SNCR - Deparia Engineering

Anno XV — luglio 2013
Depurazione dell’aria
SNCR: la soluzione più semplice ed economica per
abbattere gli NOx derivati dalla combustione
La riduzione degli ossidi di azoto
(NOx) nelle emissioni in atmosfera
provenienti da processi di combustione o di produzione industriale si
può in genere ottenere con misure
primarie (riduzione dell’emissione
all’origine, ad esempio con
l’impiego di bruciatori Low-NOx),
oppure con misure secondarie
(abbattimento degli inquinanti prima dell’emissione al camino).
Le misure secondarie più utilizzate
consistono nell’installazione di impianti di abbattimento basati sulle
tecnologie SCR (riduzione Catalitica Selettiva) e SNCR (Riduzione Selettiva Non Catalitica): entrambe si
basano sulla reazione di particolari
reagenti azotati (urea o soluzione
acquosa ammoniacale) con gli
ossidi di azoto ma, come ben specificato dalla denominazione, in un
caso (SCR) si utilizza l’apporto di un
catalizzatore, mentre negli impianti
SNCR avviene una reazione non
mediata da catalizzatori, dipendente dalle sole condizioni di processo.
Dal punto di vista costruttivo, gli impianti SCR e SNCR sono molto simili,
con l’ovvia differenza che in questi
ultimi non esiste il reattore catalitico, mentre i sistemi di dosaggio del
reagente sono praticamente sovrapponibili. Negli impianti SNCR il
reagente viene immesso direttamente nel punto più prossimo alla
fonte di NOx (ad esempio, direttamente nella camera di combustione di una caldaia), dove le condizioni di processo possano essere le
più vicine possibili a quelle ideali
per la massima efficienza di reazione.
Skid SNCR completo di pompe, riserva NH4OH e quadro elettrico di gestione per il dosaggio del reagente
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Il dosaggio del reagente avviene automaticamente in base
ad un setpoint impostato ed al
livello di NOx e, quando necessario, di NH3 (ammonia slip) rilevati al camino di emissione. In
caso di intervento su impianti
ad emissione variabile con il
carico, un segnale proporzionale al carico istantaneo può essere utilizzato per quantificare
rapidamente le variazioni di dosaggio.
Il sistema di dosaggio è relativamente semplice, ed è composto nella sua forma più elementare da un serbatoio per il reagente, da una pompa volumetrica monovite e da una o più
lance in grado di emettere una
nube di aerosol nel flusso di gas
da trattare. Nella realtà
l’impianto è più complesso e
comprende, oltre al sistema di
gestione
(basato
su
un’interfaccia SCADA remotizzabile, un microcontrollore industriale, un bus di campo ed i
sensori e gli azionamenti in grado di mantenere sotto controllo
le variabili di impianto) tutti i
servizi ancillari necessari al funzionamento e gli allacciamenti
per aria compressa ed acqua
demineralizzata a servizio della
lancia.
La temperatura ottimale di reazione si aggira intorno ai 950°C
ma altri fattori sono indispensabili per ottenere un rendimento
elevato: il reagente deve essere disperso nei fumi da trattare
nel modo più omogeneo possibile e la grandezza media delle
particelle di aerosol deve rientrare in una classe prestabilita
per avere un’evaporazione né
troppo rapida né troppo prolungata; inoltre è indispensabile
un corretto tempo di transito
per dare il tempo alla reazione
di compiersi efficacemente.
La scelta del reagente ideale
Per la reazione di riduzione possono essere utilizzate una solu-
zione acquosa di urea (CO
(NH2)2 oppure una soluzione
acq uosa di ammoniaca
(NH4OH): le migliori prestazioni si
possono tuttavia ottenere solo
con la soluzione ammoniacale,
che consente inoltre di ridurre le
emissioni indesiderate di ammoniaca non reagita (ammonia
split) e di semplificare il protocollo di manutenzione.
L’urea, nebulizzata nei gas caldi
da trattare, si scinde in ammoniaca (NH3) ed acido isocianico
(HNCO), il quale in parte libera
a sua volta ammoniaca ed in
parte forma NCO che si trasforma in protossido d’azoto (N2O),
un “gas serra”
indesiderato;
inoltre, l’acido isocianico può
formare depositi condensando
nei “punti freddi” sotto forma di
acido cianurico ed una serie di
prodotti di polimerizzazione.
Questi depositi possono complicare notevolmente le operazioni di manutenzione e possono
costituire fonti di emissione di
NOx secondari. Utilizzando invece la soluzione ammoniacale, il
tempo di reazione è inferiore e
si possono ottenere rendimenti
più elevati senza la formazione
di elementi indesiderati e/o
dannosi. La soluzione ammoniacale (idrossido di ammonio
NH4OH) al 25% è classificata
come R34 e non è soggetta
Schema di un impianto SNCR “tipo”. Nella sua
forma più semplice, un sistema SNCR è formato da un serbatoio di reagente, una pompa,
una lancia di nebulizzazione e un sistema di
gestione che modula l’apporto di reagente
necessario a mantenere una certa concentrazione di NOx al camino, stabilita da un setpoint.
Nel sistema SNCR Deparia, tutti i componenti
principali sono installati su uno skid facilmente
trasportabile e posizionabile a bordo impianto
da trattare: in base allo spazio disponibile e
alle preferenze del Cliente, lo skid può ospitare
anche il quadro elettrico di comando. In ogni
caso la gestione può essere operata in remoto
via protocollo di rete tcp/ip.
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e l’emissione di NH3
non reagita può raggiungere più facilmente dei livelli non
trascurabili. D’altra
parte, quando le
concentrazioni
di
NOx da trattare sono già contenute
all’origine, come in
gran parte delle moderne
caldaie,
l’applicazione
dei
sistemi SNCR è ideale.
Negli impianti SNCR è indispensabile
un accurato studio fluidodinamico
per assicurare una corretta miscelazione del reagente (credit Italflows,
Cassano d’Adda)
all’applicazione del DLgs 334/99
(Seveso bis).
Per questi motivi, Deparia Engineering raccomanda sempre
l’utilizzo della soluzione ammoniacale, ed il sistema di dosaggio viene fornito sempre predisposto in tal senso. Tuttavia, in
particolari situazioni (basse concentrazioni di NOx da trattare,
impossibilità di rispettare gli adeguamenti di sicurezza richiesti dalla soluzione ammoniacale) è possibile ricorrere in alternativa alla soluzione di urea.
SCR o SNCR ?
Sullo skid SNCR è sempre prevista una pompa
di riserva selezionabile in caso di avaria o manutenzione di una pompa principale. Come
opzioni disponibili, il serbatoio temporaneo
può essere coibentato e l’esecuzione generale fornita a norme ATEX.
Le due tipologie di impianto
sono caratterizzate da ambiti di
impiego differenti, in base alle
temperature di processo e al
rendimento nella riduzione degli
NOx che si rende necessario
per il rispetto dei limiti di emissione imposti. Inoltre, è necessario
considerare anche i limiti da
rispettare per quanto riguarda
la concentrazione di NH3 non
reagita. Infatti i sistemi SNCR
sono più semplici da gestire e
più economici da installare rispetto ai sistemi catalitici SCR,
ma il rendimento di abbattimento è sensibilmente inferiore
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In alcuni casi, più
diffusi di quanto si
possa pensare, è il
caso di considerare
l’installazione di entrambi i sistemi in cascata, cioè un SNCR
seguito da un reattore SCR in configurazione High
Dust, cioè un SCR progettato
per funzionare con livelli importanti di polveri e contaminanti,
a temperature relativamente
elevate (intono ai 450°C). In
particolare, questi casi riguardano retrofit su installazioni di
SNCR esistenti, magari non più
in grado di rispettare i nuovi limiti di emissione, o impianti caratterizzati da grandi variazioni di
carico in tempi brevi, dove
SNCR e SCR possono lavorare in
sinergia per ottenere rendimenti
molto elevati ed una risposta
rapida ai transienti di concentrazione degli inquinanti da abbattere, senza rischiare emissioni eccessive di NH3 non reagita.
I sistemi SNCR, se progettati allo
stato dell’arte, possono garantire rendimenti intorno al 50-60%
e non oltre, per non incorrere in
livelli eccessivamente elevati di
ammonia slip. I sistemi SCR, più
ingombranti e costosi, possono
però raggiungere rendimenti
anche del 95-98% restando entro un limite di 5 mg/m3 di NH3
non reagita. Nel caso di un SCR
installato a valle di un SNCR, il
rendimento complessivo rimarrà
quello elevato dell’SCR, ma i
consumi di reagente si ridurran-
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no considerevolmente, tanto
da permettere il recupero del
maggiore costo di installazione
in breve tempo. Il valore di ammonia slip dell’SNCR verrà utilizzato nella reazione all’interno
dell’SCR, ed al camino rimarrà il
valore tipico dell’SCR, più contenuto e controllabile.
Deparia Engineering possiede
una notevole esperienza per
quanto riguarda gli impianti
combinati SNCR+SCR , specialmente su applicazioni di processo caratterizzate da carichi
variabili, molto difficili da gestire
con gli approcci standard.
Influenza del tempo di residenza sul rendimento della reazione SNCR. Un tempo
insufficiente non solo può compromettere l’efficienza, ma comporterà in agSNCR a regola d’arte
giunta un notevole aumento della concentrazione di ammoniaca non reagita
al camino.
Gli impianti SNCR sono sì concettualmente semplici, ma necessitano di una attenta Di crescente interesse è l’applicazione su emissioni induprogettazione per garantire le migliori prestazioni atte- striali di processo, come ad esempio la sintesi di alcuni
se: occorrono quindi una perfetta padronanza dei pa- polimeri, di particolari prodotti chimici o la raffinazione
rametri progettuali ed un attento studio della situazione di idrocarburi. Idealmente, ogni processo industriale
di processo su cui si va ad intervenire. In particolare, la che generi ossidi di azoto in una corrente di gas a temcorretta progettazione di un SNCR non può prescindere peratura sufficientemente elevata è in grado di ospitada un approfondito studio fluidodinamico che riguardi re un sistema SNCR per il trattamento delle emissioni.
sia la distribuzione dell’inquinante nell’aeriforme, sia la
diffusione e la miscelazione del reagente. Inoltre, occor- Naturalmente, è necessario tenere conto delle particore garantire la giusta temperatura di reazione ed un larità del sistema SNCR in rapporto alla concentrazione
tempo di transito adeguato affinché la reazione possa di NOx da trattare, un valore che al massimo si può indigiungere a compimento. Per ottenere risultati
soddisfacenti, in genere non basta il ricorso ai
mezzi di simulazione digitale (CFD); il loro responso dipende infatti dall’attendibilità parametri immessi, che devono essere attentamente valutati
sul campo con prove strumentali di concentrazione degli inquinanti e di distribuzione di velocità
del flusso all’interno dell’impianto da trattare.
Deparia Engineering dispone delle conoscenze,
del personale specializzato e della strumentazione per rilevare in autonomia tutti i parametri necessari ad una corretta progettazione e, per i casi più difficili, anche di impianti SCR pilota che
possono essere installati presso il Cliente per valutazioni più approfondite.
Campo di applicazione
L’applicazione più comune dei sistemi SNCR rimane quella su impianti di combustione, alimentati con idrocarburi gassosi, liquidi o solidi, biomassa liquida o solida e rifiuti solidi urbani, quindi
in caldaie e forni di media e grossa potenzialità
termica a servizio di centrali elettriche, centrali di
cogenerazione, centrali di teleriscaldamento,
cementifici, inceneritori di rifiuti.
Effetto della temperatura sulla reazione SNCR ad un determinato rapporto stechiometrico normalizzato (NSR) tra reagente
e NOx, in questo caso =2. La temperatura ideale è intorno ai
950°C, ma la il valore di ammonia slip può essere troppo elevato. Aumentando la temperatura aumenterebbe anche
l’ossidazione diretta dell’ammoniaca, causando un incremento degli NOx secondari: l’unica strada percorribile per contenere lo slip di NH3 è quella di diminuire l’NSR e limitare il rendimento intorno al 50-60%.
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lecole di ossidi di azoto da ridurre. Ogni impianto richiede uno
studio approfondito sulla scelta
delle lance e degli ugelli da utilizzare e sul loro posizionamento
ideale, specialmente in impianti
di combustione realizzati in origine senza tenere conto della
necessità di dovervi installare, in
un secondo momento, un sistema di trattamento delle emissioni.
A volte può essere necessario
installare più lance in sedi diverse o realizzare delle lance speciali per adeguarsi a camere di
combustione o condotti dalla
geometria particolare.
In sede di collaudo si procede
normalmente all’ottimizzazione
del funzionamento delle lance
attraverso la calibrazione della
pressione di esercizio della soluzione da nebulizzare e dell’aria
compressa ausiliaria: questa
operazione permette di ottenere la granulometria ideale delle
particelle di aerosol emesse, in
rapporto al tempo disponibile
per l’evaporazione del reagente e per la reazione di riduzione.
Impianto combinato SNCR+SCR su emissioni di
viduare intorno ai 400-500 mg/
processo da sintesi di polibutadiene.
m3. Per valori iniziali maggiori è
necessario prendere in considerazione l’installazione di un sistema catalitico SCR o di un sistema combinato SNCR+SCR che,
come abbiamo visto precedentemente, permette di sfruttare
in sinergia le qualità dei singoli
sistemi.
Nebulizzazione e miscelazione
Un aspetto particolarmente critico dell’impianto SNCR è rappresentato dalle problematiche
connesse alla nebulizzazione
del reagente nella corrente dei
gas da trattare e dalla successiva diffusione e miscelazione
Quando gli spazi disponibili non consentono dell’ammoniaca gassosa affinl’installazione di uno skid, il sistema di dosaggio ché possa avvenire nel modo
può essere realizzato con elementi indipen- più completo ed omogeneo
denti, come la centralina sopra illustrata.
possibile il contatto con le moDeparia Engineering Srl
Quando la nebulizzazione del
reagente viene effettuata direttamente in camera di combustione, in genere non è possibile
intervenire con accorgimenti
particolari per migliorare la miscelazione dell’ammoniaca
(oltre alla scelta del posizionamento più idoneo della lancia);
quando invece la nebulizzazione deve essere effettuata in un
condotto, devono essere messi
in pratica tutti gli accorgimenti
necessari per promuovere la
massima
miscelazione
(installazione di miscelatori statici, baffles, diaframmi ecc.).
Lo studio ed il dimensionamento di questi dispositivi deve essere effettuato di volta in volta in
base alla conformazione del
condotto, in base a tecniche di
flow modeling e ad opportune
verifiche sul campo.
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Il sistema di dosaggio
Il reagente deve essere dosato alle lance di nebulizzazione con precisione e tempestività in modo da mantenere entro i limiti stabiliti le emissioni al camino di ossidi
di azoto e di ammoniaca, in base ad un set point impostato. Questo risultato viene ottenuto per mezzo di un
PC-SCADA, che può essere gestito localmente o in remoto, che acquisisce i dati di concentrazione di NOx
ed ammoniaca provenienti da un sistema di analisi in
continuo installato a camino. In alcuni casi (impianti a
carico variabile) può essere necessario acquisire anche
i dati di concentrazione a monte del trattamento e la
percentuale di carico momentanea. In base a questi
dati, il sistema governa le pompe volumetriche di dosaggio tramite inverter. Il sistema acquisisce anche tutti i
parametri di processo necessari alla regolazione
(temperatura, portata del flusso da trattare, portata del
reagente ecc.). Compito del sistema di dosaggio è anche quello di gestire automaticamente i transienti di
accensione e di spegnimento dell’impianto, in modo
da consentire l’avvio del processo solo alle temperature consentite e da preservare le lance da fenomeni di
intasamento.
Deparia Engineering
Deparia Engineering Srl, fondata nel 1975, progetta, costruisce ed installa impianti d'avanguardia per l'abbattimento dei reflui industriali aeriformi (SCR, SNCR, reattori Skid di dosaggio idrossido di ammonio per installazione
termici catalitici e recuperativi, elettrofiltri, colonne ad all’aperto, completo di tettoia e coibentazione serbaumido ecc.) con particolare riguardo alle emissioni dei toio.
motori stazionari per la cogenerazione, un settore dove
opera, unica sul mercato italiano, con tecnologie e
brevetti propri. Negli ultimi anni, si è specializzata nella zioni che permettono un funzionamento soddisfacente
messa a punto di impianti di abbattimento sulle emissio- dei catalizzatori anche alla presenza dei particolari
ni di caldaie e motori alimentati a biomasse di origine contaminanti tipici di questa classe di combustibili.
vegetale ed animale ed ha sviluppato una serie di solu-
Deparia Engineering Srl
Corso Europa 121
23801 CALOLZIOCORTE (Lecco) – ITALY
Tel. : 0341-630911 (r.a. 6 linee ISDN)
Fax: 0341-633065
Website: www.deparia.com
e-mail: [email protected]
TECNOLOGIE INNOVATIVE PER L’AMBIENTE
Lancia di nebulizzazione reagente installata
direttamente su camera di combustione.
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