Inceneritori a letto fluido - Dipartimento di Chimica

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI “PARTHENOPE”Trattamenti chimici-fisici deisedimenti contaminati(6 CFU) – 2006/07LEZIONE N.15Nprof. Ing. . Rodolfo M. A. NAPOLISanitary Environmental Engineering Divisionwww.seed.unisa.it

SommarioLezioniTrattamenti deisedimenti contaminati2313811IntroduzioneI CONTAMINANTIIL DM 471/99 E IL D.Lgs152/06Trattamenti di bonificaIN SITUTrattamenti di EX SITUDestinazione finale deisedimentiCasi studio2

SommarioIntroduzione ai trattamenti termici Incenerimento Configurazioni impiantistiche Applicabilità del trattamento Tecnologie Inceneritori a tamburo rotante Inceneritori a letto fluido Inceneritori a infrarossiSommarioChe puro gioco di lampi sottiliconsuma ogni diamanted'impalpabile schiuma,e quanta pace che sia nata sembra;quando sopra l'abisso un sole posa,opere schiette d'una causa eterna,scintilla il tempo e il sogno èconoscenza.Paul Valéry, 1923

Trattamenti termiciI trattamenti termici portano i sedimenti a temperature superiori di parecchiecentinaia o migliaia di gradi sopra la temperatura ambientale.Questi processi sono generalmente le opzioni più efficaci per distruggere gliagenti inquinanti organici, ma sono anche i più costosi.Sono inclusi in questa categoria: INCENERIMENTO PIROLISI OSSIDAZIONE AD ALTA PRESSIONE VITRIFICAZIONEIntroduzione ai trattmenti termici

Trattamenti termiciI trattamenti termici nondistruggono i metalli, anche sealcune tecnologie (per esempio lavitrificazione) immobilizzano imetalli in una matrice vetrosa.I metalli volatili, specialmente ilmercurio, tenderanno adessere scaricati nel gas dicombustione.Introduzione ai trattmenti termici

IncenerimentoCome la maggior parte dei processi che distruggono i residui organici,l'incenerimento non rimuove la contaminazione da metalli pesanti.La maggior parte dei processi di incenerimento aumenta la disponibilità deimetalli (eccezioni includono le tecnologie di vitrificazione).Questo fenomeno sarebbe conveniente soltanto se la cenere risultante dovesseessere trattata usando un processo di estrazione dei metalli: altrimenti, è undistinto svantaggio.Le ceneri che sottoposte a test TCLP “non superano" la prova devono esseredisposte come rifiuto pericoloso.Incenerimento

IncenerimentoL'applicazione di processi di incenerimento per solidi bagnati quali i sedimenti èrelativamente rara:tutte le tracce di umidità devono essere eliminate prima che i solidi brucino :DISPENDIO DI GRANDI QUANTITA’ DI ENERGIAPROCESSO MOLTO COSTOSOInoltre, l'incenerimento tende ad essere una tipologia di trattamento pocoaccettata dalle Comunità in cui gli impianti devono essere situati.Uno schema di un processo di incenerimento è successivamenteriportatoIncenerimento

Schema generale di un processo ditermodistruzioneControllodelleemissioniPretrattamentiSistema dialimentazioneUnità ditermodistruzioneSistema di recupero delcalorePost-combustioneeventualeRimozionedel particolatoControllo gasacidiScaricogasdepurati inatmosfera

Schema a blocchi di un processo diincenerimento di sedimentiIncenerimento

ApplicabilitàLa maggior parte delle tecnologie di trattamento termico è applicabile per larimozione di: UN'AMPIA VARIETÀ DI RESIDUI ORGANICI PCB, PAHs, DIOSSINE FURANI CLORURATI, IDROCARBURI DEL PETROLIO PESTICIDIApplicabilità

Incenerimento: tecnologieLe tecnologie di incenerimento possono suddividersi in due categorie: CONVENZIONALI INNOVATIVE.Poiché le emissioni gassose dagli inceneritori presentano una via potenzialmenteimportante di perdita dell'agente inquinante, il sistema di controllo delle emissioni èun componente critico per entrambe le categorie.Le tecnologie convenzionali applicabili ai sedimenti marini includono: FORNI ROTANTI LETTI FLUIDIZZATI SITEMI MULTIPIANO INCENERIMENTO INFRAROSSO.Tecnologie

Incenerimento: tecnologie innovative Sono attualmente in fase di studio o applicati a scala pilota un certo numero diprocessi innovativi progettati specificamente per i rifiuti pericolosi e tossici chepotrebbero trovare applicazione al trattamento di sedimenti contaminati: sistema al plasma, vetrificazione in focolare a ciclone, pirolizzatore elettrico Queste tecnologie funzionano a temperature più alte e generalmente realizzanoefficienze più elevate di rimozione rispetto ai processi di incenerimentoconvenzionali. La maggior parte di queste tecnologie produce delle scorie dense o un solidovitrificato anziché cenere. Queste tecnologie tendono ad essere molto costose, ma offrono il vantaggio diprodurre un prodotto finale più stabileTecnologie

Incenerimento: tecnologieLe tecnologie di incenerimentoconvenzionali riscaldano tipicamente imateriali in alimentazione fra a 650 eda 980 0 C.Un postcombustore, o una camera dicombustione secondaria, ègeneralmente richiesto per realizzarela distruzione completa dei residuiorganici volatilizzati.Tutti i processi producono un residuoasciutto di cenere.Tecnologie

Inceneritori a tamburo rotanteInceneritori a tamburo rotante

Inceneritori a tamburo rotanteTali forni sono essenzialmente costituiti da un TAMBUROROTANTE INCLINATO (da 1° a 3° in genere) per favorire ilmovimento dei solidi, rivestiti o no internamente di materialerefrattario. La carica avviene da un’estremità, lo scarico delle scoriedall’estremità opposta;Il percorso dell’aria può essere in equicorrente od incontrocorrente rispetto al percorso del materiale inalimentazione. Poiché il combustibile è direttamente a contatto con la paretedel forno, per ottimizzare il contatto con l’aria comburente inmolti casi vengono predisposte strutture interne che facilitino lamovimentazione dei materiali (ad es. palettature, ecc.).Inceneritori a tamburo rotante15

Inceneritori a tamburo rotante È in genere necessaria una zona di post-combustione al fine dicompletare le reazioni in fase gassosa. A causa dell’assenza di materiale isolante, la cui installazione inquesti sistemi appare in genere problematica, la temperatura diparete dei forni è elevata (tra 200 e 300 °C). Per limitare le dispersioni è opportuno non scendere con idiametri del tamburo a valori inferiori a 1,5 e 2 m, potendosid’altra parte realizzare tamburi del diametro dell’ordine di 5 m.Inceneritori a tamburo rotante16

SezioniInceneritori a tamburo rotante

SezioniInceneritori a tamburo rotante

Caratteristiche operative intensità volumetrica della combustione in generenell’intervallo 5 × 10 4 ÷20 × 10 4 kcal/m 3 h, carico termico specifico per unità di sezione dell’ordine di 5 ×10 5 ÷1 × 10 6 kcal/m 2 h. Le velocità di rotazione del tamburo sono in genere nell’intervallo0,2÷2 giri/min. I forni rotanti possono operare con temperature molto elevate(T ≈ 1400÷1600 °C) se opportunamente predisposti. I forni rotanti sono caratterizzati da una grande flessibilità inrelazione alle caratteristiche del materiale in alimentazione (possonotrattare solidi, liquidi, fanghi,sedimenti ecc.), per cui hanno largoimpiego nel campo industriale.Inceneritori a tamburo rotante19

Vantaggi•possibilità di trattamento di terreni diversi, indipendentemente dallagranulometria [possono essere alimentati materiali grossolani (EPA, 1991B)] e dal grado di umidità;•semplicità di costruzione ed elevata affidabilità di funzionamento;•bassi costi d'investimento;•buona miscelazione tra le particelle di sedimento e l'aria di combustione;•possibilità di regolare il tempo di residenza della matrice contaminata neltamburo, variando opportunamente la velocità di rotazione di questo;Inceneritori a tamburo rotante20

Svantaggi•presenza di componenti impiantistiche in movimento, con problemi ditenuta tra parti fisse e rotanti, e conseguenti ed incontrollabili ingressid'aria•ridotto volume della camera di combustione, che non consente lacompleta combustione dei fumi per cui si rende necessaria l'installazionedella camera di post-combustione;•possibilità di formazione di anelli di scoria solidificata all'interno deltamburo rotante, che limitano, ed a volte pure inibiscono, l'avanzamentodel materiale alimentato: il fenomeno può facilmente verificarsi in presenzadi sali dì metalli alcalini, particolarmente solfati di sodio (Na 2SO 4) epotassio (K 2SO 4) (EPA, 1991 B; Shearer, 1991);•consumo piuttosto rapido del refrattario di rivestimento.Inceneritori a tamburo rotante21

Inceneritori a letto fluido Un inceneritore a letto fluido è essenzialmente costituito da un CILINDROVERTICALE con una GRIGLIA posta alla base attraverso cui viene insufflatal’aria per fluidificare il letto costituito da: COMBUSTIBILE MATERIALE INERTE (ad es. sabbia), che ha anche una funzione divolano termico e di promotore di fenomeni di scambio termico. Nei letti fluidi la combustione avviene essenzialmente in sospensione con unatemperatura del letto dell’ordine di 850÷900 °C. Possono assumere diverse configurazioni e caratteristiche operative. Possonolavorare: A PRESSIONE ATMOSFERICA IN PRESSIONE (per alimentare ad es. direttamente cicli di turbina agas, anche se si presentano a tal riguardo problemi per il trattamentofumi).Inceneritori a letto fluido22

Inceneritori a letto fluidoSi ha poi una distinzione tra: LETTI FLUIDI A LETTO BOLLENTE (convenzionali)caratterizzati da una velocità media dell’aria dell’ordine di1-3 m/sRICIRCOLATI.caratterizzati da una velocità da 5 a 10 m/s, con elevatotrascinamento del materiale che viene poi separato per mezzoun ciclone e rinviato nel letto.diI letti ricircolati si presentano più complessi, anche dal punto di vistagestionale, di quelli bollenti ma offrono in generale prestazionisuperiori.Inceneritori a letto fluido23

SezioniInceneritori a letto fluidoCaldaia a letto fluido bollente24Caldaia a letto fluido circolante

Inceneritori a letto fluidoInceneritori a letto fluido

SezioniInceneritori a letto fluido26

Inceneritori a letto fluidoInceneritori a letto fluido

VantaggiL’impiego di letti fluidi offre interessanticaratteristiche quali:elevata efficienza di combustione,basso contenuto di organico nellescorie,unità compatte e flessibili,minori complicazioni meccanicherispetto ad altre soluzioni,bassi eccessi d’aria,transitori ridottipossibilità di operare nel letto per ilcontrollo delle emissioni.Inceneritori a letto fluido

Svantaggi•elevata inerzia termica, in particolare per il sistema a letto bollente;•problemi di corrosione ed erosione delle parti impiantistiche a contatto conil letto fluido;•concentrazioni di contaminanti a basso punto di fusione (< 870 ¡C),superiori al 5% (in peso secco) nel caso di sali di metalli alcalini, o all'8%(sempre in peso secco) per composti alogenati, possono comportareproblemi di defluidizzazione del letto e di formazione di scorie solidificate edincrostazioni;•tempi di residenza insufficienti, per le particelle più fini;•rischi di agglomerazione delle particelle solide nel lettoInceneritori a letto fluido

Inceneritori multipiano

Incenerimento a infrarossiI sedimenti contaminati, alimentati per gravità nella prima camera, avanzanosu di un nastro trasportatore continuo (in lega di acciaio) e vengono riscaldatiper irraggiamento mediante una serie di pannelli al carburo di silicio posti al disopra del nastro (a loro volta riscaldati elettricamente) Poiché alla camera primaria il calore viene fornito attraverso la radiazioneinfrarossa, il sistema ad infrarosso comporta un flusso ridotto di gas di scaricoed un modesto trascinamento di particolato.I gas prodotti attraversano una camera di combustione secondaria.Lo stadio seguente consente una rimozione del particolato e cattura eneutralizza gli acidi presenti nei gas, che sono successivamente liberati inatmosfera31

SezioniInceneritori a infrarossi32

Vantaggi semplicità di trasporto dell'impianto mobile, grazie alla leggerezzadell'isolamento ceramico; ridotti volumi dei gas da trattare in camera di post-combustione, e quindicontenute dimensioni di questa; adeguato controllo del tempo di residenza (che può variare da qualcheminuto, fino a 2-3 h) e del profilo della temperatura delle particelle diterreno, ottenibile regolando la velocità del nastro di alimentazione e laquantità di energia fornita in camera primaria; limitata inerzia termica del refrattario ceramico, che consente transitorirapidi e quindi rende il sistema adatto per carichi di terreno intermittenti opoco frequenti;Inceneritori a infrarossi

Svantaggi•problemi dì corrosione in presenza di cloruri organici•impossibilità di trattare materiali con contenuto di solidi inferiore al 22%(EPA, 1991 B), avvenendo il movimento in camera di combustione su di unnastro metallico: altrimenti, si renderebbe indispensabile un pre-interventodi essiccamento;•necessità di pretrattamenti, al fine di separare le parti molto fini < 5 micron(Wall et al., 1989) e di ridurre la pezzatura in alimentazione, max 3 cm(EPA, 1991 B).Inceneritori a infrarossi

Efficienza dei processiClasse di inquinantiContaminanti organiciContaminanti inorganiciContaminanti reattiviAlogenati volatiliAlogenati semivolatiliNon-alogenati volatiliNon-alogenati semivolatiliPCBsPesticidiDiossine-FuraniCianuri organiciOrganici corrosiviMetalli volatiliMetalli non volatiliAmiantoMateriali radioattiviInorganici corrosiviCianuri inorganiciOssidantiRiducentinessunapotenzialedimostrata35

Incenerimento: Fattori limitanti Ci sono specifici requisiti e dimensioni di alimentazione che possono avereeffetto sull'applicabilità o sul costo in luoghi specifici I metalli pesanti possono produrre una cenere che richiede stabilizzazione. I metalli pesanti volatili, compreso piombo, cadmio, mercurio ed arsenico,lasciano l'unità di combustione con i gas di combustione e richiedonol'installazione di sistemi di depurazione dei gas per la loro rimozione. I metalli possono reagire con altri elementi nel flusso di alimentazione, qualicloro o zolfo, formando residui più volatili e più tossici che la specie originale.