Il forno costituisce la parte dell�impianto in cui avviene la distruzione termica del rifiuto, sia in un processo di combustione diretta, cio� il vero e proprio incenerimento, che nella conversione dei RSU in un combustibile intermedio attraverso processi di pirolisi e/o gassificazione.

 

Esso rappresenta il cuore del processo di termodistruzione ed � in grado di influenzare le prestazioni complessive del sistema, anche dal punto di vista delle emissioni. Infatti, bench� la linea di bonifica e trattamento fumi sia fondamentale per il raggiungimento di questo obiettivo, una buona combustione � il primo fattore da considerare nel controllo delle emissioni.

Le particolari caratteristiche del combustibile utilizzato e le molteplici esigenze ad esso correlate hanno richiesto lo sviluppo di diversi tipi di forni:

�        Forno a griglia

�        Forno a tamburo rotante

�        Forno a letto fluido

�        Forno ad aria controllata

Alcuni hanno caratteristiche molto elastiche, potendo essere alimentati anche con materiali estremamente diversi tra loro. Altri sono progettati per trattare materiali aventi caratteristiche ben specifiche.

 

I forni a griglia rappresentano la tecnologia pi� diffusa e sperimentata nella combustione dei rifiuti solidi urbani. La loro elevata affidabilit� pratica e la notevole flessibilit� ne permettono l�applicazione per un ampio intervallo di potenzialit�, compreso tra le 40 � 50 t g^-1 degli impianti pi� piccoli e le 800 � 1000 t g^-1 degli impianti di maggiori dimensioni.

 

La configurazione di un forno a griglia prevede:

�        una tramoggia di carico dei rifiuti;

�        un condotto di alimentazione e un successivo dispositivo di spinta del rifiuto sulla griglia;

�        la griglia vera e propria, sulla quale avviene la combustione del rifiuto e l�avanzamento dello stesso verso lo scarico finale.�

 

 

La griglia � formata da elementi mobili (eventualmente alternati con elementi fissi) che, nelle diverse configurazioni disponibili, assumono la forma di gradini, barrotti longitudinali, cilindri o elementi basculanti (Figura 1).

Il movimento di ciascun elemento � regolabile indipendentemente in modo da poter stabilire il tempo di permanenza del rifiuto nelle varie zone della griglia (Figura 2). Poich� le griglie sono sottoposte a forti sollecitazioni meccaniche e termiche, i materiali utilizzati sono ghisa o acciai molto legati.

 

 

 

Figura 1 Elementi della griglia raffreddata ad aria Babcock & Wilcox Volund. I fori per il passaggio dell�aria primaria sono equidistanziati di 30-70 mm

�

Sulla superficie della griglia il rifiuto si dispone a formare uno strato in genere spesso qualche decina di centimetri (Figura 3). Lungo lo sviluppo longitudinale della griglia il rifiuto subisce dapprima un processo di essiccamento che avviene nella zona prossima all�alimentazione: le sostanze volatili che si liberano in questa fase sono in gran parte costituite dall�umidit� evaporata ed il rilascio di calore risulta pertanto modesto.

Successivamente, sulla parte centrale della griglia il materiale viene convertito, tramite fenomeni di combustione e gassificazione della componente organica (Giugliano et al., 1995), in una frazione gassosa ed in un residuo solido incombusto. La composizione dei gas prodotti � sostanzialmente controllata dall�equilibrio della reazione del gas d�acqua:

 

CO₂ + H₂��� ↔����� CO + H₂O����������������������� (4.2)

 

Le scorie residue del processo sono scaricate dalla parte finale della griglia, con opportuni sistemi, in vasche di accumulo a bagno d�acqua, per abbassarne la temperatura. In genere, le scorie sono miscelate con quelle pi� fini che passano attraverso la griglia e vengono raccolte sotto di essa tramite apposite tramogge.

 

Il tempo di permanenza del rifiuto sulla griglia deve essere tale da garantire il completamento delle diverse fasi del processo di combustione: in genere i valori adottati variano tra 30 e 60 minuti.

 

Il parametro di maggior interesse per la valutazione delle prestazioni complessive della griglia � costituito dal carico termico superficiale. Esso rappresenta la quantit� di calore sviluppata dalla combustione del rifiuto per unit� di tempo che l�unit� di superficie della griglia � in grado di sopportare: i valori medi di pi� comune adozione pratica si collocano nell�intervallo 400.000 � 800.000 kcal m^-2 h^-1 anche se non mancano esempi di installazioni che consentono valori superiori (Ghezzi 1999).

 

L�aria comburente necessaria al processo affluisce in parte da sotto la griglia ed in parte sopra il letto di materiale combustibile, in modo da permettere il completamento della combustione. In linea generale la portata fornita sottogriglia, definita aria primaria, equivale grossomodo al volume di aria stechiometrica richiesto dall�ossidazione del rifiuto. La portata iniettata al di sopra dello stesso, definita aria secondaria, corrisponde all�eccesso d�aria necessario per la combustione, e viene anche utilizzata per il controllo della temperatura.

La zona immediatamente superiore alla griglia stessa costituisce la camera di combustione del forno. In essa avviene il completamento dell�ossidazione dei composti presenti nella fase gassosa proveniente dalla gassificazione del rifiuto� sulla griglia. La sua configurazione deve quindi poter garantire un buon mescolamento tra i gas provenienti dal letto e l�aria secondaria, attraverso adeguate condizioni di turbolenza, disponibilit� di ossigeno e temperatura. Analogamente, anche i tempi di residenza dei gas debbono essere idonei: in generale si adottano valori compresi tra 2 e 6 secondi. Il volume totale della camera � in genere tale da assicurare intensit� volumetriche di combustione comprese tra 60.000 � 70.000 e� 150.000 � 200.000 kcal m^-3 h^-1. In Tabella 1 sono sinteticamente riportati i principali parametri operativi dei forni a griglia.

Le principali linee di sviluppo della tecnologia di combustione dei rifiuti con forno a griglia interessano alcune modifiche alla configurazione di base del sistema, orientate sia al miglioramento delle prestazioni complessive che all�adeguamento nei confronti dell�aumentato potere calorifico dei rifiuti.

 

Con particolare riferimento alla griglia vera e propria, le modifiche pi� recenti sono rappresentate da:

�        Diminuzione della inclinazione della griglia correlata alla maggiore facilit� di combustione dei rifiuti che quindi richiedono una minore movimentazione;

�        Ottimizzazione della distribuzione dell�aria primaria sotto griglia finalizzata sia al miglioramento del processo di combustione e del raffreddamento che alla riduzione del particolato trascinato;

�        Impiego di griglie raffreddate ad acqua per diminuire l�usura e renderne pi� facile l�applicazione con rifiuti ad elevato potere calorifico (3.500 � 4.000 kcal kg^-1);

�        Possibilit� di scaricare le scorie con estrattori a secco per facilitarne la manipolazione e l�eventuale recupero di frazioni potenzialmente interessanti quali metalli ferrosi e non ferrosi.

 

 

 

 

 

 

Tabella 1� parametri di progetto e condizioni operative dei forni a griglia

 

 

 

 

 

 

L�aumento del potere calorifico dei rifiuti ha comportato modifiche anche alla configurazione della camera di combustione. Tali modifiche si sono concretizzate nel passaggio da un percorso fumi�rifiuto in controcorrente ad uno equicorrente. Quest�ultimo, infatti, � particolarmente indicato per rifiuti a potere calorifico e contenuto di volatili pi� elevato, mentre per una maggior flessibilit� � opportuno ricorrere a soluzioni intermedie.

 

In alcune zone del forno, si provvede al raffreddamento delle pareti per evitare la formazione di incrostazioni a seguito di fenomeni di fusione delle scorie.

Il raffreddamento si realizza utilizzando acqua o vapore circolanti in tubi interni al rivestimento refrattario o tramite aria in condotti interni alle pareti, e interessa soprattutto la zona di combustione immediatamente sopra la griglia.

La presenza di zone fredde in corrispondenza delle pareti incrementa la possibilit� di incompletezza della combustione, imponendo quindi una particolare attenzione all�ottimizzazione dei processi di mescolamento all�interno del forno e un accurato monitoraggio dei parametri della combustione.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il controllo della combustione viene generalmente effettuato tramite l�analisi di temperatura, ossigeno e monossido di carbonio all�uscita dalla camera di combustione e/o di post � combustione. Esiste anche la possibilit� di monitorare la distribuzione spaziale della temperatura sul letto di combustione tramite sensori all�infrarosso.

Valori di temperatura di 850 �C � 900 �C e tenore di ossigeno del 6% - 8% mantenuti nella zona di post-combustione sono ritenuti sufficienti a garantire il completamento del processo, minimizzando l�emissione di microinquinanti. Con queste premesse l�ottimizzazione del processo di combustione si realizza attraverso la massima attenzione nei riguardi della distribuzione dell�aria primaria e secondaria, e nel garantire condizioni di turbolenza in camera di combustione prevenendo fenomeni di impoverimento locale di ossigeno.

Un aspetto di sicuro interesse nella tecnologia di incenerimento dei rifiuti tramite forno a griglia � rappresentato dall�impiego di ossigeno puro o, pi� generalmente, di aria arricchita. Innanzitutto l�arricchimento riduce, a parit� di concentrazione di ossigeno in camera di combustione, il volume dei fumi prodotti, consentendo un incremento nel recupero energetico e una riduzione nelle dimensioni dell�impianto. Permette inoltre di agevolare il processo di combustione in presenza di materiali a basso potere calorifico. Di contro, esso comporta un aumento della temperatura in camera di combustione, per cui si rende opportuno un ricircolo del gas di scarico con un concomitante effetto positivo dovuto alla riduzione nella formazione degli ossidi di azoto (NO_x). L�aria arricchita, o l�ossigeno, possono essere alimentati sia sotto griglia che sopra la griglia (aria secondaria), abbinandoli ad un eventuale ricircolo dei gas di combustione. Se l�alimentazione � effettuata sotto griglia, pu� essere necessaria l�adozione di sistemi di raffreddamento della griglia stessa, tra i quali spicca la tecnologia ad acqua, per evitare che aumenti locali di temperatura possano comprometterne la funzionalit� e la durata.

 

Alcune tecniche sviluppate per ridurre la formazione degli ossidi di azoto nei� processi di combustione convenzionali sono in via di sperimentazione anche nel campo dei RSU. Tra queste, le pi� semplici prevedono un incremento della quota di aria secondaria associato ad un decremento dell�aria primaria, al fine di limitare la presenza di ossigeno nelle zone a temperatura elevata: ci� richiede un accurato controllo del processo, per evitare la formazione di prodotti incombusti.

Le emissioni di ossidi di azoto possono essere limitate anche attraverso l�utilizzo di tecniche di ricombustione in cui, ad una riduzione di aria primaria, viene affiancata l�alimentazione di gas naturale al di sopra della zona di combustione in modo da creare un�atmosfera complessivamente riducente.

I risultati di una prima esperienza effettuata a Olmsted negli stati Uniti sono stati presentati dall�Institute of Gas Technology. Iniettando gas naturale equivalente al 12-15% del potere calorifico dei rifiuti urbani direttamente nella zona di combustione primaria e iniettando l'8% di fumi riciclati nel focolare, le emissioni di NO_x (50-60 ppm) sono state ridotte del 60%, mantenendo una combustione stabile (20-30 ppm di CO). Tuttavia la ricerca in questo settore � ancora da sviluppare e i dati non sono per ora sufficienti a dare indicazioni definitive in merito.

 

 

I forni a tamburo rotante sono costituiti da un cilindro rotante inclinato sull�orizzontale per facilitare l�avanzamento dei rifiuti. Sono caratterizzati da una elevata flessibilit� di utilizzo, che permette di trattare solidi, fusti, fanghi e liquidi, ma anche da una bassa efficienza di recupero termico che li rende adatti a rifiuti con poteri calorifici costanti ed elevati.

 

Il forno rotante viene generalmente utilizzato nelle situazioni in cui il rifiuto contiene materiale di natura variabile e di difficile incenerimento (vegetali, pezzi di legno, fanghi, liquidi, certi tipi di carta), se l'umidit� del rifiuto � soggetta a continue e rapide variazioni. I rifiuti con tali caratteristiche richiedono infatti tempi di residenza nell'apparato di combustione che variano da una a tre ore e mezza e un impianto a griglia pu� incontrare molte difficolt� nel loro trattamento.

Generalmente � prevista una camera di post�combustione, in quanto l�efficacia del mescolamento e i tempi di residenza all�interno del tamburo possono non essere tali da garantire il completamento del processo di ossidazione dei composti volatili generati.

 

Il corpo rotante � costituito da un cilindro in acciaio rivestito da materiale refrattario. In alcuni casi, lungo le pareti possono essere presenti tubi d�acqua, eventualmente intervallati da spazi per il passaggio di aria, per la generazione di vapore. A seconda delle� caratteristiche realizzative del rivestimento refrattario, la temperatura del mantello metallico esterno pu� raggiungere valori molto alti, compresi tra 200 �C e 300 �C. Questo condiziona le dimensioni dei forni, in particolare il diametro, che per evitare eccessive dispersioni di calore presenta valori massimi di 1,5 � 2 metri.

La Tabella 2 riporta sinteticamente i principali parametri costruttivi adottati per la realizzazione di un forno a tamburo rotante.

Nella valutazione del dimensionamento e delle prestazioni si fa riferimento all�intensit� volumetrica di combustione ( kcal m^-3 h^-1 ) e all�intensit� di combustione riferita alla sezione del forno (kcal m^-2 h^-1 ).

Il primo parametro tiene conto del volume globale del tamburo, e quindi anche della sua lunghezza, ed � legato al tempo di permanenza necessario alla conversione del materiale, strettamente correlato alla natura e tipologia del rifiuto alimentato. Sul tempo di permanenza � possibile intervenire anche con altri parametri costruttivi, quali il diametro del forno, la sua inclinazione ed il numero di giri del tamburo.

Il secondo parametro, rappresentativo del carico termico per unit� di sezione, � collegato alle massime sollecitazioni termiche locali. Nei forni attualmente in esercizio l�intensit� volumetrica di combustione � in genere compresa tra 50.000 � 100.000 kcal m^-3 h^-1 e� 150.000 � 200.000 kcal m^-3 h^-1, mentre l�intensit� per unit� di sezione varia in genere nell�intervallo 500.000 � 1.000.000 kcal m^-2 h^-1 (Ghezzi 1999).

 

Le configurazioni tipiche prevedono forni a tamburo semplice, operanti a temperature non superiori a 950 �C, e forni a scoria fusa, nei quali si raggiungono anche i 1600 �C. Questi ultimi garantiscono una migliore combustione a fronte di una maggiore attenzione nella fase progettuale e di gestione.

 

In sintesi, il tamburo rotante � una tecnologia di termodistruzione contraddistinta da elevata flessibilit� e che quindi trova vasta applicazione in campo industriale. L�utilizzo per rifiuti urbani risulta invece penalizzato dalla ridotta efficacia di combustione.

 

 

 

Tabella 2 Parametri costruttivi dei forni a tamburo rotante adottati per la termodistruzione dei rifiuti.

 

 

 

 

I forni a letto fluido sono formati da un cilindro verticale al cui interno un letto di materiale inerte, costituito da sabbia e ceneri di combustione, � mantenuto in sospensione (fluidizzazione) da un flusso d�aria proveniente da una piastra perforata alla base del cilindro.

 

I rifiuti, normalmente pretrattati, vengono immessi dall�alto o lateralmente. Una volta a contatto con i granuli di sabbia costituenti il letto e avvolto dall�aria comburente, il materiale subisce una rapida e completa combustione.

Sulla base della pressione di esercizio si usa distinguere tra letti fluidi a pressione atmosferica e letti fluidi in pressione. Per questi ultimi la pressione d�esercizio viene innalzata di 5 - 10 atm, consentendo, a parit� di capacit� produttive, apparecchi di minori dimensioni ed elevate potenzialit� energetiche (Mariani 1992). Nonostante ci� il recupero energetico in queste condizioni risulta problematico in relazione ad accentuati fenomeni di erosione delle parti metalliche e al necessario trattamento dei gas prima dell�invio in turbina.

I letti fluidi a pressione atmosferica si distinguono ulteriormente, a seconda della modalit� di fluidificazione, in combustori a letto bollente e a letto ricircolato. La distinzione si basa sui valori della velocit� superficiale dell�aria, detta anche velocit� di fluidizzazione, definita come rapporto tra la portata d�aria alimentata e la sezione del letto stesso. La Tabella 3 mostra i principali parametri relativi ad entrambe le realizzazioni.

 

 

Tabella 3 Parametri di progetto e condizioni operative dei forni a letto fluido

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nei letti fluidi bollenti la velocit� dell�aria non supera i 3 � 4 m s^-1. Con questi valori il trascinamento dei solidi al di sopra della zona del letto di combustione � minimo poich� le particelle tendono a ricadere rapidamente entro il letto facendo assumere a questo l�aspetto di un liquido in ebollizione. La ridotta velocit� di fluidizzazione� comporta tuttavia un aumento della superficie del letto, necessaria per mantenere elevate capacit� di combustione. Questo si riflette in limitazioni e difficolt� nel raggiungere condizioni omogenee di temperatura e alimentazione (Dinale et al. 1991).

 

Nei letti fluidi ricircolati, per ovviare a questo problema, la velocit� del flusso d�aria raggiunge valori comunque superiori a 4 � 5 m s^-1, potendo arrivare anche a 8 � 10 m s^-1. In queste condizioni, si ha un forte trascinamento di particelle da parte del gas, particelle che debbono essere captate e riportate in circolo prima della depurazione dei gas stessi (Figura 4). Le prestazioni fornite dai combustori a letto fluido ricircolato sono superiori a quelle dei combustori a letto bollente, con una efficienza pi� marcata per gli impianti a potenzialit� maggiori. Questo non soltanto grazie alla velocit�, e quindi alle turbolenze, pi� elevate che si riflettono in una combustione pi� efficiente, ma anche al ricircolo che garantisce un tempo di contatto prolungato.

 

 

In generale la tecnologia di termodistruzione dei rifiuti mediante letto fluido presenta caratteristiche di utilizzo estremamente interessanti.

Sinteticamente � possibile rilevare:

�        Elevata efficienza di combustione;

�        Basso tenore di incombusti nelle scorie (0,2% � 0,3%);

�        Minor ingombro delle unit�;

�        Buona elasticit� di funzionamento;

�        Necessit� di un minor eccesso d�aria, conseguente alla maggior turbolenza.

 

 

Di contro sussistono aspetti problematici che vanno rilevati:

�        possibilit� di defluidificazione per la formazione di agglomerati da parte delle ceneri basso fondenti, soprattutto in impianti a letto bollente;

�        difficolt� di alimentazione con rifiuti leggeri, soprattutto per impianti a letto ricircolato, a causa della elevata velocit� del flusso d�aria;

�        necessit� di realizzare pretrattamenti dei rifiuti al fine di omogeneizzare le caratteristiche del materiale da trattare;

�        la possibilit� di mantenere eccessi d�aria pi� contenuti � tuttavia contrastata dalla necessit� di ottemperare alle normative vigenti (tenore di ossigeno in post-combustione > 6 %), per cui � comunque necessario operare con un eccesso superiore a quello che sarebbe tecnicamente sufficiente.

 

 

Negli aspetti problematici sopra riportati, particolare rilevanza assume la necessit�� di un pretrattamento spinto del materiale conferito. Questa tipologia di impianti, infatti, richiede una maggiore attenzione nelle caratteristiche del rifiuto alimentato, una pezzatura adeguata e la rimozione di materiali incombustibili quali metalli (compreso alluminio per la bassa temperatura di fusione) e vetro (Basaldella 2000).

 

A titolo d�esempio, pu� essere utile accennare una descrizione del processo di recupero dei materiali riciclabili e di produzione CDR dell�impianto di Parona (Pv).

I RSU conferiti subiscono una prima macinazione in un trituratore a coclea, cui segue un vaglio rotante a due stadi che separa 3 frazioni:

�        Una ricca di materiali organici con pezzatura < 60 mm;

�        una ricca di metalli con pezzatura compresa tra 60 mm e 120 mm;

�        una costituita prevalentemente da carta, cartone e plastica con pezzatura > 120 mm.

 

La frazione organica subisce un processo di stabilizzazione aerobica che dura circa un mese, seguito da una vagliatura spinta, eseguita con un vaglio dotato di fori di diametro 2 cm, per la rimozione dei pezzetti di carta e plastica. Il terriccio ottenuto viene poi raffinato utilizzando un classificatore pneumatico che separa i solidi inerti costituiti in prevalenza da vetro.

La frazione intermedia proveniente dal vaglio primario, dopo il recupero di ferro e alluminio realizzato rispettivamente con magneti separatori ad induzione, viene riunita alla frazione combustibile.

La frazione combustibile che costituisce il sopravaglio, dopo la rimozione dei metalli, viene triturata in un mulino a martelli fino ad ottenere particelle di dimensioni < 10 cm, idonee alla combustione.

I prodotti recuperati costituiscono il 40% in peso circa dei rifiuti, mentre il restante 60% rappresenta il combustibile che alimenta l�impianto (Fava 1999).

In definitiva si pu� ritenere che il letto fluido presenti interessanti possibilit� di applicazione per combustibili (CDR) con poteri calorifici elevati e basso tenore di inerti, quali quelli ottenibili da operazioni di selezione e trattamento dei rifiuti urbani grezzi che, come rilevato precedentemente, possono procurare grosse difficolt� negli impianti a griglia (Ghezzi 1999).

 

 

I forni ad aria controllata sono utilizzati per potenzialit� ridotte, in genere inferiori ad 1 t h^-1. Il sistema � composto da due camere di combustione, generalmente adiabatiche, definite primaria e secondaria.

Nella camera di combustione primaria il rifiuto � bruciato con una portata d�aria inferiore a quella stechiometrica. La temperatura raggiunta in questa fase � compresa tra 700 �C e 900 �C. Le sostanze volatili generate dalla combustione incompleta nella camera primaria passano successivamente nella camera secondaria. Qui, in presenza di eccesso d�aria, la combustione viene portata a completamento con temperature che raggiungono i 1000 �C � 1100 �C.

Per garantire un adeguato controllo delle condizioni operative entrambe le camere sono dotate di bruciatori ausiliari a combustibile convenzionale, sebbene i livelli termici desiderati siano regolati agendo sulla portata d�aria.

Il caricamento, specie negli impianti di minori dimensioni, � discontinuo e si esegue ad intervalli di qualche ora.