Tecnologie per la Combustione dei Rifiuti

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Erico Perri
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1 ACTION 3 INTEGRATED CYCLE FOR WASTE MANAGEMENT AND ENERGY RECOVERY Tecnologie per la Combustione dei Rifiuti Processi Termo-Chimici delle Bio-Masse Ligno-Cellulosiche Prof. Ing. Sandro Sandrolini Prof. Ing. Massimo Milani, Ph. D. Dott. Ing. Luca Montorsi, Ph. D. Dott. Ing. Mattia Scolari

Bio-Masse Ligno-Cellulosiche Prof. Ing. Sandro Sandrolini Prof. Ing. Massimo Milani, Ph.

2 La Filiera Biomassa - Energia Tipi di biomassa Produzioni agricole e Forestali Residui e sotto prodotti da industria agroalimentare e non Colture dedicate Reflui zootecnici Processi di trasformazione Combustione diretta Digestione anaerobica (biogas) Gassificazione (syngas) Pirolisi (pyrogas) Estrazione/spremitura (olio vegetale grezzo) Sistemi energetici Motori alternativi a ci. Turbine a gas e microturbine a gas Motori Stirling Cicli a vapore d'acqua Cicli a fluido organico (ORC)

anaerobica (biogas) Gassificazione (syngas) Pirolisi (pyrogas) Estrazione/spremitura (olio vegetale grezzo) Sistemi

3 La Filiera Biomassa - Energia Tipi di biomassa Produzioni agricole e Forestali Residui e sotto prodotti da industria agroalimentare e non Colture dedicate Reflui zootecnici Processi di trasformazione Combustione diretta Digestione anaerobica (biogas) Gassificazione (syngas) Pirolisi (pyrogas) Estrazione/spremitura (olio vegetale grezzo) Sistemi energetici Motori alternativi a ci. Turbine a gas e microturbine a gas Motori Stirling Cicli a vapore d'acqua Cicli a fluido organico (ORC)

4 Processi Termochimici + Processi Biochimici Residui vegetali putrescibili, fanghi di depurazione, reflui animali Biochimici Digestione Anaerobica Gas combustibile (CH 4 )

Modello Numerico Biomassa (o CDR) Input Modello numerico della Biomassa Composizione Chimica C% H% O% N% S% Umidità Ceneri Gassificatore Combustore Composizione CDR Parikh, J.,Channiwala, S.A.

, A thermochemical concept-based equation to estimate waste combustion enthalpy from elemental composition, FUEL 82, pp. 1499-1507, 2003. Friedl, A., Padouvas, E., Rotter H., Varmuza, K.

5 Modello Numerico Biomassa (o CDR) Input Modello numerico della Biomassa Composizione Chimica C% H% O% N% S% Umidità Ceneri Gassificatore Combustore Composizione CDR Parikh, J.,Channiwala, S.A., Ghosal, G.K., A correlation for calculating elemental composition from proximate analysis of biomass materials, Fuel 86, pp , Meraz, L., Dominguez, A., Kornhauser, I., Rojas, F., A thermochemical concept-based equation to estimate waste combustion enthalpy from elemental composition, FUEL 82, pp , Friedl, A., Padouvas, E., Rotter H., Varmuza, K., Prediction of heating values of Biomass fuel from elemental composition, Analytica Chimica Acta 544, pp , Calcolo HHV e LHV CDR Quaak, P., Knoef, H., Stassen, H., Energy from Biomass, A review of Combustion and Gasification Technologies, World bank technical paper no. 422 Energy Series, Calcolo HHV & LHV CDR

6 Modello Numerico Gassificatore Tip. Downdraft Input : modello numerico Merceologia CDR Q Preheating Q Wall heat transfer Modello Numerico Output : Composizione ed E del Producer Gas Inquinanti η cold gas T del processo ṁ gas ṁ air Modello Gassificatore Higman, C., Van den Burg, M., Gasification, Elsevier,2008 Caton, P.A., Carr, M. A., Kim, S.S., Beautyam,M.J., Energy recovery from waste food by combustion or gasification with the potential for regenerative dehydratation: A case study, Energy Conversion ad Management, vol.51, pp , Melgar, A., Perez, J., Laget, H., Horillo, A., Thermochemical equilibrium modeling of a gasifying process, Energy Conversion and Management, pp.59-67, 2007 Jarungthammachote, S., Dutta, A.,Thermodynamic equilibrium model and second law analysis of a downdraft waste gasifier, Energy 32, pp , Zainal, Z.A., Ali, R., Lean, C.H., Seetharamu, K.N., Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials, Energy Conversion ad Management,pp , 2001

Modello Gassificatore Higman, C., Van den Burg, M., Gasification, Elsevier,2008 Caton, P.A., Carr, M. A., Kim, S.S., Beautyam,M.J.

7 Modello Numerico Gassificatore Output : Composizione Producer Gas Inquinanti % H 2 % CO 2 % CH 4 % CO % N 2 % H 2 O % SO 2 % Ash η Q Preheating Calore utilizzato per il preriscaldamento della Biomassa e dell aria primaria in ingresso alla camera di combustione Q Wall Heat transfer Calore perduto sullo strato a parete del gassificatore e in uscita dalla camera di combustione coldgas α ṁ gas &ṁ air Portata di metano per garantire la corretta temperatura dell aria in ingresso al gassificatore mol E = producergas E Biomass = dosatura reale = E = m aria producergas m biomassa LHV Bm M Bm Risultati ottenuti sulla base della Composizione merceologica del CDR nella Regione Calabria [Fonte: PRGR 2007] Dati Raccolti da Lab&Lab

dalla camera di combustione coldgas α ṁ gas &ṁ air Portata di metano per garantire la corretta temperatura dell aria in ingresso al gassificatore mol E = producergas E Biomass =

8 Modello Numerico Gassificatore Ash mf %=( Sostanze organiche putrescibili (%)* 5 % + Materie plastiche di grosse dimensioni (%)* 10 % + Materiali cellulosici di grosse dimensioni (%)* 1.5 % + Materiali vetrosi, ceramiche pietre (%)*98.9% + Metalli (%)*90.5% + Materie tessili, legno (%)* 2.5 % + Sottovaglio (%)*4.5%)/100. Meraz, L., Dominguez, A., Kornhauser, I., Rojas, F., A thermochemical concept-based equation to estimate waste combustion enthalpy from elemental composition, FUEL 82, pp , 2003.

9% + Metalli (%)*90.5% + Materie tessili, legno (%)* 2.5 % + Sottovaglio (%)*4.5%)/100. Meraz, L., Dominguez, A., Kornhauser, I.

10 Modello Numerico Combustore Tip. A griglia Modello Numerico Flue Gas Input : modello numerico Merceologia CDR Controllo: Aria primaria Aria secondaria Reazione Modello Fluidodinamica camera di combustione Output : Q th disponibile Inquinanti η totale

Merceologia CDR Controllo: Aria primaria Aria secondaria

11 Modello Numerico Combustore Ottimizzazione della combustione temperatura di combustione superiore a 850 C tempo di residenza superiore a 2 secondi a 850 C tenore di 0 2 : 6-7% aria primaria/secondaria fluidodinamica camera di combustione Riduzione formazione microinquinanti organici Modello Combustore Ryu, C., Shin, D., Choi, S., Effect of fuel layer mixing in waste bed combustion, Advances in Environmental Research, pp , Goh, Y.R., Lim, C.N., Zakaria, R., Chan, K.H., Reynolds, G., Yang, Y.B., Siddall, R.G., Nasserzadeh, V., Swithenbank, J., Mixing, modeling and measurement of incinerator bed combustion, Trans IChemE, vol78, Part B, Leskens, M., Van Kessel, L.B.M., Bosgra, O.H., Model predictive control as a tool for improving the process operation of MSW combustion plants, Waste management 25, pp , 2005.

, Effect of fuel layer mixing in waste bed combustion, Advances in Environmental Research, pp. 259-267, 2001. Goh, Y.R., Lim, C.N., Zakaria, R., Chan, K.H., Reynolds, G., Yang, Y.B., Siddall, R.G., Nasserzadeh, V.

12 Tipologie di Combustore Tip. A griglia Tip. A letto fluido (BFB) Torcia al plasma? T.b.d

13 Post Trattamento

Digestore Anaerobico E un processo che avviene in assenza di ossigeno e con elevate percentuali di liquido che consiste nella demolizione, ad opera di

per il 50-70% circa da metano e per la restante parte da CO 2 Pretrattamento Produzioni Zootecniche (Effluenti) Trasformazione delle produzioni animali: industria

14 Digestore Anaerobico E un processo che avviene in assenza di ossigeno e con elevate percentuali di liquido che consiste nella demolizione, ad opera di micro-organismi, di sostanze organiche complesse contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale e nella produzione di biogas costituito abitualmente per il 50-70% circa da metano e per la restante parte da CO 2 Pretrattamento Produzioni Zootecniche (Effluenti) Trasformazione delle produzioni animali: industria del latte macellazione (bovini suini, avicoli) Preparazione ortofrutta per consumo fresco Trasformazione delle produzioni vegetali (pomodoro, ortaggi e frutta) Fanghi di depurazione

15 Digestore Anaerobico

16 Modello Numerico del Digestore Anaerobico Processi Biochimici Knobel, A. N.,Lewis, A.E., A mathematical model of a high sulphate wastewater anaerobic treatment system, Water research, vol. 36, pp , 2002.

17 Modello Numerico del Digestore Anaerobico Modello numerico Biomasse Input Produzioni Zootecniche Trasformazione delle produzioni animali Preparazione ortofrutta per consumo fresco Trasformazione delle produzioni vegetali Fanghi di depurazione Solutore di cinetica chimica dettagliata (SENKIN) Composizione Biogas : CH 4 CO 2 H 2 S NH 3 H 2,CO, HC saturi,... Potenza elettrica e termica disponibili η totale Modello Digestore Anaerobico Piccinini, S., CRPA, La digestione anaerobica dei rifiuti organici e di altre biomasse: situazione e prospettive in Europa e in Italia, Corso di specializzzione La qualitànei processi di compostaggio, Ecomondo, Rimini 2-3 Novembre Biswas, J., Chowdhury, R., Bhattafcharya, P., Mathematical modeling for the prediction of biogas generation characteristics of an anaerobic digester based on food vegetable residues, Biomass & Energy, vol. 32, pp , Derbal, K., Bencheikh-lehocine, M., Cecchi, F., Meniai, A.-H., Pavan, P., Application of the IWA ADM1 model to simulate anaerobic co digestion of organic waste with waste activated sludge in mesophilic conditions, Bioresource Technology 100, pp , Batstone, D.J., Keller J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S.V., Pavlostathis S.G., Rozzi, A., Sanders, W.T.M., Siegrist, H., Vavilin, V.A., The IWA Anaerobic Digestion Model No 1( ADM1), Water Science and Technology 45 No 10, pp , 2002

.. Potenza elettrica e termica disponibili η totale Modello Digestore Anaerobico Piccinini, S.

18 Tipologie di Digestore Anaerobico Il reattore a due stadi Il reattore plug -flow Il reattore a fasi separate

19 Post trattamento Processi di Deumidificazione Scambiatore + Filtro a coalescenza

20 Grazie per l Attenzione

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