La raffinazione dei rifiuti

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Paolo Plescia CNR ISMN La Raffinazione dei rifiuti urbani Come trasformare i rifiuti in una risorsa per le Comunità CNR Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati Area della Ricerca Roma -1 Montelibretti l’esempio THOR

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Definizione di rifiuto: qualsiasi sostanza od oggetto di cui il detentore si disfi o abbia l’intenzione o l’obbligo di disfarsi (Direttiva Europea 2008/98/CE) La definizione di rifiuto definisce i contorni di un mondo sommerso molto vasto, una sorta di area grigia, sotterranea al mondo superiore industrializzato dove le cose consumate, che hanno portato benessere e felicità ed hanno terminato la loro vita operativa iniziano un nuovo percorso, diverso e più tortuoso, che spesso porta ad un danneggiamento dell’ambiente e ad una riduzione della qualità di vita. La gestione delle enormi quantità di rifiuti oggi prodotte nel mondo industrializzato implica una serie di pressioni sull’ambiente: a carico delle acque, come conseguenza dei percolati di discarica e degli sversamenti di rifiuti in prossimità di acque superficiali o in falda a carico dell’aria, inquinamenti clima-alteranti dai gas serra emessi dai processi degradativi dei rifiuti organici, emissioni da incenerimento e dai mezzi di trasporto a carico del suolo, scarichi accidentali e discariche incontrollate con conseguente generazione di siti contaminati a scapito dell’ambiente e della collettività In definitiva, dato che in natura nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma la problematica dei rifiuti va affrontata ponendo al centro della pianificazione il recupero e il riciclo delle materie, non la loro eliminazione (anche perché impossibile) o il loro occultamento in una discarica, perché qualsiasi sistema di smaltimento che non prevede un recupero di materie prime o di prodotti genera esso stesso dei rifiuti, moltiplicando così il fenomeno e rendendo ancora più complessa e ingovernabile la gestione

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Una città di 30000 abitanti consuma 103 MWh elettrici a giorno (3.04KWh/ab giorno*30000) e nello stesso tempo produce circa 45 tonnellate di rifiuti, dei quali il 30 % è acqua, il 10 % è metallo e vetro e il 5 % non è buono da utilizzare come combustibile per la presenza di S, Cl ..… Ma il resto è C e H, che se utilizzati al 25 % di rendimento producono 35 MWh a giorno, cioè il 34 % dell’energia elettrica necessaria alla comunità … La Città Ideale

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La premessa è utile per chiarire cosa si intende per RAFFINAZIONE dei rifiuti. Il rifiuto urbano è una miscela eterogenea di materiali organici ed inorganici, composto da carta, plastiche, materiali vegetali e di origine animale, residui metallici e vetrosi e sporadici frammenti di ceramici, inerti e legno. Una corretta gestione di queste miscele deve prevedere: la separazione a monte delle materie prime ancora utilizzabili la trasformazione della frazione non recuperabile in impianti che forniscano alla Comunità energia elettrica, calore e materie prime ripulite. Queste ultime possono, a loro volta, dare origine a filiere produttive che impiegano materiali di scarto. La RAFFINAZIONE è quindi un’azione basata su moderne tecnologie che permette di ottenere materie prime di elevata qualità e di combustibili dalla frazione non altrimenti recuperabile dei rifiuti

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Una montagna di RIFIUTI Giornalmente, in Italia ognuno di noi produce 1.5 kg di rifiuti, dei quali il 90 % è costituito da rifiuti “urbani”, cioè materiali di scarto derivanti dalla cucina, dalla pulizia e dalla gestione delle nostre abitazioni Dai dati dell’APAT 2008 si ricava che la produzione annuale 2007 di rifiuti urbani si è attestata a 32.5 milioni di tonnellate. Di questi, solo il 28 % è recuperato mediante la RD (9.1 Mton) mentre 23 Mton vengono smaltiti, ad un costo medio di 90 €/ton.

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La RD in Italia e gli obiettivi di Legge

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Come vengono gestiti i rifiuti “indifferenziabili” in Italia (APAT 2009)

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LA FRAZIONE DEI “NON RICICLABILI..” La Norma ci chiede di produrre CDR (combustibile da rifiuto) a partire dalla frazione non riciclabile, il “sovvallo” della differenziata (Dlgs 22/97 “Legge Ronchi” e s.m.i.). Attualmente la via presa da questi materiali, in Italia, è perlopiù verso la discarica ..

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Selezione RD RU Trattamento/ recupero Valorizzazione/ Commercializzazione Valorizzazione energetica Ripristini ambientali FOS CDR Selezione RD RSU Trattamento/ recupero Valorizzazione/ Commercializzazione Valorizzazione energetica Ripristini ambientali FOS CDR Discarica Incenerimento La gestione RSU Schema AMA, 2006

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Prima di considerare le tecnologie a disposizione per la gestione dei rifiuti, si vuole portare l’attenzione del Lettore sulla problematica delle emissioni di gas clima-alteranti: il settore rifiuti contribuisce, da solo, al 6 % delle emissioni serra. In particolare, il biogas emesso dalle discariche ha un effetto 25 volte più intenso della CO2

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Serbatoio biogas Motore a combustione interna CH4 CO CO2 H2O Energia elettrica 0.08/0.1 MWh/ton Impianti di discarica con recupero di biogas Rifiuti interrati Condotte biogas isolamento

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Residui non differenziabili Fermentatore Serbatoio biogas Motore a combustione interna CH4 CO CO2 H2O Energia elettrica 0.17 MWh/ton Impianti di biostabilizzazione e meccanico-biologici Metalli ferrosi e non ferrosi

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Elementi critici sulle discariche Le discariche costituiscono dei bacini dove il rifiuto viene degradato dalle acque di percolazione e dall’attività batterica e produce effetti a breve, medio e lungo termine nefasti per l’area e la popolazione. Effetti a breve termine: biogas e odori nauseabondi, percolato di discarica da smaltire (circa 20 – 30 €/ton), riduzione dell’uso dell’area per scopi agricoli, possibile immediato inquinamento di falde superficiali e sotterranee se il contenimento plastico/argilloso viene danneggiato da assestamenti interni Effetti a medio termine: a pochi anni dall’apertura della discarica si verifica il cedimento delle strutture di contenimento, sia per fenomeni di corrosione elettrolitica/chimica, sia per fenomeni meccanici, con conseguente spandimento di percolato; le emissioni tendono a divenire sempre più importanti, con l’aumentare del tempo di maturazione del rifiuto Effetti a lungo termine: indisponibilità dell’area, non sarà mai più possibile utilizzarne l’area per scopi agricoli o abitativi a meno di una BONIFICA a fine vita dell’impianto Costo smaltimento RSU in Discarica: 60 – 120 €/ton

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Residui non differenziabili Ceneri volanti 5 % in peso dei rifiuti Ceneri di fondo 25 % in peso dei rifiuti Energia elettrica 1MWh / ton Inceneritori A GRIGLIA Pellettizzatore Forno a griglia

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Residui non differenziabili Energia elettrica (1.2 – 1.4 MWh/ton) Torcia al plasma Inceneritori AL PLASMA Pellettizzatore

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GLI INCENERITORI: REALMENTE SONO UNA SOLUZIONE ? Nel 1896 entrò in funzione il primo inceneritore ad Amburgo e da allora nella maggior parte dei Paesi del Nord Europa si continua ad incenerire. In Europa ci sono oltre duecento impianti di incenerimento, molti dei quali trasformati negli anni in impianti di termovalorizzazione. In molti Paesi si guarda all’incenerimento come alla sola tecnologia proponibile e anche nel nostro Paese si parla di incenerimento come unica alternativa: TALI AFFERMAZIONI SIANO DEL TUTTO SBAGLIATE, FUORVIANTI E PERICOLOSE L’incenerimento praticato sui rifiuti non raffinati - in Europa non si parla di “termodistruzione” ma solo di INCENERIMENTO - è la forma meno razionale per trattare i rifiuti e si giustifica solo nelle seguenti condizioni: Volumi di rifiuti accumulati maggiori di 1 Mton / anno (Fonte Federambiente) Incentivi dello Stato per ridurre il costo di conferimento Gli aspetti negativi dell’incenerimento sono l’occupazione permanente e definitiva di aree enormi, la produzione di 1 tonnellata di rifiuti, tra pericolosi e speciali, da smaltire, per ogni tre tonnellate di rifiuti urbani, la produzione di inquinanti gassosi e solidi La dismissione di un inceneritore porta inevitabilmente ad una bonifica, spesso di dimensioni maggiori di quelle da attuare sulle discariche Da: Corso di aggiornamento Energia dai Rifiuti – Politecnico di Milano 2005

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Evoluzione percentuale incenerimento su totale RU Fonte APAT 2006

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L’importanza delle dimensioni di un Termovalorizzatore Fonte Prof. Consonni – Convegno AMSA 08

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Totale in inceneritori ( WTE) 3,951 Mt/a (RSU +CDR+Sovvalli ) 12,1 % della prod.RSU di cui 3,3 Mt/a da RSU+0,6Mt/a da CDR/Sovv. Potenza elettrica lorda 530 MWe Inceneritori RSU funzionanti 50 Totale rifiuti in inceneritori 4,5 Mt/a (inclusi i Rifiuti speciali) Produzione elettrica da rifiuti 2,90 TWh/a Produz.elettr.da rifiuti e biomasse 6,74 TWh/a Potenza elettr.da rifiuti e biomasse 1256 MWe = 6 % FER, 21332 MWe = 1.8 % della prod.lorda Totale produzione elettrica da FER 52,27 TWh/a Totale produzione elettrica lorda 314 TWh/a Totali consumi elettrici lordi 359 TWh/a Obiettivo FER-2010(2001/77/CE) 76 TWh/a Incenerimento/Fonti Energetiche Rinnovabili (FER)

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Brescia 800.000 Ton/anno 30 % ceneri 32 % efficienza Ep= energia elettrica (X 2.6) e/o termica (X 1.1) prod. Annualmente (GJ/a) Ei =Energia annuale importata dall’impianto (GJ/a) Ef = energia annuale introdotta in impianto come combustibile per produrre vapore (GJ/a) Ew = contenuto energetico dei rifiuti in base al p.c.i. (GJ/a) Si considera RECUPERO ENERGETICO con eff.energetica > 0.6 (impianti funzionanti prima del 31/12/2008 e > 0.65 per impianti autorizzati dopo il 1/01/2008 Fonti rinnovabili o Incenerimento ? La Commissione Europea ha varato la NUOVA DIRETTIVA QUADRO SUI RIFIUTI (31/2008/CE) che prevede se un impianto di incenerimento di rifiuti è da considerarsi un recupero energetico o uno smaltimento. La classificazione si basa su una FORMULA DI EFFICIENZA (chiamata R1/D10) dove R1 sono le operazioni di recupero come combustibile e D10 è lo smaltimento tramite incenerimento: Eff. Energ. = Ep – (Ei-Ef) 0.97 *(Ew+Ef) Di fatto nessun impianto in Italia rispetta tali parametri

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Energia elettrica dai rifiuti KWh/t RSU Discarica controllata con rec.en. 60 ( 40% biogas – motori a ciclo otto ) Digestione anaerobica 170 (tecnol. a secco – motori a ciclo otto ) Termovalorizzatore Anni 75-85 350 ( ŋe=20%, pci=6,3 MJ/Kg) Anni 85-95 550 ( ŋe=23%, pci=8,5 MJ/Kg) Anni 95-05 700 ( ŋe=25%, pci=10 MJ/Kg) Termovalorizzatore ottimizzato (2007) 834 (WFPP- AEB Amsterdam) (WTE AZN Moerdijk – NL) Termovalorizzatore per CDR 1050* ( ŋe=25%, pci=15 MJ/Kg) . Caldaia stessa capacità e rendimento, a carbone (ŋe=25%, pci=35 MJ/Kg) 1533** *per Ton. CDR ** per ton carbone con p.c.i.: 35 MJ/kg Con CDR Q micronizzato e raffinato 1375* (ŋe=25%, pci=22 MJ/Kg)

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3. Una nuova ipotesi di trattamento

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L’ipotesi è basata sull’integrazione della filiera esistente (incenerimento, discarica e digestione anaerobica) con una tecnologia che elimini o limiti al massimo le sostanze inquinanti (metalli, alogeni), gli idrocarburi, i pesticidi e altre sostanze pericolose, in modo da aumentare il rendimento energetico e ridurre le condizioni di rischio Ciò si può fare a costo limitato adoperando una tecnologia “povera”: la meccanochimica

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Meccanochimica significa stimolare reazioni chimiche mediante energia impressa meccanicamente, da un mulino. Le reazioni che vogliamo provocare vanno dalla semplice essiccazione alla frattura di legami molecolari e alla ossidazione ed eliminazione di sostanze tossiche Mediante un mulino di tipo classico si riesce normalmente a ridurre la dimensione della polvere. Ma quando l’energia utilizzata supera quella necessaria alla sola comminuzione, avviene qualche altra cosa: si innescano una serie di reazioni che degradano i materiali Mediante questa tecnica si possono “vetrificare” metalli e materiali solidi, ossidare e distruggere PCB e idrocarburi., liberare metalli .. MULINO ad ATTRITO Utilizza masse macinanti libere di muoversi, accellerate dal movimento delle giare di macinazione, che imprimono forze di attrito superiori alle 1000 atmosfere. Sono indicati per materiali secchi e ricchi di polimeri teneri MULINI ad URTO e ATTRITO Stesse masse macinanti, ma mosse in modo da creare una componente di urto accoppiata ad una componente ad attrito; indicati nella gestione di materiali umidi (fino al 70 %) e molto ricchi di inerti e polimeri misti

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Liberare le particelle utili e separarle dal resto della miscela Nei rifiuti solidi urbani troviamo materiale organico putrescibile, polimeri, legno, carta e accoppiati, metalli e inerti. Ciascuno di questi materiali hanno una loro densità, porosità, contenuto d’acqua e resistenza meccanica. Sfruttando differenze in parametri fisici si possono agevolmente separare le varie frazioni. Organico combustibile: Per densità Metalli: prop. magnetiche, correnti parassite, densità Inerti: densità, colore, risposta IR

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Frazione pesante: inerti e sali Frazione leggera: combustibile o filler Separazione dei ferrosi e non ferrosi Frantumazione Separazione acqua Fe Cu, Zn, Sn.. Vetro inerte Separazione inerti e vetro Micronizzazione Separazione polveri acqua Schema del processo di RAFFINAZIONE

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L’eliminazione dell’acqua

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CDR classico LHV = 10 -13 MJ/kg BET = 0.04 – 0.1 mq/g U % = 35 – 40 %

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Rifiuto dopo raffinazione LHV = 20 – 22 MJ/kg BET = 47 mq/g U % = 5 %

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Effetto di sterilizzazione

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Le dimensioni ridotte del combustibile e le modificazioni chimiche indotte dalla micronizzazione aumentano il LHV anche del 240 % Il prodotto contiene mediamente 0.3 – 0.4 % di cloro, partendo da un tal quale contenente il 10-15 % di plastiche clorurate (5.5 – 7.5 % di cloro iniziale), 0.25 % di solfo e una sommatoria di metalli pesanti inferiore ai 1000 ppm

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.. Il primo impianto utilizzato, Sidney (2002)

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Nel 2003 iniziò la progettazione e realizzazione di un mulino ad attrito completamente nuovo. Tale sistema, chiamato THOR 1, dette una pessima prova di sé nei test di funzionamento e successivamente venne abbandonato per il costo di sviluppo eccessivo

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1 2 3 5 4 Nel 2005 la Società ASSING SpA, che aveva realizzato il brevetto del mulino, iniziò la progettazione e realizzazione del II prototipo, basato sullo schema di macinazione a planetario, più efficiente e meno costoso. E’ stato il primo mulino planetario di dimensioni industriali per produrre materiali nanostrutturati attraverso azioni meccanochimiche. Tale iniziativa, completamente italiana, ha permesso un notevole passo avanti ed è ora premiata dalla collaborazione con il Gruppo Buzzi UNICEM che ha la licenza di realizzare tali macchine per produrre CDR-Q per le cementerie

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MCDR viene usato IN PARTE per ALIMENTARE I MOTORI DELLA NAVE… .. Rifiuti Trattamento dei rifiuti con piattaforme su nave .. E IN PARTE PER ALIMENTARE CENTRALI TERMOELETTRICHE O CEMENTERIE MICRO-CDR (MCDR)

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Il secondo sistema inventato dal CNR e reso industriale da una PMI nazionale è il REFOLO, un processo industriale per il recupero di rifiuti speciali, anche urbani, ad elevato contenuto di polimeri. Tale processo è stato impiegato con successo nel trattamento di BIOMASSE e CAR FLUFF. Cuore del processo REFOLO è il micronizzatore, un “pin mill”, cioè un mulino ad attrito dove le sfere di acciaio sono lanciate ad elevata velocità sul materiale, trasferendo così una grande quantità di energia. L’effetto è una forte riduzione della quantità di acqua (che viene espulsa sotto forma di vapore) e della granulometria. Nel mulino si ottengono anche reazioni di cracking molecolare e riduzione. The REFOLO project

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1= Feeder 2= shaft 3= hammers 4= launchers 5= powder exhaust 6= lifters 7= motor trasmission 8= electric motor Lo schema illustra la struttura semplificata del TRITOR. I martelli che ruotano accellerano le sfere a 20 – 25 m/s. I granuli di rifiuto organico sono schiacciati e frammentati, fino ad ottenere delle polveri che vengono aspirate attraverso le pareti forate delle giare. The REFOLO project

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Immagini degli urti delle sfere all’interno delle giare di macinazione (www.sensorproducts.com) Velocità max sfere: 21 m/s Pressioni normali: 210 Mpa Pressioni tangenziali: 30 - 100 Mpa The REFOLO project

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Il primo impianto REFOLO presentato a ECOMONDO 2008 Si tratta di un pilota da 0.5 mc/ora, che servì a dimostrare la funzionalità di un sistema di questo genere

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Esempi di raffinazione: Eliminazione del cloro “organico” dal rifiuto e riduzione del rischio potenziale di generazione di diossine dall’incenerimento E’ dimostrato che i composti della famiglia delle diossine si formano durante la fase iniziale della combustione dei rifiuti, quando la combustione di plastiche alogenate (PVC) o organoclorurati genera HCl gassoso, in presenza di catalizzatori, quali il rame e il ferro Il cloro è così disponibile a formare diossine e furani con le molecole organiche presenti nello stream dei gas di uscita. Il primato nella produzione di HCl e nella realizzazione della reazione di Deacon è posseduto dal cloro organico a scapito del cloro inorganico per una semplice considerazione di tipo chimico fisico: il cloro organico è legato a polimeri che a 300°C dereticolano e formano HCl, mentre alla stessa temperatura il cloruro di sodio o di calcio non produce alcuna emissione gassosa di HCl, a meno che non si trovi assorbito sulla superficie di argille o di altre forme silicatiche, in condizioni tali da rendere più facile la dissociazione del cloro dai sali

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Sfruttando l’energia meccanica prodotta dalla macinazione per attrito si induce la dereticolazione dei polimeri e la precipitazione del cloro in forma di sali in presenza di idrossido di calcio (CaOH2) o di soda (NaOH). Il cloro che si forma per dereticolazione del PVC, evoluto sotto forma di acido cloridrico, viene catturato dall’idrossido alcalino e riprecipita sotto forma di sale di cloro. La reazione invocata per utilizzare l’idrossido di calcio come scavenger per il cloro è stata realizzata anche per lo solfo

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Analisi termica del PVC tal quale 0 200 400 600 800 T°C Analisi termica del PVC trattato

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Sali estratti dal rifiuto (CaSO4 e CaCl2)

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Users… In questo momento gli utilizzatori potenziali del combustibile da raffinazione sono le Cementerie e le centrali termoelettriche. Sia i primi che i secondi possono ricevere un combustibile molto simile al carbone che attualmente viene bruciato con evidenti risparmi, anche in termini di desolforazione

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Per riassumere: perché RAFFINARE? Per l’elevata efficienza, assenza di emissioni e di rischi ambientali e per il più basso costo di smaltimento attualmente esistente (< 50 €/ton) Perche’ aumenta la percentuale di materiale realmente differenziato e riutilizzabile Perché il prodotto finale può essere una valida alternativa (rinnovabile) al carbone nelle centrali, oppure costituire un suolo tecnico da utilizzare nei ripristini ambientali, senza pericolose formazioni di gas e percolati

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Grazie per la vostra attenzione !!