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ABBATTIMENTO DI OSSIDI DI AZOTO

DA COMBUSTIONE DI BIOMASSE

TRAMITE SISTEMI SCR: CRITERI DI PROGETTAZIONE ED ESPERIENZE

Matteo Giavazzi

Boldrocchi Srl., Viale Trento e Trieste 93, 20046 Biassono MB

1

ATI, 20 Aprile 2016

1. Introduzione

3. I sistemi di stoccaggio e dosaggio del reagente ammoniacale

2. La Generazione degli NOX ed i metodi di abbattimento

4. L’approccio al design del sistema SCR tramite modellazione CFD

5. Analisi dell’Evaporatore e della Griglia di Iniezione Ammoniaca

6. Analisi del Reattore SCR

Outline della presentazione

2

7. Conclusioni

8. Applicazioni Recenti

Introduzione

3

Gli ossidi di azoto (NO ed NO2, nel complesso indicati come NOX) sono composti

inquinanti emessi in atmosfera a seguito di processi di combustione ad alta temperatura

(combustioni industriali, impianti di riscaldamento civili, motori di autoveicoli, ecc.), per

ossidazione dell’azoto atmosferico e, in parte, per l’ossidazione dei composti dell’azoto

contenuti nei combustibili utilizzati.

Accanto alle tecniche di controllo primarie che vengono utilizzate per ridurre la

formazione degli NOX, i metodi catalitici permettono di ridurre fortemente le emissioni

residue in atmosfera, fino a valori inferiori ai limiti fissati dalle normative e dalle

Autorizzazioni.

Introduzione

4

La presentazione descrive le tecniche di progettazione utilizzate ed alcune esperienze di

abbattimento degli NOX generati dalla combustione di biomasse solide (cippato di

pioppo, paglia, rifiuti) tramite reattore SCR ed iniezione di urea o ammoniaca.

1. Introduzione







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7. Conclusioni


La generazione degli ossidi di Azoto

ed i metodi di abbattimento

6

L’Azoto (presente nei composti azotati del combustibile e nell’aria di combustione) si

combina con l’ossigeno per dare origine ad un gruppo di composti binari che viene

indicato genericamente come “Ossidi di azoto”.

L’ossido di azoto (NO) e il biossido di azoto (NO2) - generalmente indicati come NOX -

sono le specie presenti in concentrazioni più elevate. Alle normali temperature dell’aria,

l’ossigeno e l’azoto reagiscono pochissimo tra loro; solo durante le reazioni di

combustione si ha una rapida produzione di NOX.

Gli effetti tossici degli NOX riguardano soprattutto l'apparato respiratorio; si possono

infatti riscontrare, in caso di concentrazioni anomale in atmosfera, alterazioni delle

funzioni respiratorie, bronchiti, tracheiti, forme di allergia e irritazione. L’effetto

maggiore, in seguito a concentrazioni di NO2 elevate, è l’edema polmonare.



7

Le concentrazioni medie annuali di NO2 si sono nettamente ridotte a partire dagli anni

’90, a seguito dell’entrata in vigore di direttive europee rivolte ad abbassare le emissioni

degli autoveicoli e dei grandi impianti industriali e di produzione di energia elettrica.

Negli ultimi anni, nonostante questa riduzione, si riscontrano superamenti del limite

fissato per la media annua del biossido di azoto in modo diffuso sul territorio regionale

e, in particolare, negli agglomerati urbani.

2



8

La riduzione catalitica degli NOX avviene attraverso la reazione con l’ammoniaca e

genera composti non nocivi (azoto ed acqua).

Le reazioni che regolano il processo sono:

4 NO + 4 NH3 + O2 4 N2 + 6 H2O

NO + NO2 + 2 NH3 + O2 2 N2 + 3 H2O

La prima reazione è preponderante e decorre velocemente in presenza di un opportuno

catalizzatore in quanto gli ossidi di azoto sono costituiti per più del 90% da NO [1].

Il termine «selettiva» si riferisce alla capacità dell’ammoniaca di reagire con NO invece

che essere direttamente ossidata dall’ossigeno. La reazione di ossidazione

dell’ammoniaca ad opera dell’ossigeno è infatti altamente indesiderata in quanto riduce

l’efficienza del processo di abbattimento degli ossidi di azoto sottraendo reagente e

portando alla formazione di NO e di N2O.

1. Introduzione







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7. Conclusioni


I Sistemi di Stoccaggio del reagente

Ammoniacale

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Carico NH3

nel Tank

Stoccaggio

NH3 nel Tank

Dosaggio e Vaporizzazione del reagente

Ammoniacale

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Sistemi di Sicurezza

Dosaggio e Vaporizzazione del reagente

Ammoniacale

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Skid di pompaggio e dosaggio

Vaporizzazione Ammoniaca

1. Introduzione







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7. Conclusioni


Analisi CFD

14

Le analisi effettuate riguardano lo studio del comportamento dei seguenti componenti

impiantistici:

1. Evaporatore;

2. Griglia di immissione Ammoniaca (AIG – Ammonia Injection Grid);

3. Cappa e corpo reattore SCR

Lo scopo dell’analisi è la valutazione delle condizioni di uniformità del gas all’ingresso

del primo layer di catalizzatore, condizionate dalla fluidodinamica del reattore e

dall’efficienza di mescolamento tra il flusso principale di fumi proveniente dal filtro a

maniche, e il flusso secondario di ammoniaca in fase vapore proveniente

dall’evaporatore.

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Cappa e corpo reattore SCR

Evaporatore

Griglia di immissione Ammoniaca

(AIG – Ammonia Injection Grid);

Reatt

ore

SCR –

3 s

trati c

ata

lizza

tore

Descrizione dell’Approccio

Alla Modellazione CFD

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Al fine di valutare l’uniformità del gas all’ingresso del primo layer di catalizzatore, le

grandezze che devono essere analizzate sono la distribuzione di velocità (che

influenza direttamente anche la distribuzione di temperatura) e la distribuzione del

rapporto molare NH3/NOx.

Il parametro utilizzato per l’analisi di tali grandezze è il coefficiente di variazione [2]:

Dove:

Sono rispettivamente la varianza e la media dei valori della grandezza misurati su una

matrice di «n» valori.





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Lo studio fluidodinamico tramite modello computazionale è uno strumento

che, mediante la risoluzione numerica delle equazioni caratteristiche della

fluidodinamica (i bilanci di conservazione), è finalizzato a predire il comportamento

dei fluidi: campi di velocità e pressione, scambio termico, scambio di massa, reazioni

chimiche, … .

I risultati dell’analisi CFD rappresentano un insieme di dati che sono utilizzati per

studi teorici su nuove configurazioni, per lo sviluppo di nuovi prodotti, per le

investigazioni di possibili eventi accidentali o delle cause di malfunzionamento di

componenti di impianto o per l’innovazione di prodotti esistenti [3].



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Le equazioni differenziali alle derivate parziali che governano i processi di

convezione nei fluidi sono ricavate dai principi generali di conservazione formulati per

sistemi aperti. In particolare l’equazione dell’energia che governa la distribuzione

di temperature è basata sul primo principio della termodinamica, mentre

l’equazione di continuità e le equazioni di Navier-Stokes, che governano la

distribuzione delle velocità, sono basate rispettivamente sul principio di

conservazione della massa e sul principio di conservazione della quantità di moto.

Le strategie di soluzione numerica delle equazioni sono riferite al regime di moto

laminare; sforzi e flussi termici specifici turbolenti sono valutati per mezzo di

modelli più o meno sofisticati [4,5].



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Applicare un modello di turbolenza allo studio di un problema fluidodinamico

consiste, in ultima analisi, nel ricondurre ai tempi tipici di osservazione ingegneristica

le oscillazioni intrinsecamente transitorie dei fenomeni turbolenti, mediandoli su

opportune scale temporali.

Il modello di turbolenza di maggior robustezza in questo tipo di applicazioni, il

modello (k, ᵋ), calcola diffusività termiche e cinematiche turbolente mediante

espressioni algebriche in cui compaiono l’energia cinetica turbolenta k e la

dissipazione d’energia cinetica turbolenta ᵋ. Tale modello è oggi implementato in

gran parte dei codici termofluidodinamici in grado di trattare flussi turbolenti. Di tutti

i modelli basati su medie temporali, esso rappresenta il miglior compromesso tra

accuratezza dei risultati e stabilità computazionale.

1. Introduzione







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7. Conclusioni

8. Applicazioni

Analisi dell’Evaporatore

Geometria dell’Evaporatore:

Da Filtro Verso AIG

Heat

Exchanger

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Condizioni di Analisi:

Evaporator Analysis name Sprayed liquid Amount of injected liquid

Analysis_1 Acqueus ammonia 25% 24.07 kg/h (normal case) Analysis_2 Acqueus ammonia 25% 56.93 kg/h (maximum case)

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Liquido residuo sulle sezioni di controllo:

Analysis name Section name Residual Liquid

Analysis_1

sez_bottom 0.052% of injected

sez_01 0.000% of injected



Analysis name Section name Residual Liquid

Analysis_2

sez_bottom 1.709% of injected




Liquido sulle pareti:

Analysis name

Liquid mass-flow splashed on ALL

WALLS

% Liquid splashed on ALL

WALLS (% of injected)

Analysis_1a 0.000 grams/h 0.0000%

Analysis_2a 0.000 grams/h 0.0000%

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Immagini – Normal Case:

Liquid concentration – red: above 1 g/m3

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Drops Diameters [m]

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Gas temperature [°C] 27

Geometria dell’AIG:

Da Filtro

Mixer

Da

Evaporatore

AIG

Analisi dell’AIG

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Analisi dell’AIG

Geometria dell’AIG:

29

Prestazioni dell’AIG:

Analisi dell’AIG

Normal velocity @nozzle outlet [m/s]

Tangential velocityl @nozzle outlet [m/s]

Deviation angle from normal

direction ALPHA [°deg]

Normalized Standard deviation of gas flow through

all nozzles

34.1 -0.03 -0.07 4.04%

30

Immagini:

Analisi dell’AIG

31

Analisi dell’AIG

32

1. Introduzione







33

7. Conclusioni


Geometria del reattore e sezioni di controllo:

Analisi del Reattore SCR

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Immagini del Reattore SCR:


Normal case: Gas Streamlines Speed

35


Normal case: Velocity Map on sections 36


Normal case: temperature [°C] 37


Normal case: NH3 cloud, volume concentration above 0,01% 38


39

Normal case: NH3 gas streamlines concentration [% vol]


40

Normal case: NH3 gas streamlines concentration [% vol]


41 Normal case: gas streamlines molar ratio NH3/NOx


42 Normal case: molar ratio NH3/NOx

1. Introduzione







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7. Conclusioni


Conclusioni

Evaporatore:

I deflettori e la piastra forata installati all’ingresso del reattore risultano efficaci nella

distribuzione delle velocità nel reattore di evaporazione, sbilanciata a monte a causa del

layout delle tubazioni; l’uniformità della velocità, unita alla buona nebulizzazione

garantita dall’ugello bifase, garantisce una buona evaporazione, evitando il contatto

delle gocce con le pareti del reattore o dei condotti a valle.

Grigia di iniezione ammoniaca (AIG):

Il numero, il diametro e la distribuzione dei tubi di iniezione e degli ugelli sono stati

selezionati al fine di ottimizzare l’uniformità di iniezione senza incrementare

eccessivamente la perdita di carico della griglia.

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Conclusioni

Reattore SCR:

Il raggiungimento delle rese di abbattimento di NOx richieste dal progetto, unito alla

necessità di contenere lo slip di ammoniaca, impongono vincoli progettuali

particolarmente stringenti in termini di fluidodinamica del reattore e di efficienza di

dispersione di ammoniaca gassose tramite la griglia di iniezione.

Il grado di maldistribuzione infatti comporta una «perdita» in termini di

volume utile di catalizzatore, direttamente proporzionale alla

maldistribuzione stessa.

Le analisi oggetto del presente report mostrano che nel progetto del reattore SCR

l’uniformità del gas all’ingresso del primo layer di catalizzatore rispetta

abbondantemente i limiti considerati necessari al fine di garantire le prestazioni di

abbattimento degli ossidi di azoto, sia in termini di velocità dei fumi, che in termini di

rapporto molare NH3/NOX.

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Uniformità di miscelazione alla sezione di riferimento:


Normal case Maximum case

Speed normalized standard deviation on reference section

8.81% 8.80%

Molar ratio NH3/NOx normalized standard deviation on reference section

5.58% 5.57%

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Reference: < 20%

Reference: < 10%

1. Introduzione







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7. Conclusioni


Applicazioni Recenti

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CLIENT CLIENT

COUNTRY

END USER PLANT PLANT

COUNTRY

MARKET APPLICATION DESCRIPTION

Kerneos France Kerneos China China Cement Cement Kiln SCR with urea/ammonia injection

Ecolombardia 4

S.p.A.

Italy Ecolombardia 4 Filago BG Italy Power Incineration plant SCR with ammonia injection

Termisa Spain Tre Tozzi Sant'Agata Italy Power Biomass Plant SCR with ammonia injection and CO catalyst

Pelucchi

Caldaie

Italy Canale

(CN)

Italy Power Biomass Plant SNCR system

Tecnimont Italy Tecnimont Olevano Italy Power Biomass plant SCR with urea/ammonia injection

Degremont Italy S.té

Aglomeration

Havraise

Le Havre France Power Incineration Plant Sludge incineration - Complete gas treatment

system with SNCR system

injection urea

Bibliografia

[1]: Forzatti, P., Castoldi, L., Nova, I, (2005). Catalytic Technologies for NOx

Removal from Stationary Sources. Gli impianti DeSOx - DeNOx: la tecnologia al

servizio dell’ambiente.

[2]: Rogers, K.J. & Nolan, P.S., (2001). SCR Reactor Performance Profiling and

Results Analysis. U.S. EPA Symposium, August 20-23, 2001

[3]: Comini G., Croce G., Nobile E. 2008. Fondamenti di termofluidodinamica

Computazionale

[4]: Launder, B.E., Spalding, D.B., 1972. Mathematical Models of Turbulence.

Academic Press, London.

[5]: Ranz, W.E. & Marshall, W.R., (1952). Evaporation from Drops, Part I,

Chemical Engineering Progress, 48, 141–146.

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GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Matteo Giavazzi Ingegnere Ambientale – Industrial Plants Process Technology Manager

[email protected]

50

mailto:[email protected]

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