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SOx

MARECO > Sistemi di Abattimento

SISTEMI DI ABATTIMENTO > SOx

SOx
Desolforazione combustibili fossili
Tutti i combustibili fossili contengono zolfo, e anche quelli marini non fanno eccezione. Nelle raffinerie, il greggio viene separato in vari prodotti, che possono essere descritti come "distillati" e "residui". I combustibili marini sono generalmente costituiti da miscele di residui.
- Desolforazione dei distillati:
Lo zolfo che resta nei distillati può essere ridotto (desolforazione) fino a livelli molto bassi (10 ppm è considerato equivalente a "zolfo zero"). Lo zolfo estratto può diventare zolfo elementare o acido solforico e può essere utilizzato come fertilizzante, per la pulizia delle superfici e per la produzione della gomma vulcanizzata. Dopo l'utilizzo tale zolfo trova la sua strada, in modo innocuo, nei fiumi e nei mari.
L'utilizzo di distillati a basso t.z. chiaramente evita l'emissione di composti dello zolfo quando esso viene bruciato: la loro importanza cresce se si considera che nei sistemi per l'abbattimento degli NOx e del particolato molti catalizzatori vengono inquinati dallo zolfo e il loro utilizzo diverrebbe più costoso.
- Desolforazione dei residui:
La desolforazione dei residui è più complessa e difficilmente viene realizzata. I residui sono infatti costituiti da lunghe catene molecolari con lo zolfo profondamente intrappolato. Perciò la rimozione dello zolfo comporta la necessità di rompere tali molecole, richiedendo grossi quantitativi energetici e l'adduzione di molecole di idrogeno. Il risultato di tale processo è rappresentato da prodotti a molecola più semplice, adatti per miscelazione con combustibili di basso pregio.
Un processo alternativo e più economico è il "coking" per il quale distillati più pregiati vengono estratti dai residui lasciando una polvere di carbone, che può essere riutilizzata per la produzione della grafite o come additivo per il carbone in impianti dotati di sistemi per la desolforazione dei gas di scarico..
In definitiva, i combustibili marini sottoposti a desolforazione diventano prodotti più costosi e richiedono una elevata quantità di energia per la loro realizzazione. I benefici prodotti potrebbero giustificare questi costi, ma soltanto se non esiste alcuna alternativa più economica.

Additivazione dei combustibili
Prima di parlare di additivi nel combustibile per la riduzione degli SOx, è utile puntualizzare alcuni concetti:
- gli additivi non possono rimuovere lo zolfo dal combustibile, ma possono soltanto convertirlo in forme meno nocive;
- la forma cambiata può essere più facile da catturare rispetto agli SOx gassosi;
- l'utilizzo degli additivi per il combustibile non è efficace da solo, a meno che questo non sia associato a sistemi di cattura.
Gli additivi per il combustibile comportano numerosi benefici, ma non possono rimuovere lo zolfo dal combustibile consentendo soltanto che esso sia convertito in forme diverse. Se una sostanza appropriata è aggiunta al combustibile, durante il processo di combustione si può avere la formazione di solfati. Molti solfati sono diffusi in natura e spesso quasi inerti, come, ad esempio, il solfato di calcio (gesso).
Sebbene il solfato di calcio non è acido, e quindi meno nocivo degli SOx, il suo impatto quando viene emesso non è ben noto. I solfati sono adatti a trattamenti sofisticati di post-combustione attraverso cui è possibile rimuoverli più facilmente dalla corrente rispetto a quanto accade per gli SOx. Particelle molto piccole sono difficili da rimuovere: un possibile approccio è quindi fare in modo che le particelle si aggreghino in modo da diventare grandi abbastanza da essere facilmente catturate.
Con un dosaggio di diluizione del 2% circa in volume rispetto al fuel, la percentuale di SOx passa dal 4% di partenza all'1.5%. Dal punto di vista economico, è come pagare il combustibile un terzo in più del suo prezzo.

Desolforazione dei gas di scarico
I gas di scarico possono essere trattati per rimuovere lo zolfo, prima di essere immessi nell'atmosfera. Il processo chimico di base è generalmente quello di miscelare i gas con un composto contenente calcio in modo che gli SOx siano convertiti in solfato di calcio. Tale sostanza, denominata usualmente gesso, viene raccolta e mandata a discarica oppure utilizzata in materiali da costruzione: è un componente significativo negli elementi di cartongesso ed è utilizzato nella produzione del cemento.
Il calcio viene generalmente estratto dal calcare o dal gesso. Dopo l'estrazione e il trasporto, viene trasformato in un residuo e mescolato con i gas esausti.
Una vasta gamma di tecnologie per l'abbattimento degli SOx sono impiegate da anni negli impianti terrestri di produzione dell'energia elettrica: la loro adozione trae origine dall'utilizzo del carbone in grossi generatori di vapore (il carbone è notoriamente un combustibile ricco di zolfo). Tuttavia solo poche di queste sono state commercializzate in maniera estensiva e ancora meno sono in seria considerazione per applicazioni future. Gli impianti di desolforazione dei gas di scarico a bordo derivano quindi inevitabilmente dalla tecnologia terrestre, sicuramente più matura. La tecnologia più utilizzata oggi nel campo delle caldaie è costituita dal Wet Scrubbing "non rigenerabile"; la seconda categoria più diffusa e la più ampia tecnologia di controllo industriale è rappresentata dal Dry Scrubbing o Spray Dry Scrubbing.

Wet scrubbing
I sistemi "Wet" sono in grado di fornire efficienze di rimozione dell'SO2 molto elevate (90-98%) per un intervallo abbastanza ampio del tenore di zolfo nel combustibile. In questi anni tale tecnologia ha riscontrato continui miglioramenti in termini di riduzione degli investimenti iniziali, di aumento dell'efficienza e di riduzione dei consumi energetici. Tuttavia la vera complessità sorge nei sistemi per convertire i fanghi umidi residui in prodotti inerti da mandare a discarica. Per questo motivo, negli impianti terrestri, si è affermata sempre di più la tecnica del "Dry Scrubbing".
La tecnologia alla base del processo di miscelazione consiste in un deflusso dei gas attraverso una soluzione liquida.
In impianti vicino alla costa la sostanza utilizzata può essere acqua di mare: in tal caso la tecnologia prende il nome di "Sea Water Scrubbing" (SWS). L'acqua di mare include già grosse quantità di solfati e quindi lo zolfo in aggiunta proveniente dal processo di scrubbing, una volta diluito, ha un impatto generalmente trascurabile. Il processo richiede la somministrazione di acqua salata per cui non è idoneo alle applicazioni che operano in prossimità di acque dolci.
Le navi hanno chiaramente il vantaggio di disporre di una grande quantità di acqua di mare, ma devono affrontare problemi specifici, quali:
Elevate velocità dei gas e spazio limitato per lo scrubber. Comunque, l'attuale tecnologia può sostituire i silenziatori tradizionali e rientrare in tal modo nei vincoli di spazio. Chiaramente, l'attrezzatura deve far fronte al movimento della nave. Al contrario, a terra, lo spazio rappresenta raramente un problema.
Acidità e alte temperature. L'acidità dell'acqua di scrubbing è elevata per cui i materiali utilizzati devono essere particolarmente resistenti agli acidi.
Pulizia dell'acqua di scrubbing. Un rilevante vantaggio del processo di scrubbing è costituito dal fatto che è in grado di rimuovere anche molte altre sostanze dai gas di scarico, in special modo il particolato. In ogni caso, questi materiali non possono essere scaricati in sicurezza e quindi l'acqua dev'essere sottoposta a trattamento.
In vista di emendamenti alle attuali normative internazionali, l'IMO sta sviluppando delle linee guida per la gestione delle acque di lavaggio dei gas combusti allo scopo di proporre l'utilizzo degli scrubbers come valida alternativa all'utilizzo di combustibili a basso tenore di zolfo.

Dry scrubbing
Con tale termine ci si riferisce alla classe di processi di desolforazione nei quali residui acquosi o soluzioni di reagenti alcalini vengono nebulizzati in una corrente di gas esausti prodotti da fenomeni di combustione in modo tale che la componente acquosa evapori immediatamente all'interno dello Scrubber e i prodotti della reazione vengano rimossi essenzialmente sotto forma di polverino secco. Le reazioni che portano alla trasformazione degli SOx in solfati sono molto rapide ed efficienti e possono essere realizzate in un'apparecchiatura compatta e in singolo passaggio. Questa tecnologia viene indicata anche con i termini "Spray Scrubbing" oppure "Spray Drying Adsorpion": mediante tale tecnica possono raggiungersi riduzioni di SOx anche del 95% in modo che lo scrubbing di gas esausti da un combustibile al 4% di zolfo è equivalente all'utilizzo di fuel allo 0.2% di zolfo. Spesso sono necessari ulteriori processi per rimuovere l'acqua intrappolata nella corrente gassosa.
Il vantaggio dei Dry Scrubber rispetto ai Wet Scrubber consiste nell'utilizzo di materiali da costruzione più economici e un rifiuto secco e nessun flusso di acqua reflua, minor consumo di acqua e una maggiore semplicità di controllo. Gli svantaggi invece consistono in un uso meno efficiente del reagente, l'esclusione del calcare come possibile reagente e una minore possibilità di impiego ad alta efficienza di cattura.
Combinando i punti di forza e di debolezza i Dry Scrubber sono diventati importanti in mercati selezionati, incluse molte applicazioni in caldaie industriali.
Esistono alcuni semplici metodi per catalogare i Dry Scrubber. Questi includono in particolare:
- il reagente utilizzato;
- il metodo di atomizzazione;
- il metodo di raccolta delle polveri;
- le caratteristiche dello Scrubber.
Il reagente più utilizzato è la calce spenta. Considerando che per i Wet Scrubber il calcare utilizzato contiene anche un significativo contenuto di magnesia, il calcare utilizzato nei Dry Scrubber ha generalmente un contenuto di magnesia minore dell'1%. La calce di solito è spenta in loco. Altro reagente utilizzato, ma in misura ridotta, è il carbonato di sodio.
Insieme ai Dry Scrubber vengono utilizzati sia precipitatori elettrostatici sia filtri a manica. A differenza dei Wet Scrubber, il sistema di raccolta della frazione solida è selezionato a valle dello Scrubber. I filtri a manica sono in genere preferibili poiché i depositi solidi sulla superficie del tessuto sono in più intimo contatto con i gas di scarico e quindi c'è un maggior effetto assorbente nei confronti dell'SO2 residua. I rifiuti provenienti dai Dry Scrubber consistono in una miscela di ceneri volatili, solfiti e solfati di calcio. Questo materiale è secco a differenza del fango proveniente dal Wet Scrubber.
I sistemi di Dry Scrubber basati sull'iniezione di calce, incluse le apparecchiature per la rimozione del particolato, operano normalmente con efficienze di cattura dal 70-90% per combustibili a basso tenore di zolfo (minore del 2.5%) in funzione delle condizioni operative di progetto quali la temperatura di saturazione, il rapporto calcio-zolfo, i tempi di residenza del gas nello Scrubber, la granulometria dello spray e il tipo di meccanismo di cattura della frazione solida. In alcuni casi particolari si sono raggiunte efficienze del 98% mentre l'intervallo tipico del rapporto calcio-zolfo va da 1.1 a 1.6.
La potenza ausiliaria richiesta principalmente per la perdita di pressione dei gas di scarico e per la nebulizzazione varia dallo 0.5 all'1% dell'output di potenza dell'impianto, in funzione del contenuto di zolfo, dell'efficienza di rimozione e della possibilità di usare additivi. Approssimativamente vengono prodotte 2.2 tonnellate di rifiuto secco per ogni tonnellata di SO2 rimossa. I Dry Scrubber hanno dimostrato di poter rimuovere anche mercurio e composti a base di cloro.
Il Dry Scrubber continuerà ad essere applicato nei casi in cui il contenuto di zolfo e i requisiti di efficienza lo renderanno il sistema più economico. I Dry Scrubber sono nella maggior parte utilizzati per combustibili con meno dell'1,5% di zolfo.

Sistemi ad iniezione di sorbente
Tali sistemi includono tutte quelle tecnologie in cui un sorbente è iniettato secco o leggermente umido in tratti preesistenti del percorso dei gas di scarico. Come tali questi processi non richiedono nuovi componenti e vengono spesso utilizzati in applicazioni "retrofit". In generale, il livello di riduzione dell'SOx è relativamente basso e i requisiti del sorbente sono relativamente non troppo restrittivi. I processi ad iniezione di sorbente pertanto sono idonei a sistemi di combustione che occupano spazi ridotti. L'iniezione di sorbente include anche casi in cui il sorbente viene iniettato con il combustibile in prossimità dei bruciatori, in prossimità del surriscaldatore, a monte o a valle dell'economizzatore oppure a monte del sistema di cattura della frazione solida.
L'efficienza di cattura dell'SOx dipende dalla chimica dei reagenti, dalla loro granulometria, dalla temperatura dei gas di scarico e dai tempi di residenza. Tali sistemi di controllo dell'SO2 hanno avuto diverse applicazioni recenti. Molti programmi di ricerca hanno dimostrato la fattibilità tecnica di diverse opzioni su scala commerciale e la maggior parte di esse sono pronte per la commercializzazione.
I sorbenti utilizzati includono il calcare, la calce, la calce idrata, la soda in polvere e infine il bicarbonato di sodio.
I sistemi ad iniezione di sorbente inclusi i sistemi per la cattura della frazione solida raggiungono efficienze tra il 40 e il 70% con combustibili al di sotto del 2.5% di zolfo, in funzione delle condizioni operative di progetto quali la temperatura di saturazione e il rapporto calce-zolfo. Tale rapporto tipicamente varia tra 2 e 3. La potenza ausiliaria richiesta è in genere inferiore allo 0.5% dell'output dell'impianto.
Per ogni tonnellata di SO2 rimossa, vengono prodotte diverse tonnellate di residuo.
A causa dei costi iniziali relativamente bassi e della semplicità di installazione, tali sistemi sono particolarmente adatti in operazioni di retrofit in impianti già esistenti e nel caso in cui non siano state richieste efficienze di cattura particolarmente elevate.