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Giuseppe Langella » 6.Tecniche di denitrificazione


Interventi primari e secondari

Le tecniche di denitrificazione, destinate alla riduzione delle emissioni degli ossidi di azoto (NOx) si distinguono in primarie e secondarie. Le prime sono tese ad evitare la formazione degli NOx, le seconde riguardano invece i metodi per l’abbattimento degli NOx.

Le principali tecniche primarie sono:

  • Postcombustione
  • Ricombustione (reburning)
  • Iniezione di prodotti ammoniacali in camera di combustione(SNCR)
  • Iniezione di acqua o vapore in camera di combustione.

Tra gli interventi secondari di denitrificazione, il più rappresentativo è senza dubbio l’adozione di catalizzatori del tipo SCR (selective catalytic reduction).

Di seguito vengono descritte tali tecniche.

Postcombustione

La riduzione della temperatura di combustione è una possibile via per il contenimento degli NOx, poiché limita la formazione di quelli di origine termica. Nella pratica industriale, per ottenere questo risultato, esistono due possibilità: la ricircolazione dei fumi e la combustione a stadi.

Ricircolazione dei fumi (gas mixing). La ricircolazione dei fumi consiste nel diluire l’aria comburente con i gas in uscita dalla caldaia; così facendo si abbassa la pressione parziale dell’ossigeno, riducendo la velocità di combustione, e si aumenta la concentrazione di gas inerti, diminuendo la temperatura di fiamma. L’abbattimento degli ossidi di azoto ottenibile con questa tecnica è molto elevato nel caso di combustione di gas naturale, dove gli NOx sono solo termici; è invece basso nel caso di olio o carbone, dove prevalgono gli NOx istantanei e da combustibile.

Combustione a stadi (staged combustion). Nella combustione di olio o carbone, valori significativi di abbattimento si ottengono con la combustione a stadi. Questa tecnica consiste nel dosare l’aria e il combustibile all’interno del sistema di combustione in maniera da abbassare la temperatura di fiamma e produrre zone riducenti, nelle quali si formano i frammenti idrocarbonici che attivano i cammini di reazione responsabili della distruzione degli ossidi di azoto, qualunque sia la loro origine.

Postcombustione

La combustione a stadi ha trovato una specifica applicazione nei bruciatori a bassa produzione di NOx, dove, con opportuni accorgimenti aerodinamici, si riescono ad ottenere all’interno della fiamma buoni profili di temperatura, zone ricche di combustibile e livelli di incombusti solidi e gassosi contenuti.

Questa tecnica può essere applicata anche alla camera di combustione nel suo insieme (in tal caso prende il nome di postcombustione). Si realizza una zona ricca di combustibile, alimentando i bruciatori con un’aliquota dell’aria comburente minore di quella stechiometricamente necessaria, e una zona povera, introducendo la parte rimanente dell’aria a quota superiore in prossimità dell’uscita della camera di combustione. L’efficienza del processo dipende dalla stechiometria delle due zone di combustione, che va scelta opportunamente per raggiungere un compromesso tra abbattimento di NOx e produzione di incombusti solidi e gassosi.

Nella pratica industriale la combustione a stadi con frazionamento dell’aria comburente avviene con le seguenti modalità:

  • OFA (over fire air)
  • Bruciatori Low NOx.

Over fire air e bruciatori low NOx

Tecnica dell’ over fire air

Secondo tale tecnica, una parte dell’aria di combustione, di solito un quarto, viene addotta direttamente in camera di combustione al di sopra dell’ultimo piano dei bruciatori, attraverso  ingressi dedicati, denominati “NOx Ports”. In questo modo, nella zona dei bruciatori viene a ridursi sia l’ossigeno che serve alla formazione degli NOx, e sia la temperatura che incide molto sul meccanismo degli NOx termici. Tale tecnica si adotta sia in presenza di bruciatori frontali che tangenziali.

I bruciatori LOW NOx

Questo tipo di bruciatori realizza una combustione a stadi nel bruciatore stesso. Anche in tal caso l’aria è addotta in zone diverse: nella zona centrale della fiamma viene introdotta una prima aliquota di aria, al di sotto del quantitativo stechiometrico. Ciò genera  un ambiente riducente. Intorno alla zona centrale della fiamma viene introdotta una seconda e a volte una terza porzione di aria (aria secondaria e terziaria) che completano il processo di combustione in ambiente ossidante. Tutto ciò evita che si raggiungano elevate temperature nel cuore della fiamma, a scapito del meccanismo di formazione degli NOx termici.

Tecnica della ricombustione

Tale tecnica è indicata, in inglese, con il termine di REBURNING. Tale tecnica si applica ai generatori di vapore alimentati ad olio e a carbone. Prevede la sostiruzione di un 10-20 % del combustibile con gas e consente di ridurre la formazione di NOx anche del 70 % rispetto ai valori tipici.

In questa tecnica gli stadi del processo di combustione sono tre. Nel primo stadio è addotta la quasi totalità del combustibile con un ridotto eccesso d’aria. Nel secondo stadio si introduce la restante parte del combustibile, quello gassoso, che viene a trovarsi quindi in condizioni di difetto d’aria. Tali condizioni generano un ambiente riducente nel quale gi ossidi di azoto formatisi nella prima zona, vengono attaccati dalle specie riducenti, generando azoto libero. Nel terzo stadio, localizzato ad altezza del naso del generatore di vapore, viene introdotta l’aria necessaria a completare il processo di combustione degli incombusti generatisi nella seconda zona, quella caratterizzata da difetto d’aria.

L’effetto di riduzione degli NOx è dovuto a due cause concomitanti: la prima è un andamento di temperatura dei fumi più graduale lungo il loro percorso, la seconda è nell’attacco deglo NOx ad opera delle sostanze riducenti che si formano nella seconda zona di combustione.

Tecnica SNCR

La sigla SNCR sta ad indicare la tecnica di Selective Non Catalytic Reduction. Tale tecnica si fonda sulla neutralizzazione degli ossidi di azoto ad opera di sostanze riducenti, a base di ammoniaca o urea, iniettate direttamente nella zona di combustione.

Tale tecnica consente di raggiungere riduzioni degli NOx anche del 50-60 % ma se eseguita non correttamente comporta una serie di effetti negativi. Se infatti l’iniezione non avviene nella zona di combustione a temperature tra i 900 e i 1100°C, si possono formare solfati e bisolfati di ammonio che si depositano nelle zone più fredde del generatore di vapore, compromettendone i coefficienti di scambio termico. Inoltre possono formarsi prodotti non desiderati quali il protossido di azoto, N2O.

Denitrificazione con acqua e vapore

Tale tecnologia consente di ridurre la formazione degli NOx grazie all’immissione in camera di combustione di acqua o vapore. Nel caso di acqua essa, evaporando, assorbe calore dalla fiamma, mitigandone la temperatura. Nel caso di vapore si punta ad una semplice riduzione di temperatura della fiamma per mescolamento con vapore a temperatura più bassa. Quest’ultimo caso è però più frequente nelle camere di combustione delle turbine a gas, per ridurre le sollecitazione termica delle palette.

L’effetto benefico della riduzione degli ossidi di azoto è anche in tal caso dovuto alla riduzione della temperatura di fiamma e quindi alla mitigazione della formazione di NOx termici.

Mild combustion

La tecnica di combustione dolce o MILD (acronimo per Moderate or Intense Low oxigen Dilution) consiste nel ricircolare una parte dei prodotti della combustione per reintrodurli nella zona di fiamma. In tal modo si ottengono reagenti fortemente preriscaldati, tali  da raggiungere una temperatura maggiore della temperatura di autoignizione della miscela reagente.
Allo stesso tempo le condizioni fortemente diluite sono tali da raggiungere una temperatura massima che non consente di sostenere una fiamma. Infatti il livello di diluizione è tale che si lavora al di fuori dei limiti di infiammabilità.
Il risultato è un processo di combustione flameless, cioè senza fiamma, o meglio senza fiamma visibile, in quanto la reazione di combustione avviene comunque, ma partendo da temperature già elevate e conseguendo un modesto incremento di temperatura rispetto a quella dei reagenti.
Tutto ciò comporta degli effetti benefici sulla formazione degli inquinanti. Il primo è senza dubbio la riduzione degli NOx grazie all’abbattimento dei picchi di temperatura tipici dei processi di combustione tradizionale. La ricircolazione, inoltre, aumenta i tempi di residenza dei fumi in camera di combustione, generando una diminuzione dei valori di concentrazione di particolato solido carbonioso, indicato generalmente con il termine “soot”.
Infine la combustione mild è caratterizzata da minori fluttuazioni di pressione e quindi minore intensità sonora.
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