TERMODISTRUZIONE RIFIUTI SOLIDI E PRODOTTI DERIVATI · Combustione materiali solidi in sospensione...

D.I.I.A.R. - Sez. AmbientalePOLITECNICO DI MILANO

TERMODISTRUZIONE RIFIUTISOLIDI E PRODOTTI DERIVATI

¦ Principi generali combustione• potere calorifico

• bilanci di massa: stechiometria, volume fumi, eccessid’aria

¦ Recupero energetico• bilanci termici, rendimenti

• tipologie di recupero (vapore, elettricità, cogenerazione)

¦ Tipologie forni• griglia

• tamburo rotante

• letto fluidizzato

• recupero termico (caldaie, turbine)

¦ Sottoprodotti del processo• emissioni atmosferiche: caratterizzazione

• residui solidi e liquidi: caratterizzazione ed alternative dismaltimento

¦ Cenni ai sistemi innovativi


Trattamento rifiuti e/o derivati da rifiuti tramite processi di conversione termicaprocessi di conversione termica

INCENERIMENTO O TERMODISTRUZIONE


TERMODISTRUZIONE

Trattamento rifiuti e/o prodotti derivati tramiteprocessi di conversione termicaprocessi di conversione termica

• trasformazione in sottoprodotti con minori implicazioni ambientali

• possibilità di recupero energetico

• riduzione in volume e peso

FORNO CALDAIA DEPURAZIONEGAS

CONVERSIONETERMICA

RECUPEROENERGETICO

CONTROLLOEMISSIONI

RIFIUTI

O2 (Aria)

ScorieResidui solidi

e/o liquidi

VantaggiVantaggi• max riduzione volume• recupero energetico• impegno spazio ridotto

SvantaggiSvantaggi• gestione complessa• controllo emissioni gassose• smaltimento residui


COMBUSTIONE RIFIUTI

RSU e derivati (CDR o RDF, sovvalli, frazionisecche)

combustibili non convenzionali

PROBLEMATICHEPROBLEMATICHE

¦ termicheí basso potere calorifico

í eterogeneità marcataí fisica (dimensioni, compattezza)

íchimica (composizione)

¦ energetiche• finalità combustione Ù distruzione rifiuti

írecuperi termici non ottimizzati

PCI (kcal kg-1) PCI (MJ kg-1) Carbone 6000-7000 25-29 Olio comb., gasolio

9000-10500

37,6-44

Metano 12000 50 Metano 8300 (per Nm3) 34,7 (per Nm3) RSU tal quale 1700-2200 7,1-9,2 RDF, sovvalli 3000-4500 12,5-18,8


COMBUSTIONE RIFIUTI

¦ Problematiche

Potere calorifico ridottoPotere calorifico ridotto

combustione AUTOTERMICA

(senza apporto combustibile supplementare)

solo se PCI > 800-1000 kcal/kg

(PCI > 3600-4200 kJ/kg)

Eterogeneità materialeEterogeneità materiale

fisica Ù dimensioni

chimica Ù composizione

Variazioni stagionaliVariazioni stagionali

necessità progettazione e conduzione fornimolto accurate


COMBUSTIONE RIFIUTI

Diagramma di Tanner:

Il rifiuto è autocombustibile (nel campo diincenerimento) in funzione della frazionedi: materiale combustibile, acqua e ceneri


PRODUZIONE FUMI FUMI : prodotti delle reazioni di ossidazione dellafrazione combustibile del rifiuto

Fumi stechiometrici VS [m3 kg-1 RS]Fumi prodotti dalla ossidazione totale condotta in

condizioni stechiometriche

Calcolo teorico: analisi elementare

CC + O2 Ù CO2

HH + 1/2O2 Ù H2O

NN + 1/2O2 Ù NO

SS + O2 Ù SO2

ClCl Ù HCl

H2OH2Oll Ù H2Ov

Fumi stechiometrici: costituiti essenzialmente daCO2, H2O (combustione + vaporizzazione umidità)ed N2 (aria di combustione)


PRODUZIONE FUMI

ECCESSO D’ARIA in ogni reazione di combustione,l’aria viene alimentata in eccesso rispetto allaquantità stechiometrica per garantire lacompletezza delle reazioni di ossidazione

Eccesso d’aria e = aria effettiva - aria stechiometrica aria stechiometrica

INCENERIMENTO RIFIUTI: eccessi d’ariaconsiderevoli

í completezza combustione: ossidazione difficoltosa pernatura intrinseca materiale e condizioni fluidodinamichepoco favorevoli

ícontrollo temperatura: forni adiabatici Ù aria comediluente termico


PRODUZIONE FUMI

FUMI EFFETTIVI VF [m3 kg-1 RS]

VF = VS + e VA

¦ Qualitativamente• VS e VA aumentano con PCI

• VS aumenta con umidità rifiuto

• e aumenta con PCI e con la diminuzione della temperaturadi combustione

¦ Quantitativamente• determinazione teorica sulla base dell’analisi elementare

ídisponibilità, rappresentatività

• determinazione sulla base di correlazioni empiricheíprecisione

Fumieffettivi

Fumistechiometrici

Eccessod’aria

Ariastechiometrica


RECUPERO ENERGETICO

¦Raffreddamento fumi uscita camera di combustionetramite produzione vapore surriscaldato in caldaia

¦Espansione totale (turbina a condensazione)

CALDAIA

Fumi Fumi

~ T

Acqua

EN. ELETTRICA

ESPANSIONE TOTALEESPANSIONE TOTALE(SOLA EN. ELETTRICA)(SOLA EN. ELETTRICA)


RECUPERO ENERGETICO

¦Raffreddamento fumi uscita camera di combustionetramite produzione vapore surriscaldato in caldaia

¦Espansione parziale (cogenerazione in turbina incontropressione ed utilizzazione come calore delvapore fino a condensazione)

CALORE

CALDAIAFumi Fumi

T1

T2

Vapore surriscaldato

Acqua

EN. ELETTRICA

COGENERAZIONECOGENERAZIONE(EN. ELETTRICA + CALORE)(EN. ELETTRICA + CALORE)

~


RECUPERO ENERGETICO¦Raffreddamento fumi uscita camera di combustione

tramite produzione vapore surriscaldato in caldaiaEspansione totale (turbina a condensazione) oparziale (cogenerazione in turbina a derivazione econdensazione) del vapore prodotto

• rendimenti dipendenti da richiesta termica Q

• modularità utilizzo calore Ù flessibilità

TELERISCALDAMENTOTELERISCALDAMENTO

~CALDAIA

TURBINA ADERIVAZIONE

ELETTRICITA’

CALOREQ

Acqua

Vapore surriscaldato


RECUPERO ENERGETICO¦ Produzione energia elettrica

• necessità limitare raffreddamento fumi in caldaiaícorrosioni a basse T (HCl)

• necessità contenere T e P vapore surriscaldatoícorrosioni surriscaldatore (HCl)

í sollecitazioni meccaniche

ícontrolli acque ciclo termico

• necessità evitare basse P ( e T ) vapore espansoídimensioni condensatore

ídisponibilità refrigerante “freddo”

• potenzialità elettriche (taglie impianto) modesteíbassi rendimenti turbina ed ausiliari

ínecessità mantenere cicli semplici

Cicli a vapore poco spintiCicli a vapore poco spintiPmax = 40 - 45 bar

Tmax = 350°C - 400°CPcond ~ 0,1 bar (45°C)

ηciclo = 0,25-0,3ηtot = 0,17-0,25


RECUPERO ENERGETICO¦ Produzione energia elettrica ÕÕ potenziali

miglioramenti• incremento PCI (evoluzione merceologia, raccolte

differenziate)ícamere di combustione non adiabatiche Õ incremento

recupero calore di combustione

• centralizzazione impianti (aumento potenzialità) Õeffetto scala

ípossibilità di adottare cicli più spinti Õ Pmax = 50 - 60 bar,Tmax = 420 - 450°C, Pcond = 0,05 - 0,07 bar

ípossibilità di incrementare raffreddamento fumi in caldaiaÕ incremento recupero calore di combustione

íaumento rendimento turbine ed ausiliari

ηtot ∼ 0,3 - 0,33


RECUPERO ENERGETICOCogenerazione

Bilancio energetico in assetto di cogenerazione massima di unimpianto moderno di grande potenzialità

(ASM Brescia, 1000 t/giorno di RSU)


INCENERIMENTO DEI RIFIUTI

Un impianto di incenerimento è composto da:

fossa di accumulo rifiuti: all’interno di un capannone chiuso, riceve i rifiuti conferiti dagli autocompattatori o altri mezzi e garantisce un accumulo sufficiente per il funzionamento in continuo del forno(alcuni giorni). Mantenuta in aspirazione in modo da evitare la fuoriuscita e la diffusione di odori. E’ presente una benna, che scorre su un carroponte ed è manovrata a distanza da un operatore, tramite la quale i rifiuti vengono prelevati e caricati nella bocca del fornoforno: per gli RSU il tipo più diffuso è quello a griglia, che consente di bruciare anche elementi voluminosi ed eterogenei, garantendo una buona miscelazione, un tempo di permanenza dei vari costituenti abbastanza costante ed un graduale essiccamento del rifiuto nella parte di testa, prima della sua combustione


INCENERIMENTO DEI RIFIUTI

Sono inoltre presenti gli impianti:

-Recupero energia termica

- Scarico e raffreddamento scorie (residuisolidi raccolti sotto le griglie del forno)

-Impianti depurazione gas e ceneri


Sezione inceneritore


TIPOLOGIE DI FORNI

¦I forni per la combustione RSU sonoderivati da analoghe installazioni percombustibili solidi (per es.: carbone)

•• a grigliaa griglia: più diffusi per rifiuti urbani edassimilabili

•• a tamburo rotantea tamburo rotante: bene per PCI costanti edelevati (rifiuti industriali) e per solidi, liquidi e/ofusti

•• a lettoa letto fluidizzato fluidizzato: più efficienti, menosperimentati, meglio per rifiuti pretrattati (CDR= combustibile derivato dai rifiuti)


FORNI A GRIGLIAFORNI A GRIGLIA

¦Tecnologia consolidata per combustionerifiuti urbani ed assimilabili

Combustione progressiva su grigliainclinata

íessiccamentoÕ combustioneÕscorificazione

dotata di elementi mobili per avanzamentoe mescolamento rifiuti (contattocomburente Õ ottimizzazione combustione)


CAMERA DICOMBUSTIONE

GRIGLIA: avanzamento e rivoltamento rifiuti a velocità controllataí tempo di permanenza per garantire essiccamento-combustione-scorificazione

CAMERA DI COMBUSTIONEí completamento combustione fumií volano termico per mantenere T

Eccesso d’aria: 80%-120%îefficienze di conversioneîcontrollo T

Carichi volumetrici70000 - 200000 kcal h-1m-3

FORNI A GRIGLIA


FORNI A GRIGLIA

Griglia a gradini mobili Martin

fumiRSU

gradini mobili

estrattorescorie

ariaprimaria

scorie


Tendenze evolutive Incremento PCI (2000 Ù 3500 kcal kg-1)

3500 kJ kg-1)

Riduzione ceneri (30% Ù 15-20%)

riduzione inclinazione e lunghezza grigliariduzione salti (minor trascinamento polveri)

raffreddamento griglie e pareti

FORNI A GRIGLIAFORNI A GRIGLIA


FORNI A TAMBURO ROTANTEFORNI A TAMBURO ROTANTE

Difficoltà contatto aria/rifiutiî necessità postcombustioneî bene per PCI costanti ed elevati (rifiuti industriali)

Versatilitàî rifiuti solidi, liquidi, fusti ÕÕ bene per rifiuti

industriali

Schema di un forno a tamburo rotante



RSU

fumi

ariaprimaria

ariasecondaria


caricafusti

cameracombustione

camera dipost-comb.

scorie



Schema di un impianto con forno a tamburorotante e flusso fumi

Carichi volumetrici50.000 - 150.000 kcal h-1m-3


FORNI A LETTO FLUIDIZZATOFORNI A LETTO FLUIDIZZATO

Carichi volumetrici800·000 - 1·600·000 kcal h-1m-3

Combustione materiali solidi in sospensione• elevate efficienze di combustione (turbolenza)• carichi termici elevati Õ reattori compatti• bassi eccessi d’aria Õ basso volume fumi• eterogeneità rifiuti Õ necessità pretrattamenti

ñ bene per CDR


FORNI A LETTO FLUIDIZZATOFORNI A LETTO FLUIDIZZATOLetto Bollente


FORNI A LETTO FLUIDIZZATOFORNI A LETTO FLUIDIZZATOLetto ricircolante

D.I.I.A.R. - Sez. AmbientalePOLITECNICO DI MILANOD.I.I.A.R. - Sez. AmbientalePOLITECNICO DI MILANO

NORMATIVA INCENERIMENTO RSUD.M.Amb. 503/97

¦¦ Prescrizioni impiantistichePrescrizioni impiantistiche• T ≥ 850°C

• tgas ≥ 2 sec

• O2 ≥ 6% vol.

• incombusti scorie max. 3% peso

• bruciatori ausiliari (transitori, eventuale mantenimento T)

• recupero energetico con rendimenti minimi

¦¦ Limiti emissione (11% OLimiti emissione (11% O22, fumi secchi normali), fumi secchi normali)í CO = 50 mg m-3

í polveri = 10 mg m-3

í C totale (incombusti) = 10 mg m-3

í HCl = 20 mg m-3

í HF = 1 mg m-3

í SO2 = 100 mg m-3

í NOx = 200 mg m-3 (come NO2)

í Cd + Tl = 0,05 mg m-3

í Hg = 0,05 mg m-3

í Pb (+ altri) = 0,5 mg m-3

í PCDD/F (diossine/furani) = 0,1 ng I-TEQ m-3


COMPOSIZIONE RESIDUI

¦ Differenze significative determinate da• arricchimento elementi volatili ( Cd, Pb, Hg) su polveri

fini (volatilizzazione ad alta T + ricondensazione a bassa Tsu ceneri ad elevata superficie specifica)

• presenza microinquinanti tossici residui depurazione fumia seguito rimozione da fase gas

Scorie Ù speciali non tossici

Ceneri volanti da depolverazione

Residui assorbimento secco o semisecco

Fanghi depurazione lavaggio fumi

necessità di innocuizzazione

TossiciTossici


SCORIE


SMALTIMENTO RESIDUI

¦ Scorie Ù discariche rifiuti speciali

¦ Ceneri volanti e residui depurazione Ù innocuizzazione finalizzata a ridurre mobilità

e/o contenuto elementi o sostanze tossiche

• tecnologie convenzionali distabilizzazione/solidificazione con legantiidraulici (cemento) ed additivi

• tecnologie innovative di detossificazione(estrazione + recupero metalli) Ù adeguate perceneri volanti

í chimica (lavaggio acido) Ù bene se torri di lavaggio

í termica (vetrificazione) Ù fusione (arco elettrico,plasma) + condensazione e recupero metalli


BILANCIO RESIDUI

¦ Scorie à 200 – 300 kg per ton RSU

¦ Ceneri volanti à 10 - 30 kg per ton RSU

¦ Residui depurazione fumi à 20 – 40 kgper tonnellata RSU

¦ Fanghi depurazione à 0,14 – 1,2 kg pertonnellata RSU

¦ Fumi à 5000 – 7000 Nm3 per ton RSU


FORMAZIONE DIOSSINE

¦ Formazione dovuta alla presenza di:• Carbonio, Cloro, Ossigeno, Catalizzatori

metallici (Cu, Fe)

¦ In un inceneritore sono attivi fenomeni di:• formazione, distruzione, riformazione, accumulo

/ rilascio

¦ Emissioni in atmosfera:• Limiti a partire dai primi anni ‘80

• DM 503/97: riduzione dei limiti di 800 volte !

• Se rispetta i limiti alle emissioni di diossine (0.1ng m-3 TEQ) un inceneritore fornisce contributidi diossine trascurabili rispetto ad altre sorgenti

• Contaminazione dei residui: elevata per polveri,residui dei trattamenti e fanghi


Policlorodibenzodiossine (PCCD)Policlorodibenzofurani (PCDF)

O O O

PCCD PCDF

1

22 3

4

3

4 1

6 6

77 88

9 9

Isomeri tossici: → almeno 4 atomi di cloro inposizione 2,3,7,8

Tossicità equivalente: quantificazione, con ununico valore, della presenza di tutti gliisomeri tossici tramite un fattore di tossicitàequivalente TEF

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