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Giuseppe Langella » 17.Generatori di vapore e termovalorizzazione - Parte Prima


Premessa

Un termovalorizzatore è un impianto nel quale vengono bruciati diversi tipi di rifiuti; in particolare le caratteristiche tecnologiche di un termovalorizzatore cambiano a secondo del tipo di rifiuto da trattare. Quando si parla di termovalorizzazione emergono due aspetti fondamentali legati a questo tipo di processo: in primis, la riduzione in peso e volume dei materiali, e poi il recupero energetico in seguito alla combustione della frazione dei rifiuti adatta ad essere bruciata.

Nella maggior parte dei casi nel termovalorizzatore è integrato un generatore di vapore, alimentato dal calore prodotto dalla combustione dei rifiuti, in forma “tal quale” o di CDR (combustibile derivato da rifiuti, o in inglese RDF, refuse derived fuel). Il CDR viene prodotto a partire dai rifiuti tal quali mediante operazioni di vagliatura che ne raccolgono solo le componenti ad elevato potere calorifico, producendo un “mix” più facilmente combustibile.

La combustione può avvenire con tecnologia a griglia o a letto fluido. In entrambi i casi nascono delle criticità specifiche dei generatori di vapore quali le problematiche di corrosione ad alta temperatuta dovuta ai composti del cloro. Particolarmente complesso è tutto il sistema di abbattimento degli inquinanti e di gestione delle scorie. Infine non sono da trascurare tutte le operazioni di manutenzione tipiche di tali impianti quali quelle periodiche di pulizia dei banchi tubieri soggetti al deposito di ceneri e quindi ad un peggioramento delle condizioni di scambio.

Combustione

La sezione dell’inceneritore nella quale si effettua il processo di combustione è detta camera di combustione, o fornace, o combustore. Nel corso degli anni, sono state sviluppate numerose tecnologie di realizzazione della fornace, che variano a seconda di diversi fattori, dei quali ci occuperemo più precisamente in seguito. Nella camera di combustione i rifiuti subiscono tre processi in diverse zone: nella prima zona sono sottoposti a essiccamento, accensione e pre-combustione; nella seconda zona si completa la combustione delle sostanze volatili ottenute nella prima zona; nella terza si realizza la trasformazione in scorie dei residui e il trasferimento alla fase successiva. La combustione è il processo più importante in tutto il processo di termovalorizzazione: essa è finalizzata alla massima produzione di energia termica e/o elettrica, e la sua efficacia è misurata in termini di efficienza di combustione. La temperatura alla quale si brucia il rifiuto è mediamente 850° C circa: questo valore della temperatura rappresenta un buon compromesso tecnico tra la necessità di ridurre la formazione di NOx , per via termica, favorita dalle alte temperature, e quella di ridurre il monossido di carbonio     (CO) e diossine, favorite dalle basse temperature.

Combustione

I gas provenienti dalla camera di combustione primaria sono ancora ricchi di composti inquinanti di vario genere; essi vengono inviati in una zona dove avviene la post-combustione a circa1200°C, in modo da distruggere tutte le molecole. Man mano che i fumi si allontanano dalla camera di post-combustione si raffreddano, favorendo così nuovamente la formazione di diossina. Per evitare questa nuova formazione di inquinanti, viene effettuato un brusco abbassamento della temperatura, in modo da diminuire i tempi di residenza nell’ intervallo di temperature favorevole alla formazione di questi pericolosi inquinanti. Un processo di combustione efficiente e uniforme è un fattore chiave per quanto riguarda la minimizzazione dell’impatto ambientale, in modo tale da ridurre la produzione di materiale incombusto e di inquinanti presenti nelle emissioni. L’entità di tale riduzione dipende dal design della fornace e da altri parametri di esercizio.

Per quanto concerne la  combustione, dobbiamo sottolineare che durante la fase di post-combustione (o combustione secondaria) vengono impiegati grandi eccessi d’ aria, affinché sia garantita la completezza delle reazioni di ossidazione. Infatti l’ossidazione in un processo di combustione dei rifiuti è difficoltosa, soprattutto a causa di condizioni fluidodinamiche sfavorevoli. Inoltre, possiamo definire questo processo di combustione “autotermico”, volendo in  questo modo sottolineare che non viene utilizzato ulteriore combustibile, sempre che il PCI si mantenga superiore a 800 kcal/kg.

Recupero energetico

I fumi provenienti dalla camera di post-combustione, ad una temperatura di circa950°Cattraversano una caldaia a recupero nella quale il calore da essi ceduto viene utilizzato per produrre vapore surriscaldato a pressione elevata; questo succede per le fornaci rivestite di refrattario, dove appunto un boiler situato a valle della fornace stessa riceve il calore dai gas di combustione. In questo caso, il vapore prodotto ammonta a 1,5-1,8 kgper ogni kg di RSU, assumendo come potere calorifico dei rifiuti pari a 10000 kJ/kg. Nelle fornaci più vecchie, maggiore è la larghezza della fornace, minore è il rapporto superficie-volume, in quanto è disponibile una superficie minore per raffreddare la fiamma; per fornaci di questo tipo sono richieste quantità di combustibile maggiori per prevenire il surriscaldamento della parete. Invece, nelle fornaci a pareti d’acqua, parte del refrattario è sostituita da pareti formate da tubi di acciaio disposti in maniera molto fitta, nei quali circola acqua. In fornaci simili il vapore prodotto è pari circa a3 kgper kg di RSU; è inoltre importante sottolineare che per queste fornaci l’efficienza di combustione è superiore rispetto a quelle rivestite di solo refrattario, in quanto gli eccessi d’aria utilizzati sono drasticamente più bassi (80% per i forni a tubi d’acqua contro 150% nei forni rivestiti da refrattario).

Trattamento fumi

La composizione dei fumi dipende sia dalle condizioni di combustione che dalla tipologia dei rifiuti introdotti. Dopo la fase del recupero energetico i fumi contengono biossido e monossido di carbonio, ossidi di azoto, ossidi di zolfo, acido cloridrico, metalli pesanti e altri composti aromatici.
L’impianto di trattamento dei fumi ha lo scopo di abbattere i macroinquinanti gassosi (come NOx, HCl, SOx, HF ..) il particolato solido (polveri) e dei microinquinanti diossine, furani, IPA, metalli pesanti. In particolare, in teminologia chimica s’intende per “abbattimento” quell’ insieme di operazioni che ha come scopo la depurazione, prima dell’immissione in atmosfera, degli effluenti gassosi provenienti da processi di combustione e da lavorazioni industriali, rimuovendone sostanze inquinanti, quali particelle solide o liquide in sospensione (fumi, nebbie, aerosol), gas e vapori, per mezzo di opportune apparecchiature. Per le particelle solide e liquide si impiegano dispositivi che si basano essenzialmente su metodi meccanici o fisici, come depolveratori, precipitatori elettrostatici e separatori a umido. Per i gas e i vapori si ricorre invece principalmente a colonne a carbone attivo, combustori e condensatori, tutti basati  su metodi chimici o chimico-fisici. Riportiamo qui una tabella riassuntiva delle varie apparecchiature usate per l’abbattimento.

Tecnologie di combustione

Il cuore di un impianto di termovalorizzazione è costituito dal forno (o camera di combustione), ovvero da quel settore dell’impianto in cui viene realizzata la combustione del rifiuto e che ne permette la stabilizzazione e il successivo recupero energetico. Dal suo funzionamento e dalla sua corretta gestione dipendono le prestazioni complessive del sistema. Le principali tipologie di combustore che sono impiegate odiernamente sono essenzialmente quattro:

  • Forni a griglia
  • Forno a tamburo rotante
  • Forno a letto fluido
  • Torcia al plasma

Per quanto riguarda le prime tre tipologie, esse hanno raggiunto una notevole maturità tecnica, gli studi più recenti sono concentrati sulla fase di post-trattamento e sul recupero termico. Invece le torce al plasma non sono ancora tecnologie avanzate come le altre, infatti la loro diffusione è molto limitata ed il loro utilizzo è riservato a impianti speciali a carattere sperimentale.

Forni a griglia

La tipologia di forno più utilizzata è senza dubbio quella dei forni a griglia, grazie alla semplicità e ai costi ad essi relativi molto bassi rispetto alle altre tecnologie. Principalmente i forni a griglia sono fabbricati da due grandi case produttrici, che sono la Martin GMBH (Germania) e la Von Roll-INOVA (Svizzera). Quest’ultima produce sia forni a tamburo rotante che forni a letto fluido.

A rigore, sarebbe possibile fornire un’altra classificazione delle camere di combustione, che si basa sulle tonnellate di rifiuti al giorno che l’impianto è capace di bruciare; a tal proposito distingueremo: combustori “municipali”, combustori industriali o commerciali, combustori di sludge. I combustori municipali riescono a smaltire quantità di rifiuti dalle 50 t/giorno in su.

Nei forni a griglia la combustione dei rifiuti viene realizzata su una griglia. Le potenzialità di queste unità oscillano tra le 40 e le 50 t/giorno per ogni singolo forno e, nel caso di impianti di maggiore impegno, anche 800-1000 t/giorno.

La griglia, che può essere fissa o mobile, ospita un letto di rifiuti, spesso circa 20 cm. A seconda delle configurazioni, la griglia può essere orizzontale o inclinata. La seconda soluzione è la più diffusa in quanto l’inclinazione sull’orizzontale facilita il movimento dei rifiuti al di sopra della griglia stessa. Le tendenze evolutive dei forni a griglia rendono, comunque, il confine tra fra le due tipologie molto labile; nei forni a griglia inclinata la tendenza è di ridurre l’inclinazione ed i sistemi di movimentazione della massa di rifiuti sulle griglie sono sempre più simili.

Griglia a controspinta

Questo tipo di tecnologia è senza dubbio la più idonea al trattamento termico dei rifiuti solidi urbani, riuscendo a mediare tra un’ottima efficienza di smaltimento e dei costi di gestione moderati. La modalità di funzionamento della griglia a controspinta può essere schematizzato come segue. La griglia è costituita da una serie di barrotti disposti in direzione parallela; tale griglia è inclinata rispetto all’orizzontale, in modo tale che i rifiuti, che scorrono su di essa, compiano una percorso in discesa. I barrotti hanno la funzione di ruotare in verso opposto alla direzione dei rifiuti, rallentando così la velocità di movimento della massa dei rifiuti in camera di combustione e aumentandone, di conseguenza il tempo di residenza. A partire da questa linea generale di funzionamento, nel corso degli anni questa tecnologia si è evoluta notevolmente, e tutt’ora è ancora oggetto di studi e di tendenze evolutive mirate ad un ulteriore miglioramento del processo di combustione.

I punti di forza della griglia a controspinta sono l’estrema versatilità per il materiale combustibile, l’assenza di sistemi di controllo della temperatura di combustione mediante spruzzamento di acqua, l’assenza di sistemi di triturazione e pre-trattamento dei rifiuti alimentati al forno, quindi, l’assenza di interventi di manutenzione straordinaria per la pulizia di questi che portino gli operatori a diretto contatto con i rifiuti solidi (negli ultimi venti anni acquistato sempre maggiori quote di mercato nella combustione dei rifiuti solidi).

Tecnologia MARTIN

Una tipologia di forno a griglia che trova larghissimo impiego è il  forno con griglia inclinata a controspinta ( tecnologia Martin).Si tratta di una griglia inclinata nella direzione del movimento costituita da diversi gradini. I gradini della griglia sono attrezzati con barrotti che ne ricoprono l’ intera superficie. I barrotti sono tipicamente realizzati in acciai temprati al cromo. L’ inclinazione della griglia è tale da permettere che la massa di rifiuti, per peso proprio, man mano che si consuma nel processo di combustione, scivoli sopra la griglia stessa. La distribuzione dei rifiuti sull’ intera superficie della griglia è garantita dal movimento delle sezioni. I barrotti di griglia eseguono, infatti, un movimento di attizzamento che cerca di spingere nuovamente il combustibile verso la sezione iniziale della griglia: un gradino su due subisce un movimento oscillatorio lento, detto appunto controspinta o spinta inversa, opposto all’inclinazione della griglia. Si genera così un movimento di circolazione che trattiene a lungo sulla griglia i pezzi di combustibile e mantiene lo strato in movimento continuo. Questo movimento, oltre ad agitare continuamente lo strato permette la continua miscelazione del rifiuto alimentato con la massa già in fase di combustione, estendendo la zona di combustione anche alle sezioni iniziali della griglia. L’aria di combustione primaria viene introdotta al di sotto della griglia, a seconda dell’applicazione, da 3 o 6 canali nel senso longitudinale della griglia, e raggiunge il letto di combustione attraverso stretti canali realizzati tra le teste dei barrotti.Essa assolve al ruolo di regolatore della combustione ed al raffreddamento della superficie della griglia. Il tempo di residenza può essere controllato, in funzione dell’ evolversi della combustione dei rifiuti sulla griglia, mediante regolazione del movimento dei barrotti e della sezione finale della griglia al di sopra del canale di scarico delle scorie.

Tecnologia MARTIN

Dalle pareti tubiere sovrastanti le sezioni iniziale e finale della griglia viene iniettata aria secondaria, attraverso ugelli orientabili, al fine di turbolenziare i gas combusti e favorire la combustione completa delle particelle sospese nel range di temperatura 1000-1200°C.

Le griglie sono presenti in moduli di larghezza compresa tra 1,5 e2,5 m. Per ogni linea è possibile assemblare fino a 8 moduli per una larghezza complessiva di15 m.

I forni con griglia orizzontale, sempre di tecnologia Martin , presentano alcune peculiarità rispetto alla categoria appena descritta. La griglia è formata da file di barrotti fissi e mobili. Le file adiacenti si muovono in maniera opposta realizzando così il movimento e la miscelazione di massa dei rifiuti. La griglia è suddivisa , per la sua lunghezza, in moduli, ciascuno con servomeccanismi per la movimentazione delle file di barotti e sistemi di alimentazione aria primaria propri. Nella configurazione standard i moduli sono 3 ed è possibile aggiungere diverse linee. La successiva tabella indica le caratteristiche principali degli impianti italiani che hanno adottato le tecnologie Martin di griglia a controspinta e griglia orizzontale.

Tecnologia Von Roll – INOVA e DUSSELDORF

La griglia a controspinta (tecnologia Von Roll-INOVA), presenta poche differenze nel principio di funzionamento e nell’ impiantistica rispetto ala concorrente Martin. Nel sistema Von Roll l’inclinazione della griglia fissa rispetto all’ orizzontale è di 18°. Anche qui la superficie della griglia è costituita da un insieme di barrotti fissi e mobili che effettuano un movimento di controspinta della massa da bruciare. La zona centrale della griglia, in questa tecnologia, è separata dalle sezioni iniziali e finali da dei salti, evitando che il materiale in fase avanzata di combustione (nella sezione centrale) e quello pressochè esausto (zona terminale) possano essere riportati indietro. A seconda delle caratteristiche del forno e del rifiuto alimentato è possibile combinare diversi moduli e prevedere diversi salti sulla griglia.

Una tipologia di combustore a griglia meno diffuso è il  forno Dusseldorf: in questo tipo di forno, la griglia è costituita da rulli inclinati, disposti “a cascata”. I rifiuti vengono lentamente rivoltati e spostati,passando da un rullo all’altro. I gas prodotti dal processo di combustione si muovono in direzione opposta a quella dei rifiuti in modo da essiccarli. I gas leggeri subiscono un processo di ignizione. L’aria viene insufflata da sotto la grata per raffreddare la grata stessa e per regolare il processo di combustione. Il sistema permette di modificare l’ immissione d’aria separatamente per ogni rullo.

Forni a TAMBURO ROTANTE

Questi forni, concettualmente molto semplici, sono costituiti essenzialmente da un tamburo rotante dotato di opportuna inclinazione (in genere 1-3%) per favorire il movimento del materiale quando sono alimentati con solidi.

La combustione del letto avviene per diretto contatto con la parete del forno, in molti casi rivestita di refrattario, mentre la carica del materiale avviene tramite opportune sezioni poste in corrispondenza di un’estremità del forno (testate di carico).

Lo scarico delle scorie e dei residui avviene all’estremità opposta rispetto alla testata di carico. I forni rotanti sono tipici forni a suola,per cui il contatto tra il combustibile formante il letto ed il comburente (aria di combustione) non è così efficace come per altri tipi di focolare (come nei forni a griglia, in cui l’aria viene insufflata attraverso il letto).

Tale contatto può essere incrementato tramite l’aggiunta di strutture interne che intensifichino la movimentazione del letto ed il contatto tra combustibile e comburente (ad esempio delle palettature che trascinano il materiale verso l’alto per poi farlo ricadere).

Forni a TAMBURO ROTANTE

In generale,la combustione delle sostanze volatili  che si generano nel processo  non è completamente garantita nel forno rotante ( a causa del mescolamento non sufficiente e dei tempi residenza che non appaiono del tutto sufficiente) per cui, specialmente quando questi sistemi vengono utilizzati per la combustione dei rifiuti, appare necessario a valle del forno l’addizione di strutture che permettono di raggiungere il completamento della combustione (camera di post-combustione).

I forni rotanti possono operare in equicorrente ed in controcorrente a seconda che il flusso dei gas e del letto avvenga nella medesima direzione o in senso opposto. Nella maggior parte dei casi essi operano in equicorrente , anche per evitare una più elevata estrazione di sostanze volatili che passerebbero allo scarico dalla parte dei gas caldi.

In conclusione possiamo dire che il forno a tamburo rotante rappresenta un sistema di incenerimento semplice ed affidabile, dotato di ampia elasticità che gli consente di adattarsi positivamente a condizioni di alimentazione differenti, che deve però essere opportunamente condotto. Sullo specifico rifiuto può fornire prestazioni inferiori a quelle di altri sistemi di incenerimento, ma tramite l’installazione di componenti ausiliari a valle del focolare (come la camera di post-combustione) è possibile ottenere prestazioni da ritenete globalmente soddisfacenti.

Forni a letto fluido

Il forno a letto fluido, che può essere del tipo bollente o ricircolante, è particolarmente adatto per la combustione delle frazioni di RU a più elevato potere calorifico come CDR, residui plastici ecc. Infatti il reattore a letto fluidizzato viene utilizzato ogni qualvolta nel sistema avviene una reazione fortemente esotermica oppure nel caso in cui si necessiti di mantenere le condizioni operative in un intervallo ristretto di temperatura. Il rapido mescolamento del solido permette lo sviluppo di reazioni quasi isotermiche, facilmente e accuratamente controllate.

Il combustore a letto fluido è costituito essenzialmente da un cilindro verticale in cui il materiale da termodistruggere (ad esempio il rifiuto o il CDR) viene tenuto in sospensione (fluidificato) da una corrente d’aria inviata attraverso una griglia posta alla base del cilindro stesso. In molti casi il cilindro contiene un inerte che si mescola al materiale da bruciare all’atto dell’alimentazione, in modo da favorire i processi di scambio termico, fornire sufficiente inerzia termica al sistema e regolarizzare il processo. Un tipico inerte è costituito da sabbia. L’aria assolve alla duplice funzione di partecipare al processo di combustione e, fatto più specifico, di sollevare la massa di sabbia che sovrasta la griglia. La camera di combustione è rappresentata proprio dal letto di sabbia in stato fluido e la camera del materiale, entrando in questa zona, subisce subito quei processi di disidratazione e di combustione tipici del processo, data anche l’elevata superficie di scambio.

Forni a letto fluido bollente

Nei forni a letto fluido bollente o BFB (Bubbling Fluidized Bed furnaces), la sabbia calcarea o altro materiale inerte costituente il letto, per azione del flusso ad alta turbolenza generato dall’iniezione dell’aria primaria, si espande assumendo nel complesso un comportamento fluido. La zona di fluidificazione si estende tipicamente fino ad un’altezza massima di2 metrial di sopra della piastra degli ugelli di alimentazione dell’aria di combustione primaria. Le pareti della zona del letto fluido sono rivestite di materiale refrattario, la trasmissione del calore ai tubi del generatore di vapore viene effettuata nelle sezioni superiori del forno, lungo il percorso dei gas di combustione. La temperatura del letto viene controllata variando le condizioni stechiometriche al fine di mantenere l’intera zona del letto in fase di gassificazione.

Le particelle più fini insieme al gas liberato dal combustibile ed all’aria di combustione risalgono il letto, detto per questo bollente, fino a raggiungere la zona di combustione vera e propria nella sezione successiva. I rivestimenti refrattari garantiscono la realizzazione della gassificazione e della combustione in condizioni quasi adiabatiche. La temperatura raggiunta nella zona di combustione è quindi prossima ai valori delle temperature adiabatiche di fiamma dei combustibili. Questi livelli di temperatura molto alti, insieme alla miscelazione dei gas liberati con l’aria di combustione permettono di ridurre al minimo le emissioni di particelle incombuste. Nelle applicazioni di questa tecnologia alla combustione dei rifiuti l’altezza della zona refrattaria e l’apporto di aria secondaria sono progettati al fine di mantenere la temperatura delle sezioni di uscita del forno nell’intorno degli 850°C.

Forni a letto fluido RICIRCOLANTE

I forni a letto fluido ricircolante o CFB (Circulating Fluidized Bed furnaces) sono particolarmente adatti per combustibili eterogenei per forma e dimensioni e sono molto flessibili riguardo ai contenuti in umidità ed ai poteri calorifici. La circolazione dei materiali (sabbie calcaree) costituenti il letto fluido e le alte turbolenze in camera di combustione assicurano una buona miscelazione con l’aria comburente e un’efficace trasmissione del calore alle pareti della fornace. La separazione delle particelle solide (incombusti ed eventuale materiale inerte liberatosi dal letto fluido) dalla corrente degli effluenti gassosi da inviare alle sezioni di recupero energetico ed al successivo trattamento, avviene per mezzo di un separatore a ciclone. Tutte le particelle di un certo peso e dimensione vengono separate dai gas di combustione e per caduta raggiungono la parte inferiore del ciclone, dove una piastra ad ugelli di dimensioni ridotte ne opera il ricircolo verso la camera di combustione primaria. Nei forni CFB il ciclone effettua quindi la separazione ed il ricircolo delle particelle incombuste aumentandone, in definitiva, il tempo di residenza nel letto calcareo fino al completamento della reazione. Ricircolando il combustibile si realizza la trasmissione del calore a tutte le sezioni del forno. Questo rende i forni a letto fluido circolante adatti a bruciare anche combustibili ad alto potere calorifico, riducendo i problemi legati al controllo della temperatura nella sezione inferiore del letto fluido (a diretto contatto con la piastra ugelli).

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