IT202000013108A1 - Procedimento di separazione dell'ammoniaca da acque reflue e suo smaltimento attraverso combustione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell?invenzione avente per TITOLO:

?Procedimento di separazione dell'ammoniaca da acque reflue e suo smaltimento attraverso combustione?

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione si riferisce a un procedimento per rimuovere l?ammoniaca presente nelle acque reflue industriali, civili, agricole o agroalimentari e per il suo successivo smaltimento attraverso la sua combustione in sistemi originalmente pensati per la produzione di energia, come caldaie, turbine a gas, motori a combustione interna.

Caso particolare di applicazione si ha nei processi di produzione di biogas, in cui ? necessario ridurre il contenuto di ammoniaca nei bioreattori, in modo da incrementare la produttivit? della coltura batteria, riducendo la loro intossicazione ed aumentandone quindi la loro produttivit?. Altra necessit? di questo campo specifico ? ridurre il contenuto di ammoniaca anche dal digestato in uscita da tali processi, per poter essere smaltito pi? facilmente o riutilizzato.

STATO DELL'ARTE

Esistono diversi sistemi di separazione dell'ammoniaca, come ad esempio i processi di stripping, ove si insuffla aria al refluo per produrre una forte turbolenza e per catturare nella corrente gassosa in uscita l?ammoniaca prima disciolta nel liquido.

Tale corrente gassosa, di consistente volume per la diluizione con aria, deve essere pretrattata e smaltita come refluo gassoso, generando un costo.

L?ammoniaca contenuta pu? essere rimossa dal gas e trasformata in un prodotto secondario, es. un fertilizzante solido o liquido, il cui valore economico pu? essere limitato, se confrontato con i costi di investimento e operativi dei processi di trasformazione.

Diversi studi hanno sperimentato con successo l'utilizzo dell'ammoniaca come vettore energetico alternativo ai combustibili tradizionali da utilizzarsi nelle macchine termiche riadattate (motori a combustione interna, turbine a gas, ecc.). La bassa velocit? di fiamma la rende un combustibile meno facile di quelli tradizionali, come il metano o la benzina. Gli studi citati propongono di non utilizzare l'ammoniaca pura, ma di addizionarla con altri combustibili ad alta velocit? di fiamma, come l'idrogeno, ad esempio nella quantit? del 5%.

Negli stabilimenti che includono processi di depurazione o per la produzione di biogas sono spesso annessi anche sistemi termici o macchine termiche che bruciano gas, per la produzione di elettricit? e/o calore, necessari per il processo stesso e/o come energia da utilizzarsi altrove. Il combustibile utilizzato pu? essere ad esempio metano o il biogas prodotto in loco.

L'ammoniaca ha inoltre un potere calorifico di 18.5 MJ/kg che pu? essere energeticamente valorizzato.

Per la sua tossicit? e potenziale di inquinamento, l'ammoniaca non pu? essere scaricata nell'ambiente liberamente, ma la corrente fluida che la contiene deve essere trattata, con gli opportuni processi aggiuntivi, prima dello scarico.

Alternativamente l'ammoniaca pu? essere trasformata in un prodotto per riutilizzo o vendita, come i fertilizzanti.

Pur avendo l'ammoniaca un potenziale fertilizzante, ci sono limiti sulla quantit? di composti azotati per ettaro che possono essere sparsi nei terreni. L'attuale concentrazione di allevamenti in alcune zone, causa un eccesso di composti azotati (urea, ammoniaca) prodotto dalle deiezioni rispetto a quanto i terreni possono ricevere come fertilizzante.

Entrambe le soluzioni, smaltimento o produzione di composti secondari, causano costi di investimento e di gestione significativi.

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

Con riferimento alla figura 1, viene mostrato come esempio di applicazione ad un processo per la produzione di biogas (A), ma l'invenzione si applica anche ad altri processi (vd. figura 2) che producono reflui ricchi di ammoniaca, per cui ? necessaria la successiva fase di separazione (B). Con riferimento a entrambe le figure 1 e 2, con (C) si intende il sistema a combustione per la produzione di energia, come un motore a combustione interna, una turbina a gas oppure una caldaia per la sola produzione di calore.

I processi per la produzione di biogas, come indicato in figura 1, sono generalmente alimentati (1) con una frazione o 100% di liquami e deiezioni provenienti da allevamenti, che apportano un gran quantitativo di ammoniaca. Il caso pi? significativo ? quello delle deiezioni avicole, che hanno un alto contenuto di ammoniaca, la quale quindi deve essere separata anche gi? in fase di alimentazione o nei bioreattori, poich? essa ? tossica per i batteri adibiti per la produzione di biogas, inibendone la produttivit?.

Una piccola parte di ammoniaca si libera gi? all'interno dei bioreattori e fa parte del biogas prodotto (2) che viene alimentato nei motori a combustione interna, caso particolare della fase (C), per la produzione di energia. In questo caso la separazione (B) pu? essere intesa come un'unit? che favorisce tale liberazione di ammoniaca dal digestato (3), la quale inoltre si trova in parte mescolata anche con altri gas, tra cui combustibili (es. metano) residui nel digestato (3), contribuendo ulteriormente all'apporto energetico al motore (C).

La figura 3 mostra pi? in dettaglio la fase di separazione (B).

Il metodo pi? semplice di separazione gas / liquido ? per gravit?, sfruttando la diversa densit? dei due fluidi. A tale scopo si utilizzano le colonne di separazione, vd. (E) in figura 3, La presenza di piatti dentro tale colonna (12), permette di aumentare il tempo di residenza del refluo in colonna, favorendo la completa separazione del gas sotto forma di bolle ancora trascinate nel liquido. Pi? in dettaglio il liquido, entrando dall?alto e cadendo nel primo piatto, si accumula in esso per un livello determinato dallo sfioratore (11), per poi tracimare e cadere sul piatto successivo e cos? via.

Un vuoto in colonna, indotto ad esempio da una soffiante o una pompa a vuoto (D), e l'innalzamento della temperatura, grazie ad esempio allo scambio termico con il calore proveniente dal sistema a combustione (10) favoriscono fluidodinamicamente e termodinamicamente la separazione. Il passaggio di calore (10) pu? essere conseguito prima di entrare in colonna, tramite lo scambio termico (F), oppure all?interno della colonna tramite uno o pi? serpentini (G) installati in corrispondenza dei piatti.

Il vantaggio di questo processo rispetto al classico stripping con aria ? l'evitare l'immissione di altro fluido (aria) che va a diluire il gas ricco di ammoniaca e rendere l?ammoniaca pi? difficile da trattare o smaltire a valle. Inoltre anche il liquido si arricchisce di ossigeno e, nel caso si attui un ricircolo della frazione liquida depurata verso un bioreattore, si va a turbare le condizioni anaerobiche necessarie per la bioreazione.

L'invenzione propone di impiegare la separazione per gravit? e sotto vuoto (B), con contemporaneo riscaldamento, e di utilizzare la corrente gassosa ricca di ammoniaca prodotta (4) nel sistema a combustione (C), con le tre opzioni possibili: (opzione BG) mescolandola al biogas (2) per l'invio all'alimentazione del combustibile (C); (opzione AC) mescolandola all'aria comburente (7);

(opzione GS) mescolandola con i gas di scarico combusto che, avendo alta temperatura (anche 500?C), eventualmente con l?ausilio di un catalizzatore, causa la combustione dell'ammoniaca e degli atri gas combustibili residui.

In genere la corrente gassosa ricavabile dalla separazione (4) ? di piccola entit? se paragonata al biogas (2) e ancor di pi? all'aria comburente (7), per cui l'invenzione ? applicabile anche a processi esistenti, con piccoli riadattamenti o ritarature del sistema a combustione (C).

La figura 2 mostra un?analogo procedimento, nel caso di applicazione a processi generici che producono un refluo ricco di ammoniaca, che ? necessario rimuovere e smaltire.

I vantaggi fondamentali di questa invenzione sono: poter utilizzare apparecchiature gi? presenti in stabilimento (caldaie o macchine termiche come i motori a combustione interna) per eliminare tramite combustione l'ammoniaca proveniente dalla separazione; evitare i costi di investimento e operativi necessari per rimuovere o recuperare l'ammoniaca dai fluidi in uscita dal processo principale; l'impiego di un separatore che, grazie a vuoto, calore e differenza di densit? tra gas e liquido, produce un gas non addizionato con aria. Infine tale processo recupera il calore prodotto dal sistema a combustione come ausilio alla separazione, anche se ? possibile comunque usare calore proveniente da altre sorgenti o recuperi.

Claims (5)

RIVENDICAZIONI dell?invenzione avente per TITOLO: ?Procedimento di separazione dell'ammoniaca da acque reflue e suo smaltimento attraverso combustione? RIVENDICAZIONI

1. Un procedimento di separazione e smaltimento dell?ammoniaca da un refluo liquido industriale, civile, agricolo o agroalimentare, comprendente le seguenti fasi:

(a) portare il refluo contente ammoniaca a condizioni di pressione operativa sotto vuoto, tramite l?uso di una pompa da vuoto o soffiante, e riscaldarlo, tramite uno scambio termico con un fluido caldo di servizio o di recupero termico; tale scambio termico pu? avvenire in testa al processo di separazione, tramite scambiatore di calore indipendente, e/o tramite serpentini integrati al recipiente di degasaggio;

(b) inviare il refluo in un recipiente di degasaggio, costituito da una colonna cilindrica e fondo conico, munita internamente di piatti orizzontali; tali piatti hanno un?apertura, chiamata anche discendente, confinata da una barriera, chiamata sfioratore, il quale permette di determinare il livello di liquido sul piatto e far tracimare per troppo pieno il refluo da un piatto a quello inferiore; in questa fase di degasaggio il refluo liquido rilascia buona parte dei gas disciolti, tra cui l?ammoniaca, producendo conseguentemente una fase gassosa che li contiene;

(c) scaricare da detto recipiente separatore da una parte il refluo liquido impoverito di ammoniaca, e dall?altra un gas ricco di ammoniaca; (d) mescolare il gas ricco di ammoniaca con un gas combustibile poi alimentato ad un sistema a combustione, come un motore a combustione interna, oppure una turbina a gas, oppure una caldaia; l?ammonica presente nel gas, essendo anch?essa combustibile, viene eliminata per combustione;

2. procedimento in accordo alla rivendicazione 1, in cui il gas ricco di ammoniaca prodotto viene mescolato con il gas di scarico del detto sistema a combustione;

3. procedimento in accordo alla rivendicazione 1, in cui il gas ricco di ammoniaca prodotto viene mescolata ad aria, per poi essere alimentato come comburente al detto sistema a combustione;

4. procedimento in accordo alle rivendicazioni 1, oppure 1, 2, oppure 1, 3, in cui il refluo liquido ? un digestato proveniente da un processo di produzione di biogas;

5. procedimento in accordo alle rivendicazioni 1, 4, oppure 1, 2, 4 oppure 1, 3, 4, in cui il detto refluo liquido impoverito di ammoniaca viene ricircolato nel fermentatore del processo per la produzione di biogas; 6. procedimento in accordo alle rivendicazioni 1, oppure 1, 2 oppure 1, 3 in cui il refluo liquido ? proviene da un processo di pretrattamento di acque reflue