Efficienza di abbattimento di polveri e composti organici nel trattamento dei fumi: evidenze da prove strumentali al camino

Riassunto

Scopo. Valutare l'efficienza di abbattimento di polveri e composti organici in tre insiemi di prove strumentali al camino, suddivisi per configurazione di trattamento: solo abbattitore ad acqua (gruppo A), filtrazione e filtrazione con filtro elettrostatico su un processo di tostatura (gruppi B e C), e cottura alla griglia con trattamento (gruppo D).

Metodi. Prelievi isocinetici con tubo di Pitot, polveri per via gravimetrica (UNI EN 13284-1), carbonio organico totale con rivelatore a ionizzazione di fiamma (UNI EN 12619), speciazione organica (UNI CEN/TS 13649), portate secondo UNI 10169 e UNI EN ISO 16911-1, ozono con metodo OSHA 214. L'abbattimento è calcolato in concentrazione e in flusso di massa.

Risultati. Con il solo abbattitore ad acqua le polveri sono scese da 516,5 a 24,8 mg/Nm³ (95,2 % in concentrazione, 93,6 % in massa). Con la filtrazione l'abbattimento rispetto alla prova senza trattamento è stato 42-72 % per le polveri e 73-79 % per il COT; la configurazione con raffreddamento, filtro e filtro elettrostatico ha dato 2,3 mg/Nm³ di polveri e 10,8 mg/Nm³ di COT. Nel gruppo D polveri 3,2 mg/Nm³, composti organici 17 mg/Nm³, ozono <0,05 mg/Nm³.

Conclusioni. Il trattamento riduce in modo misurabile entrambe le classi di inquinanti, con differenze tra le configurazioni. Un solo prelievo per configurazione e prelievi non simultanei limitano la portata delle conclusioni; il confronto con i limiti regionali e locali dipende dal riferimento di ossigeno dell'autorizzazione.

Parole chiave: abbattitore ad acqua, filtro elettrostatico, polveri, composti organici volatili, emissioni in atmosfera, tostatura, efficienza di abbattimento.

1. Introduzione

L'efficienza di un sistema di abbattimento si dimostra solo misurando gli inquinanti prima e dopo il trattamento, con metodi normati e riportando i risultati in un rapporto di prova. Questo lavoro raccoglie tre insiemi di rapporti di prova al camino eseguiti da laboratori esterni tra il 2014 e il 2024, li ordina per tecnologia e ne ricava la percentuale di abbattimento in concentrazione e in flusso di massa.

Le misure riguardano due tipi di effluente: i fumi di un impianto di combustione trattati con un abbattitore ad acqua, e i fumi di un forno di tostatura del caffè trattati con filtri e con un filtro elettrostatico. Le prove sono identificate solo dal numero del rapporto e dalle norme tecniche applicate; i soggetti e i luoghi non sono indicati.

Gli obiettivi sono quattro: riportare i dati con il relativo metodo, calcolare l'abbattimento, discutere i limiti dei confronti possibili e collocare i valori nel quadro normativo che regola le emissioni di questa attività.

2. Materiali e metodi

Tutte le misure sono state eseguite al camino da laboratori di prova esterni, con le norme UNI EN, UNI e OSHA riportate nei rapporti. La tabella associa a ogni parametro il metodo e i gruppi in cui compare.

2.1 Condizioni di prelievo

Gruppo A. Sezione di prelievo circolare di 0,30 m di diametro (0,070 m²), impianto in normali condizioni di esercizio. Due prelievi di 30 minuti nello stesso giorno (02/12/2014), a monte (14:53-15:23, 0,565 Nm³ aspirati) e a valle (15:33-16:03, 0,508 Nm³) dell'abbattitore.

Gruppi B e C. Sezione circolare di 0,20 m di diametro (0,031 m²), prelievi del 19/07/2024 a pieno carico (100 %) e condizioni di conduzione costanti, con sonda isocinetica e tubo di Pitot di tipo S. La velocità è misurata in tre punti (affondamento 5, 10 e 18 cm). Il COT è rilevato in continuo con analizzatore FID, i gas di combustione con analizzatore dedicato, i composti organici su fiale a desorbimento termico (2-5 L campionati). Le quattro prove coprono la fascia 11:35-16:10 della stessa giornata. Il riferimento legislativo dichiarato è il D.Lgs. 152/2006.

Gruppo D. Sezione circolare di 0,30 m di diametro, prelievo del 07/06/2019 dalle 10:30 alle 13:10, nelle condizioni di esercizio più gravose (cottura alla griglia con massimo utilizzo).

2.2 Configurazione delle prove di tostatura

La configurazione di ciascuna prova è quella indicata nel campo "impianto di abbattimento" del rapporto: nessun trattamento per la prova 241972.003, "filtri" per la 241972.002, "filtro + elettrofiltro" per la 241972.001 e "filtro + filtro elettrostatico" per la 241972.004. L'intestazione del rapporto 241972.001 riporta "senza elettrofiltro", in contrasto con il campo impianto: lo studio adotta la configurazione del campo impianto, coerente con l'andamento delle concentrazioni.

2.3 Calcolo dell'abbattimento

L'abbattimento in concentrazione è la riduzione percentuale rispetto al valore a monte. L'abbattimento in flusso di massa tiene conto anche della portata normalizzata secca di ciascun punto, perché una portata maggiore a valle diluisce la concentrazione senza ridurre la massa emessa.

Per il gruppo A, Cin e Cout sono le concentrazioni a monte e a valle. Per i gruppi C, Cin è la concentrazione della prova senza trattamento (241972.003). La concentrazione riportata a un ossigeno di riferimento si ottiene con la relazione seguente.

I rapporti del gruppo A riportano l'incertezza estesa delle polveri (k = 2, livello di fiducia 95 %), usata per calcolare l'intervallo dell'abbattimento nel caso peggiore e nel migliore. I rapporti 2024 dichiarano che l'incertezza viene fornita su richiesta e valutano la conformità sul valore refertato, senza considerarla; per questo i valori dei gruppi B e C sono riportati senza intervallo.

3. Risultati del gruppo A: abbattitore ad acqua

Le polveri totali scendono da 516,5 a 24,8 mg/Nm³, con un abbattimento del 95,2 % in concentrazione e del 93,6 % in flusso di massa. I valori misurati sono nella tabella; le grandezze calcolate sono indicate come tali.

La portata effettiva è il prodotto della velocità media per la sezione di 0,070 m². Riportata a condizioni normali con temperatura, umidità e pressione dei rapporti, coincide con la portata secca dichiarata entro il 2 % (circa 688 contro 700 Nm³/h a monte, 923 contro 930 a valle).

Il calo di temperatura di 41 °C è coerente con l'azione di raffreddamento e lavaggio ad acqua del flusso. La differenza tra i due abbattimenti, 1,6 punti percentuali, dipende solo dalla portata più alta rilevata a valle (+32,9 % in Nm³/h secchi, +19,5 % in m³/h effettivi); la discussione ne esamina le cause possibili.

4. Risultati dei gruppi B e C: tostatura senza trattamento, con filtri e con filtro elettrostatico

Rispetto alla prova senza trattamento, i filtri riducono le polveri del 42 % e il COT del 73 %; aggiungendo il filtro elettrostatico si arriva al 72 % sulle polveri e al 79 % sul COT. Le prove sono state eseguite il 19/07/2024 sullo stesso camino; la tabella riporta tutti i valori misurati.

4.1 Abbattimento rispetto alla prova senza trattamento

Il filtro elettrostatico aggiunge 29,4 punti percentuali sulle polveri, 6,4 sul COT e 14,1 sui composti speciati. Il flusso di massa della configurazione C2 è calcolato con la portata di 210 Nm³/h, superiore del 14 % a quella delle prove 241972.002 e 241972.003.

4.2 Speciazione dei composti organici (mg/Nm³)

Il trattino indica un composto non riportato nel rapporto per quella prova. Nelle tre prove di tostatura le tre aldeidi (acetaldeide, 2-metilpropanale, 2-metilbutanale) e il 2-furfuriltiolo compaiono solo senza trattamento. I campioni di speciazione sono di 2-5 litri: il dato identifica i composti presenti e ne dà l'ordine di grandezza.

4.3 Gas di combustione e prova di raffreddamento

CO e NOx sono molto bassi per tutte le prove: da 1,4 a 4,5 mg/Nm³ il CO e da 0,1 a 0,6 mg/Nm³ gli NOx, senza andamento legato al trattamento. L'ossigeno misurato, 20,3-20,4 %, indica un effluente molto diluito, vicino alla composizione dell'aria ambiente. CO2, SOx e acidi non sono stati determinati.

La prova 241972.004 riguarda la fase di raffreddamento, con portata di 2100 Nm³/h e velocità di 23 m/s: non è confrontabile con le prime tre. Le sue concentrazioni sono più basse in parte per effetto della diluizione. Il flusso di massa del COT (22,7 g/h) è infatti più alto di quello delle prove 241972.001 e 241972.002 (7,69 e 8,84 g/h), pur con una concentrazione inferiore.

5. Risultati del gruppo D: ozono, polveri e VOC al punto di emissione

Al punto di emissione di un sistema di abbattimento di fumi e odori l'ozono è risultato inferiore al limite di quantificazione del metodo, 0,05 mg/Nm³. Polveri e composti organici volatili sono misurati nello stesso prelievo, come mostra la tabella.

Il simbolo "<" indica un valore inferiore al limite di quantificazione: il flusso di massa riportato (0,000043 kg/h) è il prodotto di quel limite per la portata secca, 0,05 mg/Nm³ × 865 Nm³/h. Il risultato significa quindi "non quantificabile" e non "assente". Il limite equivale a circa 0,023 ppm in condizioni normali (0 °C, 1 atm).

La misura è un'analisi al camino con metodo OSHA 214:1995 su un punto di emissione. Non è una prova di emissione di ozono di un apparecchio in camera di prova secondo UL 867, che ha un'altra geometria, un altro volume e un altro limite (0,050 ppm in ambiente di prova).

In questo gruppo esiste un solo punto di prelievo, a valle del sistema: i rapporti non contengono un valore a monte e quindi non è possibile calcolare una percentuale di abbattimento.

6. Discussione

I dati mostrano abbattimenti compresi tra il 42 % e il 95 %, ma ogni confronto è limitato da come le misure sono state organizzate. Questa sezione ne indica le cause e l'effetto sui risultati.

6.1 Prelievi non simultanei e portata (gruppo A)

I prelievi a monte e a valle sono stati eseguiti in due fasi successive (14:53-15:23 e 15:33-16:03), con un intervallo di dieci minuti. La non simultaneità è la spiegazione più probabile della differenza di portata tra i due punti (700 e 930 Nm³/h secchi), perché le condizioni dell'impianto possono variare tra una fase e l'altra. A sostegno di questa lettura, le incertezze delle portate umide (±150 e ±200 Nm³/h) si sovrappongono: 780 + 150 = 930 Nm³/h a monte e 1060 − 200 = 860 Nm³/h a valle.

Un aumento reale della portata sarebbe in contrasto con il raffreddamento: a 43 °C invece di 84 °C la stessa massa di gas occupa l'88,5 % del volume ((273+43)/(273+84)), mentre la velocità è salita del 19,5 %. La massa emessa non aumenta in nessun caso: 361,6 g/h a monte e 23,1 g/h a valle. L'effetto della portata sul risultato è limitato a 1,6 punti percentuali (95,2 % in concentrazione, 93,6 % in massa).

6.2 Un riferimento non simultaneo anche nei gruppi B e C

La prova senza trattamento (241972.003) e quelle con trattamento sono state eseguite in orari diversi, tra le 11:35 e le 15:34. L'emissione di un forno di tostatura varia con la fase del ciclo e con il lotto; i rapporti non indicano la fase di ciascun prelievo. La differenza tra le prove comprende quindi l'effetto del trattamento e, in misura non quantificabile, quello della variabilità del processo. Un solo prelievo per configurazione impedisce di stimare la ripetibilità.

6.3 Polveri, massa raccolta e incertezza

L'aumento di massa dei filtri è di 0,7-2,5 mg su volumi di 0,05-0,32 Nm³. Con masse così piccole l'incertezza relativa sulle polveri è più alta che sul COT, e le percentuali di abbattimento delle polveri hanno un margine più ampio delle altre. I rapporti non riportano l'incertezza per queste prove.

6.4 Ossigeno di riferimento

L'ossigeno misurato nelle prove di tostatura è 20,3-20,4 %: l'effluente è quasi aria ambiente. I limiti di legge di questa attività sono riferiti a un tenore di ossigeno stabilito dall'autorizzazione; riportando i valori a un riferimento del 17 % si moltiplicano per 5,7 (O2 20,3 %) o 6,7 (O2 20,4 %). Le percentuali di abbattimento non cambiano con questa correzione, perché il fattore è praticamente uguale per tutte le prove; cambia il confronto con un limite assoluto, trattato nella sezione normativa.

6.5 Che cosa i dati non misurano

Nessun rapporto contiene una misura olfattometrica (UNI EN 13725), la granulometria delle polveri, SOx, acidi, metalli o idrocarburi policiclici aromatici. L'abbattimento degli odori non è quindi dimostrato da queste prove, e nemmeno il comportamento del sistema nel tempo (saturazione dei filtri, pulizia, deriva delle prestazioni). L'ozono (gruppo D) è stato misurato in un solo punto e senza valore a monte.

7. Quadro normativo e confronto con i limiti

7.1 Livello nazionale

Le emissioni in atmosfera degli impianti produttivi sono disciplinate dalla Parte Quinta del D.Lgs. 152/2006. Le torrefazioni di caffè con produzione non superiore a 450 kg/giorno rientrano tra le attività in deroga dell'art. 272 e dell'Allegato IV, e sono soggette ad autorizzazione di carattere generale o ad autorizzazione specifica. Il decreto non fissa un unico valore limite per questa attività: i limiti, i riferimenti di ossigeno e la frequenza dei controlli sono definiti dalle regioni e dalle autorità competenti nei propri atti.

7.2 Esempi di limiti regionali e locali consultati

I valori seguenti sono stati letti nei documenti pubblici indicati nei riferimenti e servono come esempi. Non descrivono la situazione di un impianto particolare e non sostituiscono l'atto autorizzativo applicabile.

I tre atti hanno una struttura diversa. Concordano sul valore di 50 mg/Nm³ per i composti organici, sul ruolo del postcombustore e sulla periodicità dei controlli, ma divergono sulle polveri (da 10 a 20 mg/Nm³) e sulle prescrizioni accessorie.

7.3 Confronto indicativo con i valori misurati

Tutti i valori delle prove sono stati misurati senza correzione dell'ossigeno. Nella tabella sono riportati anche riferiti al 17 % di O2 con il fattore (21−17)/(21−O2 misurato), cioè 5,7 per O2 20,3 % e 6,7 per O2 20,4 %.

Il confronto va letto con tre cautele.

1. Riferimento di ossigeno. La correzione al 17 % ha senso per i gas di combustione di un tostatore a riscaldamento diretto. Le prove dei gruppi B e C misurano un effluente con 20,3-20,4 % di O2, quasi aria ambiente, e l'atto autorizzativo applicabile può prevedere o non prevedere la correzione per quel flusso. Senza correzione, i valori della configurazione con raffreddamento (2,3 e 10,8 mg/Nm³) sono sotto tutti i limiti degli esempi; con la correzione, le polveri di quella configurazione (13 mg/Nm³) restano vicine ai limiti più bassi e il COT (62 mg/Nm³) supera il valore di 50 mg/Nm³.
2. Punto di prelievo. Un limite si applica al camino indicato nell'autorizzazione. Le prove qui descritte sono prelievi di valutazione dell'abbattimento, e il loro risultato non equivale a un controllo di conformità di un impianto.
3. Un solo prelievo per configurazione. Un controllo di conformità richiede in genere più prelievi in condizioni rappresentative e il confronto con l'incertezza della misura.

In questo studio non si dichiara quindi la conformità ai limiti. Si osserva che i valori della configurazione con raffreddamento e filtro + filtro elettrostatico sono molto inferiori a quelli degli altri gruppi, e che il confronto finale dipende dal riferimento di ossigeno scelto dall'autorità competente.

7.4 Ozono

Nei documenti consultati non compare un valore limite alle emissioni di ozono al camino per queste attività. La misura del gruppo D (<0,05 mg/Nm³, limite di quantificazione del metodo) è un dato di emissione. Il valore di 0,050 ppm della norma UL 867 si riferisce a un altro tipo di prova, eseguita in camera sul prodotto, e non va confrontato con una misura al camino.

8. Conclusioni

Le prove strumentali al camino analizzate in questo studio mostrano che il trattamento dei fumi riduce in modo misurabile polveri e composti organici, e che l'entità della riduzione dipende dalla configurazione.

Con il solo abbattitore ad acqua (gruppo A) la concentrazione di polveri è passata da 516,5 a 24,8 mg/Nm³, con un abbattimento del 95,2 % in concentrazione e del 93,6 % in flusso di massa. Con le configurazioni a filtrazione (gruppi B e C) l'abbattimento delle polveri rispetto alla prova senza trattamento è compreso tra 42 % e 72 % in concentrazione, quello dei composti organici totali tra 73 % e 79 %; la configurazione con raffreddamento, filtro e filtro elettrostatico ha dato i valori assoluti più bassi (polveri 2,3 mg/Nm³, COT 10,8 mg/Nm³). Nella prova di cottura alla griglia (gruppo D) polveri e composti organici sono risultati rispettivamente 3,2 e 17 mg/Nm³, e l'ozono è rimasto sotto il limite di quantificazione (<0,05 mg/Nm³).

I risultati vanno letti con i limiti dichiarati nella sezione 6: un solo prelievo per configurazione, prelievi non simultanei a monte e a valle, assenza di incertezza per le polveri nei gruppi B e C, nessuna misura olfattometrica o granulometrica. Il confronto con i limiti regionali e locali dipende dal riferimento di ossigeno fissato dall'autorizzazione, e questo studio non dichiara la conformità di alcun impianto.

Sono necessarie campagne con prelievi simultanei, ripetuti, con registrazione della fase del ciclo di tostatura e con misure olfattometriche per confermare i risultati e per quantificare l'effetto dei singoli stadi di filtrazione.

9. Riferimenti

Norme tecniche

UNI 10169:2001, Misure alle emissioni - Determinazione della velocità e della portata di flussi convogliati.

UNI EN ISO 16911-1:2013, Emissioni da sorgente fissa - Determinazione manuale e automatica della velocità e della portata volumetrica di flussi in condotti. Parte 1: Metodo di riferimento manuale.

UNI EN 13284-1:2003 e UNI EN 13284-1:2017, Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa di polveri a basse concentrazioni. Parte 1: Metodo gravimetrico manuale.

UNI EN 12619:2013, Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa del carbonio organico totale in forma gassosa a basse concentrazioni.

UNI CEN/TS 13649:2015, Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa dei singoli composti organici in forma gassosa.

UNI EN 14792:2017, Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa degli ossidi di azoto (NOx).

UNI EN 15058:2017, Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in massa del monossido di carbonio (CO).

UNI EN 14789:2017, Emissioni da sorgente fissa - Determinazione della concentrazione in volume dell'ossigeno (O2).

UNI EN 14790:2006, Emissioni da sorgente fissa - Determinazione del vapore acqueo nei condotti.

OSHA Method ID-214:1995, Ozone in workplace atmospheres (metodo di riferimento per l'ozono).

UL 867, Standard for Electrostatic Air Cleaners (limite di 0,050 ppm di ozono in camera di prova).

Norme di legge e atti amministrativi

D.Lgs. 3 aprile 2006, n. 152, Parte Quinta (artt. 267-298), in particolare art. 272 e Allegato IV.

Città Metropolitana di Messina, Torrefazione di caffè ed altri prodotti tostati, autorizzazione di carattere generale 2020.

Regione Calabria, Allegati tecnici, Decreto n. 6852 del 02/07/2021, Scheda n. 9 Torrefazione caffè.

Città di Lecce, Rilascio AUA, determinazione dirigenziale del 2016.

Dott. Ing. Artur Cokaj

Ricercatore e progettista di tecnologie per il trattamento dell'aria

Autore del libro di prossima pubblicazione “TECNOLOGIA DEGLI ABBATTITORI AD ACQUA – Principi scientifici, fluidodinamici e ingegneristici del trattamento dei fumi”.

Inventore, titolare del brevetto per invenzione industriale n. 102022000000572.

Preposto alla Gestione Tecnica D.M. 37/2008 Lett. A, C, D, E.