Trattamento dei rifiuti tramite combustione: pirolisi, gassificazione e arco al plasma

La pirolisi e la gassificazione sono processi di trattamento termico utilizzabili per lo smaltimento dei rifiuti.

La PIROLISI, o distillazione secca, consiste nella decomposizione termica non ossidativa, cioè senza apporto di ossigeno, tranne quello già eventualmente presente nel rifiuto.

Il processo avviene nel campo di temperature 400 – 800°C, e le molecole delle sostanze organiche vengono trasformate in elementi più semplici. I prodotti della reazione sono:

  • idrocarburi solidi (“Char”): 20 – 30% in peso del materiale iniziale, a base carboniosa;
  • liquidi: 50 –60% in peso, con sostanze organiche quali alcoli, chetoni, idrocarburi condensabili;
  • gassosi (“gas di pirolisi”): 15 – 30% in peso, costituito prevalentemente da idrogeno, monossido di carbonio, anidride carbonica, idrocarburi leggeri

Sebbene le tre frazioni siano presenti come risultato del processo di pirolisi, è possibile incrementare la resa di una di esse, selezionando opportunamente le condizioni del processo quali:

  • la temperatura finale di reazione;
  • la velocità. di riscaldamento della biomassa;
  • il tempo di residenza del materiale alla temperatura di reazione;
  • la dimensione e la forma fisica della biomassa da trattare;
  • la presenza di determinati catalizzatori.

Il controllo della rapidità del processo permette di massimizzare nella reazione la formazione delle frazioni più leggere (liquidi e gas; pirolisi veloce, a temperature più elevate) o pesanti (char e liquidi: pirolisi lenta).
La pirolisi è un processo che complessivamente richiede l’apporto di calore dall’esterno; tale energia è ottenibile per combustione di parte del gas di pirolisi.

Le più comuni modalità di esecuzione del processo di pirolisi sono:

  • la pirolisi convenzionale, a temperature moderate minori di 600 °C, con moderati tempi di reazione; da cui si ottengono approssimativamente le tre frazioni in uguale proporzioni;·
  • la carbonizzazione, il più antico e conosciuto processo di pirolisi, che avviene a temperature comprese tra i 300 e 500 °C. Da tale processo si recupera solo la frazione solida (carbone vegetale), per cui si procede in modo da minimizzare le altre frazioni;
  • la fast pirolisi, a temperature relativamente basse (da 500 a 650 °C), in cui le reazioni della gassificazione avvengono velocemente e con tempi di contatto brevi in modo da ridurre il riformarsi di composti intermedi, favorendo la produzione della frazione liquida fino al 70-80% in peso della biomassa in entrata;
  • la flash pirolisi, realizzata in modo da mantenere gli stessi tempi di contatto della “fast pirolisi”, ma a temperature superiori a 700 °C e con tempi di contatto inferiori ad 1 secondo, in modo da favorire la produzione di una frazione liquida intorno all’80% in peso della biomassa in entrata, ma con una variazione di composizione più ristretta.

Praticamente con il processo di pirolisi si trasforma un combustibile a bassa densità energetica (3.000-4.000 kcal/kg) in un altro a più elevato contenuto energetico specifico (8.000-10.000 kcal/kg), riducendone di conseguenza i costi di trasporto.

 

 

 

La GASSIFICAZIONE consiste nell’ossidazione parziale (cioè con quantità d’aria inferiore a quella stechiometrica) di un materiale liquido o solido, a temperature di 800 – 1100°C, che viene trasformato in:

  • un gas (“gas derivato” o “syngas”), con eventuali frazioni condensabili a temperatura ambiente (“TAR”); è la frazione più cospicua della reazione, ed è costituita da ossido di carbonio, anidride carbonica, idrogeno, metano, acqua, ed eventuali idrocarburi;
  • un residuo solido (“char”) costituito dalla frazione inerte del materiale trattato, più eventuali parti organiche non convertite; ha struttura non lisciviabile, quindi rispetta le normative per il reimpiego

Il processo di gassificazione richiede calore, fornito completamente o parzialmente dall’ossidazione parziale che si svolge all’interno dell’ambiente di reazione.

A differenza dei processi di combustione diretta, nei quali si ricerca l’utilizzo immediato dell’energia termica, nella gassificazione l’attenzione è focalizzata nella trasformazione del rifiuto in combustibile gassoso.

Le tipologie di reattori utilizzati sia per la pirolisi che per la gassificazione sono principalmente: a letto fisso, a letto mobile, a letto fluido, a tamburo rotante.

Lo smaltimento dei rifiuti tramite pirolisi o gassificazione risulta economicamente e ambientalmente interessante nel caso di rifiuti omogenei (es: rifiuti agricoli e forestali).

Per il trattamento di rifiuti urbani, e alcune tipologie di rifiuti industriali, sono state sviluppate tecnologie complesse che combinano due o più processi (combustione, pirolisi, gassificazione, vetrificazione). In tal modo si possono privilegiare obiettivi differenti, in base alla condizione specifica: ad esempio la valorizzazione energetica, o l’ottenimento di materiale inerte riutilizzabile, o il recupero del gas.

L’impiego del gas prodotto nei processi di pirolisi o massificazione può essere di tipo:

  • termico: combustione diretta in caldaie, dopo depurazione non spinta
  • elettrico: utilizzo in unità di generazione elettrica (turbina, motore a combustione interna..), dopo trattamenti di depurazione più complessi, per la presenza di particelle solide, gas acidi e alcalini, frazioni condensabili
  • chimico: come materia prima per sintesi chimiche.

Il gas derivato prodotto presenta un contenuto energetico (PCI) piuttosto ridotto, in funzione delle caratteristiche del materiale trattato e delle condizioni operative, e può essere impiegato come combustibile in un generatore di vapore, anche se il suo impiego ottimale dovrebbe essere in apparecchiature ad alta efficienza, quali i motori a combustione interna o le turbine a gas.

 

I processi ALL’ARCO AL PLASMA sono un esempio di tecnologia che sfrutta una fase di pirolisi o di piro-gassificazione (se condotto in presenza di ossigeno); nel processo si utilizza una torcia plasma, cioè un apparato che genera correnti gassose ad elevatissima temperatura (fino a valori dell’ordine dei 10.000 °C), tramite un arco alimentato da corrente elettrica.

L’arco elettrico, che può essere innescato tra torcia ed un bagno fuso (“arco trasferito”) o tra due elettrodi posti all’interno della torcia stessa (“arco non trasferito”) agisce sui gas, riducendone temporaneamente le molecole allo stato atomico ionizzato.

Nel processo si ha elevata emissione di energia termica; ciò permette un livello notevole di distruzione del rifiuto, ivi inclusi i composti altamente pericolosi in esso contenuti. Il gas ottenuto può inoltre presentare caratteristiche interessanti come combustibile.

Il plasma generato dalle torce è costituito da gas ionizzato ad altissima temperatura (da 7.000 a 13.000°C, a seconda del tipo di torcia utilizzato) ed ha la caratteristica di apportare una grande densità di energia, con massa molto ridotta, costituita dal flusso di gas (aria nel caso di applicazione sui rifiuti) che veicola l’energia dell’arco elettrico all’esterno della torcia.

Sottoponendo elementi organici ed inorganici all’azione della torcia, date le elevate temperature e l’elevato trasferimento di energia, le molecole organiche si decompongono, mentre i materiali inorganici vengono fusi.Immettendo vapore si genera un gas di sintesi la cui composizione risulta essere molto simile a quella prodotta nei gasogeni a carbone (il cosiddetto “gas d’acqua”), il cui utilizzo come gas da cucina era molto diffuso prima dell’avvento del metano.

L’applicazione della Torcia al Plasma sui rifiuti permette di generare una “zona” di reazione ove la temperatura è compresa tra i 3.000 ed i 4.000°CIn tale zona i rifiuti organici si decompongono: il carbonio è libero di reagire con l’ossigeno, immesso direttamente nella zona di reazione, formando un gas di sintesi essenzialmente composto da ossido di carbonio ed idrogeno molecolare.

Nei processi chimici legati alle varie fasi, non si hanno emissioni di gas tossici, quali diossine, furani e SVOCs (Composti Organici Volatili Semilavorati), non si ha produzione di scorie e ceneri di fondo contenenti materiali incombusti e metalli pesanti, e non vengono prodotte ceneri volanti contenenti metalli pesanti (cadmio, mercurio, piombo, ecc).

I principali prodotti generati dal processo sono:

  • Gas di sintesi: tutti gli elementi organici contenuti nei RSU (Rifiuti Solidi Urbani) si trasformano in gas di sintesi, essenzialmente composti da idrogeno (~53%) e da monossido di carbonio (~33%), con qualche percentuale di azoto molecolare, biossido di carbonio e metano (utilizzato per produrre energia elettrica).
  • Materiale di tipo lavico: gli elementi inorganici vengono fusi e trasformati in una roccia di tipo vulcanico, una specie di lava totalmente inerte e non tossica, a bassissima viscosità, nella cui matrice vetrosa sono inglobati e totalmente inertizzati i metalli pesanti. Il materiale di sintesi ottenuto è utilizzabile come materiale da costruzione (es. massicciate stradali, conglomerato cementizio, materiale di riempimento ecc.).

torcia_al_plasma_schema

Le caratteristiche peculiari di questi impianti, che potrebbe portarli in futuro ad essere una realtà consolidata su larga scala, sono da ricercarsi sul rispetto per l’ambiente, sulla flessibilità nell’accettare insieme, o separatamente, diversi tipi di rifiuti, da quelli ospedalieri al C.D.R. (combustibile derivato dai rifiuti), da quelli pericolosi, sia liquidi che solidi, a quelli industriali.

Una ulteriore caratteristica positiva di questo tipo di impianti è il loro essere modulabili, caratteristica che li porta, a differenza degli inceneritori tradizionali, a lavorare dal 30% al 100% della loro potenza nominale, assicurando in tal modo al gestore la possibilità di smaltire senza difficoltà eventuali variazioni stagionali nel flusso dei rifiuti.

Ad oggi, nonostante gli studi più recenti sulle torce al plasma risalgano a qualche anno fa, gli impianti operativi presenti nel mondo sono individuati in poche unità, distribuite tra l’Inghilterra, il Giappone e gli Stati Uniti.

Probabilmente l’altissimo livello tecnologico dell’impianto, unitamente agli alti costi di realizzazione e di gestione, hanno frenato l’entusiasmo iniziale degli amministratori sulla fattibilità di un intervento simile. Forse, un’analisi più attendibile e sicura sui costi legati allo smaltimento dei rifiuti con impianti al plasma, sarà possibile solo quando si stabiliranno regole certe sullo smaltimento, sul controllo e sui recapiti finali, soprattutto di rifiuti speciali e pericolosi, la cui trasformazione trova, in questo tipo di impianti, una vera competitività del trattamento.

Sono in fase di studio impianti che utilizzano la pirolisi e la gassificazione delle biomasse, con l’obiettivo di massimizzare la percentuale di idrogeno e il contenuto energetico del gas. Il sistema prevede una sezione di “reformazione a stadi” con iniezione di vapore.

 

APPLICAZIONI

La gassificazione ha buone prestazioni su rifiuti omogenei a matrice organica.

Nel caso di trattamento dei rifiuti urbani, è utile un pretrattamento, ad esempio tramite pirolisi, per ottenere un combustibile derivato (CDR) da sottoporre quindi a gassificazione.

Sono in fase di studio impianti che utilizzano la pirolisi e la gassificazione delle biomasse, con l’obiettivo di massimizzare la percentuale di idrogeno e il contenuto energetico del gas. Il sistema prevede una sezione di “reformazione a stadi” con iniezione di vapore.

Il processo all’arco plasma ha applicazione in vari campi industriali (ad esempio, il recupero di metalli dalle scorie di trattamento) lo smaltimento di rifiuti speciali e pericolosi (di natura organica ed inorganica). L’applicazione per il recupero energetico dai rifiuti, è di interesse relativamente recente.


NOTE

Le tecnologie di pirolisi e gassificazione, anche se basate su processi noti, non sono in grado di garantire allo stato attuale elevate prestazioni tecniche, ambientali ed economiche.

Dal punto di vista normativo (D.Lgs.133/2005) sono processi equiparati alla combustione diretta, purché i prodotti combustibili risultanti siano combusti, senza trattamenti, all’interno dello stesso impianto.

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