Estratto dalla relazione al convegno “Sostenibilità e qualità” dei P&E Milano Coating Days 2024
Angelo Radaelli, Airtreco
Nata per dare soluzione alla depurazione delle emissioni in atmosfera eliminando i composti organici volatili, Airtreco propone per la verniciatura industriale, RTO con rotoconcentratore che ottengono le temperature di autosostentamento con differenti fonti energetiche (gas, elettricità, idrogeno) e recuperano l’energia calorica dai flussi in uscita dell’aria depurata.
Abbiamo iniziato a progettare e installare impianti termici rigenerativi (RTO, regenerative thermal oxidizers) in Italia 35-40 anni fa. Rispetto ai post-combustori tradizionalmente installati fino ad allora, gli impianti termici rigenerativi sono quelli che, dal punto di vista energetico, hanno consumi di gas minori. Quest’efficienza è dovuta al recupero energetico tramite degli “accumulatori” di calore posti nelle torri di scambio, monoliti ceramici che funzionano, appunto, da accumulatori del calore che si sviluppa bruciando i solventi contenuti nel flusso d’aria da depurare.
I nostri impianti sono tutti a tre torri: durante le fasi di inversione dei flussi – per recuperare il calore delle masse ceramiche – si “spurgano” le torri, cioè si estraggono dalla loro sezione inferiore i solventi che non hanno raggiunto la camera di combustione e si inviano alla torre attiva, in modo da evitare picchi di solvente al camino nella fase d’inversione. Nella foto si vede uno schema d’impianto termico rigenerativo a tre torri, che abbiamo allestito con doppio bruciatore, in modo che garantire sempre la depurazione continua dei flussi inquinati anche nel caso un bruciatore dovesse presentare problemi.
Lo schema di un RTO Airtreco. I sistemi di abbattimento dei COV nel settore verniciatura sono sostanzialmente divisi in due famiglie:
– combustore termico con recupero calore a fascio tubiero
– combustore termico rigenerativo.
Il sistema termico rigenerativo, tipico della produzione di Airtreco, associa la combustione, processo molto affidabile, con un elevato grado d’efficientamento energetico, in modo da minimizzare i consumi d’energia usata par raggiungere (e quando necessario, mantenere) la temperatura di combustione. L’alta efficienza di recupero energetico dipende in modo significativo dal materiale ceramico utilizzato per lo scambio termico.
Quando le quantità d’aria sono elevate e le concentrazioni di solvente basse, situazione tipica delle operazioni di verniciatura industriale, specie se manuali, installiamo un rotoconcentratore. Il rotoconcentratore permette di diminuire le quantità d’aria da inviare all’RTO e di aumentare la concentrazione di solvente in essa contenuta, a un livello per cui l’impianto possa lavorare in autosostentamento. La gestione di un impianto così progettato è molto più sostenibile economicamente.
Flussi a basse concentrazioni di solvente
Dove sono basse le concentrazioni di solventi, il costo di gestione di un RTO è alto, essendo necessario fornire continuamente energia per mantenere le temperature di combustione adeguate, 760-820 °C.
Supponiamo di avere una cabina di verniciatura con una portata d’aria di 30-35.000 Nm³ con una concentrazione di 200-300 mg/Nm³ di solventi: un impianto rigenerativo di 35.000 Nm³, in queste condizioni, implicherebbe grandi consumi di gas (metano), economicamente e ambientalmente poco sostenibili.
In questi casi installiamo dei sistemi, i rotoconcentratori (a base di zeoliti), a cui inviamo il flusso d’aria da depurare prima del suo ingresso nell’RTO, per ottenere maggiori concentrazioni di solvente, in modo che il flusso concentrato, bruciando nella camera di combustione dell’RTO, permette di raggiungere le temperature ottimali prima definite, senza la necessità di utilizzare metano, cioè in modo che il nostro RTO depuri in “autosostentamento”. Nel caso preso come esempio, se concentriamo con un rapporto 10 a 1 possiamo portare la concentrazione da 300 mg a 3 g, cosicchè l’RTO lavori in autosostentamento, azzerando i consumi di gas.
Un rotoconcentratore tipico per la situazione ipotizzata è progettato per lavorare all’80% in assorbimento, il restante in disassorbimento.
Studio analitico e progettazione su misura
Va qui sottolineato che ogni caso richiede un’analisi dei flussi da depurare e una conseguente progettazione specifica del sistema di depurazione, in modo da ottenere l’efficienza termica ottimale.
Nell’immagine presentiamo il caso che abbiamo affrontato per depurare i flussi contenenti COV di un tubettificio. L’analisi dei flussi da depurare ha messo in evidenza la presenza di flussi provenienti da due linee diverse, caratterizzati in modo significativamente differente, un flusso freddo da 45.000 Nm³ e uno caldo da 45.000 Nm³, per un totale di 90.000 Nm³/ora.
I due flussi sono inviati in modo differente all’RTO: quello proveniente dalla linea calda va direttamente all’RTO, perché tecnicamente non è possibile trattare con il rotoconcentratore un flusso con le temperature tipiche di questo caso; la linea fredda va invece al rotoconcentratore, caratterizzato da un rapporto di concentrazione elevato (14:1), per ottenere un flusso con concentrazione di sovente tale da ottenere comunque il livello necessario all’autosostentamento.
Un esempio di RTO installato per depurare flussi d’aria contaminata a temperature differenti (flusso caldo e freddo). Con una particolare conformazione del rotoconcentratore, dotato di numerosi bypass, s’invia il flusso caldo direttamente all’RTO mentre si concentra il solvente contenuto nel flusso freddo. Complessivamente il flusso totale è di 90.000 Nm3/ora con una concentrazione sufficiente per ottenere il funzionamento dell’RTO in autosostentamento.
Apporto energetico
Per arrivare alla temperatura operativa – prima di operare in autosostentamento o quando si ha una riduzione della concentrazione solventi nel flusso da trattare – l’RTO ha bisogno di un apporto energetico.
Sono disponibili diverse fonti energetiche, gassose, liquide ed elettriche.
1. Gassose (+ aria)
- metano (che oggi attraversa una fase critica per prezzi e approvvigionamento)
- gpl (prezzi e approvvigionamento, fluttuanti)
- biogas (interessante soluzione se si è in grado di autoprodurlo)
- idrogeno (interessante se si è in grado di autoprodurlo con fonte fotovoltaica: 1 kg di idrogeno si produce con circa 55kW e il suo potere calorico è di 3.35 kWh, contro i 10 kWh del metano). In alcuni casi, e per risolvere problemi tipici di grandi produttori di CO2, abbiamo installato sistemi con bruciatori a idrogeno. Tuttavia, se non è possibile ottenere idrogeno per idrolisi dell’acqua con energia proveniente da fonti rinnovabili (tipicamente, fotovoltaico), i costi sono ancora molto elevati.
2. Liquide (+ aria)
- gasolio
- BTZ.
3. Elettricità
- Green RTO
L’RTO elettrico è la più recente nostra proposta.
Permette di ottenere alte efficienze termiche, 98–98,2% – non è necessario, in questo caso, richiamare aria comburente e di controllo delle temperature delle teste dei bruciatori – senza produrre CO2 (e NOx) addizionale rispetto a quella prodotta dall’ossidazione termica dei soli solventi.
Con un potere calorico di 7700 kcal/kg di solvente, una concentrazione di 500 mg/Nm³/ora di solvente, l’RTO lavora in autosostentamento.
Inoltre, si può chiudere l’impianto, tutte le valvole, perché la camera superiore è chiusa, non c’è l’attacco del bruciatore e gli 800-850 °C rimangono stabili senza particolari fluttuazioni. E ancora, l’impianto richiede minore manutenzione, dato che non ci sono più i bruciatori, controlli di fiamma, rampe gas con relative valvole e pressostati.
L’uso ottimale di questa soluzione si attiene collegando l’RTO all’impianto fotovoltaico, se esistente.
Fuori dall’Italia il sistema è particolarmente interessante nelle aree dove il prezzo dell’energia è particolarmente conveniente, penso alla Francia o alla Spagna, per esempio, dove sono prevalenti e abbondanti fonti energetiche nucleari e naturali (fotovoltaico ed eolico).
- Recupero energetico dai flussi depurati
I flussi in uscita contengono energia calorica che può (deve!) essere recuperata. L’incremento di temperatura del flusso d’aria depurato rispetto a quello d’entrata dipende da diversi fattori, efficienza dell’impianto, concentrazione dei solventi in entrata in g/Nm3, loro potere calorifico in kcal/kg. Esistono diversi modi per recuperarla, anche in questo caso la scelta è frutto di un’analisi accurata del flusso in uscita e delle esigenze energetiche dei processi dell’azienda che installa l’RTO:
- mediante scambiatori aria-olio diatermico
- mediante scambiatori aria-aria o aria acqua, a seconda della necessità del cliente.
Con uno scambiatore aria-aria possiamo restituire aria calda alla cabina di verniciatura, a ciclo continuo. Con uno scambiatore aria-acqua, produciamo acqua calda per il riscaldamento dei bagni di pretrattamento a caldo o dello stabilimento o degli uffici.
In determinati casi è anche possibile recuperare calore sia dalla camera di combustione (800 °C), per portare l’olio diatermico a una temperatura tra i 180 e il 200 °C, sia dai flussi in uscita, per scaldare ulteriormente l’olio diatermico (a 220 °C), e passare così dagli 800 °C della camera di combustione ai 235 °C del flusso depurato in uscita dal camino.
