Università degli Studi di Perugia
Facoltà di Ingegneria
Corso di Impatto Ambientale
Modulo A: Pianificazione Energetica
Ing. Giorgio Baldinelli
a.a. 2011-12
Inquinamento atmosferico:
definizioni, inquinanti primari
L’inquinamento atmosferico
Definizione (DPR 203/88):
Costituisce inquinamento atmosferico ogni modificazione della normale
composizione o stato fisico dell’aria atmosferica, dovuta alla
presenza di una o più sostanze, in quantità e con caratteristiche tali
da:
 alterare le normali condizioni ambientali e di salubrità dell’aria;
 costituire pericolo o pregiudizio diretto o indiretto per la salute
dell’uomo;
 compromettere le attività ricreative e gli altri usi legittimi
dell’ambiente;
 alterare le risorse biologiche, gli ecosistemi e i beni materiali
pubblici e privati.
Cause dell’inquinamento atmosferico
• Naturali: pulviscolo, eruzioni vulcaniche, incendi,
decomposizione materiale organico, scariche
elettriche in atmosfera.
• Antropiche: processi di combustione,
smaltimento rifiuti, impianti industriali.
• Distinzione tra sostanze contaminanti e
inquinanti.
• Inquinanti primari e secondari.
• Inquinamento su scala locale/globale.
Inquinamento su scala locale
• Già presente nell’antica Roma per combustione legna
• Nel 1307 re Edoardo I d’Inghilterra vietò l’uso del
carbone a Londra per alimentazione forni
• Episodi gravi di inquinamento si ebbero a Londra nel
1880 (oltre 1000 decessi) e più recentemente a Londra e
New York negli anni ’50 e ’60
• A ciò fece seguito l’emissione dei primi Standard di
qualità dell’aria
• Le norme di qualità dell’aria sono stabilite in relazione al
livello di pericolosità dello specifico inquinante nei
confronti della salute umana
• Esposizione: sommatoria dei prodotti delle
concentrazioni di inquinante in un ambiente per i tempi di
permanenza
• Dose interna: assorbimento da parte dell’organismo
• Dose bersaglio: distribuzione nei tessuti ed organi e
superamento della quantità minima per cui si generano
alterazioni biologiche
• Soglia minima di tossicità (per le sostanze non
cancerogene), al di sotto della quale non ci sono effetti
osservabili
• Fattore di rischio per la popolazione (per le sostanze
cancerogene) < 100.000 – 1.000.000
Particolato
• Qualsiasi sostanza solida o liquida dispersa
nell’atmosfera, i cui aggregati individuali hanno dimensioni
maggiori delle singole molecole (0,0002 μm) ma inferiori a
500 μm (sabbia fine)
• E’ anche denominato PST (particelle sospese totali)
Deriva essenzialmente da centrali che bruciano combustibili fossili
Classificazione in base alle dimensioni
• POLVERI: dimensioni < 1 μm (aerosol)
• FUMO: dimensioni < 10 μm (visibili in aggregato)
• PENNACCHI: piccole particelle derivate da reazioni
chimiche
• CENERE: dimensioni < 100 μm (da centrali a comb. liquido
o solido)
• Le emissioni naturali e antropiche hanno ordini di
grandezza confrontabili, ma quelle antropiche hanno
natura concentrata che crea seri problemi di
inquinamento ambientale
Aree urbane:
• 30-60% PM10
• 20-40 % PM2,5
Proprietà di interesse:
• Dimensioni, distribuzione dimensionale, composizione,
forma, capacità di assorbimento, proprietà ottiche
• Diametro del setaccio, aerodinamico, volume
equivalente, ecc.
Dimensioni tipiche
• 10 μm particolato che proviene da processi meccanici
(azione vento, macinazione, traffico)
• Diametro inferiore per particolato da processi di
combustione
• Le frazioni più fini sono costituite da un nucleo di
carbonio su cui si ritrovano assorbite sostanze quali
solfati, nitrati, ammoniaca, metalli pesanti
Le dimensioni influenzano la eliminazione naturale per
sedimentazione o lavaggio
Curve di distribuzione granulometrica
La forma è importante ai fini della capacità di assorbimento
di altre sostanze
La presenza di particolato riduce la visibilità.
Effetti nocivi: sporcamento superfici esterne degli edifici,
effetti corrosivi, danni alla vegetazione.
Danni alla salute umana: apparato respiratorio, che riesce a
trattenere efficacemente solo le particelle di dimensioni
superiori a 10 μm
METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI
Efficienza di raccolta di un dispositivo
ec= massa rimossa / massa originariamente presente
ec Varia tra il 50% dei dispositivi meccanici al 99% dei sistemi avanzati
Brusco cambio di direzione
Brusco cambio di direzione
METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI
Urto su piatti o lamelle
Depolveratori
a
centrifuga (cicloni)
forza
METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI
Depolveratori a forza centrifuga (cicloni)
METODI DI ABBATTIMENTO MECCANICI
Depolveratori idraulici
Sistema misto
PRECIPITATORI ELETTROSTATICI
L'effetto corona è un fenomeno per
cui una corrente elettrica fluisce tra
un conduttore a potenziale elettrico
elevato ed un fluido neutro
circostante, generalmente aria.
L'effetto si manifesta quando il
gradiente di potenziale supera un
determinato valore sufficiente a
provocare la ionizzazione del fluido
isolante ma insufficiente perché si
inneschi un arco elettrico.
Comincia un flusso di elettroni che
porta con sé le particelle che
incontra sulla traiettoria.
PRECIPITATORI ELETTROSTATICI
Ad elementi piani
Fili conduttori ad alta tensione tra piatti metallici
PRECIPITATORI ELETTROSTATICI
Hanno un’efficienza superiore al 99% e generano perdite di carico limitate.
Svantaggi
• Evitare gas incombusti (deflagrazione)
• Poco efficaci con ceneri a basso tenore di zolfo (alta
resistività)
• Costo elevato
FILTRI A MANICA
Classificazione in base al materiale costruttivo
• TEFLON: alta efficienza, difficile pulizia, elevate perdite di
carico
• TESSUTO DI FIBRA DI VETRO: discreta efficienza che va
degradandosi dopo la pulizia a causa della perdita di
polvere aderente alla trama
FILTRI A MANICA
La pulizia avviene con soffiaggio a flusso invertito o per
scuotimento.
Rispetto ai precipitatori elettrostatici presentano il vantaggio
dell’indipendenza dell’efficienza dal contenuto di zolfo nel
combustibile.
Svantaggi
• Scarsa resistenza alla temperatura (T < 150 170 °C)
• Scarsa resistenza alle ceneri acide
• Forti perdite di carico (aumenta la potenza richiesta ai
ventilatori)
• Necessità di operare al di sotto della temperatura di rugiada
(va evitata la condensazione dell’umidità contenuta nei gas
per motivi di efficienza)
• Alti costi di manutenzione
Ossidi di zolfo
• Ossidi: SO2 e SO3 (origine: processi antropici)
• Acidi: idrogeno solforato H2S (origine: processi naturali),
acido solforoso H2SO3 e solforico H2SO4
• Solfati e solfiti: CaSO3, CaSO4 (origine: ossidazione SO2
e spray da acqua di mare)
• Gli SOx presenti in atmosfera provengono
prevalentemente da processi antropici (85% da centrali
termoelettriche e impianti industriali, 2-3% impianti
termici civili, 6-7% raffinerie, produzione metalli))
• S + O2 = SO2 reazione veloce e spostata verso destra
• 2 SO2 + O2 = 2SO3 reazione più lenta alle temperature
tipiche dei processi di combustione e sposata verso
sinistra
• La ossidazione da SO2 a SO3 può avvenire solo in
atmosfera secca con elevata insolazione
Deposizione: secca o umida (piogge acide)
• Diminuzione complessiva negli ultimi dieci anni per
impiego di combustibili a basso tenore di zolfo
• Effetti nocivi: danneggiamento strutture metalliche, edifici
e apparato respiratorio
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)
L’origine di tale inquinante deriva principalmente dalla
combustione del carbone.
Per concentrazioni superiori a 5 ppm provoca problemi
respiratori.
La soluzione più immediata è passare dai combustibili ad Alto
tenore di Zolfo (ATZ) a quelli a Basso Tenore di Zolfo (BTZ).
La normativa italiana impone l’impiego di combustibile con
percentuale di zolfo inferiore al 5%.
Tale filosofia è “cieca” rispetto alla tipologia di combustione
(ad es. negli impianti a letto fluido si ottiene un’ottimo
abbattimento di zolfo nei fumi).
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)
DESOLFORAZIONE
Umida
A secco
Processi rigenerativi
Desolforazione umida
Si spruzza nella torre di reazione in controcorrente (rispetto ai
fumi) una soluzione acquosa con CaO (calce), CaCO3
(calcare), CaSO3·2H2O CaSO4·2H2O (solfito e solfato di
calcio idrati). I gas si raffreddano, vanno riscaldati per il
tiraggio.
Dopo le reazioni chimiche si deposita nel fondo una miscela
in cui gli SOx sono diventati CaSO3 e CaSO4. Dai sedimenti, si
recuperano i solfiti ed i solfati per nuove reazioni mentre il
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)
Desolforazione umida
Il problema principale consiste nella formazione di
incrostazioni e di ostruzione degli ugelli, poiché la solubilità di
CaSO3 e del CaSO4 è limitata al 30% (necessità di diluizione
variabile con il contenuto di SOx).
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)
Desolforazione a secco
Si spruzza verso i fumi CaO (calce) atomizzata, ossia in
particelle di dimensioni estremamente ridotte.
Avviene la reazione con gli SOx per formare CaSO3 e CaSO4,
eliminabili tramite un sistema di rimozione del particolato.
Attraverso procedimenti chimici, le parti raccolte vengono
riciclate mentre gli scarti, allo stato secco e pulvurulento, sono
facilmente smaltibili.
L’efficienza è inferiore alla desolforazione umida, mentre per
quest’ultima è più oneroso il conferimento in discarica dei
fanghi (profondità scarse per problemi di stabilità e
conseguente necessità di grosse superfici).
Le discariche dei materiali pulvurulenti possono creare
problemi di trascinamento e di inquinamento delle falde, se le
discariche non sono impermeabilizzate.
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)
Desolforazione a secco
Svantaggi
• La precipitazione della fase solida è lenta; se il tempo non
è sufficiente la miscela diventa soprassatura e si formano
incrostazioni
• Si deve movimentare una gran quantità di calcio con
conseguente necessità di disporre di attrezzature idonee e
di superfici di stoccaggio.
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)
Processi a circuito chiuso (rigenerativi, Wellmann-Lord)
Il gas viene dapprima raffreddato e viene eliminato il
particolato (ad esempio tramite precipitatori elettrostatici).
Si spruzza una soluzione acquosa di Na2SO3 per la reazione:
SO2 + Na2SO3 + H2O  2 NaHSO3
Il gas desolforato, previo riscaldamento, viene inviato al
camino.
L’NaHSO3 viene stoccato e prelevato con portata fissa per
sottoporlo ad una reazione termica (attraverso, ad esempio,
uno spillamento da una turbina a vapore):
2 NaHSO3  Na2SO3 (s) + SO2 (l) + H2O(l)
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI ZOLFO (SOX)
Processi a circuito chiuso (rigenerativi, Wellmann-Lord)
2 NaHSO3  Na2SO3 (s) + SO2 (l) + H2O(l)
Il solfito, raccolto in sospensione, viene riciclato;
l’anidride solforosa viene inviata in un separatore per ottenere
SO2 concentrata e acqua liquida, per poi essere convertita in
zolfo elementare attraverso il processo di Claus:
SO2+2H2S 3S+2H2O
Lo zolfo elementare ricavato risulta di un certo pregio.
Il ciclo è chiuso ma presenta alcuni inconvenienti:
• costi elevati;
• alto consumo di energia legati allo spillamento e al
riscaldamento del gas desolforato.
Ossidi di azoto
• Monossido di Azoto (NO)
• Protossido di Azoto (N2O)
• Biossido di Azoto (NO2)
si formano oltre 800 °C
più raro, gas serra
si formano oltre 300 °C
• Il ciclo naturale dell’azoto produce grandi quantità di NOX, anche
superiori a quelli di origine antropica, ma questi ultimi sono emessi
in zone concentrate (in particolare nelle città, soprattutto da parte
degli autoveicoli)
• Gli ossidi di azoto si formano ad alta temperatura (1200-1300 °C)
per ossidazione dell’azoto contenuto nell’aria comburente o
presente nel combustibile secondo le reazioni:
– N2+ O2 = 2NO
– 2NO + O2 = NO2
inizia a formarsi a partire da 800 °C
inizia a formarsi a partire da 300 °C
• Effetti nocivi: tossici ed irritanti per vie respiratorie (asfissia, edema
polmonare, sistema nervoso)
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NOX)
Thermal
Prompt
Fuel
Thermal
Per la formazione degli ossidi di azoto ad alta temperatura,
Zeldovich ha proposto, le seguenti reazioni:
O2  2O
O+N2  NO+N
N+O2  NO+O
N+OH  H+NO
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NOX)
Prompt
Derivano da reazioni chimiche molto veloci sul fronte di fiamma:
• miscele ricche e bassa temperatura di combustione;
• miscele stechiometriche ad alta temperatura.
Fuel
Derivano dall’ossidazione dell’azoto presente nel combustibile
(normalmente presente in percentuali variabili tra lo 0,06% e
l’1,8%).
Fattori che influenzano le emissioni di NOX
• Rapporto di equivalenza (quantità d’aria rispetto alla quantità
stechiometrica);
• tempo di combustione;
• temperatura di combustione.
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NOX)
L’influenza della temperatura è la più marcata:
[NOX] = e0,009T
con T = temperatura di reazione
La tendenza è di abbassare T ed
di evitare “punti caldi”;
non si può scendere al di sotto di
certi valori poiché altri prodotti di
reazione (ad esempio CO) hanno
concentrazioni
inversamente
proporzionali a T.
Si preferisce impiegare bruciatori
che nella zona primaria mandano
un difetto d’aria, per mandare un
lieve eccesso d’aria nella zona
secondaria
(minimizzando
le
emissioni di CO e NOX).
ABBATTIMENTO DEGLI OSSIDI DI AZOTO (NOX)
Se l’azoto è presente nel combustibile è necessario un sistema di
denitrificazione
RIDUZIONE SELETTIVA CATALITICA: si inietta un gas riducente
(ad es. NH3) con un catalizzatore per far procedere la reazione a
temperature relativamente basse (350 400 °C).
E’ un processo piuttosto costoso, soprattutto per il catalizzatore
che va continuamente rinnovato.
RIDUZIONE NON SELETTIVA: è come la precedente ma in
assenza di catalizzatore; la temperatura di reazione sale a 870 
1200 °C.
• Thermal NOX
solidi e liquidi
preponderanti nel caso di combustibili
• Prompt NOx
derivano da reazioni veloci tra l’azoto
dell’aria e i radicali idrocarburici CH che si formano sul
fronte di fiamma
• Fuel NOX
rilevanti nel caso di combustibili solidi
Monossido di carbonio
• E’ un inquinante prodotto da tutti i processi di
combustione alimentati con idrocarburi, in quanto è un
prodotto di un processo di reazione intermedio alla
formazione di CO2
• L’ossidazione da CO a CO2 è una reazione lenta e si può
completare solo se nei gas combusti vi è sufficiente
ossigeno e se la temperatura è sufficientemente elevata
• Dissociazione della CO2 a temperature superiori a 18002000 °C
• Emesso in grande quantità (oltre 7 milioni di t all’anno
solo in Italia)
• Emissioni:
motori a combustione interna (oltre 70%)
processi industriali( produzione ghisa, acciaio, industria
petrolifera)
emissioni naturali (incendi, eruzioni)
• Letale per l’organismo umani in concentrazioni nel
sangue di COHb (carbossiemoglobina) maggiori del 30%
• Ma anche: perdita concentrazione, alterazione riflessi,
emicranie in concentrazioni minori
Altri inquinanti primari
• Piombo (antidetonante benzina)
• COV
si dividono in Metanici e non Metanici (COVNM)
• Metano (gas serra)
• Idrocarburi aromatici (benzene, benzine verdi,
responsabile aumento leucemie)
• Idrocarburi policiclici aromatici (IPA, cancerogeni)