Umberto Arena (Università di Napoli) - MatER

Convegno MatER, Piacenza 15-16 Maggio 2013
TECNOLOGIE E TENDENZE PER IL
RECUPERO DA RIFIUTI
Tecnologie di trattamento termico di rifiuti
residuali indifferenziati:
Confronto tra Combustione e Gassificazione
Umberto ARENA
Dipartmento di Scienze e Tecnologie Ambientali– Seconda Università
di Napoli
AMRA – Analisi e Monitoraggio del Rischio Ambientale

Una pianificazione dei rifiuti sostenibile
Il processo decisionale per la definizione delle
politiche di gestione dei rifiuti è una questione
complessa, che deve valutare per ogni specifica opzione di
trattamento o smaltimento:
impatti ambientali
aspetti tecnici
costi di implementazione e di esercizio
implicazioni sociali
Spesso si opera in presenza di:
dati mancanti o poco accurati
opinioni pubbliche, a volte basate su percezioni errate.
preconcetti a favore o contro una soluzione specifica.

Possibili opzioni per la gestione dei rifiuti
Soluzione ideale in cui
nessun rifiuto è inviato
in discarica o trattato
termicamente
Tutti i paesi sono
lontani dal raggiungere
l’obiettivo Rifiuto Zero
Cossu (2009) Waste Management, 29: 2797-2798

E’ possibile una soluzione Rifiuti Zero?
Molti considerano la teoria “Rifiuti Zero” come
una pratica alternativa allo smaltimento finale.
Questo concetto però rappresenta solo un
approccio auspicabile a cui dovrebbero tendere
tutte le strategie di gestione dei rifiuti.
“Zero rifiuti è un concetto simile a Zero Malattie”,
che mira a limitare l’insorgenza di malattie,
attraverso misure di prevenzione, corretta
alimentazione, migliore stile di vita ma ...
… nessuno lo concepisce come una soluzione
alternativa per tutti i problemi di salute, in
sostituzione completa di medici e degli ospedali !!!
(Cossu, 2009. Waste Management, 29: 2797-2798)

Zero Rifiuti o Zero Decisioni?
L’opzione Zero rifiuti può essere utile solo come sistema di
comunicazione semplice ed incisiva per migliorare la
PREVENZIONE.

Obiettivi principali di un sistema di
gestioni dei rifiuti:
i) Protezione della salute umana e dell’ambiente, e quindi
riduzione delle emissioni, monitoraggio degli effetti tossicologici,
minimizzazione dei rischi per la salute, minimizzazione dei gas serra;
ii) Conservazione delle risorse, come materie, energia, e suolo;
iii) “After-care-free” waste management, cioè soluzione “qui e
subito” di tutti i problemi di gestione;
iv) Sostenibilità economica dell’intero ciclo di gestione dei rifiuti
solidi.

Linee Guida per la Gestione dei Rifiuti
i) Efficiente servizio di raccolta e smaltimento
ii) Minimizzazione dell’utilizzo della discarica, di
fondamentale importanza a causa della carenza di siti idonei
iii) Minimizzazione delle operazioni che comportano
un eccessivo consumo di materie prime ed energia
senza riceverne un effettivo vantaggio ambientale
iv) Massimizzazione del recupero di materia
v) Massimizzazione del recupero di energia da
materiali che non possono essere riciclati in modo efficiente,
al fine di preservare volumi di discarica e risorse di
combustibili fossili.

Un sistema sostenibile per la gestione dei rifiuti

Il ruolo dei WtE in un sistema sostenibile di Gestione
dei Rifiuti
1. Riduzione della massa e volume dei rifiuti,
preservando così spazio in discarica
2. Recupero sostenibile dell’energia
3. Recupero di materia da residui solidi
4. Distruzione di un certo numero di contaminanti
organici, presenti nei rifiuti
5. Riduzione delle emissioni di gas a effetto serra
rispetto alla decomposizione anaerobica in discarica
6. Separazione dei componenti inorganici della
frazione organica, così da permetterne il riutilizzo o
l’inertizzazione, prevenendo la dispersione e l’accumulo
dei componenti pericolosi nell’ambiente e nei prodotti
riciclati.

Tipi di processo di termovalorizzazione

Tipi di processi di termovalorizzazione

Tipi di processo di termovalorizzazione
Aim of the process
Operating conditions
Reaction environment Oxidizing
Reactant gas Air
Combustion
To maximize fuel conversion to high
temperature flue gases, mainly CO 2 and
H 2 O. To maximize energy recovery.
Temperature Between 850°C and 1200°C
Gasification
To maximize fuel conversion to fuel
gases, mainly CO, H 2 and CH 4 . To
minimize residues to be sent to final
landfill.
Reducing
Air, O 2 -enriched air, pure O 2 , steam
Between 550-900°C (in air gasification)
and 1000-1600°C
Pressure Generally atmospheric
Generally atmospheric
Process output
Produced gases FLUE GAS, mainly CO 2 , H 2 O, O 2 FUEL GAS, mainly CO, H 2 , CH 4 , CO 2
Pollutants
SO 2 , NO x , HCl, PCDD/F, particulate
H 2 S, HCl, COS, NH 3 , HCN, tar, alkali,
particulate
Ash
Gas cleaning
Bottom ash can be treated (typically in
an external site) to recover ferrous and
non-ferrous metals (such as Al, Cu and Zn)
and inert materials (to be utilized as a
sustainable building material).
APC residues are treated and disposed as
industrial waste.
Flue gas is treated in air pollution control
units to meet the emission limits.
Metals can be recovered.
Bottom ash can be produced as
vitreous slag that can be utilized as
backfilling material for road
construction.
APC residues are treated and disposed
as industrial waste.
It is possible to clean the syngas to
meet standards of chemicals
production processes or those of high
e.e. efficiency conversion devices.

Flue Gas vs Fuel Gas processes
La gestione dei rifiuti, richiede costi ragionevoli,
elevata affidabilità e flessibilità operativa e
notevole compatibilità ambientale.
E’ quindi prematuro indicare la gassificazione come
la strategia di trattamento termico per il futuro.
Se si vuole valutarne il ruolo di concorrente per i
sistemi convenzionali di combustione, si deve
definire :
come si possono confrontare gli impianti di
Combustione con quelli di Gassificazione?

Flue Gas vs Fuel Gas processes
Una corretta valutazione di una tecnologia di
termovalorizzazione ha bisogno di una valutazione
quantitativa del sistema completo
Adapted from: ISWA Working Group on Energy Recovery, 2013

Flue Gas vs Fuel Gas processes
Il successo di una tecnologia di termovalorizzazione è
determinato da:
• affidabilità tecnica
• esperienza operativa (alla scala di esercizio richiesta)
• disponibilità
• affidabilità
• sostenibilità ambientale
• emissioni in atmosfera
• residui solidi
• impatto sul cambiamento climatico
• convenienza economica
• fattibilità economica (dell’intero progetto)
• aspetti di scala
• incentivi

Affidabilità
Tecnica

Affidabilità Tecnica: esperienza operativa
La Combustione è un processo efficiente ed ampiamente
diffuso, con una tecnologia a “singolo stadio” ben definita e
sostenibile.
La Gassificazione è un processo “multistadio”, meno
collaudato su scala commerciale, ma con margini di
espansione principalmente legati alla possibilità di
migliorarne i prodotti intermedi, che possono essere poi
inviati a sistemi di conversione di elevata efficienza .
COMBUSTION GASIFICATION
years of
operation 125 15
n. plants > 1000 ̴ 100
capacity range 50-1000 kt/y 10-250 kt/y

Affidabilità Tecnica degli impianti
L’attuale potenzialità degli impianti WtE di combustione è
maggiore di 100 milioni per t MSW all’anno.
Gli impianti di combustione a griglia mobile sono la
stragrande maggioranza, con disponibilità media > 7.500 h e
rendimenti elettrici netti tra 18 e 27% (< 20% per le
istallazioni più vecchie).

Affidabilità Tecnica degli impianti
Ci sono poche decine di impianti di combustione a letto fluido (FBC) per
RSU. Questi impianti funzionano bene (disponibilità media ̴8.000h) con
RDF o SRF, a condizione che la distribuzione granulometrica dei rifiuti e il
loro potere calorifico siano gestiti accuratamente. Questo significa che il
rifiuto ha bisogno di essere triturato prima di essere alimentato in un
impianto FBC.

Affidabilità Tecnica degli impianti
L’attuale potenzialità complessiva degli impianti di gassificazione per la
produzione di energia è più di 2.5 milioni t MSW all’anno.
I gassificatori shaft ad alta temperatura e con fusione diretta delle ceneri
sono gli impianti di gassificazione più diffusi, con elevata disponibilità e
grande flessibilità sul combustibile. Ciò consente il funzionamento in
modalità di co-gassificazione. I rendimenti elettrici netti sono tra il
13e18%.
Courtesy of Nippon Steel, Tanigaki et al., WM 2012

Affidabilità Tecnica degli impianti
Courtesy of Kobelco Eco Sol., Kashima et al., /th i-CIPEC 2012
Ci sono inoltre > 30 impianti FBG accoppiati con un forno di fusione delle
ceneri appena a valle del gassificatore. La disponibilità è tipicamente > di
300 giorni. Ancora una volta è molto diffusa la co-gassificazione, anche
con le ceneri di fondo da termovalorizzatori convenzionali.

Affidabilità Tecnica degli impianti
Un altro tipo di letto fluido per impianti di gassificazione è
quello proposto dalla Metso.
Courtesy of Metso Group, Hankalin, Sardinia 2011

Affidabilità Tecnica degli impianti
Courtesy of Metso Group, Hankalin, Sardinia 2011

Sostenibilità
Ambientale

Bilancio di massa di un impianto di Combustione
All the values are in t/d
Oxidant medium: air
ER: 1.7
Urea: 4.6 kg/t waste
Hydrated lime: 10 kg/t waste
Activated Carbon: 1 kg/t waste

Bilancio di massa di un impianto di Gassificazione
All the values are in t/d
Oxidant medium: air and O 2 enriched
air (O 2 = 36%)
ER: 0.26
Urea: 4.6 kg/t waste
Hydrated lime: 6.5 kg/t waste
Activated Carbon: 0.5 kg/t waste

Sostenibilità Ambientale: emissioni in atmosfera
I sistemi di Combustione sono fortemente migliorati negli
ultimi due decenni, grazie ad un miglior controllo del
processo e a tecniche sempre più efficienti per la pulizia del
gas effluente. Oggi difatti le unità WtE rappresentano una
delle fonti di energia con minore impatto ambientale.
Il maggiore punto di forza della Gassificazione sono le
prestazioni ambientali. In particolare c’è una limitata
formazione di diossine e di ossidi di azoto e zolfo. Inoltre il
gas combustibile finale (ovvero quello generato dalla
combustione del syngas) è all’incirca il 30% in volume del gas
effluente da processi di combustione convenzionale: quindi il
sistema APC è significativamente più piccolo e meno costoso.

Emissioni in atmosfera: il destino del Cloro
HCl
12%
All the values are in kg/d
87.4%
KCl,PbCl 2
ZnCl 2
0.4%
All the values are in kg/d
Arena and Di Gregorio, Waste Management, 2013
98.9%

Emissioni in atmosfera: ossidi di azoto
Courtesy of Martin Gmbh, 2013

Emissioni in atmosfera: ossidi di azoto
NH 3 or urea
for DeNOx
>850 °C / 2 s
NOx abated
< 80 mg/Nm 3
VLN gas as
mixing agent
NOx unabated
< 250 mg/Nm 3
OFA
λ ~ 0.2
UFA
λ ~ 1.2
Air gradation
Low NOx
λ ~ 0.9 – 1.1
VLN gas
T < 300°C
λ ~ 0.3
Courtesy of Martin Gmbh, Wohlleben, Sardinia 2011

Emissioni in atmosfera: NOx e diossine
Co-gasification
Gasification
MSW+bottom ash+SRF+incomb. residue MSW
Courtesy of Nippon Steel, Tanigaki et al., WM&R, 2013
Courtesy of Kobelco Eco Sol., Kashima et al., /th i-CIPEC 2012

Residui Solidi: il destino dei metalli pesanti
basso-bollenti
Diversi fattori possono influenzare se, e in quale
forma, un elemento in traccia possa finire in fase
gas o in fase particolato:
i) come l’elemento in traccia è presente nel
combustibile
ii) la presenza di alogeni (in particolare di cloro)
iii) la presenza di composti basici
iv) la temperatura e la pressione del sistema
v) le condizioni ossidanti o riducenti

Residui Solidi: il destino dei metalli pesanti
basso-bollenti

Residui solidi: il destino dello Zinco
ZnSiO 4
45%
All the values are in kg/d
55%
ZnAl 2 O 4
ZnCl 2
0.9%
All the values are in kg/d
Arena and Di Gregorio, Waste Management, 2013
99.1%

Residui solidi: il destino del Piombo
55%
All the values are in kg/d
45%
1.9%
All the values are in kg/d
Arena and Di Gregorio, Waste Management, 2013
98.1%

Residui solidi: il destino dei metalli pesanti basso bollenti
Test di liscivazione delle slags da due gassificatori commerciali
Element
Regulation
(JIS K0058)
Plant A
(Nippon Steel DMS)
Plant B
(JFE G+MS)
mg/L mg/L mg/L
Cd < 0.01

Sostenibilità ambientale: risultati di uno
studio MFA/SFA
mass flow
rates
Combustion-based WtE
Bottom
Ash
APC
residues
Flue
Gas
Gasification-based WtE
Slag
Metal
s
APC
residue
s
Flue
Gas
mass, kg/t waste 220 27.3 7118 210.2 36.2 71.1 5384
C, kg/t waste 2.5 2.2 247 0.5 0 2.1 348
Cl, g/t waste 432 3145 23 14 0.4 3559 26
S, g/t waste 650 624 26 251 14 1022 14
Pb, g/t waste 110 90 0.1 2.2 1.5 196 0.05
Zn, g/t waste 324 396 0.2 5 2 714 0.2

Sostenibilità ambientale: residui solidi
Arena and Di Gregorio, Waste Management, 2013

Sostenibilità ambientale: residui solidi
Mass balance of Shin-moji Plant, Japan (720t/d)
Courtesy of Nippon Steel Eng. Co., Tanigaki 2011

Sostenibilità ambientale: rifiuti solidi
Mass balance of Akita Total Env. Center, Japan (400t/d)
MSW Sludge Bottom ash from incinerators
Input
88 9 3
0% 20% 40% 60% 80% 100%
2.8
to Landfill Slag Metal
Output
11 1.7
* Average for year 2002
0 20 40 60 80 100
Courtesy of Nippon Steel Eng. Co., Tanigaki 2011

Sostenibilità ambientale: residui solidi

Sostenibilità ambientale: residui solidi

Convenienza
Economica

Convenienza economica: costi totali di
investimento
• Costi per le apparecchiature
(Pretrattamenti del rifiuto)
Unità di trattamento termico
Sistema di controllo dell’inquinamento atmosferico
Ceneri pesanti e trattamento dei residui APC
• Costi di ingegneria civile
• Altri costi
Costi per il working capital
Costi di assicurazione
Altri costi finanziari
Fondi di mitigazione del rischio
Costi dei diritti brevettuali

Convenienza economica: total value chain
Adapted from: ISWA Working Group on Energy Recovery, 2013

Convenienza economica: utility costs
Adapted from: ISWA Working Group on Energy Recovery, 2013

Convenienza economica
Il focus dovrebbe essere su:
• Costi di investimento totali
E’ fondamentale che vengano considerati tutti i costi. I
costi totali di investimento per la termovalorizzazione
convenzionale potrebbero essere elevati rispetto ad un
certo numero di tecnologie di gassificazione: evidenze
degli ultimi anni indicano la convenienza degli impianti
di gassificazione per scale più piccole di 120.000 t/anno.
• Quantità di energia recuperata
Le tecnologie basate sulla combustione hanno
efficienze nette dal 18 al 27% (fino al 32%). L’efficienza
delle tecnologie basate sulla gassificazione è nettamente
inferiore (specialmente se paragonate ad inceneritori di
larga scala), per lo più nell’intervallo 10-18%.

Convenienza economica
L’obiettivo principale della termovalorizzazione è
cambiato da
TRATTAMENTO DEL RIFIUTO
a:
(TRATTAMENTO DEL RIFIUTO CON)
PRODUZIONE DI ENERGIA
Ma la carenza di siti adeguati per discariche sicure e
gli elevati costi per lo smaltimento, particolarmente
nelle aree ad alta densità di popolazione, potrebbe
presto portare ad un altro cambiamento:
(PRODUZIONE DI ENERGIA E )
MINIMIZZAZIONE DELLE DISCARICHE

Convenienza Economica
E’ anche importante considerare:
• Costi di smaltimento dei rifiuti solidi
Costi di trattamento delle ceneri e dei residui APC
Costi della messa in discarica
Possibili ricavi dal recupero dei metalli e dal riutilizzo
degli inerti.
Ridotta necessità di nuovi siti per discariche
Combustion-based WtE
Bottom
Ash
APC
residues
Flue
Gas
Slag
Gasification-based WtE
Metals
APC
residues
Flue
Gas
mass, kg/t waste 220 27.3 7118 210.2 36.2 71.1 5384
volume flow
rates, m 3 N/t waste
112.8 29.3 5520 115.5 9.3 49.7 4026
landfill mass
reduction, %
74.5 94.0

Conclusioni
Le tecnologie basate sulla combustione, e i forni a griglia mobile in
particolare, sono un’opzione di termovalorizzazione affidabile e
sostenibile che permette :
una produzione significativa di energia
emissioni limitate in atmosfera
una notevole riduzione del volume dei rifiuti
una previsione accurata dei costi di investimento e di
esercizio
Le soluzioni più avanzate per questo tipo di WtE
suggeriscono nuovi ed importanti miglioramenti in termini
di massimizzazione del recupero di energia e materiali, di
riduzione delle emissioni e di ottimizzazione del controllo
della combustione.

Conclusioni
Le tecnologie basate sulla gassificazione non sono ancora competitive
per la produzione di energia ma, in particolare i reattori verticali ad alta
temperatura con fusione diretta delle ceneri, sono un’opzione affidabile
e sostenibile che permette:
la minimizzazione della opzione discarica: i rifiuti inviati in
discarica possono essere ridotti dal 25-30% al 3-5% dei rifiuti in ingresso;
emissioni limitate in atmosfera
la co-gassificazione di un’ampia varietà di rifiuti, quali le
ceneri di fondo da inceneritori convenzionali, fanghi di depurazione,
residui incombustibili, rifiuti prodotti da eventi disastrosi.
Una loro più ampia diffusione sul mercato è legata ad una
pulizia del syngas più efficiente ed economica, tale da
soddisfare le specifiche di motori o turbine a gas.

E quindi,
The Winner is ….

GRAZIE
per la cortese attenzione!