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08.11.2006 E- ECOMONDO

 

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20.08.08 ECOMONDO Key Energy

 

Impianto di Completo

La produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili costituisce un’importante alternativa alle usuali forme di produzione di energia elettrica. Attualmente, a seguito dell’applicazione dei provvedimenti legislativi seguiti alla legge sul risparmio energetico e per la riduzione dell’effetto serra, la produzione di energia elettrica viene promossa generalmente grazie ad un incentivo tariffario, quale forma di produzione di energia da fonti rinnovabili.

Le due usuali forme di utilizzo delle biomasse per la produzione di energia sono generalmente la combustione diretta o la gassificazione. Le due forme si distinguono per alcuni parametri e per la diversa impiantistica richiesta, oltre che per un diverso criterio di protezione ambientale.
La pirolisi, o processo di combustione indiretta si svolge gassificando la materia organica presente nella biomassa e nei materiali organici in genere in un apposito reattore in cui possono essere variati agevolmente tutti i parametri. In altra parte dell’impianto avviene la combustione dei gas prodotti. Contemporaneamente avviene la formazione di carbone che a sua volta può essere gassificato o bruciato in altro apparecchio con altro processo conseguente al primo.

Pirolisi o piroscissione indica un processo di decomposizione chimica generata esclusivamente dall’intervento dell’energia termica. I processi di pirolisi furono fra le prime reazioni realizzate dagli alchimisti e dai chimici. L’industria di oggi adotta su vasta scala processi di pirolisi nel settore chimico e petrolchimico. La pirolisi è una tecnologia di trattamento delle sostanze a prevalente matrice plastica ed a alto contenuto calorico e sta ricevendo sempre maggiori attenzioni per le sue caratteristiche che, oltre a favorire il recupero di materia e di energia, facilitano il controllo del processo.
In assenza di aria, quindi in ambiente riducente, la pirolisi provoca la decomposizione termochimica della materia. Applicata al trattamento del CDR, la tecnologia della pirolisi offre vantaggi significativi.
Il processo, per sua natura endotermico, opera la scissione delle molecole complesse che formano le gomme, le plastiche, i componenti cellulosi e le altre componenti chimici complessi, vedi truciolare e gomme esauste, gli altri componenti del CDR, trasformandole in molecole strutturalmente più semplici.
Le variabili principali che governano la pirolisi, come del resto per gli altri processi chimici, sono la temperatura, il tempo di residenza e la pressione.
Oggi, fra i nuovi sistemi di smaltimento a tecnologia complessa, la pirolisi si avvia ad essere l’alternativa agli impianti di incenerimento.
Gli esperti del settore hanno infatti rivolto molte critiche agli inceneritori tradizionali contestando, oltre alle difficoltà di conduzione e di funzionamento, la possibilità che prodotti altamente inquinanti possano essere dispersi in atmosfera nonostante la presenza di costosi e monumentali sistemi di abbattimento e depurazione fumi.

Il processo di gassificazione pirolitico consiste nel privare il materiale di partenza delle sostanze organiche in esso presenti con ottenimento di carbonio. Tale operazione è condotta in assenza di aria ad una temperatura oscillante fra i 500 ed i 600 °C con tempi variabili a seconda della pezzatura dei prodotti di partenza.
La reazione cosiddetta di pirolisi può essere sintetizzata con la seguente semplificazione.

CH2O = C + H2O

La reazione è esotermica in modo netto cioè sviluppa calore di per se stessa.
Durante questa fase si hanno emissioni di acqua e di una serie di prodotti da distillazione che potrebbero essere recuperati con vantaggio su impianti di discreta potenzialità. Da questi, infatti si ottengono numerosi S.O.V. (sostanze organiche volatili). Durante il processo, con una temperatura superiore ai 400 °C si ha una forte produzione di metano, mentre sopra i 700 °C si ha formazione di idrogeno. Dato che usualmente si vuole evitare quanto possibile la formazione di idrogeno, la temperatura massima di carbonizzazione è generalmente mantenuta al di sotto dei 600 °C.

II progetto descrive una linea di trattamento del materiale ed una di depurazione fumi, avente lo scopo di realizzare la pirolisi del CDR (Combustibile Derivato da Rifiuto) o di altro rifiuto e/o residuo avente simili caratteristiche e potere calorifico paragonabile secondo le più moderne tecnologie. Come detto, con l’impianto proposto è possibile trattare svariati materiali contenenti carbonio come elencato nella seguente tabella facente riferimento ai relativi codici CER:

Codice CER	Rifiuto / Residuo
02 01 03	scarti vegetali
02 01 04	rifiuti di plastica
03 01 01	scarti di corteccia e sughero
03 01 05	segatura, trucioli, residui di taglio, legno, pannelli di truciolare e piallacci
03 03 01	corteccia
03 03 02	fecce
03 03 07	scarti della separazione meccanica nella produzione di polpa da rifiuti di carta e cartone
03 03 10	scarti di fibre e fanghi contenenti fibre
04 02 21	rifiuti da fibre tessili grezze
04 02 22	rifiuti da fibre tessili lavorate
05 01 03	morchie da serbatoio
05 01 07	catrami
05 01 08	altri catrami
05 01 10	fanghi da trattamento effluenti
05 06 03	altri asfalti
07 02 99	rifiuti non specificati altrimenti
16 03 06	rifiuti organici
17 02 03	plastica
17 03 01	miscele bituminose contenenti catrame di carbone
17 03 02	miscele bituminose
17 03 03	catrame di carbone e prodotti contenenti catrame
18 02 03	rifiuti della ricerca e diagnosi
19 12 04	plastica e gomma
19 12 10	rifiuti combustibili (CDR)
19 12 12	rifiuti prodotti dal trattamento meccanico dei rifiuti
20 01 01	carta e cartone
20 01 08	rifiuti biodegradabili di cucine e mense
20 01 10	abbigliamento
20 01 11	prodotti tessili
20 01 38	legno
20 01 39	plastica
20 02 01	rifiuti biodegradabilii
20 03 01	rifiuti urbani non differenziatii
20 03 02	rifiuti di mercati
N.d.	farina animale (disidratata)

Visto l'elevato potere calorifico delle farine animali, il processo pirolitico viene considerato uno dei metodi più innovativi che consente sia il recupero dell’elevato contenuto energetico sia la risoluzione della dannosa situazione creatasi per quanto riguarda il loro smaltimento conseguente al divieto di nutrire gli animali con prodotti derivati dalle carcasse degli animali stessi

L'impianto è costituito dalle seguenti fasi:

• Caricamento.
• Reattore di pirolisi.
• Camera di combustione gas di pirolisi-vetrificazione.
• Caldaia a recupero per produzione di vapore.
• Unità di trattamento fumi (processo Solvay).
• Controlli, impianto elettrico, quadro comandi.
• Sistemi e dispositivi di raccolta.
• Requisiti per evitare inquinamento da rumore.

E' costituito da un sistema di nastri per il trasporto del materiale fino alla quota dell'imbocco del reattore di pirolisi. I nastri, le cui velocità sono controllate da un inverter, sono di tipo chiuso onde evitare contatti, dispersioni e dilavamenti con eventi meteorologici avversi nonché per ridurre la dispersione delle polveri nell’ambiente di lavoro.
Il materiale viene scaricato in una tramoggia, parte superiore di un cilindro, ove viene fatto scorrere un pistone che con il suo moto alternativo assicura la traslazione e anche la compressione del materiale al fine di assicurare la tenuta del sistema. Il moto alternativo del pistone ed i tempi di pausa sono regolati in modo da garantire la portata richiesta.
All'estremità del cilindro di alimentazione è inserita una vite senza fine per la rottura del blocco compresso del rifiuto.

E' costituito da un cilindro in acciaio refrattario in grado di sopportare temperature di 1.100 °C ed ha dimensioni massime di mm D = 2.500 L = 10.000 con all'interno un sistema di coclee in grado di attuare un rimescolamento efficace del materiale oltre che la traslazione dello stesso. La velocità del sistema viene regolata automaticamente tramite un PLC seguendo l’andamento delle temperature previste in fase di progetto. Il reattore viene percorso due volte dal rifiuto assicurando il completo sviluppo del processo.
La temperatura del processo è di 500 °C circa.
L'intero reattore è coibentato a mezzo di una camicia costituita da materiale refrattario ed isolante di spessore tale da garantire una temperatura esterna di parete di 60 °C quando all'interno persiste una temperatura di 1.300 °C.
Tutte le tenute degli organi rotanti sono realizzate con vapore e la pressione di esercizio all'interno del reattore viene mantenuta circa 20 mm di colonna d’acqua inferiore a quella atmosferica.

E' la sede in cui vengono combusti parte dei gas di pirolisi, ha una cubatura di circa 50 mc ed è tale da assicurare un tempo di permanenza dei fumi di oltre 3 secondi alla temperatura di combustione di 1.400 °C
E' interamente realizzata in materiale refrattario e rivestita con materiale isolante in modo che la temperatura esterna di parete non superi i 60 °C.
A questa è associato un forno rotativo, avente una cubatura di 25 mc con le stesse caratteristiche della camera di combustione, ove viene realizzata la vetrificazione delle scorie che vengono estratte per caduta e raccolte in una vasca a piscina; da qui estratte mediante nastro e raccolte in una vasca drenante.

E' una caldaia a fascio tubiero con pluri-ricircolo dei fumi provenienti dalla combustione dei gas di pirolisi e dalla combustione del carbone contenuto nelle scorie che sfrutta l'energia termica contenuta dagli stessi per la produzione di vapore surriscaldato..

I fumi provenienti dalla combustione, dopo lo sfruttamento del loro contenuto energetico, utilizzato per il riscaldamento del rifiuto alla temperatura di reazione del processo e per la successiva produzione di vapore, vengono miscelati in appositi miscelatori con bicarbonato e carbone attivo, la cui portata è regolata tramite PLC in base al pH dei fumi, e quindi filtrati in filtri a manica autopulenti. Dopo tali operazioni i fumi vengono smaltiti in atmosfera con valori limite, per ciascun agente inquinante, che rispondono pienamente ai limiti presentati nella seguente tabella:

Contaminante	Valori di emissione impianto di pirolisi	Limite di emissione fissati dalle norme
Polvere totale	6 mg/Nmc	10 mg/Nmc
Sostanze organiche in forma di gas e vapori (COT)	5,5 mg/Nmc	10 mg/Nmc
Cloruro di idrogeno	7 mg/Nmc	10 mg/Nmc
Fluoruro di idrogeno	0,1 mg/Nmc	1 mg/Nmc
Biossido di zolfo	32 mg/Nmc	50 mg/Nmc
Cd e Tl e loro composti	< 0,05 mg/Nmc	0,05 mg/Nmc
Hg e suoi composti	< 0,05 mg/Nmc	0,05 mg/Nmc
Sb + As + Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni + V + Sn	< 0,5 mg/Nmc	0,5 mg/Nmc
CO (come valore medio giornaliero)	< 50 mg/Nmc	50 mg/Nmc
NO x	< 200 mg/Nmc	200 mg/Nmc
Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) (come valore medio su 8 ore)	< 0,01 mg/Nmc	0,01 mg/Nmc
PCDD + PCDF	< 0,1 ng/Nmc	0,1 ng/Nmc

Ciascuna fase viene controllata mediante trasduttori con segnale proporzionale e dotati di comandi di retroazione con transitorio trascurabile in modo da gestire in automatico le varie fasi del processo mediante un terminale a video.
La fase di caricamento, che è la responsabile della quantità di rifiuto, viene controllata e regolata in base alla temperatura di processo ed alla qualità dei fumi in uscita con processo di decisione assegnata ad un PLC.
La velocità di rotazione del reattore di pirolisi, e quindi i tempi di permanenza del materiale, è regolata dalla temperatura di processo.
L'aria di combustione nelle caldaie viene regolata da un analizzatore in continuo di CO e di ossigeno, la cui presenza può inibire l'intero processo se l'anomalia perdura per oltre 5 sec, oltre che dalla temperatura raggiunta in caldaia.
La produzione di vapore viene controllata da pressostati e termocoppie che controllano temperatura e pressione del vapore agendo sui dispositivi di sicurezza del sistema.
Un analizzatore in continuo dei fumi per il controllo dei microinquinanti regola la quantità di bicarbonato e carbone attivo ed è in grado di inibire l'intero sistema qualora l'anomalia persista per un tempo superiore ai 10 sec.
Per ciascuna fase sono previsti apparecchi di misura in modo da controllare in tempo reale le quantità in gioco.

In caso di anomalia delle camere di combustione i gas di pirolisi sono convogliati in due torce e combusti in atmosfera.
Tutte le procedure di accensione e di spegnimento vengono realizzate in presenza di vapore al fine di prevenire indesiderati scoppiettii.

Il materiale viene sollevato tramite una coclea in collegamento con la tramoggia di alimentazione di uno spintore idraulico che ha lo scopo di trasferire il materiale fino alla bocca del reattore e nello stesso tempo comprimere lo stesso in modo da realizzare un tappo tale da non consentire transiti di aria dall'esterno e contemporaneamente gas dall'interno del reattore.
L'accesso della bocca del reattore è munito di una vite di Archimede per la rottura di eventuali ponti e di una rotocella a camere a tenuta.
All'interno del reattore sono disposte tre coclee, di cui due a circa metà del diametro del reattore e la terza sulla generatrice inferiore dello stesso.
La rotazione delle coclee è tale da far percorrere al materiale l'intera lunghezza del reattore rispettivamente in un verso e successivamente in quello opposto. La rotazione delle coclee è di mezzo giro al minuto e può essere regolata tramite inverter.
Il materiale traslato e contemporaneamente rimescolato acquista per irraggiamento l'energia necessaria per la reazione nella prima fase del tragitto e, nella fase successiva, per l’ulteriore contatto con la parete del reattore, aumenta la velocità di reazione.
Il processo viene realizzato lungo l'intero percorso con la produzione di gas di pirolisi costituiti principalmente da idrocarburi ed una fase solida costituita preminentemente da carbone. A causa del regime di pressioni instaurate nell'intero impianto i gas vengono convogliati, previo decantazione a mezzo di ciclone, in parte in un bruciatore installato nel combustore, addizionati con la necessaria aria di combustione e bruciati e in parte in un forno rotativo unitamente alle scorie ad elevate temperature.
Il combustore è dotato di ulteriori tre bruciatori che, oltre per l'avviamento dell’impianto, servono anche per garantire il rispetto delle temperature di progetto in ogni condizione di funzionamento dell’impianto. Il potere calorifico dei gas è tale da garantire all'interno una temperatura superiore ai 1.500 °C e solo motivi di instabilità del refrattario che la temperatura all'interno viene limitata a 1.400 °C.
Le scorie solide del processo di pirolisi vengono sospinte dalla terza coclea fino ad un orificio comunicante, tramite valvola stellare, con una coclea di sollevamento che li trasferisce all'interno di un forno rotativo, ove per la presenza dell'aria di combustione e dell'elevata temperatura bruciano e vetrificano la parte incombustibile che viene scaricata in un serbatoio di acqua e da qui estratta da una coclea.
La vetrificazione delle scorie è tale da consentire un rilascio di metalli in acqua acida inferiore allo standard europeo e pertanto il prodotto è da considerarsi a tutti gli effetti un materiale inerte.
I fumi, generati dal combustore del gas di pirolisi e dalla camera di vetrificazione delle scorie, si trasferiscono, per il regime delle pressioni interne esistenti nell’impianto, fornendo l'energia necessaria per il sostentamento del processo. Poiché l'energia posseduta è di gran lunga superiore a quella richiesta dal processo, l'esubero viene utilizzato per la produzione di vapore.
All'uscita dall’impianto di produzione vapore, i fumi possiedono ancora una energia sfruttabile per un preriscaldamento dell'acqua di alimentazione del produttore di vapore.
Una volta svolto il loro compito energetico, i fumi vengono depurati mediante miscelazione, con bicarbonato di sodio e carbone attivo, e successivo passaggio in filtri a maniche autopulenti, Il particolato risultante dal trattamento degli effluenti gassosi viene anch’esso inviato al forno rotante ed inertizzato insieme alle altre scorie del processo.
Il processo di pirolisi, quindi, trasforma il rifiuto in due fasi, una solida ed una gassosa, consentendo una combustione della fase gassosa gestibile più facilmente e con produzione di fumi di gran lunga inferiori ad altri processi alternativi quali l’inceneritore.
La fase solida, utilizzando parte dei gas prodotti, viene resa inerte mediante un processo di vetrificazione recuperando nel contempo la maggior parte del potere energetico contenuto nel carbone componente principale della fase solida.
Il processo è molto flessibile e facilmente controllabile lungo tutte le sue fasi. I rendimenti ottenibili superano il 70%.

Il procedimento di pirolisi sviluppato si pone in netta competizione alla tecnologia di termodistruzione dei rifiuti (incenerimento).
L’incenerimento dei rifiuti avviene in un apposito forno, generalmente del tipo a griglia mobile, appositamente progettato per bruciare il particolare “combustibile” caratterizzato da basso potere calorifico e da elevata disomogeneità qualitativa e dimensionale. La combustione diretta dei rifiuti presenta indubbiamente una serie di vantaggi, tuttavia, nel confronto col procedimento di pirolisi ne risultano evidenti tutti i limiti:

TECNOLOGIA DI PIROLISI		TECNOLOGIA DI INCENERIMENTO
Minimo impatto ambientale ed elevata affidabilità di esercizio.		Dubbia compatibilità ambientale, in particolare in relazione alle emissioni di micro-inquinanti, e minore affidabilità in relazione alle caratteristiche disomogenee del rifiuto.
L'operazione di depurazione della corrente gassosa è estremamente semplice in quanto il flusso di gas di pirolisi, prodotto in ambiente riducente, e non ancora soggetto a combustione, è caratterizzato da molecole strutturalmente semplici ed è assolutamente privo di quei composti composti organici clorurati che, ad esempio, possono fungere da precursori alla formazione di diossine. La distillazione in assenza di aria trasforma gli alogeni e lo zolfo, principali responsabili del macroinquinamento, in composti acidi idrogenati che vengono facilmente abbattuti ed allontanati dalla corrente gassosa prima della sua combustione. Il ciclo termodinamico della pirolisi evita, in ogni punto dell'impianto, la presenza contemporanea di quelle condizioni che portano alla formazione di diossine e furani.		Le complicazioni, sia al livello di progettazione che di gestione dell'impianto, che sorgono per il fatto di operare con un flusso di materiale disomogeneo in condizioni termodinamiche difficilmente controllabili quali, alte temperature, ambiente ossidante, presenza di vapor d'acqua, rendono arduo controllare la formazione di composti organici alogenati e fanno sorgere dubbi circa l'affidabilità del sistema nei confronti dei microinquinanti organico-clorurati. In tali condizioni risulta difficile contrastare i fenomeni di formazione di diossine e furani, composti che poi risulta anche dispendioso rimuovere dai fumi a causa dell'elevato volume dei gas prodotti dalla combustione.
La possibilità di trattare la corrente gassosa prima della sua combustione, in quantità relativamente limitata poiché non ancora diluita dall'aria comburente rende notevolmente più semplice ed economico la rimozione di composti indesiderati. La pirolisi dei rifiuti produce un quantitativo di gas circa 10 volte inferiore a quello prodotto con le usuali tecnologie di combustione diretta.		Trattamento effluenti gassosi a valle della combustione e quindi su un flusso quantitativamente importante rende molto costoso il processo di depurazione dei fumi. Per ottenere una combustione il più possibile completa dei rifiuti, si opera infatti con un eccesso d'aria pari a 1,5 - 2,5 volte la quantità strettamente necessaria.
Il processo di pirolisi, per sua natura endotermico, viene condotto in condizioni riducenti a temperature relativamente basse, prossime ai 500 °C. Questo facilita il controllo della temperatura e di tutto il processo, riduce drasticamente il quantitativo di effluenti gassosi prodotti ed evita la formazione di prodotti tossici indesiderati.		I processi d'incenerimento sono processi esotermici ossidativi, caratterizzati da temperature superiori a 1.000 °C. La regolazione della temperatura del processo di combustione è di difficile gestione in quanto influenzato principalmente dalla variazione della portata dei rifiuti in alimentazione (elevata inerzia del sistema).
Nessuna produzione di reflui liquidi che necessitano poi di una propria sezione di depurazione e trattamento acque con gli ovvi benefici economici-ambientali del caso.		Necessità di un'importante sezione per il trattamento dei reflui liquidi, con tutte le problematiche economiche ed ambientali connesse.
La bassa temperatura a cui si svolge il processo di pirolisi e la pratica assenza di elevate turbolenze all'interno del reattore riduce notevolmente il trascinamento di polveri e particolato nel gas di pirolisi.		A causa del movimento dei rifiuti sulla griglia e delle notevoli portate d'aria necessarie alla combustione, si ha una notevole presenza di polveri e particolato nei fumi con i conseguenti costi di rimozione prima dell'emissione in atmosfera.
Poiché il processo di pirolisi ha, come prodotto principale, un combustibile in forma gassosa costituito dal gas di pirolisi, risulta poi agevole la gestione del successivo processo di combustione e con recupero energetico.		La combustione diretta di un prodotto eterogeneo come il rifiuto, con formazione di svariati prodotti caratterizzati da molecole complesse e presenza di incombusti rende difficoltoso una perfetta gestione del processo di combustione.
La tecnologia della pirolisi costituisce un sistema di smaltimento pressochè universale, potendo essere applicato ad un ampia gamma di rifiuti.		I forni di incenerimento a griglia possono risultare sensibili alle variazioni di potere calorifico del materiale, in particolare rifiuti caratterizzati da un alto potere calorifico (pneumatici usati) possono danneggiare le griglie.
Come residuo solido, il processo di pirolisi, produce unicamente scorie vetrificate che risultano totalmente inerti per quanto riguarda il rilascio di elementi tossici nell'ambiente. Anche le polveri risultanti dal processo di depurazione dei fumi di combustione prima del loro rilascio in atmosfera vengono ricondotti dentro l'impianto e vetrificate.		Gli impianti di incenerimento producono un elevato quantitativo di scorie, fino al 30% del rifiuto immesso, di cui risulta poi problematico lo smaltimento.

I grossi difetti dell’incenerimento, che possono essere riassunti in:

• Incompleta combustione dei residui solidi
• Grossa produzione di scorie solide tossiche
• Grossi volumi di fumi da trattare
• Emissioni pericolose in atmosfera
• Perdita di valore delle componenti inorganiche del rifiuto
  pongono in evidenza le peculiarità del processo di pirolisi proposto.

E’ un processo applicabile a diverse tipologie di rifiuto, in cui i danni ambientali sono sicuramente evitati ed i costi di smaltimento ed il valore dell’investimento contenuti.

Il riscaldamento di materiale organico in assenza d’aria porta invariabilmente alla sua degradazione, con produzione di vapori e gas ed eventualmente con la formazione di una massa solida residuale a base di carbonio.
Poiché in tale processo il potere calorifico del materiale originario non viene praticamente sfruttato, esso si ritrova ridistribuito nei gas e nei solidi prodotti.
Se tale trattamento viene effettuato senza apporto di reagenti, il processo prende il nome di pirolisi; se si inietta vapor d’acqua, con ciò innescando una complessa sequenza di reazioni chimiche che aumentano lo sviluppo di gas, la designazione in uso è gassificazione: si tratta di un processo che ha intrinsecamente più alte necessità di assorbimento energetico e di conseguenza esso viene correntemente effettuato simultaneamente ad un processo di combustione parziale del materiale per compensare il deficit energetico che la gassificazione introduce.
Proprio questa necessità costituisce l’elemento di debolezza nell’applicazione della gassificazione, in quanto: o riduce alla fine tale processo ad un normale processo di incenerimento, con tutte le pesanti conseguenze sul successivo intervento di trattamento dei fumi di combustione (e poco importa che essa sia effettuata in un certo numero di stadi successivi), oppure impone di effettuare un trattamento intermedio dei gas prodotti, previo un loro brusco raffreddamento fino a temperature prossime a quella ambiente, con un notevole spreco di energia.