Trattamenti termici

In Italia sono attivi 93 impianti di trattamento termico dei rifiuti, che processano Rifiuti Urbani (RU), Frazione Secca (FS), Combustibile Solido Secondario (CSS) e Rifiuti Speciali (RS): di questi 53 sono collocati nel Nord Italia, 13 al Centro e 27 al Sud (dati anno 2014).

I rifiuti complessivamente inviati a trattamento termico sono pari a circa 7,2 milioni di tonnellate, di cui 2,7 milioni di RU indifferenziati, circa 2 milioni di tonnellate di FS (proveniente da RU o RS), oltre 1,1 milioni di tonnellate di CSS (proveniente da RU o RS), quasi 435 mila tonnellate di rifiuti speciali provenienti dal trattamento di rifiuti urbani (sia pericolosi che non pericolosi) e circa 960 mila tonnellate di altri rifiuti speciali (sia pericolosi che non pericolosi).

Fonte dati: Ispra 2015, 2016

Recupero energetico da Rifiuti Urbani

Relativamente al trattamento termico dei rifiuti urbani, la normativa italiana, recependo quella europea, impone che sia sempre associato a recupero di energia (elettrica e/o termica). Tuttavia, in funzione dell’efficienza con cui tale recupero avviene (da calcolare in base ad una specifica formula), gli impianti di trattamento termico dei rifiuti urbani possono essere classificati come impianti di recupero energetico (definito dalla normativa come operazione di trattamento «R1») o come semplici impianti di smaltimento (operazione di trattamento «D10»).

Ad oggi tutti gli impianti di trattamento termico di rifiuti urbani presenti sul territorio italiano (44 impianti, di cui 29 al nord, 8 al Centro e 7 al Sud) producono energia (elettricità, calore o entrambi in modo combinato). Il recupero energetico negli ultimi 5 anni ha subito un costante aumento. In particolare, 32 impianti producono sola energia elettrica, mentre 12 operano in assetto cogenerativo (energia elettrica immessa nella rete di distribuzione nazionale + energia termica fornita a reti di teleriscaldamento).

Fonte dati: Ispra 2015

Incenerimento

Incenerimento (processo)

L’incenerimento è la combustione diretta dei rifiuti.
La combustione consiste nell’ossidazione degli atomi che costituiscono il rifiuto, principalmente carbonio (C) e idrogeno (H), per generare composti completamente ossidati e stabili, principalmente anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O).

La combustione avviene rispettando il bilancio di massa, ossia la massa di effluenti (gassosi, come i gas combusti, e solidi, come le scorie) rilasciata dal processo è pari alla massa di reagenti (solidi, come i rifiuti, e gassosi come l’aria) consumata.

Poiché le reazioni di ossidazione sono “esotermiche”, il processo di combustione rilascia significative quantità di calore.

L’incenerimento o termodistruzione garantisce:

  • Igienizzazione
  • Notevole riduzione di volume (circa 90%)
  • Considerevole riduzione in massa (circa 80%)

Tuttavia, richiede:

  • Attenta gestione del processo
  • Controllo delle emissioni gassose
  • Smaltimento dei residui solidi

Incenerimento (schema d’impianto)

Un moderno inceneritore può essere considerato a tutti gli effetti come una medio-piccola centrale termoelettrica.
Il rifiuto in ingresso viene stoccato in una fossa dove viene omogeneizzato prima di essere caricato nel combustore.

La tecnologia di combustore più utilizzata e diffusa è quella a griglia mobile, orizzontale o inclinata, sulla quale il rifiuto avanza, viene rimescolato e, a contatto con l’aria, subisce la combustione con produzione di gas combusti e scorie.
Altri tipi di combustore industrialmente utilizzati sono quelle a tamburo rotante e a letto fluido. La prima è utilizzata principalmente per rifiuti industriali (solidi e liquidi) a elevato potere calorifico, mentre l’ultima è utilizzata esclusivamente per rifiuti pre-trattati come il CSS (Combustibile Solido Secondario).

I gas prodotti dal combustore attraversano la sezione di scambio termico (caldaia) dove cedono calore raffreddandosi. Il calore è solitamente sfruttato per produrre vapore, a sua volta utilizzato in una turbina per la produzione di energia elettrica o elettricità combinata a calore.

Prima di essere espulsi in atmosfera, i gas combusti subiscono una serie di trattamenti per abbattere le sostanze inquinanti (filtrazione delle polveri, neutralizzazione dei gas acidi, riduzione degli ossidi di azoto, absorbimento dei microinquinanti), con l’utilizzo di reagenti e la produzione di residui solidi e/o liquidi. Tali residui sono rifiuti speciali che possono essere recuperati e/o smaltiti.

Incenerimento (emissioni in atmosfera)

I gas combusti (fumi) prodotti dall’incenerimento dei rifiuti e scaricati, previa depurazione, in atmosfera contengono specie inquinanti in concentrazione inferiore ai limiti autorizzati che, normalmente, sono inferiori ai limiti stabiliti dalla normativa vigente (i più bassi tra quelli imposti a tutte le attività industriali). Le diverse tipologie di inquinanti sono:

  • Monossido di carbonio (CO): gas tossico, incolore e inodore, prodotto da incompleta combustione. La sua concentrazione è normalmente limitata a poche parti per milione ottimizzando la combustione del rifiuto.
  • Ossidi di azoto (NOX): principali imputati nella formazione di smog e particolato. La loro formazione è limitata ottimizzando la combustione del rifiuto, ma per soddisfare i limiti emissivi solitamente autorizzati sono necessari appositi processo di rimozione (riduzione) mediante reagenti ammoniacali.
  • Gas acidi (HCl, HF, HBr, H2SO4): creano problemi di corrosione e sono responsabili di piogge acide e smog. Sono normalmente rimossi (neutralizzati) tramite opportuni reagenti chimici alcalini (calce o bicarbonato di sodio).
  • Particolato (PM): solidi minuti trasportati dai fumi ai quali sono imputati effetti cancerogeni. Sono normalmente rimossi mediante opportuni sistemi di filtrazione (precipitatori elettrostatici, filtri a ciclone, filtri a maniche).
  • Diossine, furani (PCDD e PCDF) e, più in generale, composti organo-alogenati: composti tossici e facilmente assorbibili dagli organismi viventi. Sono normalmente presenti nei rifiuti. Sono termo-distrutti operando opportunamente la combustione del rifiuto. Possono riformarsi durante il raffreddamento dei fumi, nel qual caso sono rimossi (absorbiti) tramite carboni attivi.
  • Metalli: sostanze che vengono assorbite dagli organismi viventi, che poi non sono in grado di espellerli (avvelenamento). Si concentrano nel particolato e sono, pertanto, rimossi dai sistemi di filtrazione. Il mercurio, che è particolarmente volatile, è absorbito su carboni attivi.
  • Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA): sostanze cancerogene tipicamente trasportate dal particolato. Sono controllati grazie all’efficiente rimozione del particolato.

Incenerimento (residui solidi)

Ulteriori prodotti della combustione dei rifiuti sono i residui solidi, che sono legati sia alla presenza di ceneri nel rifiuto (scorie e polveri di caldaia), sia all’utilizzo di vari reagenti per la depurazione dei fumi (polveri leggere).

I principali residui solidi scaricati da un impianto di termovalorizzazione sono i seguenti:

  • Scorie di fondo griglia: costituite principalmente da sostanze inorganiche, come sali e metalli, possono contenere tracce di materiali incombusti (entro il limite normativo del 3% in massa su base secca). Sono raccolte dal fondo della camera di combustione. Sono normalmente sottoposte a specifiche analisi dalle quali risultano solitamente classificabili come rifiuto non pericoloso. Dalle scorie di possono recuperare metalli (ferrosi e non ferrosi, tra i quali anche metalli pregiati) e la parte rimanente può essere riutilizzata per la produzione di materiali da costruzione o come componenti per i sottofondi stradali.
  • Ceneri di caldaia e ceneri volanti: costituite dal materiale solido trascinato nei gas combusti, sono raccolte nella sezione di recupero energetico della caldaia (le prime) o dal sistema di depolverazione (le seconde). Possono essere classificate sia come rifiuto pericoloso, sia come rifiuto non pericoloso a seconda degli esiti delle analisi specifiche periodicamente svolte. Vengono stabilizzate/inertizzate e smaltite in opportune discariche, oppure recuperate come riempitivo di cave esaurite di salgemma.
  • Residui del sistema di trattamento fumi (spesso miscelati alle ceneri di caldaia / volanti): costituiti dal particolato non precedentemente abbattuto e dai composti solidi formatisi dopo l’iniezione dei reagenti. Sono normalmente classificati come rifiuto pericoloso, e possono essere sia smaltite in opportune discariche, previa inertizzazione, ovvero recuperate per la produzione di reagenti per il trattamento fumi rigenerati.

Pirolisi

La pirolisi è un processo di decomposizione termica della sostanza organica presente nel rifiuto che avviene in totale assenza di ossigeno atmosferico, a temperature comprese tra 300°C e 900°C: in queste condizioni le molecole organiche vengono rotte e, eventualmente, si ricombinano in strutture più semplici. Per il sostentamento del processo è solitamente necessario fornire calore (processo endotermico).
Normalmente, il processo origina tre differenti tipi di prodotti:

  • Gas pirolitico (syngas) principalmente costituito da idrogeno (H2), metano (CH4), monossido di carbonio (CO) e anidride carbonica (CO2) ;
  • Frazione solida (char) contenente carbonio solido e sostanze inorganiche.

Dal reattore di pirolisi si estrae una miscela gassosa che viene fatta condensare per separare il syngas dai condensabili (olio e acqua): il primo, dopo ulteriori trattamenti può essere utilizzato per fornire calore al reattore di pirolisi, ovvero per produzione di energia elettrica e calore; il secondo, invece, subisce un processo di separazione dell’acqua e può essere usato per produrre combustibili liquidi (tramite distillazione) o per generare energia elettrica e calore.

Gassificazione

La gassificazione è un processo d’ossidazione parziale, realizzato controllando accuratamente la quantità di ossigeno fornita al processo: in queste condizioni la sostanza organica è sia decomposta termicamente, sia parzialmente ossidata, in modo da produrre un combustibile gassoso (syngas), contenente specie combustibili quali principalmente monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2), con presenza di metano (CH4). La gassificazione del rifiuto non si propone, quindi, all’immediata fruizione del suo contenuto energetico, bensì la sua trasformazione in un vettore energetico, il syngas, che può essere utilizzato per la produzione di energia elettrica e calore conseguendo rendimenti potenzialmente superiori a quelli ottenibili utilizzando i rifiuti tal quali.
Il syngas può contenere composti volatili pesanti (tar), e può portare alla formazione di residui solidi (char) principalmente costituiti da carbonio solido e sostanze inorganiche.
La gassificazione può avvenire utilizzando diversi agenti gassificanti:

  • Aria: reagente più semplice e largamente impiegato, produce un syngas diluito e a basso potere calorifico;
  • Ossigeno: reagente pregiato, che deve essere appositamente prodotto e che produce un syngas a elevato potere calorifico;
  • Vapore: reagente che produce un syngas ricco di idrogeno (H2), a elevato potere calorifico, ma che rende il processo bisognoso di un apporto di calore dall’esterno.

La gassificazione presenta i seguenti vantaggi:

  • Potenziale maggiore recupero del contenuto energetico del rifiuto rispetto all’incenerimento;
  • Minore volume di gas da depurare rispetto all’incenerimento;
  • Possibilità di svariati utilizzi del syngas.

Tuttavia, presenta i seguenti problemi:

  • Gestione del processo estremamente complicata;
  • Produzione di syngas di difficile depurazione;
  • Presenza di gas tossici, infiammabili/esplosivi ad alta temperatura.