Dipartimento di Chimica Generale Università di Pavia Viale Taramelli, Pavia Italia

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1 III-078 INFLUENZA DELLA LUCE NETTA DEL VAGLIO SULLE CARATTERISTICHE CHIMICHE DEL CDR PRODOTTO MEDIANTE SELEZIONE MECCANICA A PARTIRE DA RSU PREVENTIVAMENTE ESSICCATO Marco Baldi (1) Vincenzo Riganti Address (1) : Dipartimento di Chimica Generale Università di Pavia Viale Taramelli, Pavia Italia Tel: ( ) Fax: ( ) baldi@unipv.it (2) Dipartimento di Chimica Generale Università di Pavia Viale Taramelli, Pavia Italia ABSTRACT La notevole importanza della scelta della luce netta del vaglio che effettua la selezione meccanica degli RSU, necessaria al fine di separare la frazione ad elevato potere calorifico da quella più povera, è ben nota, in quanto essa svolge un ruolo determinante sul rapporto tra massa di RSU riutilizzabile a fini di recupero energetico e massa di RSU da smaltire in modo convenzionale in discarica controllata. È evidente che aumentando la luce netta, la frazione di materiale che rimane al di sopra del vaglio (frazione in cui si concentrano i materiali caratterizzati da buone caratteristiche combustibili) è minore di quella ottenibile facendo uso di una luce inferiore. Per contro, è ragionevole ritenere che all aumentare della frazione sopra al vaglio si abbia un decremento del potere calorifico, in quanto sono intercettati anche materiali putrescibili caratterizzati da un elevato contenuto di umidità. Quanto sopra è ben noto nel caso in cui la materia prima per la produzione di CDR sia costituita da RSU. Il presente lavoro, si differenzia dalle altre sperimentazioni, per la scelta del materiale di partenza per la produzione di CDR; in questo caso si è partiti da RSU preventivamente sottoposto a processo di bioessicazione mediante la tecnologia BIOCUBI, sviluppata da ECODECO S.p.A.. Per la preparazione del bioessiccato, si sono utilizzati RSU proveniente da raccolta convenzionale, con l esclusione dei materiali ingombranti. In questa sperimentazione, condotta su impianti alla scala reale, il materiale bioessicato e deferrizzato, mediante un tamburo magnetico, è stato sottoposto a raffinazione facendo uso alternativamente di vagli con tre luci diverse: 130, 100 e 60 mm. I materiali così ottenuti, pesati al fine di stabilire le rese del processo, sono stati sottoposti ad analisi chimica al fine di valutarne le caratteristiche e stabilire così se il materiale ottenuto è rispondente ai requisiti legislativi previsti per la definizione di CDR (limiti di legge previsti dall allegato 2, suballegato 1 del D.M. n. 22 del 05/02/98). La fase sperimentale della durata complessiva di 17 giorni lavorativi ha portato alla produzione di 17 campioni medi giornalieri. Facendo uso dei metodi standard UNI 9903 previsti dal D.M. n. 22/98 sono stati quantificati i parametri oggetto di limite in tale decreto: As, Cd, Hg, Mn, Cr, Ni, Pb, Cu, Cl e S totali, PCI, ceneri, umidità. Analizzando i risultati ottenuti, non emergono sostanziali differenze tra i valori dei parametri dei diversi campioni. In particolare, il PCI risulta essere minore di kj/kg per tutte e tre le serie di campioni; presenta il valore massimo nel caso del vaglio con luce 100 mm. L umidità è superiore ai predetti limiti di legge per le serie a 130 mm e 60 mm, mentre rispetta i limiti quella a 100 mm. Per quanto concerne i metalli, i valori del Cd, As, Cd+Hg, Mn sono molto inferiori a quanto prescritto dalla norma. Per contro, il Cr, in particolare nelle due serie a 130 e 100 mm, supera il valore limite di 100 mg/kgss mentre il Ni non rispetta il limite di concentrazione massima solo per la serie a 100 mm. Particolare importanza rivestono i risultati ottenuti quantificando il Cl totale post combustione: solo il materiale ottenuto vagliando a 60 mm è al di sotto dello 0,9% tq. Di fatto la serie di sperimentazioni condotte con il vaglio da 100 mm sembra mettere in evidenza che la selezione effettuata su tale base sia quella ottimale al fine di ottenere un materiale il più possibile ricco delle frazioni merceologiche caratterizzate da elevato potere calorifico, ma che per contro sia quella che più concentra Cr, Ni e Cl. KEYWORDS: CDR, Potere Calorifico Inferiore, Microinquinanti, Vagliatura PREMESSA La notevole importanza della scelta della luce netta del vaglio che effettua la selezione meccanica degli RSU, necessaria al fine di separare la frazione ad elevato potere calorifico da quella più povera, è ben nota, in ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 quanto essa svolge un ruolo determinante sul rapporto tra la massa di RSU riutilizzabile a fini di recupero energetico e la massa di RSU da smaltire in modo convenzionale in discarica controllata. È evidente che aumentando la luce netta, diminuisce la frazione di materiale che rimane al di sopra del vaglio, frazione in cui si concentrano i materiali caratterizzati da buone caratteristiche combustibili: carta, materiali polimerici, poliaccoppiati, tessuti, legno, ecc. Per contro, è ragionevole ritenere che, all aumentare della frazione che è trattenuta sopra il vaglio, si abbia un decremento del potere calorifico, in quanto nella frazione combustibile sono raccolti anche materiali putrescibili, caratterizzati da un elevato contenuto d umidità. Questo è particolarmente evidente nel caso in cui la materia prima per la produzione di CDR sia costituita da RSU. Stante la necessità di ottenere un materiale combustibile caratterizzato da un PCI elevato, la procedura convenzionale di produzione implica necessariamente una drastica riduzione delle frazioni ricche di acqua. Una scelta operativa diversa, consiste nella rimozione dell acqua contenuta in tali frazioni a priori in modo da rendere convenientemente combustibili anche tali materiali. Il presente lavoro, che ha lo scopo di valutare eventuali differenze indotte dalla luce netta del vaglio sulle caratteristiche chimiche e fisiche del CDR e, conseguentemente, se la sua composizione chimica è gestibile facendo uso di tale variabile, si differenzia dalle altre sperimentazioni condotte sulle caratteristiche di questo combustibile alternativo prodotto a partire da RSU, per la scelta del materiale di partenza: in questo caso si è partiti da RSU preventivamente sottoposto a processo di bioessiccazione mediante la tecnologia BIOCUBI, sviluppata da ECODECO S.p.A. - Giussago (PV). PRODUZIONE DI RSU BIOESSICCATO Il processo di bioessiccazione consiste in un trattamento aerobico in cui la massa dei rifiuti, triturata e omogeneizzata in modo grossolano (dimensione massima compresa tra 30 e 50 cm) mediante un apposito mulino, viene posta su di superficie dotata di bocchette di aspirazione. Attraverso queste ultime, lo strato di rifiuti è aerato in aspirazione in modo controllato tramite ventilatori dotati di inverter che aumentano o riducono la quantità di aria in funzione della temperatura della massa in trattamento. Nella fotografia riportata in figura 1 è visibile il particolare della benna che effettua il posizionamento controllato del materiale triturato (un calcolatore memorizza la data di immissione del materiale). Figura 1: Benna di movimentazione con RSU triturato in modo grossolano In queste condizioni, grazie al calore prodotto dall attività dei batteri aerobici, la temperatura della massa di rifiuti si innalza fino a C, la parte organica putrescibile viene degradata (ossidata) mentre i rifiuti cedono, al flusso d'aria forzata, acqua sottoforma di vapore. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Con questa tecnica, dopo giorni di trattamento, si ottiene un materiale essiccato (umidità inferiore al 20%) ed igienizzato in cui la parte putrescibile è stata in gran parte degradata biologicamente. Tale materiale, detto Bioessiccato, può essere trasferito alla sezione di raffinazione dove viene separato dalle frazioni fini ricche di inerti (sabbie) tramite vagliatura, viene deferrizzato, separato da materiali inerti pesanti tramite separazione aeraulica e, infine, triturato ad una pezzatura dettata dalle esigenze dell'utilizzatore finale. La sperimentazione di seguito riportata, è stata condotta su materiale bioessiccato prodotto in un impianto alla scala reale. Tale impianto è in grado di trattare RSU tal quale, frazione residua dopo raccolta differenziata, idonei materiali assimilabili agli urbani e, a partire da questi, produrre CDR. Nel caso specifico, per la preparazione del materiale bioessiccato, sono stati utilizzati RSU provenienti da raccolta convenzionale con automezzo compattatore da cassonetto, con l esclusione di una frazione di RSU asportata preventivamente in modo differenziato. La raccolta differenziata, nel bacino di utenza da cui provengono i rifiuti, è orientata a escludere dal circuito dello smaltimento convenzionale il vetro, la plastica (bottiglie), i materiali ingombranti e la carta. Complessivamente corrisponde ad una aliquota compresa tra il 20 e il 25% in peso dei RSU urbani prodotti all interno del bacino di raccolta. PARTE SPERIMENTALE In questa sperimentazione, il rifiuto solido urbano, preventivamente triturato in modo grossolano, bioessiccato e deferrizzato, mediante un tamburo magnetico, è stato sottoposto a una prima raffinazione facendo uso alternativamente di un vaglio rotante che di volta in volta è stato equipaggiato con stacci con tre luci diverse: 130, 100 e 60 mm. In ogni prova di trattamento sono state sottoposte a vagliatura circa kg di RSU bioessiccato in modo da operare ogni volta su di un campione significativo. La fase sperimentale ha portato alla produzione di 18 campioni medi ottenuti su base giornaliera: 7 campioni derivanti da operazioni di vagliatura a 130 mm 7 campioni 100 mm 4 campioni 60 mm La frazione combustibile ottenuta in ogni singola prova, è stata sottoposta ad analisi chimica al fine di valutarne le proprietà combustibili (potere calorifico superiore - PCS, potere calorifico inferiore PCI, contenuto di umidità e ceneri) e le concentrazioni zolfo e cloro. Questi ultimi due parametri sono fondamentali al fine di stabilire se il combustibile ottenuto è rispondente ai requisiti legislativi previsti per la definizione di CDR (limiti di legge previsti dall allegato 2, suballegato 1 del D.M. n. 22 del 05/02/98) e quindi utilizzabile sulla base delle procedure semplificate previste dalla legislazione vigente. Campionamento del materiale bioessiccato Il rifiuto bioessiccato è un materiale altamente disomogeneo sia dal punto di vista della composizione chimica sia dal punto di vista delle distribuzioni dimensionali e di densità. Accanto a materiali con bassa densità (plastiche, carta) sono presenti, inglobati in tale matrice, piccoli pezzetti di materiali molto più densi (vetri metalli, ecc.). Questo fatto fa sì che, a seguito dello scuotimento o della caduta, si verifichi una stratificazione delle diverse componenti in funzione della dimensione e della densità. Le particelle più piccole e pesanti si assestano alla base dello strato, mentre la frazione più grossolana e leggera si pone nella parte superiore. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Questo problema è stato tenuto ben presente in fase di stesura del metodo di campionamento UNI 9903 parte 3, cui si è fatto riferimento in fase di prelievo. La procedura UNI 9903/3, ai punti 4.5 e 4.6, fornisce le indicazioni indispensabili al fine di effettuare un campionamento significativo a partire dal nastro trasportatore di estrazione, di cui è dotato il vaglio rotante, sia fermo sia in caduta libera. 4.5 Incremento raccolto da nastro trasportatore fermo Questo metodo è ritenuto il più attendibile ed è quindi preso in considerazione quando si voglia misurare l attendibilità di altri sistemi di campionamento (Bias Testing). Gli incrementi campione che saranno prelevati da una prefissata sezione del nastro, dovranno essere delimitati da due bordi in lamiera che si adattino alla conformazione trasversale del nastro trasportatore. Tali bordi devono essere distanziati tra loro di almeno 3 volte la pezzatura massima nominale del prodotto CDR da campionare, e comunque non minore di 30 mm, indipendentemente dalla pezzatura massima nominale del CDR. Il campione dovrà essere raccolto sull intera sezione del nastro, avendo cura di asportare tutto il materiale presente tra i bordi di lamiera utilizzati per il campionamento, ivi comprese le polveri, ed essere immediatamente posto in contenitori a tenuta d aria, e gli stessi debitamente sigillati. 4.6 Incremento raccolto da nastro trasportatore in caduta libera Il contenitore utilizzato dovrà avere un apertura di almeno 3 volte la pezzatura massima nominale del CDR e una capacità tale che lo stesso non risulti completamente riempito dall incremento prelevato. Tale contenitore potrà essere manovrato manualmente o meccanicamente, avendo comunque cura che, durante la manovra, lo stesso attraversi trasversalmente tutto il flusso del prodotto in caduta libera, a una velocità uniforme e tale da non creare una segregazione del materiale stesso (velocità contenitore 0,6 mm/s). Il metodo UNI privilegia il campionamento da nastro fermo rispetto a quello da nastro in caduta libera; il primo viene considerato metodo di riferimento e mette soprattutto in evidenza l importanza di effettuare un campionamento tale da consentire di prelevare integralmente il materiale presente in una sezione del nastro indipendentemente dalla dimensione (insistenza sulla necessità di captare anche la frazione più fine che potrebbe rimanere sul nastro). In funzione della dimensione massima delle particelle di bioessiccato, sono definiti in modo specifico: 1. la larghezza della sezione che deve essere prelevata; 2. la massa minima dell incremento da prelevare ogni volta; 3. il numero minimo di incrementi costituente un campione significativo. 4. In fase di conduzione della presente sperimentazione, mentre il numero minimo d incrementi costituente il campione significativo è stato costante e pari a 35, il peso di ogni incremento è stato funzione della luce netta del vaglio, come riportato in tabella 1. Tabella 1 Luce netta (mm) Peso dell incremento (kg) 60 3, , ,8 I campioni così ottenuti sono stati ridotti quantitativamente sino alla massa di circa 1 kg senza perdita di significatività, operando con la procedura di seguito descritta. Si è proceduto ad una riduzione dimensionale a 3 cm dell intera massa prelevata; in questo modo il campione mantiene la sua significatività sino a un peso complessivo pari a 63 kg. Questa massa è ottenuta mediante procedura di quartazione. Si è quindi effettuata una ulteriore riduzione dimensionale sino a 1 cm e alla suddivisione in aliquote da circa 16 kg, ulteriormente squartabili, e così di seguito sino a un campione significativo di massa paria a circa 1 kg, Il campione è stato quindi ridotto dimensionalmente (il più possibile in modo integrale) a 1 mm. Questa operazione è stata svolta con particolare cura in quanto precedenti esperienze avevano messo in evidenza che il potere calorifico è fortemente dipendente dal rapporto materiale macinato/materiale di ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 , in quanto partenza il quest ultimo. materiale plastico tende a lasciarsi laminare dal mulino e a restare all interno di La quantificazione dei parametri, oggetto di indagine, è stata effettuata secondo i metodi riportati in tabella 2 operando sul campione per il laboratorio (dimensione massima 1 mm). Tabella 2: metodi di analisi. Potere calorifico superiore UNI 9903 parte 5 H UNI 9903 parte 6 Analisi elementare Umidità UNI 9903 parte 7 Potere calorifico inferiore UNI 9903 parte 5 Ceneri UNI 9903 parte 9 Zolfo UNI 9903 parte 10 Cromatografia ionica Cloro totale UNI 9903 parte 10 Cromatografia ionica RISULTATI SPERIMENTALI La sperimentazione condotta ha permesso di ottenere i risultati sperimentali riportati nei seguenti grafici. Nelle figure sono riportate per ogni fase sperimentale i valori medi e gli intervalli di deviazione standard con probabilità 0,66 (media +/- deviazione standard. Tutti i dati sperimentali riportati sono a loro volta la media di almeno cinque repliche analitiche effettuate sul medesimo campione di materiale bioessiccato. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 2: evoluzione dei poteri calorifici in kj/kg tq in funzione della luce netta del vaglio PCS 130 mm PCS 100 mm PCS 60 mm Media PCS PCI 130 mm PCI 100 mm PCI 60 mm ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 3: evoluzione dell umidità % in funzione della luce netta del vaglio Umidità 130 mm Umidità 100 mm Umidità 60 mm Figura 4: evoluzione della percentuale di ceneri in funzione della luce netta del vaglio Ceneri 130 mm Ceneri 100 mm Ceneri 60 mm 5 0 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Figura 5: evoluzione della percentuale di cloro totale in funzione della luce netta del vaglio. 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 Cloro totale 130 mm Cloro totale 100 mm Cloro totale 60 mm 0,4 0,2 0,0 Figura 6: evoluzione della percentuale di zolfo totale in funzione della luce netta del vaglio. 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 Zolfo totale 130 mm Zolfo totale 100 mm Zolfo totale 60 mm 0,05 0,00 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE Analizzando i risultati sperimentali ottenuti per quanto attiene alle caratteristiche combustibili, si possono trarre le seguenti considerazioni: 1. l umidità del materiale bioessiccato pur non essendo statisticamente diversa nelle tre serie di campioni considerati mette in evidenza una tendenza all aumento man mano che viene ridotta la luce netta del ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 vaglio. Questo è essenzialmente dovuto al fatto che, in questo modo, la matrice combustibile, come atteso, si arricchisce sempre più di materiale dotato di elevata idrofilia; 2. comportamento analogo presentano le ceneri; riducendo la dimensione della maglia del vaglio sono trattenuti i materiali caratterizzati dalla presenza di sostanze inorganiche (piccoli pezzetti di vetro, inerti, metalli, ecc.). è interessante il fatto che questo diventa particolarmente evidente solo con il vaglio da 60 mm; 3. per quanto attiene ai poteri calorifici, l incremento di umidità e di ceneri, indotto dalla riduzione della dimensione della maglia del vaglio di affinazione, svolge un ruolo sensibile su tali proprietà. Si nota che operando con la maglia da 130 mm si ottiene un prodotto bioessiccato con caratteristiche combustibili tali da poter essere definito CDR, mentre negli altri due casi il PCI è inferiore al minimo previsto dalla normativa attualmente in vigore in Italia. Particolare importanza rivestono i risultati ottenuti dalla quantificazione del Cl totale post combustione e dello zolfo. Entrambi questi parametri, pur in presenza di una notevole deviazione standard, sembrano evidenziare una tendenza alla diminuzione man mano che viene ridotta la luce netta del vaglio. Per quanto attiene in modo specifico al cloro totale, parametro la cui concentrazione è a livelli critici rispetto al limite fissato allo 0,9 %tq, di fatto solo il materiale ottenuto vagliando a 60 mm è mediamente al di sotto di tale valore. La sperimentazione condotta, pur non essendo esaustiva rispetto alla problematica affrontata, ha permesso di dimostrare la possibilità di gestire, attraverso modifiche delle caratteristiche del vaglio, non solo le proprietà combustibili, ma anche le concentrazioni di alcuni elementi costituenti indesiderati quali il cloro e lo zolfo. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9