Descrizione impiantistica impianto di coincenerimento

La piattaforma impiantistica di recupero energetico da fanghi essiccati e CSS è suddivisa nelle seguenti sezioni:

1. Sezione di carico e alimentazione fanghi essiccati e CSS 2. Sezione di gassificazione e ossidazione syngas

3. Sezione di post-combustione 4. Sezione di recupero energetico 5. Raffreddatori a secco

6. A ia utilizzata dall’i pia to di coincenerimento

1. Sezione di carico e alimentazione

Il sistema di carico e alimentazione del combustibile, fanghi essiccati e CSS, dovrà essere tale da assicurare un flusso costante, controllabile e continuo al gassificatore.

Questo consiste in una benna a polipo che miscela e preleva il combustibile da una vasca in calcestruzzo armato opportunatamente impermeabilizzata. Successivamente il combustibile viene scaricato in una tramoggia dotata di una coclea di alimentazione che alimenta il gassificatore.

2. Sezione di gassificazione e ossidazione syngas Processo di gassificazione

Il p o esso di gassifi azio e u o dei iglio i e più effi ie ti etodi pe e upe a e l’e e gia o te uta i u ’a pia va ietà di ate iali utilizza ili o e o usti ile. La gassifi azio e i p ati a o ve te l’e e gia chimica contenuta nel combustibile in energia termica utilizzabile per produrre energia elettrica, per il riscaldamento civile ed industriale mediante teleriscaldamento e per gli usi interni, annullando di fatto gli apporti esterni di energia primaria necessaria all’attività i dust iale.

21 I substrati utilizzabili nel processo di gassificazione possono essere tutti i materiali contenenti una matrice a base di carbonio.

La caratteristica principale di tale tecnologia è che il combustibile, ovvero il materiale che viene effettivamente bruciato per ricavarne energia, non è quello solido in ingresso, come avviene invece negli impianti tradizionali di incenerimento, ma è un gas estratto dalla stessa materia solida. Questa è la profonda differenza tra la gassificazione e i processi tradizionali di incenerimento.

Il materiale solido utilizzato subisce, infatti, una serie di reazioni complesse, in assenza di aria, alla fine delle quali si sviluppa un gas ricco di idrogeno, chiamato gas di sintesi o syngas. Sarà questo gas estratto dal

ate iale solido il ve o o usti ile da ui si e upe e à l’e e gia te i a.

Alla fine del processo di gassificazione si otterrà un residuo solido non pericoloso, da cui sarà stata estratta tutta la parte con contenuto energetico. La quantità di tale residuo rappresenta circa il 20 % del materiale in ingresso.

La gassificazione termochimica è una tecnologia di conversione in cui il materiale organico reagisce con l'ossigeno per produrre principalmente monossido di carbonio (CO) ed idrogeno (H2). Il principio di funzionamento di questa tecnologia non è molto differente dalla combustione, dove il materiale organico reagisce anche in questo caso con l'ossigeno, sebbene i prodotti principali di reazione siano anidride carbonica (CO2) ed acqua (H2O . L’avere condizione di gassificazione o di combustione dipende dal rapporto aria combustibile scelto.

Pe ese pio, se assu ia o he la io assa a ia fo ula CHαOβ, possia o app ese ta e la gassificazione e la combustione rispettivamente:

Dalle entalpie di reazione, si nota una seconda differenza fra i due processi. La combustione è basilarmente una tecnologia di conversione di energia chimica di una sostanza in calore, mentre la gassificazione converte un vettore solido di energia chimica in un vettore gassoso di energia chimica. Il gas ottenuto dalla gassificazione può essere bruciato a sua volta, producendo la liberazione dell'energia chimica del gas sotto forma di calore.

22 Come agenti di gassificazione possono essere usati sia l'aria, sia l'ossigeno, sia il vapore, nel nostro caso viene usata aria come agente gassificante.

La gassificazione ha buone prestazioni su rifiuti omogenei a matrice organica e come nel caso in esame su una miscela di fanghi essiccati e CSS.

Nei processi chimici di gassificazione si individuano tre fasi distinte di reazione:

• pirolisi (FP)

• combustione

• riduzione del carbonio (CR).

La reazione di combustione nella zona FP è molto più veloce rispetto a quella di gassificazione nella zona CR, il che implica che la velocità globale di gassificazione della biomassa sia controllata dalla cinetica in CR.

La biomassa entra nella zona FP ad alta temperatura, dove è convertita in char (si tratta di un agglomerato di natura piuttosto complessa costituito principalmente da carbonio, ceneri, composti sulfurei e idrocarburi volatili, originato dalla pirolisi delle biomasse e/o dalla loro parziale combustione) e volatili.

La gassificazione del char avviene attraverso la successione di cinque passi:

1) diffusione dei reagenti attraverso il film stagnante che circonda la particella, fino alla superficie esterna della stessa;

2) diffusione del gas attraverso i pori verso il centro della particella;

3) adsorbimento, reazioni superficiali e desorbimento sulle pareti dei pori e/o sulla superficie esterna;

4) diffusione dei prodotti fuori dai pori;

5) diffusione dei prodotti attraverso il film stagnante verso l'ambiente gassoso di reazione.

Uno sugli altri, più di uno o addirittura tutti questi passi possono risultare determinanti nel processo di gassificazione, dipendentemente dalle condizioni di temperatura, pressione, composizione del gas e grado di avanzamento delle reazioni.

La combustione ha inizio quando i composti volatili reagiscono con l'ossidante. Il processo di pirolisi-combustione nella zona FP è dominato da reazioni esotermiche, i cui prodotti sono sostanzialmente C, CO2, H2O; in questa zona parte dei volatili sono crackizzati in CH4.

I prodotti uscenti così dalla zona FP vanno nella zona CR, dove dominano le reazioni endotermiche: il calore prodotto dai processi di pirolisi-combustione è qui trasformato in energia chimica dei prodotti di gassificazione, quali H2 e CO. Per la continuità, la concentrazione dei prodotti uscenti dalla zona FP dovrà uguagliare la concentrazione iniziale dei reagenti nella zona CR.

23 Evidentemente qui all' inizio la concentrazione di H2 e di CO sarà nulla, o perlomeno è possibile assumerla tale in prima approssimazione (in realtà non è così, soprattutto riguardo al CO che in genere si forma come incombusto durante la fase di combustione).

Fisicamente ciò può essere giustificabile dal fatto che, in pirolisi, si creano le condizioni termodinamiche e cinetiche affinché possa svilupparsi in maniera non trascurabile la reazione C + 2H2 = CH4 tra parte del carbonio e dell'idrogeno presenti nella biomassa; inoltre, un po' di metano è quasi certamente prodotto anche per cracking termico degli idrocarburi pesanti contenuti inizialmente nel combustibile.

Nella zona di riduzione del carbonio (CR) vige una temperatura variabile tra i 700°C e i

900°C: a temperature inferiori ai 900°C, il trasferimento di massa e la diffusione dei reagenti attraverso i pori delle particelle di carbonio sono processi più veloci rispetto alla reazione chimica, ne consegue che è la cinetica di quest'ultima il fattore di controllo della rapidità del processo globale di formazione del gas combustibile.

Nella zona CR avvengono le seguenti reazioni:

Il gassificatore

Il processo sopra descritto avviene in una macchina, molto compatta, chiamata gassificatore. La tecnologia, basata su sistemi di movimentazione orizzontale, permette la costruzione di impianti anche di notevole dimensione in spazi relativamente piccoli e a ridotto sviluppo verticale.

I esso vie e e upe ata tutta l’e e gia o te uta el ateriale in ingresso (fanghi essiccati e CSS nel caso specifico), e convertita in energia termica, mediante una serie di reazioni complesse molto differenti dalla o ustio e di etta i e e i e to , pe h o dotte i asse za o a e za d’a ia. Il p odotto ottenuto sa à u gas sy gas i o di id oge o, da ui si e upe e à effettiva e te l’e e gia te i a utilizza ile pe diversi scopi.

Nel gassificatore Il processo nel suo complesso avviene essenzialmente attraverso tre stadi: il primo è detto di pirolisi (figura sottostante riferimento (2)), il secondo di riduzione/gassificazione (figura sottostante riferimento (3)), il terzo di ossidazione/combustione (figura sottostante riferimento (4)). Il primo stadio di gassificazione (pirolisi) è un processo di decomposizione termochimica del combustibile ottenuto mediante l’appo to di alo e, a te pe atu e o p ese t a ÷ °C, i o pleta asse za di u age te ossida te. E’

possi ile ide tifi a e uesto stadio elle p i e piast e del letto di eazio e. Il se o do stadio della

24 gassificazione, e cioè la riduzione, comprende un gran numero di reazioni, sia esotermiche che endotermiche, che hanno luogo generalmente in una zona denominata letto di riduzione in cui è presente carbonio solido che reagisce con i prodotti della pirolisi, tale stadio rappresenta la gassificazione vera e p op ia ed ide tifi a ile elle piast e i te edie del letto di gassifi azio e. Il p i o ed il se o do stadio producono, oltre al syngas, dei residui di reazione solidi (char) e liquidi (tar). Il terzo stadio del processo è un ossidazione/combustione parziale dei prodotti solidi e liquidi della piro-gassificazione, char e tar. In questa fase, infatti, una parte delle sostanze carboniose prodotte nel primo e nel secondo stadio e parte del ate iale i i g esso so o u iati i sie e o e esso d’a ia, ispetto alla o dizio e ste hio et i a, con l'unico scopo di fornire il calore necessario alle reazioni endotermiche di piro-gassificazione.

Quest’ulti o stadio si ide tifi a i p ossi ità delle ulti e piast e . Il ife i e to del pe o so he segue il ate iale f e e pie e e il sy gas f e e t atteggiate a h’esso ipo tato sulla figu a sottostante.

Al fine di innescare il processo di gassificazione, la temperatura interna del reattore deve essere portata a circa 600-700 °C, per far ciò è installato a bordo macchina un bruciatore a gas naturale (figura sottostante ife i e to . Questo usato a he o e fo te ausilia ia di alo e el aso la te pe atu a all’i te o del gassificatore scenda al di sotto i 600 °C, quindi sotto la temperatura minima di gassificazione. Raggiunta la te pe atu a deside ata, isu ata t a ite te o oppie posizio ate all’i te o dello stesso, vie e introdotto il combustibile tramite un sistema di alimentazione (figura sottostante riferimento (1)) costituito principalmente da una tramoggia e da una coclea avente la parte finale senza spira. Successivamente il o usti ile vie e sospi to dal siste a di ovi e tazio e lu go le piast e dove avve a o le eazioni precedentemente descritte. Il syngas prodotto durante le due fasi di processo fin qui descritte (pirolisi e gassifi azio e si uove ve so l’alto se o do le leggi della e a i a lassi a, o t aspo ta do, ui di, sovrabbondanza di polveri dannose che andranno altresì a costituire le ceneri in uscita dal gassificatore (figura sottostante riferimento (5)). Il materiale solido e liquido, risultante dalla gassificazione, avanza verso l’ulti a piast a dove vie e u iato – ossidato con eccesso di comburente. Infine, le ceneri prodotte in uscita (figura sottostante riferimento (5)), vengono espulse tramite una coclea con tramoggia dotata di guardia idraulica, che direttamente a contatto con il reattore assicura la tenuta dello stesso.

Come si può intuire dalla figura sottostante riferimento (5), vi sono alberi a rotazione regolabile che sospi go o il ate iale sulle piast e al di sotto delle uali si t ova o i diffuso i di dosaggio ossida te necessario al processo. Il movimento rotatorio delle pale oltre a permettere lo scorrimento del materiale sulle piast e att ave so le va ie fasi di p o esso, pe ette a he la is elazio e del ate iale t a ite

i alta e to dello stesso ga a te do l’u ifo ità della eazio e te o hi i a i atto.

Il syngas prodotto viene bruciato direttamente nel reattore stesso (figura sottostante riferimento (7)), eli i a do osì i p o le i legati alla sua depu azio e. L’i issio e di o u e te, ella sezio e di combustione del syngas, avviene tramite bocchelli posti sulla parte superiore del reattore (figura sottostante ife i e to , e t e l’i es o della is ela sy gas/ o u e te ga a tito da u a fia a

25 pilota posta nella sezione di combustione del syngas, nella parte superiore del gassificatore (figura sottostante riferimento (9)).

Il gassificatore è rivestito internamente da strati di materiale refrattario ed isolante in maniera tale da ga a ti e l’otti ale dist i uzio e dei gas p odotti e o se ti vi u a te pe atu a assi a di ese izio pa i a 1100 °C, contrapposta a quella aggiu gi ile dall’i volu o este o di i a °C.

L’effi ie za e il o etto de o so delle eazio i sa a o ga a titi da u o ti uo o t ollo dei pa a et i di processo, ed in particolare del contenuto di ossigeno, della temperatura, del grado di ossidazione e della po tata d’a ia. Così fa e do si assi u a he il p o esso p odu a eal e te gas di si tesi, otti izza do il

e upe o e e geti o e i i izza do l’i patto a ie tale dovuto alle e issio i.

Figura - Gassificatore

3. Sezione di post-combustione

La post-combustione è un processo molto importante e deve necessariamente essere condotto in modo adeguato pe assi u a e u uo e di e to dell’i pia to sia dal pu to di vista energetico ma soprattutto dal punto di vista ambientale. In tale processo si va a completare l’ossidazio e o i iata ella a e a di

26 o ustio e. È ui di e essa io he all’i te o della camera di post-combustione ci siano condizioni ideali per permettere il completamento dell’ossidazio e delle sosta ze a o a hi i a e te attive.

Le condizioni che influenzano maggiormente il processo sono:

▪ Temperatura

▪ Tempo di residenza

▪ Tenore di Ossigeno

Il flusso dei fumi derivante dalla camera di combustione è composto: dai prodotti della gassificazione del combustibile e della combustione del syngas, dall’a ia p i a ia di o ustio e e dalle ceneri leggere trascinate dal flusso gassoso. I gas rilasciati nella fase di gassificazione sono sostanze complesse che vengono ossidate a CO2 durante la post- o ustio e, l’ossidazio e di tali sosta ze necessaria per evitare l’e issio e di sosta ze o ga i he o plesse ell’ at osfe a. La te pe atu a della a e a di postcombustione deve essere per normativa maggiore di 850°C , che rappresenta la temperatura di decomposizione di inquinanti organici clorurati formatisi durante la combustione come furani e diossine.

Tali sostanze dette microinquinanti hanno dei limiti di emissione in atmosfera molto bassi a causa della loro elevata tossicità.

La temperatura inoltre deve essere inferiore ai 1100°C, infatti a tale temperatura oltre all’au e to della velocità della produzione degli ossidi di azoto, si ha la fusione dei composti silicati le cui gocce trascinate si solidificano nelle tubature abbassando drasticamente il recupero del calore. Il mescolamento e quindi la turbolenza del flusso gassoso che si crea nel posto-combustore, in tale modo si migliora il contatto tra le sostanze da ossida e e l’ ossige o i iettato a monte della camera di post-combustione (aria in eccesso nella fase di combustione del syngas). Un buon mescolamento contribuisce inoltre a diminuire la produzione degli ossidi di azoto.

Per garantire le temperature desiderate, in uscita dal gassificatore e prima del post-combustore viene dosata aria (aria secondaria) per raffreddare i fumi di combustione e raggiungere le temperature deside ate. Le st u e tazio i di ui dotato l’i pia to, so de di te pe atu e, i ve te , e , ga a tis o o l’esatto dosaggio dell’a ia e il o etto a te i e to della te pe atu a.

Nella camera di post-combustione deve innanzitutto completare la combustione iniziata nella camera di combustione e quindi rompere le molecole degli idrocarburi presenti. Per raggiungere lo scopo sopracitato la normativa impone dei te pi di eside za dei fu i all’ i te o della a e a di post-combustione superiore a 2 se o di. L’alt o vi olo o ativo va i ve e a fissa e la te pe atu a i i a. Il valo e di temperatura minima imposta dalla legge e di 800°C, tale temperatura deve essere sempre mantenuta nella camera di post combustione. Il valore di 800°C corrisponde alla temperatura di decomposizione termica delle diossine.

Nella parte finale del post-combustore sono installati appositi deflettori che provocano una brusca variazione di direzione della corrente gassosa (fumi+ceneri): conseguentemente la maggior inerzia della

27 cenere provoca la sua separazione dai fumi. In questo modo si ottiene una depolverazione delle particelle più grossolane (superiori a 20 µ) dai fumi di combustione.

Inoltre nella parte finale della camera di post-combustione viene immessa urea (2(NH2)2CO) al 25% di ammoniaca per la rimozione degli ossidi di azoto ad alta temperatura, tale tecnologia verrà approfondita di seguito nel capitolo riguardante le emissioni. rettilineo a flusso verticale, assicurando così la costante pulizia delle superfici di scambio.

La sezione di recupero calore è costituita da:

• Recuperatore o scambiatore di calore fumi-olio diatermico

• Termocoppie e pressostati per il controllo della temperatura

• Quadro elettrico di comando e regolazione.

L’olio diate i o utilizzato o e fluido te ovetto e off e u e osi va taggi, t a ui la assa p essio e nello scambiatore, l’elevata i e zia te i a, la se pli ità di egolazio e e gestio e o e essa ia la presenza di un operatore patentato).

L’e e gia te i a e upe ata dalla gassifi azio e del combustibile tramite uno scambiatore di calore viene convertita in energia elett i a edia te l’utilizzo di u tu oge e ato e ORC O ga i Ra ki e Cy le ad olio diatermico. I moduli ORC inoltre forniscono acqua calda a 80°C utilizzata come fluido caldo per l’essi azio e fa ghi, il alo e i e esso o utilizzato pe l’essi azione viene smaltito mediante dei raffreddatori a secco, che fungono anche da dissipatore di emergenza in caso di non funzionamento della linea 2.

progetto dell'impianto si basa sui seguenti criteri:

▪ L'impianto è costituito da un modulo facile da trasportare e da installare, preassemblato e provato in fabbrica.

▪ L'impianto utilizza al suo interno, in circuito chiuso, un fluido di lavoro organico sicuro dal punto di vista sia dell'ambiente sia della salute.

▪ Il funzionamento dell'impianto è completamente automatico e richiede poca manutenzione.

▪ Il generatore elettrico è di tipo asincrono e a bassa tensione, per permettere un accoppiamento più semplice e sicuro alla rete.

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▪ L’i te a i stallazio e ed i pa ti ola e la tu i a so o p ogettati pe esse e se pli i ed affida ili, a basse velocità.

Nella figura sottostante è riportato lo schema di principio del collegamento del turbogeneratore ai circuiti dell'olio proveniente dalla caldaia e dell'acqua di raffreddamento.

Il modulo a fluido organico ORC (da Organic Rankine Cycle) include:

▪ Preriscaldatore (olio diatermico /fluido di lavoro) : scambiatore a piastre in acciaio inox saldato laser.

▪ Evaporatore (olio diatermico / fluido di lavoro): scambiatore a fascio tubiero realizzato con tubi di acciaio al carbonio con alettatura integrale. Piastre tubiere, coperchi e piping: in acciaio al carbonio.

▪ Rigeneratore (fluido di lavoro / fluido di lavoro): scambiatore a pacco alettato.

▪ Condensatore (fluido di lavoro / acqua di raffredamento): scambiatore a fascio tubiero con tubi di rame con alettatura integrale. Piastre tubiere, coperchi e piping in acciaio al carbonio.

▪ Valvole ammissione vapore e di intercettazione, di avviamento e di by-pass con il relativo piping.

▪ Pompa di circolazione del fluido di lavoro.

▪ Generatore elettrico asincrono, bassa tensione.

▪ Turbina con i relativi accessori.

▪ Quadri di controllo dell'impianto.

▪ Ausiliari del turbogeneratore (sistema di lubrificazione, pompa del vuoto, ecc.) e relativi quadri.

▪ Quadro con interruttore di macchina.

▪ Consolle di comando per l'operatore.

▪ PC per il monitoraggio e la supervisione del turbogeneratore, installato esternamente al modulo ORC, in una stanza adibita appositamente, messa a disposizione dal cliente.

Il ciclo termodinamico e lo schema dei componenti che lo realizzano sono riportati nella figura sottostante (valori indicativi):

29 Il turbogeneratore utilizza l'olio diatermico ad alta temperatura per il preriscaldo e la vaporizzazione di un adatto fluido organico nell'evaporatore (8-3-4). Il vapore organico espande in una turbina (4-5), accoppiata direttamente al generatore elettrico tramite un giunto elastico. A valle della turbina il vapore entra in un rigeneratore (5-9) dove riscalda il liquido organico (2-8). Quindi il vapore è condensato nel condensatore, raffreddato dall'acqua del circuito di raffreddamento (9-6-1). Il liquido organico è infine pompato (1-2) nel rigeneratore e da qui nell'evaporatore, completando così la sequenza di operazioni nel circuito chiuso.

Sarà adottato un fluido della classe dei Silossani sulla base delle seguenti considerazioni:

▪ Proprietà termodinamiche favorevoli che comportano alti rendimenti di ciclo (introduzione di calore ad alta temperatura grazie alla rigenerazione, espansione in assenza di liquido, salto entalpico favorevole in turbina).

▪ Sicurezza per l'ambiente e per la salute, con un fattore di danneggiamento della fascia di ozono nullo (ODP (Ozone Depletion Potential) = 0). Il fluido è infiammabile, ma con un flash point relativamente alto (34°C). I "centri di pericolo" che non possono essere eliminati vengono circoscritti attraverso un involucro ventilato con aria prelevata dall’este o e poi espulsa, i accordo alla normativa vigente.

5. Raffreddatori a secco

Il fluido o ga i o i fase vapo e, dopo l’espa sio e i tu i a e la essio e di alo e el ige e ato e, vie e condensato nel condensatore raffreddato ad acqua. Questa es e dall’u ità oge e ativa a 80°C e deve

30 essere raffreddata fino alla temperatura di 60 °C. Parte del calore, vie e utilizzato dall’essi ato e pe l’essi a e to dei fa ghi u idi, e t e la esta te uota di alo e vie e s altita mediante dei raffreddatori a secco realizzati in componenti modulari in acciaio zincato a caldo, verniciati a polvere e resistenti a corrosione. Le batterie di scambio sono disposte a V e costituite in tubi di rame secondo geometrie a passo sfalsato e alette in alluminio corrugate e ondulate ad alta efficienza. Il siste a di ovi e tazio e dell’a ia

30 essere raffreddata fino alla temperatura di 60 °C. Parte del calore, vie e utilizzato dall’essi ato e pe l’essi a e to dei fa ghi u idi, e t e la esta te uota di alo e vie e s altita mediante dei raffreddatori a secco realizzati in componenti modulari in acciaio zincato a caldo, verniciati a polvere e resistenti a corrosione. Le batterie di scambio sono disposte a V e costituite in tubi di rame secondo geometrie a passo sfalsato e alette in alluminio corrugate e ondulate ad alta efficienza. Il siste a di ovi e tazio e dell’a ia