Depurazione a letto fisso del gas di combustione

Processo di depurazione a letto fisso del Gas di combustione da cremazioni cimiteriali

Gli effluenti gassosi provenienti da operazioni di cremazioni cimiteriali costituiscono reflui moderatamente inquinati che, tuttavia, necessitano di adeguati trattamenti depurativi per poter essere scaricati in ambiente. Gli inquinanti presenti sono costituiti principalmente dai PCCC/F (diossine), secondariamente da NOx e gas acidi in modesta concentrazione. Il processo depurativo generalmente impiegato è il dosaggio di reattivo alcalino e di adsorbente in polvere in linea, con reazione di adsorbimento e neutralizzazione in trascinamento di gas, seguito dalla filtrazione della corrente gassosa in filtro a tessuto del tipo autopulente. In alternativa si può scegliere un processo di depurazione a letto fisso che prevede un primo stadio di filtrazione in filtro a tessuto ed un secondo stadio di reazione ed adsorbimento in un letto fisso, caricato con reattivo alcalino ed adsorbente carbonioso.

Nella tabella 1.1 sono riportate le caratteristiche tipiche di un effluente gassoso proveniente da operazione di cremazione di una salma, con la concentrazione di inquinanti analizzati a monte ed a valle del processo di depurazione a letto fisso e le rese depurative che si realizzano.

Tabella 1.1 Caratteristiche effluenti gassosi provenienti da cremazione di una salma

Le concentrazioni degli inquinanti sono riferite a presenza di O2 11 % vol. . La correzione tra concentrazione ad ossigeno del 16 % vol. e la concentrazione di riferimento ad O2 11 % vol. è la seguente: Concentrazione ad O2 11% vol. = Concentrazione ad O2 16% vol.×(21-11)/(21-16)

La Tabella 1.1 è stata elaborata sulla base di una campagna sperimentale di analisi condotta su operazioni di cremazioni di salme, di durata circa un anno, per verificare le prestazioni del processo di depurazione degli effluenti gassosi su letto fisso. La campagna è stata eseguita con un impianto pilota di capacità 20 Nm3/ora, installato presso un forno di cremazione in Emilia Romagna. L’impianto, costituito principalmente da un filtro autopulente e da un reattore-adsorbitore a letto fisso, è stato inserito sulla derivazione della corrente gassosa proveniente dal forno, a valle del refrigerante ad acqua, installato dopo la camera di post combustione. L’impianto pilota ha operato in parallelo con il sistema di depurazione esistente, costituito dal dosaggio in linea del reattivo e dell’adsorbente seguito da filtrazione in filtro a tessuto. La sperimentazione pertanto ha permesso non solo la caratterizzazione del processo di depurazione a letto fisso, ma ha anche fornito un confronto diretto tra due tecnologie in esame. Le portate dell’effluente sono state misurate in uscita dal forno di incenerimento dopo il raffreddamento a 160÷180°C. I valori di analisi riportate in Tabella 1.1 sono rappresentativi dell’intervallo delle rilevazioni effettuate sulla corrente di effluenti a monte ed a valle dell’impianto pilota nell’arco di un intero anno. Come è possibile verificare dalla successiva Tabella 2.1, le concentrazioni degli inquinanti residui, dopo il processo di depurazione a letto fisso, sono nel complesso equivalenti se non inferiori alle concentrazioni normalmente rilevate al camino a valle del processo di neutralizzazione ed adsorbimento con iniezione reattivi nella corrente gassosa.
Come si osserva nella Tabella 1.1, gli effluenti gassosi, provenienti dalle operazioni di cremazione, sono caratterizzati da un elevato tenore di O2, rispetto i normali processi di combustione, in quanto il forno di combustione opera in elevata depressione; questa situazione comporta che gli inquinanti sono presenti nell’effluente in concentrazione effettiva molto inferiore rispetto quanto indicato in Tabella, in condizioni non agevoli per la rimozione.
Si osserva che, per quanto concerne il tenore dei gas acidi in ingresso all’impianto, questi sono di frequente, ma non sempre, già al di sotto del limite ammesso per la emissione in ambiente. Tuttavia una rimozione seppur parziale dei gas acidi si rende comunque necessaria, sia in quanto non possono essere esclusi valori accidentali in partenza superiore al limite ammesso allo scarico, sia per evitare condense acide, sia per proteggere l’adsorbente carbonioso da una interazione disattivante con i gas acidi.
Per quanto concerne i microinquinanti, quali PCDD/F, questi sono oltre il limite ammesso per l’emissione in ambiente, tale da richiedere una depurazione con resa non inferiore al 97%.
Per quanto concerne altri inquinanti, quali CO, PCB, IPA questi già in partenza sono al di sotto dai limiti previsti da normativa. Le analisi dei PCB e delle IPA riportate in Tabella 1.1 considerano la somma di tutti i congeneri classificati, che è superiore ai valori delle analisi prescritte dalle normative ambientali che considerano solo 8 congeneri considerati i più tossici.

Processo di depurazione con dosaggio reattivi in trascinamento di fase gassosa

La tecnologia di depurazione impiegata negli impianti di cremazione cimiteriale è in prevalenza costituita dal processo di neutralizzazione a secco, congiunto con l’adsorbimento dei microinquinanti, realizzato con dosaggio in linea dei reagenti in trascinamento di corrente gassosa. Il reattivo alcalino e l’adsorbente carbonioso, formulati in polvere di granulometria media 20÷40 µm, sono iniettati nella corrente del gas di combustione; dopo un tempo di permanenza, tipicamente di due secondi, la corrente viene filtrata in filtro a tessuto del tipo autopulente, ove nel pannello di filtrazione si completano le reazioni di neutralizzazione dei gas acidi e l’adsorbimento dei microinquinanti.

La tecnologia di depurazione impiegata negli impianti di cremazione cimiteriale è in prevalenza costituita dal processo di neutralizzazione a secco, congiunto con l’adsorbimento dei microinquinanti, realizzato con dosaggio in linea dei reagenti in trascinamento di corrente gassosa. Il reattivo alcalino e l’adsorbente carbonioso, formulati in polvere di granulometria media 20÷40 µm, sono iniettati nella corrente del gas di combustione; dopo un tempo di permanenza, tipicamente di due secondi, la corrente viene filtrata in filtro a tessuto del tipo autopulente, ove nel pannello di filtrazione si completano le reazioni di neutralizzazione dei gas acidi e l’adsorbimento dei microinquinanti.

Una installazione per la cremazione di salme realizza mediamente 10 operazioni di incenerimento al giorno, la cui durata è di circa un’ora ciascuna, per 300 giorni all’anno e per un totale di circa 3000 cremazioni per anno. L’installazione di cremazione è costituita da un forno crematorio idoneo per incenerire una salma per volta, collegato con una camera di post combustione per la ossidazione completa dei volatili. I gas di combustione, uscenti dal post combustore a circa 900°C, sono raffreddati alla temperatura di 160÷180°C in un refrigerante a fascio tubiero operante con acqua di raffreddamento in un circuito chiuso. L’aria inquinata in uscita dal refrigerante è trattata in linea con un reagente in polvere, costituito da una miscela di calce idrata al 40% in peso più adsorbente carbonioso, tipo lignite. Il reagente, alimentato da una tramoggia, è dosato a flusso costante, tramite una valvola stellare di fondo ed una coclea di trasferimento, alla linea di aspirazione; tramite un tubo venturi il reattivo è aspirato in fase fluida ed è intimamente mescolato alla corrente principale di aria inquinata proveniente dal raffreddatore ad acqua. La corrente del refluo con il reattivo in sospensione attraversa un reattore di holding, con tempo di permanenza circa 2 secondi, per una prima fase di neutralizzazione dei gas acidi e di adsorbimento degli inquinanti organici; in seguito la corrente è convogliata in un filtro a maniche per la separazione del particolato e dei reagenti in polvere esausti. Nel pannello di filtrazione, che è scaricato con frequenza controllata, sono completate le reazioni di neutralizzazione ed adsorbimento. E’ interessante osservare che il primo stadio del processo di depurazione in corrente gassosa si svolge in equicorrente, mentre il secondo stadio nel pannello di filtrazione si realizza in controcorrente. E’ opinione prevalente che lo stadio di filtrazione della corrente gassosa nel pannello del filtro sia determinante per l’efficienza depurativa dell’intero processo. A valle del filtro è installato il ventilatore di aspirazione comandato da inverter per il convogliamento dell’aria al camino. L’installazione è provvista di controllo degli NOx, effettuato con dosaggio costante di una soluzione acquosa di urea nel post combustore. Le linee di convogliamento dell’aria inquinata ed il filtro autopulente sono coibentate. Il filtro autopulente è provvisto di dispositivi di riscaldamento esterno per evitare condensazioni di acque acide.

La temperatura dell’aria in ingresso al filtro autopulente è regolata alla temperatura di 160°C con il raffreddamento con acqua in circuito chiuso e l’ingresso di aria fredda esterna a monte del sistema di iniezione del reagente alcalino. L’attivazione del sistema di scarico del pannello di filtrazione è regolata dalla pressione differenziale tra l’ingresso e la uscita di aria dal filtro. La portata del ventilatore di aspirazione, regolata con variazione del numero di giri, è controllata dalla depressione che si realizza in camera di incenerimento. La portata media dell’aria inquinata è 3400 Nm3/ora nominali, equivalenti ad una portata di aria secca con tenore O2 11 %vol. di 1500 Nm3/ora nominali e ad una portata effettiva del gas umido effettiva di 5400 m3/ora alla temperatura di 160°C.

Il consumo del reattivo alcalino mescolato con lignite è circa 1,5 kg per ogni operazione, corrispondente quindi ad un dosaggio di 1000 mg/Nm3 riferiti ad O2 11%. Considerando che il reattivo è costituito per il 40% in peso di idrato di calcio e per il 60% di lignite attivata, si ha un consumo di 400 mg/Nm3 di calcio idrossido e 600 mg/Nm3 di lignite attivata.

In riferimento ad un tenore massimo di 30 mg/Nm3 di SO2 e di 25 mg/Nm3 di HCl nell’effluente gassoso a tenore O2 11 % vol., la quantità stechiometrica di idrossido di calcio è le seguente.

Dai bilanci di materia risulta che il processo di depurazione a secco con iniezione dei reattivi in fase gassosa, applicato alle operazioni di cremazione, opera con dosaggio di reattivo alcalino circa 6,5 volte il valore stechiometrico, mentre la resa di rimozione inferiore dei gas acidi spesso non supera il 60%. Nella Tabella 2.1 sono confrontate le concentrazioni degli inquinanti residui nel processo di depurazione a letto fisso e nel processo di depurazione per iniezione reattivi, da cui risulta che i due processi operano con rese di rimozioni circa equivalenti.

Tabella 2.1 Caratteristiche degli effluenti a valle del processo di depurazione

Le modeste rese di rimozione dei gas acidi che si realizzano nei due processi di depurazione, sia per iniezione che in letto fisso, oltre che causate dalle criticità dei due processi, è anche conseguenza del basso tenore di partenza dei gas acidi; non è agevole infatti realizzare una elevata depurazione degli inquinanti, quando questi già in partenza hanno bassa concentrazione.

Il processo di neutralizzazione a secco, realizzato con idrossido di calce, pur applicato ad elevate portate ed ad alta concentrazione di gas acidi, per diverse motivazioni non esibisce elevate prestazioni; richiede infatti un eccesso di reagente alcalino in rapporto 1,6÷2,0 con il valore stechiometrico, mentre la resa di abbattimento dei gas acidi si attesta a valori massimi tra 70÷80%. Per operare con queste prestazioni, per altro non elevate, il processo va inoltre realizzato nelle seguenti condizioni ottimali.

- La temperatura operativa deve essere compresa tra 130÷150°C, per poter operare con umidità relativa circa il 5%, che agevola la dissoluzione dei sali di neutralizzazione dalla superficie delle particelle reagenti.

- Il dosaggio del reattivo e dell’adsorbente non può scendere al di sotto di valori tipici, per poter assicurare una adeguata superficie specifica delle particelle reagenti in fase gassosa. Se, per bassa concentrazione degli inquinanti presenti, si opera con basso dosaggio di polveri reagenti, non si realizza in fase gassosa una superficie specifica delle particelle dei reagenti sufficiente per assicurare alte conversioni nelle reazioni.

- Va previsto un ricircolo dei reattivi iniettati e separati nel filtro autopulente.

- Il reattivo alcalino e l’adsorbente carbonioso vanno alimentati e dosati separatamente; il dosaggio del reattivo alcalino è controllato da analisi continua dei gas acidi, a monte ed a valle del processo di iniezione e filtrazione; il dosaggio dell’adsorbente spesso è controllato da analisi del mercurio nel gas. Nei termovalorizzatori e negli impianti di incenerimento di elevata capacità, la polvere di calce idrata è ormai stata sostituita da polvere di bicarbonato di sodio che a temperatura di 140°C si decompone in carbonato di sodio ad elevata superficie specifica. Generalmente l’impiego di bicarbonato di sodio richiede un eccesso di reagente limitato, inferiore a 1,40, e realizza rese di rimozioni superiori al 95 %. L’adsorbente carbonioso impiegato è di preferenza il carbone attivo, che a temperature tra 160÷180°C è un adsorbente più efficiente e sicuro della lignite attivata. Tuttavia il costo relativamente elevato di questi reattivi e la mancanza di analizzatori in linea che possano controllare con precisione il dosaggio, induce all’impiego di reattivi meno costosi, quale calce e lignite, che per altro inevitabilmente vanno dosati con largo eccesso.

Nel caso dei gas di combustione provenienti da cremazioni con portata circa 3400 Nm3/ora e concentrazione limitate di gas acidi, il processo a secco, applicato con calce idrata, senza ricircolo del reattivo e con dosaggio del reattivo a valore costante, esibisce necessariamente prestazioni modeste in termini di eccesso di reagenti e rese di rimozione.

Il processo di depurazione per iniezione dei reattivi di fase gassosa, realizzato a temperatura tra 160÷180°C, è inoltre fonte di insicurezza. Il lavaggio del pannello di filtrazione contenente particelle di lignite attivata, effettuato con aria in controcorrente, provoca una nube di solidi combustibili in aria che localmente può avere concentrazione inclusa nei limiti di autoaccensione. La probabilità di eventi di esplosione della miscela è limitata solo dalla elevata energia di autoaccensione richiesta della lignite attivata, che è a livello di 200÷500 mJ; sotto questo aspetto l’impiego di carbone attivo è sensibilmente ancor più sicuro. Un secondo rischio di incendio deriva dalla permanenza dei solidi nel fondo della tramoggia del filtro autopulente che sono lambiti da un flusso gassoso a temperatura di 160°C. A temperatura di 100°C i materiali carboniosi già si ossidano in contatto con l’ossigeno atmosferico con reazioni esotermiche che, in mancanza di dispersione termiche, possono portare localmente alla temperatura di autoaccensione di 400°C. Per limitare i fenomeni di autoaccensione, il pannello di filtrazione, scaricato nelle fasi di lavaggio del filtro, dovrebbe essere evacuato in continuo in modo da evitare l’accumulo in fondo alla tramoggia del filtro; ma la pratica operativa, indotta dalle limitate dimensioni di impianto, prevede, a fine giornata lavorativa, lo scarico della tramoggia in contenitori.

Un’ulteriore complicazione del processo di neutralizzazione a secco è correlata con la lavorazione limitata a 8÷10 ore al giorno, con tempi lunghi di fermata e temperature delle apparecchiature in lenta diminuzione. Benché il filtro autopulente sia coibentato e tracciato con resistenze elettriche di termostatazione, la regolazione della temperatura è spesso non ottimale ed imprecisa; da un lato favorisce l’innesco di incendi, mentre dall’altro è carente e provoca ad inizio lavorazione condizioni di elevata umidità relativa e condensazione. Di fatto nelle maniche filtranti le particelle di idrato di calcio, depositate in eccesso, tendono ad agglomerarsi e rendere inefficiente il lavaggio con aria in controcorrente. Circa ogni settimana risulta necessario procedere ad una pulitura manuale delle maniche filtranti, per eliminare ogni residuo di incrostazione; l’operazione, di durata 2÷4 ore, è fonte di rischio per gli operatori esposti al contatto di microinquinanti altamente tossici, ed è causa di dispersione dei microinquinanti in ambiente.

L’opportunità di eliminare le operazioni manuali di pulizia di maniche filtranti, ha indotto allo studio di un processo di depurazione basato sull’impiego di un reattore- adsorbitore a letto fisso, con un’autonomia di carico del reattivo ed adsorbente per almeno 3000 operazioni di cremazione.