DEPURAZIONE FUMI

1. DEPURAZIONE FUMI Sistemi ad Umido Sistemi a semisecco Sistemi a secco Ing. Ph. D. Daniele De Lodovici

2. Gli inquinanti prodotti dal processo di termovalorizzazione (1a) Negli ultimi anni l’impatto ambientale degli impianti di incenerimento si è progressivamente ridotto a seguito dell’adozione di tecnologie di controllo via via più efficienti in risposta a prescrizioni sempre più restrittive imposte dalla normativa in termini di emissioni di inquinanti. Gli inquinanti emessi sono sostanzialmente riconducibili a due categorie: • macroinquinanti, presenti in concentrazioni di mg/m3 • microinquinanti, presenti in concentrazioni di mg/m3 o ng/m3

3. Gli inquinanti prodotti dal processo di termovalorizzazione (2a) • I macroinquinanti rappresentano gli inquinanti tradizionali associati ai processi di combustione e derivano da componenti già presenti nel rifiuto (Cl, S, N, P), da reazioni secondarie non desiderate e dall’ossidazione incompleta del carbonio. • I microinquinanti sono caratterizzati da elevata tossicità e persistenza e sono principalmente costituiti da metalli e composti organici; i primi (Cd, Hg, Pb ed altri metalli pesanti) sono riconducibili alla loro presenza nel rifiuto mentre i secondi (principalmente diossine e furani) derivano da una serie di processi di sintesi e distruzione che si verificano durante il processo di combustione e il successivo raffreddamento dei fumi.

4. Il problema delle diossine • Formazione dovuta alla presenza di: Carbonio, Cloro, Ossigeno, Catalizzatori metallici (Cu, Fe) • In un inceneritore sono attivi fenomeni di: formazione, distruzione, riformazione, accumulo / rilascio • Emissioni in atmosfera: Limiti a partire dai primi anni ‘80 DM 503/97: riduzione dei limiti di 800 volte! Se rispetta i limiti alle emissioni di diossine (0.1 ng m-3 TEQ) un inceneritore fornisce contributi di diossine trascurabili rispetto ad altre sorgenti • Contaminazione dei residui:elevata per polveri, residui dei trattamenti e fanghi

5. Il controllo degli inquinanti prodotti Una buona combustione è requisito preliminare per contenere le emissioni organiche ed altri inquinanti associati ad una combustione incompleta del carbonio o ad ossidazione di azoto molecolare. Ipotizzando, un controllo ottimale della combustione, si può agire per rimuovere gli inquinanti comunque prodotti attraverso tecnologie mirate di depurazione a valle della sezione di combustione.

6. Il controllo del particolato (ceneri) • Il trattamento richiede alti rendimenti di rimozione, superiori al 99%, poiché è necessario rimuovere, oltre al grosso del particolato, anche il materiale con granulometria più fine che veicola molti microinquinanti di natura tossica (Cd, Pb,diossine e furani). • Per il controllo del particolato si possono usare processi a secco e processi a umido: depolveratori a ciclone o multiciclone, elettrofiltri, filtri a maniche, sistemi di tipo Venturi.

7. Il controllo del particolato – I cicloni (1a) • Sono sistemi di depurazione che separano le particelle dalla corrente gassosa sfruttando la forza centrifuga imposta dal moto vorticoso della corrente stessa, determinato da ingressi tangenziali e opportunamente sagomati. Le polveri aderiscono alle pareti e cadono nella tramoggia sottostante per effetto della gravità e del flusso discendente. • Esistono diversi tipi di cicloni, la configurazione più utilizzata è quella a doppio flusso, ad ingresso tangenziale ed uscita assiale.

8. Vantaggi: Semplicità di funzionamento Versatilità Bassi costi di gestione Svantaggi: Scarsa efficienza (max 90%) per granulometrie fini sotto i 5 μm Rischio di erosione, corrosione ed intasamento. Per queste ragioni il sistema è usato come pretrattamento per sistemi più sofisticati. Il controllo del particolato – I cicloni (2a)

9. Il controllo del particolato – Gli elettrofiltri (1a) • Separano le particelle solide e liquide dal flusso gassoso mediante forze elettriche; le particelle in sospensione vengono caricate elettricamente generando su esse una forza che le fa convergere su un elettrodo collettore, da cui sono rimosse con percussori meccanici o vibratori elettromeccanici o inerziali. • Sono caratterizzati da un’elevata efficienza e sono adatti all’abbattimento di particelle in un ampio range di granulometria (1000 - 1μm), di temperatura e di portata.

10. Vantaggi: Il particolato recuperato è inalterato e allo stato secco Si possono trattare effluenti di grande portata e molto corrosivi Le esigenze di manutenzione sono ridotte Svantaggi: Si adattano male alle condizioni variabili degli effluenti da trattare I costi iniziali sono elevati Hanno ingombri notevoli Esistono rischi di incendio ed esplosione Il controllo del particolato – Gli elettrofiltri (2a)

11. Il controllo del particolato – I filtri a maniche • Sono costituiti da uno o più comparti isolati (escludibili singolarmente per pulizia e manutenzione) contenenti elementi filtranti a forma di maniche o sacchi. L’entità della rimozione raggiunge valori più elevati con l’utilizzo di materiali a base di fibre microporose (Goretex e simili). Vantaggi: • Efficienze di captazione superiori al 99% soprattutto per il particolato fine • Il materiale recuperato è inalterato e non vi sono liquidi da trattare Svantaggi: • È necessario disporre di apparati affidabili per il controllo di temperatura e umidità dei gas

12. Il controllo del particolato – I sistemi Venturi Sono sistemi di depolverazione a umido che realizzano la captazione delle polveri mediante l’atomizzazione spinta del liquido. Vantaggi: • Efficienze adeguate, seppur inferiori a quelle dei filtri a maniche Svantaggi: • Elevate perdite di carico • Presenza di spurghi liquidi da trattare e smaltire

13. Il controllo dei gas acidi Per il trattamento esistono processi a secco e processi a umido. • Nei primi, la rimozione dei gas acidi si ottiene attraverso reazioni di neutralizzazione, dovute a fenomeni di adsorbimento, chemiadsorbimento e assorbimento sul reagente. I prodotti della neutralizzazione sono allo stato di polveri e devono perciò subire un ulteriore processo di depolverazione affinché la rimozione sia completa.

14. Il controllo dei gas acidiprocessi a secco o semisecco Il reagente più utilizzato è la calce che interviene neutralizzando gli inquinanti attraverso le seguenti reazioni di chimiche: Ca(OH)2+2HCl → CaCl2+2H2O Ca(OH)2+2HF → CaF2+2H2O Ca(OH)2+SO2→ CaSO3+2H2O

15. Il controllo dei gas acidi Processi a secco o semisecco • I rendimenti di reazione sono influenzati dalla temperatura di esercizio. Per evitare il dosaggio di consistenti eccessi di reagente è necessario operare nell’intervallo ottimale di temperatura compreso tra 110-150 °C. • Nelle condizioni ottimali di esercizio il processo consente l’ottenimento di concentrazioni nei gas trattati di 10-30 mg/m3 di HCl e di 15-50 mg/m3 di SO2. • Nonostante i rendimenti di rimozione raggiungibili siano inferiori a quelli ottenibili con processi ad umido i processi a secco e semisecco hanno il vantaggio di non produrre spurghi liquidi.

16. Il controllo dei gas acidiProcessi a secco o semisecco In alternativa alla calce può essere utilizzato il bicarbonato di sodio che prevede una prima fase di decomposizione termica con formazione di carbonato di sodio, vero artefice della neutralizzazione: 2NaHCO3t>130°C→ Na2CO3 + CO2 + H2O Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 + H2O Na2CO3 + 2HF → 2NaF + CO2 + H2O Na2CO3 + SO2 + 1/2O2 → Na2SO4 + CO2

17. Il controllo dei gas acidiProcessi a secco o semisecco • Il bicarbonato di sodio ha una maggiore affinità con HCl ed SO2 rispetto alla calce, di conseguenza è possibile ottenere il livello di rimozione voluto utilizzando un minor eccesso di reagente ottenendo complessivamente anche una minor produzione di residui solidi da smaltire. • In realtà vanno considerati i costi più elevati del reagente e il fatto che la maggior reattività del bicarbonato diminuisce al diminuire della temperatura, fino ad una equivalenza tra i processi per temperature nel range di 125 - 150°C. • Di conseguenza la necessità di operare a temperature non inferiori a 140 °C (valori ottimali 170-180°C), rende il sistema di per se meno efficace nel contemporaneo controllo dei micro-inquinanti volatili.

18. Il controllo dei gas acidiProcessi a secco o semisecco • Nelle rispettive condizioni ottimali di temperatura restano inalterati, dal punto di vista processistico, i vantaggi offerti dal bicarbonato di sodio nel rimuovere i gas acidi fino a concentrazioni inferiori rispetto a quelle ottenibili utilizzando calce.

19. Il controllo dei gas acidiProcessi a umido • Costituiscono la tecnologia più consolidata come conseguenza degli elevati rendimenti di prestazione. Il processo di rimozione si basa sul trasferimento in fase liquida dei gas acidi grazie ad opportuni solventi. La scelta del liquido di lavaggio e della configurazione d’impianto è fatta in base alla solubilità dell’inquinante: acqua in semplici torri a spruzzo per HCl ed HF, altamente idrofili; soluzioni alcaline di soda per SO2 caratterizzata da una più bassa solubilità in acqua. • Un’evoluzione del sistema umido è l’accoppiamento con il sistema a semisecco: lo spurgo della torre di lavaggio viene usato per produrre latte di calce. L’eliminazione degli inquinanti avviene pertanto solo in fase secca attraverso il filtro a maniche.

20. Il controllo degli ossidi di azoto Riduzione non catalitica (SNCR) • Il processo di riduzione degli ossidi di azoto (NOx) avviene, grazie all’aggiunta di ammoniaca o urea in camera di combustione ad elevate temperature. • Ammoniaca: 4NH3 + 4NO +O2→ 4N2 + 6H2O • Urea : 2CON2H4 + 4NO + O2 → 2CO2 + 4N2 + 4H2O • Il processo necessita di un accurato posizionamento degli ugelli di iniezione del reagente in zone con temperature comprese tra 950-1050 °C. Per valori di temperatura >1000 °C si verifica un calo di rendimento del processo mentre per temperature inferiori a 950 °C oltre ad una riduzione dell’efficienza del processo si verifica un rilascio di ammoniaca nei fumi. • I rendimenti ottenibili con questo sistema sono del 60% con perdite di ammoniaca intorno ai 10 mg/m3 e del 70% con perdite intorno ai 30 mg/m3. • L’eccesso di ammoniaca può reagire con i gas acidi (SO2 e HCl) per formare solfati e cloruri d’ammonio in grado di creare seri problemi di incrostazione lungo le linee.

21. Il controllo degli ossidi di azoto Riduzione catalitica (SCR) • Il processo catalitico selettivo di riduzione degli ossidi di azoto avviene a temperature significativamente più basse (190 – 350 °C) rispetto al processo SNCR grazie all’azione del catalizzatore che riduce l’energia di attivazione richiesta. Le reazione coinvolte sono le seguenti: • 4NH3 + 4NO + O2→ 4N2 + 6H2O • 4NH3 + 2NO2 + O2→ 3N2 + 6H2O • Il reagente dosato e la presenza del substrato catalitico, a base di ossido di vanadio, tungsteno e/o platino supportati su titanio, consentono efficienze di rimozione molto superiori rispetto ad un processo tipo SNCR (90% con perdite di ammoniaca di 5mg/m3). • I costi operativi e d’investimento sono però più alti rispetto alla tecnologia SNCR, inoltre l’installazione in coda alla depurazione determina spesso costi aggiuntivi nel riscaldamento dei gas.

22. Il controllo dei microinquinanti inorganici ed organici La presenza di metalli e microinquinanti organici (diossine e furani) è principalmente associata: • Al particolato di granulometria più fine, che veicola gran parte dei metalli (in particolare Cd e Pb) e degli organici clorurati a maggior peso molecolare. • Alla fase gassosa, considerato che la quasi totalità del mercurio ed i composti organici a basso peso molecolare vengono rilevati in forma di vapore. • I sistemi di controllo di questi inquinanti sono combinazione di più interventi: un’efficace captazione del particolato più fine e per i metalli si possono sviluppare effetti di condensazione o usare additivi adsorbenti (carboni attivi).

23. Il controllo dei microinquinantiEffetti di condensazione • La riduzione della volatilità, necessaria al passaggio dell’inquinante alla fase liquida, viene condotta agendo sulla temperatura dei trattamenti, oppure dosando appositi additivi. • La prima è una tecnologia che ha limitata applicazione nei processi a secco, per problemi legati alla funzionalità del depolveratore (condense acide), mentre è ottima nei processi a umido, con riduzioni sino a 60-70 °C (es. i lavatori o scrubber). L’efficienza è però legata alla rimozione degli aerosols contenenti le frazioni condensate.

24. Il controllo dei microinquinantiEffetti di condensazione • La riduzione della volatilità tramite aggiunta di additivi al liquido di lavaggio può essere una soluzione che è usata con successo,per esempio col mercurio. Si utilizzano come additivi soluzioni a base di solfuri, organici e inorganici. Il reattivo più utilizzato è il solfuro di sodio. • Le efficienze arrivano al 90% ma richiedono una filtrazione spinta del particolato, che è il prodotto finale di reazione. • Sistemi simili sono i filtri al selenio. I problemi legati a questa tecnologia sono la necessità di avere temperature inferiori a 70 °C per avere adeguate efficienze, i rischi di occlusione e avvelenamento dei moduli e l’esigenza di smaltimento.

25. Il controllo dei microinquinantiAdditivazione di sorbenti • È l’alternativa migliore per microinquinanti volatili e in particolare per mercurio e diossine. Il processo sfrutta la capacità di trattenere i gas, tipica di alcuni solidi (carboni attivi) che, a temperatura costante e senza umidità sono saturati dai solventi fino all’equilibrio. • Per il controllo dei microinquinanti organici (diossine) si possono usare anche i catalizzatori che, fissano anche l’ossigeno dei fumi e innescano la reazione di ossidazione. Negli intervalli di ottimo funzionamento (250-350°C) vengono rilevate conversioni elevate (90-98%) per diossine e altri microinquinanti organici, con concentrazioni in uscita inferiori a 0,1 ng/m3 di TCDDe.

26. Nozioni operative - Uso della calce In linea indicativa, considerando la reazione fra calce e acido cloridrico, si può affermare che: • Si consumano 1.016 kg di Ca(OH)2 per ogni kg di HCl neutralizzato • Si producono 1.522 kg di CaCl2 per ogni kg di HCl neutralizzato • Si producono 0.494 kg di H2O per ogni kg di HCl neutralizzato Per sistemi a semisecco gli eccessi sui valori sono dell’80%. Per sistemi a secco gli eccessi sui valori stechiometrici sono dell’80% ma richiedono fortissimi ricircoli.

27. Nozioni operative - Uso del bicarbonato In linea indicativa, considerando la reazione fra bicarbonato e acido cloridrico, si può affermare che: • Si consumano 2.301 kg di NaHCO3 per ogni kg di HCl neutralizzato • Si producono 1.603 kg di NaCl2 per ogni kg di HCl neutralizzato • Si producono 0.493 kg di H2O per ogni kg di HCl neutralizzato • Si producono 1.205 kg di CO2 per ogni kg di HCl neutralizzato

28. Nozioni operative - Uso dei carboni attivi Con un carbone di legna, con superficie specifica di 500-600m2/g, si rispettano i limiti di legge dosando 100-150mg di carbone attivo ogni m3 di fumo da trattare. Per un carbone coke i dosaggi, indicativamente, vanno raddoppiati.

29. DEPURAZIONE FUMISISTEMI A SECCO/SEMISECCO ¦ Configurazione di base • assorbimento con reazione + depolverazione ¦ Additivazione reagenti alcalini allo stato secco o in soluzioni concentrate • convenzionale: calce (secco) o latte di calce (semisecco) Ca(OH)2 + HCl =CaCl2 + 2H2O Ca(OH)2 + HF = CaF2 + 2H2O Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O • alternativo: bicarbonato di sodio (secco) Õ maggiori efficienze di rimozione (maggiore affinità reagente), facilità manipolazione 2NaHCO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H2O 2NaHCO3 + 2HF = 2NaF + CO2 + H2O 2NaHCO3 + SO2 + 1/2O2 = Na2SO4 + 2CO2 + H2O ¦ Depolveratore • filtro a tessuto Õ captazione fini, tempo di contatto pannello solido/gas per sviluppo reazioni ¦ Sistemi avanzati • miscele reagente/adsorbenti (carbone attivo) per controllo simultaneo microinquinanti in fase vapore (Hg, PCDD/F)

30. DEPURAZIONE FUMISISTEMI AD UMIDO ¦ Configurazione di base • (dopo il depolveratore) • torre di lavaggio in 2 stadi 1° stadio: acidi alogenidrici con H2O 2° stadio: SO2 con soluzione alcalina ¦ Torri di lavaggio • a spruzzo (semplici, meno efficienti) • a piatti (miglior efficienza per reazioni, costi) ¦ Configurazioni più complesse rispetto a secco • presenza spurghi liquidi • fumi freddi ¦ Efficienze • gas acidi non ottenibili con secco • effetti condensazione su microinquinanti volatili ¦ Sistemi avanzati Integrazione con dosaggio adsorbenti (carbone attivo) per potenziare rimozione Hg e PCDD/F •additivazione diretta in colonna •dosaggio separato a valle + depolverazione finale

31. Depurazione fumiBilancio M.E. sistema misto: semisecco (CaOH2) + umido (torre di lavaggio) + DeNOx catalitico - Termovalorizzatore RSU 43 MWt

32. Depurazione fumiBilancio M.E. sistema misto: semisecco (CaOH2) + umido (torre lavaggio) Termovalorizzatore Rifiuti Pericolosi 18 MWt

33. Depurazione fumiP&ID Sistema ad umido: venturi e torre di lavaggio

34. Depurazione fumiLay-out sistema misto: semisecco (CaOH2) + umido (torre lavaggio)

35. Depurazione fumiSistema umido: torre lavaggio

36. DEPURAZIONE FUMISISTEMI A SECCO/SEMISECCO ¦ Configurazione di base • assorbimento con reazione + depolverazione ¦ Additivazione reagenti alcalini allo stato secco o in soluzioni concentrate • convenzionale: calce (secco) o latte di calce (semisecco) Ca(OH)2 + HCl =CaCl2 + 2H2O Ca(OH)2 + HF = CaF2 + 2H2O Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O • alternativo: bicarbonato di sodio (secco) conmaggiori efficienze di rimozione (maggiore affinità reagente), facilità manipolazione 2NaHCO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H2O 2NaHCO3 + 2HF = 2NaF + CO2 + H2O 2NaHCO3 + SO2 + 1/2O2 = Na2SO4 + 2CO2 + H2O ¦ Depolveratore • filtro a tessuto percaptazione fini, tempo di contatto pannello solido/gas per sviluppo reazioni ¦ Sistemi avanzati • miscele reagente/adsorbenti (carbone attivo) per controllo simultaneo microinquinanti in fase vapore (Hg, PCDD/F)

37. Depurazione fumiBilancio M.E. sistema a semisecco (CaOH2)Termovalorizzatore RSU 18 MWt

38. Depurazione fumiP&ID sistema a semisecco – Reattore a latte di calce

39. Depurazione fumiP&ID sistema a secco – Iniezione C.A. e calce nel filtro a maniche

40. Depurazione fumiBilancio M.E. sistema a secco (NaHCO3)Termovalorizzatore ROT 4 MWt

41. Depurazione fumiSistema a secco (NaHCO3): curva neutralizzazione HCl

42. Depurazione fumi Sistema a secco (NaHCO3): curva neutralizzazione SO2

43. Depurazione fumiSchema di principio sistema a secco (NaHCO3)