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WTE Waste To Energy S.r.l. Via Michele Amari 15, 21052 Busto Arsizio (VA) [email protected] www.wastetoenergy.it

Sistemi ad UmidoSistemi a semisecco

Sistemi a secco

Ing. Ph. D. Daniele De Lodovici

DEPURAZIONE FUMI


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 g/m3 o ng/m3


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.


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


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.


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.


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.


Il controllo del particolato – I cicloni (2a)

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 – 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.


Il controllo del particolato – Gli elettrofiltri (2a)

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 – 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


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


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.


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


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.


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:

2NaHCO3 t>130°C→ Na2CO3 + CO2 + H2O

Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 + H2O

Na2CO3 + 2HF → 2NaF + CO2 + H2O

Na2CO3 + SO2 + 1/2O2 → Na2SO4 + CO2



•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.



•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.


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.


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.


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.


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).


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.


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.


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.


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.


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


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.


DEPURAZIONE FUMISISTEMI A SECCO/SEMISECCO

Configurazione di base• assorbimento con reazione + depolverazioneAdditivazione reagenti alcalini allo stato secco oin soluzioni concentrate• convenzionale: calce (secco) o latte di calce (semisecco)Ca(OH)2 + HCl = CaCl2 + 2H2OCa(OH)2 + HF = CaF2 + 2H2OCa(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O• alternativo: bicarbonato di sodio (secco) Õ maggiori efficienze di rimozione (maggiore affinità

reagente), facilità manipolazione2NaHCO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H2O2NaHCO3 + 2HF = 2NaF + CO2 + H2O2NaHCO3 + SO2 + 1/2O2 = Na2SO4 + 2CO2 + H2ODepolveratore• filtro a tessuto Õ captazione fini, tempo di contattopannello solido/gas per sviluppo reazioniSistemi avanzati• miscele reagente/adsorbenti (carbone attivo) percontrollo simultaneo microinquinanti in fase vapore(Hg, PCDD/F)


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


Depurazione fumiBilancio M.E. sistema misto: semisecco (CaOH2) + umido (torre di

lavaggio) + DeNOx catalitico - Termovalorizzatore RSU 43 MWt


Depurazione fumiBilancio M.E. sistema misto: semisecco (CaOH2) + umido (torre

lavaggio) Termovalorizzatore Rifiuti Pericolosi 18 MWt


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


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

lavaggio)


Depurazione fumiSistema umido: torre lavaggio


DEPURAZIONE FUMISISTEMI A SECCO/SEMISECCO

Configurazione di base• assorbimento con reazione + depolverazioneAdditivazione reagenti alcalini allo stato secco oin soluzioni concentrate• convenzionale: calce (secco) o latte di calce (semisecco)Ca(OH)2 + HCl = CaCl2 + 2H2OCa(OH)2 + HF = CaF2 + 2H2OCa(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O• alternativo: bicarbonato di sodio (secco) con maggiori efficienze di rimozione (maggiore affinità

reagente), facilità manipolazione2NaHCO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H2O2NaHCO3 + 2HF = 2NaF + CO2 + H2O2NaHCO3 + SO2 + 1/2O2 = Na2SO4 + 2CO2 + H2ODepolveratore• filtro a tessuto per captazione fini, tempo di contattopannello solido/gas per sviluppo reazioniSistemi avanzati• miscele reagente/adsorbenti (carbone attivo) percontrollo simultaneo microinquinanti in fase vapore(Hg, PCDD/F)


Depurazione fumiBilancio M.E. sistema a semisecco (CaOH2)

Termovalorizzatore RSU 18 MWt


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


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

maniche


Depurazione fumiBilancio M.E. sistema a secco (NaHCO3)

Termovalorizzatore ROT 4 MWt


Depurazione fumiSistema a secco (NaHCO3): curva neutralizzazione HCl


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


Depurazione fumiSchema di principio sistema a secco (NaHCO3)

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