DEPURAZIONE FUMI
Sistemi ad Umido
Sistemi a semisecco
Sistemi a secco
Ing. Ph. D. Daniele De Lodovici
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Gli inquinanti prodotti dal processo di
termovalorizzazione (1a)
Negli ultimi anni l’impatto ambientale degli impianti di incenerimento si è
progressivamente ridotto a seguito dell’adozione di tecnologie di controllo
via via più efficienti in risposta a prescrizioni sempre più restrittive imposte
dalla normativa in termini di emissioni di inquinanti.
Gli inquinanti emessi sono sostanzialmente riconducibili a due categorie:
• macroinquinanti, presenti in concentrazioni di mg/m3
• microinquinanti, presenti in concentrazioni di mg/m3 o ng/m3
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Gli inquinanti prodotti dal processo di
termovalorizzazione (2a)
•I macroinquinanti rappresentano gli inquinanti tradizionali associati ai
processi di combustione e derivano da componenti già presenti nel rifiuto
(Cl, S, N, P), da reazioni secondarie non desiderate e dall’ossidazione
incompleta del carbonio.
•I microinquinanti sono caratterizzati da elevata tossicità e persistenza e
sono principalmente costituiti da metalli e composti organici; i primi (Cd,
Hg, Pb ed altri metalli pesanti) sono riconducibili alla loro presenza nel
rifiuto mentre i secondi (principalmente diossine e furani) derivano da
una serie di processi di sintesi e distruzione che si verificano durante il
processo di combustione e il successivo raffreddamento dei fumi.
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Il problema delle diossine
• Formazione dovuta alla presenza di:
Carbonio, Cloro, Ossigeno, Catalizzatori metallici (Cu, Fe)
• In un inceneritore sono attivi fenomeni di:
formazione, distruzione, riformazione, accumulo / rilascio
• Emissioni in atmosfera:
Limiti a partire dai primi anni ‘80
DM 503/97: riduzione dei limiti di 800 volte!
Se rispetta i limiti alle emissioni di diossine (0.1 ng m-3 TEQ) un
inceneritore fornisce contributi di diossine trascurabili rispetto ad
altre sorgenti
• Contaminazione dei residui: elevata per polveri, residui dei trattamenti e
fanghi
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Il controllo degli inquinanti prodotti
Una buona combustione è requisito preliminare per contenere le
emissioni organiche ed altri inquinanti associati ad una combustione
incompleta del carbonio o ad ossidazione di azoto molecolare.
Ipotizzando, un controllo ottimale della combustione, si può agire per
rimuovere gli inquinanti comunque prodotti attraverso tecnologie mirate
di depurazione a valle della sezione di combustione.
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Il controllo del particolato (ceneri)
•
Il trattamento richiede alti rendimenti di rimozione, superiori al 99%,
poiché è necessario rimuovere, oltre al grosso del particolato, anche il
materiale con granulometria più fine che veicola molti microinquinanti
di natura tossica (Cd, Pb,diossine e furani).
•
Per il controllo del particolato si possono usare processi a secco e
processi a umido: depolveratori a ciclone o multiciclone, elettrofiltri,
filtri a maniche, sistemi di tipo Venturi.
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Il controllo del particolato – I cicloni (1a)
•
Sono sistemi di depurazione che separano le particelle dalla corrente
gassosa sfruttando la forza centrifuga imposta dal moto vorticoso
della
corrente
stessa,
determinato
da
ingressi
tangenziali
e
opportunamente sagomati. Le polveri aderiscono alle pareti e cadono
nella tramoggia sottostante per effetto della gravità e del flusso
discendente.
•
Esistono diversi tipi di cicloni, la configurazione più utilizzata è quella
a doppio flusso, ad ingresso tangenziale ed uscita assiale.
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Il controllo del particolato – I cicloni (2a)
Vantaggi:
Svantaggi:
•
Semplicità di funzionamento
•
•
Versatilità
•
Bassi costi di gestione
Scarsa efficienza (max 90%) per
granulometrie fini sotto i 5 μm
•
Rischio di erosione, corrosione ed
intasamento.
Per queste ragioni il sistema è
usato come pretrattamento per
sistemi più sofisticati.
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Il controllo del particolato – Gli elettrofiltri (1a)
•
Separano le particelle solide e liquide dal flusso gassoso mediante
forze
elettriche;
le
particelle
in
sospensione
vengono
caricate
elettricamente generando su esse una forza che le fa convergere su
un elettrodo collettore, da cui sono rimosse con percussori meccanici
o vibratori elettromeccanici o inerziali.
•
Sono
caratterizzati
da
un’elevata
efficienza
e
sono
adatti
all’abbattimento di particelle in un ampio range di granulometria
(1000 - 1μm), di temperatura e di portata.
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Il controllo del particolato – Gli elettrofiltri (2a)
Vantaggi:
•
•
•
Il
Svantaggi:
particolato
recuperato
è
•
Si adattano male alle condizioni
inalterato e allo stato secco
variabili
Si possono trattare effluenti di
trattare
degli
effluenti
da
grande portata e molto corrosivi
•
I costi iniziali sono elevati
Le esigenze di manutenzione sono
•
Hanno ingombri notevoli
ridotte
•
Esistono rischi di incendio ed
esplosione
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Il controllo del particolato – I filtri a maniche
•
Sono costituiti da uno o più comparti isolati (escludibili singolarmente
per pulizia e manutenzione) contenenti elementi filtranti a forma di
maniche o sacchi. L’entità della rimozione raggiunge valori più elevati
con l’utilizzo di materiali a base di fibre microporose (Goretex e simili).
Vantaggi:
Svantaggi:
•
•
Efficienze di captazione superiori
al
99%
soprattutto
per
il
particolato fine
•
Il
materiale
È necessario disporre di apparati
affidabili
per
il
controllo
temperatura e umidità dei gas
recuperato
è
inalterato e non vi sono liquidi da
trattare
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di
Il controllo del particolato – I sistemi Venturi
•
Sono sistemi di depolverazione a umido che realizzano la captazione
delle polveri mediante l’atomizzazione spinta del liquido.
Vantaggi:
Svantaggi:
•
Efficienze adeguate, seppur
•
Elevate perdite di carico
inferiori a quelle dei filtri a
•
Presenza di spurghi liquidi da
maniche
trattare e smaltire
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Il controllo dei gas acidi
Per il trattamento esistono processi a secco e processi a umido.
•
Nei primi, la rimozione dei gas acidi si ottiene attraverso reazioni di
neutralizzazione,
dovute
a
fenomeni
di
adsorbimento,
chemiadsorbimento e assorbimento sul reagente. I prodotti della
neutralizzazione sono allo stato di polveri e devono perciò subire un
ulteriore processo di depolverazione affinché la rimozione sia completa.
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Il controllo dei gas acidi
processi a secco o semisecco
Il reagente più utilizzato è la calce che interviene neutralizzando gli
inquinanti attraverso le seguenti reazioni di chimiche:
Ca(OH)2+2HCl → CaCl2+2H2O
Ca(OH)2+2HF → CaF2+2H2O
Ca(OH)2+SO2 → CaSO3+2H2O
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Il controllo dei gas acidi
Processi a secco o semisecco
•
I rendimenti di reazione sono influenzati dalla temperatura di esercizio.
Per evitare il dosaggio di consistenti eccessi di reagente è necessario
operare nell’intervallo ottimale di temperatura compreso tra 110-150 °C.
•
Nelle condizioni ottimali di esercizio il processo consente l’ottenimento di
concentrazioni nei gas trattati di 10-30 mg/m3 di HCl e di 15-50 mg/m3
di SO2.
•
Nonostante i rendimenti di rimozione raggiungibili siano inferiori a quelli
ottenibili con processi ad umido i processi a secco e semisecco hanno il
vantaggio di non produrre spurghi liquidi.
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Il controllo dei gas acidi
Processi a secco o semisecco
In alternativa alla calce può essere utilizzato il bicarbonato di sodio che
prevede una prima fase di decomposizione termica con formazione di
carbonato di sodio, vero artefice della neutralizzazione:
2NaHCO3
t>130°C→
Na2CO3 + CO2 + H2O
Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + CO2 + H2O
Na2CO3 + 2HF → 2NaF + CO2 + H2O
Na2CO3 + SO2 + 1/2O2 → Na2SO4 + CO2
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Il controllo dei gas acidi
Processi a secco o semisecco
•Il bicarbonato di sodio ha una maggiore affinità con HCl ed SO2 rispetto alla
calce, di conseguenza è possibile ottenere il livello di rimozione voluto
utilizzando un minor eccesso di reagente ottenendo complessivamente
anche una minor produzione di residui solidi da smaltire.
•In realtà vanno considerati i costi più elevati del reagente e il fatto che la
maggior reattività del bicarbonato diminuisce al diminuire della temperatura,
fino ad una equivalenza tra i processi per temperature nel range di 125 150°C.
•Di conseguenza la necessità di operare a temperature non inferiori a 140
°C (valori ottimali 170-180°C), rende il sistema di per se meno efficace nel
contemporaneo controllo dei micro-inquinanti volatili.
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Il controllo dei gas acidi
Processi a secco o semisecco
•Nelle rispettive condizioni ottimali di temperatura restano inalterati, dal
punto di vista processistico, i vantaggi offerti dal bicarbonato di sodio nel
rimuovere i gas acidi fino a concentrazioni inferiori rispetto a quelle
ottenibili utilizzando calce.
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Il controllo dei gas acidi
Processi a umido
•
Costituiscono la tecnologia più consolidata come conseguenza degli
elevati rendimenti di prestazione. Il processo di rimozione si basa sul
trasferimento in fase liquida dei gas acidi grazie ad opportuni solventi.
La scelta del liquido di lavaggio e della configurazione d’impianto è fatta
in base alla solubilità dell’inquinante: acqua in semplici torri a spruzzo
per HCl ed HF, altamente idrofili; soluzioni alcaline di soda per SO2
caratterizzata da una più bassa solubilità in acqua.
•
Un’evoluzione del sistema umido è l’accoppiamento con il sistema a
semisecco: lo spurgo della torre di lavaggio viene usato per produrre
latte di calce. L’eliminazione degli inquinanti avviene pertanto solo in
fase secca attraverso il filtro a maniche.
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Il controllo degli ossidi di azoto
Riduzione non catalitica (SNCR)
•
•
•
•
•
•
Il processo di riduzione degli ossidi di azoto (NOx) avviene, grazie
all’aggiunta di ammoniaca o urea in camera di combustione ad elevate
temperature.
Ammoniaca: 4NH3 + 4NO +O2 → 4N2 + 6H2O
Urea : 2CON2H4 + 4NO + O2 → 2CO2 + 4N2 + 4H2O
Il processo necessita di un accurato posizionamento degli ugelli di
iniezione del reagente in zone con temperature comprese tra 950-1050
°C. Per valori di temperatura >1000 °C si verifica un calo di rendimento
del processo mentre per temperature inferiori a 950 °C oltre ad una
riduzione dell’efficienza del processo si verifica un rilascio di ammoniaca
nei fumi.
I rendimenti ottenibili con questo sistema sono del 60% con perdite di
ammoniaca intorno ai 10 mg/m3 e del 70% con perdite intorno ai 30
mg/m3.
L’eccesso di ammoniaca può reagire con i gas acidi (SO2 e HCl) per
formare solfati e cloruri d’ammonio in grado di creare seri problemi di
incrostazione lungo le linee.
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Il controllo degli ossidi di azoto
Riduzione catalitica (SCR)
•Il processo catalitico selettivo di riduzione degli ossidi di azoto avviene a
temperature significativamente più basse (190 – 350 °C) rispetto al
processo SNCR grazie all’azione del catalizzatore che riduce l’energia di
attivazione richiesta. Le reazione coinvolte sono le seguenti:
– 4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O
– 4NH3 + 2NO2 + O2 → 3N2 + 6H2O
•Il reagente dosato e la presenza del substrato catalitico, a base di ossido
di vanadio, tungsteno e/o platino supportati su titanio, consentono
efficienze di rimozione molto superiori rispetto ad un processo tipo SNCR
(90% con perdite di ammoniaca di 5mg/m3).
•I costi operativi e d’investimento sono però più alti rispetto alla
tecnologia SNCR, inoltre l’installazione in coda alla depurazione determina
spesso costi aggiuntivi nel riscaldamento dei gas.
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Il controllo dei microinquinanti
inorganici ed organici
La presenza di metalli e microinquinanti organici (diossine e furani) è
principalmente associata:
•
Al particolato di granulometria più fine, che veicola gran parte dei metalli
(in particolare Cd e Pb) e degli organici clorurati a maggior peso
molecolare.
•
Alla fase gassosa, considerato che la quasi totalità del mercurio ed i
composti organici a basso peso molecolare vengono rilevati in forma di
vapore.
•
I sistemi di controllo di questi inquinanti sono combinazione di più
interventi: un’efficace captazione del particolato più fine e per i metalli si
possono sviluppare effetti di condensazione o usare additivi adsorbenti
(carboni attivi).
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Il controllo dei microinquinanti
Effetti di condensazione
•
La riduzione della volatilità, necessaria al passaggio dell’inquinante
alla fase liquida, viene condotta agendo sulla temperatura dei
trattamenti, oppure dosando appositi additivi.
•
La prima è una tecnologia che ha limitata applicazione nei processi a
secco,
per
problemi
legati
alla
funzionalità
del
depolveratore
(condense acide), mentre è ottima nei processi a umido, con riduzioni
sino a 60-70 °C (es. i lavatori o scrubber). L’efficienza è però legata
alla rimozione degli aerosols contenenti le frazioni condensate.
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Il controllo dei microinquinanti
Effetti di condensazione
•
La riduzione della volatilità tramite aggiunta di additivi al liquido di
lavaggio può essere una soluzione che è usata con successo,per
esempio col mercurio. Si utilizzano come additivi soluzioni a base di
solfuri, organici e inorganici. Il reattivo più utilizzato è il solfuro di
sodio.
•
Le efficienze arrivano al 90% ma richiedono una filtrazione spinta del
particolato, che è il prodotto finale di reazione.
•
Sistemi simili sono i filtri al selenio. I problemi legati a questa
tecnologia sono la necessità di avere temperature inferiori a 70 °C per
avere adeguate efficienze, i rischi di occlusione e avvelenamento dei
moduli e l’esigenza di smaltimento.
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Il controllo dei microinquinanti
Additivazione di sorbenti
•
È l’alternativa migliore per microinquinanti volatili e in particolare per
mercurio e diossine. Il processo sfrutta la capacità di trattenere i gas,
tipica di alcuni solidi (carboni attivi) che, a temperatura costante e
senza umidità sono saturati dai solventi fino all’equilibrio.
•
Per il controllo dei microinquinanti organici (diossine) si possono usare
anche i catalizzatori che, fissano anche l’ossigeno dei fumi e
innescano la reazione di ossidazione. Negli intervalli di ottimo
funzionamento (250-350°C) vengono rilevate conversioni elevate (9098%) per diossine e altri microinquinanti organici, con concentrazioni
in uscita inferiori a 0,1 ng/m3 di TCDDe.
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Nozioni operative - Uso della calce
In linea indicativa, considerando la reazione fra calce e acido cloridrico, si
può affermare che:
•
Si consumano 1.016 kg di Ca(OH)2 per ogni kg di HCl neutralizzato
•
Si producono 1.522 kg di CaCl2 per ogni kg di HCl neutralizzato
•
Si producono 0.494 kg di H2O per ogni kg di HCl neutralizzato
Per sistemi a semisecco gli eccessi sui valori sono dell’80%.
Per sistemi a secco gli eccessi sui valori stechiometrici sono dell’80% ma
richiedono fortissimi ricircoli.
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Nozioni operative - Uso del bicarbonato
In linea indicativa, considerando la reazione fra bicarbonato e acido
cloridrico, si può affermare che:
•
Si consumano 2.301 kg di NaHCO3 per ogni kg di HCl neutralizzato
•
Si producono 1.603 kg di NaCl2 per ogni kg di HCl neutralizzato
•
Si producono 0.493 kg di H2O per ogni kg di HCl neutralizzato
•
Si producono 1.205 kg di CO2 per ogni kg di HCl neutralizzato
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Nozioni operative - Uso dei carboni attivi
Con un carbone di legna, con superficie specifica di 500-600m2/g, si
rispettano i limiti di legge dosando 100-150mg di carbone attivo ogni m3
di fumo da trattare.
Per un carbone coke i dosaggi, indicativamente, vanno raddoppiati.
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DEPURAZIONE FUMI
SISTEMI A SECCO/SEMISECCO
Configurazione di base
• assorbimento con reazione + depolverazione
Additivazione reagenti alcalini allo stato secco o
in soluzioni concentrate
• convenzionale: calce (secco) o latte di calce (semisecco)
Ca(OH)2 + HCl = CaCl2 + 2H2O
Ca(OH)2 + HF = CaF2 + 2H2O
Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O
• alternativo: bicarbonato di sodio (secco) Õ maggiori efficienze di rimozione (maggiore affinità
reagente), facilità manipolazione
2NaHCO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H2O
2NaHCO3 + 2HF = 2NaF + CO2 + H2O
2NaHCO3 + SO2 + 1/2O2 = Na2SO4 + 2CO2 + H2O
Depolveratore
• filtro a tessuto Õ captazione fini, tempo di contatto
pannello solido/gas per sviluppo reazioni
Sistemi avanzati
• miscele reagente/adsorbenti (carbone attivo) per
controllo simultaneo microinquinanti in fase vapore
(Hg, PCDD/F)
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DEPURAZIONE FUMI
SISTEMI AD UMIDO

Configurazione di base
• (dopo il depolveratore)
• torre di lavaggio in 2 stadi
1° stadio: acidi alogenidrici con H2O
2° stadio: SO2 con soluzione alcalina

Torri di lavaggio
• a spruzzo (semplici, meno efficienti)
• a piatti (miglior efficienza per reazioni, costi)

Configurazioni più complesse rispetto a secco
• presenza spurghi liquidi
• fumi freddi

Efficienze
• gas acidi non ottenibili con secco
• effetti condensazione su microinquinanti volatili

Sistemi avanzati
Integrazione con dosaggio adsorbenti (carbone attivo) per potenziare rimozione Hg e
PCDD/F
•additivazione diretta in colonna
Waste
To Energy S.r.l. finale
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•dosaggio separato WTE
a valle
+ depolverazione
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Depurazione fumi
Bilancio M.E. sistema misto: semisecco (CaOH2) + umido (torre di lavaggio) +
DeNOx catalitico - Termovalorizzatore RSU 43 MWt
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Depurazione fumi
Bilancio M.E. sistema misto: semisecco (CaOH2) + umido (torre lavaggio)
Termovalorizzatore Rifiuti Pericolosi 18 MWt
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Depurazione fumi
P&ID Sistema ad umido: venturi e torre di lavaggio
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Depurazione fumi
Lay-out sistema misto: semisecco (CaOH2) + umido (torre lavaggio)
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Depurazione fumi
Sistema umido: torre
lavaggio
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DEPURAZIONE FUMI
SISTEMI A SECCO/SEMISECCO
Configurazione di base
• assorbimento con reazione + depolverazione
Additivazione reagenti alcalini allo stato secco o
in soluzioni concentrate
• convenzionale: calce (secco) o latte di calce (semisecco)
Ca(OH)2 + HCl = CaCl2 + 2H2O
Ca(OH)2 + HF = CaF2 + 2H2O
Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O
• alternativo: bicarbonato di sodio (secco) con maggiori efficienze di rimozione (maggiore affinità
reagente), facilità manipolazione
2NaHCO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H2O
2NaHCO3 + 2HF = 2NaF + CO2 + H2O
2NaHCO3 + SO2 + 1/2O2 = Na2SO4 + 2CO2 + H2O
Depolveratore
• filtro a tessuto per captazione fini, tempo di contatto
pannello solido/gas per sviluppo reazioni
Sistemi avanzati
• miscele reagente/adsorbenti (carbone attivo) per
controllo simultaneo microinquinanti in fase vapore
(Hg, PCDD/F)
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Depurazione fumi
Bilancio M.E. sistema a semisecco (CaOH2)
Termovalorizzatore RSU 18 MWt
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Depurazione fumi
P&ID sistema a semisecco – Reattore a latte di calce
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Depurazione fumi
P&ID sistema a secco – Iniezione C.A. e calce nel filtro a maniche
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Depurazione fumi
Bilancio M.E. sistema a secco (NaHCO3)
Termovalorizzatore ROT 4 MWt
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Depurazione fumi
Sistema a secco (NaHCO3): curva neutralizzazione HCl
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Depurazione fumi
Sistema a secco (NaHCO3): curva neutralizzazione SO2
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Depurazione fumi
Schema di principio sistema a secco (NaHCO3)
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