Università degli Studi di PerugiaFacoltà di Ingegneria

Inquinamento atmosferico: definizioni, inquinanti primari

Corso di Impatto AmbientaleModulo A: Pianificazione Energetica

Ing. Giorgio Baldinelli

a.a. 2011-12

L’inquinamento atmosferico

Definizione (DPR 203/88):

Costituisce inquinamento atmosferico ogni modificazione della normale composizione o stato fisico dell’aria atmosferica, dovuta alla presenza di una o più sostanze, in quantità e con caratteristiche tali da:

alterare le normali condizioni ambientali e di salubrità dell’aria; costituire pericolo o pregiudizio diretto o indiretto per la salute

dell’uomo; compromettere le attività ricreative e gli altri usi legittimi

dell’ambiente; alterare le risorse biologiche, gli ecosistemi e i beni materiali

pubblici e privati.

Cause dell’inquinamento atmosferico

• Naturali: pulviscolo, eruzioni vulcaniche, incendi, decomposizione materiale organico, scariche elettriche in atmosfera.

• Antropiche: processi di combustione, smaltimento rifiuti, impianti industriali.

• Distinzione tra sostanze contaminanti e

inquinanti.• Inquinanti primari e secondari.• Inquinamento su scala locale/globale.

Inquinamento su scala locale• Già presente nell’antica Roma per combustione legna• Nel 1307 re Edoardo I d’Inghilterra vietò l’uso del

carbone a Londra per alimentazione forni• Episodi gravi di inquinamento si ebbero a Londra nel

1880 (oltre 1000 decessi) e più recentemente a Londra e New York negli anni ’50 e ’60

• A ciò fece seguito l’emissione dei primi Standard di qualità dell’aria

• Le norme di qualità dell’aria sono stabilite in relazione al livello di pericolosità dello specifico inquinante nei confronti della salute umana

• Esposizione: sommatoria dei prodotti delle concentrazioni di inquinante in un ambiente per i tempi di permanenza

• Dose interna: assorbimento da parte dell’organismo• Dose bersaglio: distribuzione nei tessuti ed organi e

superamento della quantità minima per cui si generano alterazioni biologiche

• Soglia minima di tossicità (per le sostanze non cancerogene), al di sotto della quale non ci sono effetti osservabili

• Fattore di rischio per la popolazione (per le sostanze cancerogene) < 100.000 – 1.000.000

Particolato

• Qualsiasi sostanza solida o liquida dispersa nell’atmosfera, i cui aggregati individuali hanno dimensioni maggiori delle singole molecole (0,0002 μm) ma inferiori a 500 μm (sabbia fine)

• E’ anche denominato PST (particelle sospese totali)

Deriva essenzialmente da centrali che bruciano combustibili fossili

Classificazione in base alle dimensioni• POLVERI: dimensioni < 1 μm (aerosol)• FUMO: dimensioni < 10 μm (visibili in aggregato)• PENNACCHI: piccole particelle derivate da reazioni

chimiche• CENERE: dimensioni < 100 μm (da centrali a comb.

liquido o solido)

• Le emissioni naturali e antropiche hanno ordini di grandezza confrontabili, ma quelle antropiche hanno natura concentrata che crea seri problemi di inquinamento ambientale

Aree urbane:

• 30-60% PM10

• 20-40 % PM2,5

Proprietà di interesse:• Dimensioni, distribuzione dimensionale, composizione,

forma, capacità di assorbimento, proprietà ottiche • Diametro del setaccio, aerodinamico, volume

equivalente, ecc.

Dimensioni tipiche

• 10 μm particolato che proviene da processi meccanici (azione vento, macinazione, traffico)

• Diametro inferiore per particolato da processi di combustione

• Le frazioni più fini sono costituite da un nucleo di carbonio su cui si ritrovano assorbite sostanze quali solfati, nitrati, ammoniaca, metalli pesanti

Le dimensioni influenzano la eliminazione naturale per sedimentazione o lavaggio

Curve di distribuzione granulometrica

La forma è importante ai fini della capacità di assorbimento di altre sostanze

La presenza di particolato riduce la visibilità.

Effetti nocivi: sporcamento superfici esterne degli edifici, effetti corrosivi, danni alla vegetazione.

Danni alla salute umana: apparato respiratorio, che riesce a trattenere efficacemente solo le particelle di dimensioni

superiori a 10 μm

METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI

Brusco cambio di direzione

Brusco cambio di direzione

Efficienza di raccolta di un dispositivo

ec= massa rimossa / massa originariamente presente

ec Varia tra il 50% dei dispositivi meccanici al 99% dei sistemi avanzati

METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI

Depolveratori a forza centrifuga (cicloni)

Urto su piatti o lamelle

METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI

Depolveratori a forza centrifuga (cicloni)

METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI

Depolveratori idraulici

Sistema misto

PRECIPITATORI ELETTROSTATICI

L'effetto corona è un fenomeno per cui una corrente elettrica fluisce tra un conduttore a potenziale elettrico elevato ed un fluido neutro circostante, generalmente aria. L'effetto si manifesta quando il gradiente di potenziale supera un determinato valore sufficiente a provocare la ionizzazione del fluido isolante ma insufficiente perché si inneschi un arco elettrico.Comincia un flusso di elettroni che porta con sé le particelle che incontra sulla traiettoria.

PRECIPITATORI ELETTROSTATICI

Fili conduttori ad alta tensione tra piatti metallici

Ad elementi piani

PRECIPITATORI ELETTROSTATICI

Svantaggi

• Evitare gas incombusti (deflagrazione)

• Poco efficaci con ceneri a basso tenore di zolfo (alta

resistività)

• Costo elevato

Hanno un’efficienza superiore al 99% e generano perdite di carico limitate.

FILTRI A MANICA

Classificazione in base al materiale costruttivo• TEFLON: alta efficienza, difficile pulizia, elevate perdite di

carico• TESSUTO DI FIBRA DI VETRO: discreta efficienza che va

degradandosi dopo la pulizia a causa della perdita di polvere aderente alla trama

FILTRI A MANICA

La pulizia avviene con soffiaggio a flusso invertito o per scuotimento.

Rispetto ai precipitatori elettrostatici presentano il vantaggio dell’indipendenza dell’efficienza dal contenuto di zolfo nel combustibile.

Svantaggi• Scarsa resistenza alla temperatura (T < 150 170 °C)• Scarsa resistenza alle ceneri acide• Forti perdite di carico (aumenta la potenza richiesta ai

ventilatori)• Necessità di operare al di sotto della temperatura di rugiada

(va evitata la condensazione dell’umidità contenuta nei gas per motivi di efficienza)

• Alti costi di manutenzione

Ossidi di zolfo

• Ossidi: SO2 e SO3 (origine: processi antropici)

• Acidi: idrogeno solforato H2S (origine: processi naturali), acido solforoso H2SO3 e solforico H2SO4

• Solfati e solfiti: CaSO3, CaSO4 (origine: ossidazione SO2

e spray da acqua di mare)

• Gli SOx presenti in atmosfera provengono prevalentemente da processi antropici (85% da centrali termoelettriche e impianti industriali, 2-3% impianti termici civili, 6-7% raffinerie, produzione metalli))

• S + O2 = SO2 reazione veloce e spostata verso destra• 2 SO2 + O2 = 2SO3 reazione più lenta alle temperature

tipiche dei processi di combustione e sposata verso sinistra

• La ossidazione da SO2 a SO3 può avvenire solo in atmosfera secca con elevata insolazione

Deposizione: secca o umida (piogge acide)

• Diminuzione complessiva negli ultimi dieci anni per impiego di combustibili a basso tenore di zolfo

• Effetti nocivi: danneggiamento strutture metalliche, edifici e apparato respiratorio

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)L’origine di tale inquinante deriva principalmente dalla combustione del carbone.

Per concentrazioni superiori a 5 ppm provoca problemi respiratori.

La soluzione più immediata è passare dai combustibili ad Alto tenore di Zolfo (ATZ) a quelli a Basso Tenore di Zolfo (BTZ).

La normativa italiana impone l’impiego di combustibile con percentuale di zolfo inferiore al 5%.

Tale filosofia è “cieca” rispetto alla tipologia di combustione (ad es. negli impianti a letto fluido si ottiene un’ottimo abbattimento di zolfo nei fumi).

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)

DESOLFORAZIONE

Umida A secco Processi rigenerativi

Desolforazione umida

Si spruzza nella torre di reazione in controcorrente (rispetto ai fumi) una soluzione acquosa con CaO (calce), CaCO3 (calcare), CaSO3·2H2O CaSO4·2H2O (solfito e solfato di calcio idrati). I gas si raffreddano, vanno riscaldati per il tiraggio.

Dopo le reazioni chimiche si deposita nel fondo una miscela in cui gli SOx sono diventati CaSO3 e CaSO4. Dai sedimenti, si recuperano i solfiti ed i solfati per nuove reazioni mentre il resto viene eliminato.

Il problema principale consiste nella formazione di incrostazioni e di ostruzione degli ugelli, poiché la solubilità di CaSO3 e del CaSO4 è limitata al 30% (necessità di diluizione variabile con il contenuto di SOx).

Desolforazione umida

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)

Desolforazione a seccoSi spruzza verso i fumi CaO (calce) atomizzata, ossia in particelle di dimensioni estremamente ridotte.

Avviene la reazione con gli SOx per formare CaSO3 e CaSO4, eliminabili tramite un sistema di rimozione del particolato.

Attraverso procedimenti chimici, le parti raccolte vengono riciclate mentre gli scarti, allo stato secco e pulvurulento, sono facilmente smaltibili.

L’efficienza è inferiore alla desolforazione umida, mentre per quest’ultima è più oneroso il conferimento in discarica dei fanghi (profondità scarse per problemi di stabilità e conseguente necessità di grosse superfici).

Le discariche dei materiali pulvurulenti possono creare problemi di trascinamento e di inquinamento delle falde, se le discariche non sono impermeabilizzate.

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)

Desolforazione a secco

Svantaggi

• La precipitazione della fase solida è lenta; se il tempo non è sufficiente la miscela diventa soprassatura e si formano incrostazioni

• Si deve movimentare una gran quantità di calcio con conseguente necessità di disporre di attrezzature idonee e di superfici di stoccaggio.

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)

Processi a circuito chiuso (rigenerativi, Wellmann-Lord)

Il gas viene dapprima raffreddato e viene eliminato il particolato (ad esempio tramite precipitatori elettrostatici).

Si spruzza una soluzione acquosa di Na2SO3 per la reazione:

SO2 + Na2SO3 + H2O 2 NaHSO3

Il gas desolforato, previo riscaldamento, viene inviato al camino.

L’NaHSO3 viene stoccato e prelevato con portata fissa per sottoporlo ad una reazione termica (attraverso, ad esempio, uno spillamento da una turbina a vapore):

2 NaHSO3 Na2SO3 (s) + SO2 (l) + H2O(l)

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)

Processi a circuito chiuso (rigenerativi, Wellmann-Lord)

2 NaHSO3 Na2SO3 (s) + SO2 (l) + H2O(l)

Il solfito, raccolto in sospensione, viene riciclato;

l’anidride solforosa viene inviata in un separatore per ottenere SO2 concentrata e acqua liquida, per poi essere convertita in zolfo elementare attraverso il processo di Claus:

SO2+2H2S 3S+2H2O

Lo zolfo elementare ricavato risulta di un certo pregio.

Il ciclo è chiuso ma presenta alcuni inconvenienti:• costi elevati;• alto consumo di energia legati allo spillamento e al

riscaldamento del gas desolforato.

Ossidi di azoto

• Monossido di Azoto (NO) si formano oltre 800 °C• Protossido di Azoto (N2O) più raro, gas serra• Biossido di Azoto (NO2) si formano oltre 300 °C

• Il ciclo naturale dell’azoto produce grandi quantità di NOX, anche superiori a quelli di origine antropica, ma questi ultimi sono emessi in zone concentrate (in particolare nelle città, soprattutto da parte degli autoveicoli)

• Gli ossidi di azoto si formano ad alta temperatura (1200-1300 °C) per ossidazione dell’azoto contenuto nell’aria comburente o presente nel combustibile secondo le reazioni:

– N2+ O2 = 2NO inizia a formarsi a partire da 800 °C– 2NO + O2 = NO2 inizia a formarsi a partire da 300 °C

• Effetti nocivi: tossici ed irritanti per vie respiratorie (asfissia, edema polmonare, sistema nervoso)

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NOX)

Thermal

Per la formazione degli ossidi di azoto ad alta temperatura, Zeldovich ha proposto, le seguenti reazioni:

O2 2O

O+N2 NO+N

N+O2 NO+O

N+OH H+NO

Thermal Prompt Fuel

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NOX)

Prompt

Derivano da reazioni chimiche molto veloci sul fronte di fiamma:• miscele ricche e bassa temperatura di combustione;• miscele stechiometriche ad alta temperatura.

Fuel

Derivano dall’ossidazione dell’azoto presente nel combustibile (normalmente presente in percentuali variabili tra lo 0,06% e l’1,8%).

Fattori che influenzano le emissioni di NOX

• Rapporto di equivalenza (quantità d’aria rispetto alla quantità

stechiometrica);• tempo di combustione;• temperatura di combustione.

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NOX)

L’influenza della temperatura è la più marcata:

[NOX] = e0,009T

con T = temperatura di reazione

La tendenza è di abbassare T ed di evitare “punti caldi”;non si può scendere al di sotto di certi valori poiché altri prodotti di reazione (ad esempio CO) hanno concentrazioni inversamente proporzionali a T.

Si preferisce impiegare bruciatori che nella zona primaria mandano un difetto d’aria, per mandare un lieve eccesso d’aria nella zona secondaria (minimizzando le emissioni di CO e NOX).

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NOX)

Se l’azoto è presente nel combustibile è necessario un sistema di

denitrificazione

RIDUZIONE SELETTIVA CATALITICA: si inietta un gas riducente (ad es. NH3) con un catalizzatore per far procedere la reazione a temperature relativamente basse (350 400 °C).

E’ un processo piuttosto costoso, soprattutto per il catalizzatore che va continuamente rinnovato.

RIDUZIONE NON SELETTIVA: è come la precedente ma in assenza di catalizzatore; la temperatura di reazione sale a 870 1200 °C.

• Thermal NOX preponderanti nel caso di combustibili solidi e liquidi

• Prompt NOx derivano da reazioni veloci tra l’azoto dell’aria e i radicali idrocarburici CH che si formano sul fronte di fiamma

• Fuel NOX rilevanti nel caso di combustibili solidi

Monossido di carbonio

• E’ un inquinante prodotto da tutti i processi di combustione alimentati con idrocarburi, in quanto è un prodotto di un processo di reazione intermedio alla formazione di CO2

• L’ossidazione da CO a CO2 è una reazione lenta e si può completare solo se nei gas combusti vi è sufficiente ossigeno e se la temperatura è sufficientemente elevata

• Dissociazione della CO2 a temperature superiori a 1800-2000 °C

• Emesso in grande quantità (oltre 7 milioni di t all’anno solo in Italia)

• Emissioni:

motori a combustione interna (oltre 70%)

processi industriali( produzione ghisa, acciaio, industria petrolifera)

emissioni naturali (incendi, eruzioni)

• Letale per l’organismo umani in concentrazioni nel sangue di COHb (carbossiemoglobina) maggiori del 30%

• Ma anche: perdita concentrazione, alterazione riflessi, emicranie in concentrazioni minori

Altri inquinanti primari

• Piombo (antidetonante benzina)

• COVsi dividono in Metanici e non Metanici (COVNM)

• Metano (gas serra)

• Idrocarburi aromatici (benzene, benzine verdi, responsabile aumento leucemie)

• Idrocarburi policiclici aromatici (IPA, cancerogeni)