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Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria Inquinamento atmosferico: definizioni, inquinanti primari Corso di Pianificazione Energetica Ing.

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1 Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria Inquinamento atmosferico: definizioni, inquinanti primari Corso di Pianificazione Energetica Ing. Giorgio Baldinelli a.a

2 Linquinamento atmosferico Definizione (DPR 203/88): Costituisce inquinamento atmosferico ogni modificazione della normale composizione o stato fisico dellaria atmosferica, dovuta alla presenza di una o più sostanze, in quantità e con caratteristiche tali da: alterare le normali condizioni ambientali e di salubrità dellaria; costituire pericolo o pregiudizio diretto o indiretto per la salute delluomo; compromettere le attività ricreative e gli altri usi legittimi dellambiente; alterare le risorse biologiche, gli ecosistemi e i beni materiali pubblici e privati.

3 Cause dellinquinamento 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.

4 Inquinamento su scala locale Già presente nellantica Roma per combustione legna Nel 1307 re Edoardo I dInghilterra vietò luso 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 lemissione dei primi Standard di qualità dellaria Le norme di qualità dellaria sono stabilite in relazione al livello di pericolosità dello specifico inquinante nei confronti della salute umana

5 Esposizione: sommatoria dei prodotti delle concentrazioni di inquinante in un ambiente per i tempi di permanenza Dose interna: assorbimento da parte dellorganismo 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) < –

6 Particolato Qualsiasi sostanza solida o liquida dispersa nellatmosfera, 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)

7 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% PM % PM 2,5 Proprietà di interesse: Dimensioni, distribuzione dimensionale, composizione, forma, capacità di assorbimento, proprietà ottiche Diametro del setaccio, aerodinamico, volume equivalente, ecc.

8 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

9 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

10 METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI Brusco cambio di direzione Efficienza di raccolta di un dispositivo e c = massa rimossa / massa originariamente presente e c Varia tra il 50% dei dispositivi meccanici al 99% dei sistemi avanzati

11 METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI Depolveratori a forza centrifuga (cicloni) Urto su piatti o lamelle

12 METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI Depolveratori a forza centrifuga (cicloni)

13 METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI Depolveratori idraulici Sistema misto

14 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.

15 PRECIPITATORI ELETTROSTATICI Fili conduttori ad alta tensione tra piatti metallici Ad elementi piani

16 PRECIPITATORI ELETTROSTATICI Svantaggi Evitare gas incombusti (deflagrazione) Poco efficaci con ceneri a basso tenore di zolfo (alta resistività) Costo elevato Hanno unefficienza superiore al 99% e generano perdite di carico limitate.

17 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

18 FILTRI A MANICA La pulizia avviene con soffiaggio a flusso invertito o per scuotimento. Rispetto ai precipitatori elettrostatici presentano il vantaggio dellindipendenza dellefficienza dal contenuto di zolfo nel combustibile. Svantaggi Scarsa resistenza alla temperatura (T < °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 dellumidità contenuta nei gas per motivi di efficienza) Alti costi di manutenzione

19 Ossidi di zolfo Ossidi: SO 2 e SO 3 (origine: processi antropici) Acidi: idrogeno solforato H 2 S (origine: processi naturali), acido solforoso H 2 SO 3 e solforico H 2 SO 4 Solfati e solfiti: CaSO 3, CaSO 4 (origine: ossidazione SO 2 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))

20 S + O 2 = SO 2 reazione veloce e spostata verso destra 2 SO 2 + O 2 = 2SO 3 reazione più lenta alle temperature tipiche dei processi di combustione e sposata verso sinistra La ossidazione da SO 2 a SO 3 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

21 ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SO X ) Lorigine 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 limpiego 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 unottimo abbattimento di zolfo nei fumi).

22 ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SO X ) 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), CaCO 3 (calcare), CaSO 3 ·2H 2 O CaSO 4 ·2H 2 O (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 SO x sono diventati CaSO 3 e CaSO 4. Dai sedimenti, si recuperano i solfiti ed i solfati per nuove reazioni mentre il resto viene eliminato.

23 Il problema principale consiste nella formazione di incrostazioni e di ostruzione degli ugelli, poiché la solubilità di CaSO 3 e del CaSO 4 è limitata al 30% (necessità di diluizione variabile con il contenuto di SO x ). Desolforazione umida ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SO X )

24 Desolforazione a secco Si spruzza verso i fumi CaO (calce) atomizzata, ossia in particelle di dimensioni estremamente ridotte. Avviene la reazione con gli SO x per formare CaSO 3 e CaSO 4, 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. Lefficienza è inferiore alla desolforazione umida, mentre per questultima 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.

25 ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SO X ) 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.

26 ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SO X ) 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 Na 2 SO 3 per la reazione: SO 2 + Na 2 SO 3 + H 2 O 2 NaHSO 3 Il gas desolforato, previo riscaldamento, viene inviato al camino. LNaHSO 3 viene stoccato e prelevato con portata fissa per sottoporlo ad una reazione termica (attraverso, ad esempio, uno spillamento da una turbina a vapore): 2 NaHSO 3 Na 2 SO 3 (s) + SO 2 (l) + H 2 O (l)

27 ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SO X ) Processi a circuito chiuso (rigenerativi, Wellmann-Lord) 2 NaHSO 3 Na 2 SO 3 (s) + SO 2 (l) + H 2 O (l) Il solfito, raccolto in sospensione, viene riciclato; lanidride solforosa viene inviata in un separatore per ottenere SO 2 concentrata e acqua liquida, per poi essere convertita in zolfo elementare attraverso il processo di Claus: SO 2 +2H 2 S 3S+2H 2 O 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.

28 Ossidi di azoto Monossido di Azoto (NO) si formano oltre 800 °C Protossido di Azoto (N 2 O) più raro, gas serra Biossido di Azoto (NO 2 ) si formano oltre 300 °C Il ciclo naturale dellazoto produce grandi quantità di NO X, 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 ( °C) per ossidazione dellazoto contenuto nellaria comburente o presente nel combustibile secondo le reazioni: –N 2 + O 2 = 2NO inizia a formarsi a partire da 800 °C –2NO + O 2 = NO 2 inizia a formarsi a partire da 300 °C Effetti nocivi: tossici ed irritanti per vie respiratorie (asfissia, edema polmonare, sistema nervoso)

29 ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NO X ) Thermal Per la formazione degli ossidi di azoto ad alta temperatura, Zeldovich ha proposto, le seguenti reazioni: O 2 2O O+N 2 NO+N N+O 2 NO+O N+OH H+NO Thermal Prompt Fuel

30 ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NO X ) 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 dallossidazione dellazoto presente nel combustibile (normalmente presente in percentuali variabili tra lo 0,06% e l1,8%). Fattori che influenzano le emissioni di NO X Rapporto di equivalenza (quantità daria rispetto alla quantità stechiometrica); tempo di combustione; temperatura di combustione.

31 ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NO X ) Linfluenza della temperatura è la più marcata: [NO X ] = e 0,009T 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 daria, per mandare un lieve eccesso daria nella zona secondaria (minimizzando le emissioni di CO e NO X ).

32 ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NO X ) Se lazoto è presente nel combustibile è necessario un sistema di denitrificazione RIDUZIONE SELETTIVA CATALITICA: si inietta un gas riducente (ad es. NH 3 ) con un catalizzatore per far procedere la reazione a temperature relativamente basse ( °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 °C.

33 Thermal NO X preponderanti nel caso di combustibili solidi e liquidi Prompt NOxderivano da reazioni veloci tra lazoto dellaria e i radicali idrocarburici CH che si formano sul fronte di fiamma Fuel NO X rilevanti nel caso di combustibili solidi

34 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 CO 2 Lossidazione da CO a CO 2 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 CO 2 a temperature superiori a °C

35 Emesso in grande quantità (oltre 7 milioni di t allanno solo in Italia) Emissioni: motori a combustione interna (oltre 70%) processi industriali( produzione ghisa, acciaio, industria petrolifera) emissioni naturali (incendi, eruzioni) Letale per lorganismo umani in concentrazioni nel sangue di COHb (carbossiemoglobina) maggiori del 30% Ma anche: perdita concentrazione, alterazione riflessi, emicranie in concentrazioni minori

36 Altri inquinanti primari Piombo (antidetonante benzina) COV si dividono in Metanici e non Metanici (COVNM) Metano (gas serra) Idrocarburi aromatici (benzene, benzine verdi, responsabile aumento leucemie) Idrocarburi policiclici aromatici (IPA, cancerogeni)


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