TERMODISTRUZIONE RIFIUTI SOLIDI E PRODOTTI DERIVATI

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1 TERMODISTRUZIONE RIFIUTI SOLIDI E PRODOTTI DERIVATI Principi generali combustione potere calorifico bilanci di massa: stechiometria, volume fumi, eccessi d aria Recupero energetico bilanci termici, rendimenti tipologie di recupero (vapore, elettricità, cogenerazione) Tipologie forni griglia tamburo rotante letto fluidizzato recupero termico (caldaie, turbine) Sottoprodotti del processo emissioni atmosferiche: caratterizzazione residui solidi e liquidi: caratterizzazione ed alternative di smaltimento Cenni ai sistemi innovativi

2 INCENERIMENTO O TERMODISTRUZIONE Trattamento rifiuti e/o derivati da rifiuti tramite processi di conversione termica

3 TERMODISTRUZIONE Trattamento rifiuti e/o prodotti derivati tramite processi di conversione termica trasformazione in sottoprodotti con minori implicazioni ambientali RIFIUTI possibilità di recupero energetico riduzione in volume e peso O 2 (Aria) CONVERSIONE TERMICA RECUPERO ENERGETICO CONTROLLO EMISSIONI Scorie Residui solidi e/o liquidi FORNO CALDAIA DEPURAZIONE GAS Vantaggi max riduzione volume recupero energetico impegno spazio ridotto Svantaggi gestione complessa controllo emissioni gassose smaltimento residui

4 COMBUSTIONE RIFIUTI RSU e derivati (CDR o RDF, sovvalli, frazioni secche) termiche combustibili non convenzionali basso potere calorifico PROBLEMATICHE PCI (kcal kg -1 ) PCI (MJ kg -1 ) Carbone Olio comb., gasolio ,6-44 Metano Metano 8300 (per Nm 3 ) 34,7 (per Nm 3 ) RSU tal quale ,1-9,2 RDF, sovvalli ,5-18,8 eterogeneità marcata fisica (dimensioni, compattezza) chimica (composizione) energetiche finalità combustione distruzione rifiuti recuperi termici non ottimizzati

5 Problematiche COMBUSTIONE RIFIUTI Potere calorifico ridotto combustione AUTOTERMICA (senza apporto combustibile supplementare) solo se PCI > kcal/kg (PCI > kj/kg) Eterogeneità materiale fisica dimensioni chimica composizione Variazioni stagionali necessità progettazione e conduzione forni molto accurate

6 COMBUSTIONE RIFIUTI Diagramma di Tanner: Il rifiuto è autocombustibile (nel campo di incenerimento) in funzione della frazione di: materiale combustibile, acqua e ceneri

7 PRODUZIONE FUMI FUMI : prodotti delle reazioni di ossidazione della frazione combustibile del rifiuto Fumi stechiometrici V S [m 3 kg -1 RS] Fumi prodotti dalla ossidazione totale condotta in condizioni stechiometriche Calcolo teorico: analisi elementare C + O 2 CO 2 H + 1/2O 2 H 2 O N + 1/2O 2 NO S + O 2 SO 2 Cl HCl H2O l H2O v Fumi stechiometrici: costituiti essenzialmente da CO 2, H 2 O (combustione + vaporizzazione umidità) ed N 2 (aria di combustione)

8 PRODUZIONE FUMI ECCESSO D ARIA in ogni reazione di combustione, l aria viene alimentata in eccesso rispetto alla quantità stechiometrica per garantire la completezza delle reazioni di ossidazione Eccesso d aria e = aria effettiva - aria stechiometrica aria stechiometrica INCENERIMENTO RIFIUTI: eccessi d aria considerevoli completezza combustione: ossidazione difficoltosa per natura intrinseca materiale e condizioni fluidodinamiche poco favorevoli controllo temperatura: forni adiabatici aria come diluente termico

9 PRODUZIONE FUMI FUMI EFFETTIVI V F [m 3 kg -1 RS] V F = V S + e V A Fumi effettivi Fumi stechiometrici Eccesso d aria Aria stechiometrica Qualitativamente V S e V A aumentano con PCI V S aumenta con umidità rifiuto e aumenta con PCI e con la diminuzione della temperatura di combustione Quantitativamente determinazione teorica sulla base dell analisi elementare disponibilità, rappresentatività determinazione sulla base di correlazioni empiriche precisione

10 RECUPERO ENERGETICO Raffreddamento fumi uscita camera di combustione tramite produzione vapore surriscaldato in caldaia Espansione totale (turbina a condensazione) Fumi CALDAIA Fumi ~ T EN. ELETTRICA Acqua ESPANSIONE TOTALE (SOLA EN. ELETTRICA)

11 RECUPERO ENERGETICO Raffreddamento fumi uscita camera di combustione tramite produzione vapore surriscaldato in caldaia Espansione parziale (cogenerazione in turbina in contropressione ed utilizzazione come calore del vapore fino a condensazione) Fumi CALDAIA Fumi Vapore surriscaldato ~ T 1 EN. ELETTRICA T 2 CALORE Acqua COGENERAZIONE (EN. ELETTRICA + CALORE)

12 RECUPERO ENERGETICO Raffreddamento fumi uscita camera di combustione tramite produzione vapore surriscaldato in caldaia Espansione totale (turbina a condensazione) o parziale (cogenerazione in turbina a derivazione e condensazione) del vapore prodotto Vapore surriscaldato TURBINA A DERIVAZIONE CALDAIA ~ ELETTRICITA CALORE Q Acqua rendimenti dipendenti da richiesta termica Q modularità utilizzo calore flessibilità TELERISCALDAMENTO

13 RECUPERO ENERGETICO Produzione energia elettrica necessità limitare raffreddamento fumi in caldaia corrosioni a basse T (HCl) necessità contenere T e P vapore surriscaldato corrosioni surriscaldatore (HCl) sollecitazioni meccaniche controlli acque ciclo termico necessità evitare basse P ( e T ) vapore espanso dimensioni condensatore disponibilità refrigerante freddo potenzialità elettriche (taglie impianto) modeste bassi rendimenti turbina ed ausiliari necessità mantenere cicli semplici Cicli a vapore poco spinti P max = bar T max = 350 C C P cond ~ 0,1 bar (45 C) η ciclo = 0,25-0,3 η tot = 0,17-0,25

14 RECUPERO ENERGETICO Produzione energia elettrica potenziali miglioramenti incremento PCI (evoluzione merceologia, raccolte differenziate) camere di combustione non adiabatiche incremento recupero calore di combustione centralizzazione impianti (aumento potenzialità) effetto scala possibilità di adottare cicli più spinti P max = bar, T max = C, P cond = 0,05-0,07 bar possibilità di incrementare raffreddamento fumi in caldaia incremento recupero calore di combustione aumento rendimento turbine ed ausiliari η tot 0,3-0,33

15 RECUPERO ENERGETICO Cogenerazione Bilancio energetico in assetto di cogenerazione massima di un impianto moderno di grande potenzialità (ASM Brescia, 1000 t/giorno di RSU)

16 INCENERIMENTO DEI RIFIUTI Un impianto di incenerimento è composto da: fossa di accumulo rifiuti: all interno di un capannone chiuso, riceve i rifiuti conferiti dagli autocompattatori o altri mezzi e garantisce un accumulo sufficiente per il funzionamento in continuo del forno (alcuni giorni). Mantenuta in aspirazione in modo da evitare la fuoriuscita e la diffusione di odori. E presente una benna, che scorre su un carroponte ed è manovrata a distanza da un operatore, tramite la quale i rifiuti vengono prelevati e caricati nella bocca del forno forno: per gli RSU il tipo più diffuso è quello a griglia, che consente di bruciare anche elementi voluminosi ed eterogenei, garantendo una buona miscelazione, un tempo di permanenza dei vari costituenti abbastanza costante ed un graduale essiccamento del rifiuto nella parte di testa, prima della sua combustione

17 INCENERIMENTO DEI RIFIUTI Sono inoltre presenti gli impianti: -Recupero energia termica - Scarico e raffreddamento scorie (residui solidi raccolti sotto le griglie del forno) -Impianti depurazione gas e ceneri

18 Sezione inceneritore

19 TIPOLOGIE DI FORNI I forni per la combustione RSU sono derivati da analoghe installazioni per combustibili solidi (per es.: carbone) a griglia: più diffusi per rifiuti urbani ed assimilabili a tamburo rotante: bene per PCI costanti ed elevati (rifiuti industriali) e per solidi, liquidi e/o fusti a letto fluidizzato: più efficienti, meno sperimentati, meglio per rifiuti pretrattati (CDR = combustibile derivato dai rifiuti)

20 FORNI A GRIGLIA Tecnologia consolidata per combustione rifiuti urbani ed assimilabili Combustione progressiva su griglia inclinata essiccamento combustione scorificazione dotata di elementi mobili per avanzamento e mescolamento rifiuti (contatto comburente ottimizzazione combustione)

21 FORNI A GRIGLIA GRIGLIA: avanzamento e rivoltamento rifiuti a velocità controllata tempo di permanenza per garantire essiccamento-combustione -scorificazione CAMERA DI COMBUSTIONE completamento combustione fumi volano termico per mantenere T CAMERA DI COMBUSTIONE Eccesso d aria: 80%-120% efficienze di conversione controllo T Carichi volumetrici kcal h -1 m -3

22 FORNI A GRIGLIA RSU fumi gradini mobili estrattore scorie aria primaria Griglia a gradini mobili Martin scorie

23 FORNI A GRIGLIA Tendenze evolutive Incremento PCI ( kcal kg -1 ) 3500 kj kg -1) Riduzione ceneri (30% 15-20%) riduzione inclinazione e lunghezza griglia riduzione salti (minor trascinamento polveri) raffreddamento griglie e pareti

24

25 FORNI A TAMBURO ROTANTE Schema di un forno a tamburo rotante Difficoltà contatto aria/rifiuti necessità postcombustione bene per PCI costanti ed elevati (rifiuti industriali) Versatilità rifiuti solidi, liquidi, fusti bene per rifiuti industriali

26 FORNI A TAMBURO ROTANTE RSU FORNI A TAMBURO ROTANTE aria primaria aria secondaria camera di postcomb. fumi camera combustione carica fusti scorie

27 FORNI A TAMBURO ROTANTE Schema di un impianto con forno a tamburo rotante e flusso fumi Carichi volumetrici kcal h -1 m -3

28 FORNI A LETTO FLUIDIZZATO Combustione materiali solidi in sospensione elevate efficienze di combustione (turbolenza) carichi termici elevati reattori compatti bassi eccessi d aria basso volume fumi eterogeneità rifiuti necessità pretrattamenti bene per CDR Carichi volumetrici kcal h -1 m -3

29 FORNI A LETTO FLUIDIZZATO FORNI A LETTO FLUIDIZZATO Letto Bollente

30 FORNI A LETTO FLUIDIZZATO FORNI A LETTO FLUIDIZZATO Letto ricircolante

31 NORMATIVA INCENERIMENTO RSU D.M.Amb. 503/97 Prescrizioni impiantistiche T 850 C t gas 2 sec O 2 6% vol. incombusti scorie max. 3% peso bruciatori ausiliari (transitori, eventuale mantenimento T) recupero energetico con rendimenti minimi Limiti emissione (11% O 2, fumi secchi normali) CO = 50 mg m -3 polveri = 10 mg m -3 C totale (incombusti) = 10 mg m -3 HCl = 20 mg m -3 HF = 1 mg m -3 SO 2 = 100 mg m -3 NO x = 200 mg m -3 (come NO 2 ) Cd + Tl = 0,05 mg m -3 Hg = 0,05 mg m -3 Pb (+ altri) = 0,5 mg m -3 PCDD/F (diossine/furani) = 0,1 ng I-TEQ m -3

32 COMPOSIZIONE RESIDUI Differenze significative determinate da arricchimento elementi volatili ( Cd, Pb, Hg) su polveri fini (volatilizzazione ad alta T + ricondensazione a bassa T su ceneri ad elevata superficie specifica) presenza microinquinanti tossici residui depurazione fumi a seguito rimozione da fase gas Scorie speciali non tossici Ceneri volanti da depolverazione Residui assorbimento secco o semisecco Fanghi depurazione lavaggio fumi Tossici necessità di innocuizzazione

33 SCORIE

34 SMALTIMENTO RESIDUI Scorie discariche rifiuti speciali Ceneri volanti e residui depurazione innocuizzazione finalizzata a ridurre mobilità e/o contenuto elementi o sostanze tossiche tecnologie convenzionali di stabilizzazione/solidificazione con leganti idraulici (cemento) ed additivi tecnologie innovative di detossificazione (estrazione + recupero metalli) adeguate per ceneri volanti chimica (lavaggio acido) bene se torri di lavaggio termica (vetrificazione) fusione (arco elettrico, plasma) + condensazione e recupero metalli

35 BILANCIO RESIDUI Scorie kg per ton RSU Ceneri volanti kg per ton RSU Residui depurazione fumi kg per tonnellata RSU Fanghi depurazione 0,14 1,2 kg per tonnellata RSU Fumi Nm 3 per ton RSU

36 FORMAZIONE DIOSSINE Formazione dovuta alla presenza di: Carbonio, Cloro, Ossigeno, Catalizzatori metallici (Cu, Fe) In un inceneritore sono attivi fenomeni di: formazione, distruzione, riformazione, accumulo / rilascio Emissioni in atmosfera: Limiti a partire dai primi anni 80 DM 503/97: riduzione dei limiti di 800 volte! Se rispetta i limiti alle emissioni di diossine (0.1 ng m -3 TEQ) un inceneritore fornisce contributi di diossine trascurabili rispetto ad altre sorgenti Contaminazione dei residui: elevata per polveri, residui dei trattamenti e fanghi

37 Policlorodibenzodiossine (PCCD) Policlorodibenzofurani (PCDF) O O O PCCD PCDF Isomeri tossici: almeno 4 atomi di cloro in posizione 2,3,7,8 Tossicità equivalente: quantificazione, con un unico valore, della presenza di tutti gli isomeri tossici tramite un fattore di tossicità equivalente TEF

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