Waste to Energy: le tecnologie Prof. L.Tognotti Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale
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- Claudia Danieli
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1 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica/ Ingegneria Energetica Anno Accademico Formazione e Controllo di Inquinanti nella Combustione Impianti di trattamento effluenti Waste to Energy: le tecnologie Prof. L.Tognotti Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale
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3 Tecnologia Requisiti richiesti Provata, consolidata, referenziata Flessibile, di agevole gestione e controllo Di elevata affidabilità e ridotta richiesta di manutenzione A costi accettabili, ma soprattutto certi A ridotto impatto sull ambiente (emissioni, reflui liquidi, residui solidi) Energeticamente efficiente ed efficace (massimo recupero e minimi autoconsumi, costanti nel tempo) A rischio minimo in termini di sicurezza e di salute Obiettivi da perseguire Massimo sfruttamento della risorsa rifiuto; Minimo impatto sull ambiente; Costo accettabile per i cittadini; Ricerca costante di innovazione su tutti gli aspetti relativi al percorso da rifiuto a risorsa (prodotto) ; Integrazione con la realtà locale
4 BAT-MTD A livello europeo: Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration, Final document, August 2006 A livello nazionale Linee guida per l individuazione e l utilizzazione delle migliori tecniche disponibili per gli impianti di incenerimento dei rifiuti 3a Bozza, febbraio /tot
5 La termovalorizzazione Produzione di energia dai rifiuti: Produzione di solo calore Produzione di sola elettricità Produzione combinata di elettricità e calore (cogenerazione) Indipendentemente dall'utenza finale, le caratteristiche fisicochimiche dei RSU rendono inattuabile un utilizzo nei dispositivi normalmente impiegati per produrre elettricità e/o calore da combustibili fossili, problemi tecnologici (elevato tenore di umidità e inerti, corrosione, disomogeneità etc.), problemi ambientali (la combustione tal quale in sistemi convenzionali per combustibili fossili può generare emissioni inquinanti).
6 La termovalorizzazione Sono quindi necessari dispositivi e/o processi di conversione dell'energia sviluppati ad hoc per i RSU o le frazioni da loro ricavate, che da un punto di vista concettuale possono seguire le filosofie: Combustione diretta, con trasferimento di energia termica ad un ciclo termodinamico (o ad un fluido vettore termico) attraverso uno scambiatore di calore. Il fluido universalmente impiegato per il ciclo e come vettore termico è il vapore d'acqua. Il materiale combustibile può essere RSU tal quale (inteso anche come proveniente da una raccolta differenziata che ne innalzi il potere calorifico) oppure CDR (CSS) Conversione in un combustibile intermedio liquido o gassoso, mediante pirolisi o gassificazione. Dopo opportuna depurazione, tale combustibile intermedio può essere utilizzato direttamente in una normale caldaia o in un motore a combustione interna (motore alternativo o turbina a gas)
7 La combustione La combustione del rifiuto viene effettuata all interno di appositi forni costituiti da un supporto di base (per esempio, il piano della griglia) e da una camera di combustione sovrastante, riscaldamento ed essiccamento, pirolisi con rilascio di composti volatili (gas e tar), combustione e/o ossidazione parziale in fase gas, combustione e/o gassificazione della matrice carboniosa (char).
8 La combustione La combustione dei rifiuti è un fenomeno complesso Non omogeneità degli RSU- CDR poveri Difficoltà di controllo dei flussi e del miscelamento Presenza di fenomeni transitori (channelling, puff) e instabilità Ambiente aggressivo (corrosione) La camera di combustione costituisce il cuore della piattaforma di termovalorizzazione; dal suo comportamento dipendono in parte le prestazioni complessive del sistema, anche dal punto di vista ambientale. Un buon processo di combustione è il primo requisito che deve essere soddisfatto al fine un elevata efficienza globale dell impianto.
9 Requisiti del sistema di combustione Efficienza: necessità di limitare le frazioni incombuste nelle scorie; favorire il recupero energetico Ottimizzazione della combustione, come limitazione dei transitori e della formazione di inquinanti Affidabilità: limitate fermate Elasticità di funzionamento: possibilità di alimentazione con materiali di caratteristiche anche molto differente tra loro, ovvero Necessità di trattare materiali aventi specifiche caratteristiche
10 La griglia La griglia ha il compito di fare avanzare, mescolandolo, il rifiuto in modo da favorirne l essiccamento e la completa combustione. La griglia è costituita da un insieme di elementi, detti barrotti, disposti in modo da consentire il passaggio dell aria comburente e la sua ripartizione su tutto il letto di rifiuto. I barrotti esposti alle temperature più elevate sono realizzati di speciali leghe (acciaio al nichel-cromo) e possono in genere sopportare temperature di esercizio di 1100 C. La forma dei barrotti della griglia, i meccanismi adottati per il loro movimento ed i sistemi di avanzamento del rifiuto caratterizzano i diversi tipi di griglie comunemente impiegati; griglia fissa, griglia mobile tra cui si distinguono le griglie mobili a movimento alternato, a tamburi, a catene oppure a barrotti oscillanti.
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12 Esempi di griglie
13 Campo di funzionamento In base alla configurazione del forno ed alle tecnologie adottate per la sua realizzazione, il sistema ha un determinato campo di funzionamento rappresentabile attraverso il diagramma Parametro di progetto: carico termico specifico ( Kcal/m2 h)
14 FORNI A GRIGLIA DI MODERNA CONCEZIONE I forni a griglia di moderna concezione presentano : Elevata resistenza agli alti carichi termici: sistemi in grado di utilizzare rifiuti ad elevato potere calorifico (water cooled) Elasticità di gestione : sono in grado di ovviare alla variabilità delle caratteristiche dei rifiuti e dei flussi in ingresso
15 La camera di combustione: configurazioni
16 I letti fluidi Dal punto di vista delle modalità di fluidizzazione ed in particolare della velocità di fluidizzazione i letti fluidi possono essere a letto bollente con velocità di fluidizzazione medio bassa 1-3 m/s, ed a letto trascinato con velocità di fluidizzazione elevata 6-10 m/s.
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20 Letto fluido- vantaggi possibilità di un miglior controllo degli inquinanti in fase di combustione, sia tramite l iniezione di additivi (per HCl, SO 2 ), che per mezzo di un opportuna conduzione della combustione; possibilità di avere unità più compatte rispetto ai forni convenzionali a ragione dei maggiori carichi specifici possibili; buona flessibilità rispetto al carico ottenuto tramite il controllo dell aria di combustione, anche con ampie escursioni del carico specifico. L elasticità rispetto al carico è anche collegata all inerzia termica del letto di inerte; ridotto numero di parti meccaniche in movimento e quindi, almeno in linea di principio, minori possibilità di rotture e/o guasti;
21 Letto fluido- vantaggi (2) possibilità di operare con bassi eccessi d aria (20 30%), in quanto la temperatura è controllata anche mediante scambio termico (regime non adiabatico): minore volume di fumi e di conseguenza impianti di trattamento di minori dimensioni ed un maggior rendimento energetico; elevata efficienza di combustione a causa dell elevata turbolenza e sopratutto degli elevati tempi di residenza; basso contenuto organico nelle scorie. Se il processo è ben condotto si hanno contenuti di organico anche inferiori a 0,2 0,3%, mentre nei forni a griglia ad esempio si ha un contenuto dell ordine del 2 5%.
22 Problemi defluidizzazione del letto, dalla presenza di ceneri basso fondenti fenomeni di agglomerazione: usare i letti fluidi quando le caratteristiche dei combustibili in alimentazione sono note ed è conosciuto il punto di rammollimento delle ceneri. ( caso del CDR di buona qualità, vista l elevata omogeneità derivante dal relativo sistema di produzione). Si possono avere inoltre problemi relativi all omogeneità di mescolamento in senso trasversale, con necessità di incrementare i punti di iniezione del combustibile e/o di aumentare la velocità di fluidizzazione. L esperienza di smaltimento dei rifiuti con letti fluidi, specie sul tal quale, non è ancora particolarmente ampia, ed appare attualmente non semplice valutare completamente la potenzialità di questo sistema, specie in relazione agli altri disponibili, almeno facendo riferimento alla situazione nazionale.
23 Forni a tamburo rotante 23/tot
24 Caratteristiche 24/tot
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27 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica/ Ingegneria Energetica Anno Accademico Formazione e Controllo di Inquinanti nella Combustione Impianti di trattamento effluenti Waste to Energy: il recupero energetico Prof. L.Tognotti Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale
28 Il recupero energetico, anche se non prioritario rispetto a quello di materia, è stato indicato come necessario dalla normativa europea e nazionale, ai fini dell'attuazione di un sistema sostenibile di gestione dei rifiuti, in quanto consente il risparmio di combustibili fossili e riduce il quantitativo di rifiuti da avviare in discarica. La gestione integrata dei rifiuti, infatti, prevede il ricorso alla discarica solo come forma residuale di smaltimento, per quei rifiuti per i quali non sia più possibile un ulteriore recupero. Incenerimento sterilizzazione riduzione volume (10-30 volte) inertizzazione dei residui a discarica Termoutilizzazione recupero di energia riduzione impatto del ciclo di vita Recupero di Energia Allegato II alla direttiva 2008/98/CE del 19 novembre 2008 ( Direttiva quadro sui rifiuti - GUCE del 22 novembre 2008 e recepita in Italia dal DLgs 205/2010): L'attività di recupero energetico si concretizza in: utilizzazione principale come combustibile o come altro mezzo per produrre energia, includendo in tali attività l'utilizzo dei rifiuti come combustibile normale o accessorio in impianti industriali volti alla produzione di energia o di materiali (utilizzo di Combustibile da Rifiuti CDR (ora CSS) presso centrali elettriche o cementifici, di scarti legnosi e vegetali presso impianti a biomasse, di fanghi e altre frazioni organiche presso digestori anaerobici, etc.); incenerimento a terra, ovvero in specifici impianti di incenerimento dove l eliminazione del rifiuto tramite combustione, è associata al recupero di energia (termica ed elettrica). 28
29 La termovalorizzazione dei rifiuti solidi Il recupero di energia urbani costituisce operazione di recupero se consegue un efficienza energetica (R1) pari a: 0,60 in impianti funzionanti autorizzati in conformità della normativa comunitaria applicabile anteriormente al 1 gennaio 2009; 0,65 in impianti autorizzati dopo il 31 dicembre Questa distinzione assume particolare rilevanza poiché consentirebbe di classificare, su basi tecniche, l incenerimento dei RU come operazione di recupero dal punto di vista legale, con tutte le implicazioni di carattere operativo-gestionale e normativo che tale differente classificazione comporta. EP energia annua prodotta sotto forma di energia termica o elettrica; EF alimentazione annua di energia nel sistema con combustibili che contribuiscono alla produzione di vapore; EW energia annua contenuta nei rifiuti trattati calcolata in base al potere calorifico netto dei rifiuti; EI energia annua importata, escluse EW ed EF; 0,97 fattore corrispondente alle perdite di energia dovute alle ceneri pesanti (scorie) e alle perdite per irraggiamento. Tutte le energie sono espresse in termini di Ep energia primaria, moltiplicando: - energia elettrica per un fattore 2,6 (rendimento 38,5%) - energia termica per un fattore 1,1 (rendimento 90,9%) 29
30 Efficienza minima di recupero energetico E sicuramente da apprezzare il principio di base della formula che tende a privilegiare gli impianti che riescono a conseguire elevate efficienze di recupero energetico; nella localizzazione di nuovi impianti, sempre al fine di massimizzare l efficienza di recupero, si dovrà tenere conto della presenza di possibili utenze (industriali e/o civili), alle quali poter cedere energia termica sotto forma di vapore, calore, teleriscaldamento e/o refrigerazione; la formula, così come messa a punto, risulta penalizzante nei confronti di gran parte del parco impiantistico nazionale, caratterizzato da un gran numero d impianti di taglia ridotta nei quali è predominante, anche per ragioni geo-climatiche, la produzione di energia elettrica come forma primaria di recupero; La maggior parte degli impianti italiani ricade in questa categoria, per i quali non è pensabile (in termini di sostenibilità economica ed ambientale) di introdurre modifiche impiantistiche per soddisfare i criteri suddetti Alla luce di quanto sopra esposto, l articolo 39 della direttiva 2008/98/CE prevede che...se necessario l applicazione della formula per gli impianti di incenerimento di cui all allegato II, codice R1, è specificata 13. E possibile considerare le condizioni climatiche locali, ad esempio la rigidità del clima e il bisogno di riscaldamento nella misura in cui influenzano i quantitativi di energia che possono essere tecnicamente usati o prodotti sotto forma di energia elettrica, termica, raffreddamento o vapore.... Tale misura, essendo intesa a modificare elementi non essenziali della direttiva, potrà essere adottata tramite la procedura della comitatologia.
31 Ciclo vapore
32 La camera di combustione ed il recupero energetico
33 Caldaia integrata
34 Combustore a griglia + ciclo a vapore
35 Esempio di diagramma di Sankey sul bilancio energetico di un sistema di combustione
36 Bilanci materia ed energia impianto WTE 1) Determinazione della composizione elementare del rifiuto 2) Calcolo del potere calorifico inferiore del rifiuto sulla base della composizione elementare 3) Impostazione di un modello di combustione composto dalle seguenti fasi: -bilancio energetico della camera di combustione -calcolo dell eccesso d aria per controllo temperatura -verifica del tenore di ossigeno (>6% volume) 4) Definizione dei parametri di recupero del ciclo a vapore 5) Impostazione di un bilancio nella caldaia per la determinazione della portata di vapore prodotto 6) Potenza prodotta dall espansione del vapore in turbina e rendimento dell impianto
37 Bilancio entalpico
38 Esempio bilancio energetico sistema combustione: forno adiabatico
39 Il recupero energetico Di pari passo con l avanzamento tecnologico (riduzione della temperatura in camera di combustione - membranatura, griglie raffreddate a liquido, ottimizzazione termofluidodinamica per evitare picchi di temperatura) si è avuta una progressiva riduzione degli eccessi d aria utilizzati come volano termico e per rispettare i limiti emissivi: aumento della frazione di calore recuperato. L aumento dell efficienza di combustione ed il sempre maggiore PCI dei rifiuti e l utilizzo di CDR ha inoltre comportato una quantità di calore da prelevare via via sempre maggiore; la migliore conoscenza dei fenomeni interni al forno, la omogeneità di composizione degli attuali rifiuti e CDR, la capacità di controllare il processo di combustione ha portato al progressivo aumento della taglia degli inceneritori e quindi ad un aumento dei rendimenti energetici complessivi che risentono fortemente di un fattore di scala.
40 Portata di vapore prodotto Tenendo presente un salto entalpico isoentropico variabile entro i 228,1 kcal/kg(condensatore ad aria a 0,2 bar e vapore di SH a 38 bar e 380 C) ed i 290,5 kcal/kg (condensatore ad umido a 0,07 bar e vapore di SH a 60 bar e 450 C), è possibile stimare : produzione specifica di 4,49 kg di vapore per kwh prodotto (valore massimo di vapore necessario), considerando un rendimento isoentropico di TV pari a 0,84 produzione specifica di 3,29 kg di vapore per kwh prodotto (valore minimo di vapore necessario), considerando un rendimento isoentropico di TV pari a 0,90 Tali valori possono essere confrontati con quanto ottenuto nel caso di cicli a vapore d acqua alimentati a combustibile convenzionale, per i quali il salto entalpico isoentropico è dell ordine dei 300 kcal/kg, per cui si ottiene un fabbisogno di vapore pari a 3 3,5 kg per kwhprodotto.
41 Incidenza degli autoconsumi
42 Bilancio energetico sistema di piccola taglia e ultima generazione
43 43/tot
44 Parametri ciclo vapore
45 Ciclo vapore: design avanzato I miglioramenti tecnologici anche sul versante del ciclo vapore hanno aumentato ulteriormente i rendimenti energetici; dalle condizioni del vapore prodotto convenzionalmente di circa 40 bar e 400 C, negli ultimi anni sono noti esempi di applicazione per grandi impianti, (Wichita Falls USA ed Amsterdam), che hanno range di valori di pressione di bar e di temperatura di C con rendimenti che arrivano anche al 30-32%.
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47 Esempio prestazioni impianti di grande taglia (solo generazione elettrica)
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