Trattamento delle emissioni gassose

Formazione tecnica e scientifica per lo sviluppo sostenibile e l’economia circolare

La depurazione degli scarichi industriali FAST, 19-24-26 novembre 2020

Trattamento delle emissioni gassoseCarmen Bax

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La depurazione degli scarichi industrialiFAST, 19-24-26 novembre 2020

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Tecniche di abbattimento

Abbattimento

Combustione

Adsorbimento

Biofiltrazione

Assorbimento



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La scelta è connessa alla concentrazione da abbattere e alle portate in gioco




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Abbattimento

Combustione

Adsorbimento

Biofiltrazione

Assorbimento




La combustione

Il processo di combustione consiste nell’ossidazione delle sostanze organiche aerodisperse.

La reazione di ossidazione tra una sostanza ossidabile e una sostanza ossidante genera energia, che si manifesta come calore.

E’ molto utilizzato per rimuovere aerosol, vapori e gas provenienti da sorgenti come gli sfiati degli impianti chimici o i forni di verniciatura

(alte concentrazioni – basse portate)

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L’utilizzo dei sistemi a combustione comporta la formazione di ossidi di azoto e di particolato inorganico (ceneri).

Se gli inquinanti contengono anche cloro, fluoro o zolfo, si possono formare vapori di acido cloridrico, acido fluoridrico, biossido di zolfo e vari altri

inquinanti.

Per eliminare gli inquinanti derivati, vi è spesso la necessità di associare alla camera di combustione un sistema di abbattimento dei fumi acidi mediante

lavaggio oppure una seconda camera di combustione in grado di ossidare i composti idrocarburici residui.

La reazione di combustione, che prevede di portare i gas di processo a temperature elevate, comporta un consumo di combustibile di supporto. Da qui l’esigenza di recuperare il più possibile il calore fornito ed il calore prodotto dalla

combustione delle S.O.V.

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Gli inquinanti derivati



Concentrazione del combustibile,

Concentrazione del comburente,

Tempi di contatto,

Temperatura,

Turbolenza (geometria della camera del combustore).

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Parametri che influenzano la combustione



Un impianto di incenerimento è composto da:

Camera di combustione

Bruciatori

Sistemi di recupero dell’energia termica dei fumi

L’aria comburente, per aumentare il rendimento termico della macchina, vienepreriscaldata tramite uno scambiatore fumi/aria con i fumi di combustione. Su impianti direcupero di grandi dimensione (caldaie) si recupera il 70% dell’entalpia.

Velocità di attraversamento dei fumi da 6 a 15 m/sTempo di contatto tra 0.3 e 1 sec Intervallo di temperatura compreso tra i 600 e i 1200°C

I bruciatori sono apparecchi necessari per miscelare il combustibile e il comburente nelle giuste proporzioni provocando l’accensione. Se la percentuale di ossigeno è inferiore al 14% per ottenere una buona combustione occorre premiscelareesternamente l’aria inquinata con aria fresca.

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Il combustore termico



BAT - combustore termico1. Velocità di ingresso in camera di combustione: variabile in funzione della geometria della camera (compresa

tra 6 e 12 m/s)

2. Tempo di permanenza: in assenza di COV clorurati t > 0.6 s; con cloro inferiore a 0.5% t > 1 s; con cloro > 0.5% t > 2 s

3. Temperatura minima di esercizio: a) > 750°C in assenza di COV clorurati; b) > 850°C con cloro inferiore a 0.5%; c) > 950°C con cloro > 0.5% e ≤ 2%; d) > 1100°C con cloro > 2%

4. Perdite di carico: 1.5 – 3.5 kPa

5. Combustibile di supporto: possibilmente gassoso

6. Tipo di bruciatore: modulante

7. Tipo di scambiatore: Aria/aria o aria/altro fluido

8. Isolamento interno resistente almeno a 1000°C

9. Sistemi di controllo e regolazione a) Analizzatore in continuo tipo FID da installarsi solo per flussi di massa di COV > 100 Kg/h a monte del

combustore; b) Misuratore e registratore in continuo della temperatura posto alla fine della camera di combustione;c) Regolatore del flusso dell’inquinante e del rapporto aria – combustibile; d) Misuratore delle temperatura al camino ed allo scambiatore; e) Controllo dell’apertura e chiusura by-pass.

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Utilità• Altissime concentrazioni di

odore (1000000 ouE/m3)• Efficienza del 99%

Svantaggi• Alto consumo di

combustibile• Sottoprodotti

indesiderati

Il combustore termico



I combustori catalitici operano l’ossidazione degli inquinanti sfruttando la presenzadi un catalizzatore, che accelera le reazioni chimiche di combustione.

I tipici catalizzatori utilizzati nei processi dicombustione sono gli ossidi dei metalli nobili(platino, palladio, rodio, ossidi basici di altrimetalli come vanadio pentossido, biossido dititanio, biossido di manganese)Queste sostanze sono depositate su di uno stratosottile in un’ampia superficie di un materiale disupporto di natura ceramica.

Limitazione: concentrazione inquinante 10mila a 20mila ppm per avvelenamento catalizzatore

Il flusso d’aria contaminato viene riscaldato alla temperatura richiesta tramite un bruciatore a gas e poi viene fatto passare attraverso il letto catalitico.

Il catalizzatore fa sì che la reazione di ossidazione dei

composti organici avvenga ad una temperatura notevolmente più

bassa (300-450°C) di quella richiesta per l’ossidazione termica

non catalizzata

Vantaggio:Minor consumo di

combustibile e mancanza di

refrattari

Come i combustori termici, anche quelli catalitici sono spesso dotati di scambiatori termici per il recupero del caloreimpiegato per l’ossidazione dei contaminanti.

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Il combustore catalitico



1. Velocità spaziale dell’effluente gassoso Pellets: 6.000 - 20.000 h-1

Honeycomb: 15.000 - 50.000 h-1

2. Temperatura minima di ingresso sul letto catalitico > 200°C

3. Perdite di carico Pellets: > 1 K Pa;

Honeycomb: > 0,7 K Pa

4. Calore recuperato totale > 50%

5. Combustibile di supporto possibilmente gassoso

6. Tipo di riscaldamento: a mezzo di bruciatore modulante, resistenze elettriche oppure riscaldamento indiretto (scambiatore)

7. Tipo di scambiatore: Aria/aria o aria/altro fluido scambiatore

8. Velocità di attraversamento del letto > 0,6 N m3/sec

9. Isolamento esterno per temperature fino a 1000°C

10.Sistemi di controllo a) Analizzatore in continuo tipo FID da installarsi solo per flussi di massa di COV > 100 Kg/h a monte del

combustore; b) Misuratore e registratore in continuo della temperatura posto a monte del letto catalitico; c) Misuratore e registratore in continuo della temperatura a valle del letto catalitico; d) Misuratore delle temperatura al camino ed allo scambiatore

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BAT - combustore catalitico



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Abbattimento

Combustione

Adsorbimento

Biofiltrazione

Assorbimento




L’assorbimento avviene quando si ha una differenza tra la pressione parziale del gas solubile presente nella miscela gassosa e la pressione di vapore del gas sciolto nel film liquido a contatto con l’effluente; se questa differenza è positiva allora si ha assorbimento, altrimenti se è negativa si ha desorbimento o stripping e la

corrente gassosa va concentrandosi.

I meccanismi che possono determinare l’assorbimento sono:

Condensazione

Aggregazione

Solubilizzazione

Emulsione

Reazione

Combinazione di più effetti

I vapori organici condensano mediante contatto con liquido freddo in apposite torri che possono essere del tipo a corpi di riempimento o a spruzzo

Le molecole si aggregano a particolari prodotti

Alcune sostanze hanno elevata solubilità in liquidi di lavaggio

I gas possono essere emulsionati in un reagente chimico o agente emulsionante

Alcune sostanze possono reagire in fase gassosa con forti ossidanti o agenti cloranti per formare prodotti solubili in acqua

Ad es: condensazione seguita da contatto con reagente chimico in soluzione o clorazione in fase gassosa seguita da assorbimento su liquido in torre.

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Assorbimento



Supporti forati collocati in posizione orizzontale (piatti)

attraversati dal liquido di lavaggio immesso dall’alto. Il flusso d’aria

da depurare entra dalla parte inferiore del dispositivo e fluisce verso l’alto passando attraverso dei fori o delle valvole presenti sui piatti. La velocità del flusso

d’aria fa sì che i piatti si comportino come se fossero dei

veri e propri gorgogliatori. Gli scrubber a piatti sono

abbastanza vulnerabili all’accumulo di sostanze solide

(intasamento).

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Assorbimento – torre a piatti



Il flusso d’aria contaminato viene accelerato mediante un restringimento nella struttura (gola). Quando il

flusso d’aria procede attraverso questo restringimento aumenta la propria velocità e turbolenza.

Il liquido di lavaggio può essere spruzzato nel flusso d’aria prima che raggiunga la gola o all’interno di

questa, anche in controcorrente. L’azione del flusso d’aria fa sì che il liquido di lavaggio si nebulizzi

(aumentata la superficie di contatto fra fase gassosa e liquida). Dopo la gola la sezione più ridotta si allarga nuovamente e il flusso rallenta e perde turbolenza, facilitando così la coesione delle goccioline e la loro

precipitazione. A valle di questo sistema di abbattimento viene

posizionato un dispositivo per separare dal flusso d’aria il liquido contaminato (ciclone).

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Assorbimento – venturi



1. Temperatura nella gola venturi in rapporto al processo

2. Velocità di attraversamento effluente gassoso nella gola > 10 m/s

3. Perdite di carico nella gola venturi > 2,0 kPa

4. Tipo di fluido abbattente: Acqua o soluzione specifica

5. Portata del fluido abbattente > 1.5 m3/1000 m3

6. Tipo di nebulizzazione per la parte statica dello scrubber

7. Ulteriori apparati: Separatore di gocce

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BAT - scrubber venturi



Dispositivi che contengono quantità di oggetti di piccole dimensioni che hanno lo

scopo di garantire il contatto migliore gas/liquido. I corpi di riempimento sono di varia forma e dimensione, possono essere di metallo, di ceramica, di plastica; hanno

costi e prestazioni differenti e devono essere scelti in funzione della temperatura

della corrente e delle caratteristiche di corrosività dell’inquinante.

I corpi di riempimento sono tutti caratterizzati dall’avere un elevato rapporto

superficie/volume.

Principali requisiti dei corpi di riempimento:

- grande superficie attiva per unità di volume

- elevato valore della frazione di volume vuoto (che influisce sull’entità delle perdite di carico e di conseguenza sulle portate);

- basso peso per unità di volume;- resistenza meccanica e resistenza agli

agenti chimici;- economicità.

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Assorbimento – a corpi di riempimento



1. Temperatura del fluido < 40°C (uscita)

2. Tempo di contatto > 1 s per reazione acido/base; > 2 s per reazioni di ossidazione o per trasporto di materia solubile nel fluido abbattente

3. Portata minima del liquido di ricircolo 1.5 m3/1000 m3 di effluente gassoso per riempimento alla rinfusa; > 0.5 m3/1000 m3 di effluente per riempimenti strutturati

4. Tipo di nebulizzazione e distribuzione del liquido ricircolato: Spruzzatori nebulizzatori da 10 micron con raggio di copertura sovrapposto del 30% o distributori a stramazzo

5. Altezza di ogni stadio (minimo1) > 1 m per riempimento del materiale alla rinfusa

6. Tipo di fluido abbattente: Acqua o soluzione specifica

7. Apparecchi di controllo: Indicatore e interruttore di minimo livello e rotametro per la misura della portata del fluido liquido

8. Ulteriori apparati: Separatore di gocce, Scambiatore di calore sul fluido ricircolato se necessario.

9. Caratteristiche aggiuntive della colonna a) un misuratore di pH e di redox per le eventuali sostanze ossido-riducenti; b) almeno uno stadio di riempimento di altezza > 1 m; c) almeno 2 piatti in sostituzione del riempimento o solo 1 se in aggiunta ad uno stadio di riempimento; d) vasca di stoccaggio del fluido abbattente atta a poter separare le morchie; e) materiale costruttivo resistente alla corrosione ed alle basse temperature; f) dosaggio automatico dei reagenti; g) reintegro automatico della soluzione fresca abbattente

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BAT - scrubber a corpi di riempimento



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Abbattimento

Combustione

Adsorbimento

Biofiltrazione

Assorbimento




Tra sostanze chimiche allo stato aeriforme e superfici di materiali solidi intervengono forzechimiche o fisiche che permettono l’adsorbimento.Si ha adsorbimento chimico tutte le volte che avviene una reazione di natura chimica traadsorbente ed adsorbito; tale fenomeno è irreversibile.

Si parla di adsorbimento fisico quando invece si haun fenomeno reversibile dovuto solo alle forzefisiche e le forze di questi legami sono dette forze diVan der Walls.

Ad agire sono la tensione superficiale o l’energia di superficie: quando

l’energia superficiale del materiale adsorbente è maggiore dell’energia

cinetica della molecola allo stato gassoso, questa viene adsorbita

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Adsorbimento



Nei casi in cui non è prevista e non è comunque conveniente la rigenerazione per il recupero deisolventi o altre sostanze, l’impiego di carboni attivi presenta i seguenti inconvenienti:

Notevoli dimensioni di ingombro Frequente sostituzione di carboni attivi con conseguente elevato costo di gestione; Elevati costi relativi a stoccaggio, trasporto e smaltimento degli esausti; Intasamento del filtro per presenza di particelle nella corrente gassosa; Dove la temperatura d’esercizio è variabile si assiste ad un continuo rilascio di adsorbato.

Per queste ragioni l’impiego di carboni attivi è consigliabile nei trattamenti di depurazione di emissioni di bassa portata con temperatura costante e non troppo

elevata.

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Adsorbimento



1. Temperatura: inferiore a 45°C per i composti organici volatili.

2. Tipo di C.A: di origine sia vegetale che minerale

3. Superficie specifica: Per basse concentrazioni (COV < 600 mg/m3) carboni a bassa attività:< 800 m2/g; per medie concentrazioni (COV comprese tra 600-3000 mg/m3) carboni a media attività: < 1150 m2/g

4. Altezza di ogni strato: In linea di principio lo strato deve essere almeno 10 volte il diametro del granulo di carbone. Strati in serie fino a formare un’altezza minima di almeno 0.4 m.

5. Velocità di attraversamento dell’effluente gassoso del C.A. < 0,4 m/s

6. Tempo di contatto > 1s.

7. Umidità relativa < 60% per lo sfruttamento ottimale del letto

> 60% in presenza di condizioni e/o Composti Organici Volatili particolari.

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BAT - carboni attivi



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Applicabile a emissioni non continuative e concentrate

Frequente necessità di sostituzione del substrato attivo

Carboni attivi



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Abbattimento

Combustione

Adsorbimento

Biofiltrazione

Assorbimento




Il processo coinvolge un ossidazione biologica in cui l’inquinante nel gas da trattare viene rimosso

passando attraverso il filtro mediante un trasferimento sullo strato liquido (biofilm) che

ricopre la superficie solida del filtro stesso e che fornisce nutrienti ai microrganismi.

I prodotti di ossidazione non sono odorigeni e tossici e non hanno bisogno di ulteriori trattamenti.

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Biofiltrazione


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Biofiltrazione - principiLa depurazione degli scarichi industrialiFAST, 19-21 novembre 2019


Biofiltri aperti e biofiltri chiusiLa depurazione degli scarichi industrialiFAST, 19-21 novembre 2019

Relatore

Note di presentazione

Lavaggio acido per composti azotati Lavaggio basico per acidi organici e composti solforati


Possono avere origine:

Organica: torba granulare o fibrosa, compost, cortecce

Inorganica: selle ceramiche, anelli in polietilene, schiume poliuretaniche, carbone attivo

Devono avere le seguenti caratteristiche:

Elevata capacità di trattenere l’umidità

Elevata superficie specifica

Odore proprio modesto e gradevole

Peso proprio limitato

La depurazione degli scarichi industrialiFAST, 19-21 novembre 2019

Materiale di riempimento


Tra i materiali naturali, i materiali “verdi” quali compost, lignocellulosico etc sono economici e possiedono una buona attività biologica seppur non specifica. I materiali di origine fossile come la torba hanno bisogno di essere inoculati per fornire una buona attività biologica.

Nel tempo i materiali usati come riempimento nei biofiltri perdono di efficienza e devono essere sostituiti dopo 2-5 anni in funzione del materiale stesso.

Alcune proprietà dei mezzi filtranti come la capacità di ritenzione dell’acqua, la sezione di pori, la forma e la dimensione delle particelle, la densità, le proprietà meccaniche e chimiche, sono importanti per ottenere una elevata capacità di rimozione e una lunga vita del materiale filtrante.

L’attività dei microrganismi dipende fortemente dalle condizioni operative a cui è sottoposto il biofiltro. Il materiale filtrante ha un ruolo importante nella vita e nella crescita dei microrganismi e quindi sull’efficienza di rimozione.


Materiale di riempimento


O2 e nutrienti dal gas e/o contenuti nel supporto

Umidità compresa fra 60 e 80% (U bassa o l’essiccamento del letto comporta la perdita di attività biologica; U troppo elevata fermentazione e aumento delle perdite di carico) mediante bagnatura diretta e/o preumidificazione

pH compreso fra 7 ed 8

Temperatura mai troppo basse (condizioni critiche sotto 10 °C), temperatura di ottimo=35°C

Tempo di residenza>35 secondi

Necessità di 1 mc di materiale ogni 100 mc/h di aria da trattare

Altezza del filtro tra 1 e 2 metri


Condizioni di funzionamento


Installazione:

Materiale filtrante: 130-300 Euro/mc

apparecchiature elettromeccaniche: 600-1.000 Euro/mc

opere civili 100-400 Euro/mc

piping: 10-12 Euro/kg (tubi acciaio inox) e 4-5 Euro/kg (staffaggi)

Gestione:

Manodopera: 0,8-1 h (uomo m-2) = molto saltuaria

Energia elettrica: 1-2 Wh m-3


Aspetti ecomonici



1. Temperatura < 35°C. 2. Substrato di materiale vegetale e minerale, come compost, torba, ramaglie, corteccia. 3. Flusso aria dal basso verso l’alto-letto di almeno 3 moduli separati. 4. Perdite di carico < 0.150 kPa/m biofiltro nuovo; < 0.50 kPa/m biofiltro usato con

materiale adsorbente da sostituire.5. Altezza del letto 1 - 2 m 6. Portata specifica < 80 m3/m2.h 7. Umidità del letto 100% grammi H2O/grammo substrato8. Acidità (pH) del letto 6 - 8.5 9. Percentuale del pieno > 55% 10.Tempo di contatto > 35 s per substrati aventi una superficie specifica fino 350 m2/g

(compost) 60 s per substrati aventi una superficie specifica fino a 100 m2/g (torba e corteccia).

11.Tipo di copertura: Obbligatoria contro la pioggia e la neve. 12.Ulteriori apparecchi: Sistema di umidificazione (tipo scrubber o equivalente) della

corrente gassosa in ingresso obbligatorio. In quest’apparecchiatura si dovrà correggere il pH in modo da renderlo compatibile col successivo trattamento biologico.

BAT - biofiltro aperto


Torre di lavaggio e separata vasca con biomasse sospese (e in piccola parte adese

nella torre)

La depurazione degli scarichi industrialiFAST, 19-21 novembre 2019 Bioscrubber

Relatore

Note di presentazione


Configurazione con trattamento biologico separato:

tempi di assorbimento non confrontabili a quelli di degradazione

torre di lavaggio e separata vasca con biomasse sospese (e in piccola parte adese nella torre)

Configurazione simultanea:

tempi di assorbimento confrontabili a quelli di degradazione

unica torre di lavaggio e biomasse adese

La depurazione degli scarichi industrialiFAST, 19-21 novembre 2019 Bioscrubber


Tipo di impianto Considerazioni

Combustore termicoOttimo livello di abbattimento, consente il recupero del calore per scopi produttivi,riduce le problematiche connesse alla depurazione delle acque. Sconsigliabile in casi diabbattimento di emissioni diluite o poco concentrate

Combustore catalitico Temperature di esercizio del combustore contenute; Sconsigliabile se presenti inquinantiche porterebbero a rapido avvelenamento del catalizzatore.

Combustore ceramico con recupero di calore

Sconsigliabile per possibile intasamento e per formazione di percolati interni checorrodono le strutture.

Lavaggio con soda, acido solforico, etc

Consigliabile nei casi di presenza di particolari analiti nel flusso gassoso neutralizzabilimediante reazioni acido-base (es NaOH per l’abbattimento di H2S)

Lavaggio con biossido di cloro, H2O2 , O3 , KMnO4

I reattivi sono in grado di aggredire specialmente composti con doppi legami carbonio-carbonio, con gruppi aldeidici, con legami solforici e polisolfurici. Per avere resesignificative nell’abbattimento degli odori occorrono tempi lunghi e concentrazionielevate di biossido di cloro; ma queste ultime darebbero origine a problemi di per sé.Per la eterogeneità delle classi chimiche cui appartengono i composti di questeemissioni, è impossibile individuare un praticabile sistema di abbattimento aspecifico econ rese significative.

BiofiltroAccettabile previo abbattimento delle particelle, umidificazione e diluizione con correntigassose a basso contenuto di inquinanti; necessità di superfici relativamente ampie per illetto filtrante. Buon livello di abbattimento, facilità di conduzione.

Carbone attivo Sconsigliabile per dimensioni di ingombro, frequente rigenerazione, intasamento.

36La depurazione degli scarichi industrialiFAST, 19-21 novembre 2019 Confronto


Grazie per l’attenzione

Ing. Carmen BaxDipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica ‘’Giulio Natta’’

Politecnico di MilanoEmail: [email protected]

Tel: 02 2399 4725

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