PIROLISI DI RIFIUTI SOLIDI: ASPETTI TECNOLOGICI DI PROCESSO

Martedì, 4 febbraio 2020 | Informazioni Tecniche
Marco Arezio - Consulente materie plastiche - Pirolisi di rifiuti solidi: aspetti tecnologici di processo

Gassificazione e pirolisi. Tecnologie innovative per la valorizzazione energetica dei rifiuti

Il costo economico della produzione di energia da combustibili fossili ha ormai raggiunto valori insostenibili rendendo necessaria la ricerca di nuovi combustibili e la messa a punto di alternative di processo e tecnologiche realmente sostenibili.

Tra i “nuovi” combustibili che, previo pre-trattamento e/o trasformazione, possono integrare quelli tradizionali vi sono diverse categorie di rifiuti di varia origine (urbana o industriale). Lo sviluppo di processi in tale direzione nasce dall’esigenza di coniugare una produzione energetica più sostenibile con la necessità di una gestione dei rifiuti più efficiente.

Gli obiettivi della ricerca applicata attuale

Negli ultimi anni si è fatta sempre più forte la ricerca verso nuove soluzioni tecnologiche che, utilizzando vari processi, anche in combinazione tra loro, mirano a garantire un’efficiente trasformazione dei rifiuti promuovendo nel contempo il massimo recupero di materia ed energia e la massima riduzione delle emissioni gassose, liquide e solide.

La gestione dei rifiuti eco-sostenibile

La valorizzazione dei rifiuti come materia di base per produrre combustibili pregiati, quali il metanolo e l’idrogeno, è obiettivo della ricerca applicata in tutti i Paesi più industrializzati.

L’utilizzo dei rifiuti non come combustibili “tal quali” ma come materia da trasformare in prodotti di maggiore qualità o pregio consente di risalire i gradini della “piramide dell’ecosostenibilità”.

La spinta verso un’economia energetica basata sulla conversione di combustibili gassosi o al più liquidi (metano, idrocarburi leggeri, oli) e dell’idrogeno è legata alla possibilità di realizzare, grazie ad essi, una combustione più pulita e più efficiente.

La trasformazione dei rifiuti in tali combustibili è possibile grazie a processi di natura termochimica quali quelli di pirolisi e gassificazione, che inducono una variazione della struttura chimica della materia tramite l’azione del calore.

Non si tratta quindi di effettuare processi di “selezione e pre-trattamento” come la produzione di combustibili solidi come il CDR ma di realizzare veri e propri processi chimici dei quali va accuratamente valutata l’affidabilità, l’efficienza ed il costo.

I processi termochimici

Pirolisi: in cui ha luogo una degradazione termica del materiale in totale assenza di aria/ossigeno attraverso l’apporto diretto o indiretto di calore. Il potere calorifico dei prodotti ottenuti è pertanto elevatissimo.

Gassificazione: in cui avviene una un’ossidazione parziale dei rifiuti in un ambiente in difetto di ossigeno. I prodotti finali non sono completamente ossidati e posseggono pertanto un potere calorifico minore del rifiuto di partenza.

Combustione: in cui si realizza la ossidazione completa della frazione organica del rifiuto/combustibile, in presenza di un adeguato eccesso di ossigeno e con il risultato di ottenere prodotti completamente ossidati privi di potere calorifico.

La produzione di energia

“Realizza l’ossidazione totale e molto veloce della frazione combustibile alimentata, in presenza di un eccesso di aria che è tanto maggiore quanto più difficile il contatto comburente-combustibile.

La reazione è esotermica è quindi accompagnata da uno sviluppo di calore che dipende dal potere calorifico inferiore (PCI) del combustibile e dall’efficienza di combustione.”

Processi termochimici alternativi alla combustione:

Pirolisi

E’ un processo che si svolge in assenza di ossigeno ed a temperature superiori ai 400°C, raggiunte attraverso l’apporto diretto o indiretto di calore, durante il quale ha luogo esclusivamente una degradazione termica del materiale organico, eventualmente supportata dall’azione di catalizzatori.

I prodotti principali del processo sono gas combustibili di pirolisi, liquidi organici ed un residuo solido, non vetrificato, contenente il char e la frazione

inorganica dei rifiuti.

La pirolisi dei rifiuti plastici

La composizione dei prodotti di pirolisi è estremamente variabile con la temperatura di processo e con la presenza di catalizzatori quali i metalli di transizione e i materiali contenenti siti acidi quali i silico-alluminati, le zeoliti, le argille.

I catalizzatori possono, così come l’aumento di temperatura, favorire la deidrogenazione, ovvero la perdita di idrogeno intramolecolare dalla catena polimerica con conseguente aumento del grado di insaturazione dei radicali ottenuti.

La deidrogenazione si accompagna inevitabilmente con la elevata produzione di composti insaturi ed aromatici (benzene, toluene, xilene, ecc.) e solidi carboniosi amorfi o cristallini (grafite, micro e nano-fibre).

La possibilità di rompere i legami molecolari dei polimeri tramite l’azione del calore (termolisi) o tramite attacco chimico (solvolisi) ha aperto la strada all’utilizzo del prodotto di decomposizione come feedstock per l’industria petrolchimica (feedstock recycling).

La pirolisi di biomasse

La pirolisi delle biomasse può essere differenziata in base al tempo di residenza: un elevato tempo di residenza porta alla produzione di charcoal; un basso tempo di residenza porta alla formazione di liquidi con rese elevate.

La produzione di bio oli (come normalmente vengono chiamati i liquidi della pirolisi delle biomasse) avviene a temperature moderate ovvero al di sotto di 600°C.

Pirolisi al plasma di rifiuti pericolosi

La pirolisi al plasma avviene a temperature elevatissime (circa 20,000°C) grazie all’azione dell’arco elettrico che si forma tra due elettrodi.

L’energia dell’arco è talmente elevata che il gas presente tra gli elettrodi ionizza. Su questo principio si basa il processo di “destrutturazione” di un piro-lizzatore al plasma.

Infatti in questo impianto l’arco viene ad essere generato all’interno di una camera dove l’intenso calore generato dall’arco degrada le molecole organiche più resistenti (oli, vernici, solventi) fino ad ottenere i singoli atomi (plasma).

In un processo successivo gli atomi si ricombinano per formare composti non pericolosi gassosi (anidride carbonica ed acqua prodotta dall’ossidazione in un letto di materiale ceramico) o solidi.

Questi ultimi sono totalmente vetrificati ed inglobano i metalli che risultano non più lisciviabili: sono quindi riutilizzabili come materiale da costruzione.

Gli elettrodi utilizzati sono in carbonio e vengono continuamente inseriti senza dover fermare il processo per la manutenzione.

Pirolisi di rifiuti solidi urbani

Il rifiuto eterogeneo è composto da diverse categorie merceologiche combustibili che però, con un processo di estrema schematizzazione, sono riconducibili a polimeri (plastiche, gomme, resine) e biomasse (carta, cartone, legno, frazione organica, tessili).

Tecnologie di pirolisi

L’applicazione della pirolisi dei rifiuti urbani è in Europa in uno stadio ancora da sviluppare e non ha quindi raggiunto la maturità commerciale anche se la spinta ad ottemperare a quanto stabilito dal protocollo di Kyoto ha fatto nascere molti progetti dimostrativi.

Se l’utilizzo della pirolisi come processo per la produzione di chemicals è ancora molto limitato, la pirolisi intesa come stadio preliminare ad un successivo stadio di combustione o gassificazione è già applicata su grande scala.

Fra i processi più interessanti che utilizzano la pirolisi come processo di trasformazione di vari rifiuti (plastiche miste, residui della demolizioni di automobili, rifiuti elettronici, rifiuti solidi urbani e speciali) possiamo indicare quelli realizzati da WasteGen (UK), Texaco, Compact Power ed Ebara.

Conclusioni

La massima parte dei processi commerciali di pirolisi si svolge a bassa temperatura, cioè tra 450 e 600°C in modo da evitare di dover pagare un onere eccessivo in termini energetici (ed economici), anche se ciò comporta un aumento del tempo di permanenza nel reattore (che può arrivare anche alle 2h) e la riduzione della frazione di rifiuto completamente degradata all’interno del forno.

Per migliorare il rendimento energetico complessivo del processo il gas di pirolisi, ed eventualmente anche il char, sono inviati ad un processo di combustione che consente, se questo è condotto a temperature maggiori di 1200°C, di sfruttare appieno la temperatura adiabatica di fiamma del gas di pirolisi.

Il char proveniente da un processo di pirolisi può:

• essere inviato a discarica dopo essere stato privato dei metalli che, a valle del processo, sono recuperabili in forma non ossidata

• essere inviato a combustione eventualmente assieme al gas di pirolisi; in questo caso non sarà possibile recuperare i metalli (che in questo modo vengono ossidati)

• essere inviato a gassificazione (opzione che permette di recuperare i metalli in forma non ossidata ed aumentare la CCE del sistema globale trasformando il carbonio fisso del char in ulteriore syngas).

Maria Laura Mastellone e Umberto Arena

Seconda Università degli Studi di Napoli Dipartimento Scienze Ambientali

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