Tecniche avanzate per la riduzione degli NOx nei forni per la produzione vetraria

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Arturo Gallo
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1 Mir Stekla 2016 Giampaolo Bruno, Ernesto Cattaneo, Giorgio Minestrini, Alessandro Mola, Francesco Prosperi - Presentato da Ernesto Cattaneo Tecniche avanzate per la riduzione degli NOx nei forni per la produzione vetraria

2 Ossidi d azoto (NO x ) Gli ossidi d azoto sono inquinanti dell atmosfera che si ritiene aggravino le condizioni delle persone che soffrono di asma. Alcuni NOx, in presenza di radiazione solare, possono reagire con l ossigeno, formando altri composti del cosiddetto smog fotochimico, se in presenza di idrocarburi (HC). Il triossido e il pentossido d azoto possono formare acido nitroso e nitrico, responsabili delle piogge acide. Per proteggere l ambiente e la vita, le legislazioni sulla produzione industriale di NOx stanno diventando sempre più restrittive, in tutto il mondo. 2

3 NO x Termici Il principale meccanismo di formazione degli NOx è quello detto degli NOx termici, i composti indesiderati, generati dalla rottura dell azoto molecolare (N2 rappresenta circa l 80% dell aria ambientale) ad alta temperatura, in presenza di ossigeno. 3

4 CO, NO x e O 2 La più immediata azione che può essere presa per contrastare la formazione degli ossidi d azoto è una riduzione del rapporto aria combustibile, ma anche la produzione del CO deve essere tenuta in considerazione. Infatti, mentre un alto eccesso d aria implica una superiore formazione di NOx, una carenza di ossigeno porta ad un incompleta ossidazione del combustibile. L immagine mostra un tipico andamento del contenuto di NOx e di CO, in funzione della quantità di O2 nei fumi, misurata al torrino. 4

5 Progetto Prime Glass Due tecniche di abbattimento primario Stara Glass, come compagnia di progettazione di forni, ha analizzato il problema degli NOx per diversi anni, sperimentando diverse soluzioni, e sta attualmente gestendo il progetto LIFE Prime Glass (LIFE12 ENV/IT/ insieme all Università di Genova e alla Stazione Sperimentale del Vetro, un istituto di ricerca nazionale, con sede a Murano. 5

6 Ricircolo fumi strategico È noto che una combustione, anche ad altissima temperatura, se è sviluppata per mezzo di un comburente che contenga una percentuale di ossigeno inferiore al 21% atmosferico, produrrà una quantità inferiore di NOx. In diversi ambienti industriali, è pratica comune quella di convogliare una parte dei gas combusti all interno del fluido comburente, in modo da ridurre la percentuale di ossigeno e, quindi, la generazione di NOx. 6

7 Applicazione nell industria vetraria Stara Glass ha sviluppato un metodo che consente di applicare la tecnica del ricircolo fumi ai forni rigenerativi per la produzione vetraria, massimizzando I benefici di questa tecnologia: se la ricircolazione è effettuata alla base delle camere di rigenerazione, oltre a limitare la concentrazione di ossigeno nel fluido comburente, la conseguente iniezione delle molecole polari di CO2 e H2O contenute nei fumi permetterà al fluido comburente di scambiare calore anche per irraggiamento, con la conseguenza di incrementare l efficienza delle camere di rigenerazione. AIR CHAMBER Furnace WG CHAMBER

8 Stara Glass ha eseguito diversi studi CFD su questa tecnologia, finalizzati a massimizzare gli abbattimenti di NOx e l aumento dell efficienza delle camere, arrivando a brevettare la tecnologia. Ricircolo strategico

9 L impianto Diversi impianti di ricircolo fumi sono stati messi in funzione e I risultati sperimentali, con abbattimenti di ossidi d azoto, anche superiori al 25% hanno confermato l analisi teorica.

10 Risultati Il grafico, tratto dalle misure effettuate su uno dei forni aderenti al progetto Prime Glass mostra I risultati degli abbattimenti di NOx a diverse percentuali di ricircolo fumi. NOx [mg/nm3 8% O2]

11 Campionamenti Le misure locali, in questo caso campionate al 10% di portata ricircolata, mostrano la coerenza della distribuzione misurata con quella calcolata. 11

12 Air staging ad alta efficienza Un altra tecnica mutuata da altri ambiti industriali, già sperimentata nei forni rigenerativi, è quella della combustione a stadi: in camera di combustione, dove la temperatura è massima, si effettua una combustione ridotta, dopodiché, nel torrino fumi, la combustione viene completata da un iniezione di aria secondaria. Il limite di questa tecnologia è rappresentato dalle perdite energetiche relative all utilizzo di aria comburente a temperatura ambiente, si è pensato perciò di sfruttare il naturale gradiente di pressione presente fra i torrini per effettuare la post-combustione con aria preriscaldata. L analisi CFD effettuata nell ambito del progetto Prime Glass ha evidenziato un limite anche in questa soluzione, inerente ai problemi di miscelamento dell aria di staging con i fumi. Air staging caldo: -Ottima efficienza energetica (> -0.5%) -Pessimo miscelamento Air staging freddo: -Miscelamento ottimale -Alto decadimento delle prestazioni ( -1.5%) 12

13 Air staging ad alta efficienza Si è quindi scelto di procedere a sperimentare una soluzione intermedia nella quale l aria calda proveniente dal torrino del comburente è convogliata a quello dei fumi per mezzo di un getto freddo, molto inferiore in portata (10-15% del totale) ma è spinto ad alta velocità ( m/s). Il primo impianto sperimentale di questa tecnologia inizierà le sue campagne di test durante la primavera

14 Air staging ad alta efficienza Solo flusso caldo Caldo + freddo 14

15 Applicazione della tecnologia SNCR (abbattimento secondario) ai sistemi di recupero ibridi Stara Glass ha sviluppato diversi sistemi ibridi ceramico/metallici per il recupero del calore, dei quali il principale è Centauro, nel quale la parte a bassa temperatura delle camere di rigenerazione di un tradizionale forno rigenerativo è sostituita da un sistema metallico dal funzionamento continuo. Questo tipo di sistema di recupero può essere dimensionato in modo da far cadere, nel condotto che collega la parte metallica a quella ceramica, la finestra di temperature che permette l utilizzo di un sistema non catalitico di abbattimento degli NOx (SNCR). 15

16 Applicazione della tecnologia SNCR ai sistemi di recupero ibridi Di conseguenza, come dimostrato da numerose evidenze sperimentali raccolte sui vari impianti funzionanti, iniettando ammoniaca o urea nei fumi, nei punti in cui si trovano a C, è possibile ottenere abbattimenti di NOx superiori all 80%, senza la necessità di installare un impianto catalitico (SCR), oneroso, voluminoso e complicato nella gestione. 16

17 Applicazione della tecnologia SNCR ai sistemi di recupero ibridi Nel seguente grafico si mostrano i risultati dell abbattimento degli NOx in un impianto SNCR per Centauro, a diversi livelli di iniezione di urea. Impianto spento 17

18 Conclusioni Oggi abbiamo quindi a disposizione diverse tecniche di contenimento degli ossidi d azoto, che possono essere usate separatamente o in parallelo. Bisogna comunque considerare che, sia negli impianti esistenti che in quelli nuovi, il primo passo consiste sempre nell ottimizzazione della combustione, sia a livello di gestione del rapporto aria/combustibile, che di utilizzo dei bruciatori, dei quali sarebbe opportuno indagare il posizionamento ottimo per ogni condizione produttiva. Alla presente e alle future generazioni di forni per la produzione vetraria non sono richiesti solamente obiettivi produttivi, ma anche ecologici, il cui raggiungimento è possibile solo tramite un evoluzione della mentalità dei gestori, che deve essere sempre più focalizzata sulle problematiche ambientali. Grazie per l attenzione, seguiteci su

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