Inquinamento atmosferico: definizioni, inquinanti primari Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria Corso di Pianificazione Energetica Ing. Giorgio Baldinelli a.a. 2012-13 Inquinamento atmosferico: definizioni, inquinanti primari

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.

Curve di distribuzione granulometrica 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 presenza di particolato riduce la visibilità. 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 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 Brusco cambio di direzione Brusco cambio di direzione

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

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 Ad elementi piani Fili conduttori ad alta tensione tra piatti metallici

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

Classificazione in base al materiale costruttivo 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.

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX) Desolforazione umida 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).

ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX) Desolforazione a secco Si 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 Prompt Fuel 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

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) 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)