COMBUSTORE RIGENERATIVO

Combattere gli odori e le emissioni nocive: processi chimici e biochimici

Alcune aziende, durante i loro processi produttivi, rilasciano emissioni gassose contenenti sostanze pericolose per la salute dell’uomo, degli operatori o per l’ambiente, oppure sostanze di per sé non pericolose ma fastidiose per la popolazione: gli odori. Tali sostanze sono solitamente composti organici, cioè molecole formate da carbonio, idrogeno, ossigeno, combinazioni di azoto, zolfo e altri elementi (es. cloro). In questa categoria si trovano, ad esempio, i composti organici volatili (COV), talvolta chiamati sostanze organiche volatili (SOV). Esempi di COV sono i solventi e alcuni idrocarburi.

Per l’abbattimento di tali sostanze si deve solitamente impiegare un processo che le trasformi in composti meno pericolosi, quali anidride carbonica (CO2), acqua, e altre molecole gassose. Tale processo, detto di ossidazione, può essere effettuato per via chimica, biochimica o termica. I processi chimici sono solitamente costosi poiché impiegano reagenti. Producono inoltre sottoprodotti da smaltire adeguatamente.

Il processo biochimico, invece, è indicato per alte portate di aria e basse concentrazioni di inquinanti: impiega i cosiddetti biofiltri o biotrickling filter. Tali tecnologie hanno bassi costi di investimento e di gestione, poiché impiegano batteri che crescono in modo “naturale” all’interno di un reattore; necessitano di piccole quantità di acqua e di nutrienti, questi ultimi talvolta nemmeno necessari. Hanno il difetto di avere alcuni problemi con processi altamente discontinui e con forti picchi di concentrazioni, soprattutto di sostanze difficilmente biodegradabili dai batteri, anche se la ricerca sta compiendo passi da gigante nell’affinamento di questi sistemi.

I combustori rigenerativi: cosa sono e quando sono convenienti

Per COV altamente non biodegradabili sono molto utili i combustori rigenerativi (detti anche ossidatori termici rigenerativi). Essi sono del tutto simili ai normali combustori. Infatti sono costituiti da una camera in cui l’aria esausta da trattare entra per essere “bruciata”, ossia ossidata termicamente mediante l’iniezione di un combustibile (solitamente metano). Il raggiungimento di temperature superiori a 750-800°C per un tempo idoneo permette la distruzione completa di qualsiasi composto organico. Per ridurre i consumi di combustibile, nei combustori rigenerativi l’aria esausta è preriscaldata facendola passare attraverso uno strato di materiale (detto letto) refrattario e poroso precedentemente riscaldato. Solitamente il letto è costituito da elementi ceramici a nido d’ape o con geometrie simili.

I materiali ceramici hanno la capacità di resistere ad alte temperature, shock termici, gas corrosivi e sono in grado di trattenere grandi quantità di calore, che cedono lentamente (hanno cioè un alto calore specifico). Quest’ultima proprietà permette un raffreddamento del letto in modo non immediato. Il pre-riscaldamento dell’aria ha la funzione di ridurre i consumi di combustibile per la successiva vera e propria combustione. I fumi in uscita dalla combustione, caldi e costituiti da vapore acqueo, CO2 e altri gas, passano attraverso un secondo letto poroso ceramico, inizialmente freddo. Attraversandolo, lo riscaldano per poi uscire dal camino. Nel frattempo, il primo letto si è raffreddato a causa delle arie esauste in ingresso.

Al fine di continuare ad avere un effetto di pre-riscaldamento dell’aria esausta prima della combustione, si inverte il flusso del combustore mediante valvole automatiche: l’aria inquinata viene fatta passare attraverso il secondo letto, caldo, “bruciata” e cede il proprio calore per riscaldare il primo letto. Con concentrazioni superiori a qualche unità di milligrammo di COV per normalmetrocubo il sistema, se correttamente dimensionato e coibentato (vedi Coibentazioni), può autosostentarsi senza l’impiego di combustibile esterno, con rendimenti di depurazione anche superiori al 90-95%. Nel caso in cui le concentrazioni di COV non dovessero essere sufficienti all’autosostentamento e le temperature all’interno del combustore dovessero scendere al di sotto delle temperature sopra indicate, si inietta combustibile dall’esterno al fine di mantenere una resa depurativa ottimale. Esistono diversi tipi di combustore rigenerativo: a due torri (come quello appena descritto), a tre e a cinque torri. Il principio di funzionamento è del tutto identico. I combustori a più di due torri impiegano le camere non attraversate dai flussi delle arie esauste e dei fumi per far giungere aria al combustore.

Questa aria ripulisce le camere, portando nel combustore eventuali particelle sfuggite all’ossidazione termica. Inoltre, le camere aggiuntive garantiscono un flusso continuo di aria trattabile (problema comunque risolvibile con una camera di compensazione a monte del sistema a due torri).

Il sistema è semplice da gestire, con costi di manutenzione ridotti. Inoltre, non sono necessari particolari collegamenti idraulici o termici con il resto dell’impianto industriale. L’assenza di catalizzatori all’interno dei letti riduce il rischio di avvelenamento degli stessi causato da alcuni composti chimici. Pertanto non è molto importante la composizione dei gas in ingresso e la loro variabilità. L’unico difetto è l’impossibilità di recuperare calore dal processo.

La soluzione rigenerativa è conveniente quando le concentrazioni di COV da eliminare sono basse.

Tra le aziende che possono impiegare i combustori rigenerativi vi sono industrie della stampa e chimiche che producono vernici, resine, film plastici e adesivi.

Se le concentrazioni di COV sono molto alte, la miscela in entrata al combustore è essa stessa un combustibile che può essere bruciato per recuperare calore (vedi Recuperi termici). Una conveniente alternativa per altissime concentrazioni di alcuni tipi di COV può essere l’utilizzo di torri di condensazione che permettono il recupero dei solventi, da reimmettere nel ciclo produttivo.


TRASFORMATORI  E ALIMENTATORI

Trasformatori e alimentatori sono parte integrante di qualsiasi impianto elettrico industriale. Gli interventi di efficientamento possibili su questo genere di dispositivi sono sia su impianti a media che a bassa tensione.

Perché sono importanti i trasformatori?

I trasformatori sono macchine elettriche statiche operanti in corrente alternata (AC, alternate current) in grado di convertire la potenza tra diversi livelli di tensione, sia in corrente monofase che trifase. Sono macchine efficienti (rendimento massimo fino al 99.7% per i dispositivi di grandi dimensioni; 99-99.5% per i più piccoli): attraverso essi passa tutta l’energia elettrica dell’azienda. Ne deriva che un guadagno di efficienza di pochi punti percentuali su grandi trasformatori porta a notevoli vantaggi sui consumi energetici. Per tale motivo, la UE, con il Regolamento 548/2014 sulla progettazione ecocompatibile, ha imposto di incrementare le efficienze dei nuovi dispositivi introdotti sul mercato da luglio 2015; un ulteriore miglioramento avverrà entro il 2021.

Gli interventi di efficientamento dei trasformatori

I trasformatori hanno perdite fisse, legate alle caratteristiche costruttive (es. il materiale di cui è costituito il nucleo) e perdite variabili, legate al carico della macchina (quindi all’intensità di corrente circolante). Le perdite variabili comportano la generazione di calore, che deve essere opportunamente dissipato mediante sistemi di raffreddamento al fine di mantenere l’affidabilità e la durata del dispositivo. Nel caso la dissipazione sia realizzata attraverso un fluido forzato (aria o olio) il consumo degli ausiliari deve essere tenuto in conto nel calcolo dell’efficienza complessiva.

Gli interventi di efficientamento possibili riguardano innanzitutto il corretto dimensionamento in base al carico richiesto, eventualmente corretto alla luce di altri interventi di riduzione dei consumi aziendali (si ricorda che il massimo rendimento di un trasformatore si ottiene quando il carico elettrico a cui è sottoposto è circa il 70-80% del suo carico nominale). Altre azioni riguardano il miglioramento del raffreddamento del trasformatore mediante dissipatori, sistemi di condizionamento o mediante il posizionamento in un luogo aerato, ovviamente se il sito lo consente (si pensi che un aumento della temperatura di 1°C può corrispondere ad una perdita di efficienza anche dello 0,3%), nonché la sostituzione con nuovi prodotti che riducono le perdite a vuoto associate al materiale di costruzione del nucleo. Esistono però anche interventi di retrofit su vecchi trasformatori che consistono nella sostituzione di alcuni componenti, quali i lamierini del nucleo e gli avvolgimenti.

Perché sono importanti gli alimentatori?

Gli alimentatori sono anch’essi macchine elettriche statiche per la conversione di tensione, ma per applicazioni in corrente continua (DC, direct current). Esse sono unidirezionali, ossia permettono il flusso di energia dalla rete al carico, e non viceversa.

Nel linguaggio comune, si considerano alimentatori anche i cosiddetti power supply, ossia dispositivi che accoppiano un raddrizzatore di corrente, utilizzato per passare da corrente alternata a continua, e un vero e proprio convertitore DC-DC. Questa grande famiglia di dispositivi è contenuta in diversa strumentazione elettrica ed elettronica, quali alcuni tipi di saldatrici ad arco, alimentatori per applicazioni dell’industria galvanica, data center e computer.

Gli alimentatori possono essere di due tipi, a seconda della tecnologia adottata: dissipativi (o lineari) e switching. I primi sono costruttivamente semplici, ma hanno bassi rendimenti energetici (attorno al 40-50%) e dimensioni e peso notevoli, soprattutto per alte potenze. Per tale motivo sono pressoché scomparsi perché sostituiti dai secondi, molto più efficienti: possono raggiungere rendimenti anche oltre il 90%. Tali risultati sono stati ottenuti soprattutto riducendo i consumi in assenza di carico, lavorando sui materiali del nucleo e sulle logiche di controllo, di tipo elettronico.

Gli interventi di efficientamento degli alimentatori

Analogamente a quanto scritto per i trasformatori, l’efficienza di un alimentatore dipende dalla corrente erogata e dal carico a cui è sottoposto. Ne deriva che, anche in questo caso, è fondamentale il corretto dimensionamento e scelta del dispositivo in base ai fabbisogni energetici dell’azienda. L’efficienza energetica degli alimentatori in senso lato, è fondamentale in una politica di risparmio energetico. Per rendere l’idea dell’impatto dell’inefficienza degli alimentatori, US-EPA, l’Agenzia americana per la Protezione dell’Ambiente, ha stimato che i miglioramenti degli alimentatori degli ultimi decenni hanno ridotto i consumi elettrici negli USA di circa 32 teraWatt/anno. Proprio per tale motivo, sia USA che Europa hanno introdotto standard di efficienza energetica per gli alimentatori quali EISA 2007/DoE Livello VI ed EU ErP. Un altro tipo di standard sugli alimentatori per PC e centri di calcolo è la certificazione 80plus che detta limiti ancora più stringenti per tali dispositivi.


PERDITE DI AZOTO

Il metodo descritto per le perdite Air Leak si può applicare anche ad altre reti di gas compressi, come l’azoto, impiegato nell’industria farmaceutica o alimentare. Le perdite di azoto sono particolarmente pericolose per la salute degli operatori perché possono variare la composizione dell’atmosfera, riducendo la percentuale di ossigeno.


ANALISI DEI DATI

Di seguito sono riportati i dati emersi dall’analisi di un campione di 125 siti produttivi (scopri di più sull’analisi). Nella categoria Altri Interventi sono inclusi quelli meno frequenti in quanto maggiormente specifici:

  • Interventi su trasformatori e alimentatori elettrici
  • Perdite su sistemi per l’azoto
  • Combustore rigenerativo

Di seguito viene indicata la frequenza con cui sono stati suggeriti questi interventi ed il relativo settore merceologico.altri interventi - frequenza di intervento

Sotto il tempo di pay-back.

altri interventi - tempo di payback

Infine riportiamo i dati sul risparmio economico potenziale.

altri interventi - risparmio economico

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