INCREMENTO DELL’EFFICIENZA DI CONVERSIONE … · quota minima di trasformazione del potere...
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INCREMENTO DELL’EFFICIENZA DI CONVERSIONE ENERGETICA NEI TERMOVALORIZZATORI G. Amati*, M. Collini*, C. Saccani* * DIEM – Facoltà di Ingegneria – Università di Bologna Viale Risorgimento 2, 40136 Bologna, Italy, Email: [email protected] SOMMARIO La valutazione dell’energia elettrica recuperata dalla termovalorizzazione dei rifiuti urbani nel 2003 mette in evidenza le ridotte efficienze di recupero degli impianti di installati in Italia. Il legislatore pone limiti sempre più restrittivi alle emissioni inquinanti da termovalorizzazione di rifiuti come si osserva dall’evoluzione normativa dagli anni ’80 fino ad oggi, ma non si preoccupa di ridurre lo “spreco” di energia. Il ridotto recupero energetico, oltre a diminuire i vantaggi economici derivanti dalla vendita di energia elettrica, comporta, dal punto di vista ambientale, un aumento delle emissioni inquinanti. Invece di utilizzare un combustibile (il rifiuto) che comunque viene bruciato, si ricorre, infatti, alla produzione di energia elettrica con tecnologie alternative (turbogas, impianti cogenerativi...). Dalle valutazioni riportate nell’articolo emerge l’importanza di imporre un limite inferiore all’efficienza di conversione nei termovalorizzatori. Vengono inoltre presentate alcune tecnologie per aumentare l’efficienza di conversione in impianti esistenti o in impianti di nuova installazione. EVOLUZIONE NORMATIVA SULL’IMPATTO AMBIENTALE DEGLI INCENERITORI EVOLUZIONE NORMATIVA SULL’IMPATTO AMBIENTALE DEGLI INCENERITORI Limitando l’analisi dell’evoluzione della normativa mirata alla riduzione dell’impatto ambientale degli inceneritori all’ultimo ventennio, il primo significativo passo fatto dal legislatore fu l’imposizione, tramite la Deliberazione del Comitato interministeriale 27 luglio del 1984, dell’installazione per ciascuna linea di incenerimento di una camera secondaria di combustione (camera di postcombustione) che doveva rispettare specifici parametri operativi relativi a tenore di ossigeno nei fumi, velocità media dei gas, tempo di contatto e temperatura dei fumi. Limitando l’analisi dell’evoluzione della normativa mirata alla riduzione dell’impatto ambientale degli inceneritori all’ultimo ventennio, il primo significativo passo fatto dal legislatore fu l’imposizione, tramite la Deliberazione del Comitato interministeriale 27 luglio del 1984, dell’installazione per ciascuna linea di incenerimento di una camera secondaria di combustione (camera di postcombustione) che doveva rispettare specifici parametri operativi relativi a tenore di ossigeno nei fumi, velocità media dei gas, tempo di contatto e temperatura dei fumi. Tabella 1: Parametri operativi per la camera di postcombustione imposta dal legislatore tramite la Deliberazione del Comitato Interministeriale 27 luglio del 1984. Tabella 1: Parametri operativi per la camera di postcombustione imposta dal legislatore tramite la Deliberazione del Comitato Interministeriale 27 luglio del 1984. In seguito tali parametri subiscono alcune modifiche per quanto riguarda, ad esempio, le temperature minime che oggi sono, rispettivamente, di 850°C e di 1100°C (quest’ultima per i fumi di post combustione contenenti oltre l’1% di sostanze alogenate). In seguito tali parametri subiscono alcune modifiche per quanto riguarda, ad esempio, le temperature minime che oggi sono, rispettivamente, di 850°C e di 1100°C (quest’ultima per i fumi di post combustione contenenti oltre l’1% di sostanze alogenate). Con il Decreto Ministeriale 12 luglio 1990, contenente le linee guida di applicazione del D.P.R. n° 203/1988 per il contenimento delle emissioni degli impianti industriali, venivano fissati, per gli inceneritori esistenti, i primi valori limite alle emissioni in atmosfera. Con il Decreto Ministeriale 12 luglio 1990, contenente le linee guida di applicazione del D.P.R. n° 203/1988 per il contenimento delle emissioni degli impianti industriali, venivano fissati, per gli inceneritori esistenti, i primi valori limite alle emissioni in atmosfera. Tabella 2: Valori limite alle emissioni in atmosfera per gli inceneritori imposti dal Decreto Ministeriale 12 luglio 1990. Tabella 2: Valori limite alle emissioni in atmosfera per gli inceneritori imposti dal Decreto Ministeriale 12 luglio 1990. Contaminante Contaminante Valore giornaliero limite Valore giornaliero limite mg/Nm 3 * mg/Nm 3 * Polveri 30 HF 2 HCl 50 SO2 300 NOx 500 C tot 20 CO 100 PCDD + PCDF 0,004 Tenore di ossigeno nei fumi umidi (misurato all'uscita della camera) ≥ 6% in vol. Velocità media dei gas (misurata nella sezione d'ingresso della camera) ≥ 10 ms/s Tempo di contatto ≥ 2 s ≥ 950 °C Temperatura dei fumi ≥ 1200 °C (nel caso di rifiuti contenenti cloro organico > 2%) *I valori di emissione si riferiscono ad un tenore di ossigeno negli effluenti gassosi dell'11%. In caso di misura in continuo, il valore di emissione si intende rispettato se: a)nessuna media mobile su 7 giorni supera il valore limite di emissione; b)nessuna media giornaliera supera di oltre il 30% il valore limite corrispondente.
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INCREMENTO DELLEFFICIENZA DI CONVERSIONE ENERGETICA NEI TERMOVALORIZZATORI
G. Amati*, M. Collini*, C. Saccani*
* DIEM Facolt di Ingegneria Universit di Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136 Bologna, Italy, Email: [email protected]
SOMMARIO
La valutazione dellenergia elettrica recuperata dalla termovalorizzazione dei rifiuti urbani nel 2003 mette in evidenza le ridotte efficienze di recupero degli impianti di installati in Italia. Il legislatore pone limiti sempre pi restrittivi alle emissioni inquinanti da termovalorizzazione di rifiuti come si osserva dallevoluzione normativa dagli anni 80 fino ad oggi, ma non si preoccupa di ridurre lo spreco di energia.
Il ridotto recupero energetico, oltre a diminuire i vantaggi economici derivanti dalla vendita di energia elettrica, comporta, dal punto di vista ambientale, un aumento delle emissioni inquinanti. Invece di utilizzare un combustibile (il rifiuto) che comunque viene bruciato, si ricorre, infatti, alla produzione di energia elettrica con tecnologie alternative (turbogas, impianti cogenerativi...). Dalle valutazioni riportate nellarticolo emerge limportanza di imporre un limite inferiore allefficienza di conversione nei termovalorizzatori. Vengono inoltre presentate alcune tecnologie per aumentare lefficienza di conversione in impianti esistenti o in impianti di nuova installazione.
EVOLUZIONE NORMATIVA SULLIMPATTO AMBIENTALE DEGLI INCENERITORI EVOLUZIONE NORMATIVA SULLIMPATTO AMBIENTALE DEGLI INCENERITORI
Limitando lanalisi dellevoluzione della normativa mirata alla riduzione dellimpatto ambientale degli inceneritori allultimo ventennio, il primo significativo passo fatto dal legislatore fu limposizione, tramite la Deliberazione del Comitato interministeriale 27 luglio del 1984, dellinstallazione per ciascuna linea di incenerimento di una camera secondaria di combustione (camera di postcombustione) che doveva rispettare specifici parametri operativi relativi a tenore di ossigeno nei fumi, velocit media dei gas, tempo di contatto e temperatura dei fumi.
Limitando lanalisi dellevoluzione della normativa mirata alla riduzione dellimpatto ambientale degli inceneritori allultimo ventennio, il primo significativo passo fatto dal legislatore fu limposizione, tramite la Deliberazione del Comitato interministeriale 27 luglio del 1984, dellinstallazione per ciascuna linea di incenerimento di una camera secondaria di combustione (camera di postcombustione) che doveva rispettare specifici parametri operativi relativi a tenore di ossigeno nei fumi, velocit media dei gas, tempo di contatto e temperatura dei fumi.
Tabella 1: Parametri operativi per la camera di postcombustione imposta dal legislatore tramite la Deliberazione del Comitato Interministeriale 27 luglio del 1984.
Tabella 1: Parametri operativi per la camera di postcombustione imposta dal legislatore tramite la Deliberazione del Comitato Interministeriale 27 luglio del 1984.
In seguito tali parametri subiscono alcune modifiche per quanto riguarda, ad esempio, le temperature minime che oggi sono, rispettivamente, di 850C e di 1100C (questultima per i fumi di post combustione contenenti oltre l1% di sostanze alogenate).
In seguito tali parametri subiscono alcune modifiche per quanto riguarda, ad esempio, le temperature minime che oggi sono, rispettivamente, di 850C e di 1100C (questultima per i fumi di post combustione contenenti oltre l1% di sostanze alogenate).
Con il Decreto Ministeriale 12 luglio 1990, contenente le linee guida di applicazione del D.P.R. n 203/1988 per il contenimento delle emissioni degli impianti industriali, venivano fissati, per gli inceneritori esistenti, i primi valori limite alle emissioni in atmosfera.
Con il Decreto Ministeriale 12 luglio 1990, contenente le linee guida di applicazione del D.P.R. n 203/1988 per il contenimento delle emissioni degli impianti industriali, venivano fissati, per gli inceneritori esistenti, i primi valori limite alle emissioni in atmosfera. Tabella 2: Valori limite alle emissioni in atmosfera per gli inceneritori imposti dal Decreto Ministeriale 12 luglio 1990. Tabella 2: Valori limite alle emissioni in atmosfera per gli inceneritori imposti dal Decreto Ministeriale 12 luglio 1990.
Contaminante Contaminante Valore giornaliero limite Valore giornaliero limite mg/Nm3* mg/Nm3* Polveri 30 HF 2 HCl 50 SO2 300 NOx 500 C tot 20 CO 100 PCDD + PCDF 0,004
Tenore di ossigeno nei fumi umidi (misurato all'uscita della camera)
6% in vol.
Velocit media dei gas (misurata nella sezione d'ingresso della camera)
10 ms/s
Tempo di contatto 2 s
950 C Temperatura dei fumi 1200 C (nel caso di rifiuti
contenenti cloro organico > 2%)
*I valori di emissione si riferiscono ad un tenore di ossigeno negli effluenti gassosi dell'11%. In caso di misura in continuo, il valore di emissione si intende rispettato se: a)nessuna media mobile su 7 giorni supera il valore limite di emissione; b)nessuna media giornaliera supera di oltre il 30% il valore limite corrispondente.
Evoluzione normativa sullimpatto ambientale degli inceneritori
Polveri
0
5
10
15
20
25
30
35
D.M. 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
HF
0
0,5
1
1,5
2
2,5
DM 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
NOx
0
100
200
300
400
500
600
D.M. 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
Limitando lanalisi dellevoluzione della normativa mirata alla riduzione dellimpatto ambientale degli inceneritori allultimo ventennio, il primo significativo passo fatto dal legislatore fu limposizione, tramite la Deliberazione del Comitato interministeriale 27 luglio del 1984, dellinstallazione per ciascuna linea di incenerimento di una camera secondaria di combustione (camera di postcombustione) che doveva rispettare specifici parametri operativi relativi a tenore di ossigeno nei fumi, velocit media dei gas, tempo di contatto e temperatura dei fumi.
Tabella 1: Parametri operativi per la camera di postcombustione imposta dal legislatore tramite la Deliberazione del Comitato Interministeriale 27 luglio del 1984.
Tenore di ossigeno nei fumi umidi (misurato all'uscita della camera)
( 6% in vol.
Velocit media dei gas (misurata nella sezione d'ingresso della camera)
( 10 ms/s
Tempo di contatto
( 2 s
Temperatura dei fumi
( 950 C
( 1200 C (nel caso di rifiuti contenenti cloro organico > 2%)
In seguito tali parametri subiscono alcune modifiche per quanto riguarda, ad esempio, le temperature minime che oggi sono, rispettivamente, di 850C e di 1100C (questultima per i fumi di post combustione contenenti oltre l1% di sostanze alogenate).
Con il Decreto Ministeriale 12 luglio 1990, contenente le linee guida di applicazione del D.P.R. n 203/1988 per il contenimento delle emissioni degli impianti industriali, venivano fissati, per gli inceneritori esistenti, i primi valori limite alle emissioni in atmosfera.
Tabella 2: Valori limite alle emissioni in atmosfera per gli inceneritori imposti dal Decreto Ministeriale 12 luglio 1990.
Contaminante
Valore giornaliero limite
mg/Nm3*
Polveri
30
HF
2
HCl
50
SO2
300
NOx
500
C tot
20
CO
100
PCDD + PCDF
0,004
*I valori di emissione si riferiscono ad un tenore di ossigeno negli effluenti gassosi dell'11%. In caso di misura in continuo, il valore di emissione si intende rispettato se:
a)nessuna media mobile su 7 giorni supera il valore limite di emissione; b)nessuna media giornaliera supera di oltre il 30% il valore limite corrispondente.
Larticolo 5 del Decreto Legislativo 5 febbraio 1997 n 22 (noto come Decreto Ronchi) impose finalmente che, a partire dal 1 gennaio 1999, potessero essere realizzati e gestiti nuovi impianti di incenerimento []solo se il relativo processo di combustione accompagnato da recupero energetico con una quota minima di trasformazione del potere calorifico dei rifiuti in energia utile [].
Nel 1997, con il Decreto del Ministero dellAmbiente n 503 del 19 novembre (decreto di recepimento delle direttive 89/369/CEE e 89/429/CEE), si ha il primo documento legislativo dedicato agli impianti di incenerimento che impose nuovi e pi restrittivi limiti alle emissioni.
Tabella 3: Valori limite alle emissioni in atmosfera per gli inceneritori imposti dal D. M. 19 novembre 1997, n. 503.
D. M. 19 novembre 1997, n. 503*(recepimento della 89/369/CEE e della 89/429/CEE)
valore medio giornaliero[mg/m3]
valore medio orario;[mg/m3]
CO
50
100
polveri totali
10
30
Ctot
10
20
HCl
20
40
HF
1
4
SO2
100
200
NOX
200
400
valore
note
Cd + Tl
0,05 mg/m3
valori medi della somma delle concentrazioni degli inquinanti rilevato per un periodo di campionamento di 1 ora (Devono essere considerate le quantit di inquinante presenti nell'effluente gassoso sotto forma di polvere, gas e vapore.);
Hg
0,05 mg/m3
Sb + Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni + V + Sn
0,5 mg/m3
PCDD+PCDF
0,1 Tox Equiv ng/m3
valore medio rilevato per un periodo di campionamento di 8 ore.
Idrocarburi policiclici aromatici (I.P.A.)
0,01 mg/m3
* risultati delle misurazioni effettuate per verificare l'osservanza dei valori limite di emissione sono normalizzati alle seguenti condizioni:
temperatura 273 K;
pressione 101,3 kPa;
gas secco;
tenore di ossigeno nell'effluente gassoso secco pari all'11% in volume.
Infine nel 2000 il Parlamento Europeo ha adottato la Direttiva 2000/76/CE, la quale ha fissato nuovi limiti alle emissioni da applicarsi per gli impianti esistenti a partire dal 28 dicembre 2005, per i nuovi impianti dal 28 dicembre 2002. Tale direttiva non stata ancora recepita dallItalia che, per questo, stata sanzionata dalla Corte di Giustizia Europea il 2 dicembre 2004.
Tabella 4: Valori limite alle emissioni in atmosfera per gli inceneritori imposti dalla Direttiva 2000/76/CE.
DELIBERA 2000/76/CEE *
Valori medi giornalieri[mg/m3]
Valori medi su 30 minuti[mg/m3]
Polvere totale
10
30
Ctot
10
20
HCl
10
60
HF
1
4
SO2
50
200
CO
50
100
NOX
200
400
valore
note
Cd+Tl
0,05
Tutti i valori medi misurati in un periodo di campionamento minimo di 30 minuti e massimo di 8 ore
Hg
0,05
Sb + As + Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni + V
0,5
PCDD+PCDF
0,1 Tox. Eq. ng/m3
I valori medi sono misurati in un periodo di campionamento minimo di 6 ore e massimo di 8 ore. I valori limite di emissione si riferiscono alla concentrazione totale di diossine e furani calcolata ricorrendo al concetto di equivalenza tossica.
* risultati delle misurazioni effettuate per verificare l'osservanza dei valori limite di emissione sono normalizzati alle seguenti condizioni:
temperatura 273 K;
pressione 101,3 kPa;
gas secco;
tenore di ossigeno nell'effluente gassoso secco pari all'11% in volume.
In figura 1 viene schematizzata, sinteticamente, levoluzione normativa sullimpatto ambientale degli inceneritori,
SO2
0
50
100
150
200
250
300
350
DM 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
HCl
0
10
20
30
40
50
60
DM 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
PCDD + PCDF
0
1
2
3
4
5
DM 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
ng/Nm3
Polveri
0
5
10
15
20
25
30
35
D.M. 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
SO2
0
50
100
150
200
250
300
350
DM 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
HF
0
0,5
1
1,5
2
2,5
DM 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
NOx
0
100
200
300
400
500
600
D.M. 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
HCl
0
10
20
30
40
50
60
DM 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
mg/Nm3
PCDD + PCDF
0
1
2
3
4
5
DM 12.07.1990
DM n. 503 del
19.11.97
Direttiva UE
2000/76
ng/Nm3
Figura 1: Evoluzione della normativa relativa ai limiti per le emissioni degli inceneritori dal 1984 al 2000.
mentre nei grafici di figura 2 viene riportata levoluzione dei valori limite delle principali emissioni:
Figura 2: Evoluzione dei valori limite delle principali emissioni per la termovalorizzazione.
Il recupero energetico da termovalorizzazione di rifiuti urbani nel 2003
Il rifiuto deve essere necessariamente smaltito e costituisce, quindi, una fonte di energia equiparabile a rinnovabile da utilizzare con la massima efficienza.
La termovalorizzazione ha prodotto in Italia nel 2003 [1] circa 1900 GWh di energia elettrica ottenuta dallincenerimento di rifiuti urbani. Viene presentato il quadro dei termovalorizzatori che hanno operato nel 2003 (figura 3) suddividendoli in due categorie per distinguere gli impianti di vecchia concezione da quelli pi avanzati:
1) Impianti installati prima del 1997;
2) Impianti installati dopo (o nel) 1997.
E stato scelto il 1997 come demarcazione perch in questo anno stato emanato il Decreto Legislativo (5 febbraio 1997), n. 22 (decreto Ronchi - art. 5 comma 4) che ha obbligato il recupero energetico nei nuovi impianti di incenerimento dei rifiuti. Si osserva come il recupero energetico elettrico sia particolarmente ridotto, soprattutto per termovalorizzatori installati prima del 1997. Per quantificare lentit del recupero energetico realizzato nel 2003, stato effettuato un calcolo dellefficienza di conversione in energia elettrica dellenergia messa a disposizione dalla combustione dei rifiuti.
Figura 2: Recupero energetico in Italia nel 2003 da termovalorizzazione di rifiuti urbani.
Indicando con Qrifiuti la potenza termica allanno da incenerimento dei rifiuti (MWh/anno) e con Pel la potenza elettrica prodotta (MWh/anno), lefficienza di conversione espressa da
rifiuti
el
Q
P
=
(1)
Nella valutazione sono stati considerati anche gli inceneritori che non hanno sezione di recupero ai quali stata attribuita efficienza nulla. E emerso che, mediamente, gli inceneritori ante 97 hanno recuperato il 10% della potenza messa a disposizione dai rifiuti (dal rapporto tra lenergia elettrica complessivamente prodotta rispetto alla potenza termica totale derivante dallincenerimento dei rifiuti). Effettuando un calcolo analogo per i termovalorizzatori installati dal 97 (sono, questi, tutti dotati di sezione di recupero) lefficienza media , invece, del 22%. Si osserva che i valori medi di efficienza determinati per il 2003 sono particolarmente bassi rispetto a quelli raggiungibili con le attuali tecnologie e, quindi, gran parte dellenergia resa disponibile dalla combustione del rifiuto stata persa. Per quantificare tale riduzione sono stati analizzati i cicli a vapore caratteristici dei termovalorizzatori distinguendo tra impianti ante 97 ed impianti post 97 ritenendo questa data significativa per valutare il differente grado di sviluppo tecnologico della sezione di termovalorizzazione.
In figura 4 sono riportati i cicli a vapore utilizzati nella valutazione dellefficienza di recupero energetico elettrico per impianti con diverso grado di efficienza.
Figura 3: Diagramma Temperatura Entropia. Cicli a vapore ipotizzati per i termovalorizzatori installati prima del 1997 e per quelli installati dopo (o nel) 1997.
Il primo ciclo tipico degli impianti di vecchia concezione dove la temperatura del vapore surriscaldato in ingresso alla turbina limitato a 380C con pressione di 40 bar. La pressione di condensazione, per questi impianti, difficilmente scende al di sotto dei 0.15 bar con titoli della miscela di circa 0.9. Il rendimento termodinamico del ciclo a vapore risulta pari a
th = 0.28
e, considerando i rendimenti meccanici ed elettrici caratteristici delle turbine a vapore e di scambio termico nel surriscaldatore, si ottiene unefficienza di conversione di
= 0.27 (Inceneritori ante 97)
Tale rendimento stato assunto come valore di riferimento per gli inceneritori installati prima del 1997. Un ragionamento analogo stato effettuato per gli inceneritori post 97 per i quali si considerato un ciclo con vapore surriscaldato in ingresso alla turbina di 450 C alla pressione di 65 bar e pressione di condensazione di 0.1 bar (titolo = 0.85). Dal rendimento termodinamico del ciclo (th = 0.34) si ottiene, considerando gli stessi rendimenti meccanici, elettrici e di scambio termico del ciclo precedente, un rendimento di recupero pari a
= 0.32 (Inceneritori post 97)
Quale sarebbe stato il vantaggio, in termini energetici, se gli inceneritori avessero recuperato energia con le efficienze di conversione indicate? In figura 5 riportato lincremento di energia elettrica che gli inceneritori avrebbero potuto produrre nel 2003 se avessero lavorato al valore di efficienza di recupero (superiore a quello medio per il quale lincremento nullo) indicato in ascissa. Nella valutazione sono considerati anche gli inceneritori senza recupero per i quali stata ipotizzata linstallazione della sezione di termovalorizzazione funzionante con il ciclo di riferimento sopraindicato.
0
200
400
600
800
1000
1200
03691215182124273033
Efficienza di conversione [-]
Incremento energia elettrica producibile in un anno
[GWh/anno]
Inceneritori installati prima del '97
Inceneritori installati dopo o (nel) '97
Figura 4: Incremento di energia elettrica che gli inceneritori avrebbero potuto produrre nel 2003 se avessero lavorato almeno al valore di efficienza di recupero indicato in ascissa.
Dal grafico di figura 5 si desume che imponendo un valore limite minimo di efficienza corrispondente ai cicli sopra indicati per le due categorie di inceneritori, si sarebbe prodotta nel 2003 un incremento di potenza elettrica di 730 GWh/anno per la categoria degli ante 97 e di 670 GWh/anno per i post 97. Risulta evidente che dalla maggiore produzione di energia elettrica (complessivamente di circa 1400 GWh in un anno in pi rispetto ai 1900 GWh realmente prodotti) si ottiene un vantaggio economico consistente. A questo si aggiunge un aspetto meno evidente ma tuttaltro che trascurabile: lincremento di energia elettrica prodotta con termovalorizzatori non costa nulla in termini di emissioni inquinanti perch viene recuperata energia da un combustibile che comunque deve essere bruciato.
A tal proposito stato valutato quanto incida, in termini di inquinamento, la produzione di 1400 GWh se realizzata con impianti turbogas, per meglio comprendere lentit del fenomeno e considerando che i turbogas moderni hanno un rendimento medio del 35% che molto vicino al valore medio di efficienza delle differenti tipologie di impianti in Italia che producono energia elettrica . E stata calcolata la massa di NOx emessi da un turbogas con potenza nominale di 254 MW, ipotizzando unemissione di NOx pari al valore limite stabilito dalla Direttiva 23 ottobre 2001, n. 2001/80/Ce, e cio di 57 mg/Nm3.
0
100
200
300
400
500
600
700
03691215182124273033
Efficienza di conversione [-]
Incremento NOx prodotti [ton/anno]
Ante '97
Post '97
Figura 5: Massa di NOx versata in atmosfera nellipotesi di produrre con un turbogas lenergia elettrica che avrebbero prodotto gli inceneritori nel 2003 lavorando al valore di efficienza di recupero riportato in ascissa.
Il risultato mostrato in figura 6 dove si osserva, in funzione dellefficienza di conversione degli inceneritori, lincremento di NOx versati in atmosfera dal turbogas.
Se si pensa, quindi, di produrre con turbogas lincremento di energia elettrica non prodotta dagli inceneritori, ovvero Eel = 1400 GWh allanno, si emetterebbe una quantit di NOx in pi in un anno di circa 850 ton.
Effettuando un ragionamento analogo, nellipotesi di produrre la stessa energia in un anno con altri termovalorizzatori operanti nelle condizioni di efficienza ipotizzate (27% per gli ante 97 e 32% per i post 97), si emetterebbero in atmosfera 4600 tonn di NOx (il valore limite di NOx considerato nella valutazione riferito alla Direttiva 2000/76/CE ed di 200 mg/Nm3).
Un altro esempio. La riduzione delle emissioni di 850 tonn in un anno di NOx equivale ad un mancato inquinamento dovuto alla circolazione di 160.000 automobili di media cilindrata (1400cc) alimentate a benzina verde.
Allo stesso modo, la riduzione di 4600 tonn di NOx in un anno equivale al mancato inquinamento causato dalla circolazione di 840.000 automobili dello stesso tipo. Inoltre, ipotizzando un incremento dellefficienza di recupero, si ottiene il risparmio delle risorse energetiche che dovremmo utilizzare per produrre lenergia elettrica di 1400 GWh pari a 120400 tep in un anno con impianti alternativi (turbogas, cogenerativi...).
Tecnologie per lincremento della temperatura e della pressione del vapore surriscaldato in impianti di termovalorizzazione di rifiuti urbani
Com noto, la causa tecnologica che limita il recupero energetico degli inceneritori consiste nei fenomeni corrosivi che aggrediscono le caldaie.
Sintetizzando, si pu affermare che i principali agenti corrosivi sono gli acidi alogenati secchi e i sali basso fondenti che si formano in caldaia dalla reazione degli alogeni con gli alcali e con vari metalli.
Altri fattori di minore importanza ma presenti sono lattacco da solfuri e lattacco di tipo elettrochimico che viene generato, durante i transitori e in presenza di umidit, dallidrolisi dei composti clorurati e la conseguente formazione di acido cloridrico. Nelle normali condizioni di marcia della caldaia, cio escludendo i transitori e le fermate, la cinetica della corrosione influenzata da due parametri fondamentali:
la temperatura di parete del tubo scambiante;
la temperatura dei fumi caldi che lambiscono la superficie interessata.
Le caratteristiche del vapore, pressione e temperatura, giocano quindi un ruolo determinante. La ragione da attribuirsi alla sempre maggiore influenza dei sali aventi una bassa temperatura di fusione ed una elevata tensione di vapore. I cloruri metallici e i cloruri alcalini formano una serie di composti tutti basso fondenti. Il secondo fattore negativo lelevata tensione di vapore dei sali che impone, per la loro condensazione, di raffreddare molto i fumi. In particolare, non possibile per le caldaie tradizionali operare in condizioni di funzionamento tali da riuscire a produrre un vapore surriscaldato sopra i 380400 C di temperatura: i fenomeni corrosivi pregiudicherebbero troppo repentinamente il funzionamento e la vita utile dei fasci tubieri.
A questo punto, per poter incrementare il contenuto energetico del vapore (temperatura e pressione) ovvero per poter incrementare il recupero energetico di un inceneritore, esistono tre metodi:
a. incrementare i sistemi di protezione della caldaia dagli agenti corrosivi (trattamento di coating della caldaia);
b. ridurre il carico di agenti corrosivi contenuto nei fumi caldi prima della sezione di scambio termico in caldaia (trattamento a caldo dei fumi);
c. limitatamente agli inceneritori a letto fluido, utilizzare come vettore per lo scambio di calore le ceneri al posto dei fumi caldi corrosivi.
Nel primo caso, il sistema che si sta rivelando pi efficace consiste nellutilizzo di una lega estremamente resistente alla corrosione ad alta temperatura: lInconel 625, una lega a base di nichel contenente carbonio (< 0,1%), cromo (21,5%), ferro (< 5%), molibdeno ((9%) e niobio ((3,6%). Commercialmente si trovano tubi e lamiere oppure il medesimo materiale pu essere applicato su altre superfici metalliche per saldatura in atmosfera di Argon o mediante torcia al plasma. Tra le varie alternative solo due hanno dato dei risultati validi e cio il tubo in massello di Inconel (figura 7) e il riporto saldato dello spessore di 1,8-2 mm. Il vantaggio del riporto saldato che esso pu essere applicato in campo su caldaie gi da tempo operative e nelle zone dove il controllo dello spessore residuo lo richiede. Tale sistema si sta diffondendo sempre tra i termovalorizzatori di moderna concezione[2]. Per contro si stanno osservando alcuni problemi legati alle dilatazioni differenziali fra materiale base e coating, in particolare durante i transitori; inoltre tale tecnologia comporta elevati costi dinvestimento.
Figura 6: Tubi ricoperti di Inconel 625 del surriscaldatore dellimpianto AVR di Rotterdam dopo 40.000 h di esercizio.
Nel secondo caso lobiettivo quello di ridurre il carico degli agenti corrosivi della caldaia (gli acidi alogenati ed i sali da essi derivanti) prima che avvenga lincontro tra i fumi e la stessa caldaia. In questo modo possibile, data la minore concentrazione degli acidi, aumentare la temperatura dei fumi al momento dellincrocio con il surriscaldatore, e quindi la temperatura e pressione del vapore garantendo comunque una vita utile della caldaia soddisfacente. Per raggiungere questo scopo viene utilizzata una soluzione brevettata che consiste nel proteggere il surriscaldatore attraverso un triplice effetto: il primo meccanico (protezione delle superfici a contatto coi fumi), il secondo chimico (neutralizzazione delle componenti acide) e il terzo effetto di protezione il ricircolo di una parte dei fumi gi filtrati (diluizione della componenti acide). Il sistema [3], [4] e [5] consiste in un reattore a letto fluido costituito interamente dai reagenti destinati alla neutralizzazione degli acidi, allinterno del quale immerso il surriscaldatore. Per evitare di abbassare troppo la temperatura dei fumi in seguito al trattamento di neutralizzazione degli acidi, occorre utilizzare un sistema di abbattimento a secco, con limpiego di carbonato di calcio (CaCO3) e bicarbonato di sodio (NaHCO3) (figura 8). Il reattore costituito da tre letti di trattamento (fisso, bollente e circolante) allinterno di ciascuno dei quali inserito un banco di tubi surriscaldatori. Allinterno dei tre letti i fumi provenienti dalla camera di post-combustione dellinceneritore vengono in vario modo trattati, cos da eliminare o ridurre fortemente i componenti inquinati pi aggressivi.
Figura 7: Serpentine del surriscaldatore immerse nel letto di carbonato di calcio e bicarbonato di sodio.
Lultima soluzione limitata, come anticipato, agli inceneritori a letto fluido (figura 9). Tali inceneritori sono dotati, a valle della camera di combustione, di un ciclone che separa le ceneri che sfuggono dalla camera di combustione dai fumi caldi. Il sistema consiste nel posizionare, affogandolo, il surriscaldatore nella zona di raccolta delle ceneri calde in uscita dal ciclone. Le ceneri qui confluite formano un letto fluido bollente caratterizzato da elevate temperature e, soprattutto, povero di acidi corrosivi (che escono con i fumi caldi dal ciclone)[6].
Figura 8:Schema impiantistico che evidenzia il posizionamento del surriscaldatore nella zona di raccolta delle ceneri in uscita dal ciclone in un inceneritore a letto fluido (sistema INTREX sviluppato da Foster Wheeler Italiana).
Conclusioni
Sono state presentate diverse tecnologie per incrementare lefficienza di conversione in energia elettrica senza rinunciare ad una vita accettabile dei surriscaldatori.
Esistono diversi esempi di impianti operativi che, utilizzando tali tecnologie, recuperano con le efficienze di conversione ipotizzate, dimostrando la possibilit di utilizzare al meglio lenergia messa a disposizione dal rifiuto urbano.
Il legislatore non deve limitarsi nella sua attivit normativa ad osservare ci che esce dal camino o dai vari scarichi dellimpianto, ma deve guardare allefficienza del processo, consapevole del fatto che questa incide sullambiente non meno di quanto incida limposizione dei limiti alle emissioni.
Occorre, quindi, normare anche il limite inferiore allefficienza di conversione dei termovalorizzatori in modo da utilizzare al massimo lenergia che viene comunque prodotta dalla combustione dei rifiuti. Questo permette di ridurre linquinamento, di risparmiare risorse energetiche e di ottenere un vantaggio economico consistente.
Riferimenti bibliografici
1.Rapporto Rifiuti 2004 APAT, Agenzia per la Protezione dellAmbiente e per i servizi Tecnici; ONR, Osservatorio Nazionale dei Rifiuti.
2.
A. Carminati, Caldaie alimentate con Rsu Accorgimenti per ridurre la corrosione.
3.A. BIANCHINI, C. SACCANI - Impianto sperimentale a letto fluido per il trattamento a caldo dei fumi di combustione di RSU pubblicato nel settembre 2004 atti del XXXI convegno nazionale ANIMP OICE UAMI, Monastier di Treviso, 14-15 ottobre 2004.
4.C. Saccani Repowering di un impianto di termovalorizzazione dei rifiuti Atti del XXIX convegno nazionale ANIMP OICE UAMI, Sorrento (NA) 17-18 ottobre 2002
5. A. Bianchini, C. Saccani Trattamento a caldo delle emissioni di fumo da inceneritore di rifiuti urbani Atti del III convegno nazionale UTILIZZAZIONE TERMICA DEI RIFIUTI, Abano Terme 31 maggio 1 giugno 2001
6. Foster Wheeler technical paper Lomellina waste-to-energy plant sito internet: http://www.fwc.com/publications/tech_papers/index.cfm
NOMENCLATURA
P1
pressione del vapore allingresso in turbina
[bar]
P2
pressione del vapore di fine espansione
[bar]
Pel
potenza elettrica
[MW]
Qrifiuti
potenza termica da rifiuti
[MW]
T1
temperatura del vapore all ingresso in turbina
[C]
T2
temperatura del vapore di fine espansione
[C]
X
titolo del vapore a fine espansione
[-]
Eel
incremento di energia elettrica
[MWh]
efficienza di conversione in energia elettrica
[-]
Incremento dellefficienza di conversione energetica nei termovalorizzatori
G. Amati*, M. Collini*, C. Saccani*
* DIEM Facolt di Ingegneria Universit di Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136 Bologna, Italy, Email: HYPERLINK "mailto:[email protected]" [email protected]
Sommario
La valutazione dellenergia elettrica recuperata dalla termovalorizzazione dei rifiuti urbani nel 2003 mette in evidenza le ridotte efficienze di recupero degli impianti di installati in Italia. Il legislatore pone limiti sempre pi restrittivi alle emissioni inquinanti da termovalorizzazione di rifiuti come si osserva dallevoluzione normativa dagli anni 80 fino ad oggi, ma non si preoccupa di ridurre lo spreco di energia.
Il ridotto recupero energetico, oltre a diminuire i vantaggi economici derivanti dalla vendita di energia elettrica, comporta, dal punto di vista ambientale, un aumento delle emissioni inquinanti. Invece di utilizzare un combustibile (il rifiuto) che comunque viene bruciato, si ricorre, infatti, alla produzione di energia elettrica con tecnologie alternative (turbogas, impianti cogenerativi...). Dalle valutazioni riportate nellarticolo emerge limportanza di imporre un limite inferiore allefficienza di conversione nei termovalorizzatori. Vengono inoltre presentate alcune tecnologie per aumentare lefficienza di conversione in impianti esistenti o in impianti di nuova installazione.
EMBED Excel.Chart.8 \s
27
32
440 ton/anno
405 ton/anno
27
32
730 GWh/anno
670 GWh/anno
Direttiva 2000/76/CE
Nuovi limiti alle emissioni degli inceneritori
D. M. 19 novembre 1997, n. 503
Nuovi limiti alle emissioni degli inceneritori
D. Lgs. 5 febbraio 1997, n. 22
(art. 5 comma 4)
Obbligo del recupero energetico per i nuovi impianti di incenerimento rifiuti
D. M. 12
luglio 1990
Limiti alle emissioni degli inceneritori esistenti
Deliberazione 27 luglio 1984
Obbligo della
camera di postcombustione
2000
1997
1990
1984
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EMBED Excel.Chart.8 \s
EMBED Excel.Chart.8 \s
EMBED Excel.Chart.8 \s
EMBED Excel.Chart.8 \s
_1173609490.xls
Grafico1
DM 12.07.1990
DM n. 503 del 19.11.97
Direttiva UE 2000/76
HCl
mg/Nm3
50
20
10
Foglio1
ContaminanteLimiti DPR 203/88 (Linee Guida DM 12.07.1990)Limiti DM n. 503 del 19.11.97(nuovi inceneritori)giornalieroLimiti DM n. 503 del 19.11.97(nuovi inceneritori)orarioDirettiva UE 2000/76 del 4.12.2000giornalieroDirettiva UE 2000/76 del 4.12.2000su mezzora
Polveri mg/mc3010301030
Fluoro (HF) mg/mc21414
Cloro (HCl) mg/mc5020401060
SO2 mg/mc30010020050200
NOx mg/mc500200400200400
PCDD+PCDF g/mc40,0001 (otto ore **)0,0001 (otto ore **)
PCB+PCT+PCTg/mc500
IPA mg/mc0.050,01 (otto ore)
Ossido di carbonio mg/mc1005010050100
COT mg/mc2010201020
Foglio2
ContaminanteDM 12.07.1990DM n. 503 del 19.11.97Direttiva UE 2000/76
Polveri301010
HF211
HCl502010
SO230010050
NOx500200200
C tot201010
CO1005050
PCDD + PCDF40.10.1
Foglio2
0
0
0
Polveri
mg/Nm3
Foglio3
0
0
0
HF
mg/Nm3
0
0
0
HCl
mg/Nm3
0
0
0
SO2
mg/Nm3
0
0
0
NOx
mg/Nm3
0
0
0
C tot
mg/Nm3
0
0
0
CO
mg/Nm3
0
0
0
PCDD + PCDF
ng/Nm3
_1173732759.unknown
_1173733018.xls
Grafico2
00
11
22
33
44
55
66
77
88
99
1010
1111
1212
1313
1414
1515
1616
1717
1818
1919
2020
2121
2222
2323
2424
2525
2626
2727
2828
2929
3030
3131
3232
3333
3434
3535
Ante '97
Post '97
Efficienza di conversione [-]
Incremento NOx prodotti [ton/anno]
-239.773596
-902.6937704223
-215.8726518957
-860.7429967213
-191.9717077914
-818.7922230204
-168.0707636871
-776.8414493195
-144.1698195828
-734.8906756185
-120.2688754785
-692.9399019176
-96.3679313742
-650.9891282167
-72.4669872699
-609.0383545158
-48.5660431655
-567.0875808148
-24.6650990612
-525.1368071139
-0.7641549569
-483.186033413
23.1367891474
-441.235259712
47.0377332517
-399.2844860111
70.938677356
-357.3337123102
94.8396214603
-315.3829386093
118.7405655646
-273.4321649083
142.6415096689
-231.4813912074
166.5424537732
-189.5306175065
190.4433978775
-147.5798438055
214.3443419818
-105.6290701046
238.2452860861
-63.6782964037
262.1462301904
-21.7275227028
286.0471742948
20.2232509982
309.9481183991
62.1740246991
333.8490625034
104.1247984
357.7500066077
146.075572101
381.650950712
188.0263458019
405.5518948163
229.9771195028
429.4528389206
271.9278932037
453.3537830249
313.8786669047
477.2547271292
355.8294406056
501.1556712335
397.7802143065
525.0566153378
439.7309880075
548.9575594421
481.6817617084
572.8585035464
523.6325354093
596.7594476507
565.5833091102
Termovalorizzatori
25Friuli Venezia GiuliaGO45Gorizia (GO)45449260.004493%45
26Emilia RomagnaFE44Ferrara (Conchetta) (FE)44443840.0044
28SiciliaME48Messina (ME)48480600.0048
24SardegnaCA46Capoterra (CA)46462440.0046
23ToscanaPT111Montale (Agliana) (PT)1111105980.04111
22PiemonteVC227Vercelli (VC)2272266970.04227
21SardegnaNU61Macomer (NU)61611270.0561
20MarcheMC84Tolentino (MC)84837200.0584
19ToscanaSI67Poggibonsi (Pian dei Foci) (SI)67665850.0667
18LombardiaMI159Desio (MI)1591588140.08159
14Emilia RomagnaFO131Forl (FO)1311305410.08131
16VenetoVI165Schio (VI)1651647680.08165
15ToscanaLI76Livorno (LI)76760430.0876
13LombardiaLC205Valmadrera (LC)2052048200.10205
12Emilia RomagnaMO266Modena (MO)2662662030.10266
11UmbriaTE91Terni (TE)91910740.1091
17Emilia RomagnaFE95Ferrara (Canal Bianco) (FE)95945200.1095
9Trentino Alto AdigeBZ243Bolzano (BZ)2432433600.11243
8ToscanaLU36Castelnuovo di Garfagnana (LU)36355460.1136
7PiemonteVB92Mergozzo (VB)92923830.1192
6LombardiaCO221Como (CO)2212214190.11221
5Emilia RomagnaRN364Coriano (RN)3643635940.12364
4VenetoPD183Padova (PD)1831827290.12183
3Emilia RomagnaBO453Granarolo dell'Emilia (BO)4534534540.14453
2SardegnaCA277Capoterra (CA)2772774470.16277
1PugliaTA155Statte (TA)1551549910.17155
MWh dei rifiutirendimento totale0
00
00
00
00
19LombardiaCR168Cremona (CR)1681682020.08168
18Friuli Venezia GiuliaTS298Trieste (TS)2982980140.10298
17VenetoVE124Venezia (Fusina) (VE)1241242820.11124
16ToscanaPI199Ospedaletto (PI)1991986020.14199
15LombardiaVA355BustoArsizio (VA)3553553930.15355
14LazioFR384S.Vittore del Lazio (FR)3843843000.16384
13LombardiaMI199Sesto S. Giovanni (MI)1991994880.16199
12Toscana (AR)AR89Arezzo (AR)89886490.1689
7Lazio (RM)RM378Colleferro (RM)3783782120.18378
10Lombardia (BG)BG121Bergamo (BG)1211210170.19121
8Emilia Romagna (RA)RA175Ravenna (RA)1751748220.21175
11Lazio (RM)RM141Colleferro (RM)1411411510.23141
6Emilia Romagna (PC)PC293Piacenza (PC)2932928440.23293
5Lombardia (MI)MI913Milano (Silla2) (MI)9139129270.23913
4Lombardia (BG)BG453Dalmine (BG)4534528370.24453
9Lombardia (MI)MI332Trezzo d'Adda (MI)3323323560.26332
3Lombardia (BS)BS1412Brescia (BS)141214124330.291412
2Lombardia (PV)PV491Parona (PV)4914908220.30491
00
00
00
00
00
44926443844806046244665851105982266976112783720665851588141305411647687604320482026620391074945202433603554692383221419363594182729453454277447154991
45444846671112276184671591311657620526691952433692221364183453277155
:2500-2800
:2500-3000
Termovalorizzatori
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Termovalorizzatori
Efficienza di conversione [-]
Quadro termovalorizzatori
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
RSU
Termovalorizzatori
Efficienza di conversione [-]
op >=1995 RSU+CDR
0
0
0
0
0
0
0
Termovalorizzatori
Efficienza di conversione [-]
op
Larticolo 5 del Decreto Legislativo 5 febbraio 1997 n 22 (noto come Decreto Ronchi) impose finalmente che, a partire dal 1 gennaio 1999, potessero essere realizzati e gestiti nuovi impianti di incenerimento []solo se il relativo processo di combustione accompagnato da recupero energetico con una quota minima di trasformazione del potere calorifico dei rifiuti in energia utile [].
Nel 1997, con il Decreto del Ministero dellAmbiente n 503 del 19 novembre (decreto di recepimento delle direttive 89/369/CEE e 89/429/CEE), si ha il primo documento legislativo dedicato agli impianti di incenerimento che impose nuovi e pi restrittivi limiti alle emissioni.
Tabella 3: Valori limite alle emissioni in atmosfera per gli inceneritori imposti dal D. M. 19 novembre 1997, n. 503.
D. M. 19 novembre 1997, n. 503* (recepimento della 89/369/CEE e della 89/429/CEE)
valore medio giornaliero
[mg/m3]
valore medio orario;
[mg/m3] CO 50 100 polveri totali 10 30 Ctot 10 20 HCl 20 40 HF 1 4 SO2 100 200 NOX 200 400
valore note Cd + Tl 0,05 mg/m3
Hg 0,05 mg/m3
Sb + Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni + V + Sn
0,5 mg/m3
valori medi della somma delle concentrazioni degli inquinanti rilevato per un periodo di campionamento di 1 ora (Devono essere considerate le quantit di inquinante presenti nell'effluente gassoso sotto forma di polvere, gas e vapore.);
PCDD+PCDF 0,1 Tox Equiv ng/m3
Idrocarburi policiclici aromatici (I.P.A.) 0,01 mg/m
3
valore medio rilevato per un periodo di campionamento di 8 ore.
* risultati delle misurazioni effettuate per verificare l'osservanza dei valori limite di emissione sono normalizzati alle seguenti condizioni: - temperatura 273 K; - pressione 101,3 kPa; - gas secco; - tenore di ossigeno nell'effluente gassoso secco pari all'11% in
volume. Infine nel 2000 il Parlamento Europeo ha adottato la Direttiva 2000/76/CE, la quale ha fissato nuovi limiti alle emissioni da applicarsi per gli impianti esistenti a partire dal 28 dicembre 2005, per i nuovi impianti dal 28 dicembre 2002. Tale direttiva non stata ancora recepita dallItalia che, per questo, stata sanzionata dalla Corte di Giustizia Europea il 2 dicembre 2004.
Tabella 4: Valori limite alle emissioni in atmosfera per gli inceneritori imposti dalla Direttiva 2000/76/CE.
DELIBERA 2000/76/CEE *
Valori medi giornalieri [mg/m3]
Valori medi su 30 minuti
[mg/m3] Polvere totale 10 30 Ctot 10 20 HCl 10 60 HF 1 4 SO2 50 200 CO 50 100 NOX 200 400 valore note Cd+Tl 0,05
Hg 0,05 Sb + As + Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni + V 0,5
Tutti i valori medi misurati in un periodo di campionamento minimo di 30 minuti e massimo di 8 ore
PCDD+PCDF 0,1 Tox. Eq. ng/m3
I valori medi sono misurati in un periodo di campionamento minimo di 6 ore e massimo di 8 ore. I valori limite di emissione si riferiscono alla concentrazione totale di diossine e furani calcolata ricorrendo al concetto di equivalenza tossica.
* risultati delle misurazioni effettuate per verificare l'osservanza dei valori limite di emissione sono normalizzati alle seguenti condizioni: - temperatura 273 K; - pressione 101,3 kPa; - gas secco; - tenore di ossigeno nell'effluente gassoso secco pari all'11% in volume.
In figura 1 viene schematizzata, sinteticamente, levoluzione normativa sullimpatto ambientale degli inceneritori,
4 7 1990 2000
Figemi
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Dne19
Odecapoio
198
ura 1: Evoluzione della normassioni degli inceneritori dal 1984 a
ntre nei grafici di figura 2 vieori limite delle principali emiss
D. M. 12 luglio 1990
Limiti alle emissioni degli inceneritori esistenti
D. Lgs. 5 febbraio
1997, n. 22(art. 5
comma 4)Obbligo derecupero energetico per i nuoviimpianti diincenerimento rifiuti
eliberazio 27 luglio 84
bbligo lla mera di stcombustne
199
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Direttiva 2000/76/CE
Nuovi limiti alle emissioni degli inceneritori
D. M. 19 novembre
1997, n. 503Nuovi limiti alle emissioni degli inceneritori
relativa ai limiti per le 0.
portata levoluzione dei
IL RECUPERO ENERGETICO DA TERMOVALORIZZAZIONE DI RIFIUTI URBANI NEL 2003
Polveri
Figura 2: Evoluzione dei valori limite delle principali emissioni per la termovalorizzazione.
Il rifiuto deve essere necessariamente smaltito e costituisce,
quindi, una fonte di energia equiparabile a rinnovabile da utilizzare con la massima efficienza.
05
101520253035
D.M. 12.07.1990 DM n. 503 del19.11.97
Direttiva UE2000/76
mg/Nm3SO2
050
100150200250300350
DM 12.07.1990 DM n. 503 del19.11.97
Direttiva UE2000/76
mg/Nm3
HF
0,5
1,5
2,5
DM 12.07.1990 DM n. 503 del19.11.97
Direttiva UE2000/76
mg/Nm3
La termovalorizzazione ha prodotto in Italia nel 2003 [1] circa 1900 GWh di energia elettrica ottenuta dallincenerimento di rifiuti urbani. Viene presentato il quadro dei termovalorizzatori che hanno operato nel 2003 (figura 3) suddividendoli in due categorie per distinguere gli impianti di vecchia concezione da quelli pi avanzati:
1) Impianti installati prima del 1997; 2) Impianti installati dopo (o nel) 1997. E stato scelto il 1997 come demarcazione perch in questo
anno stato emanato il Decreto Legislativo (5 febbraio 1997), n. 22 (decreto Ronchi - art. 5 comma 4) che ha obbligato il recupero energetico nei nuovi impianti di incenerimento dei rifiuti. Si osserva come il recupero energetico elettrico sia particolarmente ridotto, soprattutto per termovalorizzatori installati prima del 1997. Per quantificare lentit del recupero energetico realizzato nel 2003, stato effettuato un calcolo dellefficienza di conversione in energia elettrica dellenergia messa a disposizione dalla combustione dei rifiuti.
2
1
0
NOx
0100200300400500600
D.M. 12.07.1990 DM n. 503 del19.11.97
Direttiva UE2000/76
mg/Nm3HCl
0102030405060
DM 12.07.1990 DM n. 503 del19.11.97
Direttiva UE2000/76
mg/Nm3
PCDD + PCDF
0
1
2
3
4
5
DM 12.07.1990 DM n. 503 del19.11.97
Direttiva UE2000/76
ng/Nm3
Figura 3: Recupero energetico in Italia nel 2003 da termovalorizzazione di rifiuti urbani.
Indicando con Qrifiuti la potenza termica allanno da incenerimento dei rifiuti (MWh/anno) e con Pel la potenza elettrica prodotta (MWh/anno), lefficienza di conversione espressa da
rifiuti
el
QP
= (1)
Nella valutazione sono stati considerati anche gli
inceneritori che non hanno sezione di recupero ai quali stata attribuita efficienza nulla. E emerso che, mediamente, gli inceneritori ante 97 hanno recuperato il 10% della potenza messa a disposizione dai rifiuti (dal rapporto tra lenergia elettrica complessivamente prodotta rispetto alla potenza termica totale derivante dallincenerimento dei rifiuti). Effettuando un calcolo analogo per i termovalorizzatori installati dal 97 (sono, questi, tutti dotati di sezione di recupero) lefficienza media , invece, del 22%. Si osserva che i valori medi di efficienza determinati per il 2003 sono particolarmente bassi rispetto a quelli raggiungibili con le attuali tecnologie e, quindi, gran parte dellenergia resa disponibile dalla combustione del rifiuto stata persa. Per quantificare tale riduzione sono stati analizzati i cicli a vapore caratteristici dei termovalorizzatori distinguendo tra impianti ante 97 ed impianti post 97 ritenendo questa data significativa per valutare il differente grado di sviluppo tecnologico della sezione di termovalorizzazione.
In figura 4 sono riportati i cicli a vapore utilizzati nella valutazione dellefficienza di recupero energetico elettrico per impianti con diverso grado di efficienza.
Figura 4: Diagramma Temperatura Entropia. Cicli a vapore ipotizzati per i termovalorizzatori installati prima del 1997 e per quelli installati dopo (o nel) 1997.
Il primo ciclo tipico degli impianti di vecchia concezione dove la temperatura del vapore surriscaldato in ingresso alla turbina limitato a 380C con pressione di 40 bar. La pressione di condensazione, per questi impianti, difficilmente scende al di sotto dei 0.15 bar con titoli della miscela di circa 0.9. Il rendimento termodinamico del ciclo a vapore risulta pari a
th = 0.28 e, considerando i rendimenti meccanici ed elettrici caratteristici delle turbine a vapore e di scambio termico nel surriscaldatore, si ottiene unefficienza di conversione di
= 0.27 (Inceneritori ante 97)
Tale rendimento stato assunto come valore di riferimento per gli inceneritori installati prima del 1997. Un ragionamento analogo stato effettuato per gli inceneritori post 97 per i quali si considerato un ciclo con vapore surriscaldato in ingresso alla turbina di 450 C alla pressione di 65 bar e pressione di condensazione di 0.1 bar (titolo = 0.85). Dal rendimento termodinamico del ciclo (th = 0.34) si ottiene, considerando gli stessi rendimenti meccanici, elettrici e di scambio termico del ciclo precedente, un rendimento di recupero pari a
= 0.32 (Inceneritori post 97)
Quale sarebbe stato il vantaggio, in termini energetici, se gli inceneritori avessero recuperato energia con le efficienze di conversione indicate? In figura 5 riportato lincremento di energia elettrica che gli inceneritori avrebbero potuto produrre nel 2003 se avessero lavorato al valore di efficienza di recupero (superiore a quello medio per il quale lincremento nullo) indicato in ascissa. Nella valutazione sono considerati anche gli inceneritori senza recupero per i quali stata ipotizzata linstallazione della sezione di termovalorizzazione funzionante con il ciclo di riferimento sopraindicato.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33
Efficienza di conversione [-]
Incr
emen
to e
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prod
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un
anno
[GW
h/an
no]
Inceneritori installati prima del '97Inceneritori installati dopo o (nel) '97
Figura 5: Incremento di energia elettrica che gli inceneritori avrebbero potuto produrre nel 2003 se avessero lavorato almeno al valore di efficienza di recupero indicato in ascissa.
Dal grafico di figura 5 si desume che imponendo un valore
limite minimo di efficienza corrispondente ai cicli sopra indicati per le due categorie di inceneritori, si sarebbe prodotta nel 2003 un incremento di potenza elettrica di 730 GWh/anno per la categoria degli ante 97 e di 670 GWh/anno per i post 97. Risulta evidente che dalla maggiore produzione di energia elettrica (complessivamente di circa 1400 GWh in un anno in
730 GWh/anno
670 GWh/anno
32 27
pi rispetto ai 1900 GWh realmente prodotti) si ottiene un vantaggio economico consistente. A questo si aggiunge un aspetto meno evidente ma tuttaltro che trascurabile: lincremento di energia elettrica prodotta con termovalorizzatori non costa nulla in termini di emissioni inquinanti perch viene recuperata energia da un combustibile che comunque deve essere bruciato.
A tal proposito stato valutato quanto incida, in termini di inquinamento, la produzione di 1400 GWh se realizzata con impianti turbogas, per meglio comprendere lentit del fenomeno e considerando che i turbogas moderni hanno un rendimento medio del 35% che molto vicino al valore medio di efficienza delle differenti tipologie di impianti in Italia che producono energia elettrica . E stata calcolata la massa di NOx emessi da un turbogas con potenza nominale di 254 MW, ipotizzando unemissione di NOx pari al valore limite stabilito dalla Direttiva 23 ottobre 2001, n. 2001/80/Ce, e cio di 57 mg/Nm3.
0
100
200
300
400
500
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700
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33
Efficienza di conversione [-]
Incr
emen
to N
Ox
prod
otti
[ton/
anno
]
Ante '97 Post '97
Figura 6: Massa di NOx versata in atmosfera nellipotesi di produrre con un turbogas lenergia elettrica che avrebbero prodotto gli inceneritori nel 2003 lavorando al valore di efficienza di recupero riportato in ascissa.
Il risultato mostrato in figura 6 dove si osserva, in funzione dellefficienza di conversione degli inceneritori, lincremento di NOx versati in atmosfera dal turbogas.
Se si pensa, quindi, di produrre con turbogas lincremento di energia elettrica non prodotta dagli inceneritori, ovvero Eel = 1400 GWh allanno, si emetterebbe una quantit di NOx in pi in un anno di circa 850 ton.
Effettuando un ragionamento analogo, nellipotesi di produrre la stessa energia in un anno con altri termovalorizzatori operanti nelle condizioni di efficienza ipotizzate (27% per gli ante 97 e 32% per i post 97), si emetterebbero in atmosfera 4600 tonn di NOx (il valore limite
di NOx considerato nella valutazione riferito alla Direttiva 2000/76/CE ed di 200 mg/Nm3).
Un altro esempio. La riduzione delle emissioni di 850 tonn in un anno di NOx equivale ad un mancato inquinamento dovuto alla circolazione di 160.000 automobili di media cilindrata (1400cc) alimentate a benzina verde.
Allo stesso modo, la riduzione di 4600 tonn di NOx in un anno equivale al mancato inquinamento causato dalla circolazione di 840.000 automobili dello stesso tipo. Inoltre, ipotizzando un incremento dellefficienza di recupero, si ottiene il risparmio delle risorse energetiche che dovremmo utilizzare per produrre lenergia elettrica di 1400 GWh pari a 120400 tep in un anno con impianti alternativi (turbogas, cogenerativi...). TECNOLOGIE PER LINCREMENTO DELLA TEMPERATURA E DELLA PRESSIONE DEL VAPORE SURRISCALDATO IN IMPIANTI DI TERMOVALORIZZAZIONE DI RIFIUTI URBANI
Com noto, la causa tecnologica che limita il recupero energetico degli inceneritori consiste nei fenomeni corrosivi che aggrediscono le caldaie.
Sintetizzando, si pu affermare che i principali agenti corrosivi sono gli acidi alogenati secchi e i sali basso fondenti che si formano in caldaia dalla reazione degli alogeni con gli alcali e con vari metalli.
Altri fattori di minore importanza ma presenti sono lattacco da solfuri e lattacco di tipo elettrochimico che viene generato, durante i transitori e in presenza di umidit, dallidrolisi dei composti clorurati e la conseguente formazione di acido cloridrico. Nelle normali condizioni di marcia della caldaia, cio escludendo i transitori e le fermate, la cinetica della corrosione influenzata da due parametri fondamentali:
440 ton/anno
405 ton/anno
- la temperatura di parete del tubo scambiante; - la temperatura dei fumi caldi che lambiscono la
superficie interessata. Le caratteristiche del vapore, pressione e temperatura,
giocano quindi un ruolo determinante. La ragione da attribuirsi alla sempre maggiore influenza dei sali aventi una bassa temperatura di fusione ed una elevata tensione di vapore. I cloruri metallici e i cloruri alcalini formano una serie di composti tutti basso fondenti. Il secondo fattore negativo lelevata tensione di vapore dei sali che impone, per la loro condensazione, di raffreddare molto i fumi. In particolare, non possibile per le caldaie tradizionali operare in condizioni di funzionamento tali da riuscire a produrre un vapore surriscaldato sopra i 380400 C di temperatura: i fenomeni corrosivi pregiudicherebbero troppo repentinamente il funzionamento e la vita utile dei fasci tubieri.
32 27
A questo punto, per poter incrementare il contenuto energetico del vapore (temperatura e pressione) ovvero per poter incrementare il recupero energetico di un inceneritore, esistono tre metodi:
a. incrementare i sistemi di protezione della caldaia
dagli agenti corrosivi (trattamento di coating della caldaia);
b. ridurre il carico di agenti corrosivi contenuto nei fumi caldi prima della sezione di scambio termico in caldaia (trattamento a caldo dei fumi);
c. limitatamente agli inceneritori a letto fluido, utilizzare come vettore per lo scambio di calore le ceneri al posto dei fumi caldi corrosivi.
Nel primo caso, il sistema che si sta rivelando pi efficace
consiste nellutilizzo di una lega estremamente resistente alla corrosione ad alta temperatura: lInconel 625, una lega a base di nichel contenente carbonio (< 0,1%), cromo (21,5%), ferro (< 5%), molibdeno (9%) e niobio (3,6%). Commercialmente si trovano tubi e lamiere oppure il medesimo materiale pu essere applicato su altre superfici metalliche per saldatura in atmosfera di Argon o mediante torcia al plasma. Tra le varie alternative solo due hanno dato dei risultati validi e cio il tubo in massello di Inconel (figura 7) e il riporto saldato dello spessore di 1,8-2 mm. Il vantaggio del riporto saldato che esso pu essere applicato in campo su caldaie gi da tempo operative e nelle zone dove il controllo dello spessore residuo lo richiede. Tale sistema si sta diffondendo sempre tra i termovalorizzatori di moderna concezione[2]. Per contro si stanno osservando alcuni problemi legati alle dilatazioni differenziali fra materiale base e coating, in particolare durante i transitori; inoltre tale tecnologia comporta elevati costi dinvestimento.
Figura 7: Tubi ricoperti di Inconel 625 del surriscaldatore dellimpianto AVR di Rotterdam dopo 40.000 h di esercizio.
Nel secondo caso lobiettivo quello di ridurre il carico degli agenti corrosivi della caldaia (gli acidi alogenati ed i sali da essi derivanti) prima che avvenga lincontro tra i fumi e la stessa caldaia. In questo modo possibile, data la minore concentrazione degli acidi, aumentare la temperatura dei fumi al momento dellincrocio con il surriscaldatore, e quindi la temperatura e pressione del vapore garantendo comunque una vita utile della caldaia soddisfacente. Per raggiungere questo scopo viene utilizzata una soluzione brevettata che consiste nel proteggere il surriscaldatore attraverso un triplice effetto: il primo meccanico (protezione delle superfici a contatto coi fumi), il secondo chimico (neutralizzazione delle componenti acide) e il terzo effetto di protezione il ricircolo di una parte dei fumi gi filtrati (diluizione della componenti acide). Il sistema [3], [4] e [5] consiste in un reattore a letto fluido costituito interamente dai reagenti destinati alla neutralizzazione degli acidi, allinterno del quale immerso il surriscaldatore. Per evitare di abbassare troppo la temperatura
dei fumi in seguito al trattamento di neutralizzazione degli acidi, occorre utilizzare un sistema di abbattimento a secco, con limpiego di carbonato di calcio (CaCO3) e bicarbonato di sodio (NaHCO3) (figura 8). Il reattore costituito da tre letti di trattamento (fisso, bollente e circolante) allinterno di ciascuno dei quali inserito un banco di tubi surriscaldatori. Allinterno dei tre letti i fumi provenienti dalla camera di post-combustione dellinceneritore vengono in vario modo trattati, cos da eliminare o ridurre fortemente i componenti inquinati pi aggressivi.
Figura 8: Serpentine del surriscaldatore immerse nel letto di carbonato di calcio e bicarbonato di sodio. Lultima soluzione limitata, come anticipato, agli inceneritori a letto fluido (figura 9). Tali inceneritori sono dotati, a valle della camera di combustione, di un ciclone che separa le ceneri che sfuggono dalla camera di combustione dai fumi caldi. Il sistema consiste nel posizionare, affogandolo, il surriscaldatore nella zona di raccolta delle ceneri calde in uscita dal ciclone. Le ceneri qui confluite formano un letto fluido bollente caratterizzato da elevate temperature e, soprattutto, povero di acidi corrosivi (che escono con i fumi caldi dal ciclone)[6].
Figura 9: Schema impiantistico che evidenzia il posizionamento del surriscaldatore nella zona di raccolta delle ceneri in uscita dal ciclone in un inceneritore a letto fluido (sistema INTREX sviluppato da Foster Wheeler Italiana).
CONCLUSIONI Sono state presentate diverse tecnologie per incrementare lefficienza di conversione in energia elettrica senza rinunciare ad una vita accettabile dei surriscaldatori. Esistono diversi esempi di impianti operativi che, utilizzando tali tecnologie, recuperano con le efficienze di conversione ipotizzate, dimostrando la possibilit di utilizzare al meglio lenergia messa a disposizione dal rifiuto urbano. Il legislatore non deve limitarsi nella sua attivit normativa ad osservare ci che esce dal camino o dai vari scarichi dellimpianto, ma deve guardare allefficienza del processo, consapevole del fatto che questa incide sullambiente non meno di quanto incida limposizione dei limiti alle emissioni. Occorre, quindi, normare anche il limite inferiore allefficienza di conversione dei termovalorizzatori in modo da utilizzare al massimo lenergia che viene comunque prodotta dalla combustione dei rifiuti. Questo permette di ridurre linquinamento, di risparmiare risorse energetiche e di ottenere un vantaggio economico consistente. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI 1. Rapporto Rifiuti 2004 APAT, Agenzia per la
Protezione dellAmbiente e per i servizi Tecnici; ONR, Osservatorio Nazionale dei Rifiuti.
2. A. Carminati, Caldaie alimentate con Rsu Accorgimenti per ridurre la corrosione.
3. A. BIANCHINI, C. SACCANI - Impianto sperimentale a letto fluido per il trattamento a caldo dei fumi di combustione di RSU pubblicato nel settembre 2004 atti del XXXI convegno nazionale ANIMP OICE UAMI, Monastier di Treviso, 14-15 ottobre 2004.
4. C. SACCANI Repowering di un impianto di termovalorizzazione dei rifiuti Atti del XXIX convegno nazionale ANIMP OICE UAMI, Sorrento (NA) 17-18 ottobre 2002
5. A. BIANCHINI, C. SACCANI Trattamento a caldo delle emissioni di fumo da inceneritore di rifiuti urbani Atti del III convegno nazionale UTILIZZAZIONE TERMICA DEI RIFIUTI, Abano Terme 31 maggio 1 giugno 2001
6. Foster Wheeler technical paper Lomellina waste-to-energy plant sito internet: http://www.fwc.com/publications/tech_papers/index.cfm
NOMENCLATURA P1 pressione del vapore allingresso in turbina [bar] P2 pressione del vapore di fine espansione [bar] Pel potenza elettrica [MW] Qrifiuti potenza termica da rifiuti [MW] T1 temperatura del vapore all ingresso in turbina [C]T2 temperatura del vapore di fine espansione [C] X titolo del vapore a fine espansione [-] Eel incremento di energia elettrica [MWh] efficienza di conversione in energia elettrica [-]
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