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Impianto di trattamento del CDR con la tecnologia della Pirolisi
CDR = Combustibile Derivato da RifiutiPirolisi = Processo chimico-fisico di trasformazione molecolare provocato da apporto di energia termica e meccanica in ambiente privo di Ossigeno
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Tecnologie per il trattamento del CDR attualmente disponibili
Tecnologie a Combustione Diretta:
Inceneritori con differenti tipologie di camere di combustione e di combustibile di appoggio per assicurare la combustione del CDR a temperature superiori a quelle di formazione della Diossina e con filtri di percolato più o meno sofisticati
Tecnologie a Combustione Indiretta:
Reattori in cui avvengono processi termochimici che trasformano il CDR in altre sostanze gassose, liquide o solide. La combustione avviene su queste nuove sostanze. Le tecnologie si basano sui principi della gassificazione, della pirolisi e della torcia al plasma
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Concetto teoricoLe molecole complesse che compongono la
biomassa, compreso il CDR, se riscaldate e agitate sono poste in condizioni di instabilità.
Se sono presenti atomi di ossigeno, questi strappano atomi da queste molecole, emettendo energia: Processo di Combustione
In assenza di ossigeno le grandi molecole si rompono successivamente in molecole più piccole, fino ad arrivare alle molecole più elementari come quelle degli elementi primari (C, H, O, N) o gas leggeri (CH4, CO, CO2, H2O): Processo di Pirolisi
Anche nella pirolisi abbiamo emissione di energia, di forma inferiore che nella combustione, ma sufficiente a mantenere il processo in funzionamento (energia di autosostentamento). Il processo avviene in un ambiente chiuso e impermeabile all’esterno in cui entra solo la biomassa.
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Applicazione tecnologica
L’impianto proposto da noi applica questo concetto inserendo la biomassa all’interno di un reattore a tenuta stagna e rimescolando il materiale, attraverso coclee, in un ambiente sub-pressione a temperatura compresa entro 500º e 600º.
La rottura delle molecole è spinta per ottenere un prodotto finale gassoso e uno solido.
La velocità delle coclee (quindi il tempo di permanenza), la pressione e la temperatura sono le variabili di processo controllate per ottenere il risultato desiderato.
Una serie di sensori capaci di lavorare in un ambiente simile trasmettono informazioni per controllare il processo sia in modo automatico sia manuale.
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Risultato del processo pirolitico
Nel reattore si forma quindi un insieme di gas definito tecnicamente gas di sintesi, composto da una miscela di Metano, Idrogeno, Vapor d’acqua, Anidride carbonica, Monossido di carbonio, Idrocarburi gassosi, e un residuo di piccole parti solide composto per oltre l’80% da Carbone e per il resto da atomi di metalli e altre sostanze pesanti.
Le sostanze gassose vengono filtrate separando i combustibili dagli inerti e inviate alla camera di combustione per produrre vapore, da cui sarà prodotta energia elettrica e termica.
Le sostanze solide, alla fine del processo, vengono estratte dal reattore e istantaneamente poste a contatto dell’ossigeno dell’aria. La polvere di carbone incandescente si incendia oltre i 1.100º sciogliendo le altre sostanze, ma prima che si possa sviluppare le reazione di combustione la miscela incandescente viene fatta cadere in una vasca di raffreddamento, dove il composto si vetrifica (fenomeno analogo alla lava vulcanica quando entra in contatto con il mare). Questo composto è praticamente una roccia tipo il basalto.
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Cosa li accomuna?
In termini di trazione, di forza motrice cosa accomuna un gozzo a remi, una barca a vela e un panfilo a motore? Assolutamente nulla, eppure tutti galleggiano e tutti navigano!
Esattamente come è errato assimilare pirolisi, gassificazione e termovalorizzazione; eppure tutte queste tecnologie smaltiscono rifiuti (o loro derivati, come il CDR,) e producono energia!
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Pirolisi e gassificazione (1)
Dapprima, per non confondersi:
La gassificazione è un processo simile, sebbene non uguale, alla pirolisi, e viene utilizzato per estrarre energia dalla biomassa,
ovvero da fonte energetica rinnovabile.
La rigassificazione è il processo con il quale il gas,
appartenente ai combustibili fossili e, pertanto, fonte energetica non rinnovabile, viene riportato allo stato gassoso (per trasportarlo viene portato allo stato liquido).
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Pirolisi e gassificazione (2)
La differenza, fondamentale, fra pirolisi e gassificazione è l’apporto di ossigeno (o vapor acqueo).
La pirolisi avviene in totale assenza di ossigeno.
La gassificazione prevede un apporto misurato e controllato di ossigeno.
Cosa significa?
Nella pirolisi gli atomi di C si combinano solo con i pochi atomi di H e di O presenti nelle formule del materiale immesso nel reattore pirolitico. Significa che la maggior parte del C presente non riesce a legarsi per formare gas combustibile e viene, pertanto, catturato e inertizzato, con la conseguenza di una bassa efficienza energetica a fronte di una altissima efficienza ambientale.
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Pirolisi e gassificazione (3)
Nella gassificazione, invece, si immette O. Significa che tutti gli atomi di C riescono a legarsi per formare gas combustibile con la conseguenza di una minore efficienza ambientale a fronte di una maggiore efficienza energetica.
L’aspetto fondamentale è il calcolo esatto dell’O da apportare, calcolo basato sulla formula chimica del materiale immesso; al minimo variare, però, del materiale in ingresso varia inevitabilmente la composizione del gas ottenuto, rendendo il processo di gassificazione molto complesso da gestire.
È come un pittore che crea un colore: partendo da un bianco latte e aggiungendo un rosso al 20% ottiene un bel rosa; ma se dovesse partire da un bianco panna e aggiungesse il solito 20% di rosso non otterrebbe più quel rosa; se addirittura partisse da un bianco grigio…
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Comparazione tra processo di pirolisi e incenerimento (1)
TECNOLOGIA DI PIROLISI Minimo impatto ambientale ed elevata affidabilità di
esercizio. 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, per 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 e 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.
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 economica 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.
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.
TECNOLOGIA DI INCENERIMENTO Dubbia compatibilità ambientale, in particolare in
relazione alle emissioni di micro-inquinanti, e minore affidabilità in relazione alle caratteristiche disomogenee del rifiuto.
Le complicazioni, sia al livello di progettazione sia 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 e 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.
Il trattamento degli 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.
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 influenzata principalmente dalla variazione della portata dei rifiuti in alimentazione (elevata inerzia del sistema).
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Comparazione tra processo di pirolisi e incenerimento (2)
TECNOLOGIA DI PIROLISI 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.
La bassa temperatura a cui si svolge il processo di pirolisi e la pratica assenza di elevate turbolenze all'interno del reattore riducono notevolmente il trascinamento di polveri e particolato nel gas di pirolisi.
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 con il relativo ricupero energetico.
La tecnologia della pirolisi costituisce un sistema di smaltimento pressoché universale, potendo essere applicato a un’ampia gamma di biomasse, compresi i rifiuti.
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 e che, pertanto, possono essere utilizzate come sottofondo per strade; del CDR immesso nulla, quindi, va in discarica.
Anche le polveri risultanti dal processo di depurazione dei fumi di combustione invece del loro rilascio in atmosfera vengono ricondotte dentro l'impianto e vetrificate.
TECNOLOGIA DI INCENERIMENTO Necessità di un'importante sezione per il
trattamento dei reflui liquidi, con tutte le problematiche economiche ed ambientali connesse.
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.
La combustione diretta di un prodotto eterogeneo come il rifiuto, con formazione di svariati prodotti caratterizzati da molecole complesse e presenza di incombusti, rende difficoltosa una perfetta gestione del processo di combustione.
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.
Gli impianti di incenerimento producono un elevato quantitativo di scorie, fino al 30% del rifiuto immesso, di cui risulta poi problematico lo smaltimento (necessità di discariche).
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Pro e contro del Processo di Pirolisi per il trattamento del CDR e dei rifiuti in generale.
Contro Ha un basso rendimento
energetico. Dalla stessa quantità di rifiuti la combustione diretta produce più energia elettrica e rende disponibile più energia termica per scopi esterni
È una tecnologia sofisticata e nuova; ha molti impianti simili in funzionamento nel mondo ma gli sviluppi tecnologici qui introdotti sono innovatori e l’impianto da noi proposto non ha riscontri da altre parti (tranne uno a Lecce che entrerà in funzione a settembre e uno improduttivo – utilizzato solo per lo studio del sistema – che ha funzionato a Collesalvetti, in Toscana, per svariati anni)
Pro Non produce scarti nocivi Immagazzina CO2 Produce una frazione
infinitesimale di polveri e nanopolveri
Non produce cenere Non emette odori o rumori, se non
quelli di un normale piccolo impianto industriale
Le dimensioni ottimali del singolo reattore sono ridotte e l’impianto può essere montato in qualunque capannone industriale
Permette una generazione di elettricità diffusa nel territorio, senza concentrazione di elevati impatti ambientali.
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Immagazzinamento di CO2
La vetrificazione finale ha una doppia valenza: Blocca inertizzandoli gli atomi degli elementi pesanti più inquinanti Ingloba un grandissimo numero di atomi di carbonio che diventano
così incombustibili. Ciascuno di questi atomi, se non fosse rinchiuso in questo blocco vetrificato, seguirebbe il normale ciclo del Carbonio e finirebbe per formare una molecola di CO2.
In generale sono considerate positive le tecnologie che producono energia senza aumentare i gas serra, come i biocombustibili e il biogas, ma qui facciamo di meglio nel senso che impediamo la formazione di gas serra che altrimenti si realizzerebbero con gli atomi di C che noi blocchiamo.
Quando l’origine dei C non è fossile, in pratica estraiamo dall’atmosfera CO2, con un bilancio ecologico totale francamente più che positivo
Quando l’origine fosse fossile, riduciamo l’impatto impedendo a parte degli atomi di C di formare nuova CO2.
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Dimensioni
L’impianto pirolitico di cui stiamo parlando ha una taglia piccola, sì da permettere alcune condizioni:
Piccole dimensioni: un capannone da 1.500/2.000 m2 più una piattaforma per i macchinari da 300 m2 con altezza della canna fumaria di ca 12 m
Disseminazione sul territorio, con conseguenze sui trasporti dei rifiuti e sulle politiche di informazione, coinvolgimento e responsabilizzazione dei cittadini
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Produzione
L’impianto è a ciclo continuo e lavora per 7.500 ore annue
Smaltisce 3,25 t all’ora di CDR, pari a 24.375 t annue
Produce 3 MWh, pari a 22.500 MW annui
Produzione
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Gas pirolitico e biogaselemento biogas gas pirolitico
Biossido di carbonio CO2 47,00 41,70
Monossido di Carbonio CO 0,10 22,80Metano CH4 47,50 12,20
Idrogeno H2 0,10 9,90
Altri idrocarburi 0,30 9,10Totale parziale 95,00 95,70
Altri 4,30Azoto 3,69Ossigeno 0,80Idrogeno solforato 0,01Composti in tracce 0,50
Totale 100 100
elemento biogas gas pirolitico valori ammessi
Acido fluoridrico HF 0,40 0,10 1 ÷ 4Monossido di Carbonio CO 377,00 10,00 50 ÷ 100Acido cloridrico HCl 1,40 7,00 10 ÷ 60Polveri 0,50 3,00 13 ÷ 30Ossidi di azoto NOx 159,20 140,00 200 ÷ 400Composti organici 0,90 5,00 10 ÷ 20
La prima tabella mostra la composizione dei due gas dalla quale si evince come essi siano uguali, sebbene con pesi percentuali diversi fra i vari componenti, al 95-96%
La seconda tabella (in nm3 e per una portata annua di 15.000 nm3) mostra la composizione dei fumi dei due gas dopo la loro combustione (analisi a complemento sul totale della CO2) dalla quale si evince come il gas pirolitico sia totalmente al di sotto dei valori ammessi contrariamente a quanto succede per la CO nei fumi del biogas