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Il controllo degli NOx per carboni ad alto contenuto di cenere

CCC/285

Aprile 2018

Dr Algorzata Wiatros-Motyka & Herminé Nalbandian-Sugden

La sigla NOx identifica in modo generico gli ossidi di azoto che si producono durante una combustione che avvenga impiegando aria come comburente. Gli NOx sono sostanze inquinanti dell’atmosfera e hanno effetti nocivi anche sulla salute; possono infatti causare l’insorgere di problemi respiratori, edemi polmonari, problemi cardiovascolari e irritazione delle mucose.

Molti paesi hanno limiti di emissione molto rigorosi per gli ossidi di azoto (NOx) e quindi fanno un uso molto ampio dei controlli per le loro emissioni in atmosfera.

Uno tra i paesi emergenti ad aver introdotto nuovi standard di emissione, per le centrali a carbone con un alto contenuto di ceneri, sia per quelle esistenti che di nuova costruzione, è l’India, a cui questo report fa riferimento.

I nuovi limiti di emissione stabiliti per l’India (Figura 1) sono sostanzialmente simili a quelli dell’UE e degli Stati Uniti; essi regolano le emissioni di particolato (PM), di biossido di zolfo (SO2), di NOx, di mercurio (Hg) e il consumo di acqua.

Figura 1. Nuovi limiti normativi per le emissioni inquinanti delle centrali termoelettriche in India (ECC,2016)

Per quanto riguarda le emissioni di NOx, per gli impianti installati prima della fine del 2003 il limite è di 600 mg NOx/m3 mentre per gli impianti installati dopo il 2003 e prima della fine del 2016 il limite scende a 300 mg/m3 di NOx; per gli impianti installati dal 1 ° gennaio 2017 le emissioni di NOx non devono superare  100 mg/m3.

Le nuove norme sono obbligatorie dal 1° gennaio 2017 per i nuovi impianti mentre le centrali esistenti hanno due anni per uniformarsi ai limiti stabiliti dal governo Indiano. Si prevedono, in ogni caso, revisioni delle norme da parte del governo in modo da gestire gli inevitabili ritardi nell’allineamento delle centrali esistenti tipici dell’implementazione di nuove tecnologie su sistemi consolidati. Per quanto riguarda le centrali Indiane le problematiche più importanti da affrontare sono legate alla natura del carbone utilizzato in alimento, avente un alto contenuto di ceneri.

Ulteriori problemi possono essere ricondotti:

  • al costo dell’implementazione delle tecnologie di abbattimento degli inquinanti gravanti sul costo finale dell’energia elettrica,
  • alla mancanza di partner locali per l’implementazione della tecnologia,
  • al difficile reperimento dei reagenti e delle competenze tecniche in materia di controllo delle emissioni.

Esistono diverse tecnologie di controllo NOx che possono essere suddivise in controlli con misure primarie e controlli con misure secondarie; questi possono essere utilizzati da soli o in combinazione, a seconda del tasso di rimozione di NOx richiesto.

Le misure primarie per la riduzione degli NOx comprendono:

  • bruciatori a bassa emissione di NOx (LNB, Low NOx Burner),
  • deviazione dell’aria fuori fuoco (OFA – OverFire Air), ossia la deviazione di una certa quantità del flusso d’aria (tipicamente tra il 10 e il 25%) verso l’uscita del bruciatore;
  • polarizzazione del carburante,
  • riduzione dell’eccesso d’aria,
  • combustione con aria secondaria del carburante,
  • ricircolo dei gas di scarico;
  • ottimizzazione della combustione.

In India molte centrali utilizzano l’OFA e tecniche di polarizzazione del carburante, ma solo alcune operano con bruciatori a bassa emissione di NOx (LNB), sarà quindi necessario che queste si dotino di sistemi LNB/OFA, relativamente veloci da installare ma peggiorativi rispetto alle prestazioni della caldaia.

Tra i possibili effetti indesiderati dell’installazione di queste tecnologie su impianti esistenti, vi sono l’aumento delle emissioni di NOx e CO in fase di combustione, l’aumento del carbonio nelle ceneri e cambiamenti nella geometria della fiamma dei bruciatori. Al fine di evitare tali inconvenienti è necessario effettuare una valida progettazione delle modifiche, nonché prestare la massima attenzione alla misurazione e al controllo dei vari parametri di combustione; ciò può essere realizzato utilizzando sensori e controlli avanzati. Gli interventi di retrofit possono essere effettuati durante le fermate pianificate per la manutenzione ordinaria degli impianti, senza causare inconvenienti per la produzione.

Le misure di controllo degli NOx secondari comprendono:

  • La riduzione catalitica selettiva (SCR);
  • La riduzione selettiva non catalitica (SNCR);
  • la combinazione di SCR e SNCR.

Generalmente, vengono applicati agli impianti che devono ridurre le emissioni di NOx oltre i limiti raggiungibili con le sole misure primarie.

La tecnologia SCR riduce le emissioni di ossidi di azoto mediante l’utilizzo di un catalizzatore agente sui gas di scarico, in presenza di un agente chimico riducente (urea o ammoniaca).

L’SCR, rispetto alle altre misure per la riduzione degli NOx, raggiunge le migliori prestazioni, operando la rimozione degli ossidi di azoto in un range fra l’80 e il 90%; lo svantaggio fondamentale è il costo totale dell’applicazione della tecnologia. In India, oltre 300 unità potrebbero implementare l’SCR. Nelle centrali elettriche a carbone è presente un’unità SCR generalmente installata tra l’economizzatore e i riscaldatori per d’aria, dove si trovano le condizioni ottimali di temperatura per la reazione. Tuttavia, con questa soluzione, l’SCR è esposto alle ceneri volanti e ai componenti chimici dei gas di combustione che possono causare:

  • l’usura eccessiva dei componenti dell’impianto,
  • imbrattamenti con ampie quantità di cenere;
  • presenza di ammoniaca negli ugelli;
  • errata distribuzione del flusso d’aria nei bruciatori;
  • reazioni indesiderate nell’SCR.

La presenza della cenere comporta problemi fluidodinamici nel catalizzatore, accelera la disattivazione dello stesso e aumenta i costi della gestione del sistema. Questi problemi possono essere mitigati con una progettazione appropriata, adottando soluzioni quali: l’utilizzo di rivestimenti resistenti all’abrasione, piastre di usura resistenti all’erosione, protezioni sugli ugelli, un dimensionamento adeguato del reattore, il miglioramento della forma del catalizzatore. Alcuni test pilota sono attualmente in corso su centrali Indiane della National Thermal Power Corporation (NPTC), al fine di studiare e valutare le migliori soluzioni alle problematiche esposte.

La tecnologia di riduzione selettiva non catalitica è un metodo di riduzione delle emissioni di ossidi di azoto, tramite iniezione del reagente, urea o ammoniaca, iniettate tramite ugelli spruzzatori direttamente al di sopra della combustione, dove le temperature sono comprese fra 900 e 1100°C.

Le apparecchiature operanti con la riduzione selettiva non catalitica sono in grado di ridurre gli NOx per una quota del 30-50% se utilizzate da sole, mentre i livelli di prestazione degli SCR (80-90%) possono essere raggiunti solo se gli SNCR vengono combinati con altre metodologie di controllo della combustione.

L’utilizzo degli SNCR nelle centrali di grossa taglia è stato limitato, a causa della mancanza di strumentazione on-line capace di realizzare misure accurate di temperatura e concentrazione della CO all’interno della caldaia, parametri importanti per una reazione di riduzione efficace degli NOx. Tuttavia, i recenti sviluppi nei sistemi di misurazione in continuo consentono l’uso efficace degli SNCR anche in grandi centrali (> 400 MW).

Nelle applicazioni indiane sarebbe preferibile utilizzare l’urea come reagente piuttosto che l’ammoniaca, poiché l’urea è atossica e il suo uso eviterebbe rischi per l’ambiente e per la salute. Inoltre, secondo alcuni esperti, l’urea è molto più efficace dell’ammoniaca su caldaie di grossa taglia. Attualmente sono in corso dei test su centrali NTPC per verificare l’applicabilità delle tecnologie SNCR.

Poiché l’India sta introducendo standard di emissione per più inquinanti e i controlli sull’inquinamento sono costosi (Figura 2) e richiedono molto tempo per l’installazione, avrebbe senso coordinare l’installazione di sistemi di monitoraggio e abbattimento su “multi-inquinanti” in modo da non sconvolgere la produzione di energia.

Figura 2. Costi delle tecnologie de-NOx

Attualmente, infatti, per il controllo delle emissioni inquinanti si sta adottando un approccio di tipo integrato mentre in passato sono stati utilizzati dispositivi dedicati alla rimozione delle singole specie inquinanti. Con l’evolvere della normativa riguardante le emissioni, l’approccio non-integrato non risulta essere competitivo rispetto a quello integrato, poiché quest’ultimo presenta un ridotto costo capitale dell’apparecchiatura, maggiore efficienza energetica e maggiore affidabilità.

Ci sono poche tecnologie di abbattimento multi-inquinanti che possono rimuovere gli NOx.

Alcune di queste sono state utilizzate nelle centrali elettriche a carbone per diversi anni, altre sono utilizzate in applicazioni a biomassa ma hanno il potenziale per essere implementate anche nelle centrali a carbone e sono attualmente in fase dimostrativa. Una volta esaurita la fase sperimentale, verranno prese le decisioni necessarie alla diffusione delle tecnologie SCR e SNCR nelle centrali Indiane. DMarotto