Le norme europee sulle emissioni diventano sempre più severe e gli ossidi di azoto (NOx) sono in cima alla lista. Gli operatori devono eliminare gli NOx con elevata precisione ed efficienza, mantenendo al contempo il più basso possibile il livello di sfuggita di ammoniaca. Gran parte di questo risultato viene determinato prima ancora che il reagente raggiunga il catalizzatore, in base al modo in cui viene nebulizzato.
Perché la riduzione degli NOx è più importante che mai in Europa
Gli NOx si formano durante la combustione ad alta temperatura. Ciò rappresenta una sfida nei processi di fusione del vetro, nei forni da cemento, negli impianti di termovalorizzazione, nella produzione di energia elettrica e nella produzione di acciaio. I limiti di emissione diventano sempre più rigorosi e le linee guida europee sulle migliori tecniche disponibili (BAT) prevedono che gli operatori raggiungano bassi livelli di NOx senza creare un nuovo problema. Questo nuovo problema è lo slip di ammoniaca: l’ammoniaca non reagita che fuoriesce dal sistema quando il reagente viene dosato o distribuito in modo inadeguato.
SCR e SNCR: due percorsi, una dipendenza comune
Entrambi i metodi prevedono l’iniezione di un reagente, solitamente urea o soluzione acquosa di ammoniaca, nei gas di combustione.
- SNCR (Riduzione selettiva non catalitica): il reagente viene iniettato nella zona calda del forno o della caldaia, in genere a una temperatura compresa tra 850 e 1.100 °C. Esso reagisce con gli NOx senza l’ausilio di un catalizzatore.
- SCR (Riduzione catalitica selettiva): il reagente viene iniettato a monte di un catalizzatore, in genere a temperature comprese tra circa 300 e 400 °C. La reazione avviene sul catalizzatore.
L’hardware e le temperature differiscono, ma il principio è lo stesso. Il reagente deve essere ben atomizzato, distribuito uniformemente e miscelato completamente con il gas al momento giusto. Si tratta di un problema di nebulizzazione. Per una panoramica più ampia, leggi il nostro articolo sulle soluzioni tecnologiche di nebulizzazione per il controllo degli NOx.
Perché l’ugello fa la differenza
Gli ugelli di nebulizzazione trasformano il reagente liquido in goccioline in modo che possa diffondersi, evaporare e reagire con gli NOx. Cinque variabili determinano le prestazioni: dimensione delle gocce, distribuzione delle gocce, velocità, angolo di spruzzo e direzione dello spruzzo. Quando questi parametri non sono ottimali, spesso si osserva:
- Goccioline troppo grossolane che evaporano troppo lentamente, per cui il reagente raggiunge il catalizzatore allo stato liquido
- Scarsa penetrazione, che lascia parte del flusso di gas non trattato
- Spruzzo che colpisce le pareti del condotto, causando depositi e usura
- Miscelazione non uniforme a carico parziale, che aumenta lo slip di ammoniaca
Un sistema di iniezione ben progettato mira a:
- Una distribuzione uniforme del reagente lungo tutto il condotto
- Penetrazione e miscelazione ottimizzate
- Basso slittamento di NH3 in tutte le condizioni di carico
- Posizioni degli ugelli che limitino l’impatto sulle pareti del condotto
Caso di studio: un impianto di produzione del vetro a Pisa, in Italia
Un'azienda produttrice di vetro a Pisa doveva ridurre le emissioni di NOx da circa 1.600 mg/Nm³ a meno di 300 mg/Nm³ con un sistema SCR che utilizza ammoniaca acquosa. Per la reazione erano disponibili solo 13 metri di condotto rettilineo e il consumo di aria di atomizzazione doveva rimanere basso. La simulazione di fluidodinamica computazionale (CFD) ha dimostrato che gli ugelli di atomizzazione ad aria FloMax® FMX030 erano in grado di far evaporare completamente l’ammoniaca acquosa entro quella lunghezza. Sono state installate due lance con ugelli FMX030.
- Prima: circa 1.600 mg/Nm³
- Dopo: inferiore a 300 mg/Nm³
- Lunghezza del condotto disponibile: 13 m
- Ugelli: FloMax® FMX030 su due lance
- Conformità mantenuta dalla metà del 2019
Prima la modellazione, poi l’installazione
Il risultato ottenuto a Pisa è frutto di una simulazione preliminare alla realizzazione. Un approccio tipico prevede tre fasi:
- Simulazione CFD del flusso di gas e del comportamento dello spruzzo
- Modellizzazione delle prestazioni in termini di emissioni
- Ottimizzazione e messa in servizio in loco
Dati utili da raccogliere: temperatura del gas, portata, lunghezza disponibile del condotto rettilineo, tipo di reagente, intervallo di carico e livelli target di NOx e slip.
Una volta configurata l’iniezione, il controllo a circuito chiuso ne garantisce la stabilità. Il sistema di controllo NOx AutoJet® legge i dati forniti dal sensore di NOx e regola automaticamente il flusso di liquido e aria verso gli ugelli, in modo che le prestazioni rimangano costanti al variare del carico. Funziona con ugelli a nebulizzazione ad aria e idraulici, nonché con lance. Scopri di più sulla nostra pagina dedicata alle applicazioni di controllo delle emissioni di NOx.
Oltre gli NOx: raffreddamento e condizionamento dei gas
L’iniezione di reagenti è spesso una fase all’interno di una catena più ampia di trattamento dei gas di combustione. La stessa competenza in materia di nebulizzazione si applica a:
- Raffreddamento e quenching all’interno dei condotti
- Controllo della temperatura a monte dei filtri a maniche, dei precipitatori elettrostatici (ESP) e degli scambiatori di calore
- Rimozione dell’SO₂
- Torri di raffreddamento
- Raffreddamento e condizionamento dei gas
Questo aspetto è importante in tutti i settori industriali, dall’acciaio e dai metalli non ferrosi alla produzione di cemento e alla termovalorizzazione dei rifiuti. Leggi anche il nostro articolo sul perché gli ugelli di nebulizzazione sono essenziali per un processo di raffreddamento efficiente, oppure esplora tutte le applicazioni di nebulizzazione.
Domande frequenti
Qual è la differenza tra SCR e SNCR?
L'SCR inietta urea o ammoniaca a monte di un catalizzatore a una temperatura compresa tra circa 300 e 400 °C. L'SNCR inietta queste sostanze direttamente nella zona calda del forno a una temperatura compresa tra circa 850 e 1.100 °C, senza l'ausilio di un catalizzatore. L’SCR raggiunge in genere una maggiore rimozione di NOx, mentre l’SNCR non richiede alcun catalizzatore.
Che cos’è lo “slip” di ammoniaca?
Lo "slip di ammoniaca" è l'ammoniaca non reagita che esce dal sistema insieme ai gas di combustione. Di solito è causato da un dosaggio eccessivo, da una distribuzione non uniforme o da una miscelazione inadeguata. Una corretta scelta e posizionamento degli ugelli aiuta a limitarlo.
Perché la dimensione delle goccioline è importante nella riduzione degli NOx?
La dimensione delle goccioline determina la velocità di evaporazione del reagente e la profondità di penetrazione nel flusso di gas. Le goccioline fini evaporano rapidamente, il che è essenziale quando il reagente deve essere completamente evaporato prima di raggiungere il catalizzatore SCR. Le goccioline devono inoltre avere una quantità di moto sufficiente per raggiungere l’intera sezione trasversale del condotto.
Come viene utilizzato il CFD nel controllo degli NOx?
La simulazione CFD modella il flusso del gas e il comportamento dello spruzzo, compresa l’evaporazione delle goccioline, all’interno della geometria effettiva del condotto. Aiuta a scegliere il tipo e la posizione degli ugelli prima dell’installazione. A Pisa, ha confermato la completa evaporazione entro 13 metri di condotto rettilineo.
È possibile utilizzare la stessa tecnologia di nebulizzazione per il raffreddamento dei gas?
Sì. Gli ugelli e le lance vengono utilizzati anche per il raffreddamento e la tempra all’interno dei condotti, il controllo della temperatura a monte dei filtri a maniche e degli ESP, la rimozione di SO₂ e il condizionamento dei gas.
Vuoi verificare la configurazione del tuo sistema di iniezione prima di realizzarlo? Rivolgiti al tuo esperto locale di nebulizzazione per un’analisi CFD.