Sistemi di abbattimento polveri e loro funzionamento

1 Classificazione e caratteristiche delle polveri

1.1 Generalità

Quando si parla di abbattimento polveri e inquinamento atmosferico, con il termine particolato ( particulate matter, PM ) o polveri totali sospese ( PTS ) si fa riferimento all’insieme di particelle disperse in atmosfera, solide e liquide, con diametro compreso tra qualche nanometro (nm) e decine/centinaia di micrometri (μm).

1.2 Classificazione delle particelle

In base alla natura e alle dimensioni delle particelle si possono distinguere:

- gli aerosol, costituiti da particelle solide o liquide sospese in aria e con un diametro
inferiore a 1 micron (μm);
- le foschie, date da goccioline con diametro inferiore a 2 micron;
- le esalazioni, costituite da particelle solide con diametro inferiore ad 1 micron e
rilasciate solitamente da processi chimici e metallurgici;
- il fumo, dato da particelle solide di solito con diametro inferiore ai 2 micron e
trasportate da miscele di gas;
- le polveri (vere e proprie), costituite da particelle solide con diametro fra 0,25 e 500
micron;
- le sabbie, date da particelle solide con diametro superiore ai 500 micron.

Le particelle aerodisperse in atmosfera presentano forme irregolari, perciò sono descritte facendo riferimento al diametro aerodinamico equivalente ( ae d ), definito come il diametro di una particella sferica avente densità unitaria e un comportamento aerodinamico, in particolare la velocità di sedimentazione, uguale a quello della particella considerata nelle medesime condizioni di temperatura, pressione e umidità relativa.

E’ convenzione, inoltre, suddividere il particolato atmosferico in funzione del diametro
aerodinamico nelle seguenti frazioni:

- ultrafine (ultra-sottile): diametro aerodinamico compreso tra 0,01 e 0,1 μm;
- fine (sottile): diametro aerodinamico compreso tra 0,1 e 2,5 μm; la loro formazione
avviene per coagulo di particelle ultrafini e attraverso i processi di conversione gas-
particella - processo di nucleazione eterogenea – oppure per condensazione di gas su
particelle preesistenti nell’intervallo di accumulazione;
- coarse (grossolana): diametro aerodinamico compreso tra 2,5 e 100 μm;
essenzialmente prodotte da processi meccanici (erosione, risospensione meccanica o
eolica, macinazione), esse contengono elementi presenti nel suolo e nei sali marini;
essendo inoltre relativamente grandi, esse tendono a sedimentare in tempi di poche ore
o minuti, ritrovandosi spesso vicino alle sorgenti di emissione in funzione della loro
altezza.

1.3 Caratteristiche delle particelle di polveri

Ne deriva che la caratteristica più importante delle particelle di particolato risulti essere la loro granulometria. Quest’ultima ha infatti un notevole impatto sul comportamento dei sistemi di controllo/abbattimento polveri.

2 Fenomenologia delle interazioni tra particelle di particolato e gocce d’acqua

2.1 Generalità

La tecnica della cattura delle particelle di polveri da parte dei macchinari per l'abbattimento delle polveri si incentra sul fatto di interporre, lungo le traiettorie delle particelle immerse in un fluido aeriforme ( come nel caso dell’aria ) ostacoli mobili, tipicamente goccioline di acqua, in grado di trattenerle.

Relativamente all’intrappolamento della polvere per mezzo della singola goccia si possono distinguere i seguenti tre meccanismi principali, a seconda delle condizioni aerodinamiche e delle dimensioni delle particelle:
- Diffusione browniana;
- Intercettamento;
- Impatto inerziale.

2.2 Diffusione Browniana

Questo meccanismo di captazione interessa solo granulometrie molto fini di particolato ( dell’ordine inferiori al micron ) che entra nel percorso di caduta della goccia d’acqua. Il meccanismo è attivato dagli urti delle particelle con le molecole del gas vettore. 

Nel caso di particelle grandi, per l’inerzia delle stesse e per il numero di urti in ogni istante sostanzialmente costante ed uniformemente distribuito in tutte le direzioni, gli effetti sul moto della particella non sono apprezzabili. Ma per particelle sufficientemente piccole gli urti diventano meno uniformi e più efficaci.

Il risultato è la comparsa di spostamenti delle particelle casuali per modulo e direzione che possono essere descritte come fenomeni di diffusione, da cui il termine di diffusione browniana. piuttosto complicata e non trattabile in modo generale. Infatti, da letteratura scientifica esistono diversi modelli semiempirici che si differenziano per tipologie di ostacoli per l’intrappolamento del particolato e caratteristiche del sistema quali ad esempio temperatura, velocità del flusso gassoso e numero di Reynolds.

2.3 Intercettamento

Il meccanismo coinvolge particelle che sono sufficientemente piccole per poter seguire approssimativamente le linee di flusso del fluido attorno all’ostacolo rappresentato dalla goccia d’acqua.

2.4 Impatto inerziale

Per particelle di polvere la cui granulometria è superiore ai 5 micron, il meccanismo principale di intrappolamento risulta essere quello di impatto inerziale.

Infatti, quando le linee di flusso del fluido aeriforme, nel quale sono immerse le particelle di particolato da rimuovere, cambiano direzione attorno al profilo dell’ostacolo, la forza centrifuga che si sviluppa impedisce che le particelle più pesanti dotate di elevata inerzia possano subire deviazioni del percorso apprezzabili.

Dall’analisi delle traiettorie delle particelle, interessate all’alterazione delle linee di flusso in prossimità dell’ostacolo, si evidenzia un parametro adimensionale correlato all’efficienza di rimozione del particolato da parte del meccanismo stesso, noto come numero di Stokes [2], la cui formulazione è la seguente:

L’efficienza di captazione delle particelle di particolato per impatto inerziale aumenta con l’incremento del parametro di Stokes, secondo relazioni stabilite solo su base empirica, per definite caratteristiche del sistema.

Pertanto, la possibilità di impatto viene agevolata se:

i) Le particelle di particolato sono di dimensioni maggiori;
ii) La velocità relativa è più alta;
iii) Le gocce d’acqua sono più piccole.

3 Ruolo della nebulizzazione nell’abbattimento delle
polveri

3.1 Generalità

I sistemi di nebulizzazione, preposti per l’abbattimento delle polveri, si comportano come una combinazione di un “wet scrubber” ( ovvero, un sistema di rimozione di inquinanti da correnti gassose per mezzo di getti o correnti liquide fatte interagire con la corrente gassosa stessa ) ed un filtro.

Infatti, la coltre di acqua nebulizzata agisce come un filtro attraverso cui la particella di polvere non è in grado di passare senza giungere in collisione con una goccia prodotta dal sistema a spray. Questo fenomeno è noto come processo di agglomerazione. 

A seguito dell’inglobamento della particella di particolato in seno alla goccia d’acqua, questa tende ad aumentare in massa precipitando così al suolo per effetto gravità, trasportando con sé la particella estranea.

3.2 Cannoni nebulizzatori abbattimento polveri - sistemi in linea per abbattimento delle polveri

 I sistemi di nebulizzazione si dividono in due famiglie:

Cannoni nebulizzatori, dove dei sistemi composti da ventilatori, ugelli, pompe ad alta pressione, permettono di spingere la nebulizzazione a notevole distanza dal cannone nebulizzatore, permettendogli di coprire vaste aree, questi sistemi sono indispensabili quando le zone da trattare sono all'aperto e non hanno struttura dove agganciare gli ugelli.

Sistemi di nebulizzazione in linea, composto da un sistema di pompe in lata pressione, tubazioni ed ugelli, questa soluzione viene scelta quando c'è la possibilità di posizionare gli ugelli vicino al punto dove si crea la polvere.

3.3 Agglomerazione particella di polvere – goccia d’acqua

L’intrappolamento della polvere risulta più efficace nel momento in cui le particelle di polvere entrano in collisione con gocce d’acqua di dimensioni equivalenti. Gocce d’acqua che sono troppo grandi in confronto a particelle più piccole non impatteranno, mentre gocce che risultano essere troppo piccole evaporano più rapidamente rilasciando le particelle di polvere intrappolato.

Si evince che se il diametro della goccia risulta essere più grande di quello della particella di polvere, questa tende a seguire le linee di flusso dell’aria attorno alla goccia di spray.

Diversamente, se la goccia d’acqua è di dimensioni comparabili con quella della particella estranea, il contatto tra le due avviene non appena la particella segue le linee di flusso collidendo con la goccia.

Oltre ad avere dimensioni pressoché equiparabili tra goccia e particolato, la probabilità di impatto tra i due cresce non appena la dimensione delle gocce di spray diminuisce, dal momento che incrementa il numero delle stesse.

4. Gocciolometria

4.1 Generalità

L’elemento chiave nell’intrappolamento di particelle di polvere disperse in aria, in occasione dell’utilizzo di sistemi di nebulizzazione per l’abbattimento, è rappresentato dalla dimensione della goccia d’acqua generata dallo spray.

4.2 Fattori che influenzano la dimensione della goccia d’acqua

La dimensione della goccia uscente dallo spray dipende da diversi fattori:

i) tipologia dell’ugello;
ii) pressione di esercizio;
iii) portata;
iv) angolo di spruzzatura;
v) proprietà del liquido, come ad esempio le tensioni superficiali.

i) Tipologia dell’ugello:

Si evince come ugelli del tipo atomizzatori o a nebbia fine risultino essere i più efficienti.

Questo comportamento trova spiegazione nella capacità di realizzare gocce quanto più piccole possibili in dimensioni, infatti queste variano a seconda della tipologia di ugello 

ii) Pressione di esercizio:

La pressione ha un legame di proporzionalità inversa nei confronti della dimensione della goccia, infatti, un aumento in pressione ha come effetto una riduzione nelle dimensioni della goccia d’acqua.

iii) Portata:

La portata ha una relazione diretta con la dimensione della goccia, pertanto, quest’ultima aumenta con l’incrementare della portata, mentre diminuisce in caso contrario.

D’altro canto, la portata di un ugello risulta funzione della pressione di spruzzatura. Relazioni che ne attestino il legame possono essere del tipo [2]:

iv) Angolo di spruzzatura:

Tra l’angolo di spruzzatura e la dimensione della goccia sussiste un legame di proporzionalità inversa: angoli di spruzzo più ampli favoriscono la formazione di gocce più ridotte in dimensioni. In un simile contesto, infatti, si ha maggior spazio per la distribuzione delle gocce, le quali hanno meno possibilità di ricombinarsi tra loro.

v) Tensione superficiale:

Rappresenta la proprietà di un liquido in virtù della quale le molecole di superficie mostrano una forte attrazione verso l'interno, formando così una pelle elastica che tende a contrarsi
all'area minima.

Tipicamente tra questa proprietà e la dimensione della goccia sussiste una proporzionalità di natura diretta ( all’aumentare dell’una, aumenta conseguentemente l’altra ).

5. Considerazioni conclusive

In ottica abbattimento polveri si evince come le dimensioni delle gocce d’acqua prodotte dal getto dell’ugello svolgano un ruolo pressoché fondamentale e si è visto, per altro, come queste risultino legate alla granulometria delle particelle con cui vanno ad interagire.

Avendo quest’ultime un campo di variabilità dimensionale piuttosto esteso, ciò può rappresentare un ostacolo nell’ottimizzazione della dimensione della goccia d’acqua. 

In tal senso, la letteratura scientifica ed alcuni costruttori di ugelli spray convergono per un range di gocciolometria ottimale di ca. 20 ÷ 200 μm, range dimensionale garantito dall’utilizzo di ugelli idraulici a nebbia fine o da atomizzatori misti ad aria ( per i quali risulta necessaria l’utenza di aria compressa ).

L’ottenimento della gocciolometria di ottimo risulta influenzata da diversi fattori, ma è soprattutto funzione della pressione di esercizio, la quale ha conseguenze anche sulla portata.