VENICE 2012 – Energy from Biomass and Waste
12 Novembre, 2012 – Venezia
Un confronto tra
termovalorizzazione per
combustione e gassificazione
di rifiuti urbani
Umberto ARENA e Fabrizio DI GREGORIO
Dipartimento di Scienze Ambientali – Seconda Università di Napoli
Amra S.c.a r.l.
Ruolo dei Wte nella gestione dei rifiuti
Ruolo dei WtE nella gestione dei rifiuti
1. Riducono la massa ed il volume del rifiuto,
preservando quindi spazi di discarica
2. Consentono un recupero sostenibile di energia
da residui solidi;
3. Consentono il recupero di minerali e elementi
chimici dai residui solidi del processo che non
possono essere riutilizzate o riciclate;
4. Distruggono alcuni contaminanti che possono
essere presenti nel rifiuto;
5. e riducono le emissioni di gas ad effetto serra
rispetto alla decomposizione anaerobica dei
rifiuti organici.
Tipologie di processi WtE
Tipologie di processi WtE
Combustione
Aim of the process
To maximize fuel conversion to high
temperature flue gases, mainly CO2 and
H2O.
Gassificazione
To maximize fuel conversion to fuel
gases, mainly CO, H2 and CH4. To
minimize residues to be sent to final
landfill.
Operating conditions
Reaction environment Oxidizing
Reducing
Reactant gas Air
Air, O2-enriched air, pure O2, steam
Temperature Between 850°C and 1200°C
Between 550-900°C (in air gasification)
and 1000-1600°C
Generally atmospheric
Pressure Generally atmospheric
Process output
Produced gases
CO2, H2O
Pollutants
SO2, NOx, HCl, PCDD/F, particulate
CO, H2, CO2, H2O, CH4
H2S, HCl, COS, NH3, HCN, tar, alkali,
particulate
Ash
Bottom ash can be treated 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.
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.
Gas cleaning
It is possible to clean the syngas to
Treated in air pollution control units to
meet the emission limits and then sent to meet standards of chemicals
production processes or those of high
the stack.
e.e. efficiency conversion devices.
Tipologie di processo WtE
Combustione è un processo ampiamente conosciuto e
diffuso, affidato ad una tecnologia ben stabilizzata e
sostenibile
Gassificazione è un processo meno pronto su scala
commerciale ma con ampi margini di espansione
COMBUSTIONE
GASSIFICAZIONE
anni di
operatività
125
10
n. impianti
> 900
̴
100
Scopo
• fornire dati per un confronto critico di due opzioni di WtE,
attraverso la determinazione delle prestazioni di un
processo di combustione e uno di gassificazione, applicati
allo stesso rifiuto solido, per un forno a griglia mobile e
per un reattore di gassificazione verticale ad alta
temperatura con fusione diretta delle ceneri,
rispettivamente.
Per questo motivo una grande mole di dati sono stati raccolti da molti
impianti operativi nel mondo e processati con diversi strumenti analitici.
In particolare l’ Analisi dei Flussi di Materia e di Sostanza
(MFA/SFA) è in grado di definire e confrontare i percorsi di alcuni dei
principali elementi chimici di interesse presenti nei rifiuti solidi
attraverso le diverse unità dei due impianti a confronto, con l’obiettivo
di ottenere informazioni affidabili riguardo la loro ripartizione, in
particolare per I metalli pesanti a basso punto di ebollizione e
le loro concentrazioni nei residui solidi di processo.
Dati di input: composizione del rifiuto
altro: 21.6
organico: 35.4
tessili: 3.8
metalli: 2.8
vetro: 4.9
plastiche: 11.0
carta: 20.5
Fonte: CEWEP, 2009
Dati di input: Combustione WtE
All
the
valuessono
are in
Tutti
i valori
in t/d
t/g
Agente ossidante: aria
ER: 1.7
Urea: 4.6 kg/trifiuto
Calce idrata: 10 kg/trifiuto
Carboni attivi: 1 kg/trifiuto
Dati di input: Gassificazione WtE
Tutti i valori sono in t/g
Agente ossidante: aria e O2 aria arricchita (O2= 36%)
ER: 0.26
Urea: 4.6 kg/trifiuto
Calce idrata: 6.5 kg/trifiuto
Carboni attivi: 0.5 kg/trifiuto
Dati di input: Gassificazione WtE
Strumenti di valutazione: MFA/SFA
Waste and WtE process
data
(waste amount and
composition,
transfer coefficients, gas
and solid residues, etc.)
WtE system
definition
Technical tools
(material balances,
energy balance,
allocation models, etc.)
Analytical tools
Material Flow Analysis
Life Cycle Analysis
Substance Flow Analysis
Element
partitioning
Combustione WtE: tipici flussi di materia
Flussi di materia (t/g)
≈22%
≈3%
Gassificazione WtE: tipici flussi di materia
Flussi di materia (t/g)
≈25%
≈7%
Impianto di Shin-moji (JP):
4.2% discarica; 8.6% slag; 1.4% metalli
Centro di Akita (JP):
2.8% discarica; 11.0% slag; 1.7% metalli
Destino del cloro
HCl
12%
87.4%
Tutti i valori sono in kg/g
KCl,PbCl2
ZnCl2
0.4%
Tutti i valori sono in kg/g
98.9%
MSWI vs MSWG: risultati della MFA/SFA
Combustione WtE
Gassificazione WtE
Flussi di
Ceneri Residui
Gas
Scorie
Residui
Metalli
massa
di fondo
APC Effluente vetrose
APC
massa,
220
27.3
7118
210.2
36.2
71.1
kg/trifiuto
Gas
Effluente
5384
C, kg/trifiuto
2.5
2.2
247
0.5
0
2.1
348
Cl, g/trifiuto
S, g/trifiuto
Pb, g/trifiuto
Zn, g/trifiuto
432
650
110
324
3145
624
90
396
23
26
0.1
0.2
14
251
2.2
5
0.4
14
1.5
2
3559
1022
196
714
26
14
0.05
0.2
Destino dei metalli pesanti a basso
punto di ebollizione
Molti fattori possono influenzare come e in che
forma un elemento in traccia eventualmente finisca
in fase gassosa o solida:
i) come l’elemento in traccia è presente nel rifiuto
ii) la presenza di alogeni (in particolare del cloro)
iii) la presenza di composti assorbenti
iv) la temperatura e la pressione del sistema
v) l’ambiente riducente o ossidante
Fate of Zinc
ZnSiO4
ZnAl2O4
45%
All the values are in kg/d
55%
ZnCl2
0.9%
All the values are in kg/d
99.1%
Destino del piombo
55%
Tutti i valori sono in kg/g
45%
1.9%
Tutti i valori sono in kg/g
98.1%
Test di lisciviazione delle scorie vetrose
in due gassificatori ad alta temperatura
Normativa
(JIS K0058)
Impianto A
(Nippon Steel DMS)
Impianto B
(JFE G+MS)
mg/L
mg/L
mg/L
Cd
< 0.01
<0.001
<0.001
Pb
<0.01
<0.005
<0.005
Cr6+
<0.05
<0.02
<0.02
As
<0.01
<0.001
<0.005
<0.0005
<0.0005
<0.0005
Se
<0.01
<0.001
<0.002
F
<0.8
-
<0.08
B
<1.0
-
<0.01
Elemento
T-Hg
Conclusioni
Lo studio sviluppa una analisi del flusso di sostanza
per due delle più comuni tecnologie di combustione
e gassificazione per la produzione di energia da
rifiuti, stimando la ripartizione dei flussi massici di
materiali ed elementi sulla base di dati provenienti
da impianti operativi nel mondo.
La combustione a griglia mobile è un opzione
sostenibile di gestione dei rifiuti che consente un
significativo ammontare di energia e una considerevole
riduzione del volume di rifiuto. Le concentrazioni dei
metalli pesanti a basso punto di ebollizione (Pb e Zn)
sono egualmente distribuite fra ceneri di fondo e
residui APC: questo implica che le ceneri di fondo di
questi impianti non sono direttamente riciclabili.
Conclusioni
Nella gassificazione con il processo di fusione la
volatilizzazione dei metalli pesanti a basso punto
di ebollizione (Pb e Zn) è quasi del 100%: questi
metalli volatilizzano come metalli nella fornace di fusione e poi sono
condensati come solfati non appena la temperatura del gas diminuisce
all’ingresso del sistema APC.
Allo stesso tempo, gran parte dei metalli ad alto punto di
ebollizione (Fe e Cu) sono soprattutto concentrati nella
corrente dei metalli, per valori di circa il 90%.
Questi risultati, accoppiati a quelli dei test di lisciviazione ed
estrazione acida delle scorie vetrose, indicano che le scorie
sono generalmente riciclabili, consentendo una riduzione di
circa il 20% degli ammontari di rifiuto da smaltire in
discarica.
THANK YOU
for your kind attention
MSWI vs MSWG: results of MFA/SFA
Combustion-based WtE
Gasification-based WtE
Bottom
Ash
APC
residues
Flue
Gas
Slag
Metals
APC
residues
Flue
Gas
mass, kg/twaste
220
27.3
7118
210.2
36.2
71.1
5384
C, kg/twaste
2.5
2.2
247
0.5
0
2.1
348
Cl, g/twaste
S, g/twaste
Pb, g/twaste
Zn, g/twaste
432
650
110
324
3145
624
90
396
23
26
0.1
0.2
14
251
2.2
5
0.4
14
1.5
2
3559
1022
196
714
23
14
0.05
0.2
112.8
29.3
5520
115.5
9.3
49.7
4026
mass flow rates
volume flow
rates, m3N/twaste
landfill mass
reduction, %
74.5
94.0
Nippon Steel Direct Melting System
Yangsan City, Korea
• capacity: 200t/d (2 furnaces)
• completion: February, 2008
• waste to be treated: MSW
(incl. incombustibles), LHV = 11.8MJ/kg
Metal distribution:
Courtesy of
Nippon
Steel Eng.
Co.,
Tanigaki et
al., 2008