Universit a degli Studi di Udine Dipartimento di ... · I DRI (Direct Reduced Iron), palline di...

Universita degli Studi di Udine

Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura

Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale

Tesi di Laurea

BAT

Candidato

Alberto Marcon

Relatore

Prof. Fabio Miani

Anno accademico 2013-2014

Contatti dell’IstitutoDipartimento di Ingegneria Civile e ArchitetturaUniversita degli Studi di UdineVia delle Scienze, 20633100 Udine — Italia+39 0432 558400

Indice

Elenco delle figure v

Prefazione vii

Introduzione ix

1 Informazioni economiche generali 11.1 Economia mondiale ed europea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Classificazione dei principali impianti siderurgici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1 Impianti per la sinterizzazione e la pellettizzazione dei minerali . . . . . . . . 21.2.2 Impianti per la produzione del carbon coke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.3 Altoforno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.4 Impianti per il Basic Oxygen Steelmaking (BOS) . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.5 Forno ad Arco Elettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.6 Colata continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Tecniche e Processi Generali 112.1 Gestione dell’energia nell’industria siderurgica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.1 Coke Oven Gas (COG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.2 BF gas e BOF gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 Livello di emissioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3 Gestione dei materiali e delle acque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4 Tecniche generali da considerare nella determinazione delle BAT . . . . . . . . . . . 15

2.4.1 Environmental Management Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4.2 Energy Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4.3 Riduzione di NOx in impianti energetici con processi di gas combusti . . . . . 192.4.4 Gestione dei materiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4.5 Monitoraggio degli impianti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4.6 Riduzione del rumore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3 Applicabilita delle BAT negli impianti 253.1 Impianto di sinterizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.1 Emissioni in aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.1.2 Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT . . . . . . . . . . . . 26

3.2 Impianti di pellettizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2.1 Processi applicati e tecniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2.2 Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT . . . . . . . . . . . . 30

3.3 Impianto di cokeria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3.1 Processi applicati e tecniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3.2 Emissioni in aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.3.3 Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT . . . . . . . . . . . . 32

3.4 Altoforno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.4.1 Processi applicati e tecniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.4.2 Emissioni in aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

iv Indice

3.4.3 Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT . . . . . . . . . . . . 353.5 Basic Oxygen Steelmaking (BOS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.5.1 Processi applicati e tecniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.5.2 Emissioni in aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5.3 Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT . . . . . . . . . . . . 40

3.6 Forno ad Arco Elettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6.1 Tecniche applicate e processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6.2 Emissioni in aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.6.3 Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT . . . . . . . . . . . . 46

4 Metodi alternativi e tecniche emergenti per la produzione di acciaio 494.1 Riduzione Diretta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.2 Riduzione per fusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3 Tecniche emergenti generali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.3.1 Tecniche emergenti per la cokeria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.3.2 Tecniche emergenti per l’Altoforno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.3.3 Tecniche emergenti per il BOF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.3.4 Tecniche emergenti per l’EAF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Conclusioni 59

Elenco delle figure

1.1 Acciaio nel mondo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Impianti di sinterizzazione in EU-27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Impianti per la produzione del carbon coke in EU-27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Altoforni in EU-27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5 Impianti di Basic Oxygen Steelmaking in EU-27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.6 Impianti di Forni ad Arco Elettrico in EU-27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.7 Impianti di Colata Continua in EU-27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.8 Consumo di materie prime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1 Apporto energetico del COG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2 Emissioni medie degli impianti energetici in EU-27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3 Emissioni limite NOx per impianti energetici in Direttiva . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 Emissioni limite SOx per impianti energetici in Direttiva . . . . . . . . . . . . . . . . 142.5 Emissioni limite Polveri per impianti energetici in Direttiva . . . . . . . . . . . . . . 142.6 Riutilizzo degli scarti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.7 Efficienza di riduzione degli NOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1 Schema del sistema AIRFINE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.2 Esempio di schema di un trattamento bio-chimico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.3 Sequenza del Basic Oxygen Steelmaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4 Esempi di forni e processi per la Metallurgia Secondaria . . . . . . . . . . . . . . . . 393.5 Esempio di spillaggio automatizzato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.6 Schema del processo CONSTEEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.7 Tipologie di raccolta emissioni diffuse per un EAF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1 Evoluzione del ciclo siderurgico integrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.2 Disegno Contiarc Furnace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Prefazione

L’Italia, fino al 2008, era tra i primi 10 Stati produttori di acciaio nel mondo oltre essere una delle

storiche promotrici del rilancio dell’acciaio nel primo dopoguerra (v. CECA).

Poi la crisi finanziaria globale e i recenti eventi hanno colpito il cuore siderurgico italiano (Taran-

to, Piombino e Servola) che hanno fatto scivolare l’Italia undicesima e portato a un interessamento

dell’opinione pubblica nonche delle autorita statali alla questione ambientale del ciclo siderurgico

integrale; esempio e Piombino nel quale:

Tramite la realizzazione, al posto dell’altoforno, di un forno elettrico e di un impianto Corex, il

potenziamento del porto per lo smantellamento delle navi i cui rottami vadano al forno elettrico, la

dotazione di infrastrutture viarie e le garanzie per i lavoratori che chiedono, durante la transizione,

contratti di solidarieta e lavoro allo smantellamento e la ricostruzione: per restare nell’acciaieria

e fare risparmiare allo Stato la cassa integrazione. A sostanziare l’accordo, 110 milioni dal gover-

no e 142 dalla Regione Toscana per incentivi alla riconversione, bonifiche, porto. [Ilaria Ciuti, la

Repubblica, Giovedı 24 Aprile 2014]

L’attenzione sull’Ilva, RIVA Group, e invece incentrata sull’impatto ambientale del complesso

e le questioni legali che riguardano i dirigenti e proprietari.

Questi eventi hanno portato all’arresto del mercato produttivo italiano in un periodo nel quale

la competitivita e la solidita economica-finanziaria e politica e fondamentale.

Sulla base di questi eventi si presenta come obiettivo primario la prevenzione dei rischi am-

bientali legati alla produzione dell’acciaio. Prevenzione che va fatta con investimenti e ricerca,

lungimiranza della Direzione e pianificazione a lungo termine delle risorse e uso delle piu avanzate

tecniche disponibili.

Il seguente documento ha l’obbiettivo di presentare brevemente l’odierna situazione sulle Best

Available Techniques (BAT), cosı come riportato dal Join Reserce Centre (JRC) dell’European

Integrated Pollution Prevention and Control Bureau, sulla produzione dell’acciaio.

Introduzione

Il progetto del BAT nasce nel 2001 come fonte di informazioni sulla gestione degli impianti side-

rurgici in Europa; la sua revisione comincio nel 2005 fino al 2012, quando le conclusioni furono

adottate e pubblicate l’8 Marzo 2012.

Contemporaneamente, come prosecuzione della Direttiva sulle Emissioni Industriali (2010/75/

EU) e dalla diffusione e scambio di informazioni, cosı come decretato dall’art. 13 della Direttiva

sulla Produzione del Ferro e dell’Acciaio, il documento del BAT non ha una forma definitiva. Infatti

la Direttiva istituisce un forum che coinvolge i rappresentanti:

• degli Stati membri dell’Unione Europea;

• delle principali industrie europee;

• delle organizzazioni non governative promotori dello sviluppo siderurgico.

I membri del forum nominano ogni anno un Technical Working Group, seguito dall’ European

Integrated Pollution Prevention and Control Bureau per stilare una relazione aggiornata sui BAT.

Il documento si sviluppa in 12 capitoli con la struttura seguente:

1 - Informazioni generali sul settore siderurgico.

2 - Informazioni sui principali vettori energetici e tecniche produttive.

3 - 8 fornisce la descrizione e informazioni sui principali impianti siderurgici quali: sinterizza-

zione, pellettizzazione, cokerie, Altoforni, BOF1, EAF.

9 - Presentazione delle conclusioni sui BAT definiti dalla Direttiva.

10 - Presentazione delle tecniche alternative per la produzione del Ferro.

11 - Presentazione delle “tecniche emergenti” come definito dalla Direttiva.

12 - Conclusioni e raccomandazioni per un lavoro futuro.

1Basic Oxygen Furnace

1Informazioni economiche generali

1.1 Economia mondiale ed europea

Dal 2000 la produzione di acciaio nel mondo vide una rapida accelerazione, superando il miliardo

di tonnellate prodotte nel 2004. Nel 2012 ha superato il miliardo e mezzo, di cui 46% (716 Milioni

di tonnellate) sono prodotte in Cina, che tra il 2002 e il 2010 ha ottenuto tassi di crescita annui

tra 15-20% fino ad un rallentamento di 8-9 punti percentuali negli ultimi anni. Un andamento

che probabilmente si manterra inalterato anche grazie alle politiche di apertura e investimenti

perseguite dal governo cinese; un esempio e la Baosteel, colosso dell’acciaio mondiale ( seconda

per volume prodotto ), che sta costruendo un nuovo impianto che a regime produrra ogni anno 20

Milioni di tonnellate per un costo stimato intorno ai 10 Miliardi di dollari.

L’Europa (EU-27) invece ha visto decrescere, in termini percentuali, il proprio peso in modo

costante da un 27% di inizio Millennio fino a un 10% a fine 2012.1

Figura 1.1: Confronto della produzione di acciaio nel mondo e in Cina. [Mt]

1Dati ottenuti da: https://www.worldsteel.org

2 1. Informazioni economiche generali

1.2 Classificazione dei principali impianti siderurgici

Per quanto riguarda i dati degli impianti per principali processi presi in esame, troviamo:

1. Impianti per la sinterizzazione dei minerali.

2. Impianti per la pellettizzazione dei minerali.

3. Impianti per la produzione del carbon coke.

4. Altoforno.

5. Impianti per il Basic Oxygen Steelmaking (BOS).

6. Forno ad Arco Elettrico.

7. Colata Continua.

1.2.1 Impianti per la sinterizzazione e la pellettizzazione dei minerali

In questi impianti le polveri di minerali vengono compattate e discretizzate in pellets permettendo

un’alta qualita, semplificandone la movimentazione e l’impiego. I prodotti ottenuti possono essere

sotto forma di DRI o HBI.

I DRI (Direct Reduced Iron), palline di ferro a riduzione diretta e le HBI (Hot Briquetted Iron),

saponette di ferro agglomerato a caldo, sono prodotti ad altissima qualita in quanto non presentano

rame, sono infatti lavorati e ridotti per eliminare gli ossidi. Sono piu usate le seconde delle prime

poiche nello stoccaggio si ossidano di meno.

Un vantaggio del DRI e che il forno puo essere alimentato continuamente in accensione e percio

non si verificano perdite termiche aprendo la volta. L’HBI e piu denso e puo essere caricato nel

secchio dei rottami senza dover aumentare il numero di carichi richiesti; tende inoltre ad affondare

nel bagno permettendo l’omogeneita del fuso.

Gli impianti di sinterizzazione e pellettizzazione contribuiscono per oltre il 50% delle emissioni

totali di polveri in un ciclo integrale per la produzione dell’acciaio, altro problema rilevante e la

depurazione delle acque dai metalli.

1.2. Classificazione dei principali impianti siderurgici 3

Figura 1.2: Impianti di sinterizzazione in EU-27

1.2.2 Impianti per la produzione del carbon coke

In questi impianti si ottiene uno dei combustibili piu usati in quanto:

• ha un alto rendimento calorifico;

• e di semplice di impiego;

• e comune;

• da un forte apporto di Carbonio nei processi.

I processi chimico-fisici coinvolti in questo impianto generano emissioni di gas che sono tra le

piu significative come impatto ambientale in quanto generano ammoniaca, VOC2 e BTX3.

La presenza di polveri e SOx nel processo di desolforazione del carbone e uno dei fenomeni a

piu alta priorita ambientale in quanto causa di piogge acide sul territorio.

Al 2006, pre-crisi quindi, l’Italia era uno dei principali stati produttori di Carbone in Europa,

dopo Francia e Germania.

2Volatile Organic Compounds3Benzene, Toluene, Xylene


Figura 1.3: Impianti per la produzione del carbon coke in EU-27

1.2.3 Altoforno

L’altoforno e l’impianto che produce la materia prima per l’industria siderurgica. L’obiettivo

fondamentale e produrre ghisa di una certa qualita per i processi del BOS tramite riduzione.

Si usa principalmente il carbon coke, carbone in polvere e idrogeno (ottenuto tramite idrocarbu-

ri). La quantita di calore necessaria per la reazione puo essere fornita dall’ossidazione del minerale,

che quindi funziona anche come combustibile: e questo il caso dell’altoforno a coke, soffiato con

aria comburente preriscaldata. Il fabbisogno termico puo essere coperto anche trasformando ener-

gia elettrica in calore come avviene nei forni di riduzione elettrici (in questo caso il carbonio ha

la sola funzione di riducente). L’aria comburente viene soffiata dal basso attraverso ugelli iniettori

innescando la combustione del carbone e/o quella della polvere generando calore e monossido di

carbonio lungo le canaline dell’altoforno.

La produzione di ceneri, acqua di raffreddamento ed emissioni provenienti dal trattamento delle

scorie, come SO2 e H2S, sono causa di forti odori, polveri e scarti tossici.

Per quanto riguarda gli altoforni vanno ricordati quelli di Taranto, quelli di Piombino e quello

di Trieste (Servola).


Figura 1.4: Altoforni in EU-27

1.2.4 Impianti per il Basic Oxygen Steelmaking (BOS)

Il Basic Oxygen Steelmaking e il processo nel quale l’ossigeno viene soffiato nel metallo appena

fuso per eliminare il contenuto di carbonio per ossidazione, creando fumi ricchi di SO2, CO2 e

CO. L’obbiettivo del processo e l’eliminazione di quelle sostanze che possono arrecare danno alla

qualita del metallo, come lo Zolfo, raccolto introducendo calce, magnesite e altre sostanze affini.

L’aggiunta degli additivi da inserire viene fatta per diversi motivi:

• adattare la temperatura del metallo liquido;

• aggiustare la composizione chimica;

• cambiare la composizione della scoria cosı da cambiarne le proprieta.

L’Italia ha, ancora una volta, un ruolo di rilievo a livello europeo con i suoi 9 impianti, ponendosi

seconda, ma ben lontana dalla Germania, e terza per volume prodotto annuo.


Figura 1.5: Impianti di Basic Oxygen Steelmaking in EU-27

1.2.5 Forno ad Arco Elettrico

Il forno ad arco elettrico ha principalmente il compito di fondere il rottame grazie a 3 vettori

energetici:

• elettrodi;

• bruciatori;

• reazioni chimiche esotermiche.

I primi possono erogare una potenza che va dai 50 ai 200 MW, creando un arco elettrico tra gli

elettrodi e il rottame, scaldato per irraggiamento.

I bruciatori invece usano gas metano-ossigeno iniettato a velocita supersonica per trapassare

la scoria e raggiungere il fuso. Sono disposti in modo tale da rendere piu omogenea possibile la

distribuzione della temperatura all’interno della fornace.

Le reazioni chimiche possono invece contribuire con una energia prodotta che si aggira intorno

ai 3-4 MWh a metro cubo di ossigeno bruciato.

I materiali inseriti sono:

• rottame;

• minerale;

• DRI/HBI.

Il rottame e classificato secondo standard precisi di composizione chimica dello stesso, ovvia-

mente piu la sua qualita e alta e piu costa.


I minerali sono i metalli appena estratti e, generalmente, hanno inclusioni molto minori del

rottame; sono difficilmente reperibili in quantita tali da poter lavorare solo con questo tipo di

materiale.

Essendo il processo caratterizzato dalla presenza di molto rottame, ha la caratteristica di gene-

rare molti componenti indesiderati come polveri di ossidi di ferro, di metalli pesanti, CO2, composti

organici (PCB4 e PCDD/F5)

Figura 1.6: Impianti di Forni ad Arco Elettrico in EU-27

L’Italia, insieme alla Germania, ha in assoluto il piu alto numero di forni ad arco elettrico

installati e nel 2006 era la prima produttrice di metallo in Europa con questo metodo.

4Polychlorinated biphenyls.5Polychlorinated dibenzo-p-dioxins/dibenyofurans


1.2.6 Colata continua

La colata continua e l’ultimo processo siderurgico nel quale l’acciaio liquido passa in una lingottiera

in rame, raffreddata da acqua, ed esce con uno strato di pelle solidificato.

I componenti principali della macchina da colata continua sono:

• lingottiera;

• paniera;

• banco oscillante;

• rulli guida e raddrizzatori;

• dispositivi di taglio.

Figura 1.7: Impianti di Colata Continua in EU-27

Anche in questo processo l’Italia ha un ruolo da protagonista con un volume colato secondo

solo alla Germania, storica leader mondiale nell’acciaio.


Concludendo, il processo siderurgico a ciclo integrale ha una fortissima componente di scarto

(residui solidi e gas di uscita) che giustifica il pesante impegno dell’Unione Europea nel progetto

dei BAT.

La figura presenta una stima sul consumo di materie prime, escludendo acqua e possibili

riutilizzo del materiale, avvenuto in Europa nel 2006.

Figura 1.8: Stima del consumo di materie prime in EU-27 nel 2006 [Fonte: Eurofer, 2008]

2Tecniche e Processi Generali

In questo capitolo vengono presentate le tecniche e le problematiche nell’industria siderurgica e le

interdipendenze energetiche dei diversi impianti, i livelli medi dei principali componenti emessi e il

loro confronto con i valori limite imposti dalla Direttiva 2010/75/UE e alcune tecniche generali per

la gestione delle problematiche ambientali che possono presentarsi.

2.1 Gestione dell’energia nell’industria siderurgica

La voce principale considerata nella gestione dell’energia negli impianti siderurgici e l’efficienza:

• della rete di distribuzione;

• del riutilizzo dei gas prodotti;

• del sistema di approvvigionamento del carburante.

I gas prodotti nella cokeria, nell’altoforno e nel BOF danno i principali apporti energeti-

ci all’intero sistema e per questo verranno presentati brevemente le problematiche in questi tre

impianti.

2.1.1 Coke Oven Gas (COG)

Il COG, generato durante il processo di cottura del carbone minerale, e depurato dalle sostanze

non desiderate come Zolfo, Naftalene e Ammoniaca.

Siccome ha il piu alto potere calorifico nell’intero processo, di solito, e usato per arricchire i

processi successivi come carburante o agente riducente nell’altoforno.

Un esempio qualitativo di apporto energetico del COG e presentato nella Figura 2.1

12 2. Tecniche e Processi Generali

Figura 2.1: Esempio di distribuzione della Potenza generata dal COG [Fonte: BAT, 2013]

2.1.2 BF gas e BOF gas

I gas dell’altoforno hanno il piu basso potere calorifico e temperatura di fiamma del sistema; di

conseguenza la scelta piu efficiente e riutilizzarli nei processi a basse temperature come:

• nell’altoforno stesso;

• nell’impianto di cokeria;

• nell’impianto di produzione di energia elettrica.

Il gas generato dal BOF puo essere usato per arricchire il BF1 gas grazie al suo potere calorifico

superiore. Generalmente, il prodotto e per la maggior parte monossido di carbonio e necessita di

un impianto di depurazione composto da:

• stazione di raffreddamento;

• autoclave;

• stazione di pompaggio del gas.

Dopo questo, il gas e inserito nell’altoforno o unito all’uscita con quest’ultimo per generare

energia.

Altri supporti energetici provengono dalla rete di distribuzione elettrica industriale e da centrali

a vapore dislocate vicino agli impianti grazie all’uso di gas sopra descritti.

2.2 Livello di emissioni

Il rendimento energetico globale di un impianto a ciclo integrale e molto piu basso rispetto a un

qualsiasi impianto energetico commerciale e le sue emissioni hanno caratteristiche differenti; ad

esempio, abbiamo detto che la maggior parte dell’energia avviene attraverso i COG e i BF/BOF

1Blast Furnace

2.2. Livello di emissioni 13

gas ma questi portano componenti dannose e inquinanti come polveri, NOx, SOx,etc,. . . necessitano

quindi di trattamenti particolari che ne abbassano il valore energetico e cosı il rendimento. Portiamo

come titolo di esempio i livelli medi di emissioni negli impianti energetici operanti in ciclo integrale

in Europa.

Figura 2.2: valori medi ottenuti da 20 impianti differenti a ciclo integrale [Fonte: Eurofer, 2008]

La Direttiva 2010/75/EU descrive quali impianti sono soggetti ai valori limite dichiarati:

“ Tutte le autorizzazioni per installazioni contenenti impianti di combustione che hanno ottenuto

un autorizzazione prima del 7 gennaio 2013, o i cui gestori hanno presentato una domanda completa

per una autorizzazione entro tale data, a condizione che detti impianti siano messi in servizio al piu

tardi entro il 7 gennaio 2014, contengono condizioni che assicurano che le emissioni nell’ atmosfera

di tali impianti non superino i valori limite di emissione di cui al allegato V, parte 1.” [Paragrafo

2, Articolo 30, Direttiva 2010/75/EU]

Si specifica anche: “Tutti i valori limite di emissione sono calcolati a una temperatura di 273,15

K, a una pressione di 101,3 kPa e previa detrazione del tenore di vapore acqueo degli scarichi

gassosi e a un tenore standard di O2 pari al 6% per i combustibili solidi, al 3% per gli impianti

di combustione diversi dalle turbine a gas e dai motori a gas che utilizzano combustibili liquidi e

gassosi” [Parte 1, Allegato V]

I valori limite di NOx sono presentati nella tabella seguente:

Figura 2.3: Valori limite di emissione di NOx (in mg/Nm3) per gli impianti di combustione alimentati con combustibili solidi

o liquidi ad eccezione delle turbine a gas e dei motori a gas. Nota:(1) Il valore limite di emissione e pari a 450 mg/Nm3 per la

combustione di residui di distillazione e di conversione della raffinazione del petrolio greggio per il loro proprio consumo negli

impianti di combustione con una potenza termica nominale totale non superiore a 500 MWth e che hanno ottenuto un’autoriz-

zazione anteriormente al 27 novembre 2002 o per i quali i gestori hanno presentato una domanda completa di autorizzazione

prima di tale data, a condizione che l’impianto sia stato messo in funzione entro il 27 novembre 2003. [Fonte: Parte 1, Allegato

V, Direttiva 2010/75/EU]


Valori limite per emissioni di anidride solforosa sono i seguenti:

Figura 2.4: Valori limite di emissione (in mg/Nm3) di SO2 per gli impianti di combustione alimentati a combustibile gassoso

ad eccezione delle turbine a gas e dei motori a gas. [Fonte: Parte 1, Allegato V, Direttiva 2010/75/EU]

Valori limite di polveri emesse per combustione di sono riportati nella seguente tabella:

Figura 2.5: Valori limite di emissione di polveri (in mg/Nm3) per impianti di combustione che utilizzano combustibili gassosi

ad eccezione delle turbine a gas e dei motori a gas. Nota:(1) Il valore limite di emissione e pari a 50 mg/Nm3 per la combustione

di residui di distillazione e di conversione della raffinazione del petrolio greggio, per il loro proprio consumo, negli impianti di

combustione che hanno ottenuto un’autorizzazione anteriormente al 27 novembre 2002 o i cui gestori hanno presentato una

domanda completa di autorizzazione prima di tale data, a condizione che l’impianto sia stato messo in funzione entro il 27

novembre 2003.[Fonte: Parte 1, Allegato V, Direttiva 2010/75/EU]

Riferendosi ai valori massimi di polveri, NOx e SOx possiamo considerarli assolutamente in

linea con quanto prescritto dalla Direttiva europea mentre per il monossido di carbonio la direttiva

non riporta un limite ma delega agli enti locali la determinazione del limite massimo.

2.3 Gestione dei materiali e delle acque

Grande rilevanza occupano la movimentazione e stoccaggio delle materie prime, semilavorati e

scarti in quanto:

• i volumi da movimentare sono di una certa criticita;

• l’abbattimento delle polveri, PM10 in maggior parte, e difficilmente attuabile;

• la gestione del rottame comprendente elementi pericolosi (Cr, Cd, Mo, S, P) o radioattivi

hanno problematiche rilevanti;

• impianti di depurazione e filtraggio sono punti critici.

Gli scarti provenienti dai vari processi (BF, EAF, Secondary Steelmaking) hanno un valore

commerciale e anche essi necessitano di una gestione a parte.

Per quanto riguarda l’acqua presente nel sistema, nel 2005, fu riutilizzato il 97,2% del volume

totale e solo per il 2,8% fu necessario reintrodurla da acqua non trattata. Lo scarto di acqua esausta

si aggiro intorno al 1,2% e il restante 1,6% fu dovuto a perdite (es. evaporazione). Nel 2005, per

ogni tonnellata di acciaio prodotto servirono 3,16 m3 di acqua.

2.4. Tecniche generali da considerare nella determinazione delle BAT 15

Figura 2.6: Esempio degli ambiti di utilizzo delle scorie derivanti da processi siderurgici (t). Nota:(1) Riferito ai processi

BOF, EAF, Metallurgia Secondaria [Fonte: Euroslag, 2006]

Le tecniche che permisero di ridurre lo spreco d’acqua includono:

• rinuncio all’uso di acqua potabile;

• aumento della capacita o il numero di impianti per filtraggio e reinserimento;

• centralizzare la rete di distribuzione d’acqua fresca;

• riutilizzare l’acqua in cascata fino al raggiungimento dei parametri limite;

• riutilizzo dell’acqua, che per un processo ha raggiunto parametri limite, in un altro processo;

• tenere acqua trattata e non trattata separate in modo da inserirne di nuova solo a fabbisogno;

• usare acqua piovana dove possibile.

2.4 Tecniche generali da considerare nella determinazione delle

BAT

In questa sezione vengono descritte le tecniche e le osservazioni associate considerate per assolvere

l’obbiettivo proposto dal testo.

Le principali tecniche prese in analisi sono:

1. Environmental Management Systems (EMS).

2. Energy Management.

3. Riduzione degli NOx negli impianti a gas.

4. Material Management.

5. Monitoraggio degli impianti.

6. Riduzione del rumore.


2.4.1 Environmental Management Systems

Un EMS e una tecnica che permette agli operatori di installare soluzioni ambientali con meto-

do sicuro e sistematico applicando il concetto del Ciclo di Deming o PDCA (plan-do-check-act).

Ulteriore solidita alla gestione ambientale puo essere data dalle certificazioni ISO 14000: 2004 e

aderendo all’approccio EMAS (Eco-Management and Audit Scheme).

Un EMS considera:

1. Un responsabile e senior manager del progetto.

2. Definizioni delle politiche ambientali da perseguire.

3. Gli obbiettivi, le procedure, le dipendenze e le responsabilita da stabilire.

4. Implementazione delle procedure e identificazione delle criticita.

5. Metodi di controllo e azioni correttive.

6. Adattabilita dell’EMS a nuove condizioni e richieste.

7. Preparazione di regole da rispettare.

8. La nomina di un ente di controllo e vigilanza esterno.

9. Possibili impatti ambientali delle soluzioni.

10. Progettazione e applicazione.

Il concetto di miglioramento continuo permette l’avanzamento e miglioramento tecnologico del-

l’impianto, permettendo di identificare le performance chiave. L’analisi sistematica pone le basi

per ottenere le soluzioni migliori per tutti i contesti ambientali.

Linee guida per l’implementazione dell’EMS dovrebbero essere:

• aumento delle performance ambientali;

• miglioramento degli aspetti culturali ambientali dell’azienda e incentivare le indagini per

capire quali sono le richieste esterne (clienti, enti, banche, fornitori);

• sensibilizzare il personale;

• generazione di opportunita aggiuntive di risparmi e aumento della qualita;

• aumento dell’immagine aziendale;

• riduzione dei costi straordinari, assicurativi e di non-conformita.

L’EMS e molto apprezzato come approccio interno per implementare le richieste delle normative,

come la ISO 14001. Alcuni impianti che hanno adottato la tecnica sono:

Buderus Edelsahl GmbH, Wetzlar, Germania

Voestalpine Stahl GmbH, Kapfenberg, Austria

Voestalpine Stahl GmbH, Linz, Austria

ArcelorMittal Dunkirk, Florange, Fos sur Mer, Francia

ILVA Rivagroup, Taranto, Italia


2.4.2 Energy Management

Tecniche per migliorare l’efficienza energetica

Alcune importanti funzioni per garantire l’efficienza globale dell’impianto sono:

• Ottimizzare il consumo di energia. Il cambio di fornitura energetica in un processo puo

influenzare gli altri.

• Monitoraggio continuo. Un database permette di risalire ai dati necessari per determinare il

comportamento del sistema.

• Strumenti di analisi e segnalazione. I strumenti di segnalazione sono usati per controlla-

re il consumo energetico di ogni processo. Insieme al programmi di costo, i strumenti di

segnalazione sono le base per ottimizzare il rendimento energetico.

• Livelli di consumo energetico specifico di ogni processo. Si definiscono livelli limite per il

consumo energetico dei processi.

• Revisione. I strumenti di revisione per i progetti, i livelli e i dati raccolti sono cruciali per

determinare l’efficienza effettiva.

Il principale beneficio e massimizzare l’efficienza energetica dei gas generati nei processi e

minimizzare la necessita di importare energia supplementare.

Tecniche per ottimizzare l’utilizzazione dei gas di processo

Esistono piu tecniche per ottimizzare i gas di processo, alcune di queste sono:

• uso di gasometri pressurizzati per generare riserve energetiche a breve termine;

• migliorare la rete di assorbimento e distribuzione dei gas ;

• arricchimento di gas con differente potere calorifico;

• riscaldamento dei forni con gas di processo;

• usare un sistema per il controllo computerizzato del potere calorifico;

• adeguato dimensionamento delle capacita di stoccaggio dei gas di processo, considerandone

le differenze.

I risultati ottenuti sono la riduzione di richieste energetiche del sistema ed emissioni in aria.

Il consumo specifico di energia dipende dall’ampiezza del processo, la qualita del prodotto e dal

tipo di installazione.


Tecniche per migliorare il recupero energetico

Alcune tecniche per migliorare il rendimento possono essere ottenute dal recupero energetico

attraverso:

• recupero di calore da acque di scarico usando scambiatori di calore;

• installazione di caldaie a vapore alimentate dai gas di scarico;

• preriscaldamento dell’aria comburente delle fornaci per risparmiare combustibile;

• isolamenti delle condutture;

• recupero del calore dai prodotti;

• pannelli solari e pompe di calore nei processi di raffreddamento dell’acciaio;

• l’uso di turbine per convertire l’energia cinetica dai gas in energia elettrica.

SI puo ottenere cosı risparmio finanziario, ambientale e controllo del consumo energetico.

L’obbiettivo principale e il risparmio del carburante e la riduzione del fabbisogno energetico

dall’esterno, conseguentemente avviene la riduzione di emissioni e impatto ambientale.

In alcuni paesi, Nordici soprattutto, hanno provveduto a collegare il sistema di riscaldamento

civile con quello industriale, riutilizzando il calore non sfruttato dagli impianti. Questo metodo

permette acqua in mandata nelle case a 75-120 C e temperatura di ritorno intorno ai 40-45 C.

Una caratteristica tipica del sistema di riscaldamento industriale e l’ottimizzazione e il controllo;

ad esempio, quando il 90% della domanda annuale di energia e prodotta con acqua di scarto e difficile

dividere l’ottima fornitura di calore e la temperatura nei punti di produzione.

La vendita di calore recuperato puo essere una fonte di guadagno in un contesto di forte

fabbisogno energetico odierno.

Un impianto di riferimento e quello di Marienhutte in Graz, Austria, di circa 40 Gwh anno

recuperati dall’EAF (35 tonnellate/carico).

Da un distretto combinato con impianti energetici e recupero del calore in Lulea, Svezia, negli

ultimi 10 anni sono stati recuperati circa 12995 GWh di acqua calda, garantendo un risparmio

approssimativo di 4,5 Mt di CO2, 1800 tonnellate di NOx e 600 tonnellate di SOx prodotte con

gasolio industriale. Il recupero ha soddisfatto il fabbisogno di acqua calda ad uso civile per tutto

il distretto (che conta 22000 case) e un impianto a vapore e stato aggiunto per usare il surplus

energetico ottenuto.

Controllo frequente di impianti dotati di pompe e ventilatori

Il controllo frequente degli impianti e la possibilita di variazione della loro velocita di rotazione

permette di avere adattamenti della portata d’acqua e dei gas di processo in base alla richiesta

necessaria. L’ottimizzazione di questi sistemi aggiuntivi comprende:

• la completa separazione delle pompe dal sistema quando sono spente;


• la sostituzione delle pompe pre esistenti con altre piu piccole e moderne per migliori rendi-

menti;

• l’installazione di motori ad alta efficienza.

L’efficienza piu alta e ottenibile solo se questi impianti aggiuntivi hanno collegamenti ottimi e

isolati con il resto del sistema.

Gli alti risparmi energetici ottenuti, soprattutto corrente elettrica, giustificano i costi incontrati

nell’aggiunta dei nuovi impianti. Nell’impianto precedentemente citato, Lulea, Svezia, la fornitura

addizionale di elettricita ottenuta si aggira intorno ai 3,2 Gwh/anno con un risparmio di CO2 pari

a 250 ton/anno.

Un sistema ottimizzato garantisce la riduzione di fabbisogno energetico di tipo elettrico dall’e-

sterno fino al 30%. La riduzione dei costi energetici significa che il tempo di recupero dell’investi-

mento e accelerato, riducendosi ad un orizzonte di 2-3 anni, con un ritorno del 30-50%.

Un esempio e l’impianto di Ulm, in Germania

risparmio energetico: 64% o 325 Mwh/anno

risparmio netto: 32500 Euro/anno

investimento iniziale: 67 000 Euro

payback period: 2,1 anni

ritorno dell’investimento: 48%

2.4.3 Riduzione di NOx in impianti energetici con processi di gas combusti

Misure principali per la riduzione di NOx

Le seguenti misure principali riducono solo il thermal NOx ossia quelli generati ad alte temperature

e possono essere combinate tra loro:

• impiego di bruciatori a basso NOx;

• ricircolazione dei fumi;

• iniezione di aria per i residui di combustione con bruciatori substechiometrici;

• iniezione di carburante di riduzione (gas riciclato e gas naturale);

• fase di introduzione dell’aria;

• fase di introduzione del carburante.

La combinazione piu usata ed efficace e l’impiego di bruciatori a basso NOx con ricircolo di

fumi che porta i valori degli ossidi di azoto a una media di 80-90 mg/Nm3 contro i 200 mg/Nm3

generati dal COG.

A questa combinazione si puo unire l’iniezione di aria aggiuntiva ma negli impianti esistenti e

causa perdite di efficienza.

Un’altra possibilita e bruciare i fumi residui in condizioni substechiometriche e successivamente

aggiungere aria per la combustione. Comparata con la prima opzione, questa riduce solo di un


terzo le emissioni; oltretutto, se l’aggiunta avviene nella fornace l’aumentare della presenza di CO

favorisce la corrosione delle pareti.

Soluzione alternativa e l’introduzione di gas naturale con gas esausto riciclato ma non e efficiente

se usato con bruciatori a basso NOx.

Nei bruciatori, intorno alla fiamme, ci sono zone con differenti concentrazioni di ossigeno cosı

che l’area di combustione e piu ampia e il fronte di fiamma impiega piu tempo a percorrerla. Si

puo risolvere il problema introducendo l’aria direttamente sul bruciatore. Questa soluzione causa

una riduzione di NOx.

L’introduzione in due fasi del combustibile causa una riduzione di ossidi di azoto simile al caso

precedente.

I benefici ottenuti dalle singole soluzioni sono schematizzati nella Figura 2.7.

Figura 2.7: Efficienza di riduzione degli NOx per le tecniche presentate [Adattato da: BAT, 2013]

Misure secondarie per la riduzione di NOx

La riduzione di ossidi di azoto con misure secondarie puo avvenire tramite riduzione catalitica

selettiva (SCR) o riduzione non-catalitica selettiva (SNCR).

Per la prima soluzione si usa ammoniaca iniettata nei fumi per convertire NOx in molecole

di idrogeno e acqua. A una temperatura superiore ai 320 C si formano i sali di ammoniaca che

possono danneggiare il convertitore catalitico.

Posso posizionare il convertitore nell’impianto tra l’economizzatore e il filtraggio dei fumi, dopo

il filtraggio dei fumi oppure prima dell’uscita.

Nella prima opzione i fumi si trovano tra i 300-400 C, garantendo la conversione dei NOx ma

la presenza di polveri e ossidi di zolfo possono danneggiare il convertitore.

Nelle altre due opzioni i fumi escono gia filtrati ma necessitano di un preriscaldamento prima

di entrare nel convertitore che fa perdere rendimento all’impianto.

La tecnica SNCR non necessita di un catalizzatore ma ha bisogno di lavorare a temperature

tra 900 e 1000 C. L’investimento iniziale e meno oneroso ma necessita di una maggiore quantita

di agenti riducenti e il controllo delle temperature non e di facile implementazione.

Per la tecnica SCR i contenuti medi annuali di NOx calano di circa il 20% mentre per il SNCR

non sono disponibili dati.


2.4.4 Gestione dei materiali

Tecniche per migliorare l’utilizzo del rottame

Alcuni impianti come l’EAF o il BOF necessitano di grandi quantita di rottame e la presenza di

metalli indesiderati sono causa di molti processi successivi con le relative emissioni.

Le tecniche seguenti possono aiutare l’operatore a caratterizzare i rottami che usa:

• specificare i criteri di accettazione durante l’acquisto di rottame;

• conoscenza della composizione del rottame;

• controllo dei flussi in entrata e uscita nel parco rottame;

• procedure per l’esclusione di rottame non conforme;

• stoccaggio del rottame attraverso differenti criteri (dimensioni, grado di purezza, composizio-

ne);

• stoccaggio su superfici impermeabili e coperte;

• filtraggio e pulizia del rottame per evitare inclusioni di PCB e oli;

• processi per la rimozione di componenti radioattivi o inquinanti, come il Mercurio;

• stoccaggio e trattamento addizionale per componenti elettrici ed elettronici;

Saper riconoscere e selezionare il rottame contribuisce a limitare le emissioni di polveri e inqui-

nanti. L’approccio presentato permette un aumento di impiego del rottame nei EAF e nel BOF,

permettendo un migliore riciclaggio ed efficienza energetica.

Un maggior e miglior impiego del rottame aumento l’efficienza dell’impianto e il risparmio

energetico che si traducono in maggior margine di profitto.

Tecniche per ridurre le emissioni e l’immissione in acque durante stoccaggio, movi-

mentazione e trasporto del materiale

Il documento Emissions From Storage (EFS), 2006, presenta in dettaglio gli argomenti seguenti.

Le emissioni di polveri secondarie, dovute a movimentazione, sono problematiche sia per l’impatto

sull’ambiente che per il personale coinvolto.

Per minimizzare l’emissione di queste polveri si puo implementare un piano di abbattimento

delle polveri integrato con EMS o considerare la cessione temporanea delle attivita caratterizzate

da alte emissioni. Per fare questo sono necessarie stazioni di monitoraggio per i PM10.

L’acqua piovana puo trascinare con se solidi in sospensione provenienti dalle aree di stoccaggio

delle materie prime e dalle aree di deposito degli scarti.

Una soluzione sarebbe l’intercettamento, filtraggio e il controllo dell’acqua attraverso percorsi

forzati per poi convogliarla in serbatoi supplementari al sistema siderurgico.


Impianti specializzati nel riciclaggio di residui ricchi di ferro

Ci sono quattro tecniche per il riciclo dei residui ferrosi:

• forno a tino OxyCup;

• Processo DK;

• Processi di riduzione per fusione;

• pellets/mattoni agglomerati a freddo.

OxyCup

La tecnica e composta da tre moduli operativi: produzione di mattoni, componenti di supporto e

OxyCup. Il primo modulo compatta i residui con altro coke e componenti metallici; e un processo che

avviene a freddo che combina un legante e acqua con coke polverizzato pressati assieme, asciugati

e cotti. I mattoni sono poi mescolati con il Ferro fuso nel forno. Il forno OxyCup e applicabile in

qualsiasi impianto in quanto ha processi molto simili a quelli che gia avvengono.

L’impianto OxyCup a Duisburg-Hamborn, Germania, produce 170 000 ton/anno di metallo.

Processo DK

Il processo DK consiste in un impianto di sinterizzazione e un altoforno. A differenza degli

altri processi l’80% del materiale in input sono polveri e scarti dell’altoforno e del BOF. Nella

sinterizzazione le polveri sono agglomerate a caldo con polvere di carbone e leganti; dopo che si

sono raffreddati, i componenti sono inseriti nell’altoforno. A causa dell’alto contenuto di Zinco

(2-3%) presente nei materiali in entrata, gli scarti dell’altoforno vengono mandati in zincheria.

Ci sono due tecniche alternative per questa tipologia: il processo Primus e il processo Redsmelt.

Il processo Primus consiste in una combinazione di tre effetti: asciuga, scalda e inizia la riduzione

del composto; seguita poi da una fusione in un EAF che prosegue la riduzione e fonde.

Il processo Primus permette trattamenti di tutti i residui tipici, metallici e non. Puo essere

impiegato anche nelle mini-mill e nei grandi processi a ciclo integrale per ridurre scarti e aumentare

la resa delle materie prime.

Il processo Redsmelt consiste nel pellettizzare i residui con un riducente (carbone), scaldarli in

una fornace e fonderli in un EAF.

Il processo DK e stato usato sin da inizio Novecento e, oggigiorno, contribuisce a limitare la

quantita degli scarti industriali che effettivamente escono da un ciclo integrale; infatti, solo il 4%

degli scarti richiedono un effettivo smaltimento esterno. Per il processo DK c’e da citare il proble-

ma delle emissioni di PCDD/F che necessitano di trattamenti particolari. Altra nota importante

e il problema delle sostanze alcaline, come Zinco, che usurano l’interno dei forni e causano un alto

consumo di riducenti.

Processi di riduzione per fusione

I processi necessitano di grandi quantita di ossidanti e una successiva fusione per separare i

metalli dagli altri componenti che formano la schiuma superficiale.


I processi di riduzione per fusione permette un completo reimpiego del Ferro, Zinco e compo-

nenti usati nella costruzione di strade.

Pellets/mattoni agglomerati a freddo

Consiste nell’agglomerare a freddo le polveri generate dalla movimentazione e dal trasposto,

con gli scarti.

Si tratta della tipologia piu utilizzata in quanto piu economica e di semplice implementazione.

L’uso di pellets/mattoni agglomerati a freddo permette di ridurre la quantita di scarti da smal-

tire esternamente e non emette NOx o SOx. Non puo sostituire completamente la sinterizzazione

a caldo.

La pellettizzazione a freddo aumenta il rendimento energetico del sistema e permette di abbas-

sare il livello di polveri sottili.

Nel caso dei pellet agglomerati a freddo, l’ILVA di Taranto li pulisce dalle polveri con un filtro.

La concentrazione di polveri si aggirano intorno ai 10-20 mg/Nm3.

Il recupero di minerali e uno dei principali drivers per una politica di riduzione dei costi e

problematiche di smaltimento.

2.4.5 Monitoraggio degli impianti

Monitoraggio continuo dei parametri e delle emissioni in aria

Il monitoraggio continuo necessita di un sistema informatico integrato per garantire l’aggiornamento

dei dati istantaneamente.

I principali parametri misurati sono:

• pressione;

• temperatura;

• concentrazione di ossigeno;

• concentrazione di CO;

• flussi di materiali in entrata e in uscita.

I vantaggi ottenuti sono interventi tempestivi e cronologia storica accurata; permette, inoltre,

di ottimizzare i processi e minimizzare la domanda energetica.

Monitoraggio discontinuo dei parametri e delle emissioni in aria

Il monitoraggio discontinuo e utilizzato per sostanze piu particolari come: PCDD, VOC, metalli

pesanti.

Normalmente il periodo di controllo oscilla da 1 a 30 giorni, con intervalli dalle 6 alle 8 ore tra

una misurazione e l’altra.


Monitoraggio dei PCDD/F

I PCDD/F (Polychlorinated dibenzo-p-dioxins/dibenyofurans) comprendono diossine e simili pre-

senti nei gas esausti. Esistono differenti metodi per determinarne la concentrazione ma dipendono

da alcuni parametri quali:

• raggio in cui e concentrata la diossina;

• polveri;

• intervallo di temperatura;

• la quantita di carbone in polvere presente nei gas;

• cambiamenti delle condizioni di processo;

• la presenza di effetti dati dalle precedenti.

La guida di riferimento e il manuale EN 1948 che definisce gli standard europei accettati.

Esistono altre guide per la determinazione delle concentrazioni e dei metodi di misurazione usate

in Europa, come la EPA 23 A americana, usata per le acque e gli impianti inceneritori.

Le misurazioni avvengono ogni 6-8 ore.

I costi stimati di misurazione oscillano tra i 6000 euro, per misurazioni e analisi di alcuni giorni,

fino a poche centinaia, per solo misurazioni delle diossine in un giorno.

Monitoraggio delle emissioni diffuse e fuoriuscite

Le emissioni possono essere stimate secondo i metodi seguenti:

• metodi con misurazioni dirette fatte alla fonte (le concentrazioni e la massa vanno stimate);

• metodi con misurazioni indirette ( le emissioni sono misurate a una certa distanza e le

concentrazioni e la massa non possono essere ottenute direttamente);

• calcolo con fattori di emissione.

Monitoraggio dello scarico delle acque di scarto

Il monitoraggio puo considerare una raccolta casuale di dati presi dai campioni per riferirsi ad un

singolo campione di acqua, una raccolta continuativa su un dato periodo o una raccolta che faccia

riferimento ad un campione raccolto nello stesso periodo massimo di 2 ore e minimo di 2 minuti.

2.4.6 Riduzione del rumore

Molti processi nell’industria siderurgica producono rumori significativi e le tecniche principali per

ridurle coinvolgono strutture fisiche e organizzazione dei processi come isolamento dalle vibrazioni,

coperture interne/esterne per isolamento acustico, costruzione di muri protettivi( es. barriere

naturali che isolino uffici da impianti produttivi), porre organi silenziatori alla fonte.

3Applicabilita delle BAT negli impianti

In questo capitolo verranno prese in considerazione le tecniche di compatibilita ambientale nei

principali impianti del ciclo siderurgico, quali l’impianto di sinterizzazione, di pellettizzazione, le

cokerie, l’altoforno, BOF, EAF.

3.1 Impianto di sinterizzazione

Il processo consiste nel mescolare minerali di metalli in polvere, materiale di riciclaggio proveniente

dai processi a valle e additivi (es. dolomia, olivina) per poi aggiungere carbone in polvere per

permetterne la cottura.

L’uso di antracite puo essere una alternativa piu economica al carbone ma puo aumentare la

concentrazione di sostanze non desiderate come NOx.

3.1.1 Emissioni in aria

Le emissioni in aria sono dovute a polveri provenienti dalla movimentazione, lavorazione e dai gas

di fine processo (1500-2500 Nm3/t di sinterizzato).

Le polveri, principalmente con diametri intorno ai 100 µm e 1 µm, con concentrazioni tra i

100-150 mg/Nm3, possono essere abbattute installando Precipitatori Elettrostatici con Elettrodi

Mobili (MEEP) portando la concentrazione media sotto i 50 mg/ Nm3.

Alcuni dei composti presenti nei gas di fine processo sono:

• Piombo

• Mercurio

• Zinco

• Sostanze alcaline (K2O, Na2O)

• Ossidi di Zolfo

• Fluoruri

• Ossidi di Azoto

26 3. Applicabilita delle BAT negli impianti

Piombo

Si presentano sotto forma di Cloruri di Piombo e il metodo migliore per limitarne la presenza

e estrarre il Cloro prima della combustione delle polveri.

Mercurio

Per alcuni tipi di minerali ferrosi, il Mercurio emesso a fine sinterizzazione e compreso tra i

0,7-207 mg/ Nm3, valori che possono essere rilevanti per l’impatto ambientale del luogo.

Zinco

Normalmente ha concentrazioni comprese tra i 70-200 g/t di sinterizzato. Alle alte temperature

puo evaporare ma reagisce subito con il Ferro che lo mantiene nel sinterizzato. I gas trattati ed

emessi hanno concentrazioni comprese tra i 2 e i 1930 mg/t.

Sostanze alcaline

Normalmente le concentrazioni medie di Ossidi di Potassio e di Sodio variano tra i 600-1000 g/t

e i 250-500 g/t di sinterizzato. La presenza di queste sostanze alcaline, caratterizzate da un’alta

resistivita, abbassano drasticamente il rendimento del processo e vanno limitate dove possibile.

Ossidi di Zolfo

Questi Ossidi sono inseriti principalmente dal fumi caldi provenienti dagli altoforno e dai BOF.

Le concentrazioni medie di ossidi emessi variano tra i 200 e i 1000 g/t di sinterizzato.

Fluoruri

L’emissione dei Fluoruri dipendono principalmente dalla basicita del minerale di partenza. Le

concentrazioni medie emesse dagli impianti di sinterizzazione sono comprese tra 0,4-8,2 g/t di sin-

terizzato.

Ossidi di Azoto

Questi si formano ad alte temperature, principalmente vicino al fronte di fiamma; puo formarsi

in tre modi:

1. Attraverso combustione delle sostanze organiche contenenti Azoto (fuel NOx).

2. Decomposizione e seguente reazione di N2 presente in aria vicino all’area di combustione

(prompt NOx).

3. Reazione dell’O2 e di N2 presente in aria nelle combustione (thermal NOx).

3.1.2 Tecniche da considerare nella determinazione delle BAT

Precipitatori elettrostatici (ESP) avanzati

Il metodo piu comune di trattamento fumi e l’uso di precipitatori elettrostatici, che siano a secco o ad

acqua. In quest’ultimi un flusso costante d’acqua rimuove le polveri, venendo poi trattata a valle.

3.1. Impianto di sinterizzazione 27

I precipitatori, per ottenere un’adeguata efficienza dovrebbero avere resistivita di circa 104-109

Ωm. Occorre rimuovere precedentemente i composti con un’alta resistivita specifica perche causa

di resistenze elettrostatiche. I precipitatori, integrati con MEEP, possono arrivare a rendimenti del

99% nell’abbattimento delle emissioni di polveri.

Filtro a maniche – combinato o integrato con un riduttore di inquinanti solidi o gassosi

Normalmente i filtri a maniche sono applicati a valle di ESP e a depolveratori centrifughi (cicloni)

gia esistenti ma possono operare anche individualmente; possono combinare filtri per le polveri con

filtri per inquinanti acidi.

La procedura per combinare queste tecniche e:

1. Iniezione di sostanze assorbenti i composti pericolosi, come i filtri a carboni attivi.

2. Iniezione di bicarbonato di sodio per ridurre l’emissione di sostanze acide combinato con

un’adeguata temperatura dei gas (90-100 C).

3. Raccolta polveri dai gas con sistema di rimozione automatica.

4. Reimpiego delle polveri filtrate.

5. Estrazione dei gas puliti con una ventola.

Depolveratore Centrifugo - Ciclone

I depolveratori centrifughi servono solo per preparare i fumi al trattamento e non sono mai usati

singolarmente. La tecnica sfrutta la forza centrifuga incanalando i fumi in un percorso a spirale e

raccogliendo le polveri piu grandi di 10 µm ai lati con una efficienza intorno al 60-80% con singolo

depolveratore; negli impianti con depolveratori in serie si raggiungono rendimenti superiori al 90%.

Depurazione fumi a umido

Usando un liquido la polvere e asportata dai gas ma, nei tradizionali sistemi, questa tecnica non

e efficace per le polveri troppo fini e per la presenza di idrocarburi. Esistono impianti ad alte

performance commercializzati sotto il nome di AIRFINE.

I componenti di un sistema di pulizia dei gas comprende:

• un depolveratore centrifugo con ESP per eliminare i residui solidi aspirati;

• un abbattitore di polveri sottili e componenti acidi, usando idrossido di sodio;

• un sistema di filtraggio delle polveri sottili e pulizia gas;

• un sistema di trattamento per i residui e per le acque.

La tecnica e anche efficiente nel rimuovere i PCDD/F con rendimenti del 90%.


Figura 3.1: Trattamento del gas esausto usando il sistema AIRFINE [Adattato da: BAT, 2013]

Riduzione delle emissioni di composti organici volatili (VOC)

Un metodo per limitare le emissioni di idrocarburi negli impianti di sinterizzazione e il filtraggio

delle materie prime in input con solventi o preriscaldando a 800 C per far evaporare gli idrocarburi,

utili per la combustione.

Riduzione di PCDD/F

La riduzione di PCDD/F si puo ottenere aggiungendo composti di Azoto nel mix di minerali da

sinterizzare per bloccare la reazione catalitica. Per questo motivo, in diversi impianti europei si

usa urea lungo tutto il processo di produzione dell’acciaio nei cicli integrati. Normalmente la

concentrazione di diossina scende del 50-60% e l’urea minimizza la presenza di acido cloridrico e

fluoridrico.

Riduzione di anidride solforosa

L’emissione di anidride solforosa puo essere limitata usando materie prime con basso contenuto

di Zolfo, incentivare l’uso del COG invece di altri carburanti, aumentare l’assorbimento di Zolfo

3.2. Impianti di pellettizzazione 29

nell’ossidazione, uso della desolforazione a umido e uso di carboni attivi rigenerativi (RAC) per

desolforazione e riduzione di NOx.

L’emissione dipende fortemente dalla quantita presente nel combustibile e dalla basicita del

minerale in quanto puo trattenere lo Zolfo nel sinterizzato.

I gas ricchi di anidride sono convogliati sotto un getto contenente magnesio o calcio che si legano

all’anidride, rimovibile cosı come scoria solida.

Il processo RAC e basato sull’assorbimento dell’anidride da parte del carbone attivo e genera

acido solforico trattato poi come sottoprodotto e il carbone e rigenerato con un trattamento ad

acqua. Il processo puo rimuovere anche NOx ma solo iniettando ammoniaca.

In condizioni di operativita di 24 ore giornaliere i rendimenti raggiungono il 90% ma nella

realta possono essere notevolmente piu bassi. Il processo RAC riduce il livello delle polveri da

80-100 mg/Nm3 a meno di 20 e le emissioni di diossine da 3 ng/ Nm3 a meno di 0,3 ng/Nm3.

Riduzione di NOx

Comparato ad altre soluzioni l’antracite puo abbassare i livelli di NOx per la presenza scarsa di

Azoto nel materiale. Altra soluzioni sono l’uso di bruciatori a basso NOx, l’uso di SCR e le altre

soluzioni presentate precedentemente.

Recupero energetico

Esistono due tipi di energia potenzialmente riutilizzabile in un impianto di sinterizzazione:

1. Il calore sensibile dei gas principali uscenti dalle macchine di sinterizzazione.

2. Il calore sensibile proveniente dall’aria di raffreddamento.

Il primo tipo presenta problemi di corrosione e l’impiego di uno scambiatore termico e una

soluzione inaccettabile. Il secondo tipo puo essere recuperato con i seguenti modi:

• uso dell’aria in caldaie a vapore;

• produzione di acqua calda;

• uso dell’aria nelle macchine a combustione;

• preriscaldamento della materia prima da sinterizzare;

• uso dell’aria nel sistema di circolazione dei gas di scarico;

3.2 Impianti di pellettizzazione

3.2.1 Processi applicati e tecniche

Nei processi di macinazione e disidratazione vengono aggiunti additivi come olivina, dolomite,

quarzite e/o calcare al minerale di Ferro, solitamente mai sopra il 3,5% prima della disidratazione.

La disidratazione avviene con l’aiuto dei gas provenienti dall’altoforno o dal BOF con temperature

intorno ai 100 C. Successivamente il materiale viene convogliato in impianti che agglomerano le

polveri ad alte temperature e le trattano termicamente per ottenere i pellets.



Le emissioni di polveri sono rilevanti lungo tutto il processo e sostanze come NOx, SOx, HCl, HF,

PCDD/F possono essere trattate come gia descritto nell’impianto di sinterizzazione.

Precipitatori elettrostatici sui mulini di macinazione

Nella macinazione le polveri hanno caratteristica tale da essere raccolte da ESP con un’alta efficienza

abbassando l’emissione a meno di 20 mg/Nm3. Oltre a questi possono aggiungersi depolveratori

centrifughi e filtri a manico dimezzando ancora la concentrazione.

Gas Suspension Absorber (GSA)

Nel GSA, della calce viene iniettata in quantita proporzionali alla concentrazione di anidride sol-

forosa e reagisce creando un liquame poi rimosso. Un’alta concentrazione di polveri favoriscono le

reazioni, aumentando il rendimento del GSA fino al 99,9%.

Impianto per la rimozione dell’Arsenico

In alcuni minerali di ferro l’Arsenico e presente sotto forma di arsenite poi convertita in arseniato,

con combinazione di cloruro ferroso e perossidi, poi precipitato e sedimentato. Successivamente

l’acqua e filtrata da residui solidi e, attraversando scambiatori ionici, controlla il livello di metalli

pesanti quali Cadmio, Cromo, Rame, Nichel.

Recupero energetico

Il ricircolo di aria calda, intorno ai 600-800 C, e usata per asciugare le polveri a inizio processo o

usata come preriscaldatore nei cicli a combustione interna.

3.3 Impianto di cokeria

La pirolisi del carbone ad alta temperatura e detta carbonizzazione. Il processo porta il carbone a

temperature sopra i 1000 C per circa 14-28 ore e genera il carbon coke.

Questo processo genera il COG che presenta problematiche ambientali che necessitano atten-

zioni. Due sono le opzioni per gestire la grande produzione di gas:

1. Il gas e completamente raccolto, filtrato e separato dai sottoprodotti; passa poi ai processi

successivi dove e consumato come carburante.

2. Viene recuperata l’energia dal gas ad alta temperatura e riutilizzata nel ciclo produttivo; il

gas viene poi filtrato ed espulso.

Il COG ha un alto potere calorifico per la presenza di Idrogeno, CO e idrocarburi. Inoltre, con-

tiene quantita considerabili di catrame, BTX, zolfo e ammoniaca che danno problemi di corrosione

e ostruzione nel complesso e delicato sistema di filtraggio.

3.3. Impianto di cokeria 31


Caricamento

Una preparazione a monte dell’impianto consiste in pretrattamento del carbone con filtri a maniche,

ESP a umido e depolveratori centrifughi che possono limitare le concentrazioni a meno di 10-20

mg/Nm3. Il caricamento avviene dal carro trasportatore alla cockeria con tubi aspiratori per

limitare le emissioni che si avrebbero in un caricamento tradizionale.

L’aumento delle dimensioni dell’impianto e giustificato da un aumento delle performance am-

bientali in quanto si riduce il numero di caricamento delle polveri e una riduzione dei costi di

investimento e produzione.

Principalmente l’efficienza ambientale dell’impianto e strettamente legata alle condizioni di

funzionamento ordinarie e alle parti meccaniche sollecitate (porte dei forni, iniettori, pareti dei

forni e nastri).

Cottura del carbone

Durante il processo di cottura la variazione di pressione tra interno ed esterno causa fuoriuscite

di polveri e fumi; la tecnica maggiormente usata e l’installazione di un controllo automatico delle

pressioni interne che veicola i fumi in cisterne isolate per la raccolta di polveri sospese. Per ridurre

le altre emissioni, come gli NOx, si puo pensare di ricircolare il gas esausto nel forno in quanto

l’anidride carbonica ridurrebbe la temperatura di fiamma, oppure iniettare l’aria comburente a fasi

per moderare l’area di combustione riducendo il tasso di creazione di ossidi, altrimenti lavorare a

temperature sotto i 1200 C. Le altre tecniche secondarie sono gia state descritte, per esempio SCR

ed SNCR.

Raffreddamento

Il raffreddamento del carbone ad acqua genera vapore e alza polveri che vengono catturate da

lamelle in plastica poste sulla parte alta della torre di raffreddamento. Il raffreddamento senza

tecniche di cattura delle polveri genera circa 200-400 g/t di polveri; con il sistema descritto scende

a 50 g/t.

Altro metodo per abbattere le polveri e portare il carbone negli impianti di stabilizzazione

che comprendono una torre di raffreddamento, una vasca di decantazione dell’acqua e un carro di

raffreddamento. Il sistema di abbattimento consiste in deflettori e in spray ad acqua. Le polveri

emesse per tonnellata sono intorno i 6-12 g/t e il raffreddamento deve essere rapido per evitare

la formazione di acido solfidrico. L’impianto di trattamento dei fumi consiste nel pulire il COG

usandolo come combustibile e in alcuni sistemi di pulizia delle sostanza piu pericolose come BTX

e PAH 1.

Trattamento acque

Il trattamento delle acque esauste puo essere svolto in piu modi, biologicamente e chimicamente:

1Polycyclic Aromatic Hydrocarbons


• si usano sistemi aerobici con fanghi attivi che staccano e raccolgono metalli e PAH oltre a

generare anidride carbonica e acido solfidrico;

• si usa la nitrificazione per rimuovere ammoniaca e possibile denitrificazione dovuta a richieste

locali per limitare l’immissione di azoto.

Figura 3.2: Trattamento dell’acqua esausta con processo di predenitrificazione-nitrificazione-denitrificazione [Adattato da:

BAT, 2013]


L’impianto e caratterizzato da notevoli emissioni, gassose e non, che si possono distinguere in tre

categorie:

1. Emissioni da fonti dirette, come l’espulsione di gas dai camini.

2. Emissioni diffuse, dovute principalmente alla movimentazione e impiego del minerale.

3. Emissioni straordinarie, dovute da fughe e/o malfunzionamento dell’impianto.

L’ultima categoria e quella che necessita di piu attenzioni in quanto genera emissioni non accettabili

a livello normativo; la quantita di emissioni diffuse, di contro, si puo limitare con soluzioni semplici

e piu economiche.


Recupero del catrame minerale

Durante il raffreddamento dei fumi alcuni idrocarburi possono condensare e sono guidati ai sepa-

ratori catrame/acqua, dove il catrame minerale e raccolto.

3.4. Altoforno 33

Desolforazione del COG

Il COG contiene acido solfidrico e altri composti organici dello zolfo. Tecniche di desolforazione a

umido eliminano con alti rendimenti l’acido ma hanno difficolta con i composti organici.

Per quest’ultimi ci sono due categorie di processi commerciali per la desolforazione:

1. Processi con ossidazione a umido per produrre Zolfo elementare.

2. Processi che assorbono e slegano l’acido per conseguente conversione in acido solforico o Zolfo

elementare.

Recupero di ammoniaca

Generalmente il 20-30% di ammoniaca presente si condensa per il raffreddamento mentre il resto ri-

mane nel COG. Un metodo per estrarla e attraverso il circuito ammoniosulfidrico (commercialmente

chiamato Car Still, Diamex o ASK) che permette di sintetizzare l’acido solfidrico con l’ammoniaca.

Altro metodo e la conversione diretta in solfato di ammonio, dove due processi possono esse-

re usati: l’assorbitore tipo Otto e il processo controllato di cristallizzazione Wilputte; entrambi

spruzzano sul COG una soluzione di acido solforico e solfato di ammonio.

Altra alternativa e la raccolta diretta come ammoniaca anidra; processo sviluppato in America

sotto il nome di USS PHOSAM con un’efficienza del 98%.

Recupero del BTX

I principali costituenti del BTX sono Benzene (60-80%), Toluene (6-17%) e Xylene (1-7%) ma

comprendono un centinaio di altri idrocarburi.

Per il recupero sono utilizzati diversi metodi:

• refrigerazione e compressione a -70 C e 10 atm;

• assorbimento con sostanze solide;

• assorbimento con solventi, consiste nell’irrorare i gas con petrolio e altri composti organici, il

tutto e distillato per raccogliere il BTX.

3.4 Altoforno

Un altoforno e un sistema chiuso nel quale minerali e agenti riducenti sono continuamente inseriti

dall’alto attraverso un sistema di caricamento che evita la fuoriuscita dei gas.

Per quanto riguarda gli agenti riducenti sono molti i tipi usati: carbone/idrocarburi, eco-oli,

grasso animale, BF gas, BOF gas, oli pesanti ma l’elemento fondamentale rimane il carbone per la

sua capacita ossidante e componente fondamentale per il prodotto finito.

Altri componenti che entrano con il minerale sono Fosforo, Zolfo, Manganese, Silicio mentre

le sostanze che passano alla scoria (sotto forma di ossidi e leghe) sono Titanio, Alluminio, Calcio,

Magnesio oltre a componenti silicei e sulfurei. Ci sono anche componenti volatili che possono

depositarsi nel forno come Zinco e Piombo.



Alimentazione

L’alimentazione avviene con l’iniezione di polvere di carbone mista a piccole porzioni di altri

carburanti per motivi economici e operativi come:

• un minor consumo del carbone;

• aumento produttivita BF;

• aumento flessibilita nelle operazioni di alimentazione del BF;

• aumento della concentrazione di Ferro nel liquido;

• riduzione delle emissioni per combustione e movimentazione del carbone.

Alcuni svantaggi possono essere aumento della richiesta di Ossigeno e la manutenzione aggiun-

tiva del sistema di iniezione.

Altri componenti ausiliari sono le caldaie per la fornitura di aria riscaldata che hanno il compito

principale di fornire l’Ossigeno necessario. Una tipologia e la classica caldaia a combustione interna

ma ha l’inconveniente delle emissioni. Oggigiorno si usano caldaie che scaldano l’aria in entrata

tramite condotte scaldate dal gas dell’Altoforno.

Trattamento della scoria

Per il trattamento della scoria esistono tre processi:

1. Processo di granulazione della scoria(75%).

2. Processo di pellettizzazione della scoria (2%).

3. Processo di raffreddamento ad aria (23%).

Tutte e tre le opzioni producono materia prima usata nell’industria edile ma generano acido

solfidrico con la conseguente emissione di odori.

Il primo processo e quello maggiormente in uso attualmente in Europa; consiste nel trasportare

la scoria in apposite vasche e irrorarla con acqua ad alta pressione. Successivamente l’acqua e la

scoria passano in vasche di decantazione che asciuga la scoria spezzettata e filtra l’acqua.

Il processo di pellettizzazione e usato solo in pochi impianti europei e consiste in un processo

di raffreddamento ad acqua con un passaggio in centrifuga che raffredda, asciuga e divide i pezzi

in base alle loro dimensioni. Rispetto alla granulazione, il consumo di acqua e inferiore ma risulta

piu complesso. Il pellet cosı ottenuto e usato come componente per il cemento.

La terza opzione consiste nella raccolta della scoria in apposite vasche dove si raffredda e cri-

stallizza lentamente all’aria aperta; si ottiene un prodotto impiegato nell’edilizia per la creazione

delle strade.

3.4. Altoforno 35


L’Altoforno e la principale fonte di emissioni di polveri e inquinanti sotto forma di gas. Tecniche

di abbattimento si rendono percio fondamentali per ridurre le emissioni di un ciclo siderurgico

integrale.

L’uso di aspiratori nei magazzini intermedi e l’isolamento fisico del sistema di alimentazione

dell’Altoforno abbattono drasticamente le emissioni diffuse delle polveri e non presentano particolari

problematiche. Per altri componenti emessi dovuti alla combustione si usano sistemi analoghi a

quelli descritti precedente (ESP, SCR, filtri a maniche,. . . ).


Sistemi di raccolta polveri nello spillaggio

Durante lo spillamento, il liquido entra in contatto con l’ossigeno atmosferico generando fumo per

l’ossidazione del Ferro. Oltretutto altri ossidi alcalini (come Na2O o K2O) possono vaporizzare.

Generalmente, per ridurre le emissioni durante lo spillaggio basta coprire i binari con coperture

mobili e saturare l’aria con gas inerte, come Azoto, soluzione che previene anche l’ossidazione. Il

volume specifico di gas esausto che esce per tonnellata di liquido colato e di circa 1200-3300 Nm3,

con queste tecniche le quantita di polveri emesse sono circa 10 g/t e un hanno un’ efficienza di

abbattimento del 99%.

Uso di binari con rivestimento senza catrame minerale

I binari sono ricoperti di materiale refrattario, come allumina incorporata in una matrice di Car-

bonio. Il catrame minerale, infatti, serve da legante. A causa delle condizioni estreme di funzio-

namento (viscosita del liquido, alte temperature, etc..), la durata del rivestimento e fortemente

dipendente dalla qualita del legante che e fortemente affine al Ferro contenuto nella ghisa; la sua

decomposizione genera PAH e VOC. Il nuovo tipo di rivestimento senza catrame sviluppato negli

ultimi anni ha permesso di abbattere le quantita di questi componenti con un rendimento del 99%

e oltre.

Trattamento dei gas dell’Altoforno

All’uscita, i gas dell’altoforno contengono polveri, cianuro, ammoniaca e composto solforici; per

questo motivo il gas e trattato in tre stadi:

1. Pulizia preliminare grezza (polveri piu grandi).

2. Raffreddamento e pulizia delle polveri piu fini, del cianuro e dell’ammoniaca.

3. Pulizia degli ossidi e altri componenti piu piccoli.

Sistema di raccolta gas dalla tramoggia di alimentazione

L’alimentazione dell’Altoforno avviene dall’alto attraverso una tramoggia che non deve permettere

la fuoriuscita dei gas a causa dell’alta pressione interna ( circa 3 atm ). Il sistema piu usato e


pressurizzare la tramoggia con gas dell’Altoforno pretrattato o con Azoto. Quando la tramoggia ha

scaricato il suo contenuto, viene depressurizzata in modo da permetterne il caricamento successivo;

il suo contenuto puo essere espulso in atmosfera se viene usato Azoto atmosferico altrimenti e

compreso un sistema di recupero dei gas con conseguente filtraggio e reimpiego.

Trattamento e riutilizzo dell’acqua

L’acqua impiegata nella pulizia dei gas dell’Altoforno contiene solidi in sospensione (1-10 kg/t),

metalli pesanti, cianuri e fenoli con un consumo compreso tra i 0,4-8 m3/t di ghisa prodotta. Il

trattamento avviene con una prima sedimentazione in vasche contenenti agenti per la decomposi-

zione delle sostanze organiche, il pH in questa fase va continuamente monitorato e tenuto intorno

a 8-9 per favorire questa azione.

Soluzione alternativa e quella descritta al paragrafo 5.6.4.

Depolveratori a umido

Si usano dei depolveratori centrifuhi (cicloni) a umido. In inglese il termine usato e Hydrocyclo-

nage e si intende il processo a valle del filtraggio dalle polveri e della raccolta della scoria che ne

deriva; la scoria ha la caratteristica di avere alti contenuti di ossidi di Zinco in alcuni punti e bassi

contenuti in altri, il processo permette di separare la scoria povera di Zinco e riusarla nell’impianto

di sinterizzazione e inviare l’altra alle industrie di zincaggio.

Condensazione dei fumi

La presenza di Zolfo nei gas d’uscita e di trattamento e causa di forti odori. Per risolvere questo

problema si pongono dei condensatori prima dei camini e si raccoglie l’acqua che viene poi trattata

come gia descritto precedentemente. Il processo di condensazione riduce di un ordine di grandezza

la concentrazione di Zolfo nei fumi.

Iniezione di Ossigeno-Oli pesanti

Per ridurre il consumo di carbone ed emissioni di CO2 si puo integrare la combustione con oli o

idrocarburi con un arricchimento di Ossigeno intorno all’8% previo riscaldamento a 220 C. Per

motivi di stabilita del processo la quantita di oli per tonnellata di ghisa non deve superare i 65 kg.

Iniezione di gas

Una soluzione complementare alla polvere di carbone e l’uso di COG (fino a un massimo del 70%)

con oli pesanti che permette un risparmio di circa 0,98 kg di polvere di carbone per ogni chilogrammo

di COG usato. Con questa tecnica le concentrazioni di Zolfo nei BF gas sono leggermente superiori

alla media ma e fortemente dipendente dalla qualita del carbone e dal rendimento di desolforazione

dell’impianto, di contro le emissioni di CO2 subiscono un drastico calo.

3.5. Basic Oxygen Steelmaking (BOS) 37

Iniezione di plastiche

Soluzione piu rara e l’integrazione con iniezione di plastiche, per un massimo di 70 kg/t di ghisa sia

per motivi termodinamici sia per la presenza di Cloro, Piombo, Mercurio, Nichel, Cadmio, Cobalto

e Arsenico. Infatti, e di estrema importanza la classificazione delle plastiche che avviene a monte

del processo.

Iniezione di oli, grassi e sospensioni come agenti riducenti

Il punto cruciale di questo processo e la separazione dell’acqua da quest’ultimi. Per avere un’idea

della quantita d’acqua presente si puo controllare la temperatura adiabatica di fiamma: se scende

sotto un certo livello bisogna ridurre l’uso di queste sostanze e ridurne la presenza di acqua prima di

inserirli nell’Altoforno. Per motivi termodinamici la quantita di oli e grassi per tonnellata prodotta

non deve superare i 4-12 kg e per altri oli pesanti non bisogna superare i 78 kg. Il consumo di

carbone di riduce di 3-8 kg/t prodotta con conseguente riduzione di CO2 emessa.

Recupero energetico

Come detto precedentemente i BF gas possono essere reimpiegati nell’impianto se arricchiti con

altri gas con piu alto potere calorifico, es. COG. Altra possibilita di recupero e l’installazione di

turbine all’uscita dei fumi in quanto la pressione di funzionamento dell’Altoforno e di circa 3,3 atm;

ovviamente cio e possibile solo a valle dell’impianto di depurazione fumi.

3.5 Basic Oxygen Steelmaking (BOS)

Entrato in servizio nel 1952 in Austria, il Basic Oxygen Furnace viene usato per ottenere la lega

metallica prima dell’ultima colata. Attualmente, in Europa due terzi dell’acciaio prodotto avviene

con il BOF e un terzo con il Forno ad Arco Elettrico.


L’obiettivo principale del processo e ridurre il livello di Carbonio dal 4-5% al 0,01-0,4% e aggiustare

e rimuovere alcuni elementi.

Il processo puo essere schematizzato come in Figura 3.3


Figura 3.3: Sequenza del processo di BOS con indicati i punti di emissione [Adattato da: BAT, 2013]

Pretrattamento del metallo fuso

Il processo serve a ridurre il contenuto di Zolfo, Fosforo e Silicio nel metallo liquido. Il metallo viene

trasportato da un cargo-siluro nel quale avviene una desolforazione con concentrazioni specifiche

accettabili tra lo 0,001% e il 0,02%. I principali agenti sono carburo di Calcio (CaC2), calce, ossidi

di Calcio e raramente materiali che contengono carbonato di Sodio. Il carburo di Calcio e il piu

usato per motivi di minor impatto ambientale e facilita di gestione. Il carbonato di Sodio risulta

piu efficace a basse temperature ma genera una scoria altamente basica di difficile smaltimento e

con costi elevati. Il procedimento pratico consiste nel soffiare con una lancia agenti desolforanti

mescolati con idrogeno o aria secca. Lo Zolfo reagisce e sale in superficie generando la scoria che

verra successivamente rimossa.

Ossidazione nel BOF

L’ossidazione degli elementi indesiderati e un processo discontinuo che prevede l’insufflaggio di

Ossigeno e l’aggiunta di componenti per correggere il fuso e favorire l’azione positiva della scoria.

Esistono molti tipi di BOF, il piu comune e il Linz-Donawitz (LD) Converter usato per leghe

a basso contenuto di Fosforo. Altri tipi sono il processo OBM (Oxygen Bottom Maxhuette), noto

con la sigla inglese Q-BOP, e il processo Loire-Wendel-Sprunck (LWS). La differenza dal processo

LD e che l’Ossigeno e soffiato da ugelli posti alla base.

Dove previsto il convertitore LD puo iniettare dal basso gas Argon o Azoto per agitare il liquido

e permetterne l’omogeneita. In alternativa posso usare gli ugelli per iniettare dal basso Ossigeno

garantendo un moto convettivo piu intenso e le reazioni di ossidazione.


I gas prodotti durante l’insuflaggio e per la maggior parte monossido di Carbonio. Nei sistemi

aperti viene introdotta aria che ossida il monossido generando anidride carbonica. Nei sistemi

chiusi invece il forno e isolato ermeticamente riducendo la quantita di monossido generato.

Una volta estratta la scoria puo essere raffreddata lentamente all’aria aperta per poi essere

impiegata come fertilizzante e come componente per la costruzione di strade, oppure puo essere

trattata con Ossigeno e silice (SiO2) per ottenere calcestruzzo o altri componenti per strutture

idrauliche e infrastrutturali.

Metallurgia Secondaria

Dopo lo spillaggio dal convertitore LD il liquido subisce una serie di operazioni metallurgiche per

ottenere la qualita voluta.

Figura 3.4: Esempi di forni e processi per la Metallurgia Secondaria. Note: (1) Vacuum Arc Degassing, (2) Magnetic

Stirring, (3) ElectroMagnetic BReak [Adattato da: BAT, 2013]


Un importante processo di metallurgia secondaria e il trattamento a vuoto (50 Pa) per rimuovere

l’Azoto, l’Ossigeno e l’Idrogeno o le concentrazioni residue di Carbone dal metallo.

Colaggio

Una volta che il metallo raggiunge le caratteristiche volute viene mandato all’ultima colata che puo

essere in macchina a colata continua,in macchine per prodotti sottili o in lingotti.

I vantaggi della macchina a colata continua sono il risparmio energetico e l’alto rendimento

produttivo.

La produzione di laminati deve soddisfare delle condizioni piu stringenti rispetto alla semplice

colata di blumi in quanto la qualita dell’acciaio deve permettere forti riduzioni di spessori (anche

fino a 5 mm) e questo si traduce in un consumo energetico piu alto.

Oggigiorno, solo il 10% dell’acciaio prodotto nel mondo e colato in lingotti, principalmente per

motivi di comportamento della lega in forgiatura.

Gestione delle acque

L’acqua e usata per la pulizia delle polveri dagli impianti di raccolta e dal sistema di desolforazione,

oltre che nel sistema di raffreddamento come nella colata continua. L’acqua proveniente dalla pulizia

fumi viene prima filtrata per raccogliere le polveri piu grosse per poi essere arricchito di agenti per

aumentare la sedimentazione; alternativa agli agenti chimici e la flocculazione elettrica che permette

di eliminare le polveri piu piccole ( sotto i 200µm) decelerate da campi elettrici.


Durante le fasi di pretrattamento del metallo liquido le emissioni di polveri sono intorno ai 1000

g/t di metallo colato; la raccolta delle polveri puo avvenire con i classici sistemi di raccolta fumi

posti sopra ai punti critici (caricamento e spillaggio) per convogliarli a ESP e filtri a maniche.

Le concentrazioni medie di SOx, nel 2006, furono sotto i 100 mg/Nm3 ma con singoli valori

sopra i 340 mg/Nm3. Il recupero energetico di questi gas, caratterizzati da un alto potere calorifico,

avviene dirottando i fumi in impianti a vapore. La combustione puo avvenire con l’uso di sistemi

aperti, nei quali viene aggiunta aria ai gas, o con sistemi chiusi che limitano l’ossidazione di CO

e necessitano di un sistema di recupero a valle ma hanno flussi piu veloci che riducono i tempi di

processo.

Le emissioni diffuse sono particolarmente rilevanti nel BOF e il metodo migliore per limitarle e

isolare direttamente la fonte. Mediamente queste emissioni diffuse di polveri sono ben al di sotto

del limite consentito dalla Direttiva se l’impianto funziona correttamente.


Rimozione polveri

Durante il processo di ossidazione si generano gas che trasportano grandi quantita di polveri,

raccolte dall’impianto di aspirazione. A causa del notevole flusso di gas raccolto (2000-3000 Nm3/h)

il sistema di filtraggio e depurazione e caratterizzato da una serie di ESP a secco e a umido, che


a sua volta necessita di un sistema di pulizia dell’acqua. Le polveri raccolte dai filtri vengono

rimandate all’impianto di sinterizzazione. Il costo dell’impianto per una produzione di 1 Mt/anno

di acciaio liquido oscilla tra i 24 e i 40 Milioni di euro con un costo di mantenimento medio di 3

euro/t di acciaio liquido.

Nell’impianto di raccolta secondaria la quantita di emissioni e stimata tra le 2-200 g/t di acciaio

liquido con un rendimento di raccolta tra il 93-99,6%.

Il trasferimento del metallo liquido dal carro-siluro al forno deve avvenire in un sistema isola-

to con impianto di monitoraggio on-line dei fumi, permettendo il controllo e la limitazione delle

emissioni.

Il sistema di raccolta fumi durante il processo di carico e scarico del BOF deve essere dimen-

sionato in base alla taglia del forno in quanto il flusso di gas sono tra i 300000-3441000 Nm3/h e

comprende filtri a maniche, ESP a secco o a umido posti in serie.

Il costo medio per un impianto da 5 Mt/anno oscilla tra i 10 e i 30 Milioni di euro con un costo

d’esercizio tra i 0,8-4 euro/t di metallo liquido.

Per prevenire le emissioni diffuse si possono usare cappe aspiranti piu piccole collegate alla

raccolta fumi principale, isolamento completo del sistema di desolforazione, controllo continuativo

delle emissioni dalla sommita dell’impianto.

Trattamento delle acque esauste

L’acqua usata negli impianti di depurazione necessita di una correzione del pH prima di depurarla.

I metodi piu usati per minimizzare lo scarico di acqua esausta sono due:

1. Uso piu processi di sedimentazione con iniezione di biossido di Carbonio per aumentare la

sedimentazione di carbonati. Il metodo e possibile sono per sistemi chiusi.

2. Processo di bleeding. Per una pulizia dell’acqua efficiente e necessario permettere l’accumulo

di alcuni elementi, come Zinco e Piombo, sedimentandoli.

Nella colata continua l’acqua e filtrata da vasche di sedimentazione con sabbia per poi essere

reinserita.

Recupero energetico

Il gas proveniente dal BOF ha una temperatura di 1200 C con una quantita di 50-100 Nm3/t di

acciaio liquido ed e composto per circa il 70% da CO con un valore energetico di 8,8 MJ/Nm3.

Generalmente sono usati due metodi per il recupero del gas:

1. Combustione del gas in un impianto a vapore. Il ciclo di produzione dell’acciaio dura media-

mente 40 minuti e il vapore ottenuto dal gas genera energia per circa 15 minuti; per questo

motivo il sistema e di tipo discontinuo.

2. Soppressione del gas e raccolta per usi successivi. Questo metodo e usato per ridurre il

flusso e quindi il costo dell’impianto di rimozione polveri, e per rendere continuativo l’uso

dell’impianto a vapore con un rilascio controllato dei fumi.


In un impianto di recupero da 80000 m3 e un riutilizzo dell’80% del gas ha permesso di rientrare

nei costi di investimento dopo 5 anni, tenendo conto anche che dei risparmi derivanti dalla mancata

emissione di CO.

Analisi on-line e Automazione processi

Le tecnologie odierne permettono di analizzare la qualita dell’acciaio nel BOF senza effettuare cam-

pionamenti che causavano emissioni diffuse di gas e obbligava l’operatore a sospendere l’insufflaggio

di Ossigeno.

L’automazione del processo aiuta a rendere il processo piu sicuro ed evita possibili emissioni

accidentali dovuti a errori umani. Lo schema proposto rappresenta la pratica quotidiana di uno

spillaggio automatizzato controllato a distanza.

Figura 3.5: Schema di un sistema di spillaggio automatizzato [Adattato da: BAT, 2013]

3.6. Forno ad Arco Elettrico 43

3.6 Forno ad Arco Elettrico

La fusione di materie prime che contengono Ferro, come il rottame, avviene normalmente nel Forno

ad Arco Elettrico (spesso si usa l’acronimo inglese EAF2 ) che ricopre un ruolo di primo piano in

EU-27: il 41,8% dell’acciaio e prodotto da questo forno, del quale il 61% e prodotto in Italia.

3.6.1 Tecniche applicate e processi

Gestione materie prime

Il rottame e stoccato in un parco coperto, suddiviso in determinate categorie per minimizzare le

inclusioni non metalliche. In base al rottame movimentato possono diffondersi polveri metalliche e

non.

Prima della carica nel EAF, il rottame e preriscaldato anche fino a 800 C con i gas, per motivi

di recupero energetico; i metodi usati sono noti come SHAFT e CONSTEEL che consistono in un

preriscaldamento ad alte temperature del rottame e nell’alimentazione continua del forno; questi

metodi possono essere combinati tra loro.

Figura 3.6: Schema del processo CONSTEEL per il preriscaldamento del rottame [Adattato da: BAT, 2013]

Processo di fusione

Durante la carica iniziale gli elettrodi sono tenuti a bassa potenza, per prevenire possibili danni

dovuti a radiazioni, per poi essere avvicinati al rottame inserito nel forno; quando la distanza tra

2Electric Arc Furnace


elettrodo e rottame raggiunge i 200-300 mm scatta l’arco elettrico e il rottame fonde per effetto

Joule.

Altro apporto energetico e fornito da lance a Ossigeno per favorire la creazione della scoria e

l’ossidazione di elementi non desiderati.

Gestione della scoria e colaggio

La scoria viene portata a raffreddare, anche usando acqua, all’esterno e viene macinata usando

scavatori e altre macchine di movimento terra. Qualche volta viene mescolata ad altre scorie

provenienti da altri processi per omogeneizzare la composizione e vengono inseriti additivi (come

allumina e silice) per ottenere componenti per l’edilizia.

Trattamento acque

L’acqua e usata: per raffreddare il forno, la colata continua o in lingotti, per il raffreddamento

rapido delle scorie e dei fumi, per i sistemi di filtraggio a umido.

La richiesta d’acqua per un EAF da 70 t/h e di circa 1000 m3/h ma, essendo il sistema isolato,

non presenta particolari problematiche ambientali. Nei sistemi di filtraggio, invece, la scoria e

presente in quantita variabile in funzione del tipo di metallo prodotto, per ogni tonnellata colata

si possono trovare da i 100 ai 160 kg di scoria.

L’acqua da trattare proveniente da questo processo viene raccolta con l’acqua proveniente da

altri impianti per poi essere trattata in apposite vasche e depuratori posti nelle prossimita.


Il 90% delle emissioni primarie che avvengono in un EAF sono raccolte dalla cappa aspirante e

dall’aspiratore collegato direttamente sul coperchio, vicino agli elettrodi.

La cappa puo essere posta sopraelevata rispetto al forno (anche integrata con il tetto dell’edificio)

per raccogliere le emissioni diffuse (o secondarie) oppure contenere lo stesso EAF in una doghouse

che isola il forno dal resto dell’impianto.


Figura 3.7: Tre esempi alternativi per la raccolta di emissioni diffuse per un EAF [Adattato da: BAT, 2013]

Le emissioni generate dal processo di fusione contengono:

1. Polveri. Tra i 10-30 kg di di polveri per tonnellata di acciaio non legato e tra i 10-18 kg per

tonnellata per acciai legati.

2. Metalli pesanti. Lo Zinco e il metallo con piu alta concentrazione in quanto evapora facil-

mente e non e facile separarlo dagli altri componenti in fase liquida. Altri metalli con alti

valori possono essere Cromo e Nickel nel caso di acciaio inossidabile, fattore da tenere in con-

siderazione per la cancerogenicita del Cromo. Le concentrazioni di Mercurio variano in base

alla quantita di componenti elettronici inseriti come rottame. In EU-27 le emissioni medie di

Mercurio sono di 170 mg/t di acciaio liquido, il metodo migliore per abbassare le emissioni e

selezionare accuratamente a monte il rottame.

3. Ossidi di Zolfo e Azoto. SO2 ed NOx dipendono fortemente dalla qualita del carbone e dai

carburanti inseriti e non necessitano di considerazioni particolari.

4. VOC. Nel caso venga utilizzata Antracite bisogna trattarla per la possibile presenza di BTX

prima di bruciarla.

5. PAH. Le concentrazioni di PAH possono essere elevate (fino a 970 mg/t di acciaio liquido) e

dipendono dalle quantita immesse ma anche da quelle che si generano nel processo di fusione.

6. POPs3. Fanno parte i PCDD/F e i PCB.

• I policlorobifenili (PCB) sono una serie di composti aromatici biciclici costituiti da mo-

lecole di bifenile clorurate ricavati dal petrolio.In base alla posizione degli atomi di cloro

nella molecola del bifenile si possono ottenere 209 congeneri, di cui solo 12 presenta-

no caratteristiche paragonabili alle diossine e ai furani, vengono indicati come PCB

dioxin-like.

3Persistent Organic Pollutants


Negli ultimi anni la raccolta dei dati sulle emissioni ha permesso di evidenziare una

correlazione tra PCB e PCDD/F in quanto le concentrazioni di diossine sono sempre

16,5 volte maggiori dei PCB. Questo risultato ne determinerebbe la marginalita della

presenza di PCB in quanto se si riesce ad abbattere le concentrazioni di diossine si

abbassano anche quelle di PCB.

• I policlorodibenzo-p-diossine/furani (PCDD/F) si generano a basse temperature (250-

500 C) per la presenza di oli, plastiche e altre sostanze organiche. La fase critica nel EAF

si presenta nel preriscaldamento dell’acciaio e nella carica in quanto le temperature sono

inizialmente basse e possono generare diossine. I dati raccolti permettono di notare una

variazione del rendimento di abbattimento delle diossine in funzione della temperatura;

finche il sistema di filtraggio e sotto i 75 C le concentrazioni sono sotto 1 ng I-TEQ/Nm3,

se la temperatura sale le concentrazioni salgono. Questo fenomeno e giustificato dal fatto

che la decelerazione delle diossine a bassa temperatura permette alle polveri (come la

Grafite) di catturare le molecole di PCDD/F che vengono poi asportate dai filtri.

Se la scoria viene raccolta e depositata nel recipiente per scorie, dove viene fatta raffreddare,

puo generare fumi alcalini che vanno a depositarsi nei terreni circostanti alterandone il grado di

acidita. La sua successiva frantumazione e raccolta porta a altre emissioni diffuse di polveri.


Ottimizzazione dei processi

Il processo di ottimizzazione della fusione con EAF ha come obiettivo l’aumento di produttivita

con una conseguente diminuzione di energia. Le misure piu importanti da adottare sono:

1. operazioni Ultra High Power (UHP). Per ridurre il tap to tap time si costruiscono trasfor-

matori di energia elettrica piu potenti con rendimenti superiori al 70% e per un periodo

prolungato. Questo permette una piu alta produttivita, una riduzione del consumo degli

elettrodi e riduzione del volume di gas generato ma aumento l’usura del rivestimento interno.

2. Raffreddamento ad acqua del forno. Per ridurre l’usura del forno e recuperare l’energia

termica dispersa da esso, serve un sistema di raffreddamento diviso in due categorie: ad

acqua calda e ad acqua fredda. Il sistema ad acqua calda consiste nell’asportare calore e

raccogliere poi il vapore, il sistema ad acqua fredda asporta calore mantenendo l’acqua allo

stato liquido.

3. Iniezione di Ossigeno e carburante. Favoriscono le reazioni esotermiche e omogenizzano il

fuso, apportano calore al fuso aumentando la produttivita.

4. Sistema di spillaggio dal fondo. A oggi non tutte le fornaci hanno questo sistema ma spillano

inclinando su un lato, portando con il metallo fuso anche scoria ossidata.

5. Generare scoria schiumosa. Aumenta la conduzione termica al metallo liquido, isola il ma-

teriale refrattario che protegge il forno, aumenta la stabilita dell’arco elettrico che riduce il

consumo energetico e il rumore.


6. Aumento dell’efficienza energetica. Il processo di fusione con EAF ha un alto consumo spe-

cifico di energia elettrica, in un EAF da 100 MW DC il consumo specifico misurato e di 360

kWh/t. Uno studio ha dimostrato che con una alimentazione AC la produttivita cresceva del

7%.4

Preriscaldamento del rottame

Un’opzione di utilizzo del calore del gas raccolto e il preriscaldamento del rottame (fino a 1000 C

per il sistema ad alimentazione discontinua e fino a 400 C per il sistema ad alimentazione continua)

che riduce il consumo energetico fino a 100 kWh/t di metallo liquido.

Altro vantaggio del preriscaldamento e la possibilita di raccogliere gli inquinanti, come PCB e

PCDD/F, prima di inserire il rottame nel forno con notevole efficienza ambientale.

Abbattimento dei PCDD/F

L’abbattimento di PCDD/F puo essere piu efficiente con l’uso di grafite o carbon coke in polvere

che si lega ai composti organici facendoli depositare e permettendone cosı la rimozione; in aggiunta

a questo si mette un filtro a maniche con carboni attivi permettendo rendimenti sopra il 99,8% in

alcuni casi.

Altro metodo da abbinare per limitare le emissioni di PCDD/F e l’uso di post-combustori e

sistemi di raffreddamento rapido dei fumi generati. Questo metodo causa un consumo energetico

non recuperabile di circa 30 kWh/t.

4ArcelorMittal, Esch-Belval, Luxembourg

4Metodi alternativi e tecniche emergenti

per la produzione di acciaio

Questo capitolo presentera soluzioni alternative al BF come la produzione di Direct Reduced Iron

(DRI) e la Smelting Reduction (SR) oltre a alcune tecniche emergenti non ancora applicabili a

livello industriale per gli impianti descritti sino ad ora.

Particolare attenzione e stata data all’impianto dell’Altoforno in quanto comporta cicli produt-

tivi altamente impattanti a livello ambientale.

Le alternative piu valide prendono in considerazione la sostituzione degli impianti che forni-

scono la materia prima al BF tradizionale oltre alla sostituzione dello stesso; questo si traduce,

dal punto di vista ambientale, con la riduzione del numero di fonti delle emissioni e una conse-

guente semplificazione di gestione e una possibile riduzione dell’impatto che hanno sull’ambiente e

sull’uomo.

50 4. Metodi alternativi e tecniche emergenti per la produzione di acciaio

Gli aspetti principali che spingono ad una soluzione alternativa al BF sono: ambientali, econo-

mici, la relativa mancanza di flessibilita del BF e la crescente competizione della produzione basata

su DRI-EAF.

Figura 4.1: Passato, presente e possibile futuro del steelmaking [Adattato da: BAT, 2013]

4.1 Riduzione Diretta

La riduzione diretta comprende l’uso di gas naturale e il minerale di ferro che generano il DRI, usato

come materia prima nel EAF. Il prodotto ottenuto ha un alto contenuto di ganga ( circa 27%),

molto costosa da eliminare dal punto di vista energetico e puo dare fenomeni di autocombustione

dovuta a ossidazione. Per facilitarne lo stoccaggio e la movimentazione viene compattata in in

mattoni (HBI).

Il processo di riduzione diretta puo essere classificato in base al reattore usato, chiamato:

• forno a tino ( OxyCup, HyL);

• forni rotativi ( processo SL/RN);

• forni a suola rotante ( Fastmet/Fastmelt, Inmetco/RedIron, and ITmk3);

• reattori a letto fluido (Circofer).

4.2. Riduzione per fusione 51

La maggior parte di questi usa gas naturale come carburante e come agente riducente ma alcuni

usano una certa percentuale di carbone in aggiunta al gas.

Una alternativa al DRI e il carburo di Ferro (Fe3C). Si ottiene per riduzione diretta del minerale,

il prodotto finito e composto per oltre il 90% in massa da Fe3C e per circa il 6% da Carbonio che

abbassa il fabbisogno energetico per i processi a valle per il fenomeno di ossidazione.

Il costo di produzione e piu alto della produzione tradizione con BF, questo rende il DRI

conveniente solo nei casi di:

• scarsa quantita di Ferro o qualita del rottame;

• difficolta di reperimento del rottame o costi di fornitura elevati;

• necessita di aumento della produttivita di un BF.

Dal punto di vista dell’impatto ambientale la riduzione diretta usa gas naturale o carbone

come carburante. Oltretutto non necessita dell’impianto di produzione del carbon coke, riducendo

notevolmente le emissioni e l’impatto del processo stesso e molto limitato: ci sono emissioni ridotte

di polveri, l’uso d’acqua e ridotto ed e riutilizzabile. Essendo basato sulla combustione del metano

le concentrazioni di CO2 sono minori del BF.

4.2 Riduzione per fusione

La Smelting Reduction consiste in nella produzione di metallo senza il carbone usando due com-

ponenti: prima, il minerale di ferro e ridotto con il gas generato a monte dal forno di fusione,

alimentato a metano e ossigeno, poi viene fuso dal forno.

Processi Corex and Finex

Il processo Corex e a due stadi: il primo riduce il minerale in spugne di ferro con un forno a tino,

nel secondo e fuso nel forno fusorio. I gas riducenti (CO and H2) sono forniti dalla gassificazione

del carbone usando Ossigeno,il calore generato riduce il minerale.

Siccome e composto da due fasi il processo e flessibile sia nella produzione sia nei materiali

utilizzati. Il processo stesso e progettato per lavorare ad alta pressione, circa 5 bar; per questo

motivo il sistema di carico e il sistema di scarico e isolato e necessita di particolare attenzione.

La differenza principale tra il processo Corex e il Finex e che quest’ultimo puo usare direttamente

il minerale in polvere ed e composto da quattro stadi e, dopo la riduzione, il minerale e compattato

prima di essere caricato nel forno fusorio.

Le emissioni per processo Corex non contengono sottoprodotti come BTX, PAH e lo Zolfo

caricato con il minerale e raccolta nel forno fusorio da additivi,la quantita di Zolfo rilevata nei

gas e nell’acqua e di circa 2-3% di quello totale immesso (contro il 20-30% che si ottiene con il

tradizionale BF).

Non sono stati rilevate quantita significative di NOx e Cianuro e le concentrazioni di polvere

esportata con il gas e meno di 5 mg/Nm3 usando sistemi di filtraggio come cicloni o filtri a maniche.


Processi in via di sviluppo

Questi processi sono ancora poco usati o sono in via di sviluppo:

HIsmelt

In questo processo, minerali, carbone e additivi sono iniettati nel fuso con otto lance delle quali

meta servono per iniettare carbone e calce mentre le altre iniettano minerale e dolomia(5%) a

600-700 C. Il forno lavora a 1200- 1250 C con il 35% dell’Ossigeno iniettato dalla lancia centrale.

L’avviamento necessita della presenza di metallo liquido gia presente nel forno. Lo spillaggio avviene

di continuo mentre la scoria e estratta ogni 2-3 ore da un foro apposito.

Il processo di SR con HIsmelt ha un contenuto di Silicone minore dello 0,01% e un contenuto

di solfuri minori di 0,02% riferiti alla massa del metallo liquido.

Comparato con il processo tradizionale il risparmio di carburante e di circa il 10%. Oltre a

questo gli impianti di per il trattamento del minerale e del carbone non sono piu necessari ma

necessita dell’Altoforno a valle.

Direct Iron Ore Smelting (DIOS)

Il processo e composto in tre sottoprocessi distinti: una fornace a letto fluido per ridurre il

minerale, una fornace per mescolare la polvere di carbone con il gas e una fornace per fondere il

minerale di ferro.

L’Ossigeno iniettato in quest’ultima fase genera CO, usato per una prima riduzione del minerale

nella fase precedente.

Come per il precedente, gli impianti per il trattamento del minerale e del carburante non sono

piu necessari con conseguente minor impatto ambientale.

AISI-DOE/CCF

Il progetto AISI-DOE e il progetto Cyclone Converter Furnace (CCF) sono partiti come progetti

separati: il primo da diverse aziende Americane e Canadesi con il supporto dell’American Iron and

Steel Institute mentre il secondo da due aziende europee ( IJmuiden e Ilva).

La parte piu importante del progetto AISI-DOE comprende un forno fusorio a bagno verticale

mentre il CCF ha come obiettivo lo sviluppo di un reattore a ciclone nel quale il minerale e

parzialmente ridotto e fuso per poi cadere nella parte bassa dove completa la riduzione. Il fatto

che tutto il processo di riduzione avvenga in un solo componente, rende il CCF differente da tutti

gli altri tipi di impianti per il SR.

Nel 1995 ci si rese conto che i due progetti potevano essere combinati e venne creato un impianto

pilota.

L’impatto ambientale ne risente positivamente in quanto non sono necessari impianti per il

trattamento delle materie prime e l’energia specifica consumata e minore.

4.3. Tecniche emergenti generali 53

ROMELT

Il processo ROMELT e simile agli altri processi di fusione a bagno e non usa un preriduttore

ma minerale o ossidi di scarto, cosa che rende il consumo specifico di carbone piu alto rispetto agli

altri processi.

Come i suoi simili, non necessita di impianto per il trattamento del minerale e del carburante. Le

emissioni e i consumi sono significativamente minori di quelle presentate negli impianti tradizionali.

Processo PLASMAMELT

Nel processo di fusione PLASMAMELT, le reazione avvengono in un forno a tino riempito di

carbone con ugelli posti simmetricamente nella parte inferiore della fornace. Di fronte a ogni ugello

si forma una cavita dove avviene la riduzione e la fusione.

A intervalli regolari il liquido viene spillato dal fondo e i gas generati vengono raccolti per essere

usati come combustibile. Nel caso il carbone contenga Zinco e Piombo, questi passano al gas che

viene poi trattato per permetterne la raccolta.

Processo AUSMELT

Il processo AUSMELT e stato sviluppato dall’azienda Ausmelt Ltd, Australia. Il minerale

continuamente inserito con convertitore con carbone e additivi. Carbone in polvere, Ossigeno e aria

sono iniettati per ottenere la combustione. Tutte le reazioni avvengono cosı in un solo reattore.

4.3 Tecniche emergenti generali

Progetto ULCOS

Il progetto ULCOS (Ultra-low Carbon Dioxine (CO2) Steelmaking) e nato grazie a 48 aziende e

organizzazioni europee provenienti da 15 paesi. L’attivita contrale del progetto e la ricerca di

tecnologie che aiutino la drastica riduzione delle emissioni di CO2 per oltre il 50% entro il 2015.

Tre sono le strategie seguite:

1. Raccogliere e lavorare la CO2.

2. Usare energia elettrica e agenti riducenti senza Carbonio come l’Idrogeno.

3. uso di biomasse sostenibili

Cattura e Deposito della CO2

Una opzione per ridurre le emissioni di CO2 e il Carbon Capture and Storage (CCS), gia utilizzata

a livello industriale per mitigare il contributo delle emissioni nell’atmosfera.

Il processo CCS consiste nel catturare la CO2 emessa, separandola dagli altri gas, comprimerla

fino allo stato liquido e poi portarla al deposito dove verra iniettata nel sottosuolo.

Il processo viene applicato principalmente dalle industrie petrolifere che inseriscono la CO2

generata dai processi di raffinazione degli idrocarburi. Molto piu problematica e l’applicabilita del

processo alle altre sostanze inquinanti (NOx, SOx, ecc...) che presentano problemi tecnologici come

l’alto consumo di solventi. Oltretutto, la richiesta energetica per la cattura del gas rimane alta.


In accordo all’International Energy Agency (IEA) e i risultati ottenuti dagli impianti pilota

degli Altoforni di nuova concezione, il rendimento di riduzione delle emissioni e sopra il 75%. Le

restanti fonti di emissioni come il BOF, la cokeria e l’impianto di sinterizzazione possono essere

limitate a costi considerevolmente piu alti.

Soppressione della formazione di PCDD/F con l’aggiunta di Azoto

Supponendo che una considerevole parte di PCDD/F si forma a valle della linea di sinterizzazione,

composti azotati come la trietanolammina o monoetanolammina vengono sciolti in acqua e iniettati

controcorrente rispetto al flusso di gas per inibire la formazione di diossine

Nei fumi di sinterizzazione all’impianto dell’ArcelorMittal in Belgio, le polveri e le emissioni di

microinquinanti aumentarono dopo l’aggiunta di monoetanolammina. L’evento puo essere spiegato

dal fatto che si formarono sali di ammonio, le polveri si inumidirono attaccandosi ai filtri ESP e

sotto i 150 C la reattivita della monoetanolammina era bassa.

L’efficacia della monoetanolammina non e mai stata accertata con rigore in quanto gli unici ten-

tativi fatti al Centre de Recherches Metallurgiques (CRM) dell’ArcelorMittal in Belgio comprendono

un periodo ristretto e l’abbassamento di microinquinanti avvenne solo per poche ore

4.3.1 Tecniche emergenti per la cokeria

Super coke oven

Un esempio e il progetto giapponese SCOPE 21, acronimo di Super Coke Oven for Productivity

and Environment entro il ventunesimo secolo.

Lanciato dal Japan Iron and Steel Federation (JISF) negli anni novanta per sviluppare una

nuova generazione di Super coke oven e stato terminato nel 2003 per poi assegnarlo nel 2008 alla

Nippon Steel Corporation. L’impianto ha una capacita di 1 Mt all’anno di carbone cotto a una

temperatura di 1270 C per 13 ore.

Il carbone viene preriscaldato a 350-400 C con la possibilita di una parziale pellettizzazione; il

trasporto e il carico avviene in un sistema isolato, senza emissioni; il processo di cottura avviene

in un forno con mattoni silicei super-densi caratterizzati da alta conduttivita termica e dotata di

porte chiuse ermeticamente. Il tempo totale di cottura e di circa 8 ore con una temperatura finale

di 850 C e prima della macinazione e portata a 1000 C per poi essere raffreddata e trasportata.

I vantaggi ottenuti sono stati:

• produttivita migliorata di 2,4 volte comparato agli impianti tradizionali;

• miglior qualita del carbone;

• diminuzione del tasso di incrostazioni del carbone del 50%;

• riduzione delle emissioni di NOx del 30%;

• prevenzione di polvere e fumi.


Tecnica SOPRECO

Negli impianti convenzionali il controllo del flusso di gas e dato da una valvola a regolazione variabile

chiamata PROven.

La tecnica SOPRECO, Single Oven Pressure Control e basata sulla modifica di questa valvola,

ottimizzato dall’esperienza e dalla simulazione CFD1. Il sistema e basasto su una speciale valvola

guidata da un attuatore idraulico o pneumatico e controllata dalla pressione nel condotto di manda-

ta. Un sistema di controllo continuo della pressione permette di prevenire ondate di sovrapressione

e mantenere una pressione relativa negativa cosı da evitare l’uscita di polveri all’apertura del forno

durante il caricamento. Oltre a questo la valvola previene la possibilita di infiltrazioni d’aria nel

processo a valle poiche comprometterebbe la qualita del carbone.

La seconda generazione del sistema SOPRECO e chiamata Modello 2 ed e stata sviluppata per

conformarsi alle esigenze. Questa valvola e aggiunta alla valvola di raccolta principale e controlla la

regolazione della pressione nel caso la prima sia aperta o chiusa. Questo permette un’alta precisione

nella regolazione delle pressioni.

La valvola puo essere installata negli impianti vecchi senza particolare difficolta e si puo disat-

tivare in base alle necessita.

Utilizzo alternativo del COG

Le opzioni prese in considerazione per un uso alternativo del COG si concentrano sul recupero del-

l’Idrogeno, sulla sintesi del metanolo, sulla generazione di energia elettrica e sull’uso come riducente

nel processo del BF o del DR.

Per l’utilizzo energetico del COG, una alternative e di bruciare o ossidare parzialmente il gas

a 800 C. Questa alternativa non ha raggiunto una applicabilita industriale a causa di un limite

tecnologico: non esiste ancora un sistema che controlli la pressione a cosı alte temperature.

4.3.2 Tecniche emergenti per l’Altoforno

Recupero del calore dalla scoria

L’Altoforno genera 250-300 kg di scoria per tonnellata di ghisa prodotta ad una temperatura di

1450 C e non esiste componente commerciale che possa recuperare l’energia (stimata in 0,35 GJ/t)

per motivi tecnici, di sicurezza ed efficienza anche se questo non intaccherebbe la qualita della

scoria.

4.3.3 Tecniche emergenti per il BOF

Aumento della stabilita della scoria per altri usi

L’uso della scoria proveniente dal BOF in ambito edilizio e limitato al contenuto di calce che

influenza la stabilita del volume.

1Computational Fluid Dynamics


Una soluzione recente propone di iniettare Ossigeno e sabbia (SiO2) appena dopo il colaggio.

Facendo questo, la calce entra in una fase stabile ma l’impatto ambientale del processo puo essere

migliorato.

I limiti tecnici del processo sono stati superati ma e difficoltoso da controllare in quanto la

viscosita crea problemi alle reattivita e alla omogeneita. Se si riuscisse a migliorarne la stabilita

la richiesta della scoria per uso edilizio/infrastrutturale sarebbe soddisfatta e non sarebbe piu

necessario avere prodotti alternativi ad essa. Il risparmio ottenuto dalla riduzione del volume

sarebbe doppio: miglior capacita di carico e migliori proprieta termiche.

Aumento della capacita di filtraggio polveri

Gli impianti di filtraggio dei BOF normalmente hanno un depolveratore a umido con un capacita

di 30-50 mg/Nm3. La capacita puo essere migliorata installando un piccolo ESP a umido a valle

del depolveratore. Il sistema combinato e detto Hydro Hybrid Filter.

Il primo componente elimina la polvere piu grossa e raffredda il gas per tenere alto il rendimento

dell’ESP a valle con emissioni finali sotto i 10 mg/Nm3.

Cappe aspiranti per il filtraggio secondario

Le emissioni di polveri causate dal colaggio o dal caricamento sono difficili da catturare in quanto

il forno e inclinato lateralmente e la cappa non riesce ad aspirare i fumi che si diffondono nell’area.

Per questo motivo la cappa aspirante dovrebbe avere una certa distanza dalla fonte di emissioni.

Una nuova cappa aspirante per le emissioni diffuse e la hurricane hood che genera una depres-

sione attorno all’asse cosı da muovere l’aria vicina e raccogliere le emissioni diffuse.

4.3.4 Tecniche emergenti per l’EAF

Contiarc furnace

Il Contiarc furnace e una fornace ad arco a corrente continua con un tino ad anello fatto da un

recipiente interno ed esterno e caricato dall’alto in maniera continua. Il forno puo ricevere rottame,

DRI, HBI e combinarlo con carbone e additivi per produrre acciaio con un contenuto di Carbonio

sotto il 3,5% e Silicio sotto il 2,5%.

L’inserimento di materiale e regolato da un sistema computerizzato che mantiene il rottame

all’imbocco del forno prima di versalo. Questo permette un preriscaldamento del rottame dovuto

ai fumi.

La fusione e il mescolamento del metallo liquido e basato sul funzionamento dell’elettrodo

centrale (in grafite) immerso nel recipiente piu interno; negli EAF tradizionali, gli elettrodi sono

alzati per versare il rottame mentre nel Contiarc Furnace l’elettrodo rimane protetto dal recipiente

piu interno

L’isolamento completo del liquido e l’eliminazione della spillaggio intermedio tra EAF e BOF

permette di ridurre i tempi e le emissioni in questa fase, oltretutto, rimanendo isolato, l’acciaio che

si ossida e molto minore.


Figura 4.2: Sezione di un forno combinato EAF-BOF a corrente continua [Fonte: patents.google.com]

Filtro a maniche intermetallico per minimizzare le emissioni

Un filtro a maniche intermetallico con un resistenza alle alte temperature combina filtraggio e azione

catalitica, garantendo un drastico abbassamento delle emissioni finali di polveri, metalli pesanti e

PCDD/F. In un impianto pilota e stata registrata un’efficienza della riduzione del 99,9% per le

polveri, del 95% per i PCDD/F e del 95-100% per i metalli pesanti (eccetto per il mercurio in fase

gassosa).

Inoltre, e possibile risparmiare energia per il moderato raffreddamento dei gas di scarico dopo

questo processo.

Conclusioni

Le conclusioni sui BAT sono stato stabilite attraverso un processo iterativo che prevede i seguenti

passi:

1. identificazione del punti critici nei processi seguendo principalmente due voci: emissioni in

aria e consumo energetico

2. Analisi delle tecniche piu rilevanti

3. identificazione delle tecniche piu performanti, sulla base di dati disponibili

4. analisi delle condizioni sotto le quali si ottengono le alte prestazioni

5. selezione delle BAT con le emissioni associate

La criticita e gli interventi piu incisivi per l’abbattimento delle polveri (soprattutto PM10) si

riscontrano a monte dell’intera filiera; infatti, le principali fonti di emissione delle polveri sono depo-

siti, nastri trasportatori, macine e l’Altoforno per quanto riguarda gli impianti e la movimentazione,

carico e scarico del materiale per quanto riguarda i processi.

Le principali azioni adottate sono:

1. di ostacolamento fisico alle emissioni diffuse (depositi chiusi, nastri trasportatori isolati e

ambienti in depressione per evitare la fuoriuscita delle polveri).

2. di raccolta e depurazione dell’aria nelle connessioni tra un processo e il suo successivo ( cappe

aspiranti con filtri a maniche e/o ESP sopra i punti di carico/scarico).

Le emissioni di inquinanti e microinquinanti sono invece causate dai processi di trasformazione

della materia prima in input. Le principali fonti inquinanti sono dunque il BF, il BOF, l’EAF e

tutta la metallurgia secondaria.

Le best practices individuate si concentrano anch’esse a monte dei processi in quanto l’attivita

di sorting delle materie prime e l’approccio per processi (applicazione di un EMS, ad esempio)

permette non solo di individuare la fonte di un problema ma anche eliminarlo prima che esso

avvenga.

Oltre a questo, le nuove tecniche di riduzione del Ferro (SR e DRI) dimostrano notevoli van-

taggi rispetto al tradizionale processo sia dal punto di vista ambientale-energetico che economico-

gestionale.

L’abbattimento e la raccolta dei microinquinanti puo essere effettuata in modo efficiente a

fronte di un alto investimento monetario da parte dell’azienda. Nel documento, purtroppo, non

viene approfondita la questione del difficile (e costoso) smaltimento delle sostanze raccolte.

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