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Giuseppe Langella » 5.Combustione e inquinanti


Le norme ambientali

Lo sviluppo culturale, il crescente benessere nonché la disponibilità di maggiori risorse economiche, tipici dei paesi industrializzati, hanno fatto sì che la sensibilità dell’opinione pubblica nei confronti dei problemi ambientali sia andata progressivamente crescendo nel tempo. La normativa che regola le emissioni in atmosfera delle centrali termoelettriche ha avuto quindi una rapida evoluzione, soprattutto a partire dalla metà degli anni ‘80. Prima di tale periodo le leggi vigenti erano basate sul controllo delle immissioni, ovvero delle concentrazioni al suolo delle sostanze inquinanti. Tale sistema (per altro non abbandonato, ma ora parte integrante di sistemi di controllo più completi) si è rilevato però poco efficace visto che, per rispettare i valori ammessi, era sufficiente utilizzare adeguati sistemi di dispersione (in pratica, costruendo ciminiere molto alte).

Negli anni 1984-86 si è andata consolidando, a livello comunitario, una nuova filosofia di contenimento e prevenzione dell’inquinamento atmosferico basata non solo sul controllo delle immissioni ma anche delle emissioni, ovvero delle concentrazioni degli inquinanti nel punto di scarico in atmosfera. Sono stati dunque stabiliti dei valori massimi di concentrazione di alcune sostanze ed è emersa una nuova esigenza di compatibilità ambientale al di là del controllo locale degli inquinanti. Infatti occorre controllare le emissioni totali in relazione ai problemi ecologici di carattere sovranazionale e giungere così alla stipula di protocolli a livello internazionale.

Le norme ambientali

I protocolli internazionali finora sottoscritti riguardano:

  • la riduzione delle emissioni globali di ossidi di zolfo (protocollo firmato a Helsinki nel 1985 e reso più stringente a Oslo nel 1994);
  • la riduzione degli ossidi di azoto (protocollo firmato a Sofia nel 1988);
  • la riduzione dei gas serra (l’anidride carbonica ne è il principale): questo problema è stato discusso nel dicembre 1997 alla conferenza intergovernativa di Kyoto, dove sono stati fissati obiettivi vincolanti sulle emissioni di CO2.

Per rispettare gli impegni assunti, l’Unione Europea si è impegnata nel periodo 2008-2012 aridurre le proprie emissioni di gas ad effetto serra dell’8% rispetto al livello riscontrato nel1990. La legislazione italiana, recependo le nuove esigenze (direttiva CEE 609 del 24-11-1988), si è adeguata rapidamente. Per i nuovi impianti termoelettrici, il Decreto Interministeriale dell’8 maggio 1989 ha fissato limiti puntuali alle emissioni di SO2, NOx e polveri dai singoli impianti. Per gli impianti esistenti lo stesso decreto ha imposto, in linea con la normativa comunitaria, limiti globali alle emissioni di SO2 e NOx dall’insieme degli impianti.

Le norme ambientali

Successivamente il Decreto Interministeriale del 12 luglio 1990 ha stabilito limiti puntuali anche per gli impianti esistenti, ampliando le restrizioni ad un centinaio di altre sostanze: tali limiti sono entrati in vigore con gradualità in modo da essere applicati a tutto il parco delle centrali termoelettriche entro il 2002.

In particolare perimpianti al di sotto dei 500 MW di potenza termica i limiti fissati sono di 1700, 650 e 50 mg/Nm3 per SO2, NOX e polveri rispettivamente, mentre per impianti oltre i 500 MW termici i limiti sono più stringenti: 400, 200 e 50mg/Nm3 per SO2, NOX e polveri rispettivamente.

Di seguito vengono esposte le principali tecniche di abbattimento sia degli ossidi di azoto (denitrificazione) che di quelli di zolfo (desolforazione).

Ossidi di azoto

I limiti puntuali imposti alle emissioni di ossidi di azoto sono tali da richiedere, sia per il funzionamento a carbone che per quello ad olio combustibile e a gas, modifiche ai sistemi di combustione delle centrali termoelettriche e, in alcuni casi, l’adozione di denitrificatori. La concentrazione limite di 200 mg/Nm3, valida per gli impianti con potenza superiore a 500 MW termici, è calcolata sui fumi secchi riferiti ad un contenuto di ossigeno pari al 6% nel funzionamento a carbone e al 3% nel funzionamento ad olio e gas.

Nei processi di combustione vengono originati NOx sostanzialmente di tre tipi:

  • NOx termici
  • NOx istantanei
  • NOx da combustibile

NOx termici

Il primo cammino di reazione porta alla formazione di NO partendo dall’ossigeno e dall’azotodell’aria di combustione. Le reazioni più importanti sono le seguenti:

O + NNO + N                                         O2 + N NO + O   

Ossidi di azoto

La prima reazione ha un’energia di attivazione molto alta: l’ossido nitroso si forma con velocità apprezzabile solo ad alta temperatura e solo se sono presenti atomi di ossigeno. La seconda reazione è invece molto veloce anche a temperatura più bassa, ma per procedere ha bisogno dell’atomo di azoto che esiste solo come prodotto della prima reazione. Si può notare infatti che gli atomi di azoto e di ossigeno fanno la spola tra una reazione e l’altra. Questo tipo di meccanismo diventa quindi importante con eccessi d’aria di una certa entità e ad elevata temperatura ed è quello principale nella combustione di gas.

NOx istantanei

Il secondo cammino, che diventa importante qualora il combustibile sia olio o carbone, è quello che vede l’azoto atmosferico fissato da frammenti idrocarbonici che rapidamente si traformano in cianogeni i quali in atmosfera ossidante originano l’ossido nitrico. Per la rapidità con cui questa via è percorsa, la frazione di ossidi di azoto così formatasi è denominata “istantanea”. Questo meccanismo di reazione è inoltre favorito in zone a bassa temperatura ricche di combustibile ed è molto importante nella combustione a gas.

Ossidi di azoto

NOx da combustibile

Il terzo cammino di reazione vede reagire i composti azotati contenuti nel combustibile, in genere sotto forma di composti eterociclici. I prodotti intermedi di reazione sono sempre cianogeni, ossicianogeni o composti ammoniacali, che in atmosfera ossidante danno luogo a ossido nitrico. Questo cammino è quello che genera l’aliquota maggiore degli ossidi di azoto che si formano nella combustione di carbone. Se si assicura un’atmosfera riducente, i precursori organici degli ossidi di azoto possono, attraverso meccanismi complessi, trasformarsi in azoto atmosferico, entrando così in competizione con le reazioni di formazione degli ossidi di azoto.

Negli oli pesanti, il contenuto di azoto può variare da 0,2% a 0,7% in peso (il valore di riferimento nei progetti ENEL è 0,6%). Nella combustione di olio pesante si può stimare, oltre un valore di base non abbattibile, una quota di NOx da combustibile pari a circa 50 mg/Nm3 per ogni 0,1% di azoto nell’olio di partenza.

Ossidi di azoto

La formazione degli NOx in camera di combustione e la loro presenza nei fumi in uscita dalla caldaia dipende dunque sia dalla natura e composizione del combustibile, sia dalle condizioni della combustione. Pertanto il controllo della combustione consente anche il controllo, all’origine, delle emissioni di NOx.

In generale le forme di intervento, cui si fa ricorso per attuare il controllo della formazione degli ossidi di azoto, utilizzano uno o più dei seguenti principi:

  • riduzione delle temperature massime di combustione e dei tempi di permanenza del combustibile nelle zone calde (limitazione degli ossidi di azoto termici)
  • riduzione del tenore di ossigeno nelle zone di combustione (limitazione degli ossidi di azoto termici e da combustibile).

Le tecniche utilizzate allo scopo vengono chiamate “interventi primari di denitrificazione” e vanno da quelle che permettono di realizzare una combustione con bassi eccessi d’aria (modificando le condizioni di funzionamento della combustione in modo da diminuire la concentrazione dell’ossigeno nelle zone di fiamma), all’utilizzo di speciali bruciatori a bassi NOx (“Low NOx burners”) fino alla modifica della geometria della camera di combustione.

Bruciatori low NOx

I bruciatori a bassi NOx permettono una riduzione sostanziale delle emissioni: il loro effetto è quello di diminuire la temperatura di fiamma, regolare l’afflusso di ossigeno e creare delle zone riducenti all’interno della fiamma in modo da contrastare la formazione degli NOx.

La modifica della geometria della camera di combustione che, a differenza delle altre tecniche citate, è difficile da ottenere negli impianti già installati, è invece possibile per nuovi progetti e permette di diminuire le temperature nella zona di combustione tramite un opportuno dimensionamento del volume della camera di combustione (e quindi dello scambio per irraggiamento con le pareti della stessa).

E’ possibile regolare le concentrazioni di ossigeno attraverso tecniche di frazionamento dell’aria comburente (OFA – over fire air), ricircolo parziale dei fumi di combustione nelle casse d’aria (gas mixing ) e immissione del combustibile per stadi (reburning). E’ inoltre da ricordare una tecnologia di rimozione degli NOx che prevede l’iniezione in caldaia di prodotti ammoniacali (ammoniaca o urea) e che va sotto il nome di SNCR (selective non catalytic reduction ). Il prodotto ammoniacale permette la rimozione di una certa parte degli NOx presenti nei fumi di combustione attraverso una loro riduzione ad azoto molecolare e acqua.

La tecnica SCR

L’impiego degli interventi primari consente tuttavia una limitazione delle emissioni di NOx solo a determinati livelli. Essi non sempre sono sufficienti per scendere al di sotto del limite di 200mg/Nm3, in particolare negli impianti a carbone: è allora necessario ricorrere ad altri interventi, che  vanno sotto il nome di “interventi secondari di denitrificazione”.

Fra le tecnologie degli interventi secondari la più sperimentata è la SCR (selective catalytic reduction), già applicata su larga scala in campo mondiale.

La tecnologia SCR prevede l’iniezione di ammoniaca nei fumi in uscita dalla caldaia: l’ammoniaca reagisce a temperature di circa 300÷400°C con gli NOx, presenti nei gas di combustione, per ridurli ad azoto molecolare ed acqua. La reazione, piuttosto lenta, è favorita dalla presenza di un catalizzatore, alloggiato in un’apposita struttura (reattore SCR). In un tipico impianto termoelettrico i fumi hanno temperature favorevoli alla reazione quando raggiungono il preriscaldatore d’aria (Ljungström) per cui l’installazione dei sistemi SCR è prevista generalmente a monte dello stesso,anche in impianti esistenti.

Il processo SCR non porta alla formazione di alcun prodotto da smaltire; l’ammoniaca che non ha reagito è presente nei fumi in poche parti per milione e non comporta alcuna problematica di tipoambientale.

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