti di trattamento vanno fuori controllo o sono insufficienti strumenti strategici: comprendono i processi organizzativi e operativi di manipolazione degli scarichi. Essi comprendono: o valutazione dei rischi umani ed ambientali connessi alla produzione o confronto sui risultati raggiunti con altri siti produttivi simili o valutazione di metodi di produzione alternativi strumenti di sicurezza ed emergenza: sono necessari per fronteggiare incidenti imprevisti I Strumenti di inventario Per amministrare un sito industriale, in accordo con un buon sistema di gestione ambientale, è essenziale avere delle informazioni dettagliate e trasparenti su: il sito e il suo ambiente circostante i processi di produzione le caratteristiche inquinanti dei singoli processi produttivi le caratteristiche dei flussi emessi la situazione locale Chiaramente non è possibile quantificare l'emissione di ciascun inquinante presente in ciascun flusso emesso, perciò si riduce il numero dei parametri necessari, senza perdere troppe informazioni. I Inventario del sito Le informazioni sul sito che devono essere contenute in questa sezione sono: ubicazione clima, geografia e qualità del suolo e delle acque sotterranee dimensioni del sito numero di impiegati unità di produzione lista degli impianti di produzione informazioni sui processi di produzione reti di convogliamento dei flussi 16

23 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto I Inventario o registro di flusso Questo inventario raccoglie i dati sulla composizione e sulla qualità dei flussi di gas di scarto, ciascuno individualmente. Esso comprende: informazioni sui processi chimici di produzione: o formula di reazione chimica o diagramma di flusso del processo informazioni sui flussi emessi: o componenti e loro variabilità o concentrazione dei componenti o temperatura o ph o conducibilità o infiammabilità o limiti di esplosione, inferiore (LEL) e superiore (HEL) o reattività o contaminanti rilevanti o biodegradabilità o presenza di altre sostanze che possono avere un impatto sui sistemi di trattamento Lo scopo dell'inventario di flusso è quello di identificare le sorgenti di emissione più rilevanti per permettere di identificare una priorità negli steps di riduzione delle emissioni. Le operazioni da seguire sono quindi quella di elencare le sorgenti, valutare le cause di emissione di ognuna, quantificare il numero di emissioni da ciascuna sorgente e valutare i risultati attraverso un bilancio di materia. Emissioni gassose da una stessa sorgente possono avere differenti cause, perciò si procede ad una classificazione separata per sorgenti e per cause, a seconda delle caratteristiche delle emissioni. Quantificazione delle emissioni per sorgenti Alcuni esempi sono dati di seguito: le emissioni provenienti direttamente dai prodotti (normalmente VOC) possono essere stimate quando il contenuto gassoso del prodotto è conosciuto; se le sostanze gassose sono contenute negli scarichi, il loro contenuto deve essere misurato o calcolato; le emissioni condotte in atmosfera possono essere quantificate da adeguate misure della velocità del flusso d'aria e della concentrazione del gas. Quando la misura non è realizzabile è generalmente preferibile il metodo di calcolo. Questa possibilità dipende dalle cause di emissione; la quantità non abbattuta in un sistema di trattamento può essere calcolata se sono note la quantità mandata al trattamento e l'efficienza di questo; le emissioni non catturate sono per natura difficili e spesso costose da misurare: nella maggior parte dei casi è necessario tenere in conto le cause di emissione. Quantificazione delle emissioni per cause 17

24 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto Spesso questa classificazione è l'unica soluzione pratica, in particolare per le emissioni non condotte, ma spesso anche per le emissioni condotte. Tutti i metodi di calcolo stabiliscono stime che, in alcuni casi, indicano solo l'ordine di grandezza di queste emissioni. Alcuni esempi possono essere: tali quantificazioni si basano su una conoscenza dettagliata dei processi. La valutazione della quantità emessa a volte deve essere confermata dalle misure, tenendo conto delle variazione nel tempo; i calcoli delle emissioni dai serbatoi di immagazzinamento sono generalmente grossolani e richiedono la conoscenza di alcuni dati meteorologici. I serbatoi all'aperto possono generare emissioni significative, mentre le perdite di gas da serbatoi sotterranei o da serbatoi in pressione sono in genere ridotte. Spesso in molte strutture le emissioni dagli stoccaggi sono poche se paragonate alle altre emissioni, quindi è consigliabile valutare tali perdite basandosi sui bilanci di materia prima di imbarcarsi in calcoli dettagliati; il calcolo delle perdite delle apparecchiature si basa sui metodi sviluppati dal USEPA (United States Environmental Protection Agency) e possono essere più o meno semplici o complessi. I calcoli basati sul bilancio sono gli unici che non richiedono misure in campo del tenore di sostanze organiche in atmosfera ad ogni potenziale punto di perdita. Se questo calcolo porta ad un risultato soddisfacente per lo scopo, non sono necessarie ulteriori analisi. Se questo tipo di emissioni diventa rilevante deve essere realizzato un programma di monitoraggio e di manutenzione; devono essere tenute in conto le emissioni non di routine causate dall'avviamento, dallo spegnimento o dalla manutenzione. Esse dipendono fortemente dalla metodologia operativa: non esistono metodi di calcolo ampiamente accettati per la stima di queste emissioni; le emissioni accidentali non dovrebbero avvenire, ma in caso contrario occorre tenere in conto nei bilanci di materia delle perdite avvenute. I Analisi dei flussi di energia e di materia (EMFA) Questa analisi comprende un'intera famiglia di strumenti per ottimizzare il consumo di energia, di materie prime, di acqua, lo scarico di effluenti, la definizione dei flussi interni di energia e di massa nei processi produttivi. Essa è parte o estensione dell'inventario dei flussi. La normale procedura dell'emfa consiste in diversi step: analisi di input e output del processo; ripetizione iterativa della procedura per identificare i potenziali miglioramenti facendo una comparazione quantitativa dei dati di input e output con i dati obiettivo; simulazione di differenti scenari con la valutazione del loro impatto ambientale; identificazione della migliore soluzione in accordo con l'obiettivo postosi. I Strumenti operativi Gli strumenti operativi apportano le basi per mettere in atto le decisioni prese sulle basi degli strumenti di inventario. 18

25 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto I Monitoraggio Il monitoraggio forma un ponte tra gli strumenti operativi e quelli di inventario, ma esso si collega anche a quelli strategici e di sicurezza. Probabilmente la questione più importante è controllare le giuste operazioni di produzione e sistemi di trattamento, per verificare che l insieme di obiettivi ambientali siano raggiunti. Alcuni dei parametri che dovrebbero essere inclusi sono: i punti di sorgente, emissioni diffuse e fuggitive gli scarichi, in particolare quelli pericolosi la contaminazione di terra, acqua e aria l uso di acqua, combustibile, energia, ossigeno, azoto e altri gas lo scarto di energia termica, rumore, odore e polveri i danni al personale gli incidenti di trasporto Il monitoraggio, comunque, non è ristretto alla misura analitica, ma include anche una regolare manutenzione, controlli visivi e di sicurezza. I Disposizione e regolare revisione di obiettivi interni o programmi Un sistema di gestione ambientale necessita di stabilire un programma ambientale nel quale siano fissati obiettivi interni, globali, a lungo termine e specifici per il sito. I parametri sui quali sono stabiliti gli obiettivi dovrebbero essere selezionati tenendo conto della loro rilevanza. Al fine di limitare il numero di tali parametri dovrebbe essere tenuto a mente il fine per il quale tali obiettivi sono stati prefissati, cioè l ottima esecuzione della produzione e delle operazioni di abbattimento e la minimizzazione dell impatto sull ambiente tutto. Vi sono diverse classi di obiettivi, alcuni dati come standard generali, altri come standard specifici per il sito. Esempi di standard generali sono: Environmental Quality Objectives (EQO), Environmental Quality Standard (EQS), Good Manufacturing Practice (GMP); la generale esigenza per le emissioni in aria, di programmi internazionali o nazionali; esigenze di standard interni ad una compagnia, fissati per tutti gli stabilimenti, indipendentemente dall autorizzazione locale. Esempi di standard specifici sono, invece: l esigenza di condizioni di autorizzazione; la limitazione specifica sui contenuti eco-tossici di tutte le emissioni finali. Una volta prefissati gli obiettivi, deve essere steso un piano di azione che deve essere messo in atto quando un livello obiettivo di uno o più flussi affluenti, o del flusso in uscita finale viene superato per un certo tempo. Queste azioni devono essere definite in modo chiaro e devono essere assegnate le responsabilità e le competenze relative. Il processo dinamico di stabilimento degli obiettivi implica una regolare revisione, con riguardo alle nuove esigenze legali che possono essere state introdotte, poiché un industria 19

26 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto chimica e le condizioni in cui essa opera sono soggette a continui sviluppi e costanti cambiamenti. L obiettivo di questa continua revisione è quello di migliorare la performance ambientale del sito di industria chimica nel suo complesso. A tale scopo deve essere stabilito un programma che deve contemplare alcuni elementi: una periodica valutazione delle pratiche di gestione ambientale associate alle operazioni e alle attrezzature; gli incentivi per l implementazione delle azioni di costi-benefici e il riconoscimento dei contributi significativi per gli obiettivi di riduzione delle emissioni, ad esempio: o allocazione dei costi dei trattamenti delle acque e dei gas di scarto, o premi interni per i miglioramenti operativi proposti dallo staff, o competizione interna per ridurre i processi disturbanti e gli incidenti; obiettivi per la prevenzione dei rilasci nella modifica o nella progettazione di nuovi processi o attrezzature, come l introduzione del riciclo dei composti di partenza e dei prodotti; manutenzione preventiva e appropriata tecnologia di controllo per minimizzare le emissioni e le perdite, effettuazione dei controlli e delle procedure ingegneristiche ed organizzative indagine e valutazione di sversamenti o rilasci avvenuti; comunicazione con gli impiegati e con il pubblico riguardo le informazioni sulle emissioni. I Scelta delle opzioni di trattamento Lo step successivo è la selezione di appropriate opzioni di controllo. Normalmente l obiettivo è trovare un metodo di trattamento economicamente conveniente che offra un ottima performance ambientale. Le opzioni di controllo disponibili sono generalmente valutate e selezionate in accordo con: le caratteristiche del flusso emesso, ad esempio la velocità di flusso, la concentrazione e le proprietà dei contaminanti, la presenza di impurità, la temperatura e la pressione; l entità della parte che necessita di trattamento; gli obiettivi, tra i quali il recupero dell inquinante è al primo posto; le esigenze legali; le opzioni di controllo esistenti per determinati casi. Questo processo di valutazione e selezione si va ad aggiungere alle conclusioni sul sito specifico, le quali devono essere tenute in conto. I fattori chiave che variano da sito a sito sono: la collocazione dell impianto la grandezza e la disposizione del sito le performance ambientali ed economiche correnti il grado di integrazione di processo all interno di un installazione e tra installazioni diverse tipologia e qualità del mezzo ricevente le performance di equipaggiamenti esistenti per l abbattimento degli inquinanti la disponibilità di risorse 20

27 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto la sicurezza il capitale ed i costi operativi. Quando sono coinvolte attrezzature di trattamento finali o centrali dovrebbero essere considerate le opzioni di riduzione alla sorgente. Il sistema di trattamento appropriato sarà selezionato considerando le opzioni per: riduzione alla sorgente sistemi di raccolta metodi di trattamento I Selezione del sistema di controllo dei gas di scarto Quando si pianificano le modifiche richieste sia nella riduzione alla sorgente che nei sistemi di trattamento end-of-pipe, si dovrebbe sempre tenere a mente che tutti i cambiamenti possono avere implicazioni significative sulla sicurezza, in particolare quando si ha a che fare con sostanze infiammabili. Quindi è essenziale valutare gli effetti di ogni cambiamento sulla sicurezza dell installazione. Riduzione alla sorgente Controllare le emissioni ad un livello economicamente sostenibile, per prima cosa, richiede la ricerca delle opportunità di riduzione alla sorgente. E necessaria un accurata pianificazione per ottimizzare il recupero dell inquinante e quindi i capitali connessi ed i costi operativi. In molti casi gli investimenti connessi alla riduzione alla sorgente sono più bassi di quelli per i trattamenti end-of-pipe, quindi è fortemente raccomandata un indagine, basata sulle cause di emissione, sulla possibilità di tali interventi. Solo quando sono esaurite tutte le possibilità realizzabili di questo approccio è richiesto un trattamento end-of-pipe. Raccolta delle emissioni L argomento verrà trattato successivamente nello specifico Selezione della tecnologia di trattamento Quando le misure di riduzione alla sorgente non portano alla riduzione di emissione richiesta, è necessario un trattamento end-of-pipe. Tutti i congegni di trattamento possono manipolare solo emissioni canalizzate. Se le emissioni non canalizzate devono essere abbattute, poiché la riduzione alla sorgente non è sufficiente, sono richiesti cappe e sistemi di ventilazione a monte dei sistemi di abbattimento end-of-pipe. Il costo di installazione di tali sistemi può essere significativo. Gli investimenti richiesti dai trattamenti end-of-pipe sono in genere funzione della velocità di flusso totale di gas. Perciò gli sforzi di minimizzare tale velocità verranno ripagati. I parametri chiave di progetto dei sistemi di trattamento dei gas sono la velocità di flusso, la concentrazione dei contaminanti, il loro valore massimo ed il loro grado di variabilità, oltre alla natura e alla chimica dei contaminanti, che è di primaria importanza in questo ambito. Il valore del prodotto emesso determinerà lo stimolo a recuperarlo dal gas finale, cioè più alto è il valore del prodotto più l uso di tecniche che ne permettono il recupero sarà preferibile alle tecniche di distruzione. La presenza di impurità nei gas finali influenza il progetto del sistema. A volte tali impurità devono essere rimosse in uno stadio di pre-trattamento. Esempi di impurità possono essere: 21

28 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto il vapore d acqua, che influenza l efficienza di adsorbimento; le polveri, che causano problemi all adsorbimento, all assorbimento e all ossidazione catalizzata; i veleni dei catalizzatori che ne annullano l efficacia; gli acidi che influenzano l attività di biofiltrazione e bioscrubbing. Inoltre devono essere tenute in conto le concentrazioni permesse di gas esausti in uscita; infatti molto trattamenti, come la condensazione, l assorbimento o la biofiltrazione sono limitati dall efficienza di rimozione che generalmente è lontana dal 100%. Questo è un vantaggio che ha invece l ossidazione termica o catalizzata che raggiunge un efficienza di distruzione molto elevata, attorno al 99%. D altro canto però va considerato il consumo addizionale di energia e lo scarico di flussi gassosi che questo metodo comporta. Anche i sistemi di adsorbimento sono molto efficienti, se si pone attenzione alla saturazione dell adsorbente. I Scelta dei sistemi di raccolta La scelta di un adeguato sistema di raccolta è influenzato dalla scelta del sistema di trattamento, il quale dipende a sua volta dal compito e dall obiettivo del trattamento stesso. I sistemi di raccolta per i gas di scarto sono installati principalmente come: sistemi di raccolta in camini sistemi per la cattura di emissioni diffuse o mobili sistemi a torcia Al fine di minimizzare la velocità di flusso d aria all unità di controllo è raccomandabile chiudere la sorgente di emissione, per quanto possibile, per mezzo di pareti divisorie che separino la sorgente da ciò che le sta intorno. Tale chiusura deve essere progettata in modo tale da prevenire la fuga dei vapori assicurando una velocità sufficiente attraverso l apertura (la velocità minima raccomandata è di 0,5 m/s). La velocità totale di flusso dovrebbe essere sufficiente a garantire la diluizione dei vapori ad un valore ben al di sotto del LEL (livello superiore di infiammabilità). Nella maggior parte dei casi il sistema di trattamento delle emissioni sarà installato su punti esistenti di emissione canalizzata o su sistemi di raccolti degli sbocchi. Una revisione critica di questi sistemi è necessaria prima della determinazione della velocità totale di flusso del sistema di trattamento, in quanto: l effettiva velocità di flusso liberata dai sistemi di ventilazione può essere significativamente diversa di quella di progetto (anche del 50% più bassa), a causa della caduta di pressione; gli sbocchi esistenti o sistemi di estrazione del fumo possono non essere stati progettati per la minimizzazione della velocità di flusso. Piccoli aggiustamenti al progetto possono portare a riduzioni significative nella velocità di flusso e conseguentemente risparmi significativi sul costo del trattamento end-of-pipe. I Implementazione delle opzioni selezionate di controllo delle emissioni Una volta selezionate le misure di controllo di un emissione, la loro implementazione deve essere pianificata in dettaglio, tenendo conto della natura di tali misure, che possono essere organizzative, di controllo o di hardware. 22

29 Cap. 2 Gestione dei gas di scarto I Metodi di controllo della qualità I metodi di controllo della qualità sono strumenti usati come trouble shooter quando un processo di trattamento esistente va fuori controllo o non può esaudire le esigenze richieste. Per controllare se i processi di trattamento procedono nel modo giusto, la qualità dell output deve essere giudicata a fronte di una serie di standard. Se tali standard non sono raggiunti c è un immediato bisogno del ristabilimento della performance all interno dei limiti, il che può essere ottenuto: individuando l alterazione identificandone le cause attuando azioni correttive per riportare il sistema allo status quo I metodi di controllo della qualità sono illustrati di seguito: Effettuazione dei controlli. Alcune variabili possono esser controllate dall operatore mentre altre sfuggono al suo controllo, ma in generale esse hanno un impatto sulla qualità dello scarto. Gli aspetti controllabili sono adattati come reazione ad un cambiamento nel sistema. L adeguamento a condizioni operative è un attività di feedback che cerca di produrre un output costante nonostante input variabili. Le variabili che non possono essere controllate sono gestite cercando di prevederle. Strumenti di miglioramento della qualità. L obiettivo del miglioramento della qualità è quello di rifiutare gli standard tipici e ricercare un livello di performance mai raggiunto prima, estendendo l ambito di risoluzione del problema oltre la correzione di problemi ovvi. Mentre è importante far lavorare il sistema, può diventare ancor più importante revisionare l intero sistema ed evidenziare le aree di potenziale miglioramento. La via per realizzare questo consta di 3 passi: identificazione delle cause dei potenziali problemi acquisizione e analisi di dati controllo statistico del processo (SPC) Il primo di questi step consiste nel focalizzare un numero limitato di potenziali problemi e tentare di identificare le loro cause alla radice. Vi sono alcuni strumenti di cui ci si può avvalere a questo scopo: un diagramma di causa-effetto che fornisce un modo efficace di organizzare e visualizzare le idee su quali potrebbero essere tali cause. un analisi di Pareto che consiste in una comparazione graduata di fattori relativi ad un problema. È un metodo grafico di identificazione e messa a fuoco su una serie di fattori vitali o di problemi. un diagramma di flusso che fornisce gli step richiesti a produrre un risultato desiderato. Il secondo passo consiste nell acquisizione di dati accurati ed affidabili e nella loro analisi. Esso porta ad una visualizzazione del grado di variazione del processo e all identificazione di problemi particolari. Il terzo step, infine, consiste nell utilizzo di un controllo statistico del processo che 23