Emissioni inquinanti derivanti da processi di combustione

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Emissioni inquinanti derivanti da processi di combustione

Università di Parma

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Emissioni inquinanti

derivanti da processi di

combustione

Agostino Gambarotta

Montale – 8 Febbraio 2008


Università di Parma

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Consumi energetici nel mondo

(fonte: International Energy Agency, “World

Energy Outlook 2004”) – 1 kep= 11,63 kWh

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Dipartimento di Ingegneria Industriale

Utilizzazione

dell’energia

energia

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Fonti energetiche primarie

Radiazione

solare

Campo gravitazionale

Sole, Terra, Luna

Formazione sistema

solare ed elementi

Processi

biologici

Movimenti

atmosfera

Evaporazione, con-

densazione acqua

Calore

endogeno

Reazioni nucleari

Energia

radiante

Combustibili

(fossili e

biomasse)

Gradiente

termico

mari

Energia

eolica

Moto

ondoso

Energia

idraulica

Energia da

maree

Energia

geotermica

Fissione

Fusione

Energia

termica

Energia

meccanica

Fonti energetiche

primarie

Conversione diretta

Energia

elettrica

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Sistemi Energetici Motori Primi

Energia

chimica

m c H i

η c

η t

η m

Calore

Q

Lavoro

L

Energia

mecc.

L e

η e

Energia

elettr.AC

E el

Inq.

chimico

Inq.

termico

Perdite

Perdite

η

g

Rendimento globale

= η ⋅η

⋅η

⋅η

c

t

m

e

=

Eel

m H

c

i

Consumo specifico di combustibile

( m

c

)

s

=

m

L

c

e

=

1

η H

g

i




g

kWh

⎥ ⎦


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Combustibili

• Idrocarburi (liquidi o gassosi): C n H m

- massa molecolare e rapp. . C/H

- composizione (Aromatici, S, … )

Pre-trattamento

del

combustibile:

• Carbone

C 80 ÷ 90%

H 4 ÷ 5%

O 5 ÷ 10%

N 0.5 ÷ 2%

S 0.3 ÷ 1%

• desolforazione

• gassificazione

• ….

• Biomasse (solide, liquide, gassose)

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Combustibili

• Caratteristiche fisico-chimiche

chimiche:

- composizione (C, H, S, N, metalli pesanti,

ceneri, …)

- potere calorifico e massa volumica

- miscelamento con l’aria l

comburente

- facilità di stoccaggio e trasporto

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Emissioni inquinanti dalla ossidazione

• NO x (NO, NO 2 )

• UHC

• CO

Processo di combustione

(i.e.,., COME

si ossida il combustibile)

• PM (carbonio+ceneri(

carbonio+ceneri)

• SO x (SO 2 , SO 3 )

• CO 2

• COV, …

Caratt. . del combustibile

(i.e.,., COSA si ossida)

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Dipartimento di Ingegneria Industriale

Macro-inquinanti e micro-inquinanti

inquinanti

•Il termine "macroinquinanti"

macroinquinanti" " viene utilizzato per indicare le sostanze

inquinanti presenti nei fumi in concentrazioni dell’ordine di [mg/Nm 3 ], quali

particolato, , ceneri, ossidi di zolfo e di azoto, monossido di carbonio e acidi

alogenidrici.

•Il termine "microinquinanti"

microinquinanti" " individua quelle sostanze presenti nelle

emissioni in concentrazioni da [mg/Nm 3 ] a [ng[

ng/Nm

3 ], ed include sia specie

inorganiche come i metalli pesanti (cadmio, cromo, mercurio, piombo,

nichel, ecc.) che organiche (generate da processi chimici che avvengono

vengono

durante la combustione o durante il raffreddamento dei fumi) come e le

policloro-dibenzodiossine

(PCDD), i policloro-dibenzofurani

(PCDF), , i

policloro-bifenili

(PCB), gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) ed composti

organici volatili (COV).

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Micro-inquinanti inquinanti organici

Rientrano nella famiglia dei microinquinanti organici i composti organoclorurati quali le

policlorodibenzodiossine (PCDD), i policlorodibenzofurani (PCDF), i policlorofenili (PCB

e PCT) ed il policloronaftalene (PCN), , una larga varietà di composti organici volatili

(COV), , nonché altre sostanze aromatiche quali il benzene, i suoi composti clorurati

(clorobenzeni

e clorofenoli) ) ed i suoi derivati polinucleari (IPA, idrocarburi policiclici

aromatici).

Le diossine sono formate da due anelli aromatici uniti tra loro da ponti ossigeno (due

per le PCDD, uno solo per i PCDF), caratterizzati dalla sostituzione ione di uno o più atomi

di idrogeno con atomi di cloro.

PCDD

PCDF

Cl

Cl

O

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

O

Cl

TCDD

O

Cl

Cl

Cl

Cl

O

PCB

Cl

Cl

PCDD: policlorodibenzodiossine

PCDF: policlorodibenzofurani

PCB: policlorobifenili

TCDD: tetraclorodibenzodiossina

Cl

O

Cl

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Ciclo del Carbonio

Sole

alimentazione

Produttori

(fotosintesi)

respirazione

CO 2 + H 2 O

+ sost. minerali

morte

combustioni

Consumatori

respirazione

Demolitori

morte ed

escrezione

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Emissioni di gas serra

Emissioni di CO 2 e CH 4 dovute

alla

combustione di combustibili fossili.

Emissioni di CO 2 e CH 4 dovute

alla

degradazione delle sostanze organiche.

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Riduzione della formazione di composti

inquinanti nella combustione

• Caratteristiche del combustibile (pretrattamento(

pretrattamento)

• Controllo del rapporto aria/combustibile

• Miscelamento dell’aria con il combustibile

• Controllo delle temperature in camera di

combustione

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Sistemi di post-trattamento trattamento dei gas di

scarico

• Sistemi catalitici (NO(

x , UHC, CO): efficienze ~95%

• Sistemi Lean-deNO

x (SCR, SNCR): efficienze ~90%

• Sistemi deSO x (ad absorbimento e ad adsorbimento):

efficienze ~90%

• Filtri per PM (cicloni, elettrofiltri, , trappole, …):

efficienze ~90%

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Riduzione delle emissioni in atmosfera

(macroinquinanti)

Inquinante

Particolato

Ossidi di zolfo

(SO 2

e SO 3

)

Acidi

alogenidrici

(HCl e HF)

Ossidi di azoto

(NO x )

Monossido di

carbonio

(CO)

Cause della formazione

•caratteristiche del rifiuto alimentato;

•tipo di combustore utilizzato;

•condizioni di combustione non ottimali (scarsa

turbolenza).

•trasformazione di zolfo organico e solfuri

contenuti in alimentazione;

•i solfati rimangono stabili (si ritrovano nelle

scorie);

•contributo del combustibile ausiliario.

•trasformazione degli alogeni elementari e dei

composti organo-alogenati;

•decomposizione degli alogenuri metallici

complessa (si ritrovano nelle scorie).

•ossidazione dell'azoto;

•concentrazione correlata con la temperatura

della fiamma (esponenziale sopra gli 850°C).

•prodotto di combustione incompleta;

difetto di ossigeno;

•scarsa turbolenza;

•concentrazione correlata con la temperatura di

combustione (limitata al di sopra degli 850-

900°C).

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Metodi di controllo

•filtrazione (elettrofiltro o filtro a maniche);

•lavaggio ad umido.

•lavaggio alcalino ad umido o a secco (calce,

calcare o soda);

•iniezione di reagenti alcalini direttamente nel

combustore.

•depurazione ad umido;

•dosaggio di reagenti alcalini.

•parametri della combustione (eccesso di aria,

temperatura, riciclo dei fumi);

•sistemi SNCR (urea) e SCR (ammoniaca).

•ottimizzazione della combustione (tempo,

temperatura, turbolenza, ossigeno);

•aggiunta di combustibile di supporto;

•presenza della post-combustione (obbligatoria

secondo la normativa).

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Riduzione delle emissioni in atmosfera:

microinquinanti organici

•Le diossine sono prodotte quando il processo di combustione dei

materiali contenenti cloro avviene in difetto di ossigeno e a

temperature inferiori a 800°C.

•Negli impianti sono obbligatori, già da tempo, accorgimenti

tecnici che garantiscano la permanenza dei fumi di combustione

ad una temperatura non inferiore a 850°C, per un tempo

sufficientemente lungo da garantire la completa distruzione di

tutti i prodotti di combustione incompleta, tra cui le diossine.

•Di particolare interesse risultano però i meccanismi di

riformazione delle diossine nelle sezioni “fredde” degli impianti di

incenerimento (come certe zone della caldaia o dei sistemi di

depolverazione). Tali meccanismi possono essere minimizzati

mediante specifici accorgimenti tecnici.

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Riduzione delle emissioni in atmosfera:

microinquinanti organici

•Le diossine prodotte possono però essere rimosse mediante

sistemi di adsorbimento o ossidazione catalitica.

•La camera di post-combustione: la presenza di una zona di post-

combustione assicura un adeguato tempo di residenza per il

completamento delle reazioni di combustione in fase gassosa ad

una temperatura che garantisca la completa ossidazione del

carbonio incombusto.

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Riduzione delle emissioni in atmosfera:

microinquinanti

• Riduzione delle emissioni di mercurio

• filtri a carbone attivo

• Riduzione delle emissioni degli altri metalli pesanti

• stesse tecniche applicate per la riduzione delle emissioni di

particolato

• Riduzione delle emissioni di PCDD/PCDF

• filtri a carbone attivo

• i sistemi SCR usati per la riduzione di NO x distruggono

PCDD/PCDF mediante ossidazione catalitica

PCDD: policlorodibenzodiossine

PCDF: policlorodibenzofurani

PCB: policlorobifenili

TCDD: tetraclorodibenzodiossina

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Dipartimento di Ingegneria Industriale

Tecniche di monitoraggio e controllo

• Misure in continuo di parametri ed inquinanti

• esercizio del forno

• emissioni in aria

• Metodologie di analisi di inquinanti per misure periodiche di:

• emissioni in aria

• scorie

• Metodologie di analisi per misure periodiche di:

• rifiuti in ingresso

• acque reflue

• polveri

• fanghi

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Conclusioni - 1

• Il problema della gestione sostenibile dei

rifiuti:

• raccolta differenziata di “qualità”

• utilizzo nella produzione di energia termica

ed elettrica

• Obiettivo: trasformare i rifiuti in una

risorsa

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Conclusioni - 2

• Ridurre la formazione e l’emissione l

di

inquinanti nell’ambiente:

• miglioramento dei processi di combustione

• utilizzo delle BAT nei sistemi di

trattamento dei fumi

• Monitoraggio e controllo

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