Trattamento e riduzione degli NOx (ossidi di azoto)

In Condorchem Envitech progettiamo e installiamo sistemi per il trattamento e la riduzione degli NOx. Il nostro team vanta una grande esperienza nello sviluppo di soluzioni e impianti per il trattamento degli ossidi di azoto. Le principali tecnologie per la riduzione degli NOx sono le seguenti:

• Assorbimento mediante reazione chimica
• Riduzione mediante reazione selettiva non catalitica (SNCR)
• Riduzione mediante reazione chimica catalitica selettiva (SCR)

D’altra parte, abbiamo sviluppato un sistema brevettato, denominato DeNOx^®, che ha dimostrato grande efficienza nel trattamento e nella riduzione degli NOX.

Il processo DeNOx^® emula i meccanismi naturali di auto-depurazione della stessa atmosfera, mediante una combinazione controllata delle emissioni di ossidi di azoto con vapore acqueo, ozono e radiazione ultravioletta. Questo processo, di una semplicità elegante che garantisce un’elevata efficacia nel trattamento degli NOx, unisce un’elevata efficienza a un funzionamento robusto e affidabile.

I principali vantaggi del processo DeNOx^® rispetto alle alternative convenzionali sono:

• Rendimento di eliminazione degli NO_X superiore al 99%
• Valorizzazione dei residui in materia prima riutilizzabile nel processo di accumulo dell’energia termosolare
• Assenza di generazione di rifiuti chimici
• Assenza di composti pericolosi nelle emissioni in atmosfera
• Replica del meccanismo naturale atmosferico di auto-rigenerazione
• Funzionamento semplice e affidabile
• Processo completamente automatizzato e di funzionamento robusto

Originariamente, il processo DeNOx^® è stato sviluppato e brevettato (DeNOx^®) per il trattamento delle emissioni di NOx prodotte negli impianti termicosolari di generazione di energia, convertendo gli NOx in prodotti che vengono nuovamente riutilizzati nel processo stesso dell’impianto termicosolare.

In un impianto termicosolare la luce solare viene concentrata mediante specchi su un ricevitore che raggiunge temperature fino a 1.000 ºC. Questo calore viene utilizzato per riscaldare un fluido e generare vapore, che muove una turbina e produce elettricità. Sebbene le prime centrali potessero operare solo durante le ore di irraggiamento solare, oggi è possibile immagazzinare il calore per produrre di notte.

L’energia ottenuta dall’irraggiamento solare viene immagazzinata in sali, una miscela di nitrato di sodio e nitrato di potassio, che possiedono un punto di fusione adeguato. Si trovano in stato liquido, per il quale è necessaria una temperatura di 280 ºC. I sali liquidi vengono riscaldati fino a raggiungere una temperatura di 565 ºC alla quale vengono immagazzinati. L’innovazione risiede nel fatto che la generazione di elettricità dipende dal livello di sali caldi immagazzinati e non dalla radiazione solare. Per produrre elettricità, si utilizzano i sali caldi per far bollire l’acqua in uno scambiatore di calore e produrre vapore a 540 ºC e 100 bar. Il vapore permette, mediante una turbina, di produrre elettricità in funzione della domanda esistente in tempo reale.

Gli ossidi di azoto contribuiscono in modo molto sostanziale all'inquinamento atmosferico, anche se non sono gli unici inquinanti. Gli ossidi di azoto sono principalmente due gas di azoto differenti: ossido nitrico (NO) e biossido di azoto (NO₂). Il termine NO_X si riferisce alla combinazione dei gas a causa delle facilità di interconversione reciproca che presentano in presenza di ossigeno. Questi due gas non sono gli unici; formalmente il termine generale degli ossidi di azoto comprende i seguenti composti: NO, NO₂, N₂O₂, N₂O₄, N₂O, N₂O₃, N₂O₅ e NO₃, quest'ultimo essendo instabile.

Si stima che il 25% delle emissioni di NO_X nell'atmosfera sia dovuto alle industrie, essendo i processi industriali che generano NO_X in maggior quantità quelli dedicati alla produzione di energia, alla combustione di carbone, petrolio o gas naturale e i processi di galvanoplastica e incisione dei metalli. Il NO e il NO₂ si formano nei processi in cui, in presenza di azoto e ossigeno dell'aria, si raggiungono temperature superiori a 1200 ºC.

Tutti gli ossidi di azoto hanno in comune il fatto di essere gas inquinanti e le loro emissioni hanno un impatto sostanziale sull'ambiente. I principali effetti che producono sono:

• La distruzione dello strato di ozono stratosferico
• Contributo all'effetto serra
• La produzione di pioggia acida
• La generazione di smog fotochimico

Questo rende assolutamente necessario, in primo luogo, minimizzare la loro produzione. E, successivamente, eliminare gli ossidi di azoto che non si è riusciti a evitare di generare. L'obiettivo di minimizzare la loro generazione può essere raggiunto seguendo tre strategie differenti:

• Riducendo la temperatura di esercizio
• Riducendo il tempo di permanenza dei gas, specialmente l'azoto, nella zona di combustione, dove esistono temperature elevate.
• Diminuendo il rapporto ossigeno-combustibile. Riducendo l'eccesso di ossigeno, si diminuisce considerevolmente la generazione di NO_X.

Tuttavia, è impossibile evitare completamente la generazione di ossidi di azoto e per rispettare la normativa, che è sempre più severa, devono essere utilizzate tecniche che permettano di eliminare i NO_X generati. Le tecniche più utilizzate a questo scopo sono:

Assorbimento mediante reazione chimica

Questa tecnica consiste nell'assorbimento dei NO_X mediante una reazione chimica in fase liquida utilizzando, generalmente, acido solforico. Questo reagisce con gli ossidi di azoto e forma la specie HSO₄NO (acido nitrosilsulfurico), che rimane nella fase liquida. In condizioni di alta pressione (2 atm) e bassa temperatura (35 ºC) i NO_X vengono assorbiti nella fase liquida. Invece, il processo può essere invertito ad alta temperatura (180ºC) e bassa pressione (0,5 atm); in queste condizioni, la molecola azotata (ora acido nitrico per la presenza di acqua) si separa dall'acido solforico, che può essere riutilizzato.

Questo processo presenta lo svantaggio che devono essere manipolati reagenti chimici corrosivi e pericolosi, oltre a richiedere spazio fisico per ospitare il processo. Le efficienze ottenute non sono elevate, quindi la tecnica è raccomandata per basse cariche di NO_X.

Riduzione mediante reazione selettiva non catalitica (SNCR)

Questa tecnica permette la riduzione delle emissioni di ossidi di azoto mediante la loro conversione in azoto gassoso tramite una reazione chimica non catalitica. Per effettuare questa conversione, senza la presenza di alcun catalizzatore, è necessario aumentare la temperatura nell'intervallo 850-1100 ºC. La temperatura di esercizio dipende direttamente dall'agente riducente utilizzato, i più usati sono ammoniaca o urea.

Questa tecnica è solitamente utilizzata in piccole caldaie industriali, poiché in impianti di maggiori dimensioni i costi di lavorare in questo intervallo di temperature aumentano notevolmente. L'apparecchiatura SNCR non richiede molto spazio ed è di facile installazione e funzionamento. Tuttavia, l'efficienza di riduzione raggiunta è moderata, il che rende questa tecnica valida per quei casi in cui le emissioni di ossidi di azoto siano basse.

Riduzione mediante reazione chimica catalitica selettiva (SCR)

Questa tecnica si basa su un processo catalitico in cui gli ossidi di azoto vengono ridotti selettivamente in presenza di un catalizzatore mentre l'agente riducente (ammoniaca o urea) si ossida ad azoto gassoso. Il fatto che la reazione avvenga sulla superficie del catalizzatore rende possibile che la temperatura necessaria sia compresa nell'intervallo 250-450 ºC. La temperatura di esercizio dipenderà da vari fattori, essendo il catalizzatore utilizzato uno dei parametri chiave.

L'agente riducente, praticamente, può essere una soluzione acquosa di ammoniaca, ammoniaca liquefatta o una soluzione acquosa di urea. Tra queste, l'uso di ammoniaca liquefatta è l'opzione più economica, il che si traduce in costi operativi inferiori. Ma d'altra parte, la manipolazione dell'ammoniaca liquefatta è molto più complessa, a causa delle sue caratteristiche, rispetto a una soluzione acquosa di ammoniaca o di urea. L'uso, lo stoccaggio e il trasporto di ammoniaca liquefatta sono soggetti alla Direttiva 96/82/CE (Direttiva Seveso II) e devono essere effettuati seguendo un rigoroso protocollo di sicurezza, a causa del rischio che comporta essere molto corrosiva ed esplosiva in presenza di ossigeno.

A livello operativo, maggiore è il rapporto NH₃/NO_X alimentato, maggiore sarà l'efficienza ottenuta. Tuttavia, aumenterà anche la quantità di ammoniaca non reagita che viene dispersa nella corrente dei gas. Questa perdita di ammoniaca non reagita deve essere minimizzata, poiché essa reagisce in presenza di acqua con SO₃, per produrre bisolfato di ammonio (NH₄HSO₄), che è corrosivo e provoca l'incrostazione degli impianti. La chiave per un'operazione ottimale è l'alimentazione di ammoniaca in modo tale da ottenere un buon rendimento minimizzando allo stesso tempo la quantità di ammoniaca non reagita.

La scelta del catalizzatore è determinante nel processo, poiché influisce su parametri chiave come la temperatura di esercizio e l'estensione della reazione. Esistono quattro materiali diversi utilizzati come catalizzatori:

• Ossidi metallici (di vanadio, tungsteno, molibdeno o cromo) su base di biossido di titanio (TiO2)
• Zeoliti
• Ossidi di ferro rivestiti da un sottile strato di fosfato di ferro
• Carbone attivo

La scelta del catalizzatore condiziona anche direttamente i costi operativi, poiché non tutti hanno le stesse proprietà, costi e durata.

I principali vantaggi della tecnologia SCR si basano sull'elevata efficienza di eliminazione dei NO_X, oltre al fatto che i NO_X vengono trasformati in azoto gassoso senza produrre alcun sottoprodotto o residuo.

Nella tabella sono riassunte le principali differenze tra le tecniche descritte per l'eliminazione dei NO_X.

Pertanto, l'emissione di ossidi di azoto deve essere controllata in quanto è strettamente regolamentata dalla normativa vigente. Il primo passo per il loro controllo è la minimizzazione della produzione di questi gas. La produzione che non può essere prevenuta deve essere correttamente trattata prima di rilasciare il resto dei gas nell'atmosfera. Per l'eliminazione dei NO_X la tecnica più efficiente è la riduzione mediante reazione chimica catalitica selettiva (SCR).

I NO_X si generano, a livello industriale, in quei processi in cui si bruciano combustibili fossili. Pertanto, queste tecnologie possono essere applicate in un gran numero di impianti industriali in cui, mediante un processo di combustione alimentato da combustibili fossili, si genera energia termica. Infine, il processo DeNOx^® è un’alternativa molto innovativa e competitiva per il trattamento delle emissioni di NO_X negli impianti termosolari.