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dossier:		SMALTIMENTO DEI RIFIUTI
Riccardo Chirone Primo ricercatore presso l'Istituto di Ricerche sulla Combustione del CNR, Napoli
Gennaro Russo Direttore dello stesso Istituto
TRATTAMENTO TERMICO DI
RIFIUTI SOLIDI		INDUSTRIALI E CIVILI CON RECUPERO DI ENERGIA

PREMESSA

Il trattamento termico con recupero di energia dei rifiuti va analizzato in un ambito più generale che comprende i processi di combustione e gassificazione di combustibili solidi, fossili e non, che sicuramente è un settore tra quelli che più profondamente appaiono influenzati dalla mutevolezza degli scenari di politica energetica. Da un lato il protocollo di Kyoto imprime un cambiamento alle politiche energetiche nazionali imponendo riduzioni delle emissioni di gas responsabili dell'effetto serra. Per altro verso, le riserve mondiali accertate di carbone appaiono di gran lunga più cospicue e meglio distribuite di quelle relative ad altre fonti primarie fossili (gas naturale, petrolio). Emergenti si profilano tecnologie di combustione e gassificazione di combustibili alternativi, non fossili, quali biomassa, combustibili derivati da rifiuti e varie tipologie di residui industriali, viste sia in chiave di recupero energetico che di limitazione dei volumi di rifiuti da smaltire per via convenzionale. Infine, occorre tenere presente che i vincoli sempre più stringenti posti alle tecnologie di conversione energetica da considerazioni ambientali, a livello regionale, nazionale e mondiale, richiedono nel medio periodo la migrazione verso processi basati su tecnologie avanzate quali i sistemi di gassificazione integrati in cicli combinati o le combustioni e gassificazioni sotto pressione. Lo studio dei processi di combustione e gassificazione di combustibili solidi non convenzionali ha richiesto nel passato, e richiederà ancor più nel futuro, l'integrazione di competenze diversificate per la complessità e varietà dei fenomeni concorrenti. Questi sono collegati all'ampia variabilità dei parametri chimico-fisici dei combustibili di partenza. L'influenza della natura del combustibile sui meccanismi della conversione termochimica possono essere tali da condizionare significativamente le scelte di natura processistica ed impiantistica. A ciò si aggiunge la complessità del comportamento fluidodinamico di sistemi plurifasici in cui si sviluppano i processi reattivi.

esempi di combustibili
alternativi

La varietà e la mutevolezza degli scenari di riferimento ha da sempre impegnato l'Istituto di Ricerche sulla Combustione (IRC) del CNRin attività di ricerca strategiche, sia di base che di interesse industriale: Direzione del Sottoprogetto "Carbone Idrogeno" del Progetto Finalizzato "Energetica II"; partecipazione ai Progetti Finalizzati "Energetica" e "Trasporti II". L'IRC ha orientato le ricerche nel campo del trattamento termico dei rifiuti, da un lato, alla ottimizzazione dei sistemi di generazione di energia che utilizzano fonti energetiche alternative, quali quelle ricavabili da sottoprodotti da cicli di produzione e consumo in vari comparti civili o industriali, dall'altro alle ripercussioni che le tecnologie di combustione utilizzate, in particolare i reattori a letto fluido, hanno in termini di impatto ambientale. In realtà ciò che si è cercato di perseguire è una sempre maggiore flessibilità sia in termini di tipologia di combustibile che di tecnologie di combustione. In riferimento a queste tematiche l'Istituto ha partecipato a differenti iniziative di ricerca sia a livello comunitario, Progetti Environmental e Brite, sia a livello nazionale, Progetto Strategico "Aree Metropolitane ed Ambiente", Programma Operativo Ricerca Sviluppo Tecnologico ed Alta Formazione nell'ambito del Progetto di ricerca "Processi termici con recupero di energia per lo smaltimento di fanghi e rifiuti speciali anche pericolosi". L'Istituto svolge la sua attività in stretta collaborazione con diverse istituzioni internazionali di ricerca ed università, quali il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università di Napoli "Federico II", il Massachusetts Institute of Technology (USA), la Sandia National Laboratories (USA), la School of Engineering (USA), il Department of Fuel and Energy della University of Leeds (UK), il Department of Industrial Processes and Products dell'Università di Twente (Holland), la Electricité de France (Francia), il Cerchar (France), il Laboratorie de Combustion et Systèmes Reactifs del CNRS (Francia), con altri Istituti del CNR, quali l'Istituto Motori, l'IRSA, e con diverse industrie quali Ansaldo, Enel, Fiat, Eniricerche.

ATTIVITA' DI RICERCA CONDOTTA DALL'IRC

Le attività, condotte prevalentemente nell'ambito di convenzioni di ricerca, hanno riguardato studi rivolti alla fattibilità e all'ottimizzazione della combustione in letto fluido di combustibili non convenzionali. In particolare, si è voluto verificare l'efficacia di soluzioni processistiche, quali alimentazioni sommerse di combustibile, utilizzo di opportune distribuzioni granulometriche di materiale del letto, immissione di più correnti di aria in opportune sezioni del reattore, al fine di controllare l'entità dei livelli termici, il carattere ossidante/riducente, l'entità dei fenomeni segregativi. In riferimento alla tecnologia di combustione in apparecchiature a letto fluido va rilevato che attualmente la maggiore attenzione posta al contenimento di emissioni inquinanti ha rivitalizzato l'interesse per questa tecnologia di combustione, specie con riferimento ai combustibili alternativi. Sono queste le motivazioni alla base dell'attività di ricerca condotte dall'IRC in tale campo, finalizzate ad affrontare importanti problemi di protezione ambientale e recupero energetico. In tale ambito vanno inquadrati gli studi condotti sulla desolforazione in corso di combustione di ligniti ad alto contenuto di zolfo, quali quella Italiana del Sulcis, lo smaltimento con recupero di energia di rifiuti industriali e civili quali coke metallurgico grafitizzato (prodotto dall'industria degli elettrodi di grafite), pneumatici usati, ebanite e materiale composito (prodotti dall'industria automobilistica), fanghi civili (prodotti dal trattamento di reflui urbani). In tutti i casi l'obiettivo comune è stato l'individuazione di una tecnica di combustione che consenta un recupero energetico a basso impatto ambientale. Parallelamente a queste attività e ad esse correlate sono le attività di ricerca per la messa a punto di tecniche ottiche per il monitoraggio di emissioni industriali e civili, in cui l'IRC è impegnato nell'ambito del Programma Operativo Ricerca Sviluppo Tecnologico ed Alta Formazione nell'ambito del Progetto di ricerca "Sistemi di Monitoraggio dell'Inquinamento Atmosferico nelle Aree Urbane ed Industriali". Tale attività, che può avere interessanti ricadute nel settore degli impianti di incenerimento, è frutto dell'esperienza maturata nell'Istituto sullo sviluppo di tecniche ottiche di avanguardia per la caratterizzazione di sistemi reagenti complessi.

combustione di singole particelle di tdf in letto fluido bollente

Il trattamento termico di residui dalla rottamazione di autoveicoli e di combustibili derivati dai rifiuti (CDR).

L'attività di ricerca inerente allo smaltimento con recupero di energia di residui dalla rottamazione di autoveicoli è stata finanziata dal Consorzio FISIA sul Progetto "Tecnologie di smaltimento e/o recupero di materiali da prodotti di larga diffusione" ed ha riguardato lo studio del processo di combustione in letto fluido nelle due configurazioni bollente e circolante di pneumatici esausti, residui polimerici ed ebanite. L'obiettivo era quello di individuare le condizioni di processo in grado di limitare le emissioni di particolato fine negli effluenti gassosi. La riduzione del particolato rappresenta un aspetto critico specie nel caso del trattamento termico di pneumatici esausti che hanno una forte propensione a subire i fenomeni di comminuzione, specie durante la fase di riscaldamento iniziale e relativa emissione di materie volatili. La strategia proposta, basata sull'alimentazione a stadi dell'aria di combustione, ha dimostrato di sortire effetti benefici non solo sul carico di solidi negli effluenti, ma anche sul contenimento delle emissioni in riferimento al monossido di carbonio. Per quanto riguarda l'attività di ricerca inerente al trattamento dei combustibili ricavati dai rifiuti, lo studio ha permesso di individuare le condizioni di esercizio di caldaie a letto fluido circolanti, in grado di garantire una composizione dei gas esausti anche inferiori ai limiti di legge. È stato inoltre evidenziato il ruolo critico svolto dalla zona primaria, quella al di sotto dell'immissione di aria secondaria, del combustore e del sistema di alimentazione del combustibile stesso nella definizione delle condizioni di reazione, in particolare sui profili di concentrazione di gas nel reattore.

La combustione in letto fluido di fanghi.

Lo studio ha preso in esame la verifica su scala da laboratorio della possibilità dell'incenerimento di tali rifiuti in combustori a letto fluido bollente. Gli aspetti investigati hanno riguardato le emissioni solide e gassose dal reattore. L'attività, a carattere prevalentemente sperimentale, ha evidenziato che i fanghi possiedono un'elevata reattività ed una tendenza irrilevante alla produzione di particolato carbonioso incombusto. Per quanto concerne le emissioni gassose, queste sono fortemente dipendenti dai processi di combustione nella zona di disimpegno del reattore. È stato inoltre possibile identificare le condizioni di esercizio ottimali da utilizzarsi per il trattamento in letto fluidizzato di fanghi essiccati. La ricerca è stata finanziata con i Fondi Strutturali europei del Programma Operativo Ricerca Sviluppo Tecnologico ed Alta Formazione del Progetto di ricerca "Processi termici con recupero di energia per lo smaltimento di fanghi e rifiuti speciali anche pericolosi", programma coordinato dall'Istituto di Ricerca sulle Acque del CNR e sviluppato in collaborazione con l'Istituto sull'Inquinamento Atmosferico del CNR e con due Dipartimenti Universitari, il Dipartimento di Ingegneria dell'Innovazione dell'Università di Lecce ed il Dipartimento di Scienza dell'Ambiente e del Territorio dell'Università degli Studi di Milano.

Combustione in letto fluido non convenzionale di particolato carbonioso.

Lo studio è stato rivolto alla messa a punto e verifica delle prestazioni di un prototipo in scala di laboratorio di reattore a letto fluido vibrato acusticamente per la combustione di particolato carbonioso a forte carattere coesivo, quale quello costituito dalle ceneri raccolte allo scarico di gassificatori a letto fluido di carboni o dalle ceneri prodotte da bruciatori ad olio combustibile e captate dal precipitatore elettrostatico. La sperimentazione ha permesso di verificare il vantaggio nell'utilizzare combustori a letto fluido sonorizzati che, se opportunamente dimensionati per quanto concerne l'intensità e la frequenza del campo acustico applicato, sono in grado di aumentare l'efficienza di combustione riducendo contestualmente le emissioni solide di circa il 50%.

La combustione di emulsioni acquose di idrocarburi.

Lo studio ha riguardato un'attività a prevalente carattere sperimentale condotta con un combustore a letto fluido bollente di scala pilota, 370mm ID, rivolta alla verifica della fattibilità di utilizzare combustori a letto fluido alimentati con sospensioni liquido-solido costituite da emulsioni di oli minerali e bitumi in acqua (ORIMULSION^R). Questo tipo di materiale combustibile, caratterizzato da interesse tecnologico dal punto di vista energetico, poiché è un materiale estremamente economico con elevato potere calorifico, presenta una serie di problematiche connesse con: il notevole contenuto di acqua, lo sviluppo di elevate quantità di materie volatili, l'assenza di residuo solido, la presenza di metalli pesanti e di componenti che potrebbero indurre la defluidizzazione per agglomerazione del letto, l'elevato contenuto di zolfo. L'attività di ricerca ha permesso di individuare le condizioni di esercizio in grado di massimizzare l'aliquota di combustibile convertito nel letto ed i livelli di efficienza della desolforazione in situ ad opera di dolomite.

 

Summary
	The activity of IRC within topics which generally aim to improve energy production systems, is the study for use of alternative energy sources, as those which can be obtained from waste materials from production cycles and from civil and industrial wastes, for reduction of environmental impact, for evaluation and prevention of risks related to industrial processes that use such fuels.	Results obtained by operation of bench scale fluidized bed combustors are checked against results from experiments obtained with a pre-pilot scale combustor (370 mm ID) operated continuously. The activity carried out in Naples on the fluidized bed combustion of different waste derived fuels indicates that with an optimum design of the operative conditions the process is attractive.