Incenerimento dei rifiuti (pt. 2): come funziona un inceneritore

So che ti sei spesso chiesto qualcosa del tipo “Ma come funziona un inceneritore?”, “Che fine fanno i rifiuti una volta entrati in un inceneritore?”, “Quali sono gli inquinanti prodotti da un inceneritore e come è possibile eliminarli?”.

Questo è l’articolo che fa per te.

L’incenerimento dei rifiuti entra nell’ampio sistema di gestione dei rifiuti e per questo è importante conoscerne il funzionamento sebbene non rientri nel concetto di economia circolare o nella strategia Rifiuti Zero (perfettamente spiegata nei libri di Paul Connett e Rossano Ercolini).

L’obiettivo di Rifiutologia è quello di diffondere conoscenza su tutto il mondo dei rifiuti: dalla raccolta differenziata alla gestione dei rifiuti, dai consigli per vivere in modo sostenibile all’incenerimento dei rifiuti.

Per questo, nell’articolo di oggi intendo spiegare in modo tecnico-scientifico il funzionamento di un inceneritore.

Spiegherò di quali sezioni si compone un inceneritore, che cosa entra in ognuna di queste sezioni e che cosa esce da esse.

Una volta letto l’articolo saprai come funziona ogni singola parte di un impianto di incenerimento, quali sono gli inquinanti che vengono prodotti durante il processo e come questi vengono abbattuti.

Proponendosi come una spiegazione del funzionamento di un termovalorizzatore, nell’articolo non darò nessuna opinione personale in merito ma mi limiterò a descriverne il funzionamento nel modo più fedele possibile.

Ma non temere! Userò parole semplici sia per descrivere le varie parti dell’impianto sia per descrivere i processi che le caratterizzano.

Nonostante la semplicità con cui tratterò gli argomenti, per essere capito, l’articolo va letto con calma e attenzione. E’ molto lungo, ha richiesto molto impegno e contiene molte nozioni fondamentali per capire realmente come funziona un termovalorizzatore.

Il consiglio che ti do è quindi quello di salvare l’articolo tra i preferiti e di tornare a leggerlo di tanto in tanto.

Ti assicuro che dopo averlo letto sarai in grado di spiegare a chiunque come funziona un impianto di termovalorizzazione!

Buona lettura! 🙂

P.S. Prima di leggere questo articolo ti consiglio di leggere lo scorso articolo che ho scritto sull’incenerimento dei rifiuti in modo da avere un quadro generale della situazione. In questo articolo tratterò esclusivamente del funzionamento tecnico-scientifico di un termovalorizzatore.

Ricezione e stoccaggio dei rifiuti prima della termovalorizzazione

I rifiuti indifferenziati che produciamo giornalmente (più alcuni rifiuti industriali, ospedalieri e imballaggi non riciclabili) che arrivano all’inceneritore vengono raccolti e stoccati in una sorta di fossa che si affaccia di fronte alla camera di combustione.

Una volta arrivati, il gestore dell’inceneritore è tenuto a determinare la massa e la tipologia di rifiuto che entra in impianto (i rifiuti sono sempre accompagnati da una scheda identificativa, una sorta di carta di identità dei rifiuti).

Al fine di limitare il più possibile “gli effetti negativi sull’ambiente, in particolare l’inquinamento dell’aria, del suolo, delle acque superficiali e sotterranee nonché altri effetti negativi sull’ambiente, odori e rumore e i rischi diretti per la salute umana” (D.Lgs 152/2006, art 237-septies) la fossa di ricezione deve essere tenuta chiusa (a parte quando i camion scaricano i rifiuti al suo interno), impermeabilizzata e in depressione per fare in modo che l’aria (che vi assicuro non ha un odore gradevole) rimanga al suo interno e non si disperda negli altri ambienti o all’esterno.

La fossa oltre a garantire una continua alimentazione dell’impianto, deve essere sufficientemente grande per garantire, in caso di fermo dell’inceneritore, il conferimento dei rifiuti e quindi il proseguimento delle operazioni di raccolta di rifiuti.

Se la fossa fosse troppo piccola, qualora il termovalorizzatore si dovesse fermare per manutenzione ordinaria o per un guasto, dove metteremmo i rifiuti indifferenziati?

La fossa di ricezione, detta camera di stoccaggio, deve essere quindi sufficientemente grande per garantire il proseguimento della raccolta dei rifiuti per almeno 3 giorni anche quando l’impianto non è in funzione per qualsiasi motivo.

La camera di stoccaggio è dotata di una benna.

La benna è una sorta di pinza che serve a prendere i rifiuti e portarli all’interno della camera di combustione. Ma non solo! Una operazione molto importante che si fa con l’uso della benna è quella di omogeneizzazione dei rifiuti.

Ti lascio qua un video che ho fatto nella camera di stoccaggio dell’inceneritore di Barcellona in cui si vede chiaramente l’utilizzo della benna.

Come ho spiegato nello scorso articolo sull’incenerimento, i rifiuti sono caratterizzati da un potere calorifico (se non ricordi bene di cosa si tratti, vai a rileggere il paragrafo in questione nell’articolo sull’incenerimento della settimana scorsa).

Dal momento che i rifiuti provenienti dai nostri bidoni dell’indifferenziato sono composti da vari materiali (con ognuno il proprio specifico potere calorifico) è importante omogeneizzare i rifiuti all’interno della fossa per garantire che il potere calorifico della massa dei rifiuti totale sia il più uniforme possibile.

In questo modo si mandano in camera di combustione rifiuti sempre con più o meno le stesse caratteristiche.

Domanda legittima. Dal potere calorifico dei rifiuti dipende la temperatura in camera di combustione. Quando i rifiuti bruciano bene (cioè hanno un alto potere calorifico) la temperatura in camera di combustione è più alta. Viceversa se invece i rifiuti non bruciano bene.

Dalla temperatura di combustione dipendono la produzione e lo sviluppo di sostanze inquinanti e pericolose. Meno la temperatura oscilla, più è facile per gli operatori gestire la produzione e il trattamento di queste sostanze.

Per gestire al meglio l’impianto (e quindi per garantire un buon livello di sicurezza ambientale) è importante che la temperatura si mantenga il più possibile costante.

Una volta ricevuti e omogeneizzati, i rifiuti vengono portati alla camera di combustione.

L’incenerimento vero e proprio: la camera di combustione

La camera di combustione è la sezione dell’impianto in cui vengono effettivamente inceneriti i rifiuti.

Esistono essenzialmente tre tipi di camera di combustione ma in questo articolo userò come esempio quella composta da una griglia in quanto è la configurazione più diffusa.

Prima dell’inserimento dei rifiuti, il forno va portato gradualmente a temperatura grazie all’utilizzo di combustibili ausiliari (solitamente metano). Dopodiché vengono alimentati i rifiuti che, se hanno un sufficiente potere calorifico, bruciando mantengono alta la temperatura.

La griglia funge da supporto sul quale avviene la combustione. Per garantire l’avanzamento dei rifiuti, la griglia è mobile e leggermente inclinata (come vedi dall’immagine).

Affinché avvenga il processo di combustione si ha bisogno di un combustibile (in questo caso i rifiuti) e di un comburente (ossigeno).

Per evitare di insufflare ossigeno puro (che andrebbe comprato), tipicamente all’interno della camera di combustione viene pompata aria da sotto la griglia. Come saprai però l’aria è composta dal 78% di azoto e solo per il 21% da ossigeno (e poi da piccole quantità di argon e anidride carbonica).

Questa è una caratteristica da non sottovalutare. Avendo solo il 21% di ossigeno, bisogna insufflare molta aria per garantire una combustione completa dei rifiuti. Ma è chiaro che insufflando molta aria si manda all’interno del forno anche tantissimo azoto.

Oltre a questo tipo di azoto, all’interno della camera di combustione è presente anche l’azoto che è contenuto nei rifiuti.

Questi due tipi di azoto durante il processo di combustione vanno a formare ossidi di azoto (identificati con NOX) che quindi dovranno essere tenuti in considerazioni e trattati nella sezione di trattamento fumi per rispettare l’emissione in atmosfera indicata dalle leggi.

Nei paragrafi successivi parlerò più diffusamente dei danni che possono causare gli NOX e di come sia possibili ridurne la concentrazione nei fumi.

Il pompaggio di aria, oltre a garantire l’apporto di ossigeno necessario alla combustione, ha anche un altro scopo: raffreddare la griglia. I materiali di cui è composta la griglia solitamente non reggono temperature superiori ai 350°C, superata la quale iniziano a danneggiarsi.

Per tenere bassa la temperatura della griglia, si potrebbero usare delle apposite griglie cave che permettono il passaggio di acqua al loro interno.

Per avere un rifiuto con un alto potere calorifico bisogna fare una ottima raccolta differenziata in casa (soprattutto non bisogna buttare umido nell’bidone dell’indifferenziata).

In questo modo si scambia calore tra l’acqua e la superficie della griglia, riscaldando l’acqua e raffreddando la griglia. Per usare questo metodo di raffreddamento (che è più efficace) però è necessario che il potere calorifico dei rifiuti sia sufficiente alto per evitare che si abbassi eccessivamente la temperatura di tutta la camera di combustione.

Come potete notare il processo è complicato e non è semplice trovare il giusto equilibrio tra tutte le componenti in gioco.

Le fasi della combustione

I rifiuti avanzando sulla griglia sono soggetti a una catena di essenzialmente tre processi:

• essiccamento
• gassificazione
• combustione

Nel processo di essiccamento i rifiuti vengono “asciugati”: perdono per evaporazione il loro contenuto di acqua senza che avvenga una vera a propria combustione. Più il rifiuto è umido più questa fase sarà lunga (diciamo tra i 10 e i 30 secondi).

Mano a mano che avanzano sulla griglia, i rifiuti subiscono il secondo processo (gassificazione). E’ in questa fase che avviene il pompaggio dell’aria (detta primaria) da sotto la griglia per garantire la successiva combustione. Questo processo è quello che produce i primi gas.

Infine avviene l’ignizione e la combustione vera e propria per almeno 2-3 secondi a circa 850°C.

Nella parte sovrastante la griglia avviene un quarto processo a temperature superiori ai 1000°C per completare la combustione dei composti volatili rilasciati. Per garantire questa combustione viene insufflata altra aria (detta secondaria).

Anni fa, era obbligatorio che questa fase si svolgesse in un’altra camera chiamata di post-combustione. Si credeva infatti che a temperature superiori ai 1000°C venissero distrutte anche tutte le diossine.

In realtà le diossine si distruggono anche a temperature più basse, ma il problema reale è che si riformano in fase di raffreddamento (per evitare che si riformino si potrebbero raffreddare molto rapidamente i fumi ma così si perderebbe la possibilità di recuperare calore e energia da essi). Da quando si è scoperto ciò, la camera di post combustione non viene più usata.

In tutto i rifiuti rimangono 30-60 secondi sulla griglia e vengono alimentati in modo che si formi uno spessore non superiore ai 40-50 cm sulla griglia.

Alla fine della camera di combustione, le scorie prodotte vengono scaricate dalla griglia all’interno di una vasca metallica contenente acqua per garantire un rapido raffreddamento. Queste scorie (che tipicamente non sono rifiuti pericolosi) vengono caricate in dei camion e vengono portate a smaltimento o preferibilmente a valorizzazione.

Come un termovalorizzatore recupera energia: la caldaia

La caldaia è quella zona dell’inceneritore in cui si scambia il calore tra i fumi caldi (850°C – 1000°C) in uscita dalla camera di combustione l’acqua che scorre nelle tubature (circa a 300°C).

Andiamo con ordine. Come è fatta fisicamente una caldaia?

Una caldaia è un ambiente nel quale si trovano dei fasci tubieri (simili a quelli nella foto) in cui al loro interno scorre dell’acqua. Devi immaginare una serpentina di tubi che contengono acqua surriscaldata a 300°C.

In questo ambiente i fumi lambiscono le pareti dei tubi scambiando calore con l’acqua che si riscalda sempre più mano a mano che i fumi si raffreddano.

Ottima domanda! Il preriscaldamento dell’acqua è necessario perché non si vuole che i fumi scendano sotto i 300°C.

Senza entrare troppo nello specifico, ti posso dire che i fumi in uscita dalla camera di combustione sono solitamente acidi. Se scendessero sotto i 300°C i fumi condenserebbero, cioè si trasformerebbero in un liquido acido molto corrosivo in grado di danneggiare l’impianto. Per questo motivo è necessario consumare energia per riscaldare l’acqua prima di mandarla all’interno dei tubi della caldaia.

In uscita dalla caldaia si hanno quindi due flussi:

Il trattamento dei fumi nell’inceneritore

La sezione di trattamento fumi di un inceneritore serve per abbattere gli inquinanti presenti nei fumi di combustione.

Nei fumi infatti sono presenti quelle che vengono chiamate ceneri volanti che derivano appunto dal processo di incenerimento dei rifiuti.

Non bisogna confondere le ceneri volanti con le scorie:

• Le scorie (dette anche ceneri di fondo) sono i residui che vengono raccolti in tramogge poste sotto la camera di combustione e sono tipicamente considerate un rifiuto non pericoloso che può anche essere mandato a recupero. Le scorie hanno caratteristiche simili alle rocce granitiche e basaltiche. Sono composte essenzialmente da silicati di calcio, magnesio, ferro, metalli preziosi e metalli pesanti (prevalentemente legati a silicati o a ossidi). Le relative percentuali dipendono dalla composizione del rifiuto.
• Le ceneri volanti sono parti solide finissime che vengono trasportate con i fumi e che quindi, se non opportunamente trattate, verrebbero emesse in atmosfera attraverso il camino. Sono particolarmente pericolose soprattutto perché su di esse possono andare a formarsi, in fase di raffreddamento dei fumi, le diossine. E’ quindi fondamentale captarle e trattarle opportunamente.

I principali inquinanti che si formano nell’impianto di termovalorizzazione

Per semplicità descriverò brevemente i principali metodi di trattamento dei soli inquinanti principali.

Gli inquinanti principali che si trovano in fase gassosa in uscita dalla camera di combustione sono:

• anidride solforosa (SO2) e acido cloridrico (HCl): gas acidi
• ossidi di azoto (NOX)
• diossine

Gas acidi

L’anidride solforosa e l’acido cloridrico sono i principali composti che rendono acidi i gas in uscita dalla camera di combustione.

L’emissione di questi gas acidi in atmosfera porterebbe alla formazione delle cosiddette piogge acide e a problemi di salute nell’uomo quindi è importante trattarli.

Il processo di trattamento più efficace è il processo a umido in un macchinario detto scrubber (vedi foto). Il principio di funzionamento è semplice: si cerca di far passare i gas dallo stato aeriforme allo stato liquido.

Per fare questo si mette in contatto il gas con un liquido assorbente (in genere acqua e/o soda caustica) per fare in modo che gli inquinanti acidi si leghino al liquido e che vengano portati via con esso anziché proseguire il percorso verso il camino con i gas.

Il residuo di questo processo è quindi un liquido contaminato che dovrà poi essere trattato.

I gas acidi possono essere rimossi anche con un processo a secco (più utilizzato perché meno complesso).

Anziché utilizzare un liquido per neutralizzare l’acidità dei gas, è possibile utilizzare un reagente solido come il bicarbonato di sodio o la calce (carbonato di calcio).

Sono entrambi composti basici che quindi neutralizzano gli acidi dei gas. In questo modo gli inquinanti acidi si legano a un composto solido. Il residuo del processo a secco è quindi una polvere che poi deve essere trattata.

Ossidi di azoto

Con ossidi di azoto (NOX) si intendono principalmente l’ossido di azoto o ossido nitrico (NO) e il biossido di azoto (NO2).

Il principale effetto ambientale diretto degli ossidi di azoto sono le piogge acide. Sull’uomo invece può portare dei problemi di respirazione. Forse però, ciò che preoccupa di più degli ossidi di azoto sono gli effetti indiretti che essi hanno sull’ambiente.

Infatti, soprattutto l’NO2, svolge un ruolo fondamentale nella formazione dello smog in quanto consente la produzione di pericolosi inquinanti come l’ozono o l’acido nitrico. Tutti conosciamo l’ozono solo per i suoi effetti benevoli di protezione della Terra dai raggi ultravioletti del sole.

Devi sapere però che l’ozono ha effetti benefici solo quando si trova nella stratosfera (cioè dopo i 15 km di altitudine) mentre, quando viene prodotto dall’uomo (anche indirettamente), l’ozono resta nella troposfera (l’atmosfera a contatto con la superficie terrestre) e causa notevoli problemi respiratori che possono anche portare alla morte.

Per questi motivi è necessario rispettare i limiti di emissione di questi inquinanti.

Come vengono gestiti nell’impianto di incenerimento?

Innanzitutto una delle prime cose da fare è cercare di ridurne la produzione. Come già detto nel paragrafo riguardante la camera di combustione esistono due tipi di azoto: quello proveniente dai rifiuti e quello proveniente dall’aria che viene pompata per permettere una completa combustione.

Non si può ovviamente intervenire sull’azoto proveniente dalla composizione dei rifiuti (quello arriva all’inceneritore e quello va trattato). Si può invece intervenire sull’insufflazione di aria cercando allo stesso tempo di gestire al meglio anche la temperatura.

In questo modo si riesce a ridurre la produzione di NOX ma non si riesce a scendere sotto i limiti imposti dalla legge quindi si devono avere anche delle apposite sezioni per abbattere ciò che viene comunque prodotto.

Esistono due metodologie per abbattere la concentrazione di ossidi di azoto: riduzione non catalitica e riduzione catalitica.

Un catalizzatore è un elemento o un composto (in questo caso ossidi di metalli come tungsteno, platino, titanio) in grado di intervenire durante una reazione chimica, rendendola più veloce.

Banalmente nella riduzione non catalitica non è presente un agente catalizzatore mentre in quella catalitica lo è.

Entrambe le metodologie prevedono l’aggiunta di ammoniaca NH3 (o anche urea) che reagisce con gli ossidi di azoto NOX andando a formare azoto molecolare N2 che non è dannoso.

I reattori con i catalizzatori vengono posti alla fine dell’impianto (appena prima del camino) dove si hanno fumi già “puliti” e depurati da tutti gli altri contaminanti in modo da evitare incrostazioni o corrosioni.

A questo punto però i fumi arrivano a circa 50°C quindi bisogno nuovamente riscaldarli per arrivare a 300°C (utilizzando quindi qualche forma di energia) per ottimizzare le reazioni catalitiche.

Come puoi notare è un processo molto complesso da gestire e bisogna tenere in considerazione veramente tanti fattori.

Le diossine nell’inceneritore

Gli inquinanti che più preoccupano i gestori dei termovalorizzatori e l’opinione pubblica sono le diossine. Sono sicuro che anche per te è così.

E le preoccupazioni hanno senso di esistere: alcuni composti della famiglia delle diossine sono cancerogeni e estremamente pericolosi per la salute dell’uomo.

Come ho già detto nel paragrafo riguardante la camera di combustione, le diossine vengono distrutte durante il processo di combustione anche intorno agli 850°C ma si riformano nella fase di raffreddamento dei fumi.

La gran parte delle diossine si trova nelle ceneri volanti (torna all’inizio del paragrafo sul trattamento fumi per rileggere la differenza tra ceneri volanti e scorie) e per questo motivo risulta fondamentale captarle per garantire un opportuno trattamento.

Le diossine si formano attorno alle piccole particelle solide (particolato solido) che caratterizzano le ceneri volanti. Vien da sé quindi che il metodo migliore per abbattere la concentrazione di diossine nei fumi sia quello di abbattere il particolato solido a cui esse sono legate.

Esistono vari modi per bloccare il particolato prima che esso esca dal camino. In questo articolo ne citerò due: i filtri elettrostatici e i filtri a manica.

Similmente a quanto abbiamo detto per la rimozione degli ossidi di azoto, anche per le diossine è possibile un trattamento con dei catalizzatori.

Come ho già detto anche nel precedente articolo sull’incenerimento le diossine rappresentano un problema ambientale e sanitario in quanto sono bioaccumulabili e quindi anche emissioni in piccolissime quantità ma continue possono creare seri problemi.

Questo trattamento può essere fatto nello stesso reattore (che si trova alla fine dell’impianto) in cui si trattano gli NOX.

Quando i fumi arrivano a questo reattore le diossine sono già pochissime (anche solo 0,01 ng) ma vengono comunque rimosse ancora del 90%.

Conclusione

Dopo tutti questi trattamenti i fumi vengono inviati al camino ed emessi in atmosfera a circa 60m di altezza.

Come ultima considerazione ci tengo a precisare che nell’ottica dello sviluppo di un’economia circolare un inceneritore non ha senso di esistere in quanto appartenente al vecchio sistema economico lineare.

Per rendere più coerenti gli inceneritori si sono aggiunti ad esso elementi di circolarità come il recupero energetico o la valorizzazione delle scorie. Ma questo non basta per rendere i termovalorizzatori completamente accettabili.

Nonostante ciò, è una tecnologia di cui ancora non possiamo fare a meno e risulta ancora fondamentale nel ciclo di gestione dei rifiuti.

L’articolo è venuto lunghissimo e non voglio dilungarmi oltre. Se stai leggendo queste parole significa che probabilmente hai letto tutto l’articolo e per questo ti ringrazio.

L’obiettivo del progetto Rifiutologia è quello di divulgare più informazioni possibili sui rifiuti e sulla loro gestione quindi mi auguro che l’articolo sia stato chiaro, che ti sia piaciuto e che ti sia stato utile. Se vuoi far leggere l’articolo anche ai tuoi amici ti suggerisco di condividerlo sui social network attraverso le icone social che trovi all’inizio dell’articolo. Grazie per la condivisione 🙂 Alla prossima!