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LA DISSOCIAZIONE MOLECOLAREUna soluzione possibile?
Dott. Pietro CavinaIng. Arianna Bertolla
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IL PROCESSO DI DISSOCIAZIONE MOLECOLARE
Il suo obiettivo è quello di “disassemblare” le molecole di origine organica complesse per “riassemblarle” in composti più semplici, realizzando un gas sintetico, il “SYNGAS”.
A differenza degli altri metodi di incenerimento, il processo di dissociazione molecolare non smuove il rifiuto, ma può essere assimilato ad una sigaretta che si consuma lentamente dall’inizio alla fine.
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IL PROCESSO DI DISSOCIAZIONE MOLECOLARE
Rifiuti per cella 3,5 tonn
Peso dell’intero sistema 35 tonn
Cella primaria
Dimensioni 3,6m x 3m x 2,5m di altezza
Volume 20 mc
Motore del ventilatore 1 hp con inverter
Bruciatori a gasolio 36 l/h 1/3 hp
Cella secondaria
Dimensioni 1,5m x 3m di lunghezza
Motore del ventilatore 1 hp con inverter
Bruciatori a gasolio 60l/h ¾ hp
Spessore refrattario 100 mm
Spessore dell’isolante 50-76 mm
Lunghezza dell’intero sistema
6 m
Sistema di controllo PLC (Programmable LogicController)
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Schema di una cella di dissociazione
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LA REAZIONE CHIMICALA REAZIONE CHIMICA
C = C
CH3
H
H
CH2
CH3
DISSOCIAZIONE
400 °C + O2
CO
H2CH4
CO2
+CENERI INERTI (<3%)
SYNGAS
(95%)
La dissociazione consiste in una combinazione di:
Pirolisi
termolisi
Gassificazione
Breve fase di dissociazione secondaria (T=1100 °C per pochi secondi per dissociare i residui carboniosi del gas di sintesi)
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DIFFERENZA CON INCENERITORI
DISSOCIAZIONE MOLECOLAREAmbiente chiuso;Carenza di ossigeno (viene utilizzato solo quello strettamente necessario per mantenere il processo in funzione)Temperatura compresa tra i 300 e i 550 °C (per evitare la formazione di fusione dei metalli, di diossine e polveri).Presenza di soli due stadi: uno primario a bassa temperatura ed in carenza di ossigeno ed un secondo ad alta temperatura per pochi secondi per ultimare la combustione;tempi di reazione di circa 24 ore.Formazione esigua di ceneri inerti (ca. 3%)
INCENERIMENTOAmbiente chiusoAggiunta di aria in eccesso per mantenere la temperatura all’interno del forno;Utilizzo di bruciatori ausiliari per mantenere la temperatura, in caso di elevata umidità del rifiuto;Presenza di vari stadi: il primo per eliminare l’umidità del rifiuto, il secondo per trasformare le sostanze volatili in forma gassosa (temperature intorno ai 1000-1100 °C), con formazione di fumi ed inquinanti;Produzione di ceneri volatili nei fumi e pesanti (circa 30%).
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MATERIALE CARICATO
Biomasse;Rifiuti organici;RSU da raccolta indifferenziata;Rifiuti industriali;Rifiuti speciali;Copertoni;Rifiuti ospedalieri;Scarti di macellazione.
Il materiale caricato non necessita di pretrattamenti di vagliatura e omogeneizzazione; può essere caricato sottoforma di big-bags, pallets oppure sfuso.
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COMPOSIZIONE MERCEOLOGICA MEDIA DEL RIFIUTO
29,80%
17,00%19,40%
24,70%
0,40% 6,00%
1,85%
1,13%
CARTAVETROMETALLIPLASTICASOTTOVAGLIOORGANICOINERTIALTRO
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SISTEMA DI CARICAMENTO
Le celle dell’impianto sono di dimensione variabile, da 1 a 90 mced il sistema di caricamento è flessibile:
con pala meccanica
direttamente dal mezzo
Tempo di caricamento: da 30 a 60 minuti
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CELLE DI DISSOCIAZIONE
Ogni cella è in grado di accettare circa 15 tonn di rifiuto
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LA PRODUZIONE DI SYNGAS
SYNGAS GREZZO DA DISSOCIAZIONE
Trascinamento particellare
0,2%
Vapori metallici assenti
Cloro e gas acidi Variabili in funzione del rifiuto caricato
TAR ed asfalti 1-2 mg/Nmc
Composti dello zolfo assenti
ossigeno assente
idrogeno >4%
NOx assenti
Portata e caratteristiche qualitative
costanti
FUMI GREZZI DA COMBUSTIONE
Trascinamento particellare
2-5 g/Nmc
Vapori metallici 10-100 mg/Nmc
Cloro e gas acidi 500-1500 mg/Nmc
TAR ed asfalti /
Composti dello zolfo 300-400 mg/Nmc
ossigeno 10-11,5%
idrogeno Sottoforma di HCl
NOx 200 mg/Nmc
Portata e caratteristiche qualitative
15.000-22.000 Nmc/h
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PURIFICAZIONE DEL SYNGAS
Ciclone (per ridurre il contenuto in polveri);
Sistema di raffreddamento;
Filtrazione su letto di soda e carbone attivo;
Scrubber a doppio stadio (per ridurre la concentrazione di HCl e TAR)
PCI del syngas purificato variabile da 5000 a 17000 kcal /Nmc
In sostituzione al gas naturale può essere utilizzato:
In caldaia
In motori a combustione interna;
In turbine a gas;
In celle a combustibile, alimentate da idrogeno mediante Reforming.
(sottoforma di vapore ad alta pressione) per produrre calore o acqua calda
Dopo purificazione da residui carboniosi, HCl, MPT, umidità.
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Produzione di energia
Energia elettrica e termica
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SYNGAS PURIFICATO
CARATTERISTICHE H2 14-18%
CO 23-27%
CH4 1-3%
CO2 7-10%
N2 42-55%
MPT <2.5 mg/Nmc
SOx <29 mg/Nmc
TAR <5 mg/Nmc
SiO2 Assente
Composti azotati <55 mg/Nmc
Il SYNGAS purificato risulta meno inquinante del metano, in quanto contiene meno NOx e polveri
Con 60 tonn/die di rifiuto vengono prodotti circa 1,5-2 MWe o 8-9 tonn/h di vapore
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EMISSIONI IN ATMOSFERAEMISSIONI IN ATMOSFERA
Durante la trasformazione del rifiuto all’interno delle celle non si hanno emissioni in quanto il processo avviene in ambiente totalmente sigillato.
La fase gassosa in uscita dall’impianto è rappresentata dal Syngas, che viene successivamente utilizzato al fine di produrre energia.
Gli scarti provenienti dalla depurazione del Syngas sono in fase solida o liquida e vengono riciclati all’interno delle celle di dissociazione.
Le ceneri prodotte come scarto contengono sali minerali, metalli e vetro, che possono eventualmente essere recuperati.
Essendo l’ambiente di trasformazione povero in ossigeno e ricco di idrogeno, non si ha produzione di diossine; queste ultime, infatti sono composte da molecole organiche con anelli aromatici e cloro; la carenza di ossigeno fa in modo che il cloro si unisca preferenzialmente all’idrogeno presente; anche nella camera secondaria le poche diossine formatesi, si distruggono a causa dell’alta temperatura presente.
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EMISSIONI IN ATMOSFERAEMISSIONI IN ATMOSFERA
E’ sfavorita la produzione di NOx in quanto l’ambiente di reazione èpovero di ossigeno.
Il processo è molto lento, proprio per ottenere il 100% di trasformazione del rifiuto;
il materiale all’interno delle celle non è movimentato, perciò non vi sono turbolenze che possano sollevare le polveri.
Le basse temperature all’interno delle celle non favoriscono la produzione di vapori metallici.
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EMISSIONI prima del TRATTAMENTOEMISSIONI prima del TRATTAMENTO
Inquinante Limite (L. 133/05)(mg/mc)
Dissociazione molecolare
Termovalorizzazione
Polveri 10 <1 mg/Nmc 2-5 mg/Nmc
500-1500 mg/Nmc
200 mg/Nmc
10-20 mg/Nmc
50-100 mg/Nmc
0,2-1 mg/Nmc
3-5 ng/Nmc
HCl 10 <5 mg/Nmc
NOx 200 <100 mg/Nmc
TOC 10 <1 mg/Nmc
CO 50 <10 mg/Nmc
Hg 0,05 <0,02 mg/Nmc
PCDD/PCDF 0,1 ng/mc <0,05 ng/Nmc
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PERFORMANCE DEL PROCESSO
PARAGONE EMISSIONI PER SMALTIMENTO RSU
INQUINANTE LIMITI UNIONE EUROPEA
LIMITI USA LIMITI CANADA MEDIA RAGGIUNTADISSOCIAZ. MOLEC.
MEDIA ITALIATERMOVALORIZZ.
POLVERI
MONOSSIDO DI CARBONIO
DIOSSIDO DI ZOLFO
ACIDO CLORIDRICO
OSSIDI DI AZOTO
DIOSSINE E FURANI
CADMIO E COMPOSTI
PIOMBO E COMPOSTI
MERCURIO E COMPOSTI
ALTRI METALLI PESANTI
10 mg/Nmc 24 mg/Nmc 17 mg/Nmc <1 mg/Nmc 1 mg/Nmc
50 mg/Nmc 50 ppm nessuno <1 mg/mc 1 mg/Nmc
50 mg/Nmc 30 ppm 56 mg/Nmc assente 1,2 mg/Nmc
10 mg/Nmc 25 ppm 27 mg/Nmc 0-30 mg/Nmc 1 mg/Nmc
200 mg/Nmc 150 ppm 110 ppm 45 mg/Nmc 140-150 mg/Nmc
0.1 ng/mc 13 ng/mc 0.08 ng/mc <0.01 ng/mc 0,05 ng/Nmc
0.05mg/mc 0.02 mg/mc nessuno <0.001 mg/mc <0,006 mg/Nmc
0.5 mg/mc 0.2 mg/mc 0.142 mg/mc <0.001 mg/mc 0,05 mg/Nmc
0.05 mg/mc 0.08 mg/mc 0.02 mg/mc <0.001 mg/mc 0,005 mg/Nmc
0.5 mg/mc -- nessuno <0.002 mg/mc 0,05 mg/Nmc
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VANTAGGI DEL DISSOCIATORE
La modularità dell’impianto (possono essere trattate da 1 a 100 tonn/die) consente di avere conti economici con rilevanti ricavi;Possono essere gestiti rifiuti e biomasse;Riduzione dei costi legati al trasporto dal luogo di raccolta a quello di smaltimento, oltre che riduzione del traffico ad esso legato;Dimensionamento dell’impianto in funzione delle esigenze reali, ma per lo più per piccole realtà;Possono essere utilizzate l’energia elettrica e termica prodotteI costi di manutenzione del dissociatore molecolare sono bassi, perché vi sono poche componenti in movimento (come macchine rotanti, nastri e valvole). Gli unici materiali di ricambio sono: termocoppie, bruciatori, le porte di accesso allecamere, i refrattari e l’olio per i filtri idraulici.
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DIMENSIONAMENTO DELL’IMPIANTO
4 celle da 90 mc circa 60 tonn/giorno di rifiuto,
30 tonn/giorno altri rifiuti
30 tonn/giorno RSU
circa 2 MW di energia elettrica
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REFERENZEAttualmente sono più di 100 gli impianti di dissociazione costruiti
nel mondo, fra cui:
Husavik (Islanda);Alaska;Columbia;Indonesia;Australia;Cina;Taiwan ;Croazia;Sud Africa.
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CONCLUSIONIIn Senato il partito dei Verdi, guidato da Fabio Roggiolani, ha proposto l’introduzione del processo di dissociazione molecolare anche in Italia.Ciò ha dato luogo a molteplici pareri, favorevoli e contrari all’adozione di tale nuova tecnologia.
Secondo Pasquale De Stefanis, dell’ENEA, il processo non è così innovativo, in quanto:si ha produzione di fumi che, anche se meno carichi di polveri e metalli,
richiedono comunque una depurazione o smaltimento in discarica;Il SYNGAS, prima di essere utilizzato per produrre energia, deve essere separato da poveri ed altri inquinanti;Il processo funziona solo per impianti di piccola taglia, come quello islandese di Husavik;
Stefano Ciafani, responsabile scientifico di Legambiente esprime più o meno le stesse considerazioni:L’impianto gassifica alcune decine di tonnellate di rifiuti al giorno, una frazione minima rispetto ai quantitativi prodotti nelle città italiane;È necessario puntare prima di tutto sulla riduzione netta di produzione dei rifiuti;è indispensabile potenziare ulteriormente la raccolta differenziata domiciliare;La nuova tecnologia di dissociazione molecolare va, tuttavia, sperimentata, al fine di capire se in futuro potrà avere un mercato.
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SPERIMENTAZIONI IN ITALIA
L'Itea Spa di Bologna a Gioia del Colle (Bari) sta sviluppando un tipo di dissociazione molecolare applicata ai rifiuti speciali, ma che al contrario dell'impianto islandese utilizza l'irraggiamento dei rifiuti a una temperatura elevata ed uniforme in un reattore saturo di ossigeno.
La società che lo sta sperimentando fa parte del gruppo Sofinter, ed è un progetto avviato con l'Enea nel 2002. Le condizioni all'interno del reattore sviluppano una combustione omogenea, "senza fiamma", che ostacola la formazione delle polveri sottili, mentre le scorie (metalli e ceneri pesanti) vengono trasformate in perle vetrificate a matrice silicea.
Il piccolo impianto, grande quanto un'area di rigore, è ancora in fase sperimentale, ma ha già ottenuto un risultato molto importante: le analisi sulle emissioni condotte dall'Università Federico II e del Cnr di Napoli hanno riscontrato una quantità minima di particolato.
Un'altra variante della gassificazione, detta a letto fluido, vede invece coinvolti il Conai(Consorzio Nazionale Imballaggi) e l'Amra Scarl e prevede l'avvio di un'unità-pilota a Caserta per un progetto triennale. L'impianto lavorerà la parte secca dei rifiuti, come le plastiche e gli scarti della raccolta differenziata, cioè quelle che non possono essere avviate a riciclo, per produrre gas di sintesi da utilizzare come combustibile nelle centrali elettriche o negli impianti di teleriscaldamento.