Le opportunità della termodistruzione di rifiuti mediante tecnologia a plasma termico

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1 Le opportunità della termodistruzione di rifiuti mediante tecnologia a plasma termico Dott. Riccardo Florio - Dott.ssa Simona Rullo Gaia Consulting & Technologies Srl L o smaltimento dei rifiuti rappresenta uno dei principali problemi che la nostra società si trova oggi ad affrontare. La progressiva consapevolezza della necessità di salvaguardia dell ambiente ha portato, nel tempo, a iniziative quali la raccolta differenziata o il riciclo e, soprattutto, a interventi indirizzati a ridurre alla fonte la quantità di rifiuti prodotti. Tuttavia, una grande quantità di rifiuti (a oggi la maggior parte) deve essere ancora sottoposta a un qualche tipo di trattamento al fine di ridurne il volume, renderla non pericolosa per l ambiente e stoccarla. La crisi dei rifiuti è aggravata non solo dal continuo aumento dei volumi prodotti, ma anche da fenomeni di carattere sociale, da una scarsa accettabilità da parte della popolazione a ospitare discariche o inceneritori all interno del proprio territorio comunale e da una scarsa lungimiranza di taluni amministratori che non investono sulla raccolte differenziata. Tra i processi di trattamento dei rifiuti non riciclabili un posto importante è occupato dai trattamenti di tipo termico tra cui, quello più noto, è certamente l incenerimento. All interno di questa categoria si inserisce anche il processo di termodistruzione basato sull utilizzo di tecnologia al plasma termico, che rappresenta un opportunità per la realizzazione di impianti caratterizzati da una superiore efficienza di distruzione e un minore impatto ambientale. 1

2 Il plasma termico Con il termine plasma si indica un composto gassoso che presenta un certo grado di ionizzazione, ovvero in grado di esibire proprietà di conducibilità elettrica. Nel caso del trattamento dei rifiuti, si parla di plasma termico, ossia prodotto a pressioni vicine a quella atmosferica tramite dispositivi chiamati torce al plasma, da oltre un ventennio usati in applicazioni industriali (per esempio nel trattamento di superfici e in fonderia). Le torce al plasma richiedono un sistema di alimentazione di corrente e possono utilizzare come gas di partenza per la produzione di plasma qualsiasi tipo di gas (aria, gas nobili, vapore acqueo e così via). Sono disponibili molteplici versioni e varianti di torce al plasma che possono essere macroscopicamente ricondotte a due categorie: ad arco trasferito e non trasferito. Nelle prime, il plasma viene prodotto attraverso un arco elettrico (arcoplasma), che si estende dalla torcia (catodo) alla superficie da trattare (che funge da anodo del sistema). Quelle ad arco non trasferito, invece, prevedono un arcoplasma che si estende tra i due elettrodi che costituiscono la torcia. Entrambe le varianti sono state sperimentate in impianti per il trattamento di rifiuti. In genere, le potenze utilizzate variano da 250 kw a oltre 1 MW, con la presenza, a volte, di più torce. La tipologia di processo sostanzialmente non cambia nei due casi. In genere, le torce ad arco non trasferito sono più adatte al trattamento di composti gassosi o liquidi gassificabili, in cui è possibile sfruttare una buona interazione col plasma, mentre quelle ad arco trasferito sono più adatte per lo smaltimento di composti solidi e metallici; oltre a ciò, presentano una storia più longeva di utilizzo industriale (anche se in applicazioni di tipo differente), doti di buona affidabilità e costi di gestione contenuti. I vantaggi e i limiti del trattamento dei rifiuti mediante plasma I sistemi per la distruzione di rifiuti con plasma si caratterizzano per l interazione tra il materiale da trattare e il plasma stesso. Le peculiarità del plasma termico possono essere opportunamente sfruttate per realizzare sistemi di trattamento con caratteristiche specifiche e vantaggi non ottenibili in altro modo. Sono proprio queste specificità che inducono a considerare il plasma come una tecnologia molto promettente per il trattamento di rifiuti. Il primo aspetto peculiare del plasma è associato all elevata densità di energia e alla possibilità di raggiungere elevatissime temperature, in grado di superare i C, non ottenibili con mezzi tradizionali, che consentono di scomporre a livello atomico pressoché qualsiasi cosa. 2

3 L efficienza di distruzione ottenibile mediante un impianto al plasma, che atomizza le molecole del rifiuto in prodotti semplici quali N2, H2, CO, CO2, CH4, HCl, riduce la quantità di inquinanti prodotti nel trattamento e non si limita, come talvolta avviene nelle combustioni tradizionali, a un semplice trasferimento dell inquinante (specialmente alla fase gassosa). Innumerevoli test sono già stati compiuti ed esistono bollettini EPA (il maggior ente di protezione ambientale al mondo) che riconoscono alla tecnologia al plasma la capacità di trattare rifiuti di disparata composizione con DRE (efficienza di distruzione) elevatissimo. L elevata densità di energia e le alte temperature associate permettono, inoltre, tempi di reazione molto brevi, richiedendo quindi piccoli tempi di residenza del rifiuto per una sua totale scomposizione (in particolare nel trattamento di composti gassosi e liquidi gassificabili). Uno sfruttamento adeguato di tale caratteristica consentirebbe, pertanto, di trattare grandi quantità di materiale in camere di reazione anche piccole, con una notevole riduzione delle dimensioni dell impianto rispetto a inceneritori di potenza comparabile (volumi del reattore circa dieci volte inferiori). Un ulteriore aspetto distintivo è costituito dal fatto che i meccanismi che portano alla produzione del plasma e a un innalzamento della sua temperatura sono di tipo cinetico, per cui è possibile aumentare la temperatura in modo scorrelato dalle reazioni chimiche che intercorrono tra i composti reagenti. Semplificando, si può dire che, in una torcia al plasma, aumentando la corrente di alimentazione si può incrementare la temperatura del plasma in modo virtualmente illimitato, cosa non possibile, per esempio, in un processo di ossidazione (incenerimento) in cui le temperature sono determinate dalla chimica dei reagenti. Questo consente di trattare in modo efficiente qualsiasi tipo di materiale, in modo indipendente dal suo potere calorifico e, di conseguenza, non richiede una separazione del rifiuto nel caso di materiali contaminati, con ovvi risparmi di costo e gestione. Inoltre, i meccanismi con cui viene prodotto un plasma, unitamente alla possibilità di utilizzare quasi ogni gas o miscela gassosa per la produzione di plasma, permettono di operare in ambienti ossidanti, riducenti o neutri, ottimizzando così il trattamento di diverse classi di composti. Questo consente di decidere il tipo di ambiente di reazione in cui operare in funzione delle caratteristiche e della composizione del rifiuto da smaltire, ottimizzando la presenza di sostanze favorevoli allo specifico processo di trattamento. Ricordiamo che la presenza dell'ossigeno nel processo di trattamento è uno degli elementi caratterizzanti il processo stesso. La quantità di ossigeno presente distingue i processi di combustione, in cui l'ossigeno è presente in forma libera, quelli di gassificazione, in cui l'ossigeno è presente in quantità inferiori a quelle stechiometriche e quelli di pirolisi in cui l ossigeno è assente. 3

4 Il trattamento al plasma minimizza il volume delle scorie prodotte, che sono completamente inerti. La maggiore compattazione delle scorie prodotte consente di ottimizzare i siti di stoccaggio, ridurre i costi associati al trasporto e al conferimento delle scorie. Inoltre, il trattamento produce by-product inerti potenzialmente riutilizzabili, che possono generare ulteriori risparmi associati a costi di stoccaggio in discarica. Un impianto l plasma fornisce, inoltre, un ottimo controllo sulle emissioni che determina migliori prestazioni ambientali e anche un buon controllo di processo legato alla maggiore stabilità della temperatura ottenibile in reattori di volume ridotto. Inoltre i tempi di accensione delle sorgenti di plasma consentono di realizzare impianti con tempi di avvio e spegnimento molto inferiori rispetto a quelli degli usuali inceneritori. In sintesi i vantaggi principali di un trattamento dei rifiuti mediate plasma sono riconducibili ai seguenti punti: è adatto al trattamento di tutti i tipi di rifiuti fornisce alta efficienza di distruzione produce scorie di processo con volumi ridotti e completamente inerti produce volumi/emissioni di inquinanti inferiori a quelle prodotte con tecnologie tradizionali garantisce una reale eliminazione delle sostanze pericolose anziché trasferimento dell inquinante (vetrificazione delle scorie, assenza di prodotti di ricombinazione) fornisce la possibilità di produzione di co-prodotti riutilizzabili (vetri inerti, syngas) consente brevi tempi di reazione: trattamento di grandi quantità di materiale in reattori di piccole dimensioni permette di scegliere il tipo di atmosfera di reazione in cui operare (ambienti ossidanti, riducenti o neutri) offre tempi brevi per il raggiungimento di condizioni stazionarie e tempi di accensione e di spegnimento molto rapidi rispetto a quelli di altri trattamenti termici rappresenta una tecnologia applicabile anche in-situ, con riduzione dei costi di trasporto dei rifiuti e dei rischi ambientali 4

5 I limiti nell utilizzo dei processi al plasma sono essenzialmente da ricondurre a questioni di tipo economico e impiantistico. Nel primo caso, l uso di corrente elettrica per generare il plasma si dimostra oneroso. Tuttavia, il bilancio dei costi andrebbe considerato su una scala più ampia ovvero rispetto all intero processo di trattamento - dal trasporto dei rifiuti presso l impianto di trattamento fino al conferimento delle scorie - anziché limitandosi alla sola fase di produzione del plasma termico. È possibile, inoltre, prevedere azioni di recupero energetico a vari livelli in grado di assicurare l economicità dell impianto. La scelta del tipo di gas di processo da utilizzare va accuratamente valutata e definita in base al processo. In alcuni casi può risultare un fattore di costo (per esempio se sono richiesti gas nobili) oppure può richiedere accorgimenti impiantistici nella fase di progettazione in funzione delle sue caratteristiche chimiche rispetto al rifiuto da trattare. Va anche osservato che non esiste ancora un mercato per i by-product prodotti e la legislazione è un po fumosa per quanto riguarda il loro riutilizzo. Dal punto di vista impiantistico va anche evidenziata l assenza di una realtà consolidata su impianti di grossa scala e una certa rigidità nella versatilità di riconversione di un impianto per differenti classi di rifiuti. Accettabilità Sociale Nel considerare un impianto al plasma non va trascurato il vantaggio indotto dal proporre una tecnologia a basso impatto ambientale con una migliore accettazione a livello sociale: si tratta di problematiche che hanno spesso rallentato se non bloccato la costruzione degli inceneritori. Rispetto a ciò un processo al plasma può vantare le seguenti peculiarità: è un trattamento definitivo è in grado di eliminare l produzione di diossine riduce notevolmente il volume di fumi prodotti dall impianto garantisce emissioni a norma di legge produce by-product inerti e riutilizzabili, potenzialmente riducendo al minimo la quantità di materiale da conferire in discarica rappresenta un processo innovativo, diverso dall incenerimento che si sottrae alle resistenze della popolazione verso gli inceneritori (sindrome NIMBY - Not In My BackYard) è un processo particolarmente adatto a residui da Raccolta Differenziata e rifiuti speciali 5

6 Applicabilità dei processi al plasma al trattamento di rifiuti Il plasma è in grado di trattare un ampia gamma di rifiuti quali: Rifiuti Solidi: RSU e assimilabili, solidi contaminati, ceneri, polveri, amianto, rifiuti ospedalieri, pericolosi, industriali, inerti; Rifiuti Liquidi e Gassosi: oli contaminati, pericolosi, gas bellici e reflui liquidi e gassosi di processo. Rifiuti Radioattivi: a bassa o media attività Rifiuti industriali Il plasma può essere utilizzato anche nel trattamento di rifiuti di origine industriale: un esempio rappresentativo della categoria è costituito dalle polveri metalliche provenienti da processi metallurgici e, in special modo, dalle polveri prodotte da altiforni ad arco elettrico. Queste scorie sono tossiche a causa della presenza di polveri fini di Cr, Cd, Pb e Zn. Il trattamento al plasma consente di recuperare la maggior parte dei metalli e di incapsulare le altre scorie e, in particolare, il processo ad arco trasferito limita il trascinamento delle polveri verso il camino, grazie alla contenuta richiesta di flusso gassoso. Sostanze residue degli inceneritori L incenerimento dei rifiuti solidi urbani determina la produzione di alcune sostanze pericolose, tra cui diossine, furani e metalli pesanti. Il trattamento di questi composti mediante torcia al plasma offre un duplice vantaggio poiché, oltre a distruggere le molecole tossiche, riduce i volumi di almeno il 50%, con un conseguente risparmio sui costi di stoccaggio in discarica. Rifiuti ospedalieri e rifiuti solidi contaminati Questa categoria comprende, oltre ai rifiuti ospedalieri, i terreni contaminati e i contenitori utilizzati per i liquidi tossici (trasformatori contenenti PCB, bidoni contenenti scarti di processi chimici, armi chimiche o batteriologiche...). I rifiuti ospedalieri hanno caratteristiche simili ai rifiuti urbani e, poiché contengono una considerevole quantità di materiale combustibile ed è possibile smaltirli a temperature relativamente basse, l incenerimento appare il processo distruttivo più economico. Tuttavia, nel caso in cui siano presenti nel rifiuto metalli pesanti, le ceneri residue richiedono un ulteriore trattamento e quindi il bilancio economico complessivo della tecnologia al plasma si presenta invitante; quando inoltre si ha un incremento di costi a seguito delle spese di trasporto verso l impianto di incenerimento, i processi al plasma possono essere competitivi. I sistemi al plasma possono, infatti, distruggere i composti tossico nocivi e contemporaneamente vetrificare il materiale solido fino a ridurlo in uno stato compatto e inerte. 6

7 Rifiuti pericolosi organici allo stato liquido A questa categoria appartengono diossine, DDT, clorofluorocarburi (CFC), policlorobifenili, furani, idrocarburi alogenati e altri prodotti chimici quali i solventi per vernici o gli agenti chimici per lo sgrassaggio. I processi al plasma sono particolarmente indicati per la distruzione di questa tipologia di rifiuti poiché la pirolisi non è significativamente compromessa dalla concentrazione degli alogeni. I processi convenzionali sono caratterizzati da elevati costi. Il trattamento al plasma di rifiuti liquidi è stato sinora utilizzato in casi in cui era disponibile potenza elettrica a basso costo oppure vi erano difficoltà di trasporto del rifiuto a causa della legislazione vigente. Rifiuti a basso livello radioattivo Questa tipologia di rifiuti richiede principalmente una riduzione in volume e una successiva compattazione in scorie solide, vetrificate e non lisciviabili, condizioni queste ottenibili con tecnologie utilizzanti plasma. In questo campo sono in corso diverse ricerche, la maggior parte delle quali è basata sull utilizzo di dispositivi ad arco trasferito. Il vantaggio di questa tecnica risiede nel minor numero di passaggi necessari per l ottenimento di scorie inerti poiché si ottengono contemporaneamente riduzione di volume e vetrificazione delle scorie. Rifiuti solidi urbani La grande quantità di questi rifiuti e la diminuzione dei luoghi disponibili per le discariche, rende necessaria una riduzione del loro volume in grandi impianti di incenerimento. Il trattamento al plasma può essere utilizzato per la vetrificazione delle ceneri prodotte dagli inceneritori e, sebbene possa apparire decisamente antieconomico, assicura una migliore efficienza di distruzione e una concentrazione di residuo notevolmente più bassa. Risparmi energetici si possono ottenere utilizzando i gas combustibili generati durante il processo di trattamento al plasma così come il calore sviluppato durante la combustione controllata dei rifiuti. 7

8 Considerazioni finali La mancanza sostanziale di competenze diffuse in questo ambito determina, troppo spesso, una semplificazione delle motivazioni a favore o contro l uso della tecnologia di termodistruzione mediante plasma, alimentando interpretazioni e considerazioni in apparente contraddizione. Va certamente superato l equivoco di pensare che il plasma rappresenti la panacea del problema dei rifiuti. Come sopra illustrato vanno però riconosciute al plasma caratteristiche specifiche e potenzialità di utilizzo vantaggiose nel trattamento di specifiche classi di rifiuti e in determinate situazioni Tra le principali perplessità rispetto a questa tecnologia vi sono la necessità di utilizzare corrente elettrica, l esperienza nella scalabilità verso impianti di grosse dimensioni e la mancanza di strutture di riferimento a livello industriale. Il fattore costo è legato alla combinazione di una serie di caratteristiche e il fatto che un impianto possa dimostrarsi economicamente conveniente dipende dal modo in cui si riescono a sfruttare i vantaggi associati, in termini di riduzione dei volumi, massimizzazione dell efficienza di trattamento, possibilità di trattare rifiuti indifferenziati, utilizzare gas di processo a basso costo, raggiungere elevate efficienze termiche, effettuare un ricupero energetico. Si tratta, tuttavia, di condizioni applicabili, in generale, a un qualsiasi impianto di termodistruzione. Inoltre, la possibilità di ridurre l impatto ambientale è un vantaggio che non può essere semplicemente ricondotto a logiche di costo. Certamente la minor esperienza impiantistica suggerisce di indirizzarsi verso applicazioni in cui il costo di trattamento - sia per gli oneri diretti sia per quelli indiretti - è più elevato o verso applicazioni in cui altre tecnologie risultano inefficaci nel fornire adeguati livelli di efficienza di distruzione. In particolare, nel caso dei rifiuti pericolosi la tecnologia al plasma si propone come una soluzione particolarmente adatta, in cui impianti di medie dimensioni possono efficacemente soddisfare le esigenze di trattamento. Un'altra interessante applicazione del plasma è come tecnologia a supporto di altri impianti, per esempio nel trattamento delle ceneri provenienti dai processi di incenerimento, in cui un impianto al plasma potrebbe essere utilizzato per un trattamento in situ. Per quanto riguarda i rifiuti a minore valore aggiunto, come i rifiuti solidi urbani e assimilabili, è più facile prevedere un ammortamento economico della tecnologia al plasma in impianti di grossa capacità di trattamento e pensarne un utilizzo temporalmente successivo alla realizzazione di impianti con altre finalità. 8