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CAPITOLO I
PROCESSO DI INCENERIMENTO ED EMISSIONI AMBIENTALI
L’incenerimento dei rifiuti è uno degli impieghi sociali della combustione.
Come illustrato in figura 1, lo stabilimento d’incenerimento tipico include le seguenti operazioni:
- Immagazzinamento dei rifiuti e preparazione
- Combustione in un forno, producendo gas caldi e come residuo ceneri
- Raffreddamento dei gas di combustione, spesso utilizzato il recupero termico attraverso
generazione di vapore
- Trattamento dei gas raffreddati per la rimozione dei contaminanti e successivo smaltimento
- Rilascio in atmosfera dei gas trattati attraverso ciminiere
Esistono molte varianti di un processo d’incenerimento, ma queste operazioni sono comuni a molti
stabilimenti. Questo capitolo tratta di operazioni di combustione e le operazioni di controllo del
particolato aerodisperso applicate nell’incenerimento di rifiuti solidi, rifiuti pericolosi e rifiuti
medici. Lo scopo è di identificare, e discutere brevemente i parametri di progetto e parametri
operativi che hanno influenza nelle emissioni. Immagazzinamento di rifiuti, preparazione, e
raffreddamento dei gas ( che includono recupero termico) sono trattati meno ampiamente
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Figura 1
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1.0. Immagazzinamento , Preparazione e Alimentazione
Le pratiche di immagazzinamento e organizzazione dei rifiuti, preparazione della portata e le
pratiche per l’alimentazione degli inceneritori per rifiuti solidi, pericolosi, medici, ed il disegno
adeguato e le attuazione delle operazioni “front-end” sono importanti per i seguenti motivi:
- Mentre il processo di immagazzinamento è in funzione, l’esposizione potenziale di
lavoratori a materiali pericolosi è la più alta di tutto lo stabilimento. Senza controlli
organizzati e specifici, incluso la protezione dei macchinari, gli operatori possono essere
esposti a vapori e polveri nocive
- Questa parte dello stabilimento è la fonte più alta di fuga di polveri ed emissione di vapori in
atmosfera, e grande pericolo di incendio.
- Senza un condizionamento dei rifiuti ( preparazione della portata di alimentazione) e
dell’alimentazione, il rendimento dell’inceneritore può essere inferiore a quello standard
Ci sono molte norme e linee guida per il progetto e le operazioni di deposito, trasporto e
alimentazione di rifiuti. Le organizzazioni che trattano questi argomenti sono O.S.H.A, U.S.E.P.A.,
N.F.P.A.
1.1. Processo di Combustione
La combustione è veloce, una reazione esotermica tra il combustibile e l’ossigeno. Nei processi
d’incenerimento, il combustibile sono prevalentemente rifiuti ( anche se si possono avere
combustibili fossili) e la fonte di ossigeno è l’aria. La combustione produce gli stessi prodotti
stabili, indipendentemente se si brucia metano, carbone, legno, benzina, rifiuti solidi, rifiuti
pericolosi e medici. La zona della fiamma di un inceneritore correttamente progettato è
sufficientemente calda per rompere tutte le molecole organiche ed inorganiche, permettendo la
reazione tra i componenti più volatili con l’ossigeno e azoto. Le reazioni predominanti sono tra
carbonio e ossigeno, producendo CO2, con l’idrogeno producendo vapore. La combustione
incompleta di composti organici, produce CO e particolato di carbonio. L’idrogeno reagisce con il
cloro organico, producendo HCL. In aggiunta, altre reazioni possono avvenire producendo prodotti
solforati SOx ( da composti solforati) e NOx da prodotti azotati ( in parte anche con l’azoto
atmosferico), ossidi e vapori metallici dal metallo presente in alcuni composti.
Il forno è progettato per produrre un buon miscelamento tra l’aria e gas e vapori prodotti dai rifiuti
roventi. Tuttavia, nelle parti dove la combustione non è perfetta ( per esempio nelle pareti), i
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componenti organici combustibili sono bruciati e il particolato che lasciano entra nel gas
combustibile. La parte di rifiuti incombusti ( nota come ceneri ) è tolta dal forno.
Gli inceneritori utilizzano metodi per assicurare la combustione e la riduzione di emissioni. Una
situazione stazionaria, senza variazioni nell’alimentazione dei rifiuti, nella portata di aria
all’inceneritore aumentano l’efficienza di combustione. La combustione incompleta può risultare in
alti livelli di prodotti incombusti. Il numero di riavvio e shut down del processo ( dovuti a
manutenzione, revisione, ecc…) diminuiscono il rendimento e aumentano le emissioni. Il progetto e
le operazioni adeguate, richiedono controllo della temperatura di combustione, turbolenza nella
camera di combustione, il tempo di residenza dei gas e temperatura. Per ottenere una combustione
efficiente, ogni parte del gas deve raggiungere alte temperature per un tempo sufficiente e ci deve
essere una corretta miscelazione tra combustibile e ossigeno. La temperatura è il risultato del
processo di ossidazione, e deve essere mantenuta alta per garantire la completezza della
combustione, ma non deve danneggiare le apparecchiature o generare molti ossidi di azoto.
Tipicamente, la temperatura è controllata limitando la quantità di materiale caricato nel forno in
modo che il calore generato rientra nei parametri di sicurezza, dopodiché si migliora la situazione
agendo sull’eccesso di aria.
La turbolenza è necessaria per assicurare il corretto contatto tra il combustibile e l’ossigeno nella
camera di combustione ( miscelazione macroscopica) e tra le molecole ( miscelazione
microscopica). Il corretto funzionamento è dato quando si ha ossigeno sufficiente nel forno, e i gas
sono miscelati correttamente. Punti freddi si possono generare nelle pareti del forno; dove il calore è
estratto dal processo di combustione. Questi punti non sono importanti se il forno è fatto di
materiale refrattario. Nuove procedure e progetti sono stati adottati per aumentare la temperatura, il
tempo di residenza e la turbolenza all’interno degli inceneritori con lo scopo di aumentare
l’efficienza di combustione ed altri benefici come l’aumento della qualità delle ceneri. Queste
procedure includono bruciatori ad alta efficienza, pretrattamento dei rifiuti come il taglio e
premiscelazione, aumento della quantità di ossigeno in aggiunta ai metodo descritti
successivamente. Un’attenzione particolare è stata dedicata al controllo e misura delle operazioni di
processo vitali per avere un miglior controllo globale del processo.
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1.2. Tipi di Forno
I forni per rifiuti urbani, si sono evoluti durante gli anni, passando dall’alimentazione discontinua
(processo batch) e forni in refrattario, fino all’alimentazione continua e recupero termico, come
illustrato nella figura 2/3. I nuovi inceneritori sono stabilimenti che producono vapore per la
generazione di energia elettrica.
Nel caso di rifiuti pericolosi, l’inceneritore consiste in un forno rotativo e l’iniezione liquida. Alcuni
sono bruciati in forni di cemento, caldaie industriali, forni per il recupero di acidi e alogeni oppure
per recupero di acido solforico. I rifiuti medici sono bruciati in forni a letto fisso, con la camera
primaria operata con aria in difetto ( controlled air design) oppure in eccesso d’aria. Entrambi
sistemi utilizzano una seconda camera di post-combustione. Per forni più piccoli, si ha solo una
camera e il processo è discontinuo ( batch).
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Figura 2
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Figura 3
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1.3. Considerazioni di progetto di un forno per rifiuti urbani.
Il progetto di un forno è critico per ottenere un’ottima combustione. La configurazione dipende da
quello che deve bruciare. I progetti vecchi, ancora in uso, non hanno la stessa efficacia di
combustione che quelli odierni.
1.4. Dimensionamento
Un combustore mal progettato non garantisce una combustione stabile ed efficace. Il
dimensionamento del forno per trattare la quantità di rifiuti da smaltire, è importante per garantire la
corretta temperatura, tempo di permanenza e turbolenza. Se il calore è troppo basso per la
dimensione della camera di combustione, la temperatura nel forno può scendere fino al punto in cui
la combustione non è garantita. Se il forno è troppo piccolo per la quantità di rifiuti da trattare, la
temperatura sarà troppo alta e si avranno difficoltà nel fornire ossigeno sufficiente per avere una
combustione completa, e la quantità di ceneri sarà maggiore.
1.5. Grate o Tritatori
Nei vecchi modelli, le grate trasportavano il prodotto nella camera di combustione. I nuovi sistemi
preparano i rifiuti tritandoli tramite tritatori (grates). In questo modo si aumenta la superficie di
contatto tra aria-rifiuto alle alte temperature, aiutando un perfetta combustione e prevenendo
materiale incombusto.
1.6. Sistemi di Iniezione di Aria
Perché si abbia la combustione completa, l’aria deve essere iniettata nel forno in almeno due punti:
sotto i tritatori che trasportano i rifiuti che bruciano ( aria primaria) e sopra il tritatore che si miscela
con ulteriore ossigeno con i gas di combustione ( aria secondaria ). Ulteriori controlli sono stati
utilizzati in moderni inceneritori per regolare correttamente l’aria primaria in diversi punti della
griglia di combustione, in funzione delle condizioni di combustioni, e l’aria secondaria in funzione
dello scambio termico ( recupero) della camera di combustione. In questi sistemi avanzati, l’aria
primaria è iniettata nella parte secca e nella zona di combustione della griglia, con un sistema
indipendente per l’aria secondaria. Quest’ultimo metodo è preferito perché permette loop di
controllo con monitoraggio continuo. Il fabbisogno di temperatura e ossigeno nella camera di
combustione possono essere assicurati regolando le quantità di aria primaria e secondaria. Negli
stabilimenti costruiti prima del 1980, in particolare quelli con le pareti bucate, l’ingresso di aria
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