Impianti termoelettrici: il trattamento degli ossidi d’azoto (NOx)

Dopo avere trattato gli ossidi di zolfo, con questo post proseguiamo la trattazione sui sistemi di trattamento delle emissioni inquinanti negli impianti termoelettrici, andando ad affrontare gli ossidi d’azoto (NO_x) ed i sistemi per la loro rimozione.

INTRODUZIONE

L’azoto è il gas più diffuso nell’atmosfera, nell’aria che respiriamo esso è presente in quantità (sia in termini di massa che di volume) dell’ordine del 70% del totale ed è ritenuto (a torto od a ragione) un “gas inerte“.
I normali processi di respirazione non interferiscono con il comportamento dell’azoto, il quale attraversa indisturbato il nostro apparato respiratorio per essere re-immesso in atmosfera insieme alla CO2 ed al vapore acqueo risultato di questo processo.

Apparentemente l’azoto non dovrebbe dare problemi, ma allora perché se ne parla come di un inquinante?

FORMAZIONE DEGLI NO_x

Con lo sviluppo delle macchine termiche ci si è resi conto che alle alte temperature di combustione l’azoto perdeva le sue caratteristiche di “inerte” e diventava fortemente reattivo, ossidandosi e formando NO_x (dove x varia tra 1 e 3 formando monossido, biossido e triossido di azoto), i quali presentano un rischio per la salute come brevemente accennato in post precedente .

Andiamo ora maggiormente in dettaglio per capire come si formano e come si possono ridurre o rimuovere.

Gli NO_x si possono classificare in base al loro meccanismo di formazione, e si distinguono in:

• Prompt NO_x
• Thermal NO_x
• Fuel NO_x

I prompt NO_x sono quelli meno pericolosi, si formano nelle primissime fasi della combustione, cioè le stesse fasi in cui si ha un’alta formazione di idrocarburi incombusti (HC) e di monossido di carbonio (CO), ma trovandosi ad interagire con queste altre specie molto reattive, vengono poi ridotti chimicamente da questa interazione e non portano ad una presenza sensibile di NO_x nei prodotti finali della combustione.

I thermal NO_x sono i più pericolosi e rappresentano gli NO_x propriamente detti, si formano a causa delle elevate temperature di combustione e dell’eccessiva presenza di ossigeno nella camera di combustione utilizzata per ridurre gli incombusti, ma che rappresenta una “condizione favorevole” per i thermal NO_x.

I fuel NO_x si formano a causa della presenza nel combustibile di azoto sotto forma di ammine e cianuri (in genere questo avviene con combustibili solidi).

METODI PER LA RIDUZIONE DEGLI NO_x

Un primo metodo per la riduzione degli NO_x consiste nell’intervenire al momento della loro formazione, agendo su uno od entrambi i parametri che ne stimolano la produzione, ovvero la temperatura di combustione e l’eccesso d’aria.

Gli impianti a vapore e le turbine a gas operano in condizioni di eccesso d’aria fortemente differenti, infatti queste ultime operano con eccessi d’aria estremamente elevati per limitare le temperature sulle palettature, e quindi con una produzione potenziale di thermal NO_x molto elevata, mentre gli impianti a vapore necessitano di un eccesso d’aria inferiore, ma operano spesso con combustibili solidi che producono quantità non trascurabili di fuel NO_x, oltre a produrre ugualmente (anche se in quantità inferiori rispetto alle TG) thermal NO_x.

Pur con queste differenze, e pur con differenze di natura tecnica nei costituenti l’impianto, le strategie adottate nei due tipi di impianto risultano essere le stesse.

Una soluzione molto impiegata consiste nel ridurre l’eccesso d’aria, ma, non potendo ridurre globalmente questo valore, si cerca di operare in condizioni di rapporto aria/combustibile “ricco” (cioè con aria sub-stechiometrica o stechiometrica) nella zona di combustione (caratterizzata da elevate temperature), caratteristica che porta ad una super produzione di incombusti, ed all’immissione della rimanente parte di ossigeno (frazionamento dell’ossigeno) in zone più fredde della camera di combustione, e quindi in presenta di condizioni “sfavorevoli” per la produzione di NO_x.

Esistono altre soluzioni simili, in particolare negli impianti a vapore si può operare anche mediante il frazionamento del combustibile, in modo da fornire dei radicali da idrocarburi che reagendo con gli NO_x già formatisi ne operano una loro riduzione chimica.

Per compiere questo processo, di solito si utilizza un secondo tipo di combustibile a bassa produzione di fuel NO_x come il gas naturale.

Un ulteriore metodo consiste nel ricircolare all’aspirazione i gas di scarico (analogo all’EGR delle autovetture Diesel), processo che riduce globalmente la temperatura di combustione riducendo la formazione degli NO_x, ma che tende ad aumentare (se si superano certi limiti di ricircolazione) la produzione di incombusti.

La tecnica della ricircolazione non viene applicata alle TG per problematiche di natura tecnica.

Nelle TG per limitare la temperatura si può operare iniettando in camera di combustione acqua o vapore, ma queste tecniche presentano alcuni svantaggi tecnici da spingere un loro impiego sempre più marginale e preferire l’impiego di combustori “a secco” (cioè senza iniezione di acqua) ed intervenire sul frazionamento dell’aria e sul post trattamento.

RIMOZIONE DEGLI NOx – GLI IMPIANTI SCR

Un differente approccio è quello di rimuovere attraverso opportuni sistemi gli NO_x formatisi, anche se solitamente queste soluzioni trovano applicazione come integrazione dell’approccio precedente.

Esistono diverse tecnologie di rimozione (post trattamento), ma la più efficace e diffusa è quella rappresentata dalla Riduzione Selettiva Catalitica (SCR).

Il processo SCR avviene mediante l’iniezione di ammoniaca (NH₃) nei gas combusti, la quale mediante l’impiego di un opportuno catalizzatore reagisce con gli NO_x secondo la seguente reazione:

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂∙6H₂O

Altre reazioni avvengono tra piccole quantità di NO₂ ed ammoniaca, come la seguente:

NO + NO2 + 2NH₃  → 2N₂∙3H₂O

Inoltre avvengono anche reazioni secondarie tra ammoniaca e NO_x:

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O

6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂∙12H₂O

In caso di temperature troppo basse tali reazioni non riescono ad avvenire, mentre per temperature troppo elevate l’ammoniaca tende a reagire con l’ossigeno producendo nuovi NO_x:

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

Un’alternativa all’ammoniaca consiste nell’impiego di urea quale agente reattivo, la quale riduce eventuali problemi legati a fughe di ammoniaca nei gas (ammonia slip) che portano a reazioni indesiderate con gli ossidi di zolfo ed a problemi di natura ambientale (l’ammoniaca eventualmente emessa risulta dannosa per la salute).

Con impianti SCR si possono raggiungere efficienze di rimozione degli NO_x dell’ordine del 90%

Un’alternativa agli impianti SCR e rappresentata dagli impianti di rimozione non catalitica (SNCR), più semplici ed economici, ma meno efficaci dei precedenti.

Infine esistono anche impianti di rimozione combinata degli SO_x, NO_x e particolato, ma per quanto esposto in parte anche nel post precedente, servirebbe una trattazione apposita degli stessi anche in virtù dell’influenza sulla produzione di residui di trattamento.