PROBLEMATICA DEL RECUPERO DI ENERGIA DA RIFIUTI

Problematica recupero di energia - 01.02.05

1

PROBLEMATICA DEL

RECUPERO DI ENERGIA DA RIFIUTI

POLITECNICO DI MILANO

Sede di Piacenza

I PERCORSI DI RECUPERO ENERGETICO A VALLE DELLA RACCOLTA DIFFERENZIATA

Corso di Aggiornamento del Politecnico di Milano 31 gennaio - 03 febbraio 2005

Prof. Stefano Consonni

Dipartimento di Energetica

Politecnico di Milano

Problematica recupero 2 Solidi volatili:

atomi C, H, O N, S, Cl, F, etc.

Umidità (PCI < 0)

Ceneri (PCI = 0) (PCI > 0)

carta e cartone

vetro

plastica

organico inerti

tessili

metalli

Composizione Merceologica:

classifica i componenti sulla base di caratteristiche fisiche macroscopiche rilevabili visivamente

Composizione Elementare:

classifica i componenti sulla base della composizione chimica, rilevata con prove di laboratorio

CARATTERIZZAZIONE RSU

Problematica recupero di energia - 01.02.05

3

COMBUSTORE A PRESSIONE

COSTANTE

Rifiuto a

temperatura Tr

Aria a

temperatura Ta

Prodotti a

temperatura Tp

Calore

atomi

C, H, O, N, S, Cl, etc.

+ umidità + ceneri

O2, N2

CO2, H2O, O2, N2, SO2, HCl, scorie, etc.

La materia che costituisce il RSU può liberare energia termica attraverso un processo di combustione, nel quale:

atomi C → CO

+ calore atomi H → H

O + calore atomi S → SO

+ calore

e inoltre:

atomi Cl → HCl

atomi N → N

, NO, NO

, etc.

ENERGIA DA RSU

Problematica recupero 4

POTERE CALORIFICO INFERIORE (PCI)

PCI [J/kg o kcal/kg] è il calore liberato dalla completa ossidazione dell’unità di massa di RSU [1 kg] alle condizioni di riferimento (1 atm, 25°C) nel caso in cui tutta l’acqua nei prodotti di combustione sia allo stato di vapore.

Indicando con:

y

= frazione massica dei solidi volatili [kg

/kg

] y

= frazione massica di umidità [kg

/kg

]

y

= frazione massica di ceneri [kg

/kg

]

SV SV

ev Um

Ce

RSU PCI

PCI 1 h

y y

1

PCI ⎥ ⋅

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ + ∆

⋅

−

−

=

( _{Um Ce} ) _{SV Um ev}

ev Um

SV sv

RSU y PCI y h 1 y y PCI y h

PCI = ⋅ − ⋅ ∆ = − − ⋅ − ⋅ ∆

Problematica recupero di energia - 01.02.05

5

SOLIDI VOLATILI

In assenza di dati sperimentali (rarissimi !) la composizione elementare di ciascuna frazione può essere ipotizzata sulla base della composizione dei materiali prevalenti in ciascuna frazione Potere calorifico può essere calcolato con formule empiriche come, per esempio, quella di Dulong-Berthelot:

S N

O H

C 22,5 y

8

1 y

y y 345

y 37 , kg 81

PCS kcal ⎟ + ⋅

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ − + −

⋅ +

⋅

⎥ =

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡

C Cl H O N S

Carta e cellulosici

46,4 0,7 6,4 46,1 0,2 0,2

Legno/Biomassa

49,1 0,0 6,3 44,4 0,1 0,1

Plastica

65,2 2,7 7,9 24,2 0,0 0,0

Vetro e inerti

46,5 12,0 6,5 35,0 0,0 0,0

Metalli

46,5 8,0 6,5 39,0 0,0 0,0

Organico

45,7 0,0 7,1 45,7 1,4 0,0

Sottovaglio

58,6 1,0 4,0 36,0 0,2 0,2

frazione volatile secca (RRD - umidità - ceneri)

% in peso

PCS Dulong kcal/kg

4025 4308 7017 4560 4387 4194 4635

PCI kcal/kg

3690

3976

6604

4219

4046

3819

4425

Problematica recupero 6

DAI SOLIDI VOLATILI ALL’RSU

Umidità Ceneri

% %

Carta e cellulosici 14,0 5,0 Legno/Biomassa 22,0 1,5

Plastica 6,0 9,0

Vetro e inerti 4,5 95,0

Metalli 4,5 95,0

Organico 70,0 9,0

Sottovaglio 30,0 35,0

PCI kcal/kg

2907 2913 5579

-5 -6 394 1374

conc.

% peso 25,0

6,0 19,0

3,5 3,5 31,0 12,0 per 1 kg RRD 31,58 16,69 2248 100,0

per 1 kg SV 4701

PCI, MJ/kgRSU 9,41 PCI, MJ/kgSV 19,68

valore ipotizzato

valore calcolato

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Essendo

∆h _ev ≈ 2,5 MJ/kg PCI _SV ≈ 20 MJ/kg

Variazioni con tenore di umidità e di ceneri

0 20 40 60 80 100

umidità, % 0

2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

PCI, MJ per kg di RSU

ceneri 0%

ceneri 15%

ceneri 30%

ceneri 45%

campo

operativo della termoutilizzazione

PCI Solidi Volatili = 20 MJ/kg

⎥⎦ ⎤

⎢⎣ ⎡ − − ⋅

⋅

⎥ ≈

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡

8 y 9

y 1 20

kg PCI MJ

Um Ce

RSU

Problematica recupero 8

CONFRONTO CON COMBUSTIBILI FOSSILI

Gas nat.

Olio

Carbone

Lignite

RSU

CDR

Biomassa 0

10 20 30 40 50 60

PCI, MJ/kg

Problematica recupero di energia - 01.02.05

9

CONFRONTO CON COMBUSTIBILI FOSSILI

Gas nat.

Olio

Carbone

Lignite

RSU

CDR

Biomassa 0

5 10 15 20 25 30 35

Ceneri, % in peso

Problematica recupero 10

PROBLEMATICA RECUPERO ENERGIA DA RSU

1) Potere calorifico modesto per cui, a parità di potenza:

– grandi portate → grande consumo ausiliari

– grandi dimensioni → grandi costi di investimento

2) Contenuto significativo di elementi che possono dar luogo a composti tossici (Cl, F, Br, metalli pesanti, etc.) → problemi di impatto ambientale + corrosione

3) Composizione (e caratteristiche fisiche) dei rifiuti pressoché incontrollabili → indispensabile massima flessibilità degli impianti di trattamento

4) Taglia di impianto molto inferiore a quella tipica di

un impianto a combustibile fossile → prestazioni

modeste e costi elevati

Problematica recupero di energia - 01.02.05

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CONSUMO AUSILIARI

5 0

1 0 0 1 5 0

2 0 0 2 5 0

3 0 0 3 5 0

4 0 0 4 5 0

5 0 0 5 5 0

6 0 0 Capacità, migliaia tonn/anno

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Pel ausiliari, % di PCI RSU

trasf. e rete el.

servizi vari ventilatori

ciclo a vapore tratt. fumi e ceneri movim. RSU

combustore

conservativo

Problematica recupero 12

Syngas - Biogas

+ Energia termica Energia elettrica

Selezione

Combustione Gasificazione Gasificazione diretta Fermentazione in discaricaPirolisi turbogas, motore alternativo

Ciclo a vapore

Rifiuti

Combustione Combustione Combu- stione

Vapore in pressione RDF

PERCORSI PER IL

RECUPERO DI

ENERGIA DA RSU

Problematica recupero di energia - 01.02.05

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Pirolisi e Gasificazione

1) Possibile confinare il trattamento per la rimozione dei composti inquinanti PRIMA della combustione

2) Possibile generare combustibile sintetico in pressione, con volumi e quindi costi ridotti

3) Possibile utilizzare il combustibile sintetico depurato in cicli a combustione interna (motori c.i., cicli combinati) ad alta efficienza

4) Possibile la produzione di combustibili commerciali per autotrazione o generazione di calore

5) Non sufficientemente affidabile ed economica per

applicazioni commerciali

Problematica recupero 14

Inerti

Metalli Ossigeno Acqua

Zolfo,Sali

Fanghi, Idrossidi

Trattamento acque Massa fusa

>1600°C 600°C

>2000°C 1200°C Rifiuti

< 90°C < 60°C > 30°C SCRUBBER

LAVATORE ACIDO-BASICO

INIEZIONE CARBONE ATTIVO PRESSA

Compressione

CANALE DI PRE-RISCALDAMENTO

Degassificazione

REATTORE

Gassificazione Lavaggio gas

Gas di sintesi

Gasificazione: tecnologia Thermoselect

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1 Caricamento 2 Spintore

3 Camera di combustione 4 Griglia

5 Generatore di vapore 6 Estrattore scorie 7 Raccolta ceneri sottogriglia

8 Sistemi di trasporto ceneri leggere

9 Sistema aria primaria 10 Sistema aria secondaria

1

2

3 4

5

8 10

7

9

6

COMBUSTORE A GRIGLIA ORIZZONTALE

Problematica recupero 16

Griglia a barrotti

Griglia a rulli

Problematica recupero di energia - 01.02.05

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Problematica recupero 18

Fiamma di

RSU su griglia

Problematica recupero di energia - 01.02.05

19

Parametri di combustione

1) Al fine di aumentare il rendimento di caldaia, è interessante adottare piccoli eccessi d’aria 2) Valore minimo dell’eccesso d’aria è

determinato dal tenore di ossigeno e/o dalla

temperatura dei prodotti di combustione

1.42

800 1,000 1,200 1,400

0 25 50 75 100 125 150

60 65 70 75 80 85 90

T prodotti di combustione, °C

E cces s o d' aria, % Calore recuperabile, % di pci

5.58 7.43

9.14 10.7

12.2

pci=2200 kcal/kg

perdite combustione 5%

scarico scorie a 600°C scarico pdc a 250°C

tenore di O2

nei fumi secchi

Problematica recupero 20

Temperatura dei prodotti di combustione

500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 800

900 1,000 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,600 1,700 1,800

PCI, kcal/kg

T pr odotti di combustione °C

O nei fumi secchi 6%

combustione

stechiometrica

campo operativo

dei combustori a griglia

oltre questo limite temperatura

griglia troppo elevata

sotto questo limite Perdite termiche,

scorie e incombusti 3,5% di PCI

letti fluidi

Problematica recupero di energia - 01.02.05

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Forno vs. Combustore

1) Negli impianti realizzati fino agli anni ‘70-’80, la camera di combustione era adiabatica (Forno) poiché per piccoli PCI del rifiuto il problema era riuscire a raggiungere effettivamente temperature di almeno 900°C

2) Negli impianti moderni la camera di combustione non

è adiabatica (Combustore), poiché per PCI elevati il

problema è limitare Tmax. Ciò viene realizzato

estraendo calore mediante pareti membranate nelle

quali scorrono i tubi dell’evaporatore (o

dell’economizzatore). Si parla in tal caso di

Combustore e Caldaia integrati

Problematica recupero 22

Combustore RSU con griglia a rulli

integrato con

caldaia verticale

Problematica recupero di energia - 01.02.05

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Combustore RSU con griglia a

barrotti integrato con caldaia

orizzontale

Problematica recupero 24

minima 100 % massima

CAR ICO T E RM ICO (Pot en za d i com b u s ti on e)

Diagramma di griglia del combustore

pci m inim o s en za prer isc ald o ar ia pci min imo pc i n om in al e

linee a pci costante pc i m

as si m o

aumento PCI del rifiuto

zon a c on pr eri sca ldo ari a c om bu ren te

minimo massimo 100 %

Zona di

sovraccarico

punto nominale

Problematica recupero di energia - 01.02.05

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air

primary air

MSW

to stack

grate combustor with integrated boiler

flue gas treatment

vapour to sec. air ash

flue gas recirc.

deaerator

steam turbine

Combustore a griglia +

ciclo Rankine a vapore

Problematica recupero

26

Verticale

Contenitore

Estrazione Scorie (Coclea Raffreddata)

Aria Primaria Fumi

Ricircolanti Sistema Alimento

Rifiuti Forno a

Letto Fluido Rotante

Silo Sabbia

Fumi a Caldaia

Vaglio Bruciatore Avviamento

Valvola per Sabbia

Bruciatore Post Combustione

Ugelli Aria Secondaria

Rifiuti o CDR

LETTO FLUIDO

1) Non è necessario alcun organo di sostegno del

materiale combustibile → evita problemi di materiali +

possibile funzionamento con alti PCI

2) Sabbia aumenta la capacità termica → maggiore

uniformità di funzionamento 3) Elevato tempo di residenza del materiale combustibile → più completa ossidazione di CO, HC, diossine, furani, etc.

4) Temperatura moderata → minori emissioni di NOx

5) E’ indispensabile che il

materiale introdotto sia in

PICCOLA PEZZATURA

Problematica recupero di energia - 01.02.05

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Letto fluido + ciclo Rankine a vapore

primary air

deaerator HP

feedwater heater

LP

feedwater heater ECO

ashes

EVA

SH

EVA

secondary air

RDF

solids + gas ricirculation

flue gas clean-up

to stack

steam turbine

condenser

Problematica recupero 28

Ciclo a vapore

‹ Temperatura massima non oltre 420-450°C per evitare problemi di corrosione del surriscaldatore

‹ Pressione massima non oltre 65-70 bar per evitare eccessiva formazione di liquido in turbina e limitare temperatura tubi evaporatore in camera di combustione

‹ Pre-riscaldo aria con vapore; no pre-riscaldatore Ljungstrom

‹ Pochi (se non zero) rigeneratori per limitare i costi e per limitare temperatura di mandata dell’acqua alla caldaia

‹ Rendimenti della turbina a vapore modesti in

conseguenza della piccola taglia

Problematica recupero di energia - 01.02.05

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plant size design parameter unit

small large

evaporation pressure 45 65

extraction for air pre-heating ⁽¹⁾ 2.6

deaerator pressure 2.0

condensation pressure

bar

0.08 0.06 gas temperature at SH inlet max 650 ⁽²⁾ steam temperature at SH outlet 400 440 gas temperature at ECO outlet 160 140

temperature of primary air 120

temperature of secondary air

°C

120 LP feedwater heaters ahead of deaerator 1 2

MP feedwater heaters none

flue gas recirculated % mass 15

flue gas oxygen content % volume 6.0 5.0 loss due to unburnt carbon ⁽³⁾ % LHV 0.8

Parametri ciclo a vapore

Problematica recupero 30

100 Energia RSU tal quale

96.3 Energia termica nei fumi

25.5 Energia elettrica lorda

3.7 Perdite termiche, incombusti e scorie

12.1 Energia nei fumi a 180 °C

1.0 Perdite termiche

1.1 Perdite elettriche e meccaniche

56.6 Calore al condensatore

1.1 Ausiliari ciclo a vapore 1.0 Ausiliari combustore

COMBUSTIONE DIRETTA + CICLO A VAPORE

83.2 Energia trasmessa al ciclo

1.0 Ausiliari RSU e trattamento fumi CombustoreCaldaia a recuperoCiclo termodinamicoImpianto

Flussi di energia per

un termo- utilizzatore

di piccola taglia di

ultima

generazione

Problematica recupero di energia - 01.02.05

Energia elettrica netta

31

11 Energia elettrica lorda

9.3

50 Perdite della fermentazione in discarica

1.2 Perdite elettriche e meccaniche 17.8 Calore nei fumi, acqua e olio

1.7 Ausiliari

20 Biogas non recuperabile (in atmosfera)

30 Biogas recuperato

100 Energia RSU tal quale

50 Biogas prodotto DiscaricaRecupero biogasmotore OttoImpianto

BIOGAS DA DISCARICA

Flussi di energia per

la

generazione di elettricità

da biogas di

discarica

Problematica recupero 32

Rendimento netto in funzione della sofisticazione di impianto

30 40 50 60 70 80 90 100 110 10

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

pressione di evaporazione, bar

rendimento elettrico netto, %

400 tonn/g pci 2400 kcal/kg

330 380 420 450 480 520

temperatura vapore uscita surriscaldatore, °C

240 200 180 150 130 120

temperatura fumi uscita caldaia, °C

0.15 0.12 0.10 0.07 0.05 0.05 punti calcolati

Rendimento termoutilizzatore

a griglia al variare dei parametri del

ciclo

termodinamico

Problematica recupero di energia - 01.02.05

33

0 100 200 300 400 500 600 700 800 16

18 20 22 24 26 28 30 32

MSW treatment capacity, 1000 t/y

n e t e le c tr ic e ffi c ie n c y , %

0 39 77 116 154 193 231 270 309

500 556 611 667 722 778 833 889 combustion power, MWt

ne t e le c tr ic k W h pe r t o n o f M S W

conservative

design ^{MSW LHV}

10 MJ/kg advanced

design

Effetto scala sul rendimento netto

Problematica recupero 34

Impianto AMSA Milano

Impianto ASM Brescia tonn/h 3 x 14,7 2 x 23 Capacità

nominale MW

del combustore 3 x 61,5 2 x 88,3

pressione, bar 50 60

Vapore

ammissione

turbina temperatura, °C 440 450

Raffreddamento condensatore ad acqua ad aria Pressione di condensazione, bar 0,05 0,10

Rigeneratori ciclo a vapore si si

Temperatura fumi uscita caldaia, °C 150 130

potenza, MW

59,1 54,7

Produzione elettrica

lorda rendimento, % 32,0 31,0

potenza, MW

51,1 49,2

Produzione elettrica

netta rendimento, % 27,7 27,8

Esempio prestazioni impianti di grande taglia

(solo generazione elettrica)

Problematica recupero di energia - 01.02.05

35

Conclusioni

‹

Problematica del recupero di energia da RSU dominata dalla caratteristiche del “combustibile rifiuto”:

–

PCI basso

–

generazione di inquinati

–

imprevedibilità delle caratteristiche del combustibile

–

taglia molto piccola rispetto a centrali termo-elettriche

‹

Negli impianti moderni, soluzione combustore+caldaia integrati ha sostituito il vecchio “forno di incenerimento”

‹

Letto fluido consente di raggiungere rendimenti di produzione elettrica circa uguali alla griglia. Indispensabile che la pezzatura del materiale sia controllata

‹

Nel campo di taglie rilevanti per il nostro Paese, fortissimo

effetto scala sulle prestazioni (e sui costi). Auspicabile la

realizzazione di impianti da almeno 200-300.000

tonnellate/anno

Problematica recupero 36

raccolta differenziata 15%

66500 tonn carta

69950 tonn vetro e inerti

2200 tonn RUP 11350 tonn

metalli

850.000 tonn

118250 tonn scorie

613525 MWhe

54000 tonn organico e legno

raccolta differenziata 25%

79750 tonn carta

95650 tonn vetro e inerti

5500 tonn RUP 15100 tonn

metalli

750.000 tonn

80500 tonn scorie

588500 MWhe

117050 tonn organico e legno

raccolta differenziata 35%

108200 tonn vetro e inerti

8800 tonn RUP 36200 tonn

metalli

650.000 tonn

47500 tonn scorie

587240 MWhe 79750 tonn

carta

Combustore a griglia

Combustore a griglia

Combustore a griglia

Problematica recupero di energia - 01.02.05

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