BAT. Università degli Studi di Udine Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale.

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1 Università degli Studi di Udine Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale Tesi di Laurea BAT Candidato Alberto Marcon Relatore Prof. Fabio Miani Anno accademico

2 Contatti dell Istituto Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università degli Studi di Udine Via delle Scienze, Udine Italia

3 Indice Elenco delle figure Prefazione Introduzione v vii ix 1 Informazioni economiche generali Economia mondiale ed europea Classificazione dei principali impianti siderurgici Impianti per la sinterizzazione e la pellettizzazione dei minerali Impianti per la produzione del carbon coke Altoforno Impianti per il Basic Oxygen Steelmaking (BOS) Forno ad Arco Elettrico Colata continua Tecniche e Processi Generali Gestione dell energia nell industria siderurgica Coke Oven Gas (COG) BF gas e BOF gas Livello di emissioni Gestione dei materiali e delle acque Tecniche generali da considerare nella determinazione delle BAT Environmental Management Systems Energy Management Riduzione di NO x in impianti energetici con processi di gas combusti Gestione dei materiali Monitoraggio degli impianti Riduzione del rumore Applicabilità delle BAT negli impianti Impianto di sinterizzazione Emissioni in aria Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT Impianti di pellettizzazione Processi applicati e tecniche Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT Impianto di cokeria Processi applicati e tecniche Emissioni in aria Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT Altoforno Processi applicati e tecniche Emissioni in aria

4 iv Indice Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT Basic Oxygen Steelmaking (BOS) Processi applicati e tecniche Emissioni in aria Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT Forno ad Arco Elettrico Tecniche applicate e processi Emissioni in aria Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT Metodi alternativi e tecniche emergenti per la produzione di acciaio Riduzione Diretta Riduzione per fusione Tecniche emergenti generali Tecniche emergenti per la cokeria Tecniche emergenti per l Altoforno Tecniche emergenti per il BOF Tecniche emergenti per l EAF Conclusioni 59

5 Elenco delle figure 1.1 Acciaio nel mondo Impianti di sinterizzazione in EU Impianti per la produzione del carbon coke in EU Altoforni in EU Impianti di Basic Oxygen Steelmaking in EU Impianti di Forni ad Arco Elettrico in EU Impianti di Colata Continua in EU Consumo di materie prime Apporto energetico del COG Emissioni medie degli impianti energetici in EU Emissioni limite NO x per impianti energetici in Direttiva Emissioni limite SO x per impianti energetici in Direttiva Emissioni limite Polveri per impianti energetici in Direttiva Riutilizzo degli scarti Efficienza di riduzione degli NO x Schema del sistema AIRFINE Esempio di schema di un trattamento bio-chimico Sequenza del Basic Oxygen Steelmaking Esempi di forni e processi per la Metallurgia Secondaria Esempio di spillaggio automatizzato Schema del processo CONSTEEL Tipologie di raccolta emissioni diffuse per un EAF Evoluzione del ciclo siderurgico integrale Disegno Contiarc Furnace

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7 Prefazione L Italia, fino al 2008, era tra i primi 10 Stati produttori di acciaio nel mondo oltre essere una delle storiche promotrici del rilancio dell acciaio nel primo dopoguerra (v. CECA). Poi la crisi finanziaria globale e i recenti eventi hanno colpito il cuore siderurgico italiano (Taranto, Piombino e Servola) che hanno fatto scivolare l Italia undicesima e portato a un interessamento dell opinione pubblica nonché delle autorità statali alla questione ambientale del ciclo siderurgico integrale; esempio è Piombino nel quale: Tramite la realizzazione, al posto dell altoforno, di un forno elettrico e di un impianto Corex, il potenziamento del porto per lo smantellamento delle navi i cui rottami vadano al forno elettrico, la dotazione di infrastrutture viarie e le garanzie per i lavoratori che chiedono, durante la transizione, contratti di solidarietà e lavoro allo smantellamento e la ricostruzione: per restare nell acciaieria e fare risparmiare allo Stato la cassa integrazione. A sostanziare l accordo, 110 milioni dal governo e 142 dalla Regione Toscana per incentivi alla riconversione, bonifiche, porto. [Ilaria Ciuti, la Repubblica, Giovedì 24 Aprile 2014] L attenzione sull Ilva, RIVA Group, è invece incentrata sull impatto ambientale del complesso e le questioni legali che riguardano i dirigenti e proprietari. Questi eventi hanno portato all arresto del mercato produttivo italiano in un periodo nel quale la competitività e la solidità economica-finanziaria e politica è fondamentale. Sulla base di questi eventi si presenta come obiettivo primario la prevenzione dei rischi ambientali legati alla produzione dell acciaio. Prevenzione che va fatta con investimenti e ricerca, lungimiranza della Direzione e pianificazione a lungo termine delle risorse e uso delle più avanzate tecniche disponibili. Il seguente documento ha l obbiettivo di presentare brevemente l odierna situazione sulle Best Available Techniques (BAT), così come riportato dal Join Reserce Centre (JRC) dell European Integrated Pollution Prevention and Control Bureau, sulla produzione dell acciaio.

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9 Introduzione Il progetto del BAT nasce nel 2001 come fonte di informazioni sulla gestione degli impianti siderurgici in Europa; la sua revisione cominciò nel 2005 fino al 2012, quando le conclusioni furono adottate e pubblicate l 8 Marzo Contemporaneamente, come prosecuzione della Direttiva sulle Emissioni Industriali (2010/75/ EU) e dalla diffusione e scambio di informazioni, così come decretato dall art. 13 della Direttiva sulla Produzione del Ferro e dell Acciaio, il documento del BAT non ha una forma definitiva. Infatti la Direttiva istituisce un forum che coinvolge i rappresentanti: degli Stati membri dell Unione Europea; delle principali industrie europee; delle organizzazioni non governative promotori dello sviluppo siderurgico. I membri del forum nominano ogni anno un Technical Working Group, seguito dall European Integrated Pollution Prevention and Control Bureau per stilare una relazione aggiornata sui BAT. Il documento si sviluppa in 12 capitoli con la struttura seguente: 1 - Informazioni generali sul settore siderurgico. 2 - Informazioni sui principali vettori energetici e tecniche produttive. 3-8 fornisce la descrizione e informazioni sui principali impianti siderurgici quali: sinterizzazione, pellettizzazione, cokerie, Altoforni, BOF 1, EAF. 9 - Presentazione delle conclusioni sui BAT definiti dalla Direttiva Presentazione delle tecniche alternative per la produzione del Ferro Presentazione delle tecniche emergenti come definito dalla Direttiva Conclusioni e raccomandazioni per un lavoro futuro. 1 Basic Oxygen Furnace

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11 1 Informazioni economiche generali 1.1 Economia mondiale ed europea Dal 2000 la produzione di acciaio nel mondo vide una rapida accelerazione, superando il miliardo di tonnellate prodotte nel Nel 2012 ha superato il miliardo e mezzo, di cui 46% (716 Milioni di tonnellate) sono prodotte in Cina, che tra il 2002 e il 2010 ha ottenuto tassi di crescita annui tra 15-20% fino ad un rallentamento di 8-9 punti percentuali negli ultimi anni. Un andamento che probabilmente si manterrà inalterato anche grazie alle politiche di apertura e investimenti perseguite dal governo cinese; un esempio è la Baosteel, colosso dell acciaio mondiale ( seconda per volume prodotto ), che sta costruendo un nuovo impianto che a regime produrrà ogni anno 20 Milioni di tonnellate per un costo stimato intorno ai 10 Miliardi di dollari. L Europa (EU-27) invece ha visto decrescere, in termini percentuali, il proprio peso in modo costante da un 27% di inizio Millennio fino a un 10% a fine Figura 1.1: Confronto della produzione di acciaio nel mondo e in Cina. [Mt] 1 Dati ottenuti da:

12 2 1. Informazioni economiche generali 1.2 Classificazione dei principali impianti siderurgici Per quanto riguarda i dati degli impianti per principali processi presi in esame, troviamo: 1. Impianti per la sinterizzazione dei minerali. 2. Impianti per la pellettizzazione dei minerali. 3. Impianti per la produzione del carbon coke. 4. Altoforno. 5. Impianti per il Basic Oxygen Steelmaking (BOS). 6. Forno ad Arco Elettrico. 7. Colata Continua Impianti per la sinterizzazione e la pellettizzazione dei minerali In questi impianti le polveri di minerali vengono compattate e discretizzate in pellets permettendo un alta qualità, semplificandone la movimentazione e l impiego. I prodotti ottenuti possono essere sotto forma di DRI o HBI. I DRI (Direct Reduced Iron), palline di ferro a riduzione diretta e le HBI (Hot Briquetted Iron), saponette di ferro agglomerato a caldo, sono prodotti ad altissima qualità in quanto non presentano rame, sono infatti lavorati e ridotti per eliminare gli ossidi. Sono più usate le seconde delle prime poiché nello stoccaggio si ossidano di meno. Un vantaggio del DRI è che il forno può essere alimentato continuamente in accensione e perciò non si verificano perdite termiche aprendo la volta. L HBI è più denso e può essere caricato nel secchio dei rottami senza dover aumentare il numero di carichi richiesti; tende inoltre ad affondare nel bagno permettendo l omogeneità del fuso. Gli impianti di sinterizzazione e pellettizzazione contribuiscono per oltre il 50% delle emissioni totali di polveri in un ciclo integrale per la produzione dell acciaio, altro problema rilevante è la depurazione delle acque dai metalli.

13 1.2. Classificazione dei principali impianti siderurgici 3 Figura 1.2: Impianti di sinterizzazione in EU Impianti per la produzione del carbon coke In questi impianti si ottiene uno dei combustibili più usati in quanto: ha un alto rendimento calorifico; è di semplice di impiego; è comune; dà un forte apporto di Carbonio nei processi. I processi chimico-fisici coinvolti in questo impianto generano emissioni di gas che sono tra le più significative come impatto ambientale in quanto generano ammoniaca, VOC 2 e BTX 3. La presenza di polveri e SO x nel processo di desolforazione del carbone è uno dei fenomeni a più alta priorità ambientale in quanto causa di piogge acide sul territorio. Al 2006, pre-crisi quindi, l Italia era uno dei principali stati produttori di Carbone in Europa, dopo Francia e Germania. 2 Volatile Organic Compounds 3 Benzene, Toluene, Xylene

14 4 1. Informazioni economiche generali Figura 1.3: Impianti per la produzione del carbon coke in EU Altoforno L altoforno è l impianto che produce la materia prima per l industria siderurgica. L obiettivo fondamentale è produrre ghisa di una certa qualità per i processi del BOS tramite riduzione. Si usa principalmente il carbon coke, carbone in polvere e idrogeno (ottenuto tramite idrocarburi). La quantità di calore necessaria per la reazione può essere fornita dall ossidazione del minerale, che quindi funziona anche come combustibile: è questo il caso dell altoforno a coke, soffiato con aria comburente preriscaldata. Il fabbisogno termico può essere coperto anche trasformando energia elettrica in calore come avviene nei forni di riduzione elettrici (in questo caso il carbonio ha la sola funzione di riducente). L aria comburente viene soffiata dal basso attraverso ugelli iniettori innescando la combustione del carbone e/o quella della polvere generando calore e monossido di carbonio lungo le canaline dell altoforno. La produzione di ceneri, acqua di raffreddamento ed emissioni provenienti dal trattamento delle scorie, come SO 2 e H 2 S, sono causa di forti odori, polveri e scarti tossici. Per quanto riguarda gli altoforni vanno ricordati quelli di Taranto, quelli di Piombino e quello di Trieste (Servola).

15 1.2. Classificazione dei principali impianti siderurgici 5 Figura 1.4: Altoforni in EU Impianti per il Basic Oxygen Steelmaking (BOS) Il Basic Oxygen Steelmaking è il processo nel quale l ossigeno viene soffiato nel metallo appena fuso per eliminare il contenuto di carbonio per ossidazione, creando fumi ricchi di SO 2, CO 2 e CO. L obbiettivo del processo è l eliminazione di quelle sostanze che possono arrecare danno alla qualità del metallo, come lo Zolfo, raccolto introducendo calce, magnesite e altre sostanze affini. L aggiunta degli additivi da inserire viene fatta per diversi motivi: adattare la temperatura del metallo liquido; aggiustare la composizione chimica; cambiare la composizione della scoria così da cambiarne le proprietà. L Italia ha, ancora una volta, un ruolo di rilievo a livello europeo con i suoi 9 impianti, ponendosi seconda, ma ben lontana dalla Germania, e terza per volume prodotto annuo.

16 6 1. Informazioni economiche generali Figura 1.5: Impianti di Basic Oxygen Steelmaking in EU Forno ad Arco Elettrico Il forno ad arco elettrico ha principalmente il compito di fondere il rottame grazie a 3 vettori energetici: elettrodi; bruciatori; reazioni chimiche esotermiche. I primi possono erogare una potenza che va dai 50 ai 200 MW, creando un arco elettrico tra gli elettrodi e il rottame, scaldato per irraggiamento. I bruciatori invece usano gas metano-ossigeno iniettato a velocità supersonica per trapassare la scoria e raggiungere il fuso. Sono disposti in modo tale da rendere più omogenea possibile la distribuzione della temperatura all interno della fornace. Le reazioni chimiche possono invece contribuire con una energia prodotta che si aggira intorno ai 3-4 MWh a metro cubo di ossigeno bruciato. I materiali inseriti sono: rottame; minerale; DRI/HBI. Il rottame è classificato secondo standard precisi di composizione chimica dello stesso, ovviamente più la sua qualità è alta e più costa.

17 1.2. Classificazione dei principali impianti siderurgici 7 I minerali sono i metalli appena estratti e, generalmente, hanno inclusioni molto minori del rottame; sono difficilmente reperibili in quantità tali da poter lavorare solo con questo tipo di materiale. Essendo il processo caratterizzato dalla presenza di molto rottame, ha la caratteristica di generare molti componenti indesiderati come polveri di ossidi di ferro, di metalli pesanti, CO 2, composti organici (PCB 4 e PCDD/F 5 ) Figura 1.6: Impianti di Forni ad Arco Elettrico in EU-27 L Italia, insieme alla Germania, ha in assoluto il più alto numero di forni ad arco elettrico installati e nel 2006 era la prima produttrice di metallo in Europa con questo metodo. 4 Polychlorinated biphenyls. 5 Polychlorinated dibenzo-p-dioxins/dibenyofurans

18 8 1. Informazioni economiche generali Colata continua La colata continua è l ultimo processo siderurgico nel quale l acciaio liquido passa in una lingottiera in rame, raffreddata da acqua, ed esce con uno strato di pelle solidificato. I componenti principali della macchina da colata continua sono: lingottiera; paniera; banco oscillante; rulli guida e raddrizzatori; dispositivi di taglio. Figura 1.7: Impianti di Colata Continua in EU-27 Anche in questo processo l Italia ha un ruolo da protagonista con un volume colato secondo solo alla Germania, storica leader mondiale nell acciaio.

19 1.2. Classificazione dei principali impianti siderurgici 9 Concludendo, il processo siderurgico a ciclo integrale ha una fortissima componente di scarto (residui solidi e gas di uscita) che giustifica il pesante impegno dell Unione Europea nel progetto dei BAT. La figura presenta una stima sul consumo di materie prime, escludendo acqua e possibili riutilizzo del materiale, avvenuto in Europa nel Figura 1.8: Stima del consumo di materie prime in EU-27 nel 2006 [Fonte: Eurofer, 2008]

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21 2 Tecniche e Processi Generali In questo capitolo vengono presentate le tecniche e le problematiche nell industria siderurgica e le interdipendenze energetiche dei diversi impianti, i livelli medi dei principali componenti emessi e il loro confronto con i valori limite imposti dalla Direttiva 2010/75/UE e alcune tecniche generali per la gestione delle problematiche ambientali che possono presentarsi. 2.1 Gestione dell energia nell industria siderurgica La voce principale considerata nella gestione dell energia negli impianti siderurgici è l efficienza: della rete di distribuzione; del riutilizzo dei gas prodotti; del sistema di approvvigionamento del carburante. I gas prodotti nella cokeria, nell altoforno e nel BOF danno i principali apporti energetici all intero sistema e per questo verranno presentati brevemente le problematiche in questi tre impianti Coke Oven Gas (COG) Il COG, generato durante il processo di cottura del carbone minerale, è depurato dalle sostanze non desiderate come Zolfo, Naftalene e Ammoniaca. Siccome ha il più alto potere calorifico nell intero processo, di solito, è usato per arricchire i processi successivi come carburante o agente riducente nell altoforno. Un esempio qualitativo di apporto energetico del COG è presentato nella Figura 2.1

22 12 2. Tecniche e Processi Generali Figura 2.1: Esempio di distribuzione della Potenza generata dal COG [Fonte: BAT, 2013] BF gas e BOF gas I gas dell altoforno hanno il più basso potere calorifico e temperatura di fiamma del sistema; di conseguenza la scelta più efficiente è riutilizzarli nei processi a basse temperature come: nell altoforno stesso; nell impianto di cokeria; nell impianto di produzione di energia elettrica. Il gas generato dal BOF può essere usato per arricchire il BF 1 gas grazie al suo potere calorifico superiore. Generalmente, il prodotto è per la maggior parte monossido di carbonio e necessita di un impianto di depurazione composto da: stazione di raffreddamento; autoclave; stazione di pompaggio del gas. Dopo questo, il gas è inserito nell altoforno o unito all uscita con quest ultimo per generare energia. Altri supporti energetici provengono dalla rete di distribuzione elettrica industriale e da centrali a vapore dislocate vicino agli impianti grazie all uso di gas sopra descritti. 2.2 Livello di emissioni Il rendimento energetico globale di un impianto a ciclo integrale è molto più basso rispetto a un qualsiasi impianto energetico commerciale e le sue emissioni hanno caratteristiche differenti; ad esempio, abbiamo detto che la maggior parte dell energia avviene attraverso i COG e i BF/BOF 1 Blast Furnace

23 2.2. Livello di emissioni 13 gas ma questi portano componenti dannose e inquinanti come polveri, NO x, SO x,etc,... necessitano quindi di trattamenti particolari che ne abbassano il valore energetico e così il rendimento. Portiamo come titolo di esempio i livelli medi di emissioni negli impianti energetici operanti in ciclo integrale in Europa. Figura 2.2: valori medi ottenuti da 20 impianti differenti a ciclo integrale [Fonte: Eurofer, 2008] La Direttiva 2010/75/EU descrive quali impianti sono soggetti ai valori limite dichiarati: Tutte le autorizzazioni per installazioni contenenti impianti di combustione che hanno ottenuto un autorizzazione prima del 7 gennaio 2013, o i cui gestori hanno presentato una domanda completa per una autorizzazione entro tale data, a condizione che detti impianti siano messi in servizio al più tardi entro il 7 gennaio 2014, contengono condizioni che assicurano che le emissioni nell atmosfera di tali impianti non superino i valori limite di emissione di cui al allegato V, parte 1. [Paragrafo 2, Articolo 30, Direttiva 2010/75/EU] Si specifica anche: Tutti i valori limite di emissione sono calcolati a una temperatura di 273,15 K, a una pressione di 101,3 kpa e previa detrazione del tenore di vapore acqueo degli scarichi gassosi e a un tenore standard di O 2 pari al 6% per i combustibili solidi, al 3% per gli impianti di combustione diversi dalle turbine a gas e dai motori a gas che utilizzano combustibili liquidi e gassosi [Parte 1, Allegato V] I valori limite di NO x sono presentati nella tabella seguente: Figura 2.3: Valori limite di emissione di NO x (in mg/nm 3 ) per gli impianti di combustione alimentati con combustibili solidi o liquidi ad eccezione delle turbine a gas e dei motori a gas. Nota:(1) Il valore limite di emissione è pari a 450 mg/nm 3 per la combustione di residui di distillazione e di conversione della raffinazione del petrolio greggio per il loro proprio consumo negli impianti di combustione con una potenza termica nominale totale non superiore a 500 MWth e che hanno ottenuto un autorizzazione anteriormente al 27 novembre 2002 o per i quali i gestori hanno presentato una domanda completa di autorizzazione prima di tale data, a condizione che l impianto sia stato messo in funzione entro il 27 novembre [Fonte: Parte 1, Allegato V, Direttiva 2010/75/EU]

24 14 2. Tecniche e Processi Generali Valori limite per emissioni di anidride solforosa sono i seguenti: Figura 2.4: Valori limite di emissione (in mg/nm 3 ) di SO 2 per gli impianti di combustione alimentati a combustibile gassoso ad eccezione delle turbine a gas e dei motori a gas. [Fonte: Parte 1, Allegato V, Direttiva 2010/75/EU] Valori limite di polveri emesse per combustione di sono riportati nella seguente tabella: Figura 2.5: Valori limite di emissione di polveri (in mg/nm 3 ) per impianti di combustione che utilizzano combustibili gassosi ad eccezione delle turbine a gas e dei motori a gas. Nota:(1) Il valore limite di emissione è pari a 50 mg/nm 3 per la combustione di residui di distillazione e di conversione della raffinazione del petrolio greggio, per il loro proprio consumo, negli impianti di combustione che hanno ottenuto un autorizzazione anteriormente al 27 novembre 2002 o i cui gestori hanno presentato una domanda completa di autorizzazione prima di tale data, a condizione che l impianto sia stato messo in funzione entro il 27 novembre 2003.[Fonte: Parte 1, Allegato V, Direttiva 2010/75/EU] Riferendosi ai valori massimi di polveri, NO x e SO x possiamo considerarli assolutamente in linea con quanto prescritto dalla Direttiva europea mentre per il monossido di carbonio la direttiva non riporta un limite ma delega agli enti locali la determinazione del limite massimo. 2.3 Gestione dei materiali e delle acque Grande rilevanza occupano la movimentazione e stoccaggio delle materie prime, semilavorati e scarti in quanto: i volumi da movimentare sono di una certa criticità; l abbattimento delle polveri, PM 10 in maggior parte, è difficilmente attuabile; la gestione del rottame comprendente elementi pericolosi (Cr, Cd, Mo, S, P) o radioattivi hanno problematiche rilevanti; impianti di depurazione e filtraggio sono punti critici. Gli scarti provenienti dai vari processi (BF, EAF, Secondary Steelmaking) hanno un valore commerciale e anche essi necessitano di una gestione a parte. Per quanto riguarda l acqua presente nel sistema, nel 2005, fu riutilizzato il 97,2% del volume totale e solo per il 2,8% fu necessario reintrodurla da acqua non trattata. Lo scarto di acqua esausta si aggirò intorno al 1,2% e il restante 1,6% fu dovuto a perdite (es. evaporazione). Nel 2005, per ogni tonnellata di acciaio prodotto servirono 3,16 m 3 di acqua.

25 2.4. Tecniche generali da considerare nella determinazione delle BAT 15 Figura 2.6: Esempio degli ambiti di utilizzo delle scorie derivanti da processi siderurgici (t). Nota:(1) Riferito ai processi BOF, EAF, Metallurgia Secondaria [Fonte: Euroslag, 2006] Le tecniche che permisero di ridurre lo spreco d acqua includono: rinuncio all uso di acqua potabile; aumento della capacità o il numero di impianti per filtraggio e reinserimento; centralizzare la rete di distribuzione d acqua fresca; riutilizzare l acqua in cascata fino al raggiungimento dei parametri limite; riutilizzo dell acqua, che per un processo ha raggiunto parametri limite, in un altro processo; tenere acqua trattata e non trattata separate in modo da inserirne di nuova solo a fabbisogno; usare acqua piovana dove possibile. 2.4 Tecniche generali da considerare nella determinazione delle BAT In questa sezione vengono descritte le tecniche e le osservazioni associate considerate per assolvere l obbiettivo proposto dal testo. Le principali tecniche prese in analisi sono: 1. Environmental Management Systems (EMS). 2. Energy Management. 3. Riduzione degli NO x negli impianti a gas. 4. Material Management. 5. Monitoraggio degli impianti. 6. Riduzione del rumore.

26 16 2. Tecniche e Processi Generali Environmental Management Systems Un EMS è una tecnica che permette agli operatori di installare soluzioni ambientali con metodo sicuro e sistematico applicando il concetto del Ciclo di Deming o PDCA (plan-do-check-act). Ulteriore solidità alla gestione ambientale può essere data dalle certificazioni ISO 14000: 2004 e aderendo all approccio EMAS (Eco-Management and Audit Scheme). Un EMS considera: 1. Un responsabile e senior manager del progetto. 2. Definizioni delle politiche ambientali da perseguire. 3. Gli obbiettivi, le procedure, le dipendenze e le responsabilità da stabilire. 4. Implementazione delle procedure e identificazione delle criticità. 5. Metodi di controllo e azioni correttive. 6. Adattabilità dell EMS a nuove condizioni e richieste. 7. Preparazione di regole da rispettare. 8. La nomina di un ente di controllo e vigilanza esterno. 9. Possibili impatti ambientali delle soluzioni. 10. Progettazione e applicazione. Il concetto di miglioramento continuo permette l avanzamento e miglioramento tecnologico dell impianto, permettendo di identificare le performance chiave. L analisi sistematica pone le basi per ottenere le soluzioni migliori per tutti i contesti ambientali. Linee guida per l implementazione dell EMS dovrebbero essere: aumento delle performance ambientali; miglioramento degli aspetti culturali ambientali dell azienda e incentivare le indagini per capire quali sono le richieste esterne (clienti, enti, banche, fornitori); sensibilizzare il personale; generazione di opportunità aggiuntive di risparmi e aumento della qualità; aumento dell immagine aziendale; riduzione dei costi straordinari, assicurativi e di non-conformità. L EMS è molto apprezzato come approccio interno per implementare le richieste delle normative, come la ISO Alcuni impianti che hanno adottato la tecnica sono: Buderus Edelsahl GmbH, Wetzlar, Germania Voestalpine Stahl GmbH, Kapfenberg, Austria Voestalpine Stahl GmbH, Linz, Austria ArcelorMittal Dunkirk, Florange, Fos sur Mer, Francia ILVA Rivagroup, Taranto, Italia

27 2.4. Tecniche generali da considerare nella determinazione delle BAT Energy Management Tecniche per migliorare l efficienza energetica Alcune importanti funzioni per garantire l efficienza globale dell impianto sono: Ottimizzare il consumo di energia. influenzare gli altri. Il cambio di fornitura energetica in un processo può Monitoraggio continuo. Un database permette di risalire ai dati necessari per determinare il comportamento del sistema. Strumenti di analisi e segnalazione. I strumenti di segnalazione sono usati per controllare il consumo energetico di ogni processo. Insieme al programmi di costo, i strumenti di segnalazione sono le base per ottimizzare il rendimento energetico. Livelli di consumo energetico specifico di ogni processo. consumo energetico dei processi. Si definiscono livelli limite per il Revisione. I strumenti di revisione per i progetti, i livelli e i dati raccolti sono cruciali per determinare l efficienza effettiva. Il principale beneficio è massimizzare l efficienza energetica dei gas generati nei processi e minimizzare la necessità di importare energia supplementare. Tecniche per ottimizzare l utilizzazione dei gas di processo Esistono più tecniche per ottimizzare i gas di processo, alcune di queste sono: uso di gasometri pressurizzati per generare riserve energetiche a breve termine; migliorare la rete di assorbimento e distribuzione dei gas ; arricchimento di gas con differente potere calorifico; riscaldamento dei forni con gas di processo; usare un sistema per il controllo computerizzato del potere calorifico; adeguato dimensionamento delle capacità di stoccaggio dei gas di processo, considerandone le differenze. I risultati ottenuti sono la riduzione di richieste energetiche del sistema ed emissioni in aria. Il consumo specifico di energia dipende dall ampiezza del processo, la qualità del prodotto e dal tipo di installazione.

28 18 2. Tecniche e Processi Generali Tecniche per migliorare il recupero energetico Alcune tecniche per migliorare il rendimento possono essere ottenute dal recupero energetico attraverso: recupero di calore da acque di scarico usando scambiatori di calore; installazione di caldaie a vapore alimentate dai gas di scarico; preriscaldamento dell aria comburente delle fornaci per risparmiare combustibile; isolamenti delle condutture; recupero del calore dai prodotti; pannelli solari e pompe di calore nei processi di raffreddamento dell acciaio; l uso di turbine per convertire l energia cinetica dai gas in energia elettrica. SI può ottenere così risparmio finanziario, ambientale e controllo del consumo energetico. L obbiettivo principale è il risparmio del carburante e la riduzione del fabbisogno energetico dall esterno, conseguentemente avviene la riduzione di emissioni e impatto ambientale. In alcuni paesi, Nordici soprattutto, hanno provveduto a collegare il sistema di riscaldamento civile con quello industriale, riutilizzando il calore non sfruttato dagli impianti. Questo metodo permette acqua in mandata nelle case a C e temperatura di ritorno intorno ai C. Una caratteristica tipica del sistema di riscaldamento industriale è l ottimizzazione e il controllo; ad esempio, quando il 90% della domanda annuale di energia è prodotta con acqua di scarto è difficile dividere l ottima fornitura di calore e la temperatura nei punti di produzione. La vendita di calore recuperato può essere una fonte di guadagno in un contesto di forte fabbisogno energetico odierno. Un impianto di riferimento è quello di Marienhütte in Graz, Austria, di circa 40 Gwh anno recuperati dall EAF (35 tonnellate/carico). Da un distretto combinato con impianti energetici e recupero del calore in Luleå, Svezia, negli ultimi 10 anni sono stati recuperati circa GWh di acqua calda, garantendo un risparmio approssimativo di 4,5 Mt di CO 2, 1800 tonnellate di NO x e 600 tonnellate di SO x prodotte con gasolio industriale. Il recupero ha soddisfatto il fabbisogno di acqua calda ad uso civile per tutto il distretto (che conta case) e un impianto a vapore è stato aggiunto per usare il surplus energetico ottenuto. Controllo frequente di impianti dotati di pompe e ventilatori Il controllo frequente degli impianti e la possibilità di variazione della loro velocità di rotazione permette di avere adattamenti della portata d acqua e dei gas di processo in base alla richiesta necessaria. L ottimizzazione di questi sistemi aggiuntivi comprende: la completa separazione delle pompe dal sistema quando sono spente;

29 2.4. Tecniche generali da considerare nella determinazione delle BAT 19 la sostituzione delle pompe pre esistenti con altre più piccole e moderne per migliori rendimenti; l installazione di motori ad alta efficienza. L efficienza più alta è ottenibile solo se questi impianti aggiuntivi hanno collegamenti ottimi e isolati con il resto del sistema. Gli alti risparmi energetici ottenuti, soprattutto corrente elettrica, giustificano i costi incontrati nell aggiunta dei nuovi impianti. Nell impianto precedentemente citato, Luleå, Svezia, la fornitura addizionale di elettricità ottenuta si aggira intorno ai 3,2 Gwh/anno con un risparmio di CO 2 pari a 250 ton/anno. Un sistema ottimizzato garantisce la riduzione di fabbisogno energetico di tipo elettrico dall esterno fino al 30%. La riduzione dei costi energetici significa che il tempo di recupero dell investimento è accelerato, riducendosi ad un orizzonte di 2-3 anni, con un ritorno del 30-50%. Un esempio è l impianto di Ulm, in Germania risparmio energetico: 64% o 325 Mwh/anno risparmio netto: Euro/anno investimento iniziale: Euro payback period: 2,1 anni ritorno dell investimento: 48% Riduzione di NO x in impianti energetici con processi di gas combusti Misure principali per la riduzione di NO x Le seguenti misure principali riducono solo il thermal NO x ossia quelli generati ad alte temperature e possono essere combinate tra loro: impiego di bruciatori a basso NO x ; ricircolazione dei fumi; iniezione di aria per i residui di combustione con bruciatori substechiometrici; iniezione di carburante di riduzione (gas riciclato e gas naturale); fase di introduzione dell aria; fase di introduzione del carburante. La combinazione più usata ed efficace è l impiego di bruciatori a basso NO x con ricircolo di fumi che porta i valori degli ossidi di azoto a una media di mg/nm 3 contro i 200 mg/nm 3 generati dal COG. A questa combinazione si può unire l iniezione di aria aggiuntiva ma negli impianti esistenti è causa perdite di efficienza. Un altra possibilità è bruciare i fumi residui in condizioni substechiometriche e successivamente aggiungere aria per la combustione. Comparata con la prima opzione, questa riduce solo di un

30 20 2. Tecniche e Processi Generali terzo le emissioni; oltretutto, se l aggiunta avviene nella fornace l aumentare della presenza di CO favorisce la corrosione delle pareti. Soluzione alternativa è l introduzione di gas naturale con gas esausto riciclato ma non è efficiente se usato con bruciatori a basso NO x. Nei bruciatori, intorno alla fiamme, ci sono zone con differenti concentrazioni di ossigeno così che l area di combustione è più ampia e il fronte di fiamma impiega più tempo a percorrerla. Si può risolvere il problema introducendo l aria direttamente sul bruciatore. Questa soluzione causa una riduzione di NO x. L introduzione in due fasi del combustibile causa una riduzione di ossidi di azoto simile al caso precedente. I benefici ottenuti dalle singole soluzioni sono schematizzati nella Figura 2.7. Figura 2.7: Efficienza di riduzione degli NO x per le tecniche presentate [Adattato da: BAT, 2013] Misure secondarie per la riduzione di NO x La riduzione di ossidi di azoto con misure secondarie può avvenire tramite riduzione catalitica selettiva (SCR) o riduzione non-catalitica selettiva (SNCR). Per la prima soluzione si usa ammoniaca iniettata nei fumi per convertire NO x in molecole di idrogeno e acqua. A una temperatura superiore ai 320 C si formano i sali di ammoniaca che possono danneggiare il convertitore catalitico. Posso posizionare il convertitore nell impianto tra l economizzatore e il filtraggio dei fumi, dopo il filtraggio dei fumi oppure prima dell uscita. Nella prima opzione i fumi si trovano tra i C, garantendo la conversione dei NO x ma la presenza di polveri e ossidi di zolfo possono danneggiare il convertitore. Nelle altre due opzioni i fumi escono già filtrati ma necessitano di un preriscaldamento prima di entrare nel convertitore che fa perdere rendimento all impianto. La tecnica SNCR non necessita di un catalizzatore ma ha bisogno di lavorare a temperature tra 900 e 1000 C. L investimento iniziale è meno oneroso ma necessità di una maggiore quantità di agenti riducenti e il controllo delle temperature non è di facile implementazione. Per la tecnica SCR i contenuti medi annuali di NO x calano di circa il 20% mentre per il SNCR non sono disponibili dati.

31 2.4. Tecniche generali da considerare nella determinazione delle BAT Gestione dei materiali Tecniche per migliorare l utilizzo del rottame Alcuni impianti come l EAF o il BOF necessitano di grandi quantità di rottame e la presenza di metalli indesiderati sono causa di molti processi successivi con le relative emissioni. Le tecniche seguenti possono aiutare l operatore a caratterizzare i rottami che usa: specificare i criteri di accettazione durante l acquisto di rottame; conoscenza della composizione del rottame; controllo dei flussi in entrata e uscita nel parco rottame; procedure per l esclusione di rottame non conforme; stoccaggio del rottame attraverso differenti criteri (dimensioni, grado di purezza, composizione); stoccaggio su superfici impermeabili e coperte; filtraggio e pulizia del rottame per evitare inclusioni di PCB e oli; processi per la rimozione di componenti radioattivi o inquinanti, come il Mercurio; stoccaggio e trattamento addizionale per componenti elettrici ed elettronici; Saper riconoscere e selezionare il rottame contribuisce a limitare le emissioni di polveri e inquinanti. L approccio presentato permette un aumento di impiego del rottame nei EAF e nel BOF, permettendo un migliore riciclaggio ed efficienza energetica. Un maggior e miglior impiego del rottame aumento l efficienza dell impianto e il risparmio energetico che si traducono in maggior margine di profitto. Tecniche per ridurre le emissioni e l immissione in acque durante stoccaggio, movimentazione e trasporto del materiale Il documento Emissions From Storage (EFS), 2006, presenta in dettaglio gli argomenti seguenti. Le emissioni di polveri secondarie, dovute a movimentazione, sono problematiche sia per l impatto sull ambiente che per il personale coinvolto. Per minimizzare l emissione di queste polveri si può implementare un piano di abbattimento delle polveri integrato con EMS o considerare la cessione temporanea delle attività caratterizzate da alte emissioni. Per fare questo sono necessarie stazioni di monitoraggio per i PM 10. L acqua piovana può trascinare con sé solidi in sospensione provenienti dalle aree di stoccaggio delle materie prime e dalle aree di deposito degli scarti. Una soluzione sarebbe l intercettamento, filtraggio e il controllo dell acqua attraverso percorsi forzati per poi convogliarla in serbatoi supplementari al sistema siderurgico.

32 22 2. Tecniche e Processi Generali Impianti specializzati nel riciclaggio di residui ricchi di ferro Ci sono quattro tecniche per il riciclo dei residui ferrosi: forno a tino OxyCup; Processo DK; Processi di riduzione per fusione; pellets/mattoni agglomerati a freddo. OxyCup La tecnica è composta da tre moduli operativi: produzione di mattoni, componenti di supporto e OxyCup. Il primo modulo compatta i residui con altro coke e componenti metallici; è un processo che avviene a freddo che combina un legante e acqua con coke polverizzato pressati assieme, asciugati e cotti. I mattoni sono poi mescolati con il Ferro fuso nel forno. Il forno OxyCup è applicabile in qualsiasi impianto in quanto ha processi molto simili a quelli che già avvengono. L impianto OxyCup a Duisburg-Hamborn, Germania, produce ton/anno di metallo. Processo DK Il processo DK consiste in un impianto di sinterizzazione e un altoforno. A differenza degli altri processi l 80% del materiale in input sono polveri e scarti dell altoforno e del BOF. Nella sinterizzazione le polveri sono agglomerate a caldo con polvere di carbone e leganti; dopo che si sono raffreddati, i componenti sono inseriti nell altoforno. A causa dell alto contenuto di Zinco (2-3%) presente nei materiali in entrata, gli scarti dell altoforno vengono mandati in zincheria. Ci sono due tecniche alternative per questa tipologia: il processo Primus e il processo Redsmelt. Il processo Primus consiste in una combinazione di tre effetti: asciuga, scalda e inizia la riduzione del composto; seguita poi da una fusione in un EAF che prosegue la riduzione e fonde. Il processo Primus permette trattamenti di tutti i residui tipici, metallici e non. Può essere impiegato anche nelle mini-mill e nei grandi processi a ciclo integrale per ridurre scarti e aumentare la resa delle materie prime. Il processo Redsmelt consiste nel pellettizzare i residui con un riducente (carbone), scaldarli in una fornace e fonderli in un EAF. Il processo DK è stato usato sin da inizio Novecento e, oggigiorno, contribuisce a limitare la quantità degli scarti industriali che effettivamente escono da un ciclo integrale; infatti, solo il 4% degli scarti richiedono un effettivo smaltimento esterno. Per il processo DK c è da citare il problema delle emissioni di PCDD/F che necessitano di trattamenti particolari. Altra nota importante è il problema delle sostanze alcaline, come Zinco, che usurano l interno dei forni e causano un alto consumo di riducenti. Processi di riduzione per fusione I processi necessitano di grandi quantità di ossidanti e una successiva fusione per separare i metalli dagli altri componenti che formano la schiuma superficiale.

33 2.4. Tecniche generali da considerare nella determinazione delle BAT 23 I processi di riduzione per fusione permette un completo reimpiego del Ferro, Zinco e componenti usati nella costruzione di strade. Pellets/mattoni agglomerati a freddo Consiste nell agglomerare a freddo le polveri generate dalla movimentazione e dal trasposto, con gli scarti. Si tratta della tipologia più utilizzata in quanto più economica e di semplice implementazione. L uso di pellets/mattoni agglomerati a freddo permette di ridurre la quantità di scarti da smaltire esternamente e non emette NO x o SO x. Non può sostituire completamente la sinterizzazione a caldo. La pellettizzazione a freddo aumenta il rendimento energetico del sistema e permette di abbassare il livello di polveri sottili. Nel caso dei pellet agglomerati a freddo, l ILVA di Taranto li pulisce dalle polveri con un filtro. La concentrazione di polveri si aggirano intorno ai mg/nm 3. Il recupero di minerali è uno dei principali drivers per una politica di riduzione dei costi e problematiche di smaltimento Monitoraggio degli impianti Monitoraggio continuo dei parametri e delle emissioni in aria Il monitoraggio continuo necessita di un sistema informatico integrato per garantire l aggiornamento dei dati istantaneamente. I principali parametri misurati sono: pressione; temperatura; concentrazione di ossigeno; concentrazione di CO; flussi di materiali in entrata e in uscita. I vantaggi ottenuti sono interventi tempestivi e cronologia storica accurata; permette, inoltre, di ottimizzare i processi e minimizzare la domanda energetica. Monitoraggio discontinuo dei parametri e delle emissioni in aria Il monitoraggio discontinuo è utilizzato per sostanze più particolari come: PCDD, VOC, metalli pesanti. Normalmente il periodo di controllo oscilla da 1 a 30 giorni, con intervalli dalle 6 alle 8 ore tra una misurazione e l altra.

34 24 2. Tecniche e Processi Generali Monitoraggio dei PCDD/F I PCDD/F (Polychlorinated dibenzo-p-dioxins/dibenyofurans) comprendono diossine e simili presenti nei gas esausti. Esistono differenti metodi per determinarne la concentrazione ma dipendono da alcuni parametri quali: raggio in cui è concentrata la diossina; polveri; intervallo di temperatura; la quantità di carbone in polvere presente nei gas; cambiamenti delle condizioni di processo; la presenza di effetti dati dalle precedenti. La guida di riferimento è il manuale EN 1948 che definisce gli standard europei accettati. Esistono altre guide per la determinazione delle concentrazioni e dei metodi di misurazione usate in Europa, come la EPA 23 A americana, usata per le acque e gli impianti inceneritori. Le misurazioni avvengono ogni 6-8 ore. I costi stimati di misurazione oscillano tra i 6000 euro, per misurazioni e analisi di alcuni giorni, fino a poche centinaia, per solo misurazioni delle diossine in un giorno. Monitoraggio delle emissioni diffuse e fuoriuscite Le emissioni possono essere stimate secondo i metodi seguenti: metodi con misurazioni dirette fatte alla fonte (le concentrazioni e la massa vanno stimate); metodi con misurazioni indirette ( le emissioni sono misurate a una certa distanza e le concentrazioni e la massa non possono essere ottenute direttamente); calcolo con fattori di emissione. Monitoraggio dello scarico delle acque di scarto Il monitoraggio può considerare una raccolta casuale di dati presi dai campioni per riferirsi ad un singolo campione di acqua, una raccolta continuativa su un dato periodo o una raccolta che faccia riferimento ad un campione raccolto nello stesso periodo massimo di 2 ore e minimo di 2 minuti Riduzione del rumore Molti processi nell industria siderurgica producono rumori significativi e le tecniche principali per ridurle coinvolgono strutture fisiche e organizzazione dei processi come isolamento dalle vibrazioni, coperture interne/esterne per isolamento acustico, costruzione di muri protettivi( es. barriere naturali che isolino uffici da impianti produttivi), porre organi silenziatori alla fonte.

35 3 Applicabilità delle BAT negli impianti In questo capitolo verranno prese in considerazione le tecniche di compatibilità ambientale nei principali impianti del ciclo siderurgico, quali l impianto di sinterizzazione, di pellettizzazione, le cokerie, l altoforno, BOF, EAF. 3.1 Impianto di sinterizzazione Il processo consiste nel mescolare minerali di metalli in polvere, materiale di riciclaggio proveniente dai processi a valle e additivi (es. dolomia, olivina) per poi aggiungere carbone in polvere per permetterne la cottura. L uso di antracite può essere una alternativa più economica al carbone ma può aumentare la concentrazione di sostanze non desiderate come NO x Emissioni in aria Le emissioni in aria sono dovute a polveri provenienti dalla movimentazione, lavorazione e dai gas di fine processo ( Nm 3 /t di sinterizzato). Le polveri, principalmente con diametri intorno ai 100 µm e 1 µm, con concentrazioni tra i mg/nm 3, possono essere abbattute installando Precipitatori Elettrostatici con Elettrodi Mobili (MEEP) portando la concentrazione media sotto i 50 mg/ Nm 3. Alcuni dei composti presenti nei gas di fine processo sono: Piombo Mercurio Zinco Sostanze alcaline (K 2 O, Na 2 O) Ossidi di Zolfo Fluoruri Ossidi di Azoto

36 26 3. Applicabilità delle BAT negli impianti Piombo Si presentano sotto forma di Cloruri di Piombo e il metodo migliore per limitarne la presenza è estrarre il Cloro prima della combustione delle polveri. Mercurio Per alcuni tipi di minerali ferrosi, il Mercurio emesso a fine sinterizzazione è compreso tra i 0,7-207 mg/ Nm 3, valori che possono essere rilevanti per l impatto ambientale del luogo. Zinco Normalmente ha concentrazioni comprese tra i g/t di sinterizzato. Alle alte temperature può evaporare ma reagisce subito con il Ferro che lo mantiene nel sinterizzato. I gas trattati ed emessi hanno concentrazioni comprese tra i 2 e i 1930 mg/t. Sostanze alcaline Normalmente le concentrazioni medie di Ossidi di Potassio e di Sodio variano tra i g/t e i g/t di sinterizzato. La presenza di queste sostanze alcaline, caratterizzate da un alta resistività, abbassano drasticamente il rendimento del processo e vanno limitate dove possibile. Ossidi di Zolfo Questi Ossidi sono inseriti principalmente dal fumi caldi provenienti dagli altoforno e dai BOF. Le concentrazioni medie di ossidi emessi variano tra i 200 e i 1000 g/t di sinterizzato. Fluoruri L emissione dei Fluoruri dipendono principalmente dalla basicità del minerale di partenza. Le concentrazioni medie emesse dagli impianti di sinterizzazione sono comprese tra 0,4-8,2 g/t di sinterizzato. Ossidi di Azoto Questi si formano ad alte temperature, principalmente vicino al fronte di fiamma; può formarsi in tre modi: 1. Attraverso combustione delle sostanze organiche contenenti Azoto (fuel NO x ). 2. Decomposizione e seguente reazione di N 2 presente in aria vicino all area di combustione (prompt NO x ). 3. Reazione dell O 2 e di N 2 presente in aria nelle combustione (thermal NO x ) Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT Precipitatori elettrostatici (ESP) avanzati Il metodo più comune di trattamento fumi è l uso di precipitatori elettrostatici, che siano a secco o ad acqua. In quest ultimi un flusso costante d acqua rimuove le polveri, venendo poi trattata a valle.