CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA-AMBIENTALE

Transcript

1 Universita degli Studi di Pavia - Facolta di Ingegneria CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA-AMBIENTALE Prof. Giordano Urbini TERMODISTRUZIONE DEI RIFIUTI Indice 1. INCENERIMENTO E PIROLISI 2. CAMPO DI APPLICAZIONE 3. TIPOLOGIE DI FORNI DI INCENERIMENTO 3.1 Classificazione generale 3.2 Forni a griglia 3.3 Forni a tamburo rotante 3.4 Forni a piani multipli 3.5 Forni a letto fluido 3.6 Altri sistemi di termodistruzione Forni elettrici Forni a suola rotante Forni per rifiuti liquidi Forni al plasma Reattori di ossidazione ad umido 4. LE SEZIONI DI UN IMPIANTO DI TEMODISTRUZIONE

2 5. DIMENSIONAMENTO DELLE SEZIONI DI COMBUSTIONE E DI RECUPERO ENERGETICO 5.1 Sezione di combustione I parametri della combustione Forni (camere di combustione primaria e secondaria) Camera di combustione primaria Camera di post-combustione Efficienza di combustione Produzione di scorie e ceneri Bilanci di materia e di energia-calcolo delle portate di aria e fumi 5.2 Sezione di recupero energetico Recupero di vapore in caldaia Recupero di energia elettrica 6. I FATTORI DI IMPATTO AMBIENTALE DEL PROCESSO DI INCENERIMENTO DEI RIFIUTII 6.1 Le diverse forme di impatto ambientale 6.2 Le emissioni inquinanti in atmosfera Classificazione generale degli inquinanti Emissione di macroinquinanti dall incenerimento RSU Le polveri Gli acidi alogenidrici Anidride solforosa e Ossidi di azoto Emissioni di microinquinanti inorganici dall incenerimento RSU Emissioni di microinquinanti organici dall incenerimento RSU Microinquinanti organici diversi dalle diossine Le diossine

3 7. TECNOLOGIE DI DEPURAZIONE FUMI 7.1 Rimozione del Particolato 7.2 Rimozione dei gas acidi 7.3 Rimozione fine di Mercurio e Diossine 7.4 Rimozione di NOx 7.5 Schema generale dei processi di depurazione

4 1. INCENERIMENTO E PIROLISI La termodistruzione dei rifiuti può essere ottenuta con tecniche di Incenerimento, oppure con tecniche di Pirolisi. Con le prime si ha la combustione del rifiuto. Ovvero, la frazione organica del rifiuto viene completamente ossidata ad alta temperatura ed in presenza di eccesso di ossigeno. I prodotti finali sono pertanto costituiti da frazioni gassose ossidate (C0 2 e H 2 0 come componenti principali) e da un residuo solido di natura prettamente inorganica (ossidi di metalli vari contenuti nei rifiuti, silice, carbonati, sali vari): RIFIUTO COMBUSTIBILE CO 2 + H 2 O+SO x +residuo inorganico La reazione e nel suo complesso esotermica. Nella realta le trasformazioni chimiche seguono un percorso assai piu complesso, con diversi passaggi intermedi. Si prevede infatti che ad una fase iniziale di essiccamento del rifiuto e suo riscaldamento alla temperatura di combustione, segua una fase pirolitica con trasformazione della frazione organica in CO 2, H 2 0 e vari composti alla stato ridotto sia volatili che solidi: RIFIUTO COMBUSTIBILE CO 2 + H 2 O + CO + CH 4 + C x H y + NH 3 + altri composti volatili vari + residuo carbonioso + residuo pecioso Il residuo carbonioso, a questo stadio, non e ancora carbonio puro giacche contiene atomi di ossigeno e idrogeno (ad es. il residuo carbonioso della trasformazione pirolitica della cellulosa contenuta nei RSU possiede una composizione empirica del tipo C 6.7 H 3.3 O). Il residuo pecioso consta di prodotti condensati, ad alto peso molecolare, contenenti vari idrocarburi policiclici aromatici. C x H y rappresenta una serie di idrocarburi leggeri. Gli ulteriori composti volatili possono comprendere idrocarburi alogenati vari, amine, e altri composti, in dipendenza della natura del rifiuto.

5 Seguono in successione ulteriori trasformazioni pirolitiche in fase gas e trasformazioni ossidative sia in fase gas che in fase solida, tutte piuttosto complesse, fino al risultato finale del conseguimento di prodotti ossidati in fase sia solida che gassosa, salvo quote modestissime di incombusti (in particolare CO in fase gas e C in fase solida). Con le tecniche di Pirolisi si opera sempre ad alta temperatura, ma in carenza di ossigeno, in modo da determinare la piroscissione delle sostanze organiche, ovvero la rottura delle molecole organiche più complesse fino a produrre molecole più semplici allo stato di gas, (oppure di liquido, a seconda della temperatura operativa), lasciando anche in questo caso un residuo solido. Tutti questi residui sono allo stato ridotto, ovvero con presenza di molecole suscettibili di ossidazione (per il gas: CO, H 2, idrocarburi leggeri; per il liquido: idrocarburi vari; per il solido: carbonio, in aggiunta alle frazioni inorganiche del rifiuto). Le reazioni pirolitiche sono endotermiche. Il calore occorrente, cosi come il recupero energetico viene attuato attraverso la successiva combustione dei prodotti di pirolisi. Le tecnologie di pirolisi sono state molto pubblicizzate all inizio degli anni '70 quando in USA vennero costruiti diversi impianti dimostrativi alla scala reale, con il supporto finanziario dell E.P.A.-Environmental Protection Agency. Tuttavia, queste esperienze al di la del notevole interesse suscitato sono approdate ad un numero relativamente esiguo di applicazioni industriali. Il processo pirolitico dotato di una certa valenza industriale è quello di "gassificazione", secondo cui il rifiuto viene convertito, ad alta temperatura, in gas combustibile e in un residuo solido. Ancora confinati a livello sperimentale sono invece i processi pirolitici di conversione a combustibile liquido. Nella Fig. 1 e rappresentato schematicamente un reattore pirolitico di gassificazione (processo Torrax) nel quale la fornitura di calore per la piroscissione e ottenuta attraverso la combustione del residuo carbonioso della pirolisi stessa. Il reattore consta di un unita statica, tipo altoforno, alimentata con RSU dall alto. Il rifiuto riempie completamente il forno mentre si muove lentamente in senso discensionale. Si identificano le seguenti zone operative: - Zona di essiccamento, nella quale vengono essiccati i rifiuti in alimentazione, ad opera dei gas pirolitici, prima di pervenire alla zona di pirolisi vera e propria. Sovrastante

6 questa zona e un tratto di forno mantenuto pieno di RSU per evitare ingressi d aria dall esterno. - Zona di pirolisi. Questa zona e attraversata dai fumi caldi prodotti dalla sottostante zona di combustione. Alla temperatura di circa 1000 C si attuano le trasformazioni pirolitiche del rifiuto, con separazione di un gas combustibile (in moto verso l alto) e di un residuo carbonioso (in moto verso il basso). - Zona di combustione del residuo carbonioso del rifiuto, posta sul fondo del reattore. La combustione, alla temperatura di ben 1700 C,viene sostenuta da una fornitura controllata di aria (in alcuni impianti ossigeno puro). Le scorie di combustione fondono a questa temperatura e si separano come liquido colante il quale poi, a contatto diretto con acqua (quench) rapprende in granuli di prodotto solido vetrificato. I gas aspirati dal reattore sono sottoposti a combustione per attuare il recupero di energia (vapore ed eventualmente energia elettrica). In alternativa il gas potrebbe essere destinato ad utenze industriali esterne. Comunque, il PCI del gas e piuttosto basso (circa 1000 Kcal/Nm 3, sul secco), tanto da rendere poco appetibile l uso esterno. In altre soluzioni, basate sull impiego di O 2 puro, in luogo dell aria si raggiungono PCI decisamente piu elevati (circa 2500 Kcal/Nm 3, sul secco) tali da rendere piu interessante la prospettiva di un impiego esterno o di un recupero energetico interno tramite alimentazione in motori a gas (in ogni caso dopo depurazione). Al contrario della Pirolisi, l'incenerimento ha avuto ed ha tutt oggi, in Italia come all'estero, un'estesa applicazione a livello industriale, sia nel settore pubblico (RSU e assimilabili) sia in quello privato (Rifiuti industriali); pertanto è da ritenersi molto collaudato sotto il profilo tecnologico e gestionale. Per questa ragione sara nel seguito rivolta attenzione all incenerimento. Quindi, salvo diversa specificazione, ogni riferimento alla termodistruzione riguardera l incenerimento.

7 Fig.1: Esempio impianto di incenerimento per rifiuti solidi urbani Fig.2: Rappresentazione schematica del forno di gassificazione pirolitica dei RSU Torrax

8 Fig.3: Struttura di un impianto pirolitico per il trattamento dei rifiuti urbani Diagramma 1: diagramma triangolare di Tanner (Acqua, Ceneri, Materiale combustibile), con definito in tratteggio il campo di combustione dell RSU