STAZIONE SPERIMENTALE DEL VETRO

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1 Rivista della STAZIONE SPERIMENTALE DEL VETRO Progetto VALIRE VALorization of Incinerator REsidues

2 RIVISTA della STAZIONE SPERIMENTALE DEL VETRO novembre-dicembre n. 6 vol. 43 sommario In questo numero... 2 Editor s Note Riassunti... 4 Summaries Presentazione Progetto VALIRE... 6 The VALIRE Project Presentation... 9 Piero Ercole Forno pilota continuo per la produzione di lana di roccia e fritta di vetro Continuous pilot furnace for rock wool and glass frit production Marco Forti, Simone Tiozzo, Ludovico Ramon, Sandro Hreglich Produzione di lana di roccia e fritta di vetro con il forno pilota continuo Rock wool and glass frit production in the continuous pilot furnace Paolo Bertuzzi, Sandro Hreglich, Stefano Maurina, Ludovico Ramon Studi Scorie e ceneri da inceneritore di RSU: possibili materie prime-seconde per la produzione di lana di roccia Bottom and fly ashes from MSW incineration: possible secondary raw materials for rock wool production Paolo Bertuzzi, Piero Ercole, Roberto Falcone, Sandro Hreglich Progetto VALIRE I partner Sasil SSV Tecnomé Direttore responsabile Antonio Tucci Redazione Erica Ladogana eladogana@spevetro.it Impaginazione e grafica Betti Bertoncello Direzione e Redazione - Proprietà Stazione Sperimentale del Vetro Via Briati Murano (VE) Tel.: Fax: mail@spevetro.it / Autorizzazione del Tribunale di Venezia n. 271 in data R.O.C Rivista Associata alla Unione Stampa Periodica Italiana Istruzioni per gli Autori La Rivista pubblica studi, ricerche ed esperienze sulla tecnologia e sulla scienza del vetro e i materiali ad esso collegati. Chiunque può mandare elaborati, memorie, ecc. La Redazione si riserva o meno la loro pubblicazione. I testi, corredati da un breve riassunto di circa dieci righe, in italiano e inglese, dovranno pervenire in forma elettronica (preferibilmente in Microsoft Word). Immagini e tabelle dovranno essere in file separati: le immagini preferibilmente in formato tif o jpg (minimo 300 dpi); le tabelle in Microsoft Excel o Microsoft Word. La Rivista diventa proprietaria dei lavori pubblicati e questi non possono essere riprodotti altrove senza autorizzazione. I testi accettati per la pubblicazione saranno considerati definitivi. Eventuali sostanziali variazioni dovranno essere concordati con la Redazione. La Direzione è estranea alle tesi sostenute nei loro articoli dai singoli collaboratori. Questi assumono la piena responsabilità dei loro scritti. È vietata la riproduzione, anche parziale, dei testi e delle illustrazioni senza la preventiva autorizzazione della Redazione. 1

3 in questo numero SASIL e STAZIONE SPERIMENTALE DEL VETRO hanno beneficiato di un supporto finanziario della Commissione Europea nell ambito del Programma Life+ per la realizzazione industriale innovativa di un impianto per il recupero, il trattamento e il riutilizzo di scorie di ceneri volanti da inceneritori di rifiuti solidi urbani. L obiettivo è quello di trasformare un problema, i rifiuti - che in particolare per le ceneri volanti sono considerati non riciclabili e pericolosi -, in una opportunità e una risorsa, individuando e mettendo a disposizione una tecnologia ecocompatibile ed ecosostenibile per la produzione di materiali innovativi e a basso costo prevalentemente destinati all edilizia. Il Progetto VALIRE (VALorization of Incenerator REsidues) è iniziato nel 2010 e termina il 31 dicembre 2013; in questo numero della Rivista pubblichiamo i risultati che i due partner del progetto e il subaffidatario principale, la Società TECNOMÉ, hanno raggiunto e la descrizione del prototipo dell impianto che è stato realizzato e che è a disposizione di coloro che volessero verificarne modalità di funzionamento e prestazioni. Vengono inoltre presentate in dettaglio le attività, le esperienze e le competenze delle tre Società. Nella primavera del 2014 verrà organizzata una giornata dedicata all evento e di ciò verrà data ampia e tempestiva comunicazione. SASIL and STAZIONE SPERIMENTALE DEL VETRO have been fi nanced by The European Commission in the frame work of the LIFE+ Program to realize, through an original and innovative approach, a plant for the recycling, treatment and re-usage of fl y and bottom ash produced by municipal solid waste incinerators. The aim is to convert a problem (fl y and bottom ash are considered hazardous and not recyclable wastes) in an opportunity individuating a new eco-sustainable technology to produce new innovative materials at low costs for the building sector. The VALIRE Project (VALorization of Incenerator REsidues) began in 2010 and will end the 31st of December In this issue of our we publish the results obtained by the two partners of the project and the Company TECNOMÉ, as well as the description of the realized plant prototype that is at disposal to whom desires to verify its characteristics and performances. We are also giving detailed information on the operations, experiences and competences of the three Companies involved in the project. During next spring a whole day dedicated to this event will be organized and described thoroughly in our Rivista. Antonio Tucci 2

4 Progetto VALIRE VALorization of Incinerator REsidues SASIL SpA Via Libertà, Brusnengo, Biella (BI) Tel Fax l.ramon@sasil-life.com Riferimento: Ludovico Ramon l.ramon@sasil-life.com Stazione Sperimentale del Vetro Via Briati, Murano, Venezia (VE) Tel Fax mail@spevetro.it Riferimento: Sandro Hreglich shreglich@spevetro.it VALIRE: VALorization of Incinerator REsidues LIFE+ 08 ENV/IT/000421

5 summaries riassunti Scorie e ceneri da inceneritore di RSU: possibili materie prime-seconde per la produzione di lana di roccia Bottom and fly ashes from MSW incineration: possible secondary raw materials for rock wool production Paolo Bertuzzi, Piero Ercole, Roberto Falcone, Sandro Hreglich Riv. Staz. Sper. Vetro 43 (2013), 6, p Nell ambito del progetto LIFE VALIRE, le prove di utilizzo delle ceneri e delle scorie da incenerimento di RSU hanno dato risultati positivi nei test sperimentali in forno industriale per la produzione di lana di roccia in merito a fusibilità del vetro e qualità della lana di roccia prodotta nell impianto continuo. Tuttavia, le analisi delle emissioni al camino hanno messo in evidenza la presenza di composti del cloro e di composti organici tossici come le diossine. Per ovviare al problema della notevole quantità di cloro presente soprattutto nelle ceneri provenienti dal filtro a maniche degli impianti di incenerimento di RSU, si è optato per l uso delle ceneri lavate presso la Solvay, in cui la quantità di Cl non supera il 3%. In quest ultime tuttavia è stata riscontrata ancora la presenza di quantità significative di diossine. Test su scala di laboratorio hanno dimostrato che un trattamento termico delle ceneri fino a 700 C determina la quasi completa distruzione delle diossine, pertanto tutti i fumi prodotti dall impianto pilota per la produzione di lana di roccia in corso di costruzione presso Sasil, dovranno essere sottoposti a un trattamento termico sopra i 700 C e a un successivo processo di brusco raffreddamento. In the scope of the LIFE VALIRE project, the use of bottom and fl y ashes from MSW incineration to produce rock wool was successfully tested for glass meltability and quality of rock wool in an industrial furnace for rock wool production. However, fl ue emission analyses have shown the presence of chlorinated as well as toxic organic compounds, such as dioxins. In order to solve the problem of the considerable amount of chlorine contained, notably, in the ashes obtained from the MSW incineration plant bag fi lter, the decision was made to use ashes after washing at the Solvay plant, with a Cl content lower than 3%. Nonetheless, signifi cant amounts of dioxins were still detected in washed ashes. Laboratory-scale tests have shown that ash thermal treatment up to 700 C causes the nearly complete destruction of dioxins. Therefore, all gases released by the pilot plant for rock wool production under construction at Sisal, will undergo thermal treatment at more than 700 C fi rst, and then a sharp cooling process. Forno pilota continuo per la produzione di lana di roccia e fritta di vetro Continuous pilot furnace for rock wool and glass frit production Marco Forti, Simone Tiozzo, Ludovico Ramon, Sandro Hreglich Riv. Staz. Sper. Vetro 43 (2013), 6, p Nell ambito del progetto LIFE VALIRE, il forno pilota continuo costruito presso la Sasil di Brusnengo (Biella) è stato sottoposto ad alcune modifiche rispetto al progetto originario: in particolare sono stati aggiunti, esternamente alla vasca di fusione e sulla sovrastruttura dell impianto fusorio, materiali refrattari isolanti; inoltre, la suola della vasca di fusione è stata rivestita con uno strato di dalles di materiale refrattario AZS. L effetto di questi interventi ha determinato una significativa riduzione di energia dispersa attraverso i materiali refrattari. Pertanto, il bilancio termico dovuto a scambi di natura convettiva e radiante dell impianto con l ambiente circostante è stato ricalcolato dalla Stazione Sperimentale del Vetro con l ausilio dei dati forniti dal costruttore dell impianto, la società Tecnomé di Ronco all Adige (Verona). I risultati ottenuti indicano che il consumo energetico (Net energy consumption rate) è pari a 1193,6 Kcal/kg di vetro, con un consumo di combustibile (Fuel consumption rate) pari a 70,2 Nm 3 / ora. La simulazione del bilancio energetico effettuata è basata su dati nominali, quindi i risultati relativi al consumo di energia e di combustibile devono essere considerati solo come indicativi e approssimativi. In the scope of the LIFE VALIRE project, the continuous pilot furnace built at Sasil premises in Brusnengo (Biella) has been adjusted to improve its original design. In particular, some insulation refractory boards were applied to coat the melting tank external walls and the furnace superstructure. Moreover, the melting tank bottom plate was covered with a layer of AZS refractory slabs. As a result of these improvements, refractory energy dispersions have been signifi cantly reduced. The thermal balance resulting from the plant convective and radiative exchanges with the surrounding environment was therefore recalculated by Stazione Sperimentale del Vetro, based on data provided by the plant manufacturer - Tecnomé based in Ronco all Adige (Verona). The results show that the net energy consumption rate equals to Kcal/kg of glass, with a fuel consumption rate of 70.2 Nm 3 /hour. Energy balance simulations were based on nominal data. Therefore, such results for fuel and energy consumption should only be considered approximate. 4

6 summaries riassunti Produzione di lana di roccia e fritta di vetro con il forno pilota continuo Rock wool and glass frit production in the continuous pilot furnace Paolo Bertuzzi, Sandro Hreglich, Stefano Maurina, Ludovico Ramon Riv. Staz. Sper. Vetro 43 (2013), 6, p Secondo quanto previsto dal progetto VALIRE, una volta ultimata la costruzione presso la Sasil di Brusnengo (Biella) del forno pilota continuo per la produzione di lana di roccia e fritta di vetro, è prevista una serie di test sull impianto. Tali test verranno effettuati secondo le modalità qui di seguito riportate: Preriscaldo del forno fino a circa 1300 C e verifica dell efficienza di tutti i sistemi di controllo di temperature e portate. Test di fusione preliminare con l impiego di solo basalto e messa a punto del processo di fusione e controllo dei parametri di filatura della lana di roccia. Fusione di una miscela vetrificabile aggregata in bricchetti, composta da materiali di scarto da utilizzare come materie prime seconde per la produzione di lana di roccia. Fusione di una miscela vetrificabile con la scoria da inceneritore di RSU e altre materie prime seconde per la produzione di lana di roccia. Fusione di una miscela vetrificabile contenente anche 5% in peso di ceneri lavate da inceneritore di RSU, previa autorizzazione della Provincia di Biella. According to the VALIRE project, after fi nalization of construction of a continuous pilot furnace for the production of rock wool and glass frit at Sasil premises in Brusnengo (Biella), a number of tests on the plant will be carried out. Such tests will be performed according to the following procedures: Furnace preheating at about 1300 C and tests on all temperature and fl ow-rate control systems effi ciency and operation. Preliminary melting test using only basalt, melting process adjustment and rock wool spinning parameter control. Melting of bricks of glass-forming mixture, made of waste materials to be used as secondary raw materials for rock wool production. Melting of a glass-forming mixture containing MSW incinerator bottom ashes and other secondary raw materials for rock wool production. Melting of a glass-forming mixture containing washed ashes from MSW incineration (5% in weight), with prior authorisation from Biella Provincial Authority. 5

7 Progetto VALIRE VALIRE Presentazione del Programma Piero Ercole Obiettivi del Progetto Il Progetto VALIRE ha lo scopo di dimostrare la validità delle soluzioni tecnologiche che permettono di valorizzare le bottom ash, classificate come rifiuti speciali e le ceneri trascinate dai fumi (fly ash), classificate come rifiuti pericolosi, prodotte dagli impianti per l incenerimento dei rifiuti solidi urbani e dai termovalorizzatori con produzione di energia. Questi prodotti possono, in linea di principio, essere utilizzati e valorizzati riducendo a zero, o quasi, l impatto ambientale degli inceneritori della più recente generazione, tuttora considerati inquinanti. CO 2 ATTIVITA UMANE termovalorizzatore 6

8 Progetto VALIRE Lo studio di questi ricuperi può consentire di ottenere nuove materie prime secondarie per l industria edilizia, in particolare materiali isolanti, ad elevato valore aggiunto, capaci di sostituire quelle attualmente in commercio. Essi, inoltre, consentono significative riduzioni del consumo energetico nel processo di produzione e del consumo di risorse naturali e, nello stesso tempo, aumenti della disponibilità di nuovi prodotti ad alto potere isolante, molto simili agli attuali, che faciliteranno una maggiore penetrazione nel mercato. Un altro obiettivo consiste nel far conoscere ai responsabili della gestione dei rifiuti solidi urbani, alle autorità pubbliche e ai Gruppi che si occupano di protezione dell ambiente gli obiettivi del Progetto VALIRE, che prevedono di definire soluzioni caratterizzate da un impatto ambientale nettamente minore e da una più elevata convenienza energetica ed economica per mezzo di processi capaci di affrontare a fondo il problema dei suddetti rifiuti che, fino a ieri, sono stati definiti non riciclabili. Questo obiettivo consentirà di contenere la protesta sociale nei confronti degli impianti di incenerimento che, in molti Paesi Europei, ha indotto e induce la popolazione a preferire la messa in discarica dei rifiuti solidi urbani e, di conseguenza, le devastanti conseguenze a livello del paesaggio e della salute dell uomo. È inoltre possibile che venga ridotta anche la resistenza dei responsabili dei trattamenti dei rifiuti nei confronti di tecniche di riciclo delle bottom ash e delle fly ash, fino ad oggi, affrettatamente, considerate troppo complesse e quindi costose. Un ulteriore, importante finalità del Progetto VALIRE consiste nel far capire alle Aziende che producono i materiali da costruzione attualmente in commercio - in particolare gli isolanti termici - che si possono trovare nuove soluzioni meno costose, più efficaci per quanto riguarda l impatto ambientale, capaci di ottenere gli stessi risultati dei materiali attualmente in commercio e, quindi, più favorevoli per la penetrazione nel mercato delle tecniche di isolamento termico e di risparmio energetico. Per avere una chiara dimensione del problema che stiamo trattando, va detto che le centrali termoelettriche e gli inceneritori dei rifiuti solidi urbani con o senza termovalorizzazione producono ogni anno nell Unione Europea circa 60 milioni di tonnellate di scorie (bottom ash). In media, soltanto il 50% circa delle suddette scorie viene oggi utilizzato, anche se alcuni Paesi hanno una quota di riutilizzo molto più bassa della media (15% ca.). La scoria (bottom ash) viene utilizzata per la maggior parte come materiale di riempimento nelle costruzioni stradali, soluzione economicamente sconveniente, ma accettata per la sua valenza politica. La maggior parte di quella non utilizzata viene portata nelle discariche pubbliche, provocando una seria minaccia per l ambiente; quantità marginali vengono invece stoccate in speciali e costosi ricoveri (tipo bunker) in attesa della messa a punto di future, opportune possibilità di valorizzazione e ricupero. Gli inceneritori operanti in Europa producono circa 3 milioni di tonnellate/anno di ceneri trascinate dai fumi (fly ash) che sono molto fini (< 10 micron) e contengono metalli pesanti che possono inquinare il suolo, i corsi d acqua superficiali e creare problemi alla salute dell uomo. 7

9 Progetto VALIRE Ad oggi, non sono state ancora trovate soluzioni soddisfacenti per il riuso delle fly ash, tant è che anche questi residui, molto più pericolosi delle scorie, vengono stoccati in ambienti protetti per assicurarne l innocuità verso l ambiente fino a quando potranno essere trasformate in prodotti utili innocui. I costi per lo stoccaggio ammontano a /ton e va evidenziato che gli spazi adatti per questo servizio di stoccaggio sono già insufficienti e lo diventeranno sempre più. Ne deriva che il trasporto di questo pericoloso materiale verso i Paesi che dispongono di spazi protetti per lo stoccaggio è molto costoso e sempre più frequente. Vale la pena di ricordare, a proposito di quanto detto, che: L impiego di materie prime primarie (sabbia silicea, carbonato di calcio, sabbia drenata dai fiumi, argilla ecc.) per ottenere materiali per costruzioni edili e vetro determina un importante impoverimento delle risorse naturali che, in qualche Paese dell'unione Europea, sta diventando preoccupante. Il consumo di energia per la produzione delle suddette materie prime primarie e per la loro trasformazione è molto elevato. Per effetto di tutto ciò, i prezzi dei materiali isolanti (lana di vetro e schiume vetrose ecc.) attualmente in commercio sono elevati, e ciò ne impedisce la penetrazione nel mercato a livelli significativi. Le concrete considerazioni sopra brevemente riportate portano a concludere che il raggiungimento degli obbiettivi del Progetto VALIRE può, in linea di principio, fornire un contributo molto importante e forse fondamentale per centrare gli scopi globali delle politiche dell Unione Europea e più precisamente: Eliminazione dei costi per lo stoccaggio in siti sicuri e protetti delle fly ash, per mezzo di opportune soluzioni capaci di renderne possibile il ricupero e il riuso. Non vi è dubbio che evitare, o almeno ridurre in modo significativo, il conferimento alle discariche pubbliche e allo stoccaggio in bunker dei succitati materiali è un aspetto forse determinante per migliorare l immagine degli inceneritori, in quanto potrà consentire nuove realizzazioni in sostituzione delle discariche in molte aree dove ciò non è ancora avvenuto a causa della motivata diffidenza della popolazione. Risparmio di materie prime naturali e riduzione del consumo di energia per la produzione di materiali per le costruzioni edili. Aumento della penetrazione nel mercato dei materiali isolanti: la conseguente riduzione del loro costo favorirebbe, in misura notevole, la riduzione dei consumi di energia delle abitazioni, sia nei mesi estivi che invernali. Prevenzione, in ultima analisi, dell inquinamento ambientale provocato oggi dalle ceneri trascinate nei fumi degli inceneritori (fly ash). Autore Piero Ercole SASIL SpA - Brusnengo, Biella percole@atlink.it 8

10 VALIRE Project VALIRE The Project Presentation Piero Ercole Project purposes The VALIRE Project aims to achieve the following main results: To show the validity of technologies that allow to increase the value of the two residues: bottom ash, considered as special waste, and fl y ash, present in waste gases, considered dangerous, produced by cities solid waste incineration plants with and without heat recovery. These waste materials could, in principle, be recovered and recycled reducing close to zero the environmental impact of incinerators of recent generation, still considered pollutant. To obtain new secondary raw materials, with high added values and with a quality good enough to substitute the primary ones, especially in the building industry and, particularly, glass wool and glassy foams. These raw materials, potentially obtainable by incinerators residues, can be produced with signifi cant savings, on one side, of energy consumptions compared with current production processes and, on the other, of natural resources; they could consequently increase the availability of new products with very high heat insulation power that, in principle, could warrant a much higher market penetration. Another purpose consists in increasing the sensibility and competence on the VALIRE Project fi nalities of people responsible for cities solid waste management, of public authorities and of Groups working for environment protection. This action consists in presenting to all of them the new solutions that can improve environmental impact, signifi cantly reduce energy consumptions, give concrete economic benefi ts and that, above all, will be able to face with the problem of recycling materials that have not found environmental friendly solutions yet. This important aim could: Allow to reduce the social protests against the incineration plants that, as known, in many European countries determine the decision of landfi lling solid waste because it is easier to realize and apparently seems to be safer. Of course, this dangerous decision does not take into account the devastating consequences for both the land view and human health. Reduce the opposition of those responsible for waste management, shown for a long time, against the bottom and fl y ash recycle that, as yet, has been considered too much complicated and costly. 9

11 VALIRE Project Another purpose of the Project consists in making understandable to the Companies that are currently producing materials for the building industry - in particular heat insulation materials - that other solutions are coming, that could bring various benefi ts: lower cost, higher effi ciency in reducing environmental impact and able, at the same time, to achieve the same results obained from the materials currently on the market, easier for market penetration than the current ones and, for this reason, potentially able to improve houses heat consumption. To have a clear dimension of the problems faced by the VALIRE Project, it must be said that thermo electric power stations and cities solid waste incinerators - with and without heat production - are producing, every year, within the European Union alone, about 60 millions tons of bottom ash that, as already said, is classifi ed as special no dangerous waste, although very small quantities of organic poisoning compounds (heavy metals) have been sometimes found in it. On average, in the European Union, 50% of the above mentioned bottom ash is already employed but, in some Countries, its utilization is much lower (about 15%). The main part of bottom ash is employed as fi lling material for new roads construction and maintenance. This solution is not economically convenient and not enough environmental friendly, but is essentially accepted on account of its political value. 10 Fig. 1 - Impianto per il trattamento a secco delle bottom ash, presso la SASIL di Brusnengo Bottom ash dry treatment equipments (SASIL - Brusnengo, Biella)

12 VALIRE Project The main part of unemployed bottom ash is brought to public landfi lling deposits, where it creates a serious threat for environment, while marginal quantities are stored in special and costly refuges (bunker) waiting for new solutions for its recovery and valorisation. The incinerators operating in Europe also produce about 3 millions tons/year of ash transported by combustion waste gases (fl y ash). These ash are very fi ne (< 10 micron) and contain heavy metals, which are the main cause of their classifi cation as special and dangerous waste, because they could create risks for the ground, for waters both on surface or under ground, and for human health. Practically and satisfactory applicable solutions for the reuse of this material have not been found yet. For this reason, also this kind of waste, much more dangerous than bottom ash, must be stored in protected sites to ensure its innocuity towards environment and human health for all the time needed to fi nd solutions and convert it into usable and safe materials. Prices currently paid for the above mentioned storages are about /ton. For clearness, it must be noticed that sites suitable for storage are becoming fewer and fewer and very soon will be insuffi cient for the increasing quantities. For European Countries, total transportation costs to the states where dangerous materials can be stored in safe conditions will increase in the future in an unforeseeable way. Among the overall relevant objectives of the VALIRE Project, it must be emphasised that the employment of primary raw materials (silica sand, limestone, sand drained from the rivers, clay etc.), dedicated to building and glass industries, is already generating an important impoverishment of natural raw material resources, becoming quite critical in some European Countries. Moreover, energy consumptions for the production of primary raw materials and for their transformations in fi nal products are really very high. Consequently, the cost of heat insulating materials (glass wool and glassy foams) currently on the market will grow more and more in the future, preventing their penetration in the market at signifi cant levels. These considerations lead to conclude that the achievement of the VALIRE Project purposes could give an important and perhaps fundamental contribution to gain the European Union global political scopes that will be presented in the following pages: How to avoid, through valorisation and recover technologies, bottom and fl y ash storages produced by cities incinerisation with and without heat recovery. There are no doubts that avoiding or at least reducing, in a signifi cant way, landfi lling and/or storage in protected sites of the above mentioned materials is possibly a determinant point to improve the incinerators image. The solution to this very involving problem could potentially be the substitution of cities public landfi lling areas with updated incinerator units. This change, that could be both important and vital, has not yet begun due to the motivated suspicion of the population. Author Piero Ercole SASIL SpA - Brusnengo, Biella - Italy p.ercole@atlink.it 11

13 studies studi Scorie e ceneri da inceneritore di RSU: possibili materie prime-seconde per la produzione di lana di roccia Paolo Bertuzzi, Piero Ercole, Roberto Falcone, Sandro Hreglich La produzione di lana di roccia in Europa supera i 4 milioni di tonnellate/anno, in particolare soltanto Germania e Francia hanno una produttività annua di più di un milione di tonnellate/anno e la richiesta dei mercati per questo prodotto è in sempre maggiore espansione, vista la notevole varietà di applicazioni a cui esso si presta [1]. La lana di roccia infatti viene ampiamente utilizzata come isolante termico e acustico nelle costruzioni edili (pareti, tetti, pavimenti ecc.), nelle installazioni tecniche industriali (tubazioni, impianti chimici ecc.) e in agricoltura come substrato nelle tecniche di coltivazione fuori suolo (coltivazione idroponica) (vedi Figura 1). La composizione della lana di roccia ha intervalli di composizione abbastanza ampi; devono comunque essere garantiti due parametri fondamentali: 1. la capacità isolante legata alla tipologia di fibra corta prodotta durante il processo di filatura; 2. l assoluta garanzia di biosolubilità del materiale. In Tabella 1 viene riportato l intervallo indicativo di composizione della lana di roccia prodotta industrialmente, espressa in % in peso degli ossidi. Fig. 1. Applicazioni della lana di roccia Tab. 1. Intervalli di composizione chimica della lana di roccia max min SiO Al TiO Fe Na 2 O 2 3 K 2 O CaO MgO

14 studies studi Nell ambito del progetto VALIRE, è in corso la sperimentazione per valutare la possibilità di impiego della scoria e della cenere da inceneritore di rifiuti solidi urbani per la produzione di lana di roccia, utilizzando un forno pilota continuo in corso di costruzione presso la società Sasil di Brusnengo (Biella). Come già verificato nei test su scala industriale effettuati presso l impianto produttore di lana di roccia della società FIR di Roncà (Verona) [2], la scoria pesante (bottom ash) da inceneritore di RSU classificata come rifiuto non pericoloso [3] è stata utilizzata in quantità significative: 35% in peso nella miscela vetrificabile composta di materiali di scarto e compattata in bricchetti (vedi Figura 2). Nella stessa miscela è stato introdotto anche il 13% in peso di cenere leggera (flay ash) da elettrofiltro, con basso contenuto in cloro (6%), classificata come rifiuto pericoloso [3]. Tale miscela, sottoposta a fusione, ha dato luogo alla produzione di un materassino di lana di roccia di ottima qualità (vedi Figura 3). Fig. 2. Bricchetti di miscela vetrifi cabile contenente scorie e ceneri da inceneritore di RSU Inoltre la composizione chimica, espressa in % peso degli ossidi della lana di roccia, prodotta nel test suddetto e riportata in Tabella 2, risulta perfettamente in linea con la composizione della lana di roccia industriale ottenuta partendo da basalto o da basalto e calce dolomitica. Fig. 3. Lana di roccia prodotta con scorie e ceneri da incenerimento di RSU 13

15 studies studi Tab. 2. Composizione del vetro da miscela con scoria e ceneri da inceneritore di RSU Lana basalto Vetro teorico Vetro ricavato SiO CaO Al Na 2 O Fe MgO TiO Cl* P 2 O BaO Cr K 2 O CuO MnO S ZnO PbO Somma Fig. 4. Emissioni di fumi e polveri durante la fusione della miscela con scorie e ceneri 14

16 studies studi Il controllo delle emissioni al camino effettuato durante i test su scala industriale (vedi Figura 4) ha messo tuttavia in evidenza nei fumi la presenza di sali di cloro e acido cloridrico, oltre che di composti organici pericolosi come le diossine PCDD e idrocarburi policiclici aromatici [2]. In base ai risultati sopra esposti, in considerazione anche del contenuto di cloro nelle ceneri volanti mediamente molto più elevati del 6% - soprattutto se si considerano le ceneri provenienti dal filtro a maniche, che possono raggiungere concentrazioni anche del 20% -, si è optato per la soluzione che prevede l uso di ceneri volanti lavate provenienti dall impianto di lavaggio industriale Solvay. Tab. 3. Composizione chimica delle ceneri volanti da inceneritore di RSU lavate Fly Ash 1 Fly Ash 2 SiO CaO Al Na 2 O Fe 2 tot MgO TiO Cl P 2 O BaO Cr K 2 O CuO MnO Stot F Sb As 2 Nr Nr ZnO PbO CdO COD (mgo 2 /g) C Come indicato dalla Tabella 3, la composizione di tali ceneri calcinate a 900 C, espressa in % in peso degli ossidi, dimostra che il contenuto in cloro dopo lavaggio non supera il 3% in peso; in esse risultano comunque ancora elevati il contenuto in carbonio totale e il valore di COD (Chemical Oxygen Demand), a testimonianza di una notevole quantità di composti organici in esse presenti. Proprio a causa dell elevato contenuto in carbonio e dell elevato valore di COD (Chemical Oxygen Demand) nelle ceneri lavate, sugli stessi campioni è stata effettuata anche l analisi dei composti organici pericolosi come le diossine; in Tabella 4 sono riportati i risultati ottenuti. Tab. 4. Analisi diossine nelle ceneri lavate Ceneri lavate 1 Ceneri lavate 2 COD 136mgO2/g 185mgO2/g C Eltra 20.50% 18.00% PCDDPCDF I-TEQ ng/kg ng/kg Vista la significativa concentrazione di composti organici tossici nelle ceneri lavate, è di fondamentale importanza che nel forno pilota in corso di progettazione, durante il processo di fusione continuo delle miscele vetrificabili contenenti questo rifiuto, l impianto fusorio provochi la totale decomposizione termica (cracking) dei composti organici tossici in esse contenuti. Il forno deve essere inoltre progettato in modo tale che non esista il rischio di ricombinazione delle diossine durante il processo di preriscaldo della miscela vetrificabile e di raffreddamento dei fumi dell impianto di preriscaldo dell aria. È stato quindi necessario determinare in maniera precisa la temperatura di decomposizione delle diossine nelle ceneri lavate. A tale scopo le ceneri sono state sottoposte, su scala di laboratorio, ad un processo di riscaldamento a quattro differenti temperature: 150 C, 300 C, 500 C, 700C, in un forno elettrico. I gas emessi durante il trattamento termico sono stati raccolti secondo la norma UNI-EN : 2006 (metodo del filtro a condensazione), come illustrato in Figura 5 e Figura 6. 15

17 studies studi Fig. 5. Trattamento termico delle ceneri lavate Fig. 6. Crogiolo con cenere lavata nel forno elettrico Le diossine presenti nei gas condensati sono state analizzate con uno spettrometro di massa ad alta risoluzione (HRMS); in Tabella 5 e in Figura 7 sono illustrati i risultati ottenuti. Tab. 5. Analisi diossine nei gas condensati Trattamento termico C note: N litre = normal litre Pg = Pico-gram ng/nm 3 = nano grams/nm 3 Current law limit: 0,1 ng/nm 3 Volume gas emessi (N litre) Concentrazione delle diossine nei gas Pg/N litre ng/n m ,59 0, ,20 0, ,00 0, ,50 0,

18 studies studi Fig. 7. Diagramma andamento termolabilità delle diossine Il risultato del test indica quanto segue: 1. fino a 500 C il contenuto in diossine nei fumi aumenta raggiungendo 0.55 Ngrammi/Nm 3, un valore 5 volte superiore al valore limite di 0.1 Ngrammi/ Nm 3 previsto dalla Normativa Europea; 2. a 700 C la concentrazione delle diossine nei fumi scende rapidamente fino a Ngrammi/ Nm 3, un valore 8 volte inferiore a quello previsto dalla Normativa Europea; 3. vista la significativa velocità di cracking delle diossine sopra i 700 C, nel forno pilota continuo tutti i gas provenienti dal preriscaldo della miscela vetrificabile e dall impianto di recupero del calore devono attraversare una condotta a labirinto ad una temperatura superiore ai 700 C in cui avviene la destabilizzazione termodinamica delle diossine. Bibliografia [1] P. Ercole, Possibilità di impiego delle scorie per la produzione di lane di roccia e lane minerali negli impianti europei, Rivista della Stazione Sperimentale del Vetro , pag [2] P. Bertuzzi, Produzione di lana di roccia su scala industriale da vetrifi cazione di ceneri e scorie da RSU, Rivista della Stazione Sperimentale del Vetro , pag [3] R. Falcone, S. Hreglich, Caratterizzazione chimico-fi sica e riutilizzo tramite vetrifi cazione di ceneri e scorie da inceneritore RSU, Rivista della Stazione Sperimentale del Vetro , pag Autori Roberto Falcone, Sandro Hreglich Stazione Sperimentale del Vetro - Murano, Venezia rfalcone@spevetro.it; shreglich@spevetro.it Paolo Bertuzzi, consulente Sasil bertuzzi@sasil-life.com Piero Ercole, consulente Sasil percole@atlink.it 17

19 studies studi Bottom and fly ashes from MSW incineration: possible secondary raw materials for rock wool production Paolo Bertuzzi, Piero Ercole, Roberto Falcone, Sandro Hreglich Rock wool production in Europe exceeds 4 million tonnes/year. In particular, Germany and France produce more than one million tonne/year. Market demand for this product is undergoing an on-going expansion, due to the great range of its applications [1]. As a matter of fact, rock wool is widely used as a thermal insulation and soundproofi ng material in building construction (walls, roofs, fl oors, etc.), in industrial and technical installations and plants (piping, chemical plants, etc.) and in agriculture as a substrate for soil-less cultivation techniques (hydroponics). See fi g. no. 1. Rock wool composition has quite wide compositional ranges. Nevertheless, two fundamental parameters need to be met: 1. insulation capacity linked to the type of short fi ber produced during the spinning process; 2. absolute guarantee of material bio-solubility. Table no. 1 shows the approximate compositional range of industrially produced rock wool in oxide weight %. Figure 1. Rock wool applications Table 1. Rock wool chemical compositional ranges max min SiO Al TiO Fe Na 2 O 2 3 K 2 O CaO MgO

20 studies studi In the scope of the VALIRE project, investigations are being carried out to assess the possible use of bottom and fl y ashes from municipal solid waste incineration to produce rock wool by using a pilot continuous furnace which is under construction at Sasil's premises in Brusnengo (Biella). The tests performed at industrial level at the rock wool manufacturing plant of FIR in Roncà (Verona) [2], showed that bottom ashes from MSW incineration classifi ed as non-hazardous waste [3] were used in signifi cant amounts: 35% in weight in the glass-forming mixture made up of waste materials and compacted in briquettes, see fi gure no. 2. The same mixture contained also 13% in weight of low-chlorine (6%) fl y ash from electrostatic fi lter, classifi ed as hazardous waste [3]. After melting, this mixture was used for the production of a premium quality rock wool mat, see fi g. no. 3. Figure 2. Briquettes of glass-forming mixture containing bottom and fl y ashes from MSW incineration Chemical composition, in oxide weight % of the rock wool produced in the above-mentioned test, is perfectly in line with industrial rock wool obtained from basalt or basalt and dolomitic lime, as shown in table no. 2 below. Figure 3. Rock wool produced with bottom and fl y ashes from MSW incineration 19

21 studies studi Table 2. Glass composition from mixture containing bottom and fly ashes from MSW incineration Basalt wool Theoretical glass Glass obtained SiO CaO Al Na 2 O Fe MgO TiO Cl* P 2 O BaO Cr K 2 O CuO MnO S ZnO PbO Sum Figure 4. Gas and ash emissions during melting of mixture containing bottom and fl y ashes 20

22 studies studi However, fl ue emission monitoring carried out during industrial-scale tests, see fi g. no. 4, has shown the presence in fl ue gases of chlorine salts, hydrochloric acid and hazardous organic compounds such as PCDD dioxins and polycyclic aromatic hydrocarbons [2]. Based on the above results and on fl y ash chlorine content being in average much greater than 6% - especially considering that such concentration of ashes obtained from the bag fi lter can reach 20% - the solution adopted consisted in using washed fl y ashes from Solvay industrial washing plant. As shown in table no. 3, ash ignited at 900 C composition in oxide weight % shows that chlorine content after washing does not exceed 3% in weight. Nonetheless, the total carbon level and COD (Chemical Oxygen Demand) value are still high, giving evidence of the high amount of organic compounds contained in the ashes. Due to the high carbon content and COD (Chemical Oxygen Demand) value in washed ashes, the same samples were tested for hazardous organic compounds such as dioxins. Table no. 4 shows the results obtained. Table 3. Chemical composition of fly ashes from MSW incineration after washing Fly Ash 1 Fly Ash 2 SiO CaO Al Na 2 O Fe 2 tot MgO TiO Cl P 2 O BaO Cr K 2 O CuO MnO Stot F Sb As 2 Nr Nr ZnO PbO CdO COD (mgo 2 /g) C Table 4. Dioxin analyses in washed ashes Washed ashes 1 Washed ashes 2 COD 136mgO2/g 185mgO2/g C Eltra 20.50% 18.00% PCDDPCDF I-TEQ ng/kg ng/kg Considering the signifi cant concentration of toxic organic compounds in washed ashes, it is of utmost importance that a complete thermal decomposition (cracking) of these toxic organic compounds takes place during the continuous melting process of glass-forming mixtures containing such wastes in the pilot furnace under construction. Moreover, the furnace needs to be designed so as to prevent the risk of dioxin recombination during the glass-forming mixture preheating process and air preheating system off-gas cooling process. It was necessary, therefore, to accurately determine dioxin decomposition temperature in washed ashes. For this purpose, the ashes underwent a laboratoryscale heating process in an electric oven, at four different temperatures: 150 C, 300 C, 500 C, 700C. Emission gases released during the thermal treatment were collected in compliance with UNI-EN : 2006 standard (condensation fi lter method) as shown in fi gures no. 5 and 6. 21

23 studies studi Figure 5. Washed ash thermal treatment Figure 6. Crucible with washed ashes in electric oven Dioxins in condensed gases were analysed with a High-Resolution Mass Spectrometer (HRMS). Table no. 5 and fi gure no. 7 show the results. Table 5. Dioxin analyses in condensed gases Thermal treatment C notes: N litre = normal litre Pg = Pico-gram ng/nm 3 = nano grams/nm 3 Current law limit: 0,1 ng/nm 3 Emission gas volume (N litres) Dioxin concentration in gases Pg/N litre ng/n m ,59 0, ,20 0, ,00 0, ,50 0,

24 studies studi Figure 7. Dioxin thermolability chart Test results show the following: 1. Up to 500 C, off-gas dioxin content increases up to 0.55 Ngrams/Nm 3, a 5-fold greater value than the limit value of 0.1 Ngrams/Nm 3 established by European regulations; 2. At 700 C, off-gas dioxin concentration drops to Ngrams/Nm 3, an 8-fold smaller value than the one provided by European regulations; 3. Considering dioxin cracking rate above 700 C, in the continuous pilot furnace all gases from the glass-forming mixture preheating process and heat recovery system shall pass through an offgas labyrinth at a temperature higher than 700 C, where dioxin thermodynamic destabilization will take place. [2] P. Bertuzzi Produzione di lana di roccia su scala industriale da vetrifi cazione di ceneri e scorie da RSU pag Industrial tests for the production of rock wool from vitrifi cation of bottom and fl y ash no p. 28 [3] R. Falcone, S. Hreglich Caratterizzazione chimico-fi sica e riutilizzo tramite vetrifi cazione di ceneri e scorie da inceneritore RSU Rivista della Stazione Sperimentale del Vetro pag The chemical-physical characterization and re-use of fl y ashes and bottom ashes from MSW incinerators no p. 34 Bibliography [1] P. Ercole Possibilità di impiego delle scorie per la produzione di lane di roccia e lane minerali negli impianti europei Rivista della Stazione Sperimentale del Vetro pag Rock wool production on industrial scale using bottom ash underproducts from solid waste incinerators Rivista della Stazione Sperimentale del Vetro no p. 55 Authors Roberto Falcone, Sandro Hreglich Stazione Sperimentale del Vetro - Murano, Venezia rfalcone@spevetro.it; shreglich@spevetro.it Paolo Bertuzzi, Sasil consultant bertuzzi@sasil-life.com Piero Ercole, Sasil consultant percole@atlink.it 23

25 studies studi Forno pilota continuo per la produzione di lana di roccia e fritta di vetro Marco Forti, Simone Tiozzo, Ludovico Ramon, Sandro Hreglich Nell ambito del progetto LIFE VALIRE, il disegno dell originario forno pilota continuo e il suo sistema di recupero del calore sono stati opportunamente modificati allo scopo di: 1. rispettare i parametri ambientali legati alla possibile presenza di diossine e composti del cloro che possono essere presenti nei materiali di scarto utilizzati nella miscela vetrificabile (scorie, ceneri da inceneritore di RSU ecc.) per la produzione di lana di roccia e fritte vetrose; 2. aumentare la capacità fusoria, l efficienza energetica e la durata del forno pilota. Il disegno dell impianto composto da area stoccaggio materie prime, forno fusorio, impianto di assemblaggio materassino lana di roccia ecc., viene riportato in Figura 1. La costruzione del forno pilota continuo è gia stata completata presso la Sasil di Brusnengo (Biella), vedi Figure 2 e 3; qui di seguito vengono descritti gli interventi più significativi effettuati rispetto al progetto originario. 1. Waste weighting, dosing and bricks production 2. Furnace 3. Stone wool fibers production chamber 4. Plaiter 5. Stone wool cutting/packing 6. Bricks feeding 7. Brick hopper 8. Bricks conveyor belt Fig. 1. Disegno impianto continuo pilota per produzione lana di roccia e fritta di vetro 24

26 studies studi Figure 2-3. Forno pilota continuo Interventi sul forno È stato aumentato lo spessore sia dei refrattari isolanti, sia dei materiali elettrofusi AZS a contatto vetro delle pareti della vasca di fusione. Inoltre, la suola del forno è stata dotata di un ulteriore rivestimento di dalles in materiale refrattario elettrofuso AZS da 75mm, allo scopo di aumentare la resistenza alla corrosione da parte delle leghe metalliche. Queste potrebbero formarsi anche in quantità significativa a seguito della presenza nella miscela vetrificabile di materiali di scarto contenenti impurezze metalliche e composti riducenti, che durante il processo di fusione della miscela stessa favoriscono la formazione di leghe metalliche ad alto peso specifico estremamente corrosive nei confronti dei materiali refrattari della suola del forno. Questo ulteriore rivestimento della suola del forno aumenta anche il suo grado di isolamento termico, riducendo i consumi energetici. Inoltre, nel nuovo forno anche la sovrastruttura è stata coibentata con uno strato esterno di pannelli di lana minerale e uno strato di mattoni isolanti silicoalluminosi. Calcolo bilancio termico del forno L effetto di questi interventi ha determinato una significativa riduzione di energia dispersa attraverso i materiali refrattari, pertanto il bilancio termico dovuto a scambi di natura convettiva e radiante dell impianto con l ambiente circostante è stato ricalcolato dalla Stazione Sperimentale del Vetro [1] con l ausilio dei dati forniti dal costruttore dell impianto, la società Tecnomé di Ronco all Adige (Verona). In Tabella 1 vengono riportati in dettaglio i valori nominali e teorici dei dati più significativi forniti da Sasil e Tecnomé, necessari per il calcolo del bilancio termico del forno. I risultati della determinazione della perdite di energia connesse alla dispersione termica dai refrattari sono riportate in Tabella 2. 25

27 studies studi Tab. 1. Valori nominali e teorici del forno Superficie suola 3,9 m 2 Produzione max. lana di roccia/giorno 12 ton / day Velocità massima di produzione 500 Kg / hour Resa miscela 100% Composizione miscela 100% basalt Temperatura fuso vetroso 1400 C Livello vetro 250 mm Temperatura vetro a contatto refrattari 1400 C Temperatura sovrastruttura e volta 1450 C Temperatura ambiente 25 C Temperatura finale preriscaldo bricchetti 850 C Temperatura finale preriscaldo aria 400 C Temperatura finale fumi nel labirinto 900 C Entalpia di preriscaldo basalto da 25 C a 850 C 200,2 kcal / kg Entalpia di riscaldo basalto da 850 C a 1400 C 221,4 kcal / kg Calore latente di trasformazione del basalto 44,8 kcal / kg Pressione parziale dell ossigeno nell atmosfera di combustione 0% Eccesso di aria rispetto allo stechiometrico di combustione 0% Rapporto di combustione 9,57 Nm 3 air / Nm 3 fuel Potere calorifico combustibile (PC i ) Kcal / Nm 3 Spessore caratteristico (stratum) di fiamma 300 mm Sezione forno Tab. 2. Dispersione termica refrattari S int S ext T int T ext Calore specifico perso Perdite nette di calore Calore specifico perso Perdite nette di calore [m 2 ] [m 2 ] [ C] [ C] [kcal/m 2 h] [kcal/h] [W/m 2 ] [W] Suola vasca 3,90 8, Volta 2,92 6, Palizzata 3,00 3, Sovrastruttura 6,85 11, Fori 0,0200 0, Fori bruciatore 0,0257 0, Fori volta 0,0079 0, TOT TOT

28 studies studi Le perdite di calore della volta sono superiori rispetto alle altre parti del forno a causa della mancanza di uno strato esterno di materiale isolante, tuttavia il calore dalla volta non è completamente perso poiché è in parte trasferito al labirinto tubiero posto sopra la volta stessa, nel quale i gas stazionano a circa 900 C per alcuni secondi, per ottenere la completa distruzione di diossine, PCB ed altri composti organici tossici. Quindi i fumi fluiscono attraverso due scambiatori di calore metallici, così la loro entalpia viene in parte riciclata all aria di combustione e ai bricchetti di miscela vetrificabile (vedi Figure 4 e 5). L entalpia teorica di fusione (TME) della miscela vetrificabile è stata calcolata utilizzando per i vari materiali impiegati nella produzione dei bricchetti (scorie e ceneri da RSU, basalto, argille, rottame di vetro, calce dolomitica ecc.) sia i dati termodinamici reperibili in letteratura [2], sia i dati termodinamici sperimentali forniti dalle analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry); qui di seguito, a titolo di esempio, viene riportato il calcolo effettuato per la produzione di lana di roccia ottenuta a partire da basalto, assumendo di avere: a. il 100% di resa in fusione, b. assenza di gas dovuti a processi di calcinazione, c. 850 C la temperatura nominale di preriscaldo del basalto. L entalpia teorica di fusione è composta da: entalpia di riscaldamento basalto + calore latente di reazione e fusione + entalpia di riscaldamento gas da calcinazione. entalpia di riscaldamento basalto (850 C 1450 C) = 221,4 Kcal / kg Fig. 4. Particolare scambiatori calore calore latente di reazione e fusione = 44,8 Kcal / kg entalpia di riscaldamento gas di calcinaz. = 0 Kcal / kg entalpia teorica di fusione (TME) = 266,2 Kcal / kg produzione ipotetica = 500 kg/ora Kcal / ora Fig. 5. Particolare caricamento e preriscaldo miscela Applicando un moltiplicatore di sicurezza di 1,2, la perdita totale di calore attraverso i materiali refrattari del forno L è di Kcal/ora. L energia che deve essere effettivamente fornita al forno tramite la combustione del gas naturale è uguale a EEC: Consumo effettivo di energia (EEC) = TME + L = Kcal / ora Poiché l energia di combustione non può essere trasferita completamente al fuso vetroso, ma parte viene trasferita ai gas di combustione e parte è dissipata dai materiali refrattari, in base al modello di Schack e Hotel, è possibile calcolare il consumo energetico netto C in base a quanto riportato in Tabella 3. 27