di  -  lunedì 8 giugno 2009

Dopo avere trattato gli ossidi di zolfo, con questo post proseguiamo la trattazione sui sistemi di trattamento delle emissioni inquinanti negli impianti termoelettrici, andando ad affrontare gli ossidi d’azoto (NOx) ed i sistemi per la loro rimozione.

INTRODUZIONE

L’azoto è il gas più diffuso nell’atmosfera, nell’aria che respiriamo esso è presente in quantità (sia in termini di massa che di volume) dell’ordine del 70% del totale ed è ritenuto (a torto od a ragione) un “gas inerte“.
I normali processi di respirazione non interferiscono con il comportamento dell’azoto, il quale attraversa indisturbato il nostro apparato respiratorio per essere re-immesso in atmosfera insieme alla CO2 ed al vapore acqueo risultato di questo processo.

Apparentemente l’azoto non dovrebbe dare problemi, ma allora perché se ne parla come di un inquinante?

FORMAZIONE DEGLI NOx

Con lo sviluppo delle macchine termiche ci si è resi conto che alle alte temperature di combustione l’azoto perdeva le sue caratteristiche di “inerte” e diventava fortemente reattivo, ossidandosi e formando NOx (dove x varia tra 1 e 3 formando monossido, biossido e triossido di azoto), i quali presentano un rischio per la salute come brevemente accennato in post precedente .

Andiamo ora maggiormente in dettaglio per capire come si formano e come si possono ridurre o rimuovere.

Gli NOx si possono classificare in base al loro meccanismo di formazione, e si distinguono in:

  • Prompt NOx
  • Thermal NOx
  • Fuel NOx

I prompt NOx sono quelli meno pericolosi, si formano nelle primissime fasi della combustione, cioè le stesse fasi in cui si ha un’alta formazione di idrocarburi incombusti (HC) e di monossido di carbonio (CO), ma trovandosi ad interagire con queste altre specie molto reattive, vengono poi ridotti chimicamente da questa interazione e non portano ad una presenza sensibile di NOx nei prodotti finali della combustione.

I thermal NOx sono i più pericolosi e rappresentano gli NOx propriamente detti, si formano a causa delle elevate temperature di combustione e dell’eccessiva presenza di ossigeno nella camera di combustione utilizzata per ridurre gli incombusti, ma che rappresenta una “condizione favorevole” per i thermal NOx.

I fuel NOx si formano a causa della presenza nel combustibile di azoto sotto forma di ammine e cianuri (in genere questo avviene con combustibili solidi).

METODI PER LA RIDUZIONE DEGLI NOx

Un primo metodo per la riduzione degli NOx consiste nell’intervenire al momento della loro formazione, agendo su uno od entrambi i parametri che ne stimolano la produzione, ovvero la temperatura di combustione e l’eccesso d’aria.

Gli impianti a vapore e le turbine a gas operano in condizioni di eccesso d’aria fortemente differenti, infatti queste ultime operano con eccessi d’aria estremamente elevati per limitare le temperature sulle palettature, e quindi con una produzione potenziale di thermal NOx molto elevata, mentre gli impianti a vapore necessitano di un eccesso d’aria inferiore, ma operano spesso con combustibili solidi che producono quantità non trascurabili di fuel NOx, oltre a produrre ugualmente (anche se in quantità inferiori rispetto alle TG) thermal NOx.

Pur con queste differenze, e pur con differenze di natura tecnica nei costituenti l’impianto, le strategie adottate nei due tipi di impianto risultano essere le stesse.

Una soluzione molto impiegata consiste nel ridurre l’eccesso d’aria, ma, non potendo ridurre globalmente questo valore, si cerca di operare in condizioni di rapporto aria/combustibilericco” (cioè con aria sub-stechiometrica o stechiometrica) nella zona di combustione (caratterizzata da elevate temperature), caratteristica che porta ad una super produzione di incombusti, ed all’immissione della rimanente parte di ossigeno (frazionamento dell’ossigeno) in zone più fredde della camera di combustione, e quindi in presenta di condizioni “sfavorevoli” per la produzione di NOx.

Esistono altre soluzioni simili, in particolare negli impianti a vapore si può operare anche mediante il frazionamento del combustibile, in modo da fornire dei radicali da idrocarburi che reagendo con gli NOx già formatisi ne operano una loro riduzione chimica.

Per compiere questo processo, di solito si utilizza un secondo tipo di combustibile a bassa produzione di fuel NOx come il gas naturale.

Un ulteriore metodo consiste nel ricircolare all’aspirazione i gas di scarico (analogo all’EGR delle autovetture Diesel), processo che riduce globalmente la temperatura di combustione riducendo la formazione degli NOx, ma che tende ad aumentare (se si superano certi limiti di ricircolazione) la produzione di incombusti.

La tecnica della ricircolazione non viene applicata alle TG per problematiche di natura tecnica.

Nelle TG per limitare la temperatura si può operare iniettando in camera di combustione acqua o vapore, ma queste tecniche presentano alcuni svantaggi tecnici da spingere un loro impiego sempre più marginale e preferire l’impiego di combustori “a secco” (cioè senza iniezione di acqua) ed intervenire sul frazionamento dell’aria e sul post trattamento.

RIMOZIONE DEGLI NOx – GLI IMPIANTI SCR

Un differente approccio è quello di rimuovere attraverso opportuni sistemi gli NOx formatisi, anche se solitamente queste soluzioni trovano applicazione come integrazione dell’approccio precedente.

Esistono diverse tecnologie di rimozione (post trattamento), ma la più efficace e diffusa è quella rappresentata dalla Riduzione Selettiva Catalitica (SCR).

Il processo SCR avviene mediante l’iniezione di ammoniaca (NH3) nei gas combusti, la quale mediante l’impiego di un opportuno catalizzatore reagisce con gli NOx secondo la seguente reazione:

4NO + 4NH3 + O2 → 4N2∙6H2O

Altre reazioni avvengono tra piccole quantità di NO2 ed ammoniaca, come la seguente:

NO + NO2 + 2NH3  → 2N2∙3H2O

Inoltre avvengono anche reazioni secondarie tra ammoniaca e NOx:

2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O

6NO2 + 8NH3 → 7N2∙12H2O

In caso di temperature troppo basse tali reazioni non riescono ad avvenire, mentre per temperature troppo elevate l’ammoniaca tende a reagire con l’ossigeno producendo nuovi NOx:

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

Un’alternativa all’ammoniaca consiste nell’impiego di urea quale agente reattivo, la quale riduce eventuali problemi legati a fughe di ammoniaca nei gas (ammonia slip) che portano a reazioni indesiderate con gli ossidi di zolfo ed a problemi di natura ambientale (l’ammoniaca eventualmente emessa risulta dannosa per la salute).

Con impianti SCR si possono raggiungere efficienze di rimozione degli NOx dell’ordine del 90%

Un’alternativa agli impianti SCR e rappresentata dagli impianti di rimozione non catalitica (SNCR), più semplici ed economici, ma meno efficaci dei precedenti.

Infine esistono anche impianti di rimozione combinata degli SOx, NOx e particolato, ma per quanto esposto in parte anche nel post precedente, servirebbe una trattazione apposita degli stessi anche in virtù dell’influenza sulla produzione di residui di trattamento.

9 Commenti »

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  • # 1
    Giulio
     scrive: 

    Questi si che sono articoli interessanti.
    Scritto bene ed in maniera semplice e diretta.
    compilmenti e continuate cosi.

  • # 2
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Giulio

    Mi fa piacere che abbia apprezzato il post, fa parte di una serie di articoli che spero abbia letto, forniscono un quadro abbastanza completo (manca ancora il particolato, ma arriverà presto) delle emissioni negli impianti termoelettrici.

    Spero continuerai a leggere ed apprezzare la rubrica

  • # 3
    paolo
     scrive: 

    Lavoro nel settore delle emissioni da qualche anno e leggo i vostri articoli cercando qualche “stronz@ta” come di solito scrivono i giornalisti dei giornali più famosi.
    Invece devo dire che la persona oltre ad essere competente tende a spiegare in modo tecnico e comprensibile ai più, senza sbilanciarsi o essere di parte.
    Complimenti. Continuate così!

  • # 4
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Paolo

    Grazie per i complimenti, il mio obiettivo è quello di cercare di parlare in maniera comprensibile e divulgativa di cose di cui purtroppo oggi si “sparla” in maniera autorevole… vedere che questi articoli vengono apprezzati anche da chi “ci lavora” fa indubbiamente piacere… spero stia seguendo la rubrica con piacere…

  • # 5
    Energia e Futuro - il punto sulla rubrica a sei mesi dalla nascita - Appunti Digitali
     scrive: 

    […] Inquinanti, dispersione e trattamento (4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 9 – 10 – 11): una lunga serie di post dove sono state presentate le emissioni inquinanti […]

  • # 6
    sghebaz
     scrive: 

    Per forza è chiaro. Sta copiando spudoratamente dal libro di cau e cocco “l’impatto ambientale dei sistemi energetici”.

  • # 7
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ sghebaz

    Il testo che tu indichi è esattamente il testo da cui ho studiato, in quanto i due professori che lo hanno scritto sono stati i miei professori… pertanto i miei appunti del corso di Impatto Ambientale dei Sistemi Energetici e di Sistemi Energetici si basano su quelle lezioni, tenute proprio da quei professori… pertanto se quando parlo di questi argomenti mi riferisco ai miei appunti del corso, al testo ed a ciò che è stato mostrato anche a livello di slide è ovvio che ci siano somiglianze e parti molto simili… non sono articoli di opinione ma trattazioni tecnico-scientifiche di livello base… se frughi tra altri testi della stessa materia troverai che anche quel libro presenta forti analogie con altri e così via… eppure nessuno dice che è copiato da quelli…

  • # 8
    patrizio
     scrive: 

    ho letto i vostri articoli ben fatti e competenti ma x capire se vale la pena fare delle pressioni al mondo economico: quanto costa circa a megawat ambientalizzare una centrale termoelettrica italiana x denox ed il desox?
    Ancora complimenti

  • # 9
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ patrizio

    Ti ringrazio per l’apprezzamento… per quanto riguarda il post-trattamento dei fumi, tutto ciò viene già fatto al punto che un impianto termoelettrico a vapore possiede una sezione di trattamento fumi molto più grande dell’impianto vero e proprio… non conosco molto bene la normativa, ma per quanto mi risulta gli obblighi per gli impianti sono piuttosto stringenti e ci si deve adeguare alle norme con una certa frequenza

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