PREMESSA

Nel precedente numero di Enco Journal è stata presentata la prima parte di questo articolo incentrata sul ciclo dei rifiuti urbani. In questa seconda parte è approfondita la termovalorizzazione del processo di incenerimento.

Per una maggiore continuità con la prima parte si adotterà una numerazione dei paragrafi, delle tabelle, degli schemi e delle foto che tiene conto della numerazione adottata nella prima parte.


3.1 COMBUSTIONE DI R.U.

La termodistruzione dei rifiuti è ottenuta normalmente con tecniche di incenerimento (Fig. 5) anche se sono presenti a livello europeo esperienze di gassificazione e stanno per essere avviate applicazioni con torce al plasma. Nel primo caso l’ossidazione dei rifiuti è ottenuta ad alta temperatura ed in presenza di forti eccessi di ossigeno (cioè con presenza di ossigeno maggiore di quella stechiometricamente necessaria); nel secondo caso si opera ad alta temperatura, ma con carenza o assenza totale di ossigeno, per favorire la rottura delle molecole complesse dei rifiuti sino ad ottenere gas combustibili. Le torce al plasma utilizzano l’energia liberata dalla ionizzazione di un gas sottoposto a scarica elettrica e consentono la dissociazione molecolare della materia; non essendo una combustione, ovvero non utilizzando ossigeno, non rilasciano inquinanti volatili.

La tecnologia attualmente più utilizzata è quella dell’incenerimento, la cui applicabilità è legata a due limiti importanti: il primo è quello del potere calorifico del rifiuto (stimabile mediamente in 1800 kcal/kg sul R.U indifferenziato, in 2500 kcal/kg dopo una selezione grossolana in circa 3.500÷4.500 Kcal/kg a seguito di una raccolta differenziata di tipo sistematico ben gestita) che deve essere abbastanza elevato per motivi di gestione legati al recupero energetico (produzione di Energia Elettrica E.E.).

Il secondo limite è quello della potenzialità di smaltimento dell’impianto che dovrebbe avere una potenzialità non inferiore alle 150-200 ton/g in quanto, tenendo conto della complessa tecnologia e dei costi di impianto, al di sotto si avrebbe un aumento di costi.

Un impianto di termovalorizzazione di rifiuti è, di massima, componibile nelle seguenti parti:

• fossa di accumulo rifiuti;
• forno inceneritore;
• recupero energetico;
• depurazione fumi;
• scarico scorie e ceneri.

Il forno di incenerimento può essere di diversa tipologia:

• forno con griglia: questo tipo di forno è da decenni utilizzato per lo smaltimento dei rifiuti, risultando di comprovata affidabilità e robustezza;

• forno a letto fluido: tale sistema di incenerimento si è affermato nella tecnica di produzione dell’energia e di trattamento dei rifiuti ed è particolarmente idoneo al trattamento di rifiuti omogenei. La combustione a letto fluido può considerarsi una evoluzione delle precedenti;

• forno rotante: è un sistema robusto e affermato per l’incenerimento di rifiuti non omogenei, ad esempio i rifiuti chimici e liquidi. La bassa regolabilità richiede un grande eccesso di aria e riduce così l’economicità. L’incenerimento con forno rotativo non viene utilizzato per il moderno trattamento termico di rifiuti urbani;

• gassificazione/pirolisi: è un sistema basato sulla degassificazione/gassificazione dei rifiuti, con successiva combustione finalizzata al recupero energetico in ciclo combinato;

• la torcia al plasma: è un sistema che consente la dissociazione molecolare della materia generando gas di sintesi che viene poi utilizzato come combustibile.

Nell’ambito delle normative europee attualmente in cantiere il recupero energetico da rifiuti potrebbe rientrare all’interno delle opzioni di recupero in impianti dedicati ma solo a condizione che il recupero energetico avvenga con una soglia minima di efficienza complessiva. In particolare la Commissione Europea ha proposto la seguente formula per calcolare l’efficienza con cui il contenuo energetico dei rifiuti viene trasformato in E.E. e calore:

dove E_p = energia annua prodotta sotto forma di energia elettrica o termica. E’ calcolata moltiplicando l’energia sotto forma di elettricità per 2.6 e l’energia termica prodotta per uso commerciale per 1.1 (GJ/anno);

E_f = alimentazione annua di energia nel sistema con combustibili che contribuiscono alla produzione di vapore (GJ/anno);

E_w = energia annua contenuta nei rifiuti trattati calcolata in base al potere calorifico netto più basso dei rifiuti (GJ/anno);

E_i = energia annua importata , escluse E_w ed E_f;

0.97 è il fattore corrispondente alle perdite di energia dovute alle ceneri pesanti (scorie) ed all’irraggiamento.

Affinché l’operazione di recupero energetico dai rifiuti venga effettivamente classificata come attività di recupero (R1) e non come smaltimento (D1) ai sensi della attuale normativa di settore, l’applicazione della formula deve fornire valori superiori a 0.6 e 0.65 a seconda della entrata in funzione o della data di autorizzazione degli impianti (prima o dopo il 1 Gennaio 2009).

Per ciò che riguarda le linee di trattamento degli effluenti gassosi degli impianti di termovalorizzazione esse hanno subito profonde trasformazioni nel corso degli ultimi anni. La depurazione dei fumi è fondamentale per l’eliminazione o la riduzione degli inquinanti emessi in atmosfera. Una tipica linea di depurazione dei primi anni ’80 prevedeva generalmente due sole unità di trattamento: un depolveratore ed un sistema di abbattimento dei gas acidi (HCl, HF). Venendo invece agli impianti nuovi, le tendenze evolutive che si sono osservate negli ultimi anni sono riassumibili nella Fig. 6. Mediante il trattamento attraverso cicloni, elettrofiltri, torri a secco, torri ad umido (scrubber), filtri a manica, ecc., è possibile separare dai fumi gli inquinanti e i microinquinanti organici ed inorganici generati nel processo di combustione.

La Tabella 6 riporta la efficienza di abbattimento per diverse classi dimensionali dei particolati per i sistemi di maggiore utilizzo.

Le prestazioni misurate su alcuni impianti recenti dotati delle migliori tecnologie disponibili confermano livelli reali di emissione inferiori ai già restrittivi limiti di legge.

Le scorie prodotte dal forno e le polveri raccolte dalla linea di depurazione dei fumi devono essere poi smaltite in discarica idonea eventualmente previa inertizzazione; è anche possibile effettuare un recupero di tali rifiuti, previo trattamento, nelle cementerie o nelle produzioni di calcestruzzi. Di seguito si riportano alcuni approfondimenti sulle tipologie di termovalorizzazione sopra citate.


3.2 IMPIANTI DI COMBUSTIONE CON FORNI A GRIGLIA

L’incenerimento in forni a griglia costituisce una delle più diffuse forme di trattamento dei rifiuti urbani. Forni a griglia sono disponibili in svariate configurazioni, oggi generalmente da 50.000 ton/a per linea fino a oltre 300.000 ton/a - con molti costruttori. Nella combustione a griglia il rifiuto è alimentato in continuo sulla griglia. Al fondo della griglia si raccolgono le scorie di combustione, che rappresentano circa il 25-30% del flusso di ingresso (a seconda della composizione del rifiuto). La tecnologia della combustione a griglia presenta oggi diverse varianti idonee a rifiuti anche con elevato potere calorifico, fino a 15 MJ/Kg.

I fumi residui sono raffreddati a circa 200 - 300°C (in funzione della tipologia degli impianti di abbattimento) mediante scambio termico in caldaia a recupero generando vapore surriscaldato idoneo a produrre E.E. e/o trasferire calore. I rendimenti del recupero energetico sono molto variabili in funzione delle soluzioni tecnologiche adottate.

I fumi emessi sono sottoposti a trattamenti multipli. Le tecnologie prevalenti sono:

- trattamento fumi con sistema a trattamento chimico non catalitico (SNCR), cioè con iniezioni di urea, per trasformare gli ossidi di azoto (NO_x) prodotti durante la combustione in azoto elementare (abbattimento NO_x);

- elettrofiltri per abbattimento ceneri volanti con eventuale immissione di bicarbonato di sodio o di calce idrata per abbattimento sostanze acide (HCl, HF, SO₂);

- filtri a manica per abbattimento polveri fini;

- carboni attivi in polvere per l’abbattimento dei metalli pesanti e delle diossine e dei furani.

Le polveri raccolte nelle sezioni di depolverazione e le scorie finali sono inviate a trattamenti esterni di inertizzazione, valorizzazione e/o discarica idonea.

Gli impianti di termovalorizzazione con forni a griglia sono i più numerosi e sono ultimamente accoppiati con cicli a vapore e/o con cicli cogenerativi per la produzione contemporanea di vapore per riscaldamento urbano. I rendimenti termodinamici sono superiori al 35% e in cicli combinati si ottengono valori ancora maggiori. Le centrali a griglia sono certamente quelle di tecnologia più consolidata e diffusa, esse riuniscono conoscenze derivate dai vari campi dell’impiantistica termica e chimica.

3.3 IMPIANTI DI COMBUSTIONE A LETTO FLUIDO

Nella combustione a letto fluido, i rifiuti condizionati granulometricamente sono immessi in un letto fluido di materiale inerte dove avviene l’incenerimento. Il materiale da termodistruggere è tenuto in sospensione da una corrente d’aria insufflata dal basso proveniente da una griglia posta nella parte inferiore. Tempi di permanenza prolungati, ampie superfici specifiche e una buona trasmissione del calore consentono un’ottima combustione (il residuo contenuto di carbonio è <0,5% della massa). Il recupero di energia da letto fluido è comparabile se non superiore a quello da un impianto a griglia; infatti si può stimare un rendimento energetico attorno al 24-25% contro un rendimento attorno al 20% per impianti a griglia. L’alimentazione del letto fluido richiede, per una buona gestione, una pezzatura ridotta del materiale combustibile e perciò l’applicazione della tecnologia del letto è stata prevalentemente diretta alla combustione di CDR o di rifiuti pre-trattati, almeno con selezione e triturazione. La tecnologia del letto fluido consente l’alimentazione combinata di distinti flussi di rifiuti, con una buona flessibilità rispetto ai poteri calorifici. In particolare il letto fluido si presenta idoneo sia per l’incenerimento di fanghi e di residui ad alto tasso di umidità, che per flussi ad alto potere calorifico.

Le caratteristiche del processo consentono un maggior controllo degli inquinanti in fase di combustione, e le più basse temperature di combustione (circa 900°C contro i 1.000°C dei forni a griglia tradizionali) consentono inoltre la minimizzazione degli ossidi di azoto, entro i limiti dei 200 mg/m3, e di altri microinquinanti.

Le caldaie impiegate nella combustione a letto fluido sono:

a) Caldaia a letto fluido atmosferica. Nelle applicazioni impiantistiche la caldaia a letto fluido atmosferico sostituisce la caldaia tradizionale, producendo vapore a 550÷580°C e pressioni di circa 30÷40 bar;

b) Caldaia a letto fluido circolante atmosferica. Queste caldaie sono recenti ed hanno dimensioni più ridotte (di circa 40% inferiori rispetto a quelle convenzionali) per effetto del miglior regime di combustione;

c) Caldaia circolante pressurizzata. Sono le caldaie più innovative e lavorano in regime turbolento. La pressione in caldaia è maggiore di quella atmosferica (qualche bar) e ciò comporta, una migliore efficienza di combustione ed una riduzione di oltre il 50% delle dimensioni e del peso.

Poiché la combustione a letto fluido è più pulita rispetto a quella a griglia tradizionale, gli impianti di depurazione dei fumi sono notevolmente più ridotti e certamente meno impegnativi, avendosi minor quantità di NO_x, CO, SO_x ed altri inquinanti. Ciò nonostante la qualità delle emissioni richiede l’adozione di specifici apparati di depurazione dei fumi. L’utilizzo di reagenti e adsorbenti in camera di combustione produce buoni risultati, ma le sperimentazioni effettuate mostrano la necessità di procedere all’iniezione di additivi adsorbenti (carboni attivi o miscele calce/coke) immediatamente a monte di un filtro a manica per contenere le emissioni di diossine al di sotto dei limiti più restrittivi delle normative.

In linea generale, gli impianti con tecnologia a letto fluido possono presentare una valida alternativa rispetto alle tecnologie a griglia, qualora i rifiuti siano caratterizzati da elevato potere calorifico inferiore (PCI) e basso contenuto di inerti. Tuttavia i vantaggi teorici in termini di riduzione di emissioni inquinanti sono sostanzialmente annullati dalla necessità di installare comunque complessi e costosi sistemi di abbattimento sulla linea fumi in uscita, al fine di rispettare le sempre più restrittive norme di legge.


3.4 PIROLISI E GASSIFICAZIONE

I processi di pirolisi e gassificazione sono oggetto da anni di studi e prove sperimentali. La pirolisi è un processo che opera in condizioni di assenza di ossigeno (o comunque inferiore al 30% del fabbisogno stechiometrico) e che trasforma materiali a base organica, con adeguate temperature, in prodotti solidi, liquidi e gassosi con buon potere calorifico. Il processo è di tipo endotermico e richiede, quindi, apporto di calore dall’esterno, ad esempio riutilizzando una parte dei gas prodotti. In alternativa alla pirolisi, si può ricorrere a conversione del rifiuto più ossidazione parziale in difetto di ossigeno, nel qual caso il processo prevede il nome di gassificazione.

Il processo è basato sulla combinazione di una degassificazione dei rifiuti con una gassificazione ad alta temperatura secondo uno schema che prevede le seguenti fasi: 1) compattazione dei rifiuti fino ad una densità massima di 2000 kg/m³ ; 2) riscaldamento lento dei rifiuti fino a 600 °C in difetto di aria con conseguente disidratazione, trasformazione della sostanza organica e formazione di gas; 3) gassificazione ad alta temperatura (2000 °C) in ambiente riducente con riscaldamento diretto (O2 + CH4) e dosaggio di O2 attraverso la fase solida residua; fusione del residuo solido e successiva granulazione in acqua dello stesso; 4) depurazione, con sistema ad umido, del gas di sintesi generato.


3.5 TORCE AL PLASMA

Con il termine plasma si intende un gas conduttivo, altamente ionizzato. La tecnologia della torce al plasma si basa sul fenomeno della ionizzazione di un gas per produrre calore. In tal modo è possibile raggiungere temperature elevate, fino a 3000-6000°C. L’applicazione di tale tecnologia allo smaltimento dei rifiuti costituisce un’alternativa alle tecnologie di incenerimento (letto fluido, griglia) attualmente presenti sul mercato. Nel campo dei rifiuti urbani (RU), l’ipotesi impiantistica è di utilizzare le torce al plasma per gassificarli (cioè produrre syngas mediante pirolisi ad alta temperatura). La torcia è capace di produrre del plasma a temperature elevatissime (le maggiori raggiunte in processi industriali controllati) e tali da provocare una dissociazione termochimica di tutto ciò che viene trattato. Se il materiale dissociato è di tipo organico allora si produrrà gas di sintesi e quindi energia altrimenti si provocherà solamente la fusione del materiale metallico o di qualunque altra natura.

Le reazioni principali che si verificano durante il processo sono:

1) dissociazione molecolare, essa permette la dissociazione dei componenti organici che vengono trasformati in gas di sintesi. Tutti gli idrocarburi presenti nei rifiuti trattati vengono gassificati formando un gas di sintesi composto essenzialmente da idrogeno e monossido di carbonio. Questa miscela è altamente energetica e viene compressa per produrre energia elettrica o distillata per produrre metanolo ed etanolo. Le alte temperature, inoltre, evitano la formazione di composti tossici quali diossine e furani;

2) fusione, essa comporta la fusione di tutti i composti inorganici e la formazione di un materiale inerte e non lisciviabile (slag). Tutti gli elementi tossici contenuti nei rifiuti trattati sono soggetti a trasformazioni fisico - chimiche che consentono la loro totale inertizzazione. A differenza di quanto avviene negli attuali sistemi di incenerimento di RU, in questo processo, dato che la dissociazione molecolare dei rifiuti si realizza in assenza di ossigeno, non si ha emissione di sostanza volatili, quali: gas di combustione e sostanze nocive come furani e diossine. Con questo processo si possono trattare in modo separato, oppure mescolati tra di loro, rifiuti solidi, liquidi, ospedalieri, pneumatici, polivinilcloruro (PVC) e policlorobenzeni (PCB) e altri tipi di sostanze tossiche-nocive. Pertanto, tale processo non necessita di una selezione preventiva di rifiuti. Un impianto di smaltimento rifiuti che utilizza tale tecnologia in genere è composto da un reattore comprensivo di torce al plasma, dalle apparecchiature richieste per il suo funzionamento e dal sistema di pulizia del gas combustibile (principalmente desolforazione). Tale gas è disponibile per poter essere impiegato in impianti di cogenerazione per la produzione combinata di energia elettrica e termica.


3.6 RECUPERO ENERGETICO DA TERMOVALORIZZAZIONE DI R.U.

Il rifiuto urbano può essere paragonato ad un combustibile fossile, cioè è un materiale contenente elementi ossidabili (principalmente carbonio e idrogeno), capaci di produrre energia sotto forma di calore. Oggi i termovalorizzatori operano trasformazioni del potere calorifico con produzione di energia elettrica (più raramente energia meccanica) e/o produzione combinata di energia elettrica e calore (cogenerazione) con possibile riutilizzo di questa forma energetica, ad esempio mediante teleriscaldamento.

E’ da evidenziare che le caratteristiche chimico-fisiche dei rifiuti e la loro continua variazione qualitativa rendono estremamente problematico il loro utilizzo diretto negli impianti destinati alla produzione di energia elettrica e/o calore da combustibili fossili (sia solidi, che liquidi o gassosi), oltre che per questioni tecnologiche anche le problematiche ambientali. La co-combustione con R.U. costringe ad adattare sistemi di depurazione di fumi estremamente più complessi e costosi. A sua volta, il recupero energetico da R.U. può avvenire secondo due diverse modalità: 1) per combustione diretta del rifiuto, con scambio di energia termica sotto forma di calore tramite appositi scambiatori. In questo caso il combustibile può essere direttamente il R.U. oppure il C.D.R., ottenuto tramite raffinazione, selezione e trattamento dal R.U. , per migliorare le caratteristiche qualitative (umidità, contenuto in cloruri, ecc.) e il potere calorifico; 2) per combustione indiretta, trasformando cioè i R.U. in un combustibile gassoso, previo trattamento di gassificazione; dopo opportuno trattamento di eliminazione di sostanze indesiderabili. Dal punto di vista energetico la differenza tra due modalità di riutilizzo succitata è connessa con il rendimento dei cicli: nel caso di combustione diretta, il rendimento del ciclo a vapore raramente supera il 30÷32%, mentre il rendimento elettrico netto dell’impianto, può al massimo raggiungere il 25÷28%. Nel caso di combustione indiretta, con la produzione di un combustibile intermedio gassoso prodotto dalla trasformazione dei R.U., si possono raggiungere rendimenti energetici più elevati, in quanto si sfrutta il miglior rendimento tecnico dei motori a combustione interna. Tuttavia, a fronte del maggior rendimento energetico della combustione interna, occorre mettere in bilancio la perdita energetica necessaria per produrre il combustibile gassoso intermedio e quella necessaria per produrre CDR da un R.U. indifferenziato. In termini di bilancio energetico e anche di complessità e di affidabilità del sistema, la combustione indiretta non appare allo stato dell’arte preferibile a quella diretta.

Le Figure 7, 8 e 9 riportate derivano da studi finalizzati ad individuare soluzioni ottimali di recupero energetico del rifiuto residuo indifferenziato.

3.7 IMPATTO AMBIENTALE

L’impatto ambientale degli impianti di termovalorizzazione dei rifiuti, ed in particolare l’impatto delle emissioni atmosferiche , è oggetto, ormai da più di 30 anni, di indagini e ricerche condotte sia in ambito nazionale ed internazionale. Le ricerche hanno consentito di elaborare modelli previsionali sofisticati in grado di valutare con molta precisione sia il trasporto, la diffusione atmosferica e la ricaduta al suolo dei principali parametri caratterizzanti le emissioni, che la stima del rischio derivante per la salute ed in generale l’impatto ambientale. Sono stati stimati principalmente parametri potenzialmente cancerogeni quali diossine, cadmio e parametri tossici e persistenti: piombo e mercurio.

Dall’analisi storica dei dati di emissione, si ricava che gli impianti di termovalorizzazione a griglia di ultima generazione contribuiscono in misura marginale alle concentrazioni di inquinanti riscontrabili mediamente al suolo in ambiti urbani; ad esempio il contributo di un termovalorizzatore moderno alle diossine può risultare inferiore all’1% del valore totale misurabile, il che significa che per almeno il 99% il contributo alla presenza di tali sostanze è attribuibile ad altre fonti di emissione. Parte del merito di questi risultati è attribuibile alla normativa vigente in Italia relativamente ai limiti di emissione: il DM 503/97, che recepisce due direttive comunitarie specifiche nella prevenzione dell’inquinamento atmosferico da inceneritori di RU e di rifiuti non pericolosi (89/369/CE e 89/429 CE) ha introdotto limiti molto restrittivi alle emissioni dei principali inquinanti. Per rispettare le normative citate occorre intervenire con iniziative sia a livello impiantistico che gestionale tra cui l’ottimizzazione della temperatura di combustione (850÷950°), presenza di O2, adeguata turbolenza; controllo del raffreddamento dei fumi; dosaggio di appositi reattivi chimici per raggiungere percentuale di abbattimento delle diossine fino al 95%, dosaggio di calce, per abbattere HCl e Cl₂.

3.8 STIMA DEL RISCHIO
Con la simulazione della dispersione e della ricaduta al suolo degli inquinanti atmosferici emessi da un impianto tecnologico, si procede, a definire il rischio per la salute di tipo individuale o riferito all’intera popolazione. Si definisce rischio individuale la probabilità, di un individuo sottoposto ad una dose di uno o più inquinanti, di contrarre una patologia cagionata dalla presenza degli o dell’inquinante; si definisce rischio globale per la popolazione, il numero atteso di casi di eventi negativi in eccesso, con riferimento alla popolazione totale. La metodologia per la stima del rischio si basa sulle seguenti ipotesi:

1) additività degli effetti delle diverse sostanze;

2) linearità della relazione dose – effetto ;

3) assenza di valore di soglia;

4) numero di casi negativi in eccesso stimabili mediante il prodotto del valore di rischio individuale moltiplicato per la popolazione esposta;

5) validità dello stesso valore di risposta alla dose per tutta la popolazione interessata.

Con queste ipotesi è possibile calcolare gli effetti sull’individuo e su un determinato gruppo dovuti ad una certa dose semplicemente moltiplicando la dose per un valore di “potency”. Potency è definito come il rischio individuale, ai bassi dosaggi, per una determinata sostanza derivante dall’assunzione giornaliera di una dose unitaria della sostanza stessa, nell’ipotesi di linearità della curva dose – rischio. I risultati degli studi condotti sulle unità di termovalorizzazione di ultima generazione hanno dimostrato che questi impianti garantiscono valori di rischio nel loro complesso estremamente contenuti (per quanto riguarda i composti cancerogeni nei casi più favorevoli si possono ottenere valori di rischio individuale medio inferiori anche a 10^-9), collocandosi su livelli del tutto trascurabili rispetto al valore di riferimento considerato accettabile in ambito normativo internazione (10^-6). Tali risultati sono coerenti con le concentrazioni massime al suolo che si possono stimare con la modellistica di dispersione. A titolo di esempio, l’emissione di diossina da un inceneritore a griglia dell’ultima generazione può contribuire anche per meno dell’1 per cento al valore di concentrazione misurabile in ambito urbano (ed attribuite quindi per più del 99% ad altre fonti inquinanti). Tale risultato dipende comunque dalle dimensioni dell’impianto e dalla meteorologia della zona.


BIBLIOGRAFIA

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