Corso di Rifiuti solidi

Transcript

1 Laurea Specialistica in Ingegneria per l Ambiente e il il Territorio Anno accademico 2007/2008 Corso di Rifiuti solidi Incenerimento 1: generalità, tipi di forni, recupero energetico INTRODUZIONE L incenerimento dei rifiuti è un trattamento di degradazione termica in condizioni ossidative (combustione), finalizzato a: ossidare completamente il materiale in CO 2 e H 2 O ridurre il peso e il volume del materiale stesso recuperare il contenuto energetico del rifiuto (PCI) sterilizzare il residuo inerte (scorie) Per le caratteristiche qualitative dei rifiuti attualmente prodotti nei paesi sviluppati, il processo di combustione si autosostiene, non richiedendo pertanto il ricorso a combustibile fossile di supporto INTRODUZIONE Fenomeni attivi nel corso del processo Elementi combustibili (C, H, S) prodotti finali ossidati (CO 2, H 2 O, SO 2 ) Umidità evaporazione (H 2 O) Inerti scorie Metalli fenomeni di volatilizzazione, in funzione di T, e speciazione Alogeni (Cl, F, Br) acidi alogenidrici RIFIUTI O 2 (Aria) INTRODUZIONE Schema concettuale del processo CONVERSIONE TERMICA Scorie FORNO RECUPERO ENERGETICO CALDAIA Fumi CONTROLLO EMISSIONI Residui solidi e/o liquidi DEPURAZIONE GAS es.: Cl + 0,5 H 2 O HCl + 0,25 O 2 Azoto (nel rifiuto e nell aria) ossidi d azoto (NO x ) + complessi fenomeni di formazione e distruzione dei composti organici in traccia (es. diossine) Vantaggi maxriduzione volume recupero energetico impegno spazio ridotto Svantaggi gestione complessa controllo emissioni gassose smaltimento residui 1

2 COMBUSTIONE Stoccaggio e alimentazione Il rifiuto deve essere stoccato al chiuso COMBUSTIONE Stoccaggio e alimentazione FOSSA RIFIUTI completamente impermeabilizzata Benna mantenuta in depressione (aria primaria di combustione) autonomia di 4-7 giorni in caso di fermo impianto costituisce un polmone di accumulo e miscelazione del materiale AVANFOSSA Canale di alimentazione richiesta ad es. dalla Regione Lombardia minimizza la fuoriuscita di odori durante lo scarico del materiale in fossa Avanfossa Fossa COMBUSTIONE Avanfossa COMBUSTIONE Diagramma triangolare di Tanner 2

3 COMBUSTIONE Fasi della combustione 1. Essiccazione e volatilizzazione ( C) 2. Pirolisi ( C) / gassificazione ( C) 3. Ignizione 4. Combustione ( C) Combustione in fase eterogenea (solido-gas) sulla griglia Combustione in fase omogenea (gas-gas) nella camera di combustione Utilizzo di indici d aria (IA) molto elevati (1,5-2,5) Aria primaria e secondaria (+ terziaria) COMBUSTIONE Ruolo dell aria 1. Fornire l ossigeno comburente (primaria e secondaria) 2. Raffreddare la griglia (primaria) 3. Garantire adeguata miscelazione e turbolenza (secondaria) 4. Controllare la temperatura di uscita dei gas dalla camera di combustione (secondaria e terziaria) NB: Necessità di preriscaldamento per migliorare l efficienza di combustione e di recupero energetico Aspirazione dalla fossa rifiuti COMBUSTIONE Temperatura prodotti di combustione La combustione del rifiuto avviene su una griglia di materiale metallico Scopo della griglia: sostenere e fare avanzare il rifiuto garantire un adeguato rivoltamento garantire il contatto con l aria comburente 3

4 Diagramma di griglia Orizzontale, inclinata A gradini, a rulli 4 o più sezioni regolate separatamente (Q aria, v) RSU, CDR, biomasse (no liquidi) Tecnologia affidabile, problemi per alti PCI Campo di funzionamento di un forno a griglia Evoluzione forni a griglia Da forni adiabatici: minimizzazione dispersioni di calore massiccio ricorso a combustibile ausiliario netta separazione forno/caldaia PCI < 4 5 MJ/kg a combustori veri e propri: nessun ricorso a combustibile ausiliario (ad esclusione di avviamenti/spegnimenti) integrazione forno-caldaia raffreddamento ad acqua della griglia PCI > 8 MJ/kg Possibili forme della camera di combustione 4

5 Scarico delle scorie in bagno d acqua Raffreddamento della griglia: aria comburente (più efficace per griglia a rulli) acqua incremento recupero energetico possibile diminuzione eccesso d aria Bruciatori ausiliari: avviamento/spegnimento diminuzione della temperatura sotto agli 850 C Potenzialità 50 60% della potenza termica del forno Alimentazione metano o gasolio Parametri di dimensionamento E innanzitutto opportuno calcolare il carico termico del materiale (flusso orario x PCI) Forni a letto fluido La combustione del rifiuto avviene in sospensione, all interno di un letto di materiale inerte (sabbia) mantenuto in condizioni di fluidificazione da un flusso d aria ascendente Carico termico specifico della griglia: MJ m -2 h -1 Carico termico volumetrico: MJ m -3 h -1 Tempo di residenza del rifiuto: min Tempo di residenza dei fumi: 2 6 s Temperatura di esercizio: C Elevata turbolenza Elevato tempo di permanenza dei solidi Buon contatto combustibile/comburente Efficace trasferimento di calore CDR, biomasse Necessità di pretrattamento (d < 50 mm) Rendimenti elevati, miglior controllo NOx 5

6 Forni a letto fluido Letto fluido bollente e letto fluido circolante Forni a letto fluido Materiale utilizzato per il letto: sabbia silicea (T di fusione C) sabbia quarzica (T di fusione C) aggiunta di additivi alcalini (es. carbonato di calcio) per: innalzamento T di fusione controllo gas acidi Più semplice e affidabile Più efficiente (turbolenza, scambio termico), ma di difficile gestione Forni a letto fluido Profilo di temperatura all interno del letto Forni a letto fluido Parametri di dimensionamento C 650 C Freeboard Letto Carico termico: MWth (bollente) Carico termico: MWth (circolante) Carico termico volumetrico: MJ m -3 Velocità di fluidificazione: 3 5 m s -1 (bollente) 5 10 m s -1 (circolante) Tempo di residenza del rifiuto: min Tempo di residenza dei fumi: > 3 s Temperatura di esercizio: C Indice d aria: 1,3 1,4 6

7 Forni a tamburo rotante Forni a tamburo rotante Miscela di materiali alimentabili rifiuti solidi 10-70% rifiuti liquidi 25-70% rifiuti viscosi 5-30% rifiuti in fusti 15% Bassi rendimenti termici e di combustione Rifiuti industriali (anche liquidi) e ospedalieri Camera di post-combustione Necessità di equalizzazione del carico termico (gas naturale, CDR) Forni a tamburo rotante Parametri di dimensionamento Carico termico specifico superficiale: MJ m -2 h -1 Carico termico volumetrico: MJ m -3 h -1 Diametro: 1,5 4 m Rapp. L/D: 2-5 Lunghezza: 8 15 m Tempo di residenza del rifiuto: min Tempo di residenza dei fumi: > 3 s Temperatura di esercizio: C Indice d aria: 2 2,5 velocità di rotazione: 0,5 1,2 giri min -1 Raffreddamento fumi uscita camera di combustione tramite produzione vapore surriscaldato in caldaia Espansione totale (turbina a condensazione) o parziale (cogenerazione in turbina a derivazione e condensazione) del vapore prodotto Fumi CALDAIA Fumi Vapore surriscaldato ~ T ~ T 1 T 2 EN. ELETTRICA Acqua ESPANSIONE TOTALE (EN. ELETTRICA) EN. ELETTRICA Acqua CALORE COGENERAZIONE (EN. ELETTRICA + CALORE) 7

8 Possibili configurazioni della caldaia aria II RSU ric irc o lo fu m i EV al cam ino ECO linea fum i rig AP degasatore SH rig B P Orizzontale Mista Verticale Necessità di pulizia periodica dei banchi mediante: soffiatori ad aria compressa getti di vapore ceneri di caldaia sistemi a percussione aria I ceneri vapore da spegnimento ceneri x aria II teleriscaldamento Produzione energia elettrica Frazione separata aria II EVA SH EVA rig AP degasatore Problematiche necessità limitare raffreddamento fumi in caldaia necessità contenere T e P vapore surriscaldato necessità evitare basse P ( e T ) vapore espanso potenzialità elettriche (taglie impianto) modeste Pretrattato Residuo RD CDR ricircolo aria I ECO linea fumi rig BP Cicli a vapore poco spinti η tot = 0,17-0,25 Potenziali miglioramenti incremento PCI (evoluzione merceologia, raccolte differenziate) aumento potenzialità impianti ceneri al camino Cicli a vapore più spinti η tot 0,3-0,33 D.M. Ambiente 05/02/98 18% = minimo rendimento del recupero energetico con produzione di sola energia elettrica 8

9 La corrosione acida Fenomeni di corrosione delle pareti della caldaia dovuti alla presenza di gas acidi (HCl, HF, SO 2, SO 3 ) corrosione a bassa temperatura (innalzamento del punto di rugiada punto di rugiada acida) corrosione ad alta temperatura (principalmente HCl) Effetti: limitazioni sulle temperature massime del vapore e minime dei fumi uscenti dalla caldaia necessità di sostituzione periodica dei banchi del surriscaldatore La corrosione ad alta temperatura HCl presenta due picchi di aggressività in corrispondenza di due differenti intervalli di temperatura C C Se produco vapore saturo o acqua surriscaldata non ci sono problemi (T di parete lato fumi < 300 C) Se produco vapore surriscaldato posso raggiungere temperature di parete più elevate (ΔT fumi-vapore più basso), all interno della finestra critica Il posizionamento dell evaporatore in testa al percorso dei fumi consente di proteggere il surriscaldatore, ma diminuisce la T di surriscaldamento Andamento qualitativo della velocità di corrosione da HCl in funzione della temperatura OTTIMALE La corrosione acida Effetti sulla configurazione della linea fumi vapore surr. Fumi SH EVA ECO H 2 O vapore H 2 O liquida EFFETTIVA vapore surr. Fumi EVA SH ECO H 2 O vapore H 2 O liquida 9

10 ATTIVE La corrosione acida Possibili soluzioni Dosaggio di composti alcalini (es. NaOH, Mg(OH) 2 ) in camera di combustione PASSIVE Rivestimento dei fasci tubieri con materiali speciali: carburo di silicio (SiC) INCONEL (lega contenente Ni, Cr, Fe) Cogenerazione derivazione e condensazione CALDAIA Vapore surriscaldato Acqua ELETTRICITA CALORE Q rendimenti dipendenti da richiesta termica Q flessibilità dipendenti da modularità utilizzo calore ~ TURBINA A DERIVAZIONE PROBLEMA DEI COSTI!! D.M. Ambiente 05/02/98 65% = minimo rendimento del recupero energetico con cogenerazione di calore e energia elettrica Rendimento di recupero del calore Energia utile (termica e/o elettrica) η tot = Energia contenuta nei rifiuti Bilancio termico in funzionamento cogenerativo Dipende dai singoli rendimenti delle unità che costituiscono le fasi del ciclo di conversione: caldaia (perdite per irraggiamento, incombusti nelle scorie ecc.) turbina (conversione energia termica energia meccanica) alternatore (conversione energia meccanica energia elettrica) Per ottenere il rendimento netto è opportuno sottrarre anche gli autoconsumi di impianto (ausiliari, 10-15% a seconda della taglia) 10

11 Effetto scala Con impianti di dimensioni maggiori si possono ottenere rendimenti più elevati poiché: è più sostenibile dal punto di vista economico il ricorso a configurazioni sofisticate del ciclo termico, con conseguente miglioramento delle caratteristiche del vapore immesso in turbina l efficienza delle apparecchiature (e in particolare della turbina a vapore) è più elevata il peso relativo degli ausiliari èminore Parametri di dimensionamento del ciclo termico pressione di evaporazione: bar pressione di condensazione: 0,06 0,08 bar temperatura di ingresso in turbina: C temperatura dei fumi in uscita dalla caldaia: C 11