Gli off-gas primari derivano dalla fase di fusione del forno (power-on time) e costituiscono il 95% delle emissioni totali di un EAF. Vengono captati all’85-90% dal 4° foro, l’apertura che mette in comunicazione il forno con il resto della linea di adduzione fumi12, o dal 2° foro nei forni a un solo elettrodo. Vi sono tuttavia degli impianti che non utilizzano il 4° foro, ma direttamente la doghouse13, una costruzione che riveste completamente il forno catturandone anche le emissioni secondarie e prevista di adeguati sistemi di estrazione dei fumi [6, p. 430].
Il circuito primario è costituto da condutture appositamente raffreddate (WCD) per sopportare le sollecitazioni termiche e da diversi sistemi di trattamento (settling chamber e FDC/NDC o QT) come descritto al paragrafo 4.1.1.
I fumi primari sono caratterizzati da basse portate, elevate temperature e alta polverosità.
Caratteristiche chimico-fisiche dei fumi primari 3.2.1
I componenti principali dei fumi primari sono le polveri; oltre a queste si rilevano gas quali CO, CO2, N2, NOx, O2, H2, e H2O, trascurando una percentuale molto bassa di altri gas (composti volatili). La variabilità di tali concentrazioni obbliga a considerare periodi di misura molto ampi, generalmente paragonabili a un ciclo TTT.
Tabella 3 - Parametri di composizione riscontrabili in polveri di acciaierie elettrica. Fonte: [25].
Parametro Valore max Valore min
Ph (1:10 in acqua) 8.5 11.8 Densità apparente [kg/dm3] 0.5 1.0 Perdita in peso a 105°C [%] <1 12 Perdita in peso a 850°C [%] 1.1 5.4 Calcio [%] 2.1 6.6 Magnesio [%] 0.9 4.6 Sodio [%] 1.3 5.4 Ferro [%] 17 30 Manganese [%] 0.3 4.5 Silicio [%] 0.5 1.8 Piombo [%] 1.5 5.8 Zinco[%] 15 33 Cloruri [%] 1.6 4.5 Alluminio [%] <0.1 0.5 Cadmio [mg/kg] 20 900 Cromo III [mg/kg] 500 4000 Cromo VI [mg/kg] <1 13500 12 Si veda nota 11.
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Parametro Valore max Valore min
Nichel [mg/kg] 100 4000
Rame [mg/kg] 1500 3500
Stagno [mg/kg] 200 900
Mercurio [mg/kg] <0.5 35
La Tabella 4 indica le possibili percentuali in cui possono essere presenti i gas costituenti nel forno valutati all’uscita del 4° foro, prima dei processi di diluizione che si verificano al gap, il punto di interruzione nel condotto della linea di captazione dei fumi primari per l’aspirazione di aria esterna14. Tabella 4 - Principali componenti gassosi presenti nei fumi primari. Fonte: [26].
Elemento CO CO2 H2 H2O N2
Concentrazione [%] 20-50% 10-30% 0-40% 10-20% 20-50%
I risultati forniti da Maurer et al. [26] sono in parziale accordo con quanto sostenuto da Tang et al. [27]: le maggiori discrepanze si constatano nei contenuti di CO, per i quali i risultati di Tang et al. prevedono concentrazioni prossime al 13-23%, questo probabilmente a seguito di maggiori portate di ossigeno insufflato nel forno. I dati sperimentali ottenuti da Januard et al. [28] e da Grant [29] concordano pienamente con quanto definito in [26].
La dipendenza dei componenti gassosi dalle condizioni operative e dalle caratteristiche dell’acciaio prodotto è evidente negli studi condotti da Kirschen et al. [30] su acciai inossidabili, riportati in Figura 17 - Figura 18 - Figura 19 - Figura 20. La variabilità delle concentrazioni delle specie gassose in funzione delle condizioni operative e delle dimensioni del forno non consente di creare un modello unico in grado di stimare rigorosamente portate e concentrazioni, ma permette di definire solo dei range di variazione di tali grandezze.
Il controllo del tasso di ossigeno negli off-gas non è considerato dalla letteratura anche se è un parametro chiave della marcia del forno, come descritto ai paragrafi 2.5.4 e 2.5.5, e il suo monitoraggio è di secondaria importanza nei sistemi di controllo delle emissioni (sistemi ALARC-PC®). Quando viene insufflato nel forno (1600 °C) l’O2 reagisce istantaneamente con la CO; il suo valore resta pressoché costante, intorno al 20%.
Per quanto riguarda l’idrogeno, la sua percentuale di presenza nei fumi dipende strettamente dalle condizioni operative del forno e va monitorata con particolare attenzione per scongiurare la presenza di sacche deflagranti nella linea di adduzione fumi: è importante agire con un’efficace post-combustione nella camera di sedimentazione, posta a valle del forno15. L’idrogeno è generato a seguito dei processi di dissociazione dell’acqua presente nella carica sotto forma di umidità, ovvero di
14 Gap: si veda la descrizione al paragrafo 4.1.1.2.
perdite dell’impianto water jacket del forno e dei sistemi di raffreddamento degli elettrodi, nonché da carenze di ossigeno per bruciare il gas naturale insufflato nel forno. Il tasso di H2 scende a valori inferiori all’1% se le operazioni di fusione avvengono senza bruciatori ausiliari, ma con grandi volumi d’aria di filtrazione.
Le percentuali di CO e CO2 nei fumi variano ciclicamente in funzione delle operazioni di caricamento del forno (apertura/chiusura della volta). L’emissione di CO è favorita non soltanto dall’iniezione di ossigeno dalle lance durante la fusione/affinazione, ma anche nelle prime fasi della fusione del rottame dalla combustione degli idrocarburi (oli, lubrificanti, grassi, ecc.) e del carbone additivato presenti nella carica, mentre durante l’intero ciclo TTT è prodotta dalla dissociazione di calce e CO2 (reazione di Boudouard tra 800-1000 °C), nonché dall’usura degli elettrodi.
L’ossigeno atmosferico filtrato all’interno del forno dalle luci degli elettrodi e dal gap tra volta e tino ossida parzialmente la CO in CO2 e reagisce con l’H2 formando H2O. Processi di ossidazione ben più violenti si verificano nella camera di sedimentazione, dove la CO è quasi completamente convertita in CO2; la CO residuale nei fumi è inferiore allo 0.5% [6, p. 423].
Risultati in sintonia con la letteratura esaminata sono stati registrati anche da Nardin et al. [31] durante misurazioni sperimentali su forni dalle dimensioni analoghe (diametro: 5.3 m).
La quantità di NOx prodotti da un ciclo fusorio dipende strettamente dallo specifico processo di combustione al quale è stata sottoposta la carica: in base ai dati forniti dall’Environmental Protection Agency (EPA)16 nel 2003 si ha una produzione di 0.4 kg NOx /t di acciaio spillato.
La quantità di N2, rilevata dai sensori di misura, nei fumi al 4° foro, è un indice della quantità di aria falsa aspirata dal forno dalle luci presenti sulla volta del forno e al gap tra tino e la volta stessa e in genere la percentuale è prossima al 50% [26].
16 L’Environmental Protection Agency (EPA) è il principale ente di protezione ambientale degli Stati Uniti. Tra i suoi compiti rientra quello di mettere in atto le leggi emanate in favore della protezione ambientale [88].
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Figura 17 - Composizione gas primari (lancia a ossigeno 6.8 m3/t; polverino di carbone 0 kg/t; diametro forno
6.9 m. Fonte: [30].
Figura 18 - Composizione gas primari (lancia ad ossigeno 20.2 m3/t; polverino di carbone: 0 kg/t; diametro
Figura 19 - Composizione gas primari (lancia ad ossigeno 7.1 m3/t; polverino di carbone: 6.0 kg/t; diametro forno: 5.9 m. Fonte: [30].
Figura 20 - Composizione gas primari (lancia ad ossigeno 30.5 m3/t; polverino di carbone: 21 kg/t diametro
forno: 5.8 m. Fonte: [30].
Portata dei fumi primari 3.2.2
Come valore indicativo, si possono stimare 1000 Nm3/h di fumi dal 4° foro per tonnellata di acciaio liquido spillato [32]. Per la determinazione della portata è comunque possibile affrontare il problema in maniera scientifica, basandosi su considerazioni derivanti da semplici reazioni chimiche di ossidazione e si può stimare che il volume finale dei fumi sia pari a sei volte il volume di ossigeno iniettato. Tuttavia, le condizioni di combustione sono complesse, altamente condizionate dalle cinetiche di reazione e dalle caratteristiche chimiche dei soggetti interessati alle reazioni stesse, in particolare alla qualità del rottame; non è quindi possibile calcolare la combustione fino a limiti così
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accurati. Perciò, per il dimensionamento degli impianti di depurazione fumi si assume generalmente una portata pari a 15 volte il volume di ossigeno iniettato.
Temperatura dei fumi primari 3.2.3
Per quanto concerne l’andamento della temperatura dei fumi primari si può fare riferimento agli studi condotti da Nyssen et al. [33] nei quali viene illustrata la dipendenza di tale grandezza fisica in funzione della marcia del forno. Anche la temperatura, così come la composizione, non assume valori ben definiti durante il ciclo TTT: il ricorso a sistemi di simulazione, basati sulla misurazione delle concentrazioni di specie chimiche “indicatori” (tasso di CO, CO2, H2) presenti negli off-gas consente di prevederne l’andamento con buona accuratezza, al fine di una corretta gestione del forno e di un controllo della qualità dell’acciaio prodotto.
L’importanza di una corretta stima delle caratteristiche termiche dei fumi è di fondamentale importanza per il dimensionamento dei condotti di adduzione, necessari per convogliare gli effluenti gassosi nella linea di aspirazione e trattamento la presenza di picchi di temperatura, prossimi ai 1500-1600 °C nei primi tratti, impone scelte di materiali e tecnologie in grado di rispondere adeguatamente a tali sollecitazioni.
La Figura 21 ben rappresenta il fatto di come il processo definisca l’andamento delle temperature degli off-gas e ne caratterizzi la grande variabilità.
Figura 21 - Variazione della temperatura dei gas primari durante un ciclo TTT: andamento reale e ottenuto con programma CRM. Fonte: [33].