Reattori catalitici SCR per l`abbattimento degli NOx nella

Anno IX — luglio 2010
Depurazione dell’aria
Reattori catalitici SCR per abbattere gli NOx
Gli impianti di cogenerazione sono
ormai molto diffusi nei diversi bacini
industriali del nostro Paese: il problema del trattamento delle loro emissioni in atmosfera è diventato un
argomento all'ordine del giorno,
specialmente in alcune Regioni dove sono vigenti limiti molto restrittivi.
La cogenerazione consiste nella
produzione di elettricità e nel contemporaneo recupero del calore
generato nel processo, destinato
altrimenti alla dispersione: si tratta di
una quota variabile dal 40 al 66%
della potenzialità termica del combustibile utilizzato, calore che può
essere utilmente impiegato per il
riscaldamento/raffreddamento degli ambienti oppure per fini industriali. Il combustibile fossile bruciato per
generare 1 kW/h genera in un anno
circa una tonnellata di anidride carbonica: si può quindi comprendere
l'utilità di un recupero efficiente
dell'energia termica, per evidenti Reattore catalitico SCR installato su emotivazioni economiche ma anche missioni di un motogeneratore MAN da
per la massima tutela dell'ambiente. 1,4 MW alimentato a grasso animale. Si
tratta di una applicazione unica nel suo
Gli impianti di cogenerazione, o de- genere, particolarmente innovativa.
stinati alla sola produzione di energia elettrica, come spesso accade,
comportano allo stesso tempo anche un impatto ambientale di entità
tutt’altro che trascurabile: come è
noto, è più difficile controllare le emissioni di una grande quantità di
impianti sparsa sul territorio piuttosto
che di una grande centrale. Per
questo motivo, Deparia Engineering
ha messo a punto un sistema di intervento appositamente studiato
per trattare le emissioni dei piccoli
impianti, sfruttando tecnologie
d’avanguardia ad un costo compatibile anche con le realtà di gestione più contenute.
Ad ogni modo, oggi si assiste anche in Italia ad un proliferare di impianti di cogenerazione di taglia
Motogeneratore Wärtsilä da 800 kW
medio/piccola, specialmente in alalimentato ad olio di palma, seguito da
cuni distretti non sufficientemente reattore catalitico SCR.
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serviti dalle grandi reti di distribuzione dell'energia, in presenza di
lavorazioni molto esigenti in termini di quantità e qualità dell'erogazione (impianti chimici, siderurgici, produzione di semiconduttori). Altri settori in crescita
sono rappresentati dalla sanità
e dalle strutture alberghiere.
Molti generatori elettrici situati in
zone di difficile accesso (isole,
rifugi montani e simili) sono in via
di riconversione con analoghi
impianti dotati di recupero termico.
Questa proliferazione ha però
portato in evidenza il problema
delle emissioni in atmosfera. La
maggior parte dei gruppi di cogenerazione attualmente disponibili nella taglia delle centinaia/
decine di migliaia di kW, sono
realizzati per mezzo di grossi motori Diesel, alcuni dei quali di
moderna concezione, alimentati da gasolio a basso tenore di
zolfo, caratterizzati quindi da
emissioni contenute. Una grande parte del parco installato,
però, è costituita da motori di
non recentissima progettazione,
alimentati con combustibili di
scarsa qualità (a volte perfino di
dubbia provenienza e composizione). Anche la messa punto in
alcuni casi può lasciare a desiderare (non sempre le tabelle di
manutenzione sono rispettate
alla lettera). Come conseguenza, sovente si riscontrano allo
scarico livelli di particolato, monossido di carbonio e ossidi di
azoto ampiamente superiori ai
limiti consentiti.
Impiego degli oli vegetali
Negli ultimi anni si assiste ad un
sempre maggiore impiego degli
oli vegetali come carburanti nei
cogeneratori diesel. Infatti, rispetto agli esteri metilici
(biodiesel) gli oli tal quali presentano il vantaggio di un minor
costo di produzione, di un maggior contenuto energetico e,
non ultimo, di un più favorevole
trattamento fiscale. Ritenuti fino
a poco tempo fa un combustibile idoneo per l’impiego di emer-
genza, oppure confinato ai Paesi in via di sviluppo per alimentare motogeneratori di piccola
potenza, gli oli vegetali si stanno
invece imponendo prepotentemente in molti Paesi industrializzati come fonte principale di
energia anche in centrali di media e grande potenza.
Se effettuato in modo razionale,
l’uso di questi prodotti non dovrebbe comportare conseguenze negative sulla funzionalità dei
motori e sulla qualità delle emissioni. Al contrario, diversi studi
sperimentali mostrano un buon
comportamento di molti oli vegetali sotto questi aspetti. Ad
esempio, è possibile ottenere
una certa riduzione di alcuni inquinanti, come monossido di
carbonio, idrocarburi incombusti
e
particolato.
Tuttavia,
l’emissione di ossidi di Azoto
(NOx) non viene ridotta, anzi, in
alcuni casi, si può assistere ad
un certo incremento, come
nell’utilizzo dell’olio di palma
(circa 1050 ppm contro circa
860 ppm del gasolio (al 15% di
O2 nei gas di scarico). Inoltre, se
l’apparato di iniezione del carburante non è specificatamente
ottimizzato per il tipo di olio vegetale impiegato, si possono in
breve tempo verificare depositi
carboniosi in corrispondenza
degli iniettori, con un notevole
incremento nella produzione di
inquinanti, specialmente di particolato. Si può dire che il problema più evidente connesso
all’impiego degli oli vegetali
consiste nella elevata viscosità,
che può comportare difficoltà
22°C
60°C
L’olio di palma, grazie al costo conveniente,
sta assumendo sempre maggiore importanza
come carburante liquido di origine biologica
(LBF) per motori diesel utilizzati nella cogenerazione. Notevolmente viscoso, necessita di un
adeguato preriscaldamento prima dell’utilizzo.
Non tutti i moderni
motori diesel utilizzati
nei motogeneratori o
negli impianti per cogenerazione sono ottimizzati per funzionare con gli oli vegetali:
questo aspetto si riflette
spesso
sull’affidabilità in generale del motore e
su qualità e quantità
delle emissioni in atmosfera.
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di nebulizzazione, da qui la
necessità di preriscaldare
il
combustibile, di
adottare pressioni di iniezione
più elevate, e di
ricorrere ad iniettori speciali.
Per evitare inconvenienti che
possono minare
l’affidabilità e il
rendimento dei
generatori, nonché peggiorare
in breve tempo
la qualità delle
emissioni,
è
quindi necessario
utilizzare
combustibili espressamente
approvati
dal
Esempio di Power Station formata da singole unità modulari
costruttore del
dalla potenza individuale compresa tra 5 e 30 MW. Ogni unità
motore, e doo l’intera centrale può essere opzionalmente equipaggiata
tarsi di un buon
con un impianto di abbattimento SCR Deparia Engineering.
impianto di trattamento
dei
gas di scarico, specialmente per
quanto riguarda gli ossidi di Azoto. Inoltre, si dovrà tenere conto
della necessità di rispettare scrupolosamente gli interventi di
manutenzione stabiliti ed un rigoroso controllo di qualità sul
combustibile adottato.
Deparia Engineering possiede
una notevole esperienza nel
trattamento delle emissioni prodotte da motogeneratori alimentati ad olio vegetale, con
un parco installato in un intervallo di potenze da 800 kW a 17
MW.
Impiego dei grassi animali
Reattore catalitico SCR installato a valle di 4 gruppi
elettrogeneratori da 1,2 MW, alimentati a biogas
da discarica. In corrispondenza del camino è visibile la stazione di prelievo per le analisi in continuo
delle emissioni.
L’utilizzo dei grassi animali come
combustibile nei motogeneratori
riveste ancora un carattere sperimentale, a causa delle notevoli problematiche connesse. In
genere, fino ad ora, l’uso dei
grassi animali come fonte di energia è stato confinato
nell’ambito delle caldaie oppure alla trasformazione in metilesteri.
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Grazie ad opportuni trattamenti,
come nel caso degli oli vegetali
soprattutto volti a diminuire il
valore di viscosità, i grassi animali possono essere impiegati
vantaggiosamente per alimentare motori a combustione interna, con ottime performances
dal punto di vista energetico e
delle emissioni inquinanti. Comunque, a causa delle temperature più elevate in camera di
scoppio, le emissioni di ossidi di
azoto sono maggiori rispetto a
quelle tipiche del gasolio, rendendo necessario il ricorso ad
un efficiente sistema di abbattimento.
Deparia Engineering, sola azienda nel nostro Paese, può vantare una realizzazione di un impianto SCR su motore alimentato a grasso animale, perfettamente funzionante e rispondente agli stringenti requisiti di progetto.
Strategie di intervento per ridurre le emissioni
In genere i piccoli impianti di
cogenerazione sono equipaggiati all'origine con catalizzatori
di tipo ossidativi, in grado di assicurare l'abbattimento del CO
(tali catalizzatori sono particolarmente efficienti nei Diesel poiché la combustione avviene in
eccesso di ossigeno): per ridurre
invece gli NOx si impiegano per
lo più soluzioni di tipo SCR
(addizione di ammoniaca o di
suoi precursori, come l'urea, nei
gas di scarico, a monte di un
convertitore catalitico) o SNCR
(più semplice ma meno efficace, consiste nell'immissione diretta dell’ ammoniaca in camera
di combustione).
Per quanto riguarda il particolato, si ricorre innanzi tutto ad una
accurata messa a punto dei
motori; può essere conveniente
anche riconsiderare il tipo di
combustibile impiegato orientandosi verso soluzioni più
"pulite" (sempre che siano utilizzabili dal punto di vista tecnico
su un particolare tipo di motore
e che la vigente politica fiscale li
renda economicamente conve-
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nienti). Nel caso in cui tali rimedi
non siano praticabili, o sufficienti, per ridurre il particolato si dovrà ricorrere all'impiego di particolari tecniche basate sulla
combustione delle particelle, le
quali, una volta trattenute su un
substrato ceramico o metallico,
in forma spugnosa oppure strutturata in cellette, potranno essere ossidate termicamente in modi diversi (riscaldamento periodico con resistenze elettriche, o
con l'addizione di alcool ecc.).
Un metodo particolarmente interessante è quello che prevede
l'ossidazione delle particelle per
mezzo dell'NO2 (sistema CRT,
Continously Regenerative Trap,
Johnson Matthey), ottenuto per
mezzo di uno speciale convertitore catalitico (che allo stesso
tempo serve ad eliminare il CO).
Lo schema comprende due catalizzatori in serie a breve distanza l'uno dall'altro, il secondo dei
quali destinato a raccogliere il
particolato e ad ossidarlo senza
l'ausilio di fonti energetiche esterne, ma ricorrendo al solo biossido di azoto. Questa soluzione è molto valida, a patto che il
tasso di zolfo contenuto nel gasolio sia limitato, per non compromettere l'efficienza di conversione da NO a NO2 (il gasolio
in ambito CEE non dovrebbe
comunque contenere più dello
0,005% in peso di zolfo, ovvero
500 ppm). Dovendo utilizzare del
gasolio con tracce di sostanze
solforate non trascurabili (5003000 ppm), è consigliabile in alternativa un dispositivo catalitico basato sul principio DPF, Diesel Particulate Filter, relativamente tollerante nei confronti
dello zolfo. La tecnica DPF utilizza un catalizzatore di disegno
particolare, in cui il classico honeycomb ha le cellette a fondo
cieco ed i gas sono costretti a
passare dalle pareti interne per
attraversare la struttura. Periodicamente, il particolato trattenuto deve essere eliminato.
Schema di un impianto con reattore catalitico SCR per la riduzione degli NOx. In dipendenza del
combustibile utilizzato e dei limiti imposti, il reattore catalitico può, all’occorrenza, in aggiunta allo
stadio riducente, ospitare uno o più stadi ossidativi per eliminare anche il monossido di carbonio.
Gli impianti Deparia Engineering per il trattamento delle emissioni inquinanti sono gestiti tramite software SCADA appositamente realizzato e personalizzato per le esigenze del Cliente: ogni impianto
può essere dotato di monitoraggio a distanza e può essere supervisionato direttamente dalla nostra
Sede. Inoltre, a completamento della fornitura, Deparia Engineering installa sistemi completi per il
monitoraggio in continuo delle emissioni (SME) in conformità alle norme vigenti, con possibilità di
accesso ai dati analitici tramite rete Internet.
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Riduzione degli ossidi di azoTrattandosi di un processo che
to con processi catalitici
Impianto SCR installato sulle emissioni di una
centrale di cogenerazione dotata di tre elettrogeneratori Diesel di grande potenza, alimentati ad olio vegetale.
Particolare della lancia per il dosaggio
dell’ammoniaca, dotata di camicia esterna
per il raffreddamento forzato. Sulla sinistra è
visibile il portello di ispezione della zona di miscelazione a monte del reattore SCR.
I processi più efficaci per la rimozione degli ossidi di azoto
sono senz'altro quelli che si basano sulla riduzione catalitica
selettiva. Allo stato attuale, l'unico processo che ha trovato larga diffusione è quello che prevede l'impiego di un catalizzatore a base di pentossido di vanadio ed ammoniaca. Questo processo rappresenta la soluzione
ottimale ai problemi di emissioni
contenenti NOx, determinando
inoltre il minore impatto ambientale tra le tecnologie attualmente disponibili. La riduzione catalitica selettiva infatti, a differenza
di altri processi, non dà luogo a
nessun tipo di effluente liquido e
non immette in atmosfera sostanze diverse da quelle normalmente presenti.
Questo metodo, ancora poco
diffuso in Italia, è ormai diventato uno standard in nord Europa
e negli Stati Uniti per la depurazione delle emissioni da motori a
ciclo Diesel. Il processo SCR rappresenta, allo stato attuale delle
conoscenze, l'unico processo in
grado di adeguare le emissioni
dei motori Diesel alle sempre più
restrittive normative in termini di
emissioni di ossidi di azoto. In genere si interviene con dispositivi
SCR a valle del trattamento effettuato con catalizzatori ossidativi o a doppio stadio. In alcune
applicazioni, è necessario un
ulteriore stadio per l'eliminazione
catalitica dell'ammoniaca in
eccesso, eventualmente rilasciata dal catalizzatore SCR, anche se si tratta di una necessità
poco frequente.
Il processo SCR
Il processo di riduzione catalitica
selettiva degli ossidi di azoto,
meglio conosciuto come
"Processo SCR", consente di eliminare in modo quantitativo NO
Reattore catalitico SCR dotato di portelli ad ed NO2 dalle emissioni gassose
accesso facilitato, per una manutenzione più trasformandoli in composti inerti
agevole del catalizzatore negli impianti ali- nei confronti dell'ambiente,
mentati da olio vegetale non raffinato.
quali azoto e vapore acqueo.
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opera a temperature superiori ai
200°C è particolarmente indicato per l'eliminazione degli NOx
termici. Il processo SCR si basa
su una serie di reazioni chimiche
che porta all'eliminazione degli
ossidi di azoto per reazione con
l'ammoniaca e l'ossigeno contenuto nella corrente da depurare. L'ammoniaca può essere dosata direttamente o ricavata da
una soluzione di urea. Le reazioni implicate sono tutte fortemente esotermiche; si valuta che
mediamente una corrente gassosa contenente 1000 ppm di
NOx incrementi la sua temperatura di circa 10 ÷ 11 °C durante il
processo di riduzione. Il campo
di temperatura ottimale per il
processo SCR è compreso tra i
180° ed i 380 °C. A temperature
inferiori ai 180°C la conversione
non è completa e quindi non è
possibile garantire le rese di abbattimento generalmente richieste mentre a temperature
superiori ai 350 °C iniziano a verificarsi reazioni indesiderate tra
L'ammoniaca e l'ossigeno contenuto nella corrente da depurare, tanto che a 400° C circa il
5÷10% di ammoniaca viene perso principalmente in questa reazione.
La presenza di reazioni antagoniste a quelle di interesse per la
depurazione a temperature superiori ai 350°C e la necessità
pratica di non scendere al di
sotto di una temperatura minima di esercizio di 300°C (soglia
al di sotto della quale non vi è
una completa trasformazione
dell'urea in ammoniaca) rende
indispensabile, per l'attuazione
del processo, l'utilizzo di un vero
e proprio reattore catalitico.
Il reattore deve essere dotato di
dispositivi per il controllo della
temperatura dei fumi, in quanto
la temperatura in uscita dai silenziatori dei generatori turbodiesel si assesta generalmente
intorno ai 450 ÷ 500°C. Un primo
raffreddamento dei fumi (30 ÷
70°C) si ottiene grazie all'evaporazione dell'acqua in cui è disciolta l'urea utilizzata come rea-
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gente.
In sostituzione della soluzione di
urea, è possibile impiegare direttamente ammoniaca in soluzione acquosa come NH4OH.
Accessibilità dei reattori catalitici
Deparia Engineering, allo scopo
di facilitare la procedura di pulizia degli strati di catalizzatore
soggetti a problemi di “fouling”
da ceneri, sali alcalino-terrosi e
fosfati di ammonio, ha previsto
la completa estraibilità degli elementi catalitici attraverso comode portelle laterali che permettono di movimentare 72 elementi per volta mediante supporti carrellati.
Tale particolare design del reattore (unico nel suo genere) permette di ridurre considerevolmente i tempi di fermo impianto
necessari per la pulizia periodica
degli strati catalitici, facendo in
modo che coincidano con la
frequenza e la durata delle fermate programmate per la manutenzione del motogeneratore.
della cogenerazione. Particolare esperienza sulle
emissioni di motori stazionari alimentati ad oli vegetali.
Combustori termici, catalitici, recuperativi, rigenerativi e colonne ad umido
per l’abbattimento di SOV.
Precipitatori elettrostatici
speciali:
-modulari per condizionamento aria ed inquinanti
leggeri, con portate da
2.000 a 24.000 Nm3/h;
-autopulenti per emissioni
dell’industria meccanica;
-autopulenti combinati
con scrubber per emissioni
pesanti ed odorigene;
-ad alta temperatura per
fumi di combustione da
combustibili fossili o biomasse.
Sistemi di campionamento
ed analisi (SAE, SME) per il
rispetto dei limiti di legge.
Depuratori d’aria Elettroattivi® per locali pubblici,
uffici, comunità ed ambienti sanitari.
Supporto carrellato che consente una facile movimentazione dei moduli catalizzatori, una esclusività
Deparia Engineering per semplificare e velocizzare
l’installazione e la manutenzione dei layer catalizzati contenuti nei reattori DeNOx-SCR.
Deparia Engineering assiste il
Deparia Engineering proget- Cliente nell’iter autorizzativo alle
emissioni e garantisce il rispetto
ta, produce ed installa:
dei limiti imposti ai sensi della
Reattori DENOx-SCR ed vigente legislazione ambientale.
ossidanti per le emissioni
Deparia Engineering Srl
Corso Europa 121
23801 CALOLZIOCORTE (Lecco) – ITALY
Tel. : 0341-630911 (r.a. 6 linee ISDN)
Fax: 0341-633065
Sito internet: www.deparia.com
E-mail: [email protected]
TECNOLOGIE INNOVATIVE PER L’AMBIENTE
Il processo catalitico SCR (Riduzione Catalitica Selettiva) rappresenta il mezzo più efficace per abbattere le emissioni di ossidi di azoto. I reattori Deparia Engineering, grazie all’accurata ottimizzazione degli aspetti fluidodinamici e del dimensionamento, possono raggiungere rendimenti estremamente elevati (dal 93% al 98%).
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