04-04: Frazioni varie di biomassa Proprietà e processi Introduzione

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1 Chapter page : Frazioni varie di biomassa Proprietà e processi Introduzione Ci sono essenzialmente cinque diversi processi tra cui scegliere per la produzione di energia utile da qualsiasi tipo di biomassa. Tre diversi processi termici: Combustione per la generazione diretta di calore ed elettricità in centrali di cogenerazione o di co-combustione nei processi industriali, Gassificazione termica per successiva combustione del gas ( gas prodotto ) in centrali di cogenerazione, in processi industriali, oppure per ulteriore trattamento chimico del gas prodotto. Pirolisi per successiva combustione del combustibile solido, liquido e/o gassoso prodotto in centrali di cogenerazione, in processi industriali o per ulteriore trattamento chimico del prodotto della pirolisi. La pirolisi può essere effettuata ad alta temperatura (circa 700 o C) o a bassa temperatura (circa 300 o C, torrefazione ), ottenendo differenti rapporti di residuo solido ( carbone ), residuo liquido ( olio di pirolisi ) e residuo gassoso ( gas di pirolisi ). Due diversi processi biochimici: Fermentazione per successiva combustione del combustibile liquido (alcol, principalmente etanolo) in motori a combustione interna (IC) o come combustibile aggiuntivo in centrali di cogenerazione, in processi industriali o come materia prima per la successiva sintesi di un nuovo prodotto. Digestione anaerobica per successiva combustione del gas ( biogas ) in motori IC o come combustibile aggiuntivo in centrali di cogenerazione, in processi industriali o come materia prima per la successiva sintesi di un nuovo prodotto. I vari processi hanno ciascuno la propria caratteristica, come indicato nel capitolo 04-00, e tutti hanno diverse esigenze in termini di materie prime che entrano nel processo. Per tutti e tre i processi termici, un aspetto importante è la quantità delle ceneri, la loro composizione e il loro comportamento alla fusione. Grandi quantità di ceneri fuse possono - in alcuni tipi di apparecchiature - causare gravi problemi operativi e devono dunque essere evitate. Componenti volatili della ceneri, come alcuni dei metalli pesanti, possono uscire insieme alla fase gassosa da processi ad alta temperatura e ciò può costituire un vincolo alla scelta del processo. I materiali inorganici si ripartiscono fra ceneri pesanti e ceneri volatili e l'utilità di questi sottoprodotti è condizionata dalla temperatura e dalle condizione del processo. Il contenuto di acqua del carburante, cioè il valore calorifico inferiore - vedere la sezione a - è un ulteriore fattore importante. Per i due processi di conversione termica - gassificazione o pirolisi - sono spesso i fattori limitanti l'efficienza totale ottenuta nel processo più complesso, in combinazione con il costo per la conversione e quello legato al mercato dei prodotti. Per i due processi biochimici, la composizione del materiale organico (vedi ) è uno dei fattori determinanti, mentre per il residuo l utilizzo e il mercato potenziale come

2 Chapter page 2 fertilizzante o come agente di miglioramento del suolo, è in larga misura influenzato dalla composizione della frazione inorganica. Riguardo ai combustibili da rifiuti solidi urbani (RSU), la proprietà più significativa è la loro variabilità tra stati, regioni e città. La composizione dei rifiuti domestici dipende anche dalla popolazione nel senso che i rifiuti prodotti da gruppi di diverse età e fasce di reddito, tendono molto a differenziarsi al variare dei modelli di consumo e del tenore di vita. Tuttavia, alcune cose possono essere evidenziate. Tipicamente, la frazione combustibile è composta da nove componenti principali, qui caratterizzati dall analisi elementare rispettivamente: carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O), azoto (N) e zolfo (S), insieme con la cenere. Sono tabulate la % in peso sul secco, e il potere calorifico di riferimento (molto approssimato) in MJ/kg: C H O N S Ceneri q NET,DAF 1: Plastica : Gomma : Pellame : Tessuto : Scarti di legno : Carta : Cartone : Scarti di cibo : Scarti di giardino Tabella : Analisi chimica caratteristica delle frazioni utilizzabili come combustibile dai RSU La frazione di plastica è certamente combustibile ma non è biomassa. Tipicamente, la frazione di plastica presente nei rifiuti domestici è circa il 5-15 % e consiste principalmente in imballaggi per alimenti e sacchetti di plastica. Le due voci sotto la linea tratteggiata - scarti di cibo e scarti di giardino dovrebbero entrambe, preferibilmente, essere inserite nella frazione generale di rifiuti da trattare tramite digestione anaerobica, piuttosto che essere presenti nella frazione combustibile. Le statistiche dell Unione Europea sui rifiuti non sono ancora pienamente coordinate, ma confrontando i dati provenienti da una serie di indagini diverse si può vedere che la composizione complessiva tende a variare tra gli Stati in modo significativo, con carta e cartone al % circa e plastica al %, costituenti circa un terzo del totale. Vetro, ceramiche e metalli, insieme ad altre frazioni inerti come rifiuti da ristrutturazione edilizie e simili, costituiscono globalmente circa la stessa quantità cioè un terzo, mentre la frazione dei biodegradabili rappresenta la percentuale rimanente. Tuttavia, come sottolineato, la composizione è altamente variabile e in funzione delle condizioni locali/regionali.

3 Chapter page 3 Ottenendo 16 MJ/kg per la frazione di carta (20 % in peso), 26 MJ/kg per le materie plastiche (10 %) e 18 MJ/kg per i rifiuti biodegradabili (3 3%), il restante 37 % è non-combustibile, la resa totale è di MJ/kg di materiale secco. Il contenuto di umidità nella frazione combustibile dipende fortemente dalle frazioni presenti, ma è anche condizionato dal modo in cui è organizzata la raccolta, comunque generalmente può essere stimata intorno al 20 %, ottenendo poi un valore caratteristico per il potere calorifico dei rifiuti umidi di circa 8-10 MJ/kg. Questo è un valore tipico e può essere proficuamente utilizzato per scopi di dimensionamento, anche se va ricordato che la logistica della raccolta (vedi capitolo 03-04) ha una forte influenza e può contribuire ad un valore superiore. Come accennato in precedenza (capitolo 01-04), il contenuto di cloro nei RSU può essere talvolta elevato, quasi fino all 1 % in peso (su base secca). Le fonti di cloro sono principalmente due: plastiche (ad esempio PVC) e sale comune, che rimane nei residui di cibo. Nella combustione, il cloro può contribuire alla formazione di idrocarburi clorurati, come la diossina. Poiché qualsiasi descrizione dettagliata della chimica di combustione andrebbe ben oltre lo scopo di questo manuale, questo aspetto non è stato trattato in modo esplicito, ma il ruolo del cloro è stato menzionato più volte nel capitolo e un punto saliente della direttiva sull'incenerimento dei rifiuti, 2000/76/EC, è quello di eliminare la formazione di tali composti. Quindi, qualunque apparecchiatura per la combustione dei rifiuti deve essere accuratamente dimensionata per soddisfare le richieste presentate nella direttiva citata : Combustione diretta Qualunque siano i processi di cui sopra, l'estrazione finale dell'energia contenuta in un combustibile avviene sempre attraverso una completa ossidazione. Nel caso in cui l ossidazione avvenga in una cella a combustibile, come può essere per il caso di combustibili puri come l alcool purificato, l idrogeno o gli idrocarburi purificati, essa non è solitamente chiamata combustione ma in tutti gli altri casi lo è. Le celle a combustibile sono menzionate nella sezione di testo , ma poiché le celle a combustibile richiedono un combustibile molto pulito, esse non costituiscono una valida alternativa per i carburanti prodotti a partire da frazioni di rifiuti. In questo contesto, useremo il termine combustione diretta per la combustione delle frazioni combustibili solide derivanti da un corretto frazionamento dei rifiuti urbani solidi, e per la combustione delle frazioni combustibili differenziate e pulite, provenienti dai rifiuti solidi industriali e della collettività. Un'introduzione generale alla combustione diretta si trova nel e qualche ulteriore dettaglio si trova nel , in particolare nel e riguardo al teleriscaldamento, nel f-g sono trattati gli aspetti del sistema della cogenerazione e della produzione di energia elettrica, infine nel h vengono trattate le caldaie a combustibile solido.

4 Chapter page 4 Nei rifiuti, il contenuto di ceneri è solitamente alto, difficilmente sotto al 15 % in peso, e la cenere inizia a fondere già a basse temperature, a volte a partire da 700 o C. Anche se tipicamente i rifiuti vengono triturati prima di entrare nelle caldaie ed i materiali magnetici sono separati, rimane comunque una quantità significativa di ceneri e la temperatura di fusione non viene influenzata dalla separazione dei materiali magnetici. Quindi, le caldaie per la combustione diretta devono essere progettate per gestire grandi quantità di cenere fusa all interno del braciere. Adeguati progetti specifici sono disponibili da tempo sul mercato e risultano facilmente reperibili e altamente affidabili. I gas derivanti dalla combustione dei rifiuti contengono alcune componenti corrosive in concentrazioni relativamente elevate (rispetto ai biocarburanti puliti). In impianti di cogenerazione ciò va a limitare la temperatura di surriscaldamento del vapore, solitamente intorno ai o C, e come conseguenza anche il rendimento totale di energia elettrica che può essere ottenuta dalla combustione dei rifiuti. Per questa ragione le frazioni di rifiuti possono essere utilizzati per la cogenerazione soltanto se è accettabile un basso rendimento elettrico. Altrimenti la semplice combustione con produzione di energia termica sarà la soluzione più praticabile : La gassificazione termica Il flusso di gas prodotto da un gassificatore è minore del flusso di gas dopo una combustione e quindi può essere più conveniente ripulire il gas dalle varie componenti corrosive e nocive, dopo il processo di gassificazione. Tuttavia, la pulitura del gas richiede che il gas venga raffreddato, e ciò comporta quindi un processo in cui si perde calore e l'efficienza totale diminuisce. In alcuni casi - a condizione che il gas possa essere venduto o utilizzato in un processo in cui il valore aggiunto sia abbastanza alto - questo può rivelarsi un metodo più opportuno rispetto alla combustione diretta. Il gas prodotto, a seconda del processo di gassificazione (vedere la sezione di testo ), può avere un valore elevato di potere calorifico e può anche essere utilizzato nelle turbine a gas (sezione di testo f). Il gas può anche essere utilizzato in processi industriali. Nonostante l'aumento dei costi e la diminuzione dell'efficienza attraverso la gassificazione, questa è a volte un'alternativa fattibile per il trattamento termico della frazione di rifiuti combustibili : La pirolisi, torrefazione inclusa La pirolisi - sia ad alte o basse temperature - mira essenzialmente a produrre gas combustibile, liquido combustibile e solido combustibile. In un processo a bassa temperatura come la torrefazione, tipicamente a circa o C, la parte principale della frazione inorganica viene mantenuta nel combustibile solido, il carbone. Pertanto, il combustibile solido prodotto può presentare un potere calorifico più alto, ma non sarà in genere preferibile al combustibile originale da un punto di vista ambientale.

5 Chapter page 5 A temperature più elevate di pirolisi, una quantità maggiore dei composti contenenti energia viene separata per distillazione dal carbone e va a far parte del gas o del liquido. Allo stesso tempo, una parte maggiore delle impurità viene separata dal carbone sempre per distillazione. Quindi, quanto maggiore è la temperatura di pirolisi, tanto più pulito risulta carbone, ma al tempo stesso l'energia totale contenuta nel combustibile solido viene ridotta. Le impurità derivate dal combustibile si ripartiscono fra il combustibile gassoso (gas di pirolisi), il combustibile liquido (olio di pirolisi) e il combustibile solido (carbone) e la distribuzione sarà in dipendenza della temperatura e del processo. La pirolisi di una miscela estremamente complessa di materiali - come una frazione di rifiuti - è un processo altamente imprevedibile a causa della variabilità del materiale con cui viene alimentata e del diverso potere calorifico. Pertanto, il prodotto che si ottiene risulta a sua volta imprevedibile ed è praticamente impossibile affermare se il processo aggiunga valore ai prodotti in misura tale da compensare l'aumento del costo dovuto ad una fase ulteriore del processo. Tuttavia, se una specifica frazione, ad esempio pneumatici delle macchine o simili, può essere separata, la situazione cambia completamente e la pirolisi può diventare un processo valido per aggiungere valore significativo al materiale - dal punto di vista energetico : La fermentazione biochimica Ovviamente, il trattamento biochimico dei rifiuti deve essere limitato esclusivamente alla frazione umida organica, e non alle frazioni per la combustione. La fermentazione alcolica, quello che cioè, in questo contesto, solitamente si intende con la parola fermentazione, richiede che il substrato contenga una quantità sufficiente di zuccheri fermentabili subito disponibili (si veda ). Tali zuccheri sono noti come esosi, contengono cioè sei atomi di carbonio nella molecola, mentre molti degli zuccheri presenti nella biomassa nel suo complesso contengono solo cinque atomi di carbonio. Nel caso in cui una frazione organica con elevato contenuto di zucchero sia facilmente disponibile in quantità sufficiente, come nel caso dei rifiuti di una fabbrica di zucchero, risulta sensato costruire un impianto di fermentazione specifico. Se questo non è il caso è probabilmente molto più saggio mescolare i rifiuti ricchi di zucchero con substrato contenente più azoto, e portare la miscela ad un digestore anaerobico : Digestione biochimica (anaerobica) Essenzialmente, qualsiasi materiale organico può essere decomposto per via biochimica e la digestione anaerobica è uno dei meccanismi principali. Tuttavia, materiali differenti si decompongono in maniera diversa e dunque i gas prodotti ( biogas ) differiscono in quanto a composizione.

6 Chapter page 6 Come mostrato nella sezione di testo a, i biogas da digestione dei rifiuti organici in genere presentano contenuti di metano significativamente inferiori rispetto ai gas prodotti dal letame o dai fanghi degli impianti di depurazione dell acqua. Si può notare anche, vedi tabella , che il gas da rifiuti domestici contiene più composti clorurati e più idrocarburi aromatici. La quantità di composti clorurati è in parte dovuta alla presenza di sale nei rifiuti organici (alimentari) provenienti dai nuclei domestici, e può dar luogo a problemi di corrosione in caso di utilizzo di biogas non-pulito in un motore IC e in impianti di cogenerazione. Anche il digestato ottenuto dalla digestione dei rifiuti risulta in tal caso contaminato e non può essere utilizzato come ammendante del suolo né come fertilizzante per terreni agricoli. Entrambe le proprietà - l'abbassamento della qualità del gas e l'abbassamento della qualità del digestato - tendono ad indicare la stessa conclusione: la digestione anaerobica dei flussi di rifiuti deve essere tenuta separata, per non compromettere qualità e stabilità di processo nei processi di digestione alimentati da substrati più puliti : Aspetti progettuali Nonostante l'aumento dei costi e la diminuzione dell'efficienza attraverso la gassificazione, la cogenerazione è a volte un'alternativa fattibile per il trattamento termico della frazione di rifiuti combustibili, fermo restando che la minor produzione elettrica sia considerata nella pianificazione. La pirolisi di una miscela estremamente complessa di materiali - come una frazione di rifiuti - è un processo altamente imprevedibile a causa della variabilità del materiale con cui viene alimentata e del diverso potere calorifico. Pertanto, il prodotto che si ottiene risulta a sua volta imprevedibile ed è praticamente impossibile affermare se il processo aggiunga valore ai prodotti in misura tale da compensare l'aumento del costo dovuto ad una fase ulteriore del processo. Per rendere il processo di pirolisi economicamente sostenibile, il combustibile prodotto deve essere prevedibile e per ottenere ciò, la materia prima deve essere costituita da una ben definita frazione differenziata dal flusso dei rifiuti. Se ciò può essere realizzato, allora la pirolisi può essere un modo molto efficiente per produrre combustibile secondario utile, a partire da una frazione di rifiuti Nel caso in cui una frazione organica con elevato contenuto di zucchero sia facilmente disponibile in quantità sufficiente, come nel caso dei rifiuti di una fabbrica di zucchero, risulta sensato costruire un impianto di fermentazione specifico. Se questo non è il caso è probabilmente molto più saggio mescolare i rifiuti ricchi di zucchero con substrato contenente più azoto, e portare la miscela ad un digestore anaerobico. Poiché la presenza di rifiuti domestici tende ad abbassare non solo la qualità del gas, ma anche la qualità del digestato, la digestione anaerobica dei flussi di rifiuti deve essere tenuta

7 Chapter page 7 separata, per non compromettere qualità e stabilità di processo nella digestione anaerobica alimentata da substrati più puliti.