IMPIANTI DI DEPURAZIONE ARIA: COMBUSTIONE (estratto dal capitolo 15 del “Manuale del verniciatore”, copyright HBPierre)
Negli impianti di verniciatura deve essere previsto un’impianto di captazione ed aspirazione dei vapori di solvente che, quando sono superati i limiti di legge, devono essere abbattuti.
Nel campo della depurazione dell’aria, la combustione è un processo chimico ossidativo in grado di trasformare i composti organici volatili (VOC) inquinanti, presenti nell’effluente aeriforme, in prodotti a scarsa rilevanza o scarso impatto ambientale: tipicamente, acqua (H2O) ed anidride carbonica (CO2).
Il processo di combustione è un processo di abbattimento finale distruttivo, utilizzato soprattutto quando le sostanze trattate non possono essere recuperate tal quali, sia per la complessità tecnologica dell’operazione che per la sua antieconomicità, ma risulta più conveniente sfruttarne il contenuto calorico. Poiché lo scopo primario di qualsiasi sistema di abbattimento è la riduzione dei VOC emessi in atmosfera, anche per la combustione è possibile definire un’efficienza di abbattimento Ec, data dalla formula:
Ec = 100 x (VOCin – VOCout)/VOCin [%]
dove VOC è la quantità di composti organici volatili presente nell’effluente aeriforme.
E’ però importante sottolineare il fatto che l’efficienza di abbattimento non rappresenta in modo univoco le prestazioni ambientali di un impianto di combustione;
infatti, non sempre il processo di combustione è in grado di trasformare completamente i VOC in acqua e anidride carbonica: in funzione delle condizioni operative si può anche avere la produzione di sottoprodotti definiti come inquinanti da combustione, i quali possono influenzare in maniera notevole la bontà del processo di depurazione. Due dei più importanti inquinanti da combustione sono il monossido di carbonio (CO) e gli ossidi di azoto (NOx). La formazione di queste sostanze dipende molto dalle condizioni operative in cui si svolge il processo di combustione. Il parametro che ne regola la formazione è la temperatura: se la temperatura di esercizio è troppo bassa, la combustione può risultare incompleta e si ha presenza di CO nei fumi; se le temperature operative sono troppo elevate (>1.000°C), si ha la formazione di ossidi di azoto. Gli inquinanti da combustione possono essere anche di differente natura ed origine, in funzione dell’eventuale presenza di contaminanti non combustibili (o in grado di produrre sostanze inquinanti non ossidabili quali acidi, aldeidi, ecc.) nell’effluente aeriforme e/o nel combustibile ausiliario. Ad esempio, l’utilizzo di combustibile ausiliario differente dal metano, può dar luogo ad emissioni di SO2, mentre nel trattamento di sostanze clorurate si ha sviluppo di acido cloridrico o di cloro libero; oppure, un’incompleta combustione del dicloroetano può portare alla formazione di cloruro di vinile, composto anch’esso appartenente alla classe dei VOC, ma non presente inizialmente tra gli inquinanti da trattare. In altre situazioni si può altresì verificare la formazione di microinquinanti tossici quali idrocarburi policiclici aromatici (IPA) PCB, PCT, PCN, diossine e furani, ecc., derivati secondari dalla combustione di particolari sostanze. In generale quindi, nella determinazione dell’efficienza di abbattimento e/o nella verifica analitica delle emissioni, dovrebbero essere tenute in debita considerazione tutte queste potenziali implicazioni; negli specifici campi applicativi bisognerebbe conoscere con esattezza la composizione degli inquinanti presenti nell’effluente aeriforme per valutare l’eventuale necessità di dotare l’impianto di combustione di apparecchiature supplementari per l’abbattimento dei sottoprodotti della combustione (ad esempio, appositi “scrubber” nel caso di sottoprodotti acidi). Nelle sue linee generali, il processo di combustione utilizzato per l’abbattimento
dei VOC ed il contenimento delle emissioni atmosferiche industriali, avviene in un volume confinato (non in contatto con l’ambiente esterno) e può essere di due tipi: termico o catalitico. Nel primo caso, la trasformazione dell’inquinante avviene a temperatura elevata (indicativamente maggiore di 760°C); nel secondo caso, la temperatura di processo è più bassa (indicativamente minore di 600°C), in quanto l’impiego di un catalizzatore permette di diminuire l’energia di attivazione della reazione chimica e di raggiungere elevate velocità di reazione anche in tali condizioni. Il processo di combustione è assai semplice e prevede sostanzialmente i seguenti passaggi: l’effluente aeriforme inquinato, dopo essere stato preventivamente riscaldato, viene inviato all’interno della la camera di combustione nella quale raggiunge la temperatura di combustione Tc.Tale temperatura viene raggiunta sia attraverso l’energia termica rilasciata dalla reazione di combustione stessa, sia tramite l’eventuale apporto di un combustibile ausiliario.
Figura 15.10 – Combustore termico recuperativo
Una volta ossidati i VOC in esso presenti, l’effluente aeriforme può essere scaricato tal quale in atmosfera, oppure può necessitare di un ulteriore trattamento qualora contenesse inquinanti da combustione in quantità non ammesse dalla legislazione vigente. In entrambi i casi l’effluente aeriforme, poiché in uscita dalla camera di combustione possiede ancora un’elevata energia termica, viene generalmente raffreddato: il calore asportato viene riutilizzato innanzitutto per riscaldare l’effluente aeriforme in ingresso al combustore ed inoltre (se l’operazione si rivela conveniente) per eventuali altre applicazioni (riscaldamento di ambienti, produzione di acqua calda o di vapore a bassa pressione, altro).
Figura 15.11 – Combustore termico rigenerativo
Figura 15.12 – Combustore catalitico
Dal punto di vista tecnologico, gli impianti di combustione si differenziano tra termici e catalitici, recuperativi o rigenerativi; la combinazione di queste tecniche fornisce quattro tipologie di combustori, qui di seguito brevemente descritte. Il combustore termico recuperativo, presentato schematicamente in figura 15.10, è essenzialmente costituito da: una camera di combustione, all’ingresso della quale è posizionato un bruciatore che innesca e coadiuva il processo di ossidazione dei VOC; uno scambiatore di calore primario (preriscaldatore), il cui scopo è quello di recuperare parzialmente il calore prodotto dalla combustione e riutilizzarlo per il riscaldamento dell’effluente aeriforme; un camino per lo scarico in atmosfera dell’effluente aeriforme trattato; uno o più eventuali scambiatori di calore (recuperatori di calore) per il recupero del calore in eccesso presente nei fumi. Nel combustore termico rigenerativo, presentato schematicamente in figura 15.11, lo scambiatore di calore primario viene sostituito da due o più letti di riempimento in materiale ad elevata capacità termica, che permettono un recupero più spinto del calore prodotto dalla combustione. La logica di funzionamento di tale impianto prevede che un letto di riempimento, posto a monte della camera di combustione, operi da preriscaldatore dell’effluente aeriforme mentre l’altro, posto a valle della camera di combustione, operi da recuperatore del calore prodotto dalla ossidazione dei VOC.A tempi prestabiliti, le funzioni dei due letti vengono invertite. Il combustore catalitico recuperativo, presentato schematicamente in figura 15.12, è essenzialmente costituito da: un bruciatore ed una camera di combustione, al cui interno è posto un letto di materiale catalitico (a base di metalli nobili e/o ossidi metallici), che permette l’innesco ed il completamento della combustione a temperature minori di quelle di autocombustione proprie dei VOC presenti nell’effluente aeriforme; uno scambiatore di calore primario (preriscaldatore) avente lo scopo di recuperare parzialmente il calore prodotto dalla combustione e riutilizzarlo per il preriscaldamento dell’effluente aeriforme; un camino per lo scarico in atmosfera dell’effluente aeriforme trattato; un eventuale scambiatore di calore secondario (recuperatore di calore) per il recupero del calore in eccesso presente nei fumi. Nel combustore catalitico rigenerativo, lo scambiatore di calore primarioiene sostituito da due o più letti di riempimento in materiale ad elevata capacità termica, al di sopra dei quali vengono posizionati i letti di catalizzatore. La logica di funzionamento prevede che un letto di riempimento, posto a monte della camera di combustione, operi da preriscaldatore dell’effluente aeriforme mentre l’altro, posto a valle della camera di combustione, operi da recuperatore del calore prodotto dalla ossidazione dei VOC.A tempi prestabiliti, le funzioni dei due letti vengono invertite. La combustione delle sostanze inquinanti avviene sui letti di catalizzatore.
15.4.1 Aspetti tecnici e pratici
La progettazione dei sistemi di combustione è generalmente eseguita sulla base di considerazioni teoriche, supportate da un ampio bagaglio di conoscenze empiriche. Nei combustori termici, l’ottimizzazione del processo di conversione e trasformazione dei VOC è determinata dall’ottimizzazione di tre parametri di processo fondamentali: la temperatura di combustione, il tempo di permanenza, la turbolenza del flusso all’interno della camera di combustione. La temperatura di combustione dipende dal tipo di sostanza che deve essere ossidata e dall’efficienza di abbattimento che si vuole ottenere; per raggiungere buone velocità di reazione ed ottenere un rilascio totale del calore, l’effluente aeriforme dovrebbe essere mantenuto per un tempo di permanenza adeguato (generalmente maggiore di 0,6 s) ad una temperatura di almeno 40°C maggiore della temperatura di ignizione dei VOC da ossidare. I composti più stabili sono generalmente i meno reattivi e richiedono quindi temperature di combustione e tempi di permanenza più elevati: i composti più reattivi (per esempio gli ftalati) possono essere abbattuti con efficienze elevate anche a temperature di 400°C; i composti più refrattari (quali gli idrocarburi aromatici semplici e gli alogenati) necessitano di temperature maggiori di 750-800°C, con punte fino a 1200°C, a parità di efficienza di abbattimento. Per i composti clorurati, l’intervallo di funzionamento varia tra 950°C e 1250°C, in funzione della percentuale di cloro contenuta nell’effluente
aeriforme. Un cenno particolare va fatto per il trattamento delle sostanze clorurate: la loro ossidazione presenta diverse difficoltà tecniche, relative alla formazione di HCl e Cl2, ma non solo. Nei combustori termici, la formazione di HCl e Cl2 rallenta la combustione a causa di reazioni chimiche intermedie che vanno a ridurre la velocità di propagazione della fiamma; per stabilizzare la fiamma è allora necessario utilizzare aria comburente supplementare o combustibile ausiliario. La loro presenza può provocare anche grossi problemi di corrosione dei materiali di cui è composto l’impianto. L’ossidazione completa richiede generalmente temperature di esercizio più elevate rispetto agli idrocarburi non alogenati; temperature ancora più elevate sono necessarie nel caso in cui le sostanze contengano anche fluoro, o quando gli atomi di cloro nella molecola da ossidare siano in numero elevato. Ciò
accade perché i prodotti della decomposizione iniziale della molecola risultano più stabili e quindi più difficilmente ossidabili. Altra caratteristica negativa dell’ossidazione di composti clorurati è la propensione a produrre nerofumo e prodotti di combustione parziale. La formazione di nerofumo è indesiderata perché, oltre a contribuire alle emissioni di particolato, è spesso collegata con la formazione di composti policiclici aromatici ed è indice di ossidazione non completa. La turbolenza è il terzo parametro che influenza in modo significativo l’efficienza di abbattimento. Negli intervalli di temperatura e di tempo di permanenza generalmente utilizzati negli impianti industriali, la combustione viene controllata dai processi di miscelazione che avvengono all’interno del sistema; una buona miscelazione è quindi molto importante non solo per favorire un intimo contatto tra VOC ed aria di combustione, ma anche per incrementare la velocità di combustione grazie al ricircolo dei radicali liberi, estremamente attivi nell’innesco rapido delle reazioni di ignizione ed ossidazione. Le difficoltà nel definire un valore per la turbolenza non consentono di indicarne dei valori ottimali di progetto; tuttavia, nella pratica impiantistica, sono di comune adozione e studio accorgimenti vari per aumentarne l’intensità. Nei combustori catalitici, il processo di combustione è pressoché analogo a quello che avviene nei combustori termici. La principale differenza consiste nel fatto chenella camera di combustione si realizza un’ossidazione senza fiamma, utilizzando opportuni catalizzatori che consentono l’ossidazione dei VOC a temperature più basse. Rispetto ai parametri di processo precedentemente descritti, la temperatura rimane ancora il parametro principale; il suo valore è strettamente dipendente dall’efficienza di abbattimento richiesta, dal tipo di VOC da trattare, dal catalizzatore utilizzato e dalla struttura geometrica del letto catalitico. Le temperature operative generalmente utilizzate variano tra 300°C e 500°C. Il tempo di permanenza è invece sostanzialmente ininfluente ai fini della progettazione, a causa dei valori relativamente elevati della velocità lineare del flusso gassoso attraverso il catalizzatore, tipicamente compresi tra 3 m/s e 6 m/s. L’altro fondamentale parametro nella progettazione dei combustori catalitici è la velocità spaziale, definita come il rapporto tra la portata oraria di effluente aeriforme ed il volume di catalizzatore:
f = Q/Vc dove f = velocità spaziale [h1];
Q = portata volumetrica totale attraverso il catalizzatore [m3/h];
Vc = volume di catalizzatore [m3].
Tramite la velocità spaziale è possibile quindi determinare il quantitativo di catalizzatore richiesto per ottenere la desiderata efficienza di conversione alla temperatura di esercizio prefissata. I valori di velocità spaziale, a parità di efficienza di abbattimento, dipendono dal tipo di catalizzatore e dai VOC da trattare. Valori tipici di velocità spaziale in funzione del tipo di catalizzatore sono qui di seguito riportate:
• per metalli preziosi a nido d’ape= 20.000-40.000 [h-1]
• per metalli preziosi su supporto sfuso= 8.000-15.000 [h-1]
• per ossidi metallici= 3.000-10.000 [h-1].
Un aspetto importante della tecnologia di conversione catalitica è rappresentato dal sistema di contatto tra effluente aeriforme e catalizzatore. Quest’ultimo viene di solito utilizzato in due distinte configurazioni strutturali: monolitica o a letto fisso granulare. Nel primo caso, che è il più ampiamente utilizzato, il catalizzatore è di solito disposto sulla superficie di supporti metallici o di ceramica disposti a canali paralleli, allineati nella direzione del flusso dell’effluente aeriforme e contenuti in un unico blocco solido. La forma dei canali può essere tubolare, a nido d’ape o a maglia. I principali vantaggi di tale configurazione consistono nel ridotto numero di rotture ed abrasioni, dovute all’escursione termica che si verifica durante i transitori di avviamento e di messa fuori servizio dell’impianto, e nelle ridotte perdite di carico. Nella configurazione a letto fisso, il catalizzatore è depositato su piccole particelle
sferiche, cilindriche o ad anello che, inserite in apposite strutture di contenimento, costituiscono lo strato attraverso il quale fluisce l’effluente aeriforme. Il principale vantaggio di questa configurazione è rappresentato dalla relativa facilità con la quale si può sostituire il catalizzatore; le perdite di carico risultano peraltro significativamente più elevate. Nei combustori catalitici, i catalizzatori più comunemente utilizzati sono quelli a base di metalli nobili (principalmente platino, puro o in lega con rodio, palladio, ecc.) o di ossidi di metalli quali nichel, rame, cromo, stagno, ecc.; sono disponibili anche
catalizzatori misti. La scelta del catalizzatore è condizionata dalla presenza nell’effluente aeriforme di sostanze che ne possono diminuire l’attività catalitica in conseguenza di fenomeni chimici e fisici ed è influenzata dalla natura degli inquinanti da ossidare. Si possono verificare fenomeni di:
• invecchiamento termico, causato da eccessivi innalzamenti della temperatura di esercizio (ad esempio dovuti all’aumento di erogazione del combustibile ausiliario o all’elevata concentrazione di inquinanti da ossidare) che possono instaurare processi favorevoli alla sinterizzazione o addirittura alla fusione del catalizzatore. Per i catalizzatori a metalli preziosi la temperatura massima ammessa è di 650°C, mentre per quelli ad ossidi metallici è di circa 500°C
• erosione e/o mascheramento della superficie ad opera delle particelle solide incombuste trasportate dal flusso gassoso. La contaminazione del catalizzatore può essere causata dal deposito di solidi presenti nei fumi o originatisi in seguito a reazioni secondarie, come nel caso di corrosione od ossidazione delle apparecchiature di processo; in taluni casi può essere rimosso semplicemente innalzando la temperatura del letto di quel tanto da permettere la combustione di tali sostanze, ma non l’invecchiamento termico del catalizzatore. Lo sporcamento del catalizzatore può essere causato anche dell’eventuale presenza di particolato nell’effluente aeriforme da trattare; si può ovviare a questo inconveniente predisponendo un apposito prefiltro a monte della camera di combustione. • inibizione da parte di sostanze particolari, quali composti solforati ed alogenati, che possono venire adsorbiti dalla superficie porosa
• avvelenamento, da parte di sostanze quali metalli ed alogenoderivati.
Le soluzioni impiantistiche adottate nella realizzazione di un combustore, termico o catalitico che sia, possono differenziarsi da costruttore a costruttore, ma sono tutte rivolte al raggiungimento di quattro condizioni fondamentali:
• massimizzare l’efficienza di abbattimento
• minimizzare la formazione di inquinanti da combustione
• massimizzare il recupero del calore prodotto durante la combustione
• ridurre il consumo di combustibile ausiliario.
I primi due punti rientrano in quella che si potrebbe definire la problematica delle emissioni in atmosfera e del rispetto della legislazione vigente; gli ultimi due punti rientrano nella problematica dei costi di gestione.
15.4.2 Emissioni in atmosfera
Per incrementare l’efficienza di abbattimento dei combustori occorre ottimizzare quei parametri che regolano lo svolgimento del processo di ossidazione. Questa affermazione è sostanzialmente vera nei combustori recuperativi, in cui ingresso ed uscita dell’effluente sono ben distinti e separati, il processo è lineare e non sono presenti interferenze o complicazioni procedurali. Nei combustori rigenerativi invece (sia termici che catalitici), la situazione si complica per via della configurazione strutturale e della logica di funzionamento dell’impianto: a causa della presenza di due o più letti di riempimento che agiscono alternativamente da preriscaldatore e da recuperatore di calore, la direzione del flusso dell’effluente aeriforme non è univocamente definita ed ingresso e uscita si scambiano alternatamente di funzione, con una frequenza di scambio che definisce il cosiddetto «ciclo di inversione».Attraversando il riempimento che opera da preriscaldatore, l’effluente aeriforme, a bassa temperatura, si riscalda per contatto con le masse ceramiche fino a raggiungere una certa temperatura alla quale ha inizio il processo di ossidazione termica dei VOC in esso contenuti. Il raggiungimento di tale temperatura avviene ad un certa altezza del letto ceramico, rispetto al punto di ingresso. Ma in tutta la zona del letto in cui l’effluente aeriforme non ha raggiunto tale temperatura, i VOC rimangono incombusti e durante il successivo ciclo di inversione (in cui il riempimento opera come recuperatore di calore) vengono espulsi al camino come tali, incrementando il valore di COT (carbonio organico totale). E’ allora intuitivo comprendere come, ad ogni ciclo di inversione, le emissionial camino siano caratterizzate da valori di picco che possono essere anche assai elevati, a seconda della concentrazione iniziale di VOC. Poiché in genere un’inversione avviene ogni 90–120 secondi, il rispetto dei limiti al camino (anche se misurato come media oraria) può risultare difficoltoso, se non impossibile, soprattutto in quei casi di elevate fluttuazioni della concentrazione in ingresso. Dando per scontato che la conversione dei VOC risulti sempre ottimizzata, le tecniche adottate per rispettare i limiti alle emissioni sono tutte rivolte alla riduzione del valore di questi picchi. Una possibile soluzione prevede l’allungamento della durata del ciclo di inversione: viene così ridotta la frequenza dei picchi e si abbassa di conseguenza anche il valore medio dell’emissione. Ma questa soluzione può risultare inappropriata e comportare non pochi inconvenienti; infatti, se la progettazione dei letti ceramici non è eseguita correttamente (sia in termini di dimensionamento che di scelta dei materiali),
si può verificare la necessità di dover incrementare il consumo di combustibile per poter mantenere costante ed uniforme la temperatura in camera di combustione, che altrimenti tenderebbe a diminuire (per esaurimento della scorta di calore immagazzinato nel primo riempimento e ceduto all’effluente aeriforme) riducendo conseguentemente l’efficienza di combustione e di abbattimento; per contro però, con tale soluzione si va ad aumentare anche la temperatura dei fumi emessi (per eccessivo accumulo di calore nel secondo riempimento), con conseguente necessità di installare dispositivi supplementari per il loro raffreddamento. Un’altra soluzione è quella che prevede l’utilizzo di una terza camera di riempimento. In questo caso il ciclo di inversione prevede i seguenti scambi: la camera di preriscaldamento passa in fase di stand-by e lavaggio; la camera di recupero passa in fase di preriscaldamento; la terza camera passa in fase di recupero termico. Dando per scontato il raggiungimento delle prestazioni ambientali richieste, questa soluzione presenta indubbiamente un costo di investimento più elevato rispetto alle altre descritte (se non altro, come costo dei materiali di riempimento); inoltre, l’operazione di lavaggio del letto in stand-by deve comunque essere effettuata con aria pulita, affinché i picchi siano eliminati e ciò può comportare un incremento della portata da trattare (con conseguente consumo proporzionale di combustibile) qualora l’aria di lavaggio venga prelevata dall’ambiente, oppure un incremento del consumo di energia elettrica, qualora l’aria di lavaggio venga prodotta da apposito compressore. Una soluzione impiantistica più compatta, prevede di utilizzare un’unica torre cilindrica in cui viene inserita l’intera massa del riempimento, separata da setti verticali in modo da realizzare settori indipendenti; un’unica valvola rotativa, installata alla base della torre, opera alternativamente la deviazione dell’effluente verso i settori attivi, operando il ciclo di inversione di cui sopra. Un’ulteriore soluzione impiantistica è quella che prevede l’installazione di una
«camera di compensazione» tra l’uscita dell’effluente dal combustore ed il camino. La funzione di questa camera è quella di ospitare per un breve periodo di tempo (qualche secondo) il volume dell’effluente aeriforme ancora contaminato presente nel riempimento e di rilasciarlo successivamente immettendolo nel flusso di effluente aeriforme in ingresso al combustore; così operando, i picchi di emissione vengono in teoria annullati. Nella pratica, la riuscita dell’operazione dipende dalla configurazione e dalla struttura della suddetta camera e dalla gestione complessiva della fase di compensazione.Anche in questo caso è però previsto l’utilizzo di una certa quantità di aria di lavaggio. Da segnalare infine la presenza delle valvole di intercettazione sui vari circuiti dell’effluente aeriforme, soprattutto per il caso dei rigenerativi: poiché queste componenti devono poter lavorare anche a temperature sufficientemente elevate, dovrebbero essere presenti sedi di tenuta tali da poter garantire l’assenza totale di trafilamenti che comprometterebbero le prestazioni ambientali del combustore. La garanzia viene data sia da un’accurata scelta dei materiali, i quali dovrebbero essere
resistenti sia alle sostanze trattate che alle temperature di esercizio, sia dall’affidabilità delle valvole stesse, che dovrebbero essere in grado di effettuare senza problemi l’elevato numero di operazioni richieste.
15.4.3 Costi di gestione
I costi di gestione di un combustore sono imputabili a più voci,ciascuna con un propria rilevanza.Tipicamente, queste voci comprendono: il consumo di combustibile; la sostituzione più o meno programmata di alcune componenti; il consumo di energia elettrica e di aria compressa; le ore di manutenzione ordinaria e straordinaria. Il consumo di combustibile è la voce che può assumere maggior rilevanza nella conduzione di un impianto di combustione. Dal punto di vista impiantistico,il problema principale nel trattamento di un effluente contaminato da VOC, è quello di trovare una soluzione tecnologica opportuna che possa consentire il maggior recupero del calore di combustione, contemporaneamente al raggiungimento, ove possibile, delle condizioni di autosostentamento del sistema. La condizione di autosostentamento è data da quell’intervallo di concentrazioni dei VOC nell’effluente aeriforme all’interno del quale l’energia necessaria al raggiungimento della temperatura di combustione viene fornita esclusivamente dal calore recuperato e da quello sviluppato dall’ossidazione del contaminante, senza alcun consumo di combustibile ausiliario, riducendo così i costi di gestione.
Ove non sia possibile operare nelle condizioni sopra descritte, il calore mancante al raggiungimento della temperatura di combustione prefissata, dovrebbe essere fornito tramite un opportuno bruciatore che utilizza un combustibile ausiliario (tipicamente metano, GPL o gasolio). Nei combustori termici rigenerativi, l’intervallo di concentrazioni di VOC che permette l’autosostentamento è compreso approssimativamente tra 2 g/m3 e 6 g/m3 di inquinante; nei combustori termici recuperativi il minimo di concentrazione è approssimativamente pari a 6 g/m3, mentre non viene dato un limite superiore; nei
combustori catalitici rigenerativi si possono raggiungere le condizioni di autosostentamento anche per concentrazioni prossime a 1 g/m3 , anche se il costo impiantistico supplementare per ottenere ciò potrebbe risultare piuttosto elevato e difficilmente ammortizzabile in tempi brevi. L’individuazione dei valori ottimali di concentrazione, tali da poter assicurare una combustione non assistita, dovrebbe essere effettuata caso per caso in funzione della tipologia dell’inquinante da trattare. Bisognerebbe però tenere presente che tale concentrazione dovrebbe sempre restare al di fuori dell’intervallo d’infiammabilità della sostanza, per evitare che la miscela si autoinneschi in maniera non controllabile. E’ pratica comune mantenere al di sotto del 25% del LEL la concentrazione di VOC nell’effluente aeriforme; concentrazioni di VOC con valori fino al 50% del LEL dovrebbero essere continuamente monitorate tramite appositi analizzatori. Al di sopra del 50% del LEL, l’effluente aeriforme dovrebbe essere diluito, per sicurezza, anche se l’aggiunta di aria di diluizione potrebbe comportare un incremento nei consumi di combustibile. Il consumo effettivo di combustibile per un impianto è strettamente legato alla soluzione tecnologica adottata ed alla correttezza del dimensionamento delle varie componenti del sistema. L’operazione fondamentale che determina la configurazione finale del combustore, in termini di dimensioni e di parametri di processo, è il calcolo del bilancio termico. In termini generali, il bilancio termico serve principalmente a definire la quantità di energia necessaria per portare l’effluente, in ingresso al combustore, dalla temperatura iniziale Ti alla temperatura di combustione Tc prestabilita. Questa energia non viene totalmente fornita attraverso il bruciatore ma, sia nei
combustori recuperativi che nei combustori rigenerativi, la maggior parte di essa viene fornita da appositi scambiatori di calore che recuperano l’energia termica dei fumi in uscita dalla camera di combustione, operando da preriscaldatori dell’effluente aeriforme. Nei combustori recuperativi il reriscaldatore è costituito da uno scambiatore di calore classico (normalmente del tipo a fascio tubiero), mentre nei combustori rigenerativi è costituito da materiale ad elevata capacità termica (riempimento generalmente di tipo ceramico) presente in due o più unità d scambio.A valle del preriscaldatore la temperatura dell’effluente assume un certo valore Tr che dipende dal dimensionamento del preriscaldatore stesso. Se tale dimensionamento deriva da una sottovalutazione di alcuni parametri di processo, ad esempio l’effettiva portata di effluente aeriforme che attraversa il preriscaldatore (soprattutto nei rigenerativi, dove alcuni accorgimenti impiantistici prevedono flussi d’aria aggiuntivi oltre all’effluente aeriforme, quali l’aria comburente per il combustibile ausiliario, l’aria di lavaggio per la camera di compensazione o per la terza camera, l’eventuale aria di diluizione), il valore reale di Tr risulta minore di
quello di progetto e, conseguentemente, risulta maggiore il consumo di combustibile ausiliario. Nei combustori rigenerativi il riempimento viene dimensionato per ottenere un valore di Tr pari al 90-95% del valore di Tc. Nei combustori recuperativi invece, per poter mantenere dei rendimenti di recupero così elevati, occorrerebbe installare degli scambiatori con superfici di scambio e con dimensioni di ingombro assai elevate e ciò risulterebbe decisamente antieconomico; inoltre, i materiali utilizzati non sarebbero in grado di sopportare temperature maggiori di 500°C-600°C. Si preferisce allora ridurre a valori più bassi il rendimento termico del preriscaldatore, utilizzando il calore in eccesso al camino per altri scopi. Per quanto detto, a parità di condizioni operative e di prestazioni, il consumo di combustibile dei combustori recuperativi è maggiore di quello dei combustori rigenerativi; inoltre, a parità di
condizioni operative e di prestazioni, il consumo di combustibile nei combustori termici è di conseguenza maggiore di quello dei catalitici, operando, questi ultimi, a valori di Tc decisamente minori. Per il calcolo del bilancio termico, il primo termine analitico che concorre alla determinazione del consumo di combustibile è quello relativo al fabbisogno energetico Pe, necessario per portare la temperatura dell’effluente aeriforme (di portata volumetrica Qe) da Tr a Tc. Questo primo termine, formalmente, è uguale alla differenza tra l’energia che occorre fornire a Qe per portarlo dalla temperatura iniziale alla temperatura di combustione e l’energia fornita allo stesso Qe dal preriscaldatore.Tale differenza equivale al fabbisogno Pe di cui sopra. Va segnalato che, in condizioni di assenza di VOC nell’aeriforme, la differenza di temperatura (Tc – Tr) è equivalente alla differenza di temperatura (Tu – Ti) tra
ingresso ed uscita del combustore, per lo stesso effluente aeriforme Qe. A questo primo termine ne possono essere aggiunti altri, in funzione delle configurazioni progettuali adottate. Uno di questi è il termine relativo al fabbisogno energetico Pc necessario per portare alla temperatura Tc anche la portata d’aria comburente (Qc), che permette la combustione del combustibile ausiliario nel bruciatore. La portata d’aria comburente è definita dal fabbisogno stechiometrico necessario per la combustione, incrementato dell’eccesso d’aria fissato per sicurezza dall’impiantista; in prima approssimazione, essa può variare tra il 5% ed il 10% di Qe, in funzione della temperatura di combustione, della concentrazione e della natura di OC presenti nell’effluente aeriforme. A seconda del tipo di combustore e delle scelte impiantistiche del costruttore, essa può essere fornita sia tramite prelievo di aria esterna (in questo caso la portata Qc si aggiunge a quella dell’effluente aeriforme Qe), sia utilizzando una parte dello stesso effluente da trattare. L’uso di aria esterna è previsto solo nei casi in cui l’ossigeno presente nell’effluente da trattare non è sufficiente a consentire la combustione degli inquinanti organici e del combustibile ausiliario: nella pratica impiantistica, questa soglia viene assunta pari al 20% in volume di O2. Poiché il termine Pc è definibile in prima approssimazione come il fabbisogno energetico necessario per portare la temperatura dell’aria comburente dalla sua temperatura iniziale Ta a Tc, le differenze impiantistiche possono influenzare in maniera sensibile il valore reale di tale parametro. Le differenze impiantistiche sono sostanzialmente di tre tipi:
• nei combustori recuperativi solitamente non viene fatto uso di aria comburente
esterna, perché viene adottata la tecnica della «fiamma in vena d’aria», che consiste nel convogliare parte dell’effluente aeriforme direttamente al bruciatore all’interno della camera di combustione. Il vantaggio di questa soluzione è legato quindi all’assenza nel bilancio termico del termine di riscaldamento dell’aria comburente. Un possibile aspetto negativo di questa soluzione impiantistica deriva dal fatto che, essendo il bruciatore dislocato direttamente in camera di combustione, esso è soggetto a lunghe esposizioni ad elevate temperature che possono provocare (principalmente per irraggiamento) danni irreversibili ai materiali di cui è costituito. La presenza di particolato nell’effluente aeriforme non dovrebbe invece creare particolari problemi ai bruciatori utilizzati per questa soluzione costruttiva
• nei combustori rigenerativi alcuni costruttori optano per il prelievo esterno (tramite apposito ventilatore) dell’aria comburente, da inviarsi ad un bruciatore che solitamente non è posto all’interno della camera di combustione, ma è dislocato in un apposito vano da dove il calore della fiamma si diffonde. L’aria comburente così prelevata è a tutti gli effetti una portata d’aria aggiuntiva, che deve essere sommata a quella dell’effluente aeriforme nei calcoli progettuali. In questo caso la temperatura Ta dell’aria comburente equivale alla temperatura ambiente. L’utilizzo di aria esterna consente una certa regolarità del processo di combustione, in quanto il tenore di ossigeno in essa contenuto è pressoché costante
• sempre nei combustori rigenerativi, altri costruttori optano per l’utilizzo, come aria comburente, di una frazione dell’effluente stesso, ma, a differenza di quanto avviene nei combustori recuperativi, essa non può essere preventivamente riscaldata, in quanto la configurazione del bruciatore non è quella della «fiamma in vena d’aria», ma è la stessa descritta nel caso precedente. La tecnica della «fiamma in vena d’aria» non può essere utilizzata nei combustori rigenerativi, poiché il continuo alternarsi della direzione del flusso di processo (causato dalla inversione dei cicli) provocherebbe ogni volta la rottura della fiamma, con conseguente necessità di riaccensione della stessa. La soluzione adottata è quindi quella di prelevare una portata Qc da quella dell’effluente aeriforme ed inviarla al bruciatore,“bypassando” il riempimento. In questo caso la temperatura Ta dell’aria comburente coincide con la temperatura Ti dell’effluente aeriforme. Il vantaggio di questa soluzione è legato quindi all’assenza nel bilancio termico del termine di riscaldamento dell’aria comburente e tale vantaggio è tanto maggiore (a parità di dimensionamento del riempimento) quanto maggiore è la temperatura Ti dell’effluente
aeriforme. Un possibile svantaggio deriva invece dal fatto che, qualora l’effluente aeriforme dovesse presentare variazioni consistenti nel tenore di ossigeno (dovuti al tipo di lavorazione dell’utenza e/o alla frequenza e durata dell’emissione di inquinanti), la regolarità del processo di combustione verrebbe compromessa, riducendo così le prestazioni ambientali dell’impianto. Un ulteriore aspetto negativo di tale soluzione potrebbe derivare dall’eventuale intasamento degli ugelli del bruciatore, qualora la concentrazione di particolato nell’effluente aeriforme fosse elevata e qualora non venissero prese opportune precauzioni.
Come si può evincere da quanto descritto nei tre punti precedenti, la variazione nei consumi di combustibile ausiliario addebitabile al termine Pc, dipende in primo luogo dal valore reale che vanno ad assumere i parametri Ta e Ti in condizioni operative, per un dato dimensionamento degli scambiatori di calore. Il terzo termine energetico da prendere in considerazione è quello relativo alle dispersioni termiche verso l’ambiente (Pw). La sua stima, pur non essendo complicata a livello progettuale, risulta problematica se la si vuole esprimere in termini percentuali rispetto al fabbisogno energetico totale, in quanto le soluzioni impiantistiche adottate per il contenimento delle dispersioni sono piuttosto diversificate e strettamente dipendenti dalle condizioni di processo (si pensi ad esempio alla grossa differenza tra la temperatura di combustione di un combustore termico e quella di un combustore catalitico) e dalla configurazione strutturale dell’impianto. Di fatto quindi, ogni impiantista ha le proprie procedure di calcolo. Il quarto termine è quello relativo al fabbisogno energetico Pl necessario per riscaldare alla temperatura Tc la portata di aria di lavaggio (Ql), che negli impianti rigenerativi viene utilizzata per il lavaggio della camera di compensazione o della terza camera. Di solito tale portata è pari circa al 7% della portata dell’effluente aeriforme Qe ed è inviata al riempimento (da cui fuoriesce alla temperatura Tr) per essere anch’essa preriscaldata. Il quinto termine energetico (Pd) è quello relativo alla portata di aria di diluizione (Qd) necessaria per ridurre la concentrazione di VOC nell’effluente al di sotto del valore di sicurezza stabilito per il LEL. Di solito anche tale portata viene prelevata dall’ambiente e viene inviata al preriscaldatore, da cui fuoriesce alla temperatura Tr. La somma di tutti i termini fin qui descritti, fornisce il fabbisogno energetico richiesto dal sistema.Tale fabbisogno viene solo in parte fornito dal combustibile ausiliario, mentre una quota significativa viene fornita dagli stessi VOC che operano da combustibile primario; infatti, poiché la reazione di ossidazione è esotermica, al
bilancio termico precedentemente descritto va sottratta la quantità di energia sviluppata dalla combustione dei VOC. Questa quantità varia in funzione della concentrazione e del potere calorifico delle sostanze presenti nell’effluente e contribuisce alla riduzione del consumo effettivo di combustibile ausiliario. In fase di dimensionamento, fissato un valore per il potere calorifico inferiore dei VOC, l’energia sviluppata dipende solo dalla loro concentrazione. Si possono allora distinguere tre diverse condizioni:
• la concentrazione di VOC è minore della concentrazione minima di autosostentamento del sistema
• la concentrazione di VOC è compresa nell’intervallo di autosostentamento
• la concentrazione di VOC è maggiore della concentrazione massima di autosostentamento.
Nella prima condizione il consumo di combustibile ausiliario può variare da un massimo, corrispondente ad una concentrazione di VOC nell’effluente tendente a zero, ad un minimo corrispondente ad una concentrazione di VOC prossima al limite inferiore dell’intervallo di autosostentamento. In caso di fluttuazioni della concentrazione in ingresso, l’impianto deve essere in grado di ottimizzare l’immissione di combustibile ausiliario al bruciatore, ad esempio mediante valvola modulante regolata da sonde di temperatura poste all’interno della camera di combustione. Nella seconda condizione il consumo di combustibile ausiliario è teoricamente nullo, ma ciò può non essere vero nella pratica.Tutto dipende dalla possibilità che il bruciatore possa essere spento o mantenuto al minimo (presenza di fiamma pilota); le condizioni operative che in genere consentono di spegnere la fiamma pilota sono quelle che prevedono la quasi totale assenza di fluttuazioni nella concentrazione di VOC provenienti dall’utenza ed una attività dell’impianto di 24 ore/giorno. In caso contrario, l’impianto dovrebbe essere in grado sia di effettuare un rapido riscaldamento dopo una breve fermata (nel caso di attività su uno o due turni lavorativi ciò avviene ogni giorno), sia di compensare eventuali fluttuazioni di concentrazione al di sotto della soglia minima di autosostentamento; esso va dunque tenuto al minimo e, in funzione del rapporto di modulazione consentito dal bruciatore (1:10, 1:30, ecc.), si ha un equivalente consumo di combustibile ausiliario che generalmente non è minore di 2-3 m3 /h.Nella terza condizione valgono le considerazioni del precedente punto, ma in più può presentarsi il rischio di surriscaldamento del sistema, dovuto all’eccesso di calore sviluppato e all’incremento della temperatura in camera di combustione e/o nel letto di riempimento, con conseguente innalzamento della temperatura al camino. Questa situazione può presentarsi soprattutto nei combustori rigenerativi nei casi in cui la concentrazione in ingresso al combustore manifesti variazioni impreviste (o sottostimate) assai elevate (pari a 3-4 volte il dato di progetto). Si presenta allora la necessità di abbassare la temperatura in camera di combustione e ciò può essere ottenuto con metodi differenti: alcune soluzioni adottate prevedono il posizionamento preventivo in camera di combustione di serpentine ad olio diatermico che prelevino il calore in eccesso; altre, lo spruzzo di un quantitativo controllato di acqua sui riempimenti. Nel primo caso però il dispositivo è potenzialmente soggetto ad usura ed una sua rottura può compromettere la sicurezza dell’impianto, rendendolo pericoloso (l’olio diatermico è anch’esso un combustibile);
nel secondo caso invece, l’immissione non accuratamente dosata di grossi quantitativi di acqua (possono essere anche centinaia di litri) può provocare danni notevoli alle strutture dell’impianto, quali “shock termici” e/o corrosioni. Una soluzione alternativa adottabile è quella che prevede che una frazione dell’effluente aeriforme si congiunga con il flusso principale dopo aver “by-passato” il riempimento, così da ridurre ai valori desiderati la temperatura del flusso complessivo che entra in camera di combustione. Così operando, il successivo incremento di temperatura dovuto all’elevata concentrazione viene riportato entro i valori prestabiliti e controllabili. Tale soluzione è indubbiamente più complessa impiantisticamente, necessitando di condotti e valvole supplementari che vanno a complicare la gestione del sistema; inoltre, senza gli opportuni accorgimenti, potrebbe anche produrre una disuniformità di flusso all’interno della camera di combustione, se non addirittura una riduzione della temperatura della stessa, con conseguente riduzione delle prestazioni ambientali e/o incremento di consumi. Un’altra soluzione alternativa è quella che prevede di prelevare una frazione dell’effluente aeriforme in uscita dalla camera di combustione per inviarla al camino, “by-passando” il secondo riempimento, dopo averle fatto attraversare uno scambiatore ad olio diatermico,consentendo così l’eliminazione del surriscaldamento ed il recupero secondario del calore in eccesso. In ogni caso tutte queste soluzioni, di qualunque natura esse siano, portano ad una maggiorazione dei costi di investimento. Un buon impianto dovrebbe essere dimensionato e progettato per garantire la necessaria flessibilità alle variazioni di carico cui può essere soggetto, razionalizzando ed ottimizzando le componenti «proprie» del sistema (ad esempio, dimensionando i riempimenti in modo che possano garantire l’accumulo e la cessione del surplus energetico), possibilmente senza ricorrere a soluzioni di appoggio compensative. Un esempio di razionalizzazione ed ottimizzazione di componenti può essere quello che prevede di ridurre il rendimento termico del preriscaldatore, per ridurre la temperatura Tr e mantenere costante Tc, anche se ciò può portare ad un incremento della temperatura al camino. Se a questo accorgimento si aggiunge anche la possibilità di variare opportunamente la frequenza del ciclo di inversione in funzione del carico di contaminante, si può ottenere una discreta flessibilità di conduzione. Quanto detto finora sul calcolo del bilancio termico, può essere in prima approssimazione riassunto mediante due «formule base», in grado di fornire al potenziale utilizzatore un ordine di grandezza per una stima preventiva, seppur approssimativa, dei consumi di combustibile per un impianto di abbattimento VOC mediante combustione. Queste formule sono da ritenersi di carattere generale ed in esse compaiono tutti i parametri fin qui esaminati; la loro applicazione a singoli casi specifici necessita delle opportune valutazioni. Consumo di combustibile ausiliario [m3/h] = = Fabbisogno termico totale [kcal/h] / 8300 [kcal/m3] Nota: La formula è valida solo se si utilizza metano come combustibile ausiliario. Nel caso di utilizzo di altro combustibile, il valore 8.300 deve essere sostituito con il relativo potere calorifico inferiore del combustibile usato. Ptot= [Pe+Pc+Pw+Pl+Pd-PVOC]= =[Qe*c*(Tc-Tr)+Qc*c*(Tc-Ta)+Pw+Ql*c*(Tc-Tr)+Qd*c*(Tc-Tr)-(Qe*Cvoc*pci)/1000] dove: Ptot [kcal/h] = fabbisogno termico totale Pe [kcal/h] = fabbisogno termico necessario per riscaldare la portata di effluente aeriforme Qe dalla temperatura Tr alla temperatura di combustione Tc Pc [kcal/h] = fabbisogno termico necessario per riscaldare la portata di aria comburente Qc dalla sua temperatura iniziale Ta alla temperatura di combustione Tc Pw [kcal/h] = dispersione termica verso l’ambiente Pl [kcal/h] = fabbisogno termico necessario per riscaldare la portata di aria di lavaggio Ql dalla temperatura Tr alla temperatura di combustione Tc Pd [kcal/h] = fabbisogno termico necessario per riscaldare la portata di aria di diluizione Qd dalla temperatura Tr alla temperatura di combustione Tc Pvoc [kcal/h] = energia termica sviluppata dalla combustione dei VOC presenti nell’effluente aeriforme Qe [m3/h] = portata di effluente aeriforme Qc [m /h] = portata d’aria comburente Ql [m3/h] = portata d’aria di lavaggio Qd [m3/h] = portata d’aria di diluizione c [kcal/m3°C]= rapporto tra il calore specifico medio e la densità media dell’aria (valore approssimativo: 0,32) Cvoc [kg/m3] = concentrazione di VOC presenti nell’effluente aeriforme pci [kcal/kg] = potere calorifico inferiore dei VOC presenti nell’effluente aeriforme Nota: per una stima preventiva del consumo di combustibile, il valore Tr può essere calcolato come prodotto tra il valore di Tc ed il valore di rendimento termico del preriscaldatore, dichiarati dal costruttore.
Se si volessero effettuare dei calcoli comparativi tra diverse soluzioni tecnologiche (termica recuperativa, termica rigenerativa e catalitica recuperativa, ad esempio), si otterrebbero dei risultati che, a prima vista, si mostrerebbero decisamente a sfavore della tecnica termica recuperativa, rispetto alla tecnica rigenerativa, in relazione ai consumi di combustibile. Ma se cambiando prospettiva ed andando a considerare, in un bilancio globale dei consumi dovuti all’installazione di un combustore, anche la quantità di calore che può essere recuperata per usi secondari tecnologici (riscaldamento di olio diatermico per la produzione di vapore, produzione diretta di vapore, produzione di acqua calda, eccetera), allora si può vedere che il combustore recuperativo riacquista, nei campi applicativi di propria competenza, parte della competitività apparentemente perduta; infatti, per produrre i fluidi tecnologici
di cui sopra, occorre utilizzare energia termica e quest’ultima si ottiene tipicamente mediante la combustione di un altro fluido (metano, gasolio, eccetera) che viene quindi consumato. Il bilancio globale dei consumi dovrebbe quindi tenere in considerazione anche la quantità di combustibile che viene risparmiata mediante il recupero del calore in eccesso.
15.4.4 Filtrazione del particolato
L’argomento è controverso ed assume particolare importanza nel settore della verniciatura, in cui la presenza di “overspray” nell’effluente aeriforme può essere di notevole entità. La questione verte sulla necessità o meno della presenza nell’impianto di combustione di un apposito ed efficiente dispositivo di filtrazione, in relazione anche ai costi di investimento e di gestione. Premesso che questi ultimi dipendono dal grado di filtrazione richiesto e dalla superficie filtrante totale del dispositivo (che determinano la frequenza di sostituzione degli elementi filtranti), nonché dalla eventuale presenza di dispositivi di autopulizia (che incidono sui consumi energetici), la valutazione sulla necessità della presenza di tali dispositivi si basa sul grado di importanza che gli impiantisti attribuiscono allo sporcamento delle componenti del combustore, causato dal particolato ed alle altre eventuali conseguenze negative prodotte dalla sua presenza.Secondo alcuni impiantisti, concentrazioni di particolato fino ad un limite di 10 mg/m3 non portano ad uno sporcamento dei letti (catalitici o ceramici) tale da compromettere le prestazioni complessive dell’impianto (ritenendo che la polvere sia sufficientemente leggera da passare attraverso i letti senza fermarsi ed accumularsi sulle superfici) e quindi la presenza di appositi dispositivi filtranti a monte del combustore non viene praticamente presa in considerazione, a meno che la concentrazione di polveri al camino non risulti maggiore dei limiti imposti dalle autorità di controllo. Altri impiantisti ritengono invece che il particolato (specialmente se nella sua composizione è presente della silice) sia in grado di provocare una serie di effetti negativi tra cui: ostruzione dei riempimenti (soprattutto se del tipo a sella); aumento delle perdite di carico del sistema, con conseguente riduzione della portata d’effluente aeriforme; riduzione dello scambio termico dei recuperatori di calore (sia nei combustori recuperativi che nei rigenerativi); sporcamento delle sedi di tenuta delle valvole, con conseguente riduzione dell’efficienza di abbattimento. Quindi, in assenza di opportuni dispositivi filtranti, il rischio che si corre è quello di dover sostituire o eseguire un’accurata manutenzione dei letti con frequenze non accettabili. Il filtro è quindi ritenuto necessario per ottimizzare il processo di combustione e per preservare l’integrità dell’impianto.
