Tecnologie e Metodologie per la Conversione Termochimica dei Rifiuti Solidi Urbani
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1 Tecnologie e Metodologie per la Conversione Termochimica dei Rifiuti Solidi Urbani Francesco Pepe Dipartimento di Ingegneria Università del Sannio, Benevento
2 LA GESTIONE DEI RIFIUTI SOLIDI URBANI La gestione dei RSU rappresenta un serio problema per la maggior parte delle società tecnologicamente avanzate Italia: 1.5 kg di RSU per persona e per giorno (~ kg/anno ) Priorità: : riduzione in massa, volume e pericolosità dei rifiuti, raccolta differenziata, effettivo riciclaggio dei rifiuti Tecniche di smaltimento: trattamenti termici o trattamenti a a freddo (meccanico-biologici, MBT)
3 LA GESTIONE DEI RIFIUTI SOLIDI URBANI Rifiuti non riciclati trattamento discarica Necessario adottare tecnologie che: riducano drasticamente la quantità di materiale da smaltire in discarica (suolo) rendano inerte il materiale smaltito (acqua, aria) realizzino questi obiettivi minimizzando gli impatti sugli altri comparti ambientali (atmosfera) possibilmente, sfruttino l energia l eventualmente resasi disponibile nel processo di trasformazione (cfr. la Direttiva Europea sui rifiuti 12/2006/CE)
4 TRATTAMENTI TERMICI DI RSU Temperature di diverse centinaia di C riduzione di massa: ~70%; riduzione di volume: ~90% Ma quello che non va in discarica va in atmosfera (emissioni gassose)!!! i fumi possono contenere pericolosi inquinanti (particolato fine, ossidi di zolfo e di azoto, acido cloridrico e fluoridrico, metalli pesanti, diossine, furani, idrocarburi policiclici aromatici ecc.). imperativo ricorrere alle migliori tecniche disponibili per ridurre la formazione di sostanze nocive e per ripulire i gas prima di scaricarli nell atmosfera
5 PRINCIPALI TECNOLOGIE DI TRATTAMENTO Incenerimento ( termovalorizzazione( termovalorizzazione ): : rifiuto bruciato in aria, trasformato in una scoria solida e in un fumo caldo utilizzato per la generazione di energia elettrica (e calore) prima di essere depurato e scaricato Pirolisi: : rifiuto riscaldato in assenza di aria sfruttando una fonte di calore esterna, e quindi trasformato in un gas di sintesi ( (syngas), da bruciare successivamente, una scoria solida e talora anche un olio combustibile Gassificazione: : combustione del rifiuto in difetto di aria (situazione intermedia tra incenerimento e pirolisi); si produce un syngas da utilizzare successivamente e una scoria solida da inviare a discarica
6 INCENERIMENTO DI RSU Frazione combustibile del rifiuto ossidata ad alta temperatura (T~1000( 1000 C) O 2 dell aria si combina con C e H del rifiuto e li converte in CO 2 e H 2 O Produzione di scorie solide (~300 kg/t rifiuto ) e energia elettrica (~450 kwh/t rifiuto ) Riduzione di massa e volume, sterilizzazione, recupero energetico, scorie poco lisciviabili Alti costi di impianto e di manutenzione, produzione di fumi (e anche di liquidi), necessità di smaltire le ceneri volanti
7 FORNI A GRIGLIA MOBILE Apparecchiature più utilizzate per incenerimento di RSU o CDR in Italia: oltre l 80% l della capacità complessiva di incenerimento, impianti fino a 800 t/giorno Camera di combustione lunga e inclinata, sul cui pavimento brucia il rifiuto pavimento :: griglie metalliche mobili, attraverso le quali viene insufflata aria di combustione movimento delle griglie: spostamento del rifiuto dall ingresso allo scarico e rimescolamento
8 FORNI A GRIGLIA MOBILE Fumi inviati a camera di post combustione T 850 C, tempo di permanenza 2 2 s obiettivo: rimozione dei prodotti di cattiva combustione (CO, fuliggine e idrocarburi ) Sezione di recupero energetico energia termica dei fumi usata per generare vapore pressurizzato vapore usato per la generazione di energia elettrica anche: applicazioni di riscaldamento a distanza (teleriscaldamento)
9 FORNI A GRIGLIA MOBILE
10 FORNI A LETTO FLUIDIZZATO CDR finemente macinato brucia in sospensione disperso in una matrice di un solido granulare inerte (sabbia) inerte e combustibile tenuti in sospensione da una corrente di aria alta camera di combustione, sezione quadrata o rettangolare vigoroso mescolamento intimo contatto tra combustibile e ossigeno dell aria Disponibili in due varietà (letti fluidi bollenti e circolanti), complessivamente coprono nel nostro Paese circa il 15% della capacità di incenerimento
11 FORNI A LETTO FLUIDIZZATO A causa dell intenso mescolamento, la combustione avviene in condizioni molto migliori rispetto ai forni a griglia mobile minori quantità di prodotti di cattiva combustione temperatura più bassa (ca. 900 C C contro i 1200 C) dei forni a griglia) minori quantità di NO x minori eccessi di aria meno fumi al camino velocità di combustione molto elevate dimensioni della camera di combustione ridotte anche di un fattore 10
12 FORNI A LETTO FLUIDIZZATO Maggiore fragilità operativa l utilizzo di CDR con caratteristiche improprie può portare a danneggiamenti irreversibile della camera di combustione Sono ancora percepiti come una tecnologia giovane e non sufficientemente testata faticano a trovare una diffusione sufficientemente ampia nel campo dell incenerimento (ma diffusione crescente soprattutto in Europa settentrionale) Possono trattare solo CDR macinato piuttosto finemente
13 FORNI A LETTO FLUIDIZZATO
14 FORNI A TAMBURO ROTANTE Lunga camera di combustione di forma cilindrica internamente rivestita di refrattario, leggermente inclinata rispetto all orizzontale (1% 3%), e che ruota lentamente molto simili ai forni per la produzione di cemento Non sono molto diffusi nel campo dell incenerimento di RSU in Italia coprono meno del 5% della capacità complessiva usati soprattutto per rifiuti pericolosi
15 TRATTAMENTO DEI FUMI Principale problema dell incenerimento: emissioni in atmosfera Nei fumi presenti numerosi inquinanti macroinquinanti (concentrazione superiore a qualche parte per milione): CO, SO 2, HCl, HF, NO x, particolato (ceneri volanti, fumo, fuliggine) microinquinanti (concentrazioni molto basse, ma tossicità molto elevata) : idrocarburi policiclici aromatici (IPA), composti dei metalli pesanti (mercurio, cadmio), composti organo clorurati (policlorobifenili, diossine, furani) Normativa vigente: D. Lgs. 133/2005
16 TRATTAMENTO DEI FUMI Inquinanti particellari cicloni depolveratori venturi precipitatori elettrostatici filtri a maniche Inquinanti gassosi assorbimento a secco, a semisecco o a umido per i gas acidi (HCl, SO 2, HF) adsorbimento su carboni attivi per i composti dei metalli pesanti e i microinquinanti organici o organoclorurati conversione selettiva non catalitica (SNCR) o catalitica (SNCR) per gli NO x
17 SOTTOPRODOTTI SOLIDI DEL PROCESSO DI INCENERIMENTO Scoria, o cenere pesante scaricata dalla fornace, costituisce una frazione rilevante del materiale complessivamente trattato (~25% se si trattano RSU, meno se si tratta CDR) frazione non combustibile del rifiuto mescolata con parte del materiale carbonioso che non è bruciato Gestione: smaltimento in discarica, solitamente per rifiuti non pericolosi talora (USA, Germania) usata come sottofondo stradale se soddisfa determinate specifiche
18 SOTTOPRODOTTI SOLIDI DEL PROCESSO DI INCENERIMENTO Particolato fine (2% 5% del materiale trattato) cenere volante e fuliggine dalla sezione di trattamento fumi, spesso mescolate con i solidi utilizzati per il trattamento fumi sali di sodio e/o calcio, carbone attivo contenete e microinquinanti Forte tendenza al rilascio di composti tossici per dilavamento ad opera delle acque meteoriche piombo, nickel, mercurio, altri metalli, composti organo clorurati
19 SOTTOPRODOTTI SOLIDI DEL PROCESSO DI INCENERIMENTO Smaltimento in discariche per rifiuti pericolosi costi molto elevati Trattamenti volti a minimizzare la tendenza al rilascio stabilizzazione in una matrice cementizia preparazione di miscele tra particolato fine e/o scoria macinata e cemento, quindi solidificazione di tali miscele mediante reazione tra il legante cementizio e acqua inertizzazione in impianti basati su torce al plasma
20 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI Decomposizione del rifiuto in assenza di ossigeno dovuta al riscaldamento ( C) dall esterno fonte di energia esterna (processo endotermico), di solito parte del combustibile generato dal processo in assenza di ossigeno il rifiuto riscaldato non brucia ma si degrada termicamente le molecole dei materiali organici si spezzano in molecole più semplici, e inoltre una serie di sostanze volatili evaporano dalle matrici solide
21 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI Prodotti del processo gas combustibile ( (syngas)) a medio potere calorifico, composto principalmente da CO, CO 2, H 2, metano e altri idrocarburi leggeri (15-30% del materiale organico alimentato) liquido combustibile, assimilabile ad un olio combustibile, contenente il 50% 60% del materiale organico alimentato solido di scarto, composto dalla frazione non combustibile alimentata al processo e da un materiale carbonioso simile al carbon coke
22 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI A valle del processo syngas e olio bruciati per produrre energia parte dell energia energia viene utilizzata per condurre il processo stesso, mentre la parte eccedente viene utilizzata per produrre energia elettrica e/o calore Solido residuo separato la parte nella quale prevale la frazione carboniosa può quindi essere utilizzata come combustibile solido (coke di pirolisi) la parte nella quale prevale la frazione inorganica viene allontanata come rifiuto speciale.
23 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI La combustione non è condotta su un combustibile di qualità piuttosto scadente (quali RSU o CDR), ma su un combustibile gassoso o, al più,, liquido processo intrinsecamente più pulito,, fumi che, salvo situazioni particolari, contengono meno inquinanti, depurazione meno onerosa Processo più complesso di un incenerimento tradizionale La pirolisi porta alla produzione di grosse quantità di scorie solide che necessitano di ulteriori trattamenti
24 APPLICAZIONI INNOVATIVE: GASSIFICAZIONE Soluzione intermedia tra la combustione e pirolisi combustibile (RSU o CDR) bruciato usando una quantità di ossigeno insufficiente per la completa ossidazione del materiale presente si produce un gas combustibile (syngas) composto in prevalenza da CO e H 2, che poi viene bruciato Processo autotermico: energia fornita dall ossidazione di parte del materiale trattato Possibile usare una fornace tradizionale camera termicamente isolata dall esterno e internamente rivestita di materiale refrattario
25 APPLICAZIONI INNOVATIVE: GASSIFICAZIONE Diversi processi proposti, derivanti da analoghi processi per la gassificazione del carbone Gassificazione in letto mobile (processo Thermoselect) fornace cilindrica, piena fino ad una certa altezza del materiale da trattare (CDR piuttosto che RSU) il materiale attraversa il cilindro dall alto alto verso il basso, e la velocità di discesa (nonché quindi la velocità con la quale il materiale fresco può essere introdotto nel forno) dipende dalla velocità con la quale il materiale trattato, ormai ridotto a scoria, viene scaricato dal fondo della fornace
26 APPLICAZIONI INNOVATIVE: GASSIFICAZIONE Gassificazione in letto mobile (processo Thermoselect) durante il suo viaggio attraverso la fornace il materiale incontra temperature via via più elevate, fino ai 1200 C C e oltre al fondo del reattore i gas di processo (aria o ossigno puro) viaggiano invece in controcorrente, dal basso verso l altol nella zona bassa del reattore si ha una combustione, mentre nelle zone più alte si ha una reazione tra il gas di combustione e il rifiuto, che porta alla formazione del si ha una reazione tra il gas di combustione e il rifiuto, che porta alla formazione del syngas
27 APPLICAZIONI INNOVATIVE: GASSIFICAZIONE Processo molto interessante da un punto di vista ambientale la separazione della fase di degradazione del rifiuto da quella di combustione consente di ridurre sensibilmente la generazione di inquinanti Rispetto alla pirolisi, maggiore semplicità impiantistica, produzione di scorie più inerti Però il syngas grezzo prodotto dalla fornace è piuttosto sporco, e richiede una considerevole serie di trattamenti, i quali gravano sensibilmente sui costi complessivi dell operazione, nonché sull efficienza di recupero energetico
28 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI CON TORCIA AL PLASMA Temperatura molto elevata processi chimici tradizionali (combustione, gassificazione): T= C Processi basati su torcia al plasma: T 3000 C e oltre
29 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI CON TORCIA AL PLASMA Possibili applicazioni: distruzione/inertizzazione del gas trattato ceneri volanti dall incenerimento di RSU/CDR rifiuti contenenti amianto rifiuti sanitari rifiuti contenti composti organoclorurati (PCB, PCDD, PCDF) rifiuti radioattivi low level anche RSU tradizionali!
30 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI CON TORCIA AL PLASMA Differenti schemi proposti per il trattamento fumi preraffreddamento con acqua (1000 C C) ciclone caldo (rivestito di refrattario) hot per la rimozione del particolato grossolano (che viene riciclato al reattore) ulteriore raffreddamento con acqua (650( 650 C 120 C) per il controllo delle diossine secondarie filtro a maniche per la rimozione del particolato rimozione catalitica selettiva (SCR) degli NO x assorbimento ad umido per la rimozione dei gas acidi (T 50 C)
31 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI CON TORCIA AL PLASMA
32 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI CON TORCIA AL PLASMA Vetrificazione delle ceneri volanti da incenerimento di RSU impianto di Cenon (Bordeaux) impianto di incenerimento: t/anno di RSU t/anno di fanghi da depurazione acque impianto con torcia al plasma: 2400 t/anno (24 h/giorno, 7 giorni/settimana) reattore di vetrificazione: miscelazione continua (per evitare bypass) fusione delle ceneri (T 1500( 1500 C), distruzione completa di diossine e furani
33 APPLICAZIONI INNOVATIVE: PIROLISI CON TORCIA AL PLASMA Nel reattore di vetrificazione si produce un magma Distruzione completa dei composti organici presenti riduzione di volume (50-60%) e massa (25%) Dopo la solidificazione: solido simile ad un ossidiana durezza secondo Mohs: 6 Solido prodotto assolutamente inerte ai test di lisciviazione (dilavamento)!
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