Tecnologie di valorizzazione energetica di biomasse e termotrattamento di RSU non preselezionati/preselezionati

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Ortensia Casagrande
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1 Tecnologie di valorizzazione energetica di biomasse e termotrattamento di RSU non preselezionati/preselezionati Incenerimento a griglia * raffreddati ad aria o ad acqua; * a griglia fissa o mobile Combustione a letto fluidizzato * a letto bollente o ricircolante; * a p atmosferica o in pressione Gassificazione termochimica * pirolisi / combustione * pirolisi / gassificazione ad alta T * gassificazione a fusione diretta Gassificazione mediante torcia al plasma

fluidizzato * a letto bollente o ricircolante; * a p atmosferica o in pressione Gassificazione termochimica *

2 Incenerimento a griglia

3 Incenerimento a griglia: Forno Martin

8 Combustione a letto fluidizzato: forno a letto bollente

9 Combustione a letto fluidizzato: forno a letto ricircolante

10 Gassificazione termochimica: rottura dei legami chimici e successiva parziale ossidazione di un combustibile solido in un combustibile gassoso. Condizioni sottostechiometriche e produzione di gas di sintesi. Pirolisi: la sostanza solida viene trasformata in char, ceneri, olio di pirolisi e gas di sintesi per azione termica; Gassificazione: termodistruzione dei legami chimici delle lunghe catene di H- C del char e dell olio di pirolisi e ulteriore formazione di gas di sintesi mediante ossidazione parziale. Syngas: idrogeno (circa 50%, CO circa 30%, CO2 e metano). Può essere utilizzato per produzione diretta di energia o come materia prima nell industria di processo.

Pirolisi: la sostanza solida viene trasformata in char, ceneri, olio di pirolisi e gas di sintesi per azione termica; Gassificazione: termodistruzione dei legami

11 Gassificazione mediante torcia al plasma: dissociazione molecolare termochimica completa in cui il calore necessario è fornito da plasma (gas ionizzato a T comprese tra C). Dissociazione molecolare: le molecole organiche vengono totalmente decomposte a T di reazione di circa C. Fusione: i materiali inorganici vengono completamente vetrificati in una scoria vetrosa inerte e non lisciviabile. Inertizzazione metalli: a causa della velocità del processo di fusione ad elevate T i metalli pesanti dovrebbero rimanere inglobati nella scoria vetrificata. Syngas: elevata qualità, previa depurazione può essere inviato a cicli combinati o ad impianti di produzione quale materia prima di sintesi.

Fusione: i materiali inorganici vengono completamente vetrificati in una scoria vetrosa inerte e non lisciviabile.

12 Gassificazione termochimica: condizioni operative Pirolisi: dai 400 C Gassificazione come fase successiva alla pirolisi: dai 1000 C Gassificazione in unico stadio: dai 1500 ai 2000 C Gassificazione termochimica: influenza delle variabili di processo Temperatura nella fase di pirolisi: all aumentare della T di processo diminuisce il rapporto liquido/solido (olio di pirolisi/char) Temperatura nella fase di gassificazione: all aumentare della T di processo diminuisce la quantità di char residuo e aumenta la quantità di syngas prodotto Comburente: all aumentare della quantità di comburente diminuisce la quantità di char residuo e varia la composizione del syngas e del char.

rapporto liquido/solido (olio di pirolisi/char) Temperatura nella fase di gassificazione: all aumentare della T di processo diminuisce la quantità di char residuo e

13 Gassificazione termochimica: tipologie di processi Pirolisi e combustione ad alta T: viene attuato il solo processo di pirolisi; il syngas viene inviato a combustione in camera separata o nello stesso reattore, si producono anche char e olio di pirolisi (difficile da gestire). Questo processo è principalmente utilizzato per combustibili selezionati quali biomasse. Pirolisi e gassificazione ad alta T: in unico reattore, applicata su scala industriale per il trattamento di RSU in Europa (Karlsruhe) e Giappone. T superiori a 600 C. Gassificazione a fusione diretta: in unico reattore prevede i due stadi di gassificazione del rifiuto e di fusione (a C) del solido rimanente che può essere colato e granulato. Gassificazione termochimica: tipologie di reattori Reattori a tino, reattori tubolari a letto fisso o mobile, reattori a letto fluidizzato bollente o ricircolante a bassa o alta pressione.

Pirolisi e gassificazione ad alta T: in unico reattore, applicata su scala industriale per il trattamento di RSU in Europa (Karlsruhe) e Giappone. T superiori a 600 C.

14 La gassificazione termochimica nel trattamento dei rifiuti Tecnologia molto utilizzata in Giappone, dove si adottano solitamente processi a fusione diretta (rispetto a pirolisi e gassificazione ad alta T) con le seguenti motivazioni: Semplicità impiantistica (reattore simil-altoforno) e di processo (non char, non olii prodotti); Non interessa una elevata qualità del syngas come materia prima in quanto sullo stesso impianto il syngas prodotto viene inviato direttamente a combustione per il recupero energetico; Le temperature elevate garantiscono la fusione delle scorie in cui sono inglobati anche buona parte degli ossidi metallici (in Giappone tali materiali non lisciviabili sono utilizzabili in edilizia); La quantità di ceneri/scorie da avviare a smaltimento è notevolmente ridotta.

in quanto sullo stesso impianto il syngas prodotto viene inviato direttamente a combustione per il recupero energetico; Le temperature elevate garantiscono la fusione delle scorie in cui sono

15 La gassificazione termochimica nel trattamento dei rifiuti Reattori di varie tipologie: Fixed bed (or moving bed) Fluidized bed Entrained bed

16 La gassificazione termochimica nel trattamento dei rifiuti

17 La gassificazione termochimica nel trattamento dei rifiuti

18 La gassificazione termochimica nel trattamento dei rifiuti

19 La gassificazione termochimica nel trattamento dei rifiuti

20 La gassificazione termochimica nel trattamento dei rifiuti

21 Gassificazione a letto fluidizzato (Kawasaki)

22 Gassificazione a letto fluidizzato (Kobelco)

23 Gasification: fixed bed

24 Gasification: fixed bed

25 Gassificazione a fusione diretta (DMS Direct Melting System, Nippon Steel)

26 Gassificazione a fusione diretta (GMR- Gasifying Melting Reactor, JFE Environ Solutions Corp.)

27 Gassificazione a fusione diretta (DMS e GMR) Reattore a tino (letto mobile) Reattore a tino (letto fluido) 4 zone di reazione 3 zone di reazione Coke e calcare Coke e calcare Reattore semicontinuo Reattore continuo Aria primaria arricchita al 30% Aria primaria arricchita al 30% Zona di preriscaldo ed essicazione* Zona di stabilizzaz./omogen. (T alta)* (invio a ciclone prima di post-combust. (ulteriore decomposiz. di tar e diossine e e riduzione formaz. nanopolveri) combustione parziale in atm. riducente) Estrazione colata semicontinua Estrazione colata continua attraverso fori Dimensione reattori simile Sistemi di trattamento fumi a secco simili (ciclone, reattore de-acidificaz a calce idrata / abbattimento microinquinanti a carboni attivi, filtri a maniche, reattore denox catalitico SCR)

28 Schema di flusso del sistema di termotrattamento mediante gassificazione (es. DMS di Nippon Steel )

31 Gassificazione con torcia al plasma (impianto di Utashinai)

32 Torce al plasma: sistema PyroArc

33 Torce al plasma

34 ALCUNI DATI SULLE EMISSIONI VANTAGGIO GASSIFICAZIONE Stima fattori di emissione impianto termo-trattamento mediante gassificazione Questi fattori di emissione sono di circa un ordine di grandezza inferiore a quelli stimati per gli inceneritori tradizionali operanti conformemente con i limite della direttiva sull incenerimento dei rifiuti (DL 133/2005, 2000/76/CE). Fattori di emissione g/t NOx 780 ( ) moderata Particolato 12 (6-24) moderata SOx 52 (9-312) moderata HCl 32 (16-64) moderata HF 0,34 (0,11-1,0) moderata COV totali 11 (3 44 ) moderata Cadmio 0,0069 (0,0017 0,0276) moderata Nickel 0,040 (0,02-0,08) moderata Arsenico 0,06 (0,055 0,066) moderata Mercurio 0,069 (0,017 0,276) moderata Diossine e furani (g 5*10-8 (4* *10-7 ) (1) moderata TEQ/t) Diossine come PCB - CO kg/t ( ) (1) moderata CO 100 (20 500) moderata L affidabilità della stima è moderata secondo la classificazione del rapporto DEFRA, Review of Environmental and Health Effects of Waste Management: Municipal Solid Waste and Similar Wastes, DEFRA, EA UK, 2004 e Kwak et al., 2006

35 Considerazioni sulle emissioni in atmosfera: Sono in generale minori (quantità e qualità) rispetto agli inceneritori a griglia o a letto fluidizzato perché la combustione FINALE avviene in fase GAS (minor eccesso d aria, omogeneità, turbolenza) -Nanopolveri -Metalli pesanti -Diossine e furani La valorizzazione energetica a valle della gassificazione può essere però condotta con schemi di processo che prevedono la depurazione del syngas prima di invio a combustione (impianto di Malagrotta): - eliminazione diossine e precursori, eliminazione metalli. - perdita di calore (syngas a 850 C in GMR ma soltanto 300 C in DMS); - sistemi di trattamento syngas mediante quench, scrubber acido e alcalino, sistemi a secco, desolforazione, deumidificazione;

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