Formazione e Controllo di Inquinanti nella Combustione

Impianti di trattamento effluenti

Waste to Energy: le tecnologieProf. L.Tognotti

Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica/

Ingegneria EnergeticaAnno Accademico 2014-2015

Tecnologia

Requisiti richiesti

• Provata, consolidata, referenziata

• Flessibile, di agevole gestione e controllo

• Di elevata affidabilità e ridotta richiesta di manutenzione

• A costi accettabili, ma soprattutto certi

• A ridotto impatto sull’ambiente (emissioni, reflui liquidi, residui solidi)

• Energeticamente efficiente ed efficace (massimo recupero e minimi

autoconsumi, costanti nel tempo)

• A rischio minimo in termini di sicurezza e di salute

Obiettivi da perseguire

• Massimo sfruttamento della “risorsa” rifiuto;

• Minimo impatto sull’ambiente;

• Costo accettabile per i cittadini;

• Ricerca costante di innovazione su tutti gli aspetti relativi al percorso

“da rifiuto a risorsa (prodotto)”;

• Integrazione con la realtà locale

BAT-MTD

A livello europeo:

“Reference Document on the Best Available Techniques for

Waste Incineration, Final document, August 2006

A livello nazionale

“Linee guida per l’individuazione e l’utilizzazione delle migliori tecniche

disponibili per gli impianti di incenerimento dei rifiuti” 3a Bozza, febbraio

2006

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La termovalorizzazione

Produzione di energia dai rifiuti:• Produzione di solo calore

• Produzione di sola elettricità

• Produzione combinata di elettricità e calore (cogenerazione)

Indipendentemente dall'utenza finale, le caratteristiche fisico-

chimiche dei RSU rendono inattuabile un utilizzo nei dispositivi

normalmente impiegati per produrre elettricità e/o calore da

combustibili fossili,

• problemi tecnologici (elevato tenore di umidità e inerti, corrosione,

disomogeneità etc.),

• problemi ambientali (la combustione tal quale in sistemi convenzionali

per combustibili fossili può generare emissioni inquinanti).

La termovalorizzazione

• Sono quindi necessari dispositivi e/o processi di conversione

dell'energia sviluppati ad hoc per i RSU o le frazioni da loro ricavate, che

da un punto di vista concettuale possono seguire le filosofie:

• Combustione diretta, con trasferimento di energia termica ad un ciclo termodinamico (o ad

un fluido vettore termico) attraverso uno scambiatore di calore. Il fluido universalmente

impiegato per il ciclo e come vettore termico è il vapore d'acqua. Il materiale combustibile

può essere RSU tal quale (inteso anche come proveniente da una raccolta differenziata

che ne innalzi il potere calorifico) oppure CDR (CSS)

• Conversione in un combustibile intermedio liquido o gassoso, mediante pirolisi o

gassificazione. Dopo opportuna depurazione, tale combustibile intermedio può essere

utilizzato direttamente in una normale caldaia o in un motore a combustione interna

(motore alternativo o turbina a gas)

La combustione

• La combustione del rifiuto viene effettuata all’interno di appositi

forni costituiti da un supporto di base (per esempio, il piano della

griglia) e da una camera di combustione sovrastante,

•riscaldamento ed essiccamento,

•pirolisi con rilascio di composti volatili (gas e tar),

• combustione e/o ossidazione parziale in fase

gas,

•combustione e/o gassificazione della matrice

carboniosa (char).

La combustione

La combustione dei rifiuti è un fenomeno complesso

• Non omogeneità degli RSU- CDR poveri

• Difficoltà di controllo dei flussi e del miscelamento

• Presenza di fenomeni transitori (channelling, puff) e instabilità

• Ambiente aggressivo (corrosione)

La camera di combustione costituisce il cuore della piattaforma di

termovalorizzazione; dal suo comportamento dipendono in parte

le prestazioni complessive del sistema, anche dal punto di vista

ambientale.

Un buon processo di combustione è il primo requisito che deve

essere soddisfatto al fine un’elevata efficienza globale

dell’impianto.

Efficienza:

• necessità di limitare le frazioni incombuste nelle scorie;

• favorire il recupero energetico

Ottimizzazione della combustione, come limitazione dei transitori e

della formazione di inquinanti

Affidabilità: limitate fermate

Elasticità di funzionamento: possibilità di alimentazione con

materiali di caratteristiche anche molto differente tra loro,

ovvero

Necessità di trattare materiali aventi specifiche caratteristiche

Requisiti del sistema di combustione

La grigliaLa griglia ha il compito di fare avanzare, mescolandolo, il rifiuto in modo da

favorirne l’essiccamento e la completa combustione.

La griglia è costituita da un insieme di elementi, detti “barrotti”, disposti in modo da

consentire il passaggio dell’aria comburente e la sua ripartizione su tutto il letto di

rifiuto.

I barrotti esposti alle temperature più elevate sono realizzati di speciali leghe

(acciaio al nichel-cromo) e possono in genere sopportare temperature di esercizio di

1100°C.

• La forma dei barrotti della griglia, i meccanismi adottati per il loro movimento ed i

sistemi di avanzamento del rifiuto caratterizzano i diversi tipi di griglie

comunemente impiegati;

• griglia fissa,

• griglia mobile tra cui si distinguono le griglie mobili a movimento alternato, a

tamburi, a catene oppure a barrotti oscillanti.

Esempi di griglie

Campo di funzionamento

In base alla configurazione del forno ed alle tecnologie adottate per la

sua realizzazione, il sistema ha un determinato campo di

funzionamento rappresentabile attraverso il diagramma

Parametro di progetto:

carico termico specifico

(500.000÷750.000 Kcal/m2 h)

I forni a griglia di moderna

concezione presentano :

Elevata resistenza agli alti carichi

termici: sistemi in grado di

utilizzare rifiuti ad elevato

potere calorifico (water cooled)

Elasticità di gestione : sono in

grado di ovviare alla variabilità

delle caratteristiche dei rifiuti e

dei flussi in ingresso

FORNI A GRIGLIA DI MODERNA CONCEZIONE

La camera di combustione: configurazioni

I letti fluidi

Dal punto di vista delle modalità di fluidizzazione ed in particolare

della velocità di fluidizzazione i letti fluidi possono essere a letto

bollente con velocità di fluidizzazione medio bassa 1-3 m/s, ed a letto

trascinato con velocità di fluidizzazione elevata 6-10 m/s.

Letto fluido- vantaggi

• possibilità di un miglior controllo degli inquinanti in fase di

combustione, sia tramite l’iniezione di additivi (per HCl, SO2),

che per mezzo di un’opportuna conduzione della combustione;

• possibilità di avere unità più compatte rispetto ai forni

convenzionali a ragione dei maggiori carichi specifici possibili;

• buona flessibilità rispetto al carico ottenuto tramite il controllo

dell’aria di combustione, anche con ampie escursioni del carico

specifico. L’elasticità rispetto al carico è anche collegata

all’inerzia termica del letto di inerte;

• ridotto numero di parti meccaniche in movimento e quindi,

almeno in linea di principio, minori possibilità di rotture e/o

guasti;

Letto fluido- vantaggi (2)

• possibilità di operare con bassi eccessi d’aria (20÷30%), in

quanto la temperatura è controllata anche mediante scambio

termico (regime non adiabatico): minore volume di fumi e di

conseguenza impianti di trattamento di minori dimensioni ed un

maggior rendimento energetico;

• elevata efficienza di combustione a causa dell’elevata

turbolenza e sopratutto degli elevati tempi di residenza;

• basso contenuto organico nelle scorie. Se il processo è ben

condotto si hanno contenuti di organico anche inferiori a

0,2÷0,3%, mentre nei forni a griglia ad esempio si ha un

contenuto dell’ordine del 2÷5%.

Problemi

• defluidizzazione del letto, dalla presenza di ceneri “basso fondenti”

fenomeni di agglomerazione: usare i letti fluidi quando le caratteristiche

dei combustibili in alimentazione sono note ed è conosciuto il punto di

rammollimento delle ceneri. ( caso del CDR di buona qualità, vista

l’elevata omogeneità derivante dal relativo sistema di produzione).

• Si possono avere inoltre problemi relativi all’omogeneità di

mescolamento in senso trasversale, con necessità di incrementare i

punti di iniezione del combustibile e/o di aumentare la velocità di

fluidizzazione.

• L’esperienza di smaltimento dei rifiuti con letti fluidi, specie sul tal

quale, non è ancora particolarmente ampia, ed appare attualmente non

semplice valutare completamente la potenzialità di questo sistema,

specie in relazione agli altri disponibili, almeno facendo riferimento alla

situazione nazionale.

Forni a tamburo rotante

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Caratteristiche

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Formazione e Controllo di Inquinanti nella Combustione

Impianti di trattamento effluenti

Waste to Energy: il recupero energeticoProf. L.Tognotti

Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica/

Ingegneria EnergeticaAnno Accademico 2014-2015

Recupero di EnergiaIl recupero energetico, anche se non prioritario

rispetto a quello di materia, è stato indicato

come necessario dalla normativa europea e

nazionale, ai fini dell'attuazione di un sistema

sostenibile di gestione dei rifiuti, in quanto

consente il risparmio di combustibili fossili e

riduce il quantitativo di rifiuti da avviare in

discarica.

La gestione integrata dei rifiuti, infatti, prevede

il ricorso alla discarica solo come forma

residuale di smaltimento, per quei rifiuti per i

quali non sia più possibile un ulteriore

recupero.

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Incenerimento

• sterilizzazione

• riduzione volume (10-30 volte)

• inertizzazione dei residui a discarica

Termoutilizzazione

• recupero di energia

• riduzione impatto del ciclo di vita

Allegato II alla direttiva 2008/98/CE del 19

novembre 2008 (“Direttiva quadro sui rifiuti -

GUCE del 22 novembre 2008 e recepita in

Italia dal DLgs 205/2010):

L'attività di recupero energetico si

concretizza in:

“utilizzazione principale come combustibile o

come altro mezzo per produrre energia”,

includendo in tali attività l'utilizzo dei rifiuti come

combustibile normale o accessorio in impianti

industriali volti alla produzione di energia o di

materiali (utilizzo di Combustibile da Rifiuti

“CDR” (ora CSS) presso centrali elettriche o

cementifici, di scarti legnosi e vegetali presso

impianti a biomasse, di fanghi e altre frazioni

organiche presso digestori anaerobici, etc.);

“incenerimento a terra”, ovvero in specifici

impianti di incenerimento dove l’eliminazione del

rifiuto tramite combustione, è associata al

recupero di energia (termica ed elettrica).

Il recupero di energia La termovalorizzazione dei rifiuti solidi

urbani costituisce operazione di

recupero se consegue un’efficienza

energetica (R1) pari a:

• 0,60 in impianti funzionanti

autorizzati in conformità della

normativa comunitaria applicabile

anteriormente al 1° gennaio 2009;

• 0,65 in impianti autorizzati dopo il

31 dicembre 2008.

Questa distinzione assume particolare

rilevanza poiché consentirebbe di classificare,

su basi tecniche, l’incenerimento dei RU

come operazione di recupero dal punto di

vista legale, con tutte le implicazioni di

carattere operativo-gestionale e normativo

che tale differente classificazione comporta.

• EP energia annua prodotta sotto forma di

energia termica o elettrica;

• EF alimentazione annua di energia nel sistema

con combustibili che contribuiscono alla

produzione di vapore;

• EW energia annua contenuta nei rifiuti trattati

calcolata in base al potere calorifico netto dei

rifiuti;

• EI energia annua importata, escluse EW ed EF;

• 0,97 fattore corrispondente alle perdite di

energia dovute alle ceneri pesanti (scorie) e alle

perdite per irraggiamento.

Tutte le energie sono espresse in termini di Ep

energia primaria, moltiplicando:

- energia elettrica per un fattore 2,6 (rendimento

38,5%)

- energia termica per un fattore 1,1 (rendimento

90,9%)

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Efficienza minima di recupero energetico

E’ sicuramente da apprezzare il principio di base della formula che tende a privilegiare gli

impianti che riescono a conseguire elevate efficienze di recupero energetico;

nella localizzazione di nuovi impianti, sempre al fine di massimizzare l’efficienza di recupero,

si dovrà tenere conto della presenza di possibili utenze (industriali e/o civili), alle quali poter

cedere energia termica sotto forma di vapore, calore, teleriscaldamento e/o refrigerazione;

la formula, così come messa a punto, risulta penalizzante nei confronti di gran parte

del parco impiantistico nazionale, caratterizzato da un gran numero d’impianti di

taglia ridotta nei quali è predominante, anche per ragioni geo-climatiche, la

produzione di energia elettrica come forma primaria di recupero;

La maggior parte degli impianti italiani ricade in questa categoria, per i quali non è pensabile

(in termini di sostenibilità economica ed ambientale) di introdurre modifiche impiantistiche

per soddisfare i criteri suddetti

Alla luce di quanto sopra esposto, l’articolo 39 della direttiva 2008/98/CE prevede che “...Se necessario

l’applicazione della formula per gli impianti di incenerimento di cui all’allegato II, codice R1, è specificata13.

E’ possibile considerare le condizioni climatiche locali, ad esempio la rigidità del clima e il bisogno di

riscaldamento nella misura in cui influenzano i quantitativi di energia che possono essere tecnicamente

usati o prodotti sotto forma di energia elettrica, termica, raffreddamento o vapore...”. Tale misura, essendo

intesa a modificare elementi non essenziali della direttiva, potrà essere adottata tramite la procedura della

“comitatologia”.

Ciclo vapore

La camera di combustione ed il recupero

energetico

Caldaia integrata

Combustore a griglia + ciclo a vapore

Esempio di diagramma di Sankey sul bilancio energetico di

un sistema di combustione

Bilanci materia ed energia impianto WTE

1) Determinazione della composizione elementare del rifiuto

2) Calcolo del potere calorifico inferiore del rifiuto sulla base della

composizione elementare

3) Impostazione di un modello di combustione composto dalle

seguenti fasi:

• -bilancio energetico della camera di combustione

• -calcolo dell’eccesso d’aria per controllo temperatura

• -verifica del tenore di ossigeno (>6% volume)

4) Definizione dei parametri di recupero del ciclo a vapore

5) Impostazione di un bilancio nella caldaia per la determinazione

della portata di vapore prodotto

6) Potenza prodotta dall’espansione del vapore in turbina e

rendimento dell’impianto

Bilancio entalpico

Esempio bilancio energetico sistema

combustione: forno “adiabatico”

Il recupero energetico

• Di pari passo con l’avanzamento tecnologico (riduzione della

temperatura in camera di combustione - membranatura, griglie

raffreddate a liquido, ottimizzazione termofluidodinamica per evitare

picchi di temperatura) si è avuta una progressiva riduzione degli

eccessi d’aria utilizzati come volano termico e per rispettare i limiti

emissivi: aumento della frazione di calore recuperato.

• L’aumento dell’efficienza di combustione ed il sempre maggiore PCI dei

rifiuti e l’ utilizzo di CDR ha inoltre comportato una quantità di calore da

prelevare via via sempre maggiore; la migliore conoscenza dei

fenomeni interni al forno, la omogeneità di composizione degli attuali

rifiuti e CDR, la capacità di controllare il processo di combustione ha

portato al progressivo aumento della taglia degli inceneritori e quindi ad

un aumento dei rendimenti energetici complessivi che risentono

fortemente di un fattore di scala.

Portata di vapore prodotto

Tenendo presente un salto entalpico isoentropico variabile entro i 228,1 kcal/kg(condensatore ad aria a 0,2 bar e

vapore di SH a 38 bar e 380°C) ed i 290,5 kcal/kg (condensatore ad umido a 0,07 bar e vapore di SH a 60 bar e

450°C), è possibile stimare :

produzione specifica di 4,49 kg di vapore per kWh prodotto (valore massimo di vapore necessario), considerando un

rendimento isoentropico di TV pari a 0,84

produzione specifica di 3,29 kg di vapore per kWh prodotto (valore minimo di vapore necessario), considerando un

rendimento isoentropico di TV pari a 0,90

Tali valori possono essere confrontati con quanto ottenuto nel caso di cicli a vapore d’acqua alimentati a combustibile

convenzionale, per i quali il salto entalpico isoentropico è dell’ordine dei 300 kcal/kg, per cui si ottiene un fabbisogno

di vapore pari a 3 –3,5 kg per kWhprodotto.

Incidenza degli autoconsumi

Bilancio energetico sistema di piccola taglia

e ultima generazione

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Parametri ciclo vapore

Ciclo vapore: design avanzato

• I miglioramenti tecnologici anche

sul versante del ciclo vapore

hanno aumentato ulteriormente i

rendimenti energetici;

• dalle condizioni del vapore

prodotto convenzionalmente di

circa 40 bar e 400°C, negli ultimi

anni sono noti esempi di

applicazione per grandi impianti,

(Wichita Falls USA ed

Amsterdam), che hanno range

di valori di pressione di 60-80

bar e di temperatura di 450-

480°C con rendimenti che

arrivano anche al 30-32%.

Esempio prestazioni impianti di grande taglia

(solo generazione elettrica)

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