Il processo di gassificazione del Plasmix

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1 Il processo di gassificazione del Plasmix Una nuova tecnologia di recupero energetico dai residui degli imballaggi in plastica COREPLA Consorzio Nazionale per la raccolta, il riciclaggio e il recupero degli imballaggi in plastica Alessandro Mapelli 28 ottobre 2014, Milano

2 2 Il sistema COREPLA Produttori Utilizzatori Comuni Operatori di raccolta 923 Riciclatori clienti 64 Riciclatori con contributo 10 Dati al 31/12/2013 Centri di selezione 36 Impianti di recupero energetico 33 Flussi materiali Flussi finanziari (costi) Flussi finanziari (ricavi)

3 3 Raccolta domestica negli anni e crescita % 900,0 600,00 kton 598,4 % 800,0 700,0 600,0 380, ,3 457, ,7 529, ,00 400,00 500,0 400,0 300,0 200,0 100, ,0 63, , , , , ,5 300,00 200,00 100,00-17,4 36, ,00

4 4 Raccolta pro capite 2013 per regione [kg/ab.] 25,00 20,00 15,00 12,9 10,00 5,00 -

5 5 Catena del valore e pesi % PET HDPE FILM 40% Vendita all asta 2% Raccolta Selezione -5,1% Nuovi prodotti/ Imballaggi in plastiche miste 15% -1,0% Nuovi prodotti Vendite spot Plastiche miste Riciclo con contributo 13% Pesi % al 31/12/2013 PLASMIX non riciclabile 45% Recupero energetico/ Smaltimento

6 6 Dettaglio avvio a riciclo e recupero COREPLA 2013 RICICLO ton Contenitori in PET Contenitori in HDPE Film Altri Imballaggi Totale Riciclo 55,4% Recupero energetico 43,1% Discarica 1,5% Sottoprodotti 44,6% 25,5% 8,4% PET RECUPERO/SMALTIMENTO ton PLASMIX a REC ,3% Altri Imballaggi 6,2% Film HDPE PLASMIX a DISC

7 7 Recupero energetico e chimico Termovalorizzatori PLASMIX Cementifici CDR/CSS -5,1% Progetto: Gassificatori Pirolizzatori -1,0% SRA Acciaieria

8 8 Fornitori di recupero energetico CDR esteri 21 preparatori di combustibile alternativo 12 termovalorizzatori 2 discariche Preparatori di cdr Termovalorizzatori Discariche 227 km = media pesata dei km percorsi dal Plasmix

9 9 Recupero energetico Cementifici & Termovalorizzatori 100% 75% 42% 50% 41% 52% 50% 25% 58% 50% 59% 48% 0% Cementificio Termovalorizzazione

10 10 Oggetto: Definizione dei criteri specifici di cui alla tabella 1 dell allegato 1 del D.M. 22/13, da rispettare affinchè determinate tipologie di Combustibili Solidi Secondari (CSS) cessano di essere un rifiuto [Classe 3 (PCI, Cl) e 2 (Hg)] End of waste Rifiuto Tabella 1 - Classificazione dei combustibili solidi secondari (CSS) (da UNI EN 15359) Caratteristica Misura statistica Caratteristiche di classificazione Unità di misura Valori limite per classe PCI media MJ/kg t.q Cl media % s.s. 0,2 0,6 1,0 1,5 3 Hg D.M. 22/13 CSS End of Waste. DEFINIZIONE mediana mg/mj t.q. 0,02 0,03 0,08 0,15 0,50 80 percentile mg/mj t.q. 0,04 0,06 0,16 0,30 1,00 Utilizzatori: cementificio avente capacità di produzione di clinker superiore a 500 ton/g; centrale termoelettrica con potenza termica di combustione di oltre 50 MW t

11 11 Caratterizzazione di massima del Plasmix tal quale Le differenti tipologie di PLASMIX prodotti dai Centri di Selezione sono riconducibili a seguenti flussi: PLASMIX Termine Linea (75% del PLASMIX): mix di imballaggi in plastica residuo dalle operazioni di selezione dei contenitori per liquidi, del film e del misto di poliolefine; PLASMIX Fine (25% del PLASMIX): mix di imballaggi in plastica residuo dalle operazioni di vagliatura. PLASMIX TL PLASMIX Fine Parametro u.m. Valore Parametro u.m. Valore P.C.I. MJ/kg 28,4 P.C.I. MJ/kg 23,7 Cloro (Cl) % ss 0,55 Cloro (Cl) % ss 0,83 Mercurio (Hg) mg/mj 0,015 Mercurio (Hg) mg/kg 0,02 Sulla base della caratterizzazione di massima: PLASMIX TL classe 1 per il P.C.I., Classe 2 per il Cl, classe 1 per Hg (classe 1.2.1); PLASMIX Fine classe 2 per il P.C.I., Classe 3 per il Cl, classe 1 per Hg ( classe )

12 12 Perché la gassificazione 1/2 Rapporto di conversione dell energia chimica del rifiuto più efficiente rispetto alla combustione in particolare utilizzando il PLASMIX; l ambiente riducente inibisce la produzione di NOx e SOx limitando quindi i danni alle parti metalliche della sezione di recupero energetico dell impianto; minori portate di aria di processo che comporta minori volumetrie (vantaggi economici) sia per la camera di combustione che per il sistema di depurazione fumi; riduzione eccessi d aria tipiche dei processi di combustione con conseguente diminuzione delle turbolenze all interno delle camere di combustione con riduzione del trascinamento (carry over) di rifiuti incombusti a bassa densità plastica.

13 13 Perché la gassificazione 2/2 riduzione dei rifiuti secondari in particolare utilizzando PLASMIX, con riduzione dei quantitativi avviati a smaltimento; l affidabilità della gassificazione è testimoniata da circa 100 impianti operanti in tutto il mondo su differenti tipologie di rifiuti; la gassificazione risulta essere ambientalmente sostenibile. Le emissioni sono in linea con i più severi standard europei; convenienza economica rispetto alla termovalorizzazione è dimostrabile per taglie inferiori a 120 kt/anno. il processo di gassificazione e l impiantistica si adatta molto bene alle esigenze del produttore dei rifiuti grazie alla modularità dell impianto.

14 14 Cos è il Plasmix Il plasmix è il residuo dei processi di selezione delle plastiche da raccolta differenziata dei rifiuti solidi urbani C 60,8 % p H 5,6 % p N 0,3 % p O 19,9 % p Cl 0,8 % p ceneri 7,6 % p umidità 5,0 % p PCI [potere calorifico inferiore] 24,4 MJ/kg Esempio delle principali caratteristiche del plasmix

15 15 Obiettivo del progetto Verificare l applicabilità della tecnologia di gassificazione al plasmix con prove su impianto pilota del CSM già esistente. Syngas Reattore a tamburo rotante Composizione flusso: 75% di plasmix TL e 25% di plasmix fine.

16 16 Possibili utilizzi del Syngas PRODUZIONE DI ENERGIA CAMERA DI COMBUSTIONE ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC) TURBINE A VAPORE Energia Elettrica Energia Termica SYNGAS SISTEMA DI PULIZIA MOTORI A GAS TURBINE A GAS Energia Frigorifera PROCESSI CHIMICI UTILIZZI INDUSTRIALI Prodotti

17 17 Test di pirolisi Imbuto di alimentazione Valvole per il mantenimento dell inertizzazione Sistema mobile per il caricamento del plasmix nel reattore Ingresso gas reattor e uscita gas SPETTROMETRO DI MASSA Immissione plasmix

18 18 Campagna sperimentale sull impianto pilota Obiettivo: Verificare a livello di impianto pilota (portate ~100 kg/ora) l efficacia, l efficienza e la robustezza della tecnologia di gassificazione per il plasmix. Attività condotte: - allestimento impianto ed adattamento per il plasmix (caricamento, reattore, sistemi di prelievo e misure) - prove di gassificazione su diverse tipologie di plasmix - analisi chimiche dei campioni prelevati - verifica delle emissioni al camino - elaborazioni dei dati con bilanci di massa e di energia

19 19 Composizione dell impianto pilota REATTORE DI GASSIFICAZIONE CAMERA DI COMBUSTIONE TRATTAMENTO FUMI

20 20 Reattore di gassificazione Zona di pirolisi Zona di parziale combustione Zona delle reazioni in fase gas

21 21 Schema del processo Aria + O2 Plasmix pirolisi volatili Reazioni in fase gas energia syngas letto inerte + char + ceneri Bilancio energetico autosostentamento del processo

22 22 Strumentazione e linee di prelievo campioni Temperature Mantello (TM1-TM7) Temperature Syngas (TS1-TS4) PLASMIX SYNGAS filtro Aria + O 2 condensatore Raccolta e Analisi Residuo P pompa Misure fuori linea (sacche) CO CO 2 CH 4 C x H y H 2 - O 2 P pompa p condensatore gorgogliatore Misure in linea CO CO 2 CH 4 O 2 Misura in linea Potere Calorifico Raccolta e Analisi Tar

23 Prova Tipica 23

24 24 Risultato C 60,8 % p H 5,6 % p N 0,3 % p O 19,9 % p Cl 0,8 % p ceneri 7,6 % p umidità 5,0 % p PCI [potere calorifico inferiore] 24,4 MJ/kg CO 24,5 % v CO 2 11,0 % v H 2 21,0 % v CH 4 12,6 % v C 2 H 2 0,5 % v C 2 H 4 3,8 % v C 2 H 6 0,1 % v N 2 26,5 % v PCI [potere calorifico inferiore] 12,5 MJ/Nm 3 PLASMIX TAMBURO ROTANTE GASSIFICATORE SYNGAS Aria + O 2 RESIDUO SOLIDO C < 3 %p

25 25 Bilancio di energia del gassificatore Plasmix in ingresso 100% REATTORE GASSIFICATORE Syngas prodotto 95% Perdite termiche nel residuo 3% Perdite per dispersione calore 2%

26 26 Composizione dell impianto industriale [ ton/a] Plasmix Aria Ventola Preriscaldatore Metano Silos Chemicals Acqua Urea 135 C Gassificato re Camino Gassificato re Scorie e ceneri Camera di combustione Iniezione urea Ciclone ~ 1100 C Olio Diatermico Scambiatore 180 C Aspirator e Filtro ORC Silos ceneri Reattore a secco Silos Chemicals Ciclone Olio Diatermico Ventola ORC Ricircolazione Chemicals

27 27 Brevetto Brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE Numero di domanda: RM2014A CCIAA di deposito: ROMA Data di deposito: 26/05/2014 Titolo: PROCEDIMENTO E APPARATO PER LA PRODUZIONE DI GAS COMBUSTIBILE OTTENUTO DA MISCELE DI PLASTICHE A FINE VITA Titolari: - Centro Sviluppo Materiali S.p.A. - COREPLA - CONAI

28 28 Studio tecnico-economico di un impianto industriale Obiettivo: Definire le caratteristiche tecniche ed i relativi costi di un impianto industriale basato sulla tecnologia di gassificazione del CSM in grado di produrre energia da plasmix. Attività condotte: - definizione e verifica dei criteri di scaling-up da prototipo a impianto industriale; - architettura dell impianto industriale da t/anno; - Process Flow Diagram e specifiche di tutti i componenti; - analisi dei costi di investimento e di esercizio con relativa modellizzazione per possibili diverse taglie di impianto e specifici contesti di utilizzo dell energia prodotta.

29 29 Conclusioni Sono stati sperimentati con successo su scala pilota un processo innovativo di gassificazione del plasmix ed il reattore che lo realizza (brevetto depositato). È stata definita l architettura dell intero impianto industriale per lo sfruttamento energetico ad alta efficienza del syngas prodotto dal plasmix. È stata valutata con esito positivo la convenienza economica per l impianto industriale; gli scenari più favorevoli sono quelli in cui la localizzazione dell impianto consente lo sfruttamento anche dell energia termica oltre che di quella elettrica. Sono in corso di valutazione le modalità di sfruttamento industriale del know how sviluppato.

30 30 Grazie per l attenzione.

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33 33 Raccolta per area geografica 2013 vs % NORD ton Delta % ,8% 18% ton Delta % CENTRO ,8% 24% ton SUD e ISOLE Delta % ,5% ton Delta % ITALIA ,9%

34 34 Condizione operative dei trattamenti termici dei rifiuti Incenerimento Gassificazione Pirolisi Temperatura operativa Pressione (bar) Atmosfera Aria Aria, 0 2, H 2 0 Inerte, N 2 Rapporto stechiometrico > 1 < 1 0 Prodotti del trattamento: Gassosi CO 2, H 2 0, 0 2, N 2 H 2, CO, CO 2, CH 4, H 2 0, N 2 H 2, CO, idrocarburi, H 2 0, N 2 Liquidi Tar soluzione acquosa Solidi Scorie e Ceneri, carbonio incombusto Vetrificato (alte T), Scorie e Ceneri (basse T) Scorie e Ceneri Char

35 35 Riciclo plastica in acciaieria: il processo. -5,1% -1,0%

36 36 Riciclo plastica in acciaieria: le specifiche Parametri u.d.m. valore Densità Kg/m 3 min 300 Dimensione mm max 10 Potere Calorifico kj/kg min Ceneri % max 10 Umidità % max 2-5,1% -1,0% Zolfo (S) % max 0,5 Mercurio (Hg) % max 0,2 Piombo (Pb) mg/kg max 100 Cadmio (Cd) mg/kg max 8 Cromo (Cr) mg/kg max 500 Rame (Cu) mg/kg max Cloro (Cl) mg/kg max 1,5

37 37 Riciclo plastica in acciaieria: i parametri tecnici Parametro u.d.m. Valore Produzione annua di ghisa ton/a Utilizzo minimo di coke per ton. di ghisa prodotta Utilizzo di SRA (Potere calorifico 28MJ/kg) -5,1% kgcoke/ton 300-1,0% ton/a Rapporto di sostituzione kgcoke/kgsra 0,9 Emissioni medie di CO2 dovute all utilizzo di combustibile tradizionale KgCO2/kgcoke 3,2 Riduzione emissioni di CO2 KgCO2/kgplast 0,53

38 38 Riciclo plastica in acciaieria: le reazioni FeO n C Sezione Reazioni di Ossidazione Generale Ossidi Ferrosi Coke dell altoforno con coke [1] 2 C + O 2 2 CO; [2] Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 con SRA (es. etilene) 1) Flusso dei GAS CO CO 2 H 2 H 2 O N 2 2) Depurazione GAS Depurazione a secco ed a umido dei GAS [1] 1/2C 2 H 4 + CO 2 2 CO + H 2 [2] Fe 2 O CO + H 2 2 Fe + 2 CO 2 + H 2 O 3) Utilizzo GAS Reintegrazione O 2 N 2 Fango Fe Metalli Pesanti

39 39 Composizione dell impianto industriale [ ton/a] Filtro Camino Silos Reagenti Plasmix [4 t/h] Ceneri Aspiratore Gassificatore Syngas Camera di combustione e di deacidificazione Depolveratore Scambiatore Ceneri Olio Diatermico Residuo ENERGIA ELETTRICA [4.6 MW e ] Organic Rankine Cycle [ORC] ENERGIA TERMICA [14.7 MW t ]