Processo di depurazione a letto fisso del Gas di combustione da cremazioni cimiteriali


Caratteristiche dei Reattivi Alcalini

Lo sviluppo di un processo di depurazione di un effluente gassoso di cremazione a letto fisso prevede la disponibilità di un reattivo alcalino formulato in particelle di dimensioni 3÷4 mm, con porosità interna 0,30÷0,40 e superficie specifica interna di compresa tra 10÷40 m2/g. Le caratteristiche di porosità del reattivo sono fondamentali per assicurare un adeguato accesso della fase gassosa alle parti più interne della particella, che è ostacolato dalla formazione dei sali in superficie che tendono a segregare il cuore della particella. Mentre nel processo di neutralizzazione in linea l’accesso della fase gassosa al reattivo è assicurato dalle dimensioni ridotte della particella, nel caso del processo a letto fisso, le caratteristiche di porosità e di superficie specifica interna della particella risultano critiche.

Per l’adsorbente carbonioso si dispone di particelle di lignite attivata o di carbone attivo con frazione di vuoto 0,30÷0,40 e superficie specifica tra 200÷900 m2/g, che soddisfano i requisiti richiesti dal processo; la situazione è più critica per il reattivo alcalino, di cui non vi è attualmente disponibilità nel mercato di particelle con vere caratteristiche microporose. Tuttavia tramite caratterizzazioni di analisi chimica, di porosità, superficie specifica e indagine di microscopia elettronica si sono individuale almeno due tipologie di formulazioni che permettono l’impiego di reattivi alcalini in letto fisso.

Una prima formulazione, definita Reattivo A, è costituita da sferule di carbonato di calcio con porosità interna generata per parziale decomposizione termica del carbonato con sviluppo di CO2; il materiale ha tenore equivalente in CaO 57,1 %, porosità totale passante di 0,28 e superficie specifica BET 6 m2/g. Il reattivo può essere impiegato mescolato con particelle di carbone attivo od in un letto separato, per realizzare un abbattimento preliminare degli gas acidi. Una formulazione alternativa, definita Adsorbente C è costituito da granuli di miscela di polvere di idrato di calcio e di lignite attivata con 65 % peso di reattivo alcalino; il materiale ha tenore equivalente in CaO 49,2, %, porosità totale circa 0,32, superficie specifica BET 75 m2/g di cui circa 8 m2/g relativa alla fase di calce idrata e la parte restante alla lignite. Sono allegate le immagini di microscopia elettronica dei due materiali che mostrano morfologie non sostanzialmente diverse, con microaggregati di dimensione di 0,10 µm per la formulazione A e 0,05 µm per la formulazione B.

I risultati delle caratterizzazioni sui campioni mostrano che, per quanto concerne la fase del reattivo alcalino, in due materiali hanno parametri di porosità e superficie specifica confrontabili e le morfologie alla microscopia elettronica non sono sostanzialmente diverse. La fase alcalina della formulazione C ha superficie specifica lievemente superiore dovrebbe pertanto assicurare prestazioni superiori sulla rimozione dei gas acidi; ma la fase carboniosa è costituita da una lignite, con superficie specifica circa 200 m2/g non molto elevata e poco efficiente ad assorbire i PCDD/F a temperatura oltre 150 C.

Si è preferito sperimentare su scala pilota un processo di trattamento dei reflui da cremazione con l’impiego del Reattivo alcalino A, associato ad un carbone attivo bituminoso, definito Carbone B, ad elevata superficie specifica; il carbone attivo ha porosità totale 0,45 e superficie specifica BET di 830 m2/g.

In Tabella 3.1 sono riportate le caratteristiche dei materiali in confronto con composizione, densità del letto, porosità particelle e superfici specifiche. Nella voce Miscela A+B sono riportate le caratteristiche medie che si realizzano in una applicazione congiunta del Reattivo A e del Carbone B impiegati nel rapporto ottimale di 3/1 per il processo di depurazione. Il Reattivo A ed il carbone B possono essere impiegati in letti fissi separati ed adiacenti o mescolati in un unico letto. Il reattore per applicazioni su scala commerciale, provvisto di due letti separati ed adiacenti, è progettato per essere caricato con una qualsiasi composizione dei materiali indicati, in funzione della presenza di inquinanti, gas acidi e PCDD/F nel gas di combustione. L’impianto pilota di potenzialità nominale di 20 Nm3/ora è stato caricato con 4,6 Kg di Reattivo A e 1,5 Kg di carbone attivo. Tuttavia le informazione acquisite dalla caratterizzazione dei materiali in esame e dalle rilevazioni del funzionamento dell’impianto pilota permettono di definire la carica ottimale del reattore a letto fisso per ogni applicazione.

Tabella 3.1 Caratteristiche dei reattivi ed adsorbenti proponibili per il processo di depurazione

Caratteristiche del processo

Le prove sperimentali su impianto pilota hanno confermato la realizzabilità del processo, seppur con limitazioni al tenore iniziale di gas acidi nell’effluente inquinato. A causa della limitata superficie specifica del reattivo alcalino i parametri operativi della reazione di neutralizzazione dei gas acidi sono solo in parte soddisfacenti; la resa di rimozione dei gas risulta inclusa tra 50÷75 % ed il reattivo alcalino è esausto con il 25÷50 % della quantità effettivamente reagita. Le prestazioni limitate della neutralizzazione sono tuttavia anche un effetto della bassa concentrazione dei gas acidi nei gas di combustione da processi di cremazione e si riscontrano anche nel processo di neutralizzazione con iniezione.

Si stima che mediamente il consumo dei reagenti ripartito per singola cremazione è 300÷400 g per il reattivo A e 44÷120 g per il carbone attivo, contro 1000÷1500 g di miscela reattivo ed adsorbente previsto nel processo ad iniezione. Inoltre il costo dei reattivi in particelle è inferiore al costo del reattivo in polvere impiegato nel processo di iniezione; l’incidenza dei costi per 3000 operazioni è 1500 € per il processo a letto fisso e 6000 € per il processo ad iniezione.

Per quanto concerne l’adsorbimento dei microinquinanti nel carbone attivo in particelle, che ha proprietà microporose, non sussistono limitazioni nella resa depurativa ed il consumo dell’adsorbente è sensibilmente inferiore rispetto il processo ad iniezione.

L’impianto tipico è dimensionato per le seguenti condizioni

Portata effluenti gassosi 3400 Nm3/ora nominali pari a 1500 Nm3/ora anidri con di O2 11 % vol.
Temperatura dei gas entranti 160÷180°C
Concentrazione inquinanti riferiti a condizione O2 11 % vol.
Polveri sottili max. 100 mg/Nm3
SO2 medio 30 mg/Nm3 max. 80 mg/Nm3

HCl medio 25 mg/Nm3 max. 50 mg/Nm3
HF medio 2 mg/ Nm3 max. 5 mg/Nm3
PCDD/F ≤ 5,0 ng TEQ con tenore O2 11 % volume
Superficie filtrante del filtro a tessuto 50 m2
Perdita di carico ≤1000 Pa
Superficie di attraversamento dei letti adsorbenti 4,5 m2
Spessore totale letti adsorbenti 0,50 m
Perdita di carico ≤1500 Pa
Carica di Reattivo A 1500 Kg
Carica di carbone attivo 500 Kg
Resa abbattimento polveri sottili ≥95 %
Resa abbattimento gas acidi ≥65 %
Resa di abbattimento PCDD/F ≥995 %
Operazioni di cremazione ≥4500
Si considera che la temperatura ottimale del processo è compresa tra 130÷150°C per diverse motivazioni.

a) A temperatura al disopra di 130°C si evitano condense acide e sono minime le interazioni tra gas acidi e carboni attivi;

b) la cinetica del reattivo alcalino incrementa con la temperatura;

c) la selettività del carbone attivo nell’adsorbimento dei PCDD/F (diossine) è massima tra 120÷150°C, mentre a temperatura inferiore l’adsorbente tende ad essere saturato da altri microinquinanti presenti nella fase gassosa a più elevate concentrazioni elevate, quali i PAH (composti policiclici aromatici) e clorobenzeni;

d) a temperatura inferiore a 90°C diviene elevata la concentrazione dei PCDD/F fissati alle ceneri sottili, che pur a concentrazione di 10 mg/Nm3, possono trascinare al camino un elevato flusso di diossina