IT201800009798A1 - Processo e relativo impianto per la depolimerizzazione di materie plastiche per produzione di idrocarburi - Google Patents

Description

Titolo: "PROCESSO E RELATIVO IMPIANTO PER LA DEPOLIMERIZZAZIONE DI MATERIE PLASTICHE PER PRODUZIONE DI IDROCARBURI"

La presente invenzione è relativa a un processo per la depolimerizzazione di materie plastiche di scarto per la produzione di idrocarburi e a un impianto adatto alla depolimerizzazione di materie plastiche in detto processo.

Nell'ambito della presente invenzione, si definiscono "materie plastiche di scarto" i materiali che restano come residuo dopo un utilizzo primario e che contengono almeno in parte sostanze polimeriche di origine sintetica, a titolo di esempio derivanti dall'industria petrolchimica, o consistenti di tali sostanze. Le materie plastiche di scarto possono derivare da rifiuti urbani o industriali (come residui di lavorazioni o di finissaggio di prodotti comprendenti parti in materiale plastico), possono avere natura chimica omogenea o disomogenea e possono essere riciclabili o, preferibilmente, non ulteriormente utilizzabili nei comuni processi di riciclaggio.

Le materie plastiche di scarto hanno un impatto negativo che colpisce l'ambiente e la salute degli esseri viventi e sono una delle più diffuse cause di inquinamento, con un effetto negativo anche su svariate attività umane che, in linea di principio, dovrebbero essere indipendenti dalla “filiera” delle materie plastiche, come la pesca o il turismo. Il riciclo delle materie plastiche provenienti dall'utenza domestica e industriale permette di re-immettere nel ciclo produttivo almeno una parte di tali materie plastiche.

Per quanto auspicabile, non è, infatti, realistico attendersi nel prossimo futuro una riduzione rapida e drastica della domanda di materiale plastico destinato alle diverse applicazioni, né è pensabile che il riciclo della plastica possa raggiungere il 100%. Infatti, il riciclo meccanico dei materiali plastici produce sostanze con caratteristiche qualitative inferiori e il processo di riciclo, con il progressivo “degrado” dei prodotti, non può essere condotto all’infinito. Esiste un limite, oltre il quale solo il potere energetico del rifiuto plastico (di pessima qualità al termine del riciclo) può essere utilizzato. È molto importante che tale utilizzo energetico abbia un rendimento ottimale e che il rifiuto plastico sia trasformato in una sostanza inerte, che occupi un volume limitato.

I rifiuti urbani sono una miscela di diverse sostanze, che variano in base al sito di provenienza e nel tempo. Una delle “correnti" di rifiuti urbani è costituita proprio da una miscela di materie plastiche e può includere diversi polimeri tra cui polietilenetereftalato, PET, polistirene, polivinil cloruro (PVC), polipropilene, polietilene a bassa densità (LDPE) e ad alta densità (HDPE).

A oggi, una parte anche consistente di queste materie plastiche, in particolare per i rifiuti urbani, non può essere riciclata ed è utilizzata come fonte di energia termica in impianti energivori come gli inceneritori, con un rendimento molto basso, eliminata in discarica o, nel caso peggiore, dispersa nell'ambiente inquinando gli ambienti terrestri e marini.

Nella maggior parte dei paesi, soprattutto negli ultimi anni, la necessità di riciclare la plastica è percepita come estremamente importante e urgente. Sono sorte, quindi, numerose iniziative legate al riciclo e recupero della plastica che, in diversa forma e misura, sono anche generatrici di reddito.

Nei paesi più avanzati, la frazione di plastica dei rifiuti urbani con un valore residuo e riciclabile è gestita prevalentemente con macchinari automatici che realizzano un riciclo meccanico e hanno lo scopo di recuperare, per quanto possibile, le frazioni dei rifiuti plastici che abbiano un sia pur minimo valore di mercato. In particolare, in Italia, la maggior parte dei rifiuti di plastica provenienti dai rifiuti urbani è gestita dai CSS (Centri di Selezione Spinta) gestiti dal consorzio di filiera COREPLA, parte del più ampio Consorzio CONAI. Attualmente COREPLA recupera e ricicla circa il 60% dei rifiuti urbani di plastica che preleva a livello nazionale (costituiti prevalentemente da materiale di imballaggio). Negli impianti controllati da COREPLA, il recupero e il riciclaggio arrivano ai limiti del fattibile, poiché l'attività di recupero e riciclaggio dei rifiuti urbani contenenti plastica non è più economicamente sostenibile oltre il limite del 60%.

Di conseguenza circa il 40% dei rifiuti urbani di plastica originari diventa un rifiuto "inutile anzi dannoso", destinato come sopra detto a essere eliminato, per esempio in discarica, o a essere bruciato, per esempio negli inceneritori (in Italia, si tratta di circa 400.000 tonnellate/ anno, su circa 1.000.000 tonnellate/anno di rifiuti plastici originati da rifiuti urbani, gestiti dal Consorzio).

Questo materiale "inutile e dannoso" è, in modo semplificativo ma per facilità di comprensione, qui chiamato PLASMIX; la sua composizione media è mostrata nella Tabella 1.

Si tratta di materiale che non ha alcun valore economico sul mercato e anzi, se disperso, costituisce un grave problema ambientale, degradando il territorio in cui viene immesso e diminuendone il valore per altri fini, ad esempio fini turistici. Nella maggior parte dei paesi del mondo, i rifiuti di plastica da rifiuto urbano sono riciclati nella misura in cui il materiale riciclato trova una successiva applicabilità. Meno del 10% dei rifiuti plastici è utilizzato negli inceneritori, dove si sfrutta il solo potere calorifico. L'utilizzo di una frazione di rifiuto plastico (o del rifiuto plastico tal quale) come combustibile negli inceneritori ha, tuttavia, un'efficienza globale molto bassa, se si tiene conto del calore necessario per riscaldare anche i materiali inerti caricati e poi scaricati dagli inceneritori o per eliminare l'acqua dai flussi organici scaricati negli stessi, con costi molto elevati (influenzati anche dalle severe norme sulle emissioni gassose, quando esistenti e applicate). Inoltre, il trasferimento dei rifiuti agli inceneritori su strade e ferrovie provoca problemi di traffico e usura delle infrastrutture, oltre ai costi e all'inquinamento legati al trasporto stesso.

Gli inceneritori, probabilmente vantaggiosi agli inizi dello sviluppo industriale soprattutto per la riduzione dei volumi dei rifiuti e per la neutralizzazione di rifiuti organici potenzialmente pericolosi sotto il profilo sanitario, sono oggi superati rispetto ad altre soluzioni tecnologiche, rappresentando una soluzione tecnologica molto costosa e, rispetto ad altre, anche anacronistica.

D'altra parte, sarebbe anche vantaggioso disporre di olio combustibile (simile al carburante per motori diesel) che sostituisca, almeno parzialmente, l'olio combustibile di origine minerale, cioè prodotto dal petrolio.

La trasformazione delle materie plastiche di scarto, in particolare di quelle non più riciclabili, in materie utili quali miscele di idrocarburi simili e sostituibili all'olio combustibile, presenterebbe i seguenti vantaggi:

- ambientali (si diminuisce o si elimina la dispersione nell'ambiente di uno scarto di plastica senza valore, che non deve essere smaltito con relativo impatto sull'ambiente anche in termini di emissioni);

- sanitari (si evita la potenziale contaminazione di acque e alimenti dovuta alla dispersione di plastiche nell'ambiente);

- economici (si evita lo smaltimento delle plastiche e si abbattono i costi di importazione e di produzione del combustibile per diesel, oltre a produrre occupazione e profitti tramite un'attività autofinanziata, cioè sostanzialmente priva di costi per l'approvvigionamento di materie prime, ed ecosostenibile).

Tuttavia, le tecnologie attualmente disponibili per il recupero di materie plastiche di scarto tramite depolimerizzazione, in particolare, termica, hanno un rendimento generalmente insoddisfacente. Le composizioni delle miscele di idrocarburi ottenute mediante le tecnologie attuali che trattino direttamente rifiuti plastici hanno infatti la necessità di essere ulteriormente lavorate in raffineria in quanto costituite da miscele di idrocarburi con composizione variabile nel tempo e non completamente stabilizzata chimicamente.

Uno scopo della presente invenzione è quello di fornire un processo per la depolimerizzazione termica di materie plastiche di scarto sostanzialmente privo degli svantaggi dei metodi sopra illustrati.

Forma oggetto della presente invenzione un processo per la depolimerizzazione termica di materie plastiche di scarto, in cui detto processo comprende le fasi di: i. caricare una miscela comprendente o consistente essenzialmente in materie plastiche di scarto in atmosfera priva di ossigeno in un sistema di alimentazione comprendente almeno un estrusore a coclea (1) che viene riscaldato, opzionalmente tramite il passaggio di sali fusi in una opportuna camicia (1a) posta sull'esterno della camera di estrusione, a una temperatura tale per cui il materiale in uscita dall'estrusore è a una temperatura non inferiore a 150°C;

ii. caricare il materiale plastico proveniente dall'estrusore della fase precedente direttamente in almeno un reattore (2), in cui avviene la depolimerizzazione con formazione di un effluente gassoso, dove il reattore è riscaldato a una temperatura da circa 300 a circa 450°C tramite un flusso di sali fusi in una camicia esterna al corpo del reattore, collegato a un sistema per il trasporto, il riscaldamento e lo stoccaggio dei sali fusi (3).

Forma inoltre oggetto della presente invenzione un reattore (2) a sezione cilindrica con un asse verticale, avente un mescolatore (7) con motoriduttore installato nell'asse del reattore, in cui detto reattore (2) è dotato di una camicia (5) per il riscaldamento tramite sali fusi esterna al corpo del reattore, collegata a un sistema (3) per il trasporto, il riscaldamento e lo stoccaggio dei sali fusi (3).

L’invenzione sarà descritta qui di seguito con riferimento ad esempi non limitativi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo e con riferimento a figure che illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione dell’invenzione.

Nelle figure allegate:

- la figura 1 mostra uno schema a blocchi generale del processo secondo l'invenzione;

- la figura 2 mostra uno schema del reattore di depolimerizzazione (2) secondo l'invenzione;

- la figura 2a mostra uno schema del raschiatore presente nel reattore di depolimerizzazione secondo la presente invenzione;

- la figura 2b mostra uno schema del reattore di depolimerizzazione con sistema di scarico dei solidi (6) utilizzabile nel processo secondo la presente invenzione;

- la figura 3 mostra uno schema di un estrusore (1) con coclea (11) utilizzabile nel processo secondo la presente invenzione;

- la figura 4 mostra uno schema del sistema di tramogge (4) utilizzabile nel processo secondo la presente invenzione;

- la figura 5 mostra uno schema dei condensatori (12) utilizzabili nel processo secondo la presente invenzione;

- la figura 6 mostra uno schema di reattore (10) in fase gassosa (secondario) utilizzabile nel processo secondo la presente invenzione;

- la figura 7 mostra un esempio schematico di una porzione di impianto per il processo secondo l'invenzione, comprensiva delle parti indicate nelle figure precedenti.

Se non diversamente indicato, nell’ambito della presente invenzione le percentuali e le quantità di un componente in una miscela sono da riferirsi al peso di tale componente rispetto al peso totale della miscela.

Se non diversamente specificato, nell'ambito della presente invenzione l’indicazione che una composizione “comprende” uno o più componenti o sostanze significa che altri componenti o sostanze possono essere presenti oltre a quello, o quelli, specificamente indicati.

Se non diversamente specificato, nell'ambito della presente invenzione un intervallo di valori indicato per una grandezza, ad esempio il contenuto in peso di un componente, include il limite inferiore e quello superiore dell'intervallo. A titolo di esempio, se il contenuto in peso o in volume di un componente A è indicato come "da X a Y", dove X e Y sono valori numerici, A può essere X o Y o uno qualsiasi dei valori intermedi.

Se non diversamente specificato, nell'ambito della presente invenzione l'espressione "circa" indica la possibilità che una determinata grandezza (ad esempio una temperatura o una pressione) possa assumere valori che si discostano lievemente dal valore indicato, ad esempio di più o meno alcuni punti percentuali, in funzione della composizione reale del rifiuto trattato della miscela finale di idrocarburi che si intende realizzare. La tecnologia della presente invenzione è il frutto di studi e sperimentazioni che hanno permesso, tra l’altro, di individuare un processo in cui il principale prodotto della trasformazione delle miscele di materie plastiche “di scarto” è un combustibile liquido simile al gasolio commerciale. Nell'ambito della presente invenzione, le miscele di idrocarburi assimilabili a gasolio, a benzina o a gas, sono state convenzionalmente differenziate riferendosi al numero di atomi di carbonio prevalentemente riscontrabili nelle molecole che appartengono a dette miscele.

Il processo della presente invenzione si presta per altre applicazioni perfettamente coerenti con la produzione di idrocarburi liquidi, da utilizzare, ad esempio, per la produzione di etilene che, nell’ambito di una piena applicazione di un'economia circolare, può essere nuovamente utilizzato per la produzione di materiali plastici “vergini".

I rifiuti plastici che possono essere alimentati al processo secondo la presente invenzione possono avere composizioni e origini diverse. In particolare, può essere impiegata la miscela di rifiuti plastici eterogenei (a titolo di esempio non limitativo il PLASMIX), precedentemente descritta e generata nelle linee di riciclo ad alta efficienza della frazione di plastica della raccolta dei rifiuti urbani, come anche una miscela di residui plastici generati dallo stampaggio o da altri processi industriali.

Gli inventori hanno, infatti, sorprendentemente trovato che è possibile conferire un valore economico adeguato ai rifiuti di plastica “esausti”, che devono essere rimossi dopo il loro utilizzo ed, eventualmente, dopo una storia di riciclo.

Il processo secondo la presente invenzione può comprendere anche uno stadio di pretrattamento, preferibilmente presente quando la composizione della materia prima, cioè delle materie plastiche di scarto, non consente l'alimentazione direttamente alla parte "calda" del processo, basata sulla depolimerizzazione, cioè alla fase ii. del processo.

È, generalmente, preferibile prevedere un pre-trattamento come primo stadio del processo completo, quando la composizione delle materie plastiche in alimentazione non sia nota o cambi nel tempo, come nel caso in cui il materiale in ingresso è un rifiuto/scarto, che ha origine e composizioni tipicamente variabili. Anche nel caso di materie plastiche adatte, sotto il profilo chimico, ad alimentare direttamente il depolimerizzatore, può essere vantaggioso un pre-trattamento semplificato, che, a titolo di esempio non limitativo, può consistere in un trattamento meccanico per adattare e uniformare le dimensioni delle materie plastiche in alimentazione.

Nel materiale in ingresso, soprattutto se generato da un rifiuto non controllabile (PLASMIX o altro), potrebbero essere presenti anche correnti minori di sostanze non depolimerizzabili tramite il processo secondo la presente invenzione, che, pertanto, vanno eliminate in anticipo, salvo poter essere impiegate per alimentare altre filiere di recupero. Si tratta per esempio di materiali metallici, carta, polimeri che a caldo generano gas come il PET o il PVC e poliuretano (ognuno di tali polimeri, preferibilmente, deve essere presente in una quantità inferiore al 3% in peso nella materia plastica di scarto in alimentazione al reattore del processo secondo l'invenzione).

Inoltre, la fase di pre-trattamento può includere, a titolo di esempio non limitativo: • Separazione e recupero di frazioni riciclabili (vetro, metallo, carta, cartone)

• Controllo dei parametri di forma;

• Riduzione / controllo dell'umidità;

• Eliminazione dei componenti chimici che influiscono negativamente sulla fase ii. del processo "a caldo".

La fase ii. del processo secondo la presente invenzione è una fase di depolimerizzazione per via termica, ad alta temperatura e in assenza di ossigeno, di complesse catene di idrocarburi, presenti nelle materie plastiche di scarto da trattare.

Alla presenza di ossigeno, si innescherebbe immediatamente una combustione locale fino all’esaurimento del comburente. Eventuali punti di ingresso di ossigeno darebbero luogo a riscaldamenti localizzati non accettabili dal punto di vista della sicurezza.

La parte "calda" del processo attiene a un impianto separato e di maggior complessità rispetto ai macchinari di pre-trattamento, in cui sono state sviluppate e applicate soluzioni tecnologiche estremamente avanzate. In questa sezione avviene la depolimerizzazione controllata e la speciale tecnologia utilizzata consente la completa autonomia, dal punto di vista del consumo energetico, sia della sezione di pre-trattamento sia di quella di depolimerizzazione.

Nel contesto della presente invenzione, per assenza o sostanziale assenza di ossigeno si intende un ambiente che non contiene ossigeno, cioè la quantità di ossigeno eventualmente presente è al di sotto dei valori rilevabili tramite le tecniche analitiche utilizzabili nella fattispecie e note al tecnico del ramo.

L’ossigeno effettivamente presente è nullo in quanto l'ossigeno, se presente, brucia causando una combustione localizzata. Non devono quindi esserci infiltrazioni di ossigeno perché, altrimenti, la combustione localizzata genera surriscaldamenti locali non voluti e potenzialmente pericolosi.

Un esempio, non limitativo, della composizione del materiale dopo pretrattamento alimentato alla fase ii. del processo secondo la presente invenzione, cioè alla fase "calda", ovvero di depolimerizzazione termica, è riportato nella seguente tabella 2:

Da un chilogrammo di materiale polimerico puro in entrata, si può ottenere il seguente output lordo (produzione ampiamente testata sperimentalmente; i dati sono soggetti a variazione, in funzione delle caratteristiche del materiale da trattare e delle modalità di gestione dell’impianto):

• 662 g di combustibile liquido (diesel-like, peso specifico <0,85 kg / dm<3>) • 86 g char (polvere di carbone)

• 170 g di combustibile liquido più leggero (benzina-like)

• 82 g di combustibile gassoso.

In un impianto di trattamento di "rifiuti di plastica non ulteriormente riciclabile" (come nel caso del PLASMIX), ulteriori 20-30 g di materiale inerte possono essere presenti in ingresso e recuperati nel rifiuto solido, a seconda della materia prima.

Il consumo energetico del processo secondo la presente invenzione (che, a titolo indicativo ma non esclusivo, è uguale a 0,26 kWh elettrici 0,6 kWh termici per ogni chilogrammo di materiale lavorato nel caso del PLASMIX) è completamente soddisfatto dall'utilizzo delle frazioni di idrocarburi (combustibili) più leggere prodotte dal processo stesso per la generazione di energia elettrica e di energia termica, rendendo il processo praticamente esente da qualsiasi esigenza di fornitura di energia esterna.

Il prodotto principale del processo secondo una applicazione della presente invenzione è il combustibile liquido che può essere venduto come olio combustibile o utilizzato per il funzionamento di generatori Diesel-elettrici, con un'efficienza molto elevata.

Il combustibile liquido (totalmente stabile) è facile da immagazzinare e da trasportare, poiché è liquido a temperatura ambiente e, a causa del suo punto di infiammabilità, i costi di gestione sono molto bassi.

Altri possibili utilizzi del combustibile liquido ottenuto con il processo secondo la presente invenzione e con riferimento alla applicazione già specificata, sono l'alimentazione di navi, come flotte di pescherecci, o anche la produzione di olio Diesel per autotrazione (eventualmente previa miscelazione con olio Diesel minerale, per aumentarne la densità) con l’enorme vantaggio che il combustibile liquido ottenibile tramite il processo della presente invenzione è praticamente privo di zolfo, cioè il contenuto di zolfo e/o sostanze solforate è inferiore ai limiti prescritti per i combustibili, e privo di alcune delle sostanze inquinanti, come i composti aromatici policiclici, che sono presenti negli oli Diesel di origine minerale (ottenuti per lavorazione del petrolio grezzo).

Il processo di depolimerizzazione secondo l'invenzione comprende una serie di soluzioni atte a garantire:

• la possibilità di alimentare l’impianto con una miscela eterogenea e "sporca" di materia plastica di scarto, la cui composizione è caratterizzata da un'ampia varietà di materiali polimerici e con una presenza significativa di elementi non plastici, anche rigidi (sabbia, sassi, metalli, vetro, legno, ecc.);

• il preciso controllo dei parametri significativi del processo, nonostante la presenza di potenziali elementi inquinanti, meccanicamente difficili da gestire (sassi e metalli all’interno delle zone sensibili in presenza di movimentazioni meccaniche).

Il processo secondo la presente invenzione permette di realizzare in cascata una serie di azioni atte a controllare e a mantenere in intervalli ristretti i parametri significativi che caratterizzano il prodotto finale, in modo da rendere detti parametri conformi a quanto previsto dalle attuali normative sugli idrocarburi, come la norma di riferimento EN590.

Nel processo della presente invenzione, la depolimerizzazione in fase liquida può avvenire all’interno di uno o più reattori simili, o identici, collegati in parallelo. Tali reattori possono essere ad asse verticale, a sezione cilindrica, con un fondo bombato alla base, con un coperchio piano superiore di dimensione pari all'intera sezione orizzontale del reattore, utile per la manutenzione del reattore stesso. Nell’asse del reattore è installato un mescolatore completo di motoriduttore.

La miscela polimerica eterogenea che costituisce la materia plastica di scarto, dopo essere stata riscaldata e rammollita all’interno di opportuni estrusori di alimentazione nella fase i. del processo secondo la presente invenzione, è alimentata all'interno di tali reattori ed è riscaldata fino a una temperatura compresa tra circa 300°C e circa 400°C. Il riscaldamento di ogni reattore avviene mediante il trasferimento termico indotto da un flusso di sale fuso, riscaldato a una temperatura compresa fra circa 450°C e circa 550°C e fatto flussare attraverso una camicia che avvolge l’intero reattore.

Il processo di depolimerizzazione vero e proprio avviene lungo le pareti interne del reattore. Le molecole polimeriche, già alla temperatura del bagno liquido, nel momento in cui si avvicinano alla parete (a temperatura molto prossima alla temperatura del sale fuso) subiscono rotture delle catene a causa della temperatura. Quando la singola catena ha una lunghezza tale per cui il punto di ebollizione della sostanza ad essa corrispondente è inferiore alla temperatura del bagno liquido in quel punto, essa cambia fase, diventa gassosa e forma delle bolle che si staccano dalla parete e si muovono verso la superficie del bagno liquido di materiale polimerico. Una volta arrivate in superficie, creano un flusso di gas costituito essenzialmente da idrocarburi a una temperatura di poco superiore alla temperatura del bagno liquido (300°C-400°C).

Il processo di depolimerizzazione produce una gamma di idrocarburi che alla temperatura di funzionamento sono gassosi. Allo scopo di massimizzare l’efficienza del processo, tutti gli idrocarburi così prodotti vengono utilizzati in successive applicazioni.

Il processo secondo la presente invenzione produce una frazione di effluenti più pesante, qui di seguito indicata come “paraffine”, costituita da idrocarburi che sono gassosi alla temperatura di 430°C-480°C, ma sono solidi o altamente viscosi alla temperatura ambiente. Questa frazione può essere fatta ricircolare nel(i) reattore(i) di depolimerizzazione allo scopo di sottoporla a un nuovo ciclo di riscaldamento controllato e indurre, quindi, ulteriori rotture delle catene polimeriche atte a trasformarla ulteriormente.

Sono inoltre prodotte una frazione di effluenti gassosi a pressione atmosferica e temperatura 20-30°C e una frazione costituita essenzialmente da idrocarburi con composizione variabile da un numero minimo di atomi di carbonio uguale a 5 (C5) fino a un numero massimo di atomi di carbonio uguale a 16 (C16), che viene frazionata in una o più correnti, in funzione delle miscele di idrocarburi di interesse.

Una forma preferita di attuazione del processo secondo l'invenzione prevede il frazionamento degli effluenti dal processo di depolimerizzazione che diventano liquidi a temperatura ambiente in due frazioni, una frazione (A) comprendente idrocarburi con un numero di atomi di carbonio da 9 a 16 corrispondente al gasolio (norma di riferimento EN590) e una frazione (B) corrispondente alle benzine. È inoltre prodotta una frazione (C) di idrocarburi che sono allo stato gassoso se portati a una temperatura tra 20 e 30°C e a pressione atmosferica. Questa frazione, dopo essere stata purificata e stoccata in un gasometro intermedio, può essere utilizzata per la produzione di energia termica ed elettrica per il funzionamento dell’impianto. Anche una parte delle frazioni (A) e/o (B) può essere impiegata per lo stesso scopo.

Preferibilmente, almeno una tra la frazione gassosa (C) e la frazione (B) di idrocarburi aventi un numero di atomi di carbonio da 5 a 8 è utilizzata, totalmente o, almeno, parzialmente per produrre almeno parte dell'energia elettrica e/o termica necessaria per il processo complessivo.

L’intero processo può essere realizzato in un impianto dimensionato in modo da essere adatto a trasformare la materia plastica di scarto in idrocarburi, o in altre materie prime, in un singolo sito. Questo permette di eliminare la necessità di trasportare il materiale di partenza, che presenta spesso una densità molto bassa e che richiede molti viaggi per il trasferimento dal sito di raccolta al sito di trasformazione, con elevati costi di trasporto.

Il processo secondo la presente invenzione permette di realizzare, anche direttamente nel sito di produzione, una trasformazione di una materia plastica di scarto, cioè una miscela eterogenea di polimeri plastici contaminati da altre sostanze, in uno o più idrocarburi con caratteristiche compatibili con le norme internazionali che ne regolamentano l’immissione sul mercato, senza la necessità di ulteriori trasformazioni o adattamenti a valle.

Il processo secondo la presente invenzione è sufficientemente semplice da permettere la gestione dell’impianto con personale con una preparazione non specialistica. Il processo è gestito completamente in automatico, senza l’intervento diretto di alcun operatore, salvo le operazioni di caricamento della materia prima e di manutenzione. Il processo può essere inoltre attuato in impianti di dimensioni relativamente ridotte, che possono essere collocati direttamente in prossimità del sito in cui il rifiuto lavorato viene prodotto o accumulato.

Come già evidenziato, il processo può essere completamente autonomo dal punto di vista energetico: in questo caso, il processo, sia in termini di energia elettrica sia di energia termica, viene alimentato con le frazioni di idrocarburi prodotte dall’impianto stesso.

In aggiunta, il processo secondo la presente invenzione è estremamente efficiente in termini di:

- conversione in massa, definita come rapporto fra il peso degli idrocarburi prodotti (che può essere collocato sul mercato perché conforme alle norme internazionali) ed il peso del materiale polimerico caricato nel processo che, nel caso dell’autoconsumo energetico, può essere anche superiore al 65% e

- conversione di energia pari al rapporto fra l’energia contenuta negli idrocarburi prodotti e l’energia potenziale del materiale caricato nel processo, che è prossima al 90% lordo e superiore al 75% netto (tenendo conto dell’autoconsumo energetico).

Per autoconsumo energetico si intende l'utilizzo degli idrocarburi prodotti nel processo come combustibile per la produzione di energia termica e/o elettrica da utilizzare all'interno del processo stesso.

Una serie di soluzioni garantiscono che il processo secondo la presente invenzione possa operare sempre nelle condizioni ottimali di funzionamento.

In particolare, il processo secondo la presente invenzione è condotto controllando con precisione i seguenti parametri:

• valori e andamento della temperatura (riscaldamento, mantenimento e decremento) cui è sottoposto il materiale;

• valori e andamento della pressione cui è sottoposto il materiale;

• tempo di residenza del materiale nelle varie sezioni del processo; e

• composizione della atmosfera interna nelle varie fasi del processo e, conseguentemente, nei vari punti dell’impianto in cui è attuato il processo.

Allo scopo di controllare i parametri di funzionamento del processo secondo la presente invenzione e mantenerli nelle condizioni ottimali, sono state implementate diverse soluzioni innovative.

Il processo prevede una fase di alimentazione della sezione “calda” del processo, comprendente il caricamento in continuo della miscela polimerica eterogenea derivante da materie plastiche di scarto, all’interno dei reattori di depolimerizzazione termica. Il processo secondo l'invenzione prevede il riscaldamento del materiale in assenza di ossigeno (pirolisi) fino alla rottura delle catene polimeriche.

Preferibilmente, tale fase i.) del processo secondo la presente invenzione è condotta inizialmente mediante un sistema di caricamento che permette il caricamento in continuo senza introdurre nei reattori l’aria presente nell'atmosfera di stoccaggio esterno delle materie plastiche di scarto da alimentare. Lo sbarramento all’atmosfera potenzialmente contenente ossigeno può essere realizzato con una serie di accorgimenti che possono essere attuati in serie, in modo da ottenere un'azione sinergica.

Più precisamente, la miscela, opzionalmente dopo separazione delle materie non plastiche e la riduzione delle dimensioni, è caricata nel sistema di alimentazione (1) del reattore di depolimerizzazione (2) tramite una tramoggia, o due o più tramogge in cascata (4), all'interno della/e quale/i viene sostanzialmente eliminato l'ossigeno presente nell'atmosfera del materiale in entrata.

L’alimentazione della materia plastica di scarto al(i) reattore(i) è effettuata mediante uno o più estrusori (1) che schiacciano il materiale, lo rammolliscono e lo spingono in avanti verso i reattori, eliminando, nella direzione della tramoggia di carico (4), il gas intrappolato nel materiale.

Il riscaldamento della materia plastica di scarto è realizzato mediante un adeguato apporto termico che avviene sulla superficie esterna dell’estrusore (1), preferibilmente mediante circolazione di un vettore termico (sali fusi) in una opportuna camicia (1a).

Nella parte terminale dell’estrusore (1) è montata una valvola che, in caso di anomalia di funzionamento, chiude l'estrusore e impedisce sia all’atmosfera interna del reattore di entrare nella tramoggia di carico, sia all’atmosfera presente nella tramoggia di carico di entrare nel reattore.

L’estrusore di alimentazione, di particolare disegno, come evidenziato a seguire, realizza una serie di funzioni in successione:

- caricamento costante nel tempo delle materie plastiche di scarto, cioè delle miscele plastiche da trattare;

- riscaldamento della miscela fino al punto di rammollimento;

- compressione della miscela ed espulsione verso la tramoggia di carico dell’aria in essa contenuta;

- creazione di un "tappo" di materiale plastico in movimento che separa l’atmosfera della tramoggia di carico dalla atmosfera del(i) reattore(i);

- cracking dell'eventuale frazione polimerica contenente cloro a circa 150°C e possibile espulsione (degasaggio) del gas prodotto potenzialmente contenente una parte significativa del cloro eventualmente presente nella miscela plastica in alimentazione;

- creazione di un tappo di materiale plastico in movimento che separa la zona di degasaggio dall’atmosfera del reattore in leggera sovrapressione (20-100 mBar).

La materia plastica in ingresso può presentare densità apparenti molto varie: si può andare da una densità molto bassa (inferiore a 50 kg/m<3>) fino a 900 kg/m<3>. Il particolare disegno della coclea di dosaggio e di alimentazione (11) all’estrusore e il disegno della prima parte della vite dell’estrusore garantiscono una alimentazione costante di materiale.

Come mostrato in figura 3, la coclea (11) nella zona iniziale (1b), cioè quella di caricamento, ha preferibilmente una configurazione che le permette di muovere un volume molto maggiore rispetto alla sezione principale dotata di camicia per il riscaldamento. Tale capacità è realizzata preferibilmente mediante l'utilizzo di un albero della coclea (11) con dimensioni ridotte rispetto al diametro dell'estrusore e/o mediante allungamento del passo della coclea nella prima parte, cioè quella di caricamento, dell'estrusore.

Dopo la prima parte di alimentazione (1b), nella successiva parte (1c) dell'estrusore, che convoglia le materie plastiche estruse direttamente verso il reattore (2), preferibilmente, l'albero della coclea (11) ha diametro più ampio rispetto alla sezione precedente e/o la vite dell’estrusore ha passo ridotto, in modo da schiacciare le materie plastiche e spingerle in avanti, eliminando all’indietro, nella direzione dell’alimentazione, tutto il gas intrappolato nelle materie plastiche.

Tale gas, proveniente dalla tramoggia di carico dell’estrusore, deve essere eliminato perché potrebbe contenere una quantità di ossigeno atmosferico non compatibile con il processo secondo la presente invenzione. Nella sezione finale dell'estrusore, la materia plastica è riscaldata fino alla temperatura di rammollimento e viene impastata per creare una miscela omogenea e densa.

L’energia termica necessaria per il riscaldamento della miscela polimerica in alimentazione e il suo rammollimento è fornita in parte dall’attrito generato dall’estrusore (1) fra la miscela stessa e i componenti meccanici dell’estrusore, in parte attraverso il riscaldamento dell’estrusore, preferibilmente mediante una camicia (1a) in cui sono fatti circolare sali fusi. Tale soluzione di riscaldamento rende l’estrusore particolarmente resistente alla presenza di materiale quale detriti, sassi, metalli, ecc., eventualmente presente all’interno del materiale caricato in quanto la distanza fra la vite e la parete della coclea è superiore a 5 mm.

Scopo del riscaldamento dall'esterno dell’estrusore (1) è anche quello di ottenere la formazione di una materia plastica di scarto addensata e compatta che, una volta all’interno del reattore principale, non galleggi, ma affondi subito nel bagno liquido. I materiali plastici, per loro natura, hanno un coefficiente di scambio termico molto basso e si presentano tipicamente sotto forma di film accartocciato. Le materie plastiche di alimentazione, se non adeguatamente trattate nella fase i. del processo secondo la presente invenzione, tenderebbero a galleggiare sul bagno liquido presente all’interno dei reattori e si riscalderebbero molto lentamente. In una sezione dell'estrusore più vicina al reattore da alimentare, la vite (11) è disegnata in modo da riscaldare ulteriormente la materia plastica fino a una temperatura di almeno 150°C circa. La temperatura minima è dettata dalla temperatura di rammollimento dei materiali plastici. Nell'estrusore utilizzato nel processo secondo l'invenzione, preferibilmente, è possibile riscaldare il materiale fino a circa 180°C, cioè a una temperatura inferiore alla temperatura di cracking della maggior parte dei polimeri plastici che deve invece avvenire all’interno dei reattori principali. Si ritiene che a 150°C la frazione plastica contenente cloro gasifichi, almeno in parte, liberando una parte significativa del cloro presente nella composizione del PVC (polivinilcloruro) eventualmente presente nella materia plastica di scarto che viene alimentata. L’estrusore (1), in una forma di realizzazione preferita, è in grado di espellere, attraverso un apposito condotto di degasaggio (non mostrato in figura 3), il gas eventualmente così prodotto.

In un’ultima sezione dell'estrusore (1), la materia plastica densa e priva di gas ha anche la funzione di sigillante per separare la zona di degasaggio dall'atmosfera interna del reattore.

Il reattore di depolimerizzazione della materia plastica di scarto alimentata dall'estrusore è un reattore (2) ad asse verticale a sezione cilindrica, preferibilmente con un fondo bombato e/o preferibilmente con un coperchio piano superiore di dimensione pari all'intera sezione orizzontale del reattore, utile per la manutenzione del reattore stesso. Nell’asse del reattore è installato un mescolatore (7) completo di motoriduttore che può operare, come esempio non limitativo, alla velocità di 30-40 giri/minuto.

All’interno del reattore (2), la miscela eterogenea di materia plastica ha forma liquida e viene mantenuta a una temperatura compresa fra circa 300°C e 400°C. Il riscaldamento del singolo reattore avviene mediante il trasferimento termico indotto da un flusso di sale fuso, riscaldato a una temperatura compresa fra 450°C e 550°C e fatto circolare attraverso una camicia di particolare disegno, che avvolge l’intero reattore.

Il processo di depolimerizzazione avviene principalmente lungo le pareti interne del reattore. Le molecole polimeriche nel bagno liquido quando si avvicinano alla parete (a temperatura molto prossima alla temperatura del sale fuso) subiscono rotture delle catene per azione della temperatura (pirolisi). Quando la singola catena ha una lunghezza tale per cui la sostanza a essa corrispondente ha un punto di ebollizione inferiore alla temperatura del bagno liquido in quel punto, essa cambia fase, diventa gassosa e forma delle bolle che si staccano dalla parete e si muovono verso la superficie del bagno liquido di materiale polimerico.

Tale fase gassosa che si forma all’interno del(i) reattore(i) è costituita da molecole che reagiscono tra di loro (ricomposizione o re-forming), subiscono ulteriori rotture o reagiscono anche con la fase liquida. Una volta arrivate in superficie, le sostanze così formate creano un flusso di gas costituito essenzialmente da idrocarburi a una temperatura di poco superiore alla temperatura del bagno liquido (300°C – 400°C).

Il flusso termico presente sulla parete è influenzato da:

- il coefficiente di scambio termico della miscela plastica presente all’interno del reattore in forma liquida a 300°C-400°C;

- lo spessore medio dello strato di bolle generate sulla parete e che si muovono verso la superficie del bagno;

- lo spessore dello strato di carbonio che si forma sulla parete in conseguenza del processo di depolimerizzazione che avviene sulla parete stessa; - le caratteristiche del metallo che costituisce la parete del reattore, che sono adatte a garantire il mantenimento delle caratteristiche meccaniche previste anche in presenza di sostanze chimicamente aggressive;

- la temperatura e la velocità del flusso di sale liquido che circola nella camicia del reattore;

- la portata del flusso di materie plastiche, indotto dal mescolatore, che entra a contatto con la parte interna del reattore.

Ciascun reattore (2) è caratterizzato da:

- un'altezza del bagno liquido che può essere, preferibilmente, di 500 mm e che garantisce il controllo del tempo di percorrenza delle bolle attraverso il bagno liquido;

- una zona superiore al bagno liquido di minimo volume, per ridurre il più possibile il tempo di permanenza del gas prodotto all’interno del reattore, poiché una camera piccola a disposizione della fase gassosa sopra il bagno minimizza la variazione del tempo di permanenza del gas all’interno del reattore al variare dei parametri di processo;

- un estrusore di alimentazione (1) che ne garantisce il caricamento in continuo, posizionato subito sopra il pelo libero del bagno liquido;

- un mescolatore (7), che garantisce una movimentazione controllata del bagno liquido contenuto nel reattore allo scopo di:

- mantenere il bagno liquido omogeneo;

- favorire lo scioglimento delle materie plastiche caricate dall’estrusore di alimentazione;

- mantenere una variazione di temperatura all’interno del reattore entro un massimo di 3°C di differenza fra un punto e un altro;

- garantire un flusso costante di liquido polimerico che va a lambire la parete interna del reattore; e

- mantenere uno strato di spessore controllato di carbonio sulla parete interna del reattore.

Il processo di depolimerizzazione prevede, infatti, il rilascio di un atomo di carbonio per ogni coppia di rotture della catena polimerica. Tali atomi di carbonio si fissano nel punto in cui avviene la rottura e formano uno strato di carbonio lungo la parete. Preferibilmente, il mescolatore (7) è dotato di opportuni raschiatori (8), con un sistema di movimentazione a molla, che garantiscono la raschiatura dello strato di carbonio che si forma in continuo sulla parete del reattore, mantenendo uno spessore fisso controllato.

Il sistema di movimentazione a molla garantisce che i raschiatori siano sufficientemente rigidi da mantenere, raschiandolo, uno strato di carbonio di spessore costante, ma cedano quando eventuali corpi rigidi si infilino fra raschiatore e parete. A questo scopo, raschiatori (8) conformati sulla forma della parete sono montati su supporti rotanti attorno a un asse posizionato a una distanza di 10-30 cm dalla parete del reattore. I raschiatori sono mantenuti con molle (10) in battuta rispetto a fermi che possono essere regolati in modo da garantire una distanza dalla parete desiderata.

In caso di presenza di corpi estranei rigidi, il gruppo raschiatore ha la possibilità di allontanarsi dalla parete vincendo la forza delle molle. In caso di formazione di uno strato eccessivo di carbone, il raschiatore montato sul rotore in una serie di passaggi successivi raschia il carbone eventualmente formatosi fino a riportarsi contro la battuta di regolazione alla distanza desiderata dalla parete. La presenza di corpi rigidi può dipendere dal fatto che le materie plastiche caricate nel(i) reattore(i) sono potenzialmente inquinate da elementi estranei che non subiscono il processo di depolimerizzazione (sabbia, sassi, metalli, vetro e simili).

Un'eventuale perdita di integrità dello strato di carbonio che si forma sulla superficie interna del reattore viene successivamente ripristinata a seguito del prosieguo del processo di depolimerizzazione. Tale strato di carbonio può avere uno spessore da 0,5 a 20 mm. Uno spessore dello strato di carbonio uguale a 5-6 mm costituisce un valore preferibile per ottenere una buona protezione per la parete interna del reattore.

Il reattore (2) secondo la presente invenzione comprende una camicia esterna (5) attraversata da un flusso di sali liquidi, cioè fusi, utile per garantire il necessario apporto termico al reattore. Il circuito di alimentazione (3) del sale fuso alla camicia del reattore è costruito in modo che, in caso di anomalia, tutto il sale rientri, per gravità, all’interno della vasca di contenimento dei sali fusi, posta al di sotto del reattore stesso. In particolare, durante il funzionamento, il sale è spinto nella camicia dal basso. Una serie di pinne garantisce una distribuzione omogenea del flusso di sali fusi nella camicia e una velocità atta a massimizzare il coefficiente di cambio termico. Il sale, una volta raggiunto un livello di poco superiore al pelo liquido del bagno all’interno del reattore, stramazza in una camera esterna e da qui, per gravità, è convogliato nuovamente nella vasca sali. In una forma di realizzazione preferita, nel processo secondo l'invenzione, i sali fusi con i quali sono riscaldati il reattore (2) e il sistema di alimentazione (1) comprendono, o sono costituiti da, sali binari, ternari, quaternari o loro miscele, con una temperatura di fusione tra circa 100°C e circa 250°C, preferibilmente da sali fusi che comprendono, o consistono di, una miscela di nitrato di sodio e di nitrato di potassio, ancora più preferibilmente in rapporto peso : peso da 2 : 3 a 3 : 2.

In una forma di realizzazione preferita, nel processo secondo l'invenzione, i residui solidi che si accumulano nel reattore di depolimerizzazione (2) sono convogliati verso l'esterno del reattore (2) tramite un sistema di scarico comprendente un trasportatore a coclea (6).

Il reattore è dotato, in una forma di realizzazione preferita, di un trasportatore a coclea (6) collegato alla base del reattore (2) e con la testa di scarico posta in posizione superiore al livello del bagno liquido presente all’interno del reattore. Tale coclea (6) è utilizzata per lo scarico della frazione solida che si accumula durante il processo all’interno del reattore. La coclea, come il reattore, è riscaldata mediante una camicia con un flusso di sali fusi alla temperatura di 450°C-550°C.

Il processo di depolimerizzazione prevede che la maggior parte della frazione polimerica delle materie plastiche di scarto, cioè della matrice caricata nei reattori, venga trasformata con grande efficienza in gas. La frazione non polimerica e il carbonio liberato dalla scissione delle molecole dei polimeri si accumulano nel fondo dei reattori. I reattori sono dimensionati in modo che, con una composizione di matrice di partenza tipica del PLASMIX, l’accumulo del residuo solido all’interno del singolo reattore occupi un terzo del volume del bagno liquido dopo un periodo di 4-6 giorni.

Allo scopo di mantenere il processo secondo la presente invenzione attivo in continuo (nel caso di più di un reattore di depolimerizzazione termica), in condizioni controllate e ottenere un residuo solido che, una volta scaricato, sia conforme alle specifiche di un rifiuto speciale non pericoloso, è stata identificata una modalità di gestione dei vari reattori in parallelo, che permette, a turno, lo svuotamento del residuo solido, dopo averlo reso completamente privo di idrocarburi.

Quando uno dei reattori ha un contenuto di solidi pari alla quantità limite, viene interrotto il caricamento della materia plastica tramite (1) e la fase ii. di depolimerizzazione prosegue fino alla completa trasformazione in gas della frazione polimerica.

In una forma di realizzazione preferita, il sistema di riscaldamento a sali fusi (3) è mantenuto continuamente acceso, in quanto il reattore è collegato a tutti gli altri reattori attivi e viene evitato, così, che il gas proveniente degli altri reattori attivi condensi nel reattore eventualmente più freddo. Una volta che il processo di gassificazione della frazione polimerica si è completato nel reattore oggetto di svuotamento, il reattore (2) è svuotato mediante la coclea di scarico (6), completa di due valvole all’estremità di scarico. Le valvole sono aperte alternativamente per permettere il passaggio del materiale solido senza mettere in comunicazione l’atmosfera del sistema di ricevimento del materiale solido con l’atmosfera del reattore. Una volta scaricato il quantitativo voluto del materiale solido, il sistema di scarico (6) viene bloccato e viene riattivato il sistema di carico (1) mediante estrusore. Le velocità di alimentazione dei reattori attivi sono gestite in modo da ottenere un flusso complessivo adeguato di gas durante il ciclo di scarico di un singolo reattore.

Le coclee di scarico (6) dei vari reattori sono, a loro volta, collegate tra di loro mediante trasportatori a coclea. Tali trasportatori spostano il materiale solido scaricato ancora caldo (450°C-550°C) e fortemente reattivo in aria (il carbonio liberato dalle reazioni di depolimerizzazione è assolutamente anidro e reagisce istantaneamente senza presenza di fiamma con l’ossigeno presente nell’aria) in un serbatoio di raffreddamento.

Da qui il solido è scaricato in un secondo serbatoio adatto al trasporto del residuo solido, classificato come rifiuto speciale non pericoloso, per il suo smaltimento in base alle indicazioni di legge. L’intero sistema di trasporto e stoccaggio, nonché il sistema di caricamento nei serbatoi di trasporto a smaltimento, è mantenuto in atmosfera inerte mediante iniezione continua di un flusso di azoto.

Come sopra descritto, in una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il processo secondo l'invenzione comprende una fase di preparazione della miscela utilizzata nella fase i.) a partire da materie plastiche di scarto tramite una fase di pre-trattamento che comprende la separazione di elementi comprendenti materie non plastiche e, se necessaria, una riduzione di materiali plastici a dimensioni non superiori a 50 mm x 50 mm x 4 mm.

In questa forma di realizzazione, preliminarmente al suo utilizzo nella fase i.) del processo secondo l'invenzione, le materie plastiche di scarto in alimentazione sono, preferibilmente, lavorate meccanicamente allo scopo di renderle idonee al caricamento nella fase (e linea) di depolimerizzazione, mediante una o più delle seguenti lavorazioni:

• separazione dei singoli componenti di materia plastica che costituiscono la miscela in ingresso (il materiale è spesso in forma di balle pressate);

• riduzione della pezzatura della materia plastica a una dimensione inferiore a 100 mm x 100 mm x 4 mm e separazione della frazione con dimensione inferiore a 10 mm x 10 mm x 10 mm in quanto costituita essenzialmente da sabbia, terra e vetro, cioè frazioni inerti e non utili al processo di depolimerizzazione;

• separazione delle frazioni polimeriche non compatibili con il processo (PET, PVC soprattutto), che può essere realizzata mediante flottazione in acqua, mediante linee di selezione manuali o mediante sistemi ottici di separazione automatica. Nel caso di utilizzo di flottazione in acqua, il materiale in uscita può subire un ulteriore lavaggio per l’eliminazione della carta e una centrifugazione per eliminare la maggior parte dell’acqua utilizzata per il flottaggio ed il lavaggio; • separazione delle frazioni metalliche magnetiche e amagnetiche;

• ulteriore riduzione dimensionale a una pezzatura inferiore a 50 mm x 50 mm x 4 mm; ed

• essiccazione, nella quale, allo scopo di ottimizzare l’utilizzo dell’energia termica necessaria all’esercizio dell’impianto e per evitare la formazione di ossigeno all’interno dei reattori di depolimerizzazione, possono essere utilizzati i fumi in uscita dalla caldaia di riscaldamento dei sali fusi con un opportuno scambiatore fumi/aria per produrre il flusso di aria calda necessaria all’essicazione del materiale.

A titolo di esempio non limitativo, il materiale da depolimerizzare è inviato al reattore(i) di depolimerizzazione (2) tramite tre tramogge di alimentazione (4) in cascata che sono separate, rispettivamente, da due valvole che sono aperte alternativamente. Quando la valvola fra il primo serbatoio e il secondo serbatoio è aperta e la valvola fra il secondo e il terzo serbatoio è chiusa, il materiale viene caricato dal primo serbatoio nel secondo serbatoio. Una volta chiusa la valvola fra il primo serbatoio e il secondo, l’atmosfera presente nel secondo serbatoio viene sostituita con azoto puro al 99.9% per eliminare ogni traccia di ossigeno. Una volta completato il processo, la valvola fra il secondo serbatoio ed il terzo viene aperta e il materiale viene trasferito nel terzo serbatoio, utilizzato per l’alimentazione in continuo dei reattori.

Al termine dell’operazione di trasferimento del materiale dal secondo serbatoio al terzo, la valvola fra il secondo serbatoio e il terzo viene chiusa e viene nuovamente flussato azoto nel secondo serbatoio per eliminare ogni traccia di gas potenzialmente inquinato dall’atmosfera interna dei reattori (miscela di idrocarburi) prima dell’apertura della valvola fra il primo ed il secondo serbatoio. Il gas in uscita dal secondo serbatoio sospinto dall’azoto viene inviato alla torcia e trattato sulla base delle indicazioni di legge.

In una forma di realizzazione preferita, il processo secondo la presente invenzione, comprendente inoltre:

iii. una fase di depolimerizzazione in fase gassosa, in cui l'effluente gassoso in uscita dal reattore (2) dopo la fase ii. viene convogliato in almeno un reattore secondario (10), dove subisce un ciclo di riscaldamento a una temperatura da 450 a 500°C di durata inferiore a 1 secondo e, in seguito, viene mantenuto a una temperatura da 400°C a 480°C per un tempo da circa 15 a circa 30 secondi.

Nel passaggio di depolimerizzazione in fase gassosa, il gas in uscita dal reattore (2) di depolimerizzazione della fase ii.) sopra descritta subisce un secondo processo di trasformazione all’interno del reattore secondario (10). Il reattore secondario (10) è costituito da un fascio tubiero attraversato nel lato mantello da un flusso controllato di sale fuso alla temperatura di 450°C-550°C. Tale fascio tubiero impone al gas prodotto dai reattori principali un ciclo di riscaldamento molto rapido (in un tempo inferiore al secondo) e un mantenimento a una temperatura di set point da 400°C a 480°C in un tempo prestabilito tipicamente compreso fra 15 sec e 30 sec. Tale trasformazione, mediante reazioni di ulteriore rottura e ricombinazione delle catene polimeriche, modifica la distribuzione delle lunghezze degli idrocarburi presenti nel gas, influenzandone il valore medio (ad esempio, per produrre, in base a esigenze specifiche, una miscela più leggera e centrata attorno alla composizione di uno specifico prodotto principale) e la varianza (per massimizzare la produzione del prodotto voluto). In tal modo è possibile adattare il processo in modo da massimizzare la produzione di idrocarburi con una distribuzione conforme a idrocarburi di cui sia definita la specifica (ad esempio, nell’ambito della benzina da autotrazione, gasolio da autotrazione, kerosene, nafta, gasolio da riscaldamento, oli combustibili) o riprodurre specifiche miscele di idrocarburi liquidi e gassosi su definite specifiche.

La fase successiva di condensazione avviene preferibilmente in almeno due condensatori (12) immediatamente a valle del reattore secondario (10), per imporre un raffreddamento brusco (in un tempo inferiore al secondo) alla miscela di gas, allo scopo di bloccare il processo di depolimerizzazione. Nel caso specifico della produzione di una miscela liquida combustibile conforme allo standard EN 590:2013, a titolo esemplificativo ma non limitativo,

• il primo condensatore è costituito da un fascio tubiero raffreddato ad aria forzata; la temperatura di uscita della miscela gassosa è di circa 285°C. Il liquido condensato costituito prevalentemente da idrocarburi a catena lunga superiore a C16 è inviato al(i) reattore(i) primario(primari) per subire un ulteriore processo di depolimerizzazione;

• il secondo condensatore è costituito da un fascio tubiero raffreddato ad aria forzata; la temperatura di uscita della miscela gassosa è di circa 152°C. Il liquido condensato, costituito prevalentemente da idrocarburi compresi fra C9 e C16, costituisce il prodotto principale del processo e ha una composizione compatibile con lo standard EN 590:2013;

• il terzo condensatore è costituito da uno scrubber a liquido. Il liquido condensato e raffreddato è usato per lavare e raffreddare il flusso gassoso in ingresso. La temperatura di uscita della miscela gassosa è di circa 30°C. Il liquido condensato è costituito prevalentemente da idrocarburi compresi fra C5 e C8 ed è utilizzato per la produzione di energia elettrica e termica necessarie per il funzionamento dell’impianto.

Il processo secondo la presente invenzione prevede un ciclo termico che fornisce una miscela di idrocarburi in uscita molto stabile nel tempo, con notevoli vantaggi rispetto alle miscele ottenute tramite le tecniche note, che devono essere ulteriormente stabilizzate per evitare la conversione di alcuni componenti.

In una forma di realizzazione, la presente invenzione, relativa a una miscela di idrocarburi, che può essere utilizzata come combustibile, ottenibile tramite il processo sopra descritto, che è praticamente priva di idrocarburi policiclici aromatici e contenente una quantità di zolfo compatibile con il suo utilizzo come combustibile. A titolo di esempio non limitativo, nella miscela di idrocarburi ottenibile secondo la presente invenzione il contenuto di zolfo può essere compatibile con la norma di riferimento EN590 (es. non superiore a 50 o a 10 mg/kg).

In una forma di realizzazione, la presente invenzione è relativa a un reattore (2) a sezione cilindrica con un asse verticale, avente un mescolatore (7) completo di motoriduttore installato nell'asse del reattore, che è dotato di una camicia (5) per il riscaldamento tramite sali fusi esterna al corpo del reattore, che può essere collegata a un sistema per il trasporto, il riscaldamento e lo stoccaggio dei sali fusi (3). Il fondo e le pareti sono costituiti da una doppia parete. La camera fra le due pareti che costituiscono le pareti laterali e il fondo del reattore viene attraversata dai sali fusi utilizzati come vettore termico. I sali entrano al centro del fondo e salgono lungo la camicia guidati da una serie di setti che impongono un percorso elicoidale tale da garantire una distribuzione uniforme delle velocità minimizzando, quindi, le differenze di temperatura fra i vari punti della camicia e garantendo una velocità adeguata ad assicurare elevati coefficienti di scambio termico. Una volta raggiunta la sommità della parete laterale in corrispondenza del massimo livello del liquido all’interno del reattore, il sale esce dalla camicia e cade in un collettore esterno che riporta il sale nella vasca dei sali fusi. L’estrusore di alimentazione immette il materiale nel reattore subito sopra il pelo libero del bagno plastico presente all’interno del reattore. Il reattore è disegnato per limitare al massimo il volume libero sopra il pelo libero del materiale plastico fuso allo scopo di minimizzare il tempo di permanenza nel reattore del gas prodotto per depolimerizzazione della miscela plastica immessa. L’altezza di tale zona libera è dettata dall’altezza dell’estrusore di alimentazione.

I seguenti esempi sono forniti per illustrare alcune forme di realizzazione dell'invenzione, senza limitarne lo scopo.

Il bilancio di massa è riportato nella Tabella 3, dove i dati sono riportati con riferimento ad un impianto "standard" con una capacità di trattamento PLASMIX di 9000 ton / anno (capacità produttive diverse sono, ovviamente, possibili).

Tabella 3

Tabella 3 - Bilancio di massa - Dati riferiti a un impianto di trattamento PLASMIX da 9.000 ton / anno (i dati sono indicativi, anche tenendo conto della dipendenza dalla composizione specifica delle materie prime).

Nella Tabella 4 sono riportati, sempre a titolo indicativo, i requisiti termici ed elettrici per un impianto di trattamento PLASMIX da 9.000 ton / anno.

CONSUMO ELETTRICO DI TUTTO L’IMPIANTO (POTENZA)

Pre-trattamento 247 kWe

Processo 197 kWe

Rendimento elettrico globale, escludendo gli autoconsumi 76%

[(kWh associati al combustibile prodotto kWh elettrici

per utilizzi esterni / kWh residuo plastico]

Diverse miscele di materie plastiche di scarto sono state testate in un impianto che attua il processo secondo la presente invenzione. In particolare, sono stati utilizzati numerosissimi “lotti” delle citate materie di scarto generalmente indicate come "PLASMIX".

In ogni caso, il processo secondo la presente invenzione condotto in tale impianto garantisce il miglior utilizzo del contenuto energetico di tutte le tipologie di rifiuto testate.

L’impatto ambientale dell’impianto secondo la presente invenzione per la realizzazione del processo secondo la presente invenzione è risultato non significativo. Sono infatti rilasciati in ambiente gli effluenti liquidi del pretrattamento, con una portata molto limitata e con caratteristiche “inquinanti” ben inferiori ai limiti di legge, nonché gli scarichi gassosi del bruciatore che fornisce il calore al processo e quelli del motogeneratore che genera l’energia elettrica necessaria al processo, nonché, se applicabile, per la vendita, anch’essi con un impatto ben inferiore ai limiti di legge, infine gli scarichi solidi (essenzialmente, polvere di carbone e possibili cariche minerali presenti nel rifiuto plastico o sali generati nella neutralizzazione di possibili acidi prodotti da frazioni plastiche non eliminate), che sono rifiuti speciali non pericolosi.

Di seguito sono forniti alcuni dati riguardanti i vantaggi economici correlati al processo di depolimerizzazione di materie plastiche di scarto secondo la presente invenzione.

Per semplicità, si fa riferimento a un impianto completo di pre-trattamento (ipotesi più conservativa) della taglia di 9000 ton/anno; nel caso di taglie diverse, soprattutto nel caso di taglie superiori, sono possibili fattori di scala.

Chiaramente, i vantaggi economici variano in funzione di diversi parametri che, a loro volta, dipendono dall'ubicazione specifica dell’impianto e dalle caratteristiche del rifiuto da trattare. Le principali ipotesi adottate nell'analisi qui riportata sono riassunte nel seguito.

Sono stati utilizzati i seguenti dati principali:

• Ingresso di materie prime (riferito al peggior materiale plastico di scarto, PLASMIX): 9.000 ton/anno (una capacità superiore è facilmente realizzabile attraverso più unità che lavorano in parallelo, mentre una capacità inferiore può vedere ridotta la redditività economica dell’investimento)

• Produzione di gasolio: 3928 ton/anno

Considerando fattori tra cui i costi delle varie parti dell'impianto, delle opere civili e del personale e i ricavi medi stimati annui, il processo secondo la presente invenzione è economicamente conveniente e assicura in tempi brevi un ottimo ritorno economico, oltre a enormi vantaggi dal punto di vista ecologico e di valorizzazione dei rifiuti.

Il processo secondo la presente invenzione consente di trasformare materie plastiche di scarto, anche di pessima qualità, in una ottima miscela di idrocarburi, con rendimenti altissimi.

Il processo secondo la presente invenzione è particolarmente vantaggioso in termini di protezione ambientale (si evita il rilascio di rifiuti plastici in mare o sulla terra, anche in discarica) e in quanto consente la produzione di beni (a titolo di esempio non limitativo: Diesel oil, energia elettrica), valorizzando così materie plastiche di scarto ed evitando l’uso di derivati dal petrolio.

L’efficienza di utilizzo dei rifiuti è altissima e può essere prossima al 90% prima degli autoconsumi e superiore al 75% netto. Per contro, l’efficienza di tecniche concorrenti, come l'utilizzo negli inceneritori o nei cementifici, è enormemente inferiore (l’efficienza complessiva negli inceneritori è generalmente decisamente inferiore al 10%).

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un processo per la depolimerizzazione di materie plastiche di scarto, in cui detto processo comprende le fasi di: i. caricare una miscela comprendente o consistente essenzialmente in materie plastiche di scarto, in atmosfera priva di ossigeno, in un sistema di alimentazione comprendente almeno un estrusore a coclea (1) che viene riscaldato, opzionalmente tramite il passaggio di sali fusi in una opportuna camicia (1a) posta sull'esterno della camera di estrusione, a una temperatura tale per cui il materiale in uscita dall'estrusore è a una temperatura non inferiore a 150°C; ii. caricare il materiale plastico proveniente dall'estrusore della fase precedente direttamente in un reattore (2), in cui avviene la depolimerizzazione termica con formazione di un effluente gassoso, dove il reattore (2) è riscaldato alla temperatura di 300-450°C tramite un flusso di sali fusi in una camicia (5) esterna al corpo del reattore e collegata a un sistema per il trasporto, il riscaldamento e lo stoccaggio dei sali fusi (3).
2. 2. Il processo secondo la rivendicazione 1, dove la materia plastica di scarto alimentata alla fase i. è preparata a partire da materie plastiche di scarto tramite un pre-trattamento che comprende la separazione di elementi costituiti da materie non plastiche e, se presenti, da materie plastiche non compatibili con il processo seguente e, se necessaria, una riduzione di materiali plastici a dimensioni non superiori a 50 mm x 50 mm x 4 mm.
3. 3. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2, in cui la miscela, opzionalmente dopo separazione delle materie non plastiche e/o non compatibili e la riduzione delle dimensioni, è caricata nel sistema di alimentazione (1) del reattore di depolimerizzazione termica (2) tramite una tramoggia, o due o più tramogge in cascata (4), all'interno della/e quale/i viene sostanzialmente eliminato l'ossigeno presente nell'atmosfera del materiale in entrata.
4. 4. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre: iii. una fase di depolimerizzazione in fase gassosa, in cui l'effluente gassoso in uscita dal reattore (2) dopo la fase ii. viene convogliato in almeno un reattore secondario (10) , dove subisce un ciclo di riscaldamento a una temperatura da 450 a 500°C di durata inferiore a 1 secondo e, in seguito, viene mantenuto a una temperatura da circa 400 a circa 480°C per un tempo da 15 a 30 secondi circa.
5. 5. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i residui solidi che si accumulano nel reattore di depolimerizzazione (2) sono convogliati verso l'esterno del reattore tramite un sistema di scarico comprendente un trasportatore a coclea (6), preferibilmente riscaldato esternamente.
6. 6. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i sali fusi comprendono, o sono costituiti da, sali binari, ternari, quaternari o loro miscele, con una temperatura di fusione da circa 100 a 250°C, preferibilmente in cui i sali fusi comprendono, o consistono di, una miscela di nitrato di sodio e di nitrato di potassio, ancora più preferibilmente in rapporto peso : peso da 2:3 a 3:2.
7. 7. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui al termine della fase di depolimerizzazione si ottengono una frazione (A) comprendente idrocarburi aventi un numero di atomi di carbonio da 9 a 16 conforme a un gasolio secondo lo standard EN 590:2013, una frazione (B) di idrocarburi aventi un numero di atomi di carbonio da 5 a 8 e/o una frazione (C) comprendente idrocarburi allo stato gassoso alla pressione atmosferica e alla temperatura da 20 a 30°C, preferibilmente in cui almeno una tra la frazione gassosa (C) e la frazione (B) di idrocarburi aventi un numero di atomi di carbonio da 5 a 8 è utilizzata, totalmente o, almeno, parzialmente per produrre almeno parte dell'energia elettrica e/o termica necessaria per il processo complessivo.
8. 8. Una miscela di idrocarburi ottenibile tramite il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, praticamente priva di idrocarburi policiclici aromatici e comprendente una quantità di zolfo, compatibile con il suo utilizzo come combustibile.
9. 9. Un reattore (2) a sezione cilindrica con un asse verticale, avente un mescolatore (7) completo di motoriduttore installato nell'asse del reattore, in cui detto reattore è dotato di una camicia (5) per il riscaldamento tramite sali fusi esterna al corpo del reattore, collegata a un sistema per il trasporto, il riscaldamento e lo stoccaggio dei sali fusi (3).
10. 10. Il reattore (2) secondo la rivendicazione 9 in cui il mescolatore (7) comprende raschiatori (8) conformati sulla forma della parete e montati su supporti rotanti attorno a un asse posizionato a una distanza di 10-30 cm dalla parete del reattore e mantenuti con molle (9) in battuta rispetto a fermi che possono essere regolati in modo da garantire una distanza desiderata dalla parete.
11. 11. Un impianto per la depolimerizzazione di materie plastiche comprendente il reattore secondo una delle rivendicazioni 9 e 10 e un sistema di alimentazione, detto sistema di alimentazione comprendendo almeno un estrusore a coclea (1) comprendente un sistema per il riscaldamento (1a) delle materie da estrudere e in cui la coclea (11) nella zona iniziale (1b) ha un passo più ampio rispetto al passo della coclea nella zona finale (1c) dell'estrusore.