Tecnologie di trattamento termico di rifiuti residuali indifferenziati: Confronto tra Combustione e Gassificazione

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1 Convegno MatER, Piacenza Maggio 2013 TECNOLOGIE E TENDENZE PER IL RECUPERO DA RIFIUTI Tecnologie di trattamento termico di rifiuti residuali indifferenziati: Confronto tra Combustione e Gassificazione Umberto ARENA Dipartmento di Scienze e Tecnologie Ambientali Seconda Università di Napoli AMRA Analisi e Monitoraggio del Rischio Ambientale

2 Una pianificazione dei rifiuti sostenibile Il processo decisionale per la definizione delle politiche di gestione dei rifiuti è una questione complessa, che deve valutare per ogni specifica opzione di trattamento o smaltimento: impatti ambientali aspetti tecnici costi di implementazione e di esercizio implicazioni sociali Spesso si opera in presenza di: dati mancanti o poco accurati opinioni pubbliche, a volte basate su percezioni errate. preconcetti a favore o contro una soluzione specifica.

3 Possibili opzioni per la gestione dei rifiuti Soluzione ideale in cui nessun rifiuto è inviato in discarica o trattato termicamente Tutti i paesi sono lontani dal raggiungere l obiettivo Rifiuto Zero Cossu (2009) Waste Management, 29:

4 E possibile una soluzione Rifiuti Zero? Molti considerano la teoria Rifiuti Zero come una pratica alternativa allo smaltimento finale. Questo concetto però rappresenta solo un approccio auspicabile a cui dovrebbero tendere tutte le strategie di gestione dei rifiuti. Zero rifiuti è un concetto simile a Zero Malattie, che mira a limitare l insorgenza di malattie, attraverso misure di prevenzione, corretta alimentazione, migliore stile di vita ma... nessuno lo concepisce come una soluzione alternativa per tutti i problemi di salute, in sostituzione completa di medici e degli ospedali!!! (Cossu, Waste Management, 29: )

5 Zero Rifiuti o Zero Decisioni? L opzione Zero rifiuti può essere utile solo come sistema di comunicazione semplice ed incisiva per migliorare la PREVENZIONE.

6 Obiettivi principali di un sistema di gestioni dei rifiuti: i) Protezione della salute umana e dell ambiente, e quindi riduzione delle emissioni, monitoraggio degli effetti tossicologici, minimizzazione dei rischi per la salute, minimizzazione dei gas serra; ii) Conservazione delle risorse, come materie, energia, e suolo; iii) After-care-free waste management, cioè soluzione qui e subito di tutti i problemi di gestione; iv) Sostenibilità economica dell intero ciclo di gestione dei rifiuti solidi.

7 Linee Guida per la Gestione dei Rifiuti i) Efficiente servizio di raccolta e smaltimento ii) Minimizzazione dell utilizzo della discarica, di fondamentale importanza a causa della carenza di siti idonei iii) Minimizzazione delle operazioni che comportano un eccessivo consumo di materie prime ed energia senza riceverne un effettivo vantaggio ambientale iv) Massimizzazione del recupero di materia v) Massimizzazione del recupero di energia da materiali che non possono essere riciclati in modo efficiente, al fine di preservare volumi di discarica e risorse di combustibili fossili.

8 Un sistema sostenibile per la gestione dei rifiuti

9 Il ruolo dei WtE in un sistema sostenibile di Gestione dei Rifiuti 1. Riduzione della massa e volume dei rifiuti, preservando così spazio in discarica 2. Recupero sostenibile dell energia 3. Recupero di materia da residui solidi 4. Distruzione di un certo numero di contaminanti organici, presenti nei rifiuti 5. Riduzione delle emissioni di gas a effetto serra rispetto alla decomposizione anaerobica in discarica 6. Separazione dei componenti inorganici della frazione organica, così da permetterne il riutilizzo o l inertizzazione, prevenendo la dispersione e l accumulo dei componenti pericolosi nell ambiente e nei prodotti riciclati.

10 Tipi di processo di termovalorizzazione

11 Tipi di processi di termovalorizzazione

12 Tipi di processo di termovalorizzazione Aim of the process Operating conditions Reaction environment Oxidizing Reactant gas Air Combustion To maximize fuel conversion to high temperature flue gases, mainly CO 2 and H 2 O. To maximize energy recovery. Temperature Between 850 C and 1200 C Gasification To maximize fuel conversion to fuel gases, mainly CO, H 2 and CH 4. To minimize residues to be sent to final landfill. Reducing Air, O 2 -enriched air, pure O 2, steam Between C (in air gasification) and C Pressure Generally atmospheric Generally atmospheric Process output Produced gases FLUE GAS, mainly CO 2, H 2 O, O 2 FUEL GAS, mainly CO, H 2, CH 4, CO 2 Pollutants SO 2, NO x, HCl, PCDD/F, particulate H 2 S, HCl, COS, NH 3, HCN, tar, alkali, particulate Ash Gas cleaning Bottom ash can be treated (typically in an external site) to recover ferrous and non-ferrous metals (such as Al, Cu and Zn) and inert materials (to be utilized as a sustainable building material). APC residues are treated and disposed as industrial waste. Flue gas is treated in air pollution control units to meet the emission limits. Metals can be recovered. Bottom ash can be produced as vitreous slag that can be utilized as backfilling material for road construction. APC residues are treated and disposed as industrial waste. It is possible to clean the syngas to meet standards of chemicals production processes or those of high e.e. efficiency conversion devices.

13 Flue Gas vs Fuel Gas processes La gestione dei rifiuti, richiede costi ragionevoli, elevata affidabilità e flessibilità operativa e notevole compatibilità ambientale. E quindi prematuro indicare la gassificazione come la strategia di trattamento termico per il futuro. Se si vuole valutarne il ruolo di concorrente per i sistemi convenzionali di combustione, si deve definire : come si possono confrontare gli impianti di Combustione con quelli di Gassificazione?

14 Flue Gas vs Fuel Gas processes Una corretta valutazione di una tecnologia di termovalorizzazione ha bisogno di una valutazione quantitativa del sistema completo Adapted from: ISWA Working Group on Energy Recovery, 2013

15 Flue Gas vs Fuel Gas processes Il successo di una tecnologia di termovalorizzazione è determinato da: affidabilità tecnica esperienza operativa (alla scala di esercizio richiesta) disponibilità affidabilità sostenibilità ambientale emissioni in atmosfera residui solidi impatto sul cambiamento climatico convenienza economica fattibilità economica (dell intero progetto) aspetti di scala incentivi

16 Affidabilità Tecnica

17 Affidabilità Tecnica: esperienza operativa La Combustione è un processo efficiente ed ampiamente diffuso, con una tecnologia a singolo stadio ben definita e sostenibile. La Gassificazione è un processo multistadio, meno collaudato su scala commerciale, ma con margini di espansione principalmente legati alla possibilità di migliorarne i prodotti intermedi, che possono essere poi inviati a sistemi di conversione di elevata efficienza. COMBUSTION GASIFICATION years of operation n. plants > capacity range kt/y kt/y

18 Affidabilità Tecnica degli impianti L attuale potenzialità degli impianti WtE di combustione è maggiore di 100 milioni per t MSW all anno. Gli impianti di combustione a griglia mobile sono la stragrande maggioranza, con disponibilità media > h e rendimenti elettrici netti tra 18 e 27% (< 20% per le istallazioni più vecchie).

19 Affidabilità Tecnica degli impianti Ci sono poche decine di impianti di combustione a letto fluido (FBC) per RSU. Questi impianti funzionano bene (disponibilità media 8.000h) con RDF o SRF, a condizione che la distribuzione granulometrica dei rifiuti e il loro potere calorifico siano gestiti accuratamente. Questo significa che il rifiuto ha bisogno di essere triturato prima di essere alimentato in un impianto FBC.

20 Affidabilità Tecnica degli impianti L attuale potenzialità complessiva degli impianti di gassificazione per la produzione di energia è più di 2.5 milioni t MSW all anno. I gassificatori shaft ad alta temperatura e con fusione diretta delle ceneri sono gli impianti di gassificazione più diffusi, con elevata disponibilità e grande flessibilità sul combustibile. Ciò consente il funzionamento in modalità di co-gassificazione. I rendimenti elettrici netti sono tra il 13e18%. Courtesy of Nippon Steel, Tanigaki et al., WM 2012

21 Affidabilità Tecnica degli impianti Courtesy of Kobelco Eco Sol., Kashima et al., /th i-cipec 2012 Ci sono inoltre > 30 impianti FBG accoppiati con un forno di fusione delle ceneri appena a valle del gassificatore. La disponibilità è tipicamente > di 300 giorni. Ancora una volta è molto diffusa la co-gassificazione, anche con le ceneri di fondo da termovalorizzatori convenzionali.

22 Affidabilità Tecnica degli impianti Un altro tipo di letto fluido per impianti di gassificazione è quello proposto dalla Metso. Courtesy of Metso Group, Hankalin, Sardinia 2011

23 Affidabilità Tecnica degli impianti Courtesy of Metso Group, Hankalin, Sardinia 2011

24 Sostenibilità Ambientale

25 Bilancio di massa di un impianto di Combustione All the values are in t/d Oxidant medium: air ER: 1.7 Urea: 4.6 kg/t waste Hydrated lime: 10 kg/t waste Activated Carbon: 1 kg/t waste

26 Bilancio di massa di un impianto di Gassificazione All the values are in t/d Oxidant medium: air and O 2 enriched air (O 2 = 36%) ER: 0.26 Urea: 4.6 kg/t waste Hydrated lime: 6.5 kg/t waste Activated Carbon: 0.5 kg/t waste

27 Sostenibilità Ambientale: emissioni in atmosfera I sistemi di Combustione sono fortemente migliorati negli ultimi due decenni, grazie ad un miglior controllo del processo e a tecniche sempre più efficienti per la pulizia del gas effluente. Oggi difatti le unità WtE rappresentano una delle fonti di energia con minore impatto ambientale. Il maggiore punto di forza della Gassificazione sono le prestazioni ambientali. In particolare c è una limitata formazione di diossine e di ossidi di azoto e zolfo. Inoltre il gas combustibile finale (ovvero quello generato dalla combustione del syngas) è all incirca il 30% in volume del gas effluente da processi di combustione convenzionale: quindi il sistema APC è significativamente più piccolo e meno costoso.

28 Emissioni in atmosfera: il destino del Cloro HCl 12% All the values are in kg/d 87.4% KCl,PbCl 2 ZnCl 2 0.4% All the values are in kg/d Arena and Di Gregorio, Waste Management, %

29 Emissioni in atmosfera: ossidi di azoto Courtesy of Martin Gmbh, 2013

30 Emissioni in atmosfera: ossidi di azoto NH 3 or urea for DeNOx >850 C / 2 s NOx abated < 80 mg/nm 3 VLN gas as mixing agent NOx unabated < 250 mg/nm 3 OFA λ ~ 0.2 UFA λ ~ 1.2 Air gradation Low NOx λ ~ VLN gas T < 300 C λ ~ 0.3 Courtesy of Martin Gmbh, Wohlleben, Sardinia 2011

31 Emissioni in atmosfera: NOx e diossine Co-gasification Gasification MSW+bottom ash+srf+incomb. residue MSW Courtesy of Nippon Steel, Tanigaki et al., WM&R, 2013 Courtesy of Kobelco Eco Sol., Kashima et al., /th i-cipec 2012

32 Residui Solidi: il destino dei metalli pesanti basso-bollenti Diversi fattori possono influenzare se, e in quale forma, un elemento in traccia possa finire in fase gas o in fase particolato: i) come l elemento in traccia è presente nel combustibile ii) la presenza di alogeni (in particolare di cloro) iii) la presenza di composti basici iv) la temperatura e la pressione del sistema v) le condizioni ossidanti o riducenti

33 Residui Solidi: il destino dei metalli pesanti basso-bollenti

34 Residui solidi: il destino dello Zinco ZnSiO 4 ZnAl 2 O 4 45% All the values are in kg/d 55% ZnCl 2 0.9% All the values are in kg/d Arena and Di Gregorio, Waste Management, %

35 Residui solidi: il destino del Piombo 55% All the values are in kg/d 45% 1.9% All the values are in kg/d Arena and Di Gregorio, Waste Management, %

36 Residui solidi: il destino dei metalli pesanti basso bollenti Test di liscivazione delle slags da due gassificatori commerciali Element Regulation (JIS K0058) Plant A (Nippon Steel DMS) Plant B (JFE G+MS) mg/l mg/l mg/l Cd < 0.01 <0.001 <0.001 Pb <0.01 <0.005 <0.005 Cr 6+ <0.05 <0.02 <0.02 As <0.01 <0.001 <0.005 T-Hg < < < Se <0.01 <0.001 <0.002 F <0.8 - <0.08 B <1.0 - <0.01

37 Sostenibilità ambientale: risultati di uno studio MFA/SFA mass flow rates Combustion-based WtE Bottom Ash APC residues Flue Gas Gasification-based WtE Slag Metal s APC residue s Flue Gas mass, kg/t waste C, kg/t waste Cl, g/t waste S, g/t waste Pb, g/t waste Zn, g/t waste

38 Sostenibilità ambientale: residui solidi Arena and Di Gregorio, Waste Management, 2013

39 Sostenibilità ambientale: residui solidi Mass balance of Shin-moji Plant, Japan (720t/d) Courtesy of Nippon Steel Eng. Co., Tanigaki 2011

40 Sostenibilità ambientale: rifiuti solidi Mass balance of Akita Total Env. Center, Japan (400t/d) MSW Sludge Bottom ash from incinerators Input % 20% 40% 60% 80% 100% 2.8 to Landfill Slag Metal Output * Average for year Courtesy of Nippon Steel Eng. Co., Tanigaki 2011

41 Sostenibilità ambientale: residui solidi

42 Sostenibilità ambientale: residui solidi

43 Convenienza Economica

44 Convenienza economica: costi totali di investimento Costi per le apparecchiature (Pretrattamenti del rifiuto) Unità di trattamento termico Sistema di controllo dell inquinamento atmosferico Ceneri pesanti e trattamento dei residui APC Costi di ingegneria civile Altri costi Costi per il working capital Costi di assicurazione Altri costi finanziari Fondi di mitigazione del rischio Costi dei diritti brevettuali

45 Convenienza economica: total value chain Adapted from: ISWA Working Group on Energy Recovery, 2013

46 Convenienza economica: utility costs Adapted from: ISWA Working Group on Energy Recovery, 2013

47 Convenienza economica Il focus dovrebbe essere su: Costi di investimento totali E fondamentale che vengano considerati tutti i costi. I costi totali di investimento per la termovalorizzazione convenzionale potrebbero essere elevati rispetto ad un certo numero di tecnologie di gassificazione: evidenze degli ultimi anni indicano la convenienza degli impianti di gassificazione per scale più piccole di t/anno. Quantità di energia recuperata Le tecnologie basate sulla combustione hanno efficienze nette dal 18 al 27% (fino al 32%). L efficienza delle tecnologie basate sulla gassificazione è nettamente inferiore (specialmente se paragonate ad inceneritori di larga scala), per lo più nell intervallo 10-18%.

48 Convenienza economica L obiettivo principale della termovalorizzazione è cambiato da TRATTAMENTO DEL RIFIUTO a: (TRATTAMENTO DEL RIFIUTO CON) PRODUZIONE DI ENERGIA Ma la carenza di siti adeguati per discariche sicure e gli elevati costi per lo smaltimento, particolarmente nelle aree ad alta densità di popolazione, potrebbe presto portare ad un altro cambiamento: (PRODUZIONE DI ENERGIA E ) MINIMIZZAZIONE DELLE DISCARICHE

49 Convenienza Economica E anche importante considerare: Costi di smaltimento dei rifiuti solidi Costi di trattamento delle ceneri e dei residui APC Costi della messa in discarica Possibili ricavi dal recupero dei metalli e dal riutilizzo degli inerti. Ridotta necessità di nuovi siti per discariche Combustion-based WtE Bottom Ash APC residues Flue Gas Slag Gasification-based WtE Metals APC residues Flue Gas mass, kg/t waste volume flow rates, m 3 N/t waste landfill mass reduction, %

50 Conclusioni Le tecnologie basate sulla combustione, e i forni a griglia mobile in particolare, sono un opzione di termovalorizzazione affidabile e sostenibile che permette : una produzione significativa di energia emissioni limitate in atmosfera una notevole riduzione del volume dei rifiuti una previsione accurata dei costi di investimento e di esercizio Le soluzioni più avanzate per questo tipo di WtE suggeriscono nuovi ed importanti miglioramenti in termini di massimizzazione del recupero di energia e materiali, di riduzione delle emissioni e di ottimizzazione del controllo della combustione.

51 Conclusioni Le tecnologie basate sulla gassificazione non sono ancora competitive per la produzione di energia ma, in particolare i reattori verticali ad alta temperatura con fusione diretta delle ceneri, sono un opzione affidabile e sostenibile che permette: la minimizzazione della opzione discarica: i rifiuti inviati in discarica possono essere ridotti dal 25-30% al 3-5% dei rifiuti in ingresso; emissioni limitate in atmosfera la co-gassificazione di un ampia varietà di rifiuti, quali le ceneri di fondo da inceneritori convenzionali, fanghi di depurazione, residui incombustibili, rifiuti prodotti da eventi disastrosi. Una loro più ampia diffusione sul mercato è legata ad una pulizia del syngas più efficiente ed economica, tale da soddisfare le specifiche di motori o turbine a gas.

52 E quindi, The Winner is.

53 GRAZIE per la cortese attenzione!