IT201900012822A1 - Dispositivo e procedimento per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche - Google Patents
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Description
Descrizione dell’Invenzione Industriale avente per titolo:
“Dispositivo e procedimento per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche”
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo ed al relativo procedimento per la valorizzazione energetica dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche.
In particolare l’invenzione si riferisce ad un dispositivo e al relativo procedimento per valorizzare energeticamente materiali di scarto normalizzati, contenenti frazioni organiche, con le seguenti caratteristiche: un elevato potere calorifico (tipicamente compreso fra 3 e 10 kWh/kg); una bassa densità (tipicamente intorno a 250 kg/mc); un basso tenore idrico (inferiore al 5%); una dimensione mediamente inferiore ad 1 mm. Tali caratteristiche consentono di calcolare per il materiale normalizzato un numero di Biot < 0.1, ovvero definiscono il materiale normalizzato come un materiale dove la diffusione del calore possa risultare omogenea e costante.
I dispositivi noti, utilizzati per lo smaltimento dei materiali solidi di scarto contenenti frazioni organiche, comprendenti i sistemi di incenerimento, di gassificazione e di pirolisi, presentano diverse criticità essenzialmente legate alla estrema variabilità in pezzatura, umidità e potere calorifico dei materiali di scarto. In particolare, tali materiali, avendo caratteristiche molto eterogenee, hanno comportamenti estremamente variabili che non consentono un accurato controllo dei processi di ossidazione, con il risultato di inevitabili e repentine variazioni dei parametri di processo e le relative conseguenze sia sul piano dell’efficienza energetica che del controllo delle emissioni inquinanti.
Scopo della presente invenzione è quello di superare queste criticità relative allo smaltimento dei materiali solidi di scarto contenenti frazioni organiche, essenzialmente legate alla loro eterogeneità, fornendo un dispositivo ed un procedimento che prevedano la cosiddetta “normalizzazione” dei materiali di scarto in modo da trasformarli in materiali dove la diffusione del calore possa risultare omogenea e costante, la loro successiva cosiddetta “dissociazione” in una frazione volatile ed in una frazione solida, attraverso un processo di gassificazione “quasi statico” a bassa temperatura, la cosiddetta “inertizzazione” della frazione solida attraverso un continuo e prolungato processo di ossidazione e la “valorizzazione energetica” della parte volatile attraverso la sua completa “ossidazione” in una camera di combustione ad elevata turbolenza.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di trattare i materiali solidi di scarto, contenenti frazioni organiche, in modo energeticamente efficiente, ovvero in modo che l’energia prodotta dal sistema sia superiore all’energia necessaria al trattamento del materiale nel sistema stesso, il tutto evitando la formazione di inquinanti attraverso una appropriata gestione delle temperature di “normalizzazione”, “dissociazione” ed “ossidazione”.
In particolare, nella presente invenzione, sono utilizzate le seguenti temperature: fra i 100°C ed i 150°C nella fase di “normalizzazione”, in modo da poter ottenere la completa sterilizzazione dei materiali trattati e la evaporazione della gran parte della frazione liquida; fra i 350°C ed i 400°C nella fase di “dissociazione” in modo da poter dividere la frazione volatile dalla frazione solida senza il sollevamento di polveri o la vaporizzazione dei metalli al fine di non produrre i suddetti inquinanti; fra i 900°C ed i 1100°C nella fase di “ossidazione”, in modo da promuovere la completa ossidazione di tutti i gas prodotti nelle fasi precedenti ed evitando quindi la formazione di inquinanti come il monossido di carbonio, i composti organici volatili, le diossine, i furani e gli ossidi di azoto.
Il suddetto ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un dispositivo ed il relativo procedimento per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche come quelli descritti nelle rivendicazioni principali. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Resta inteso che le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.
Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.
La presente invenzione verrà meglio descritta da una forma preferita di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la Figura 1 mostra una vista schematica di un dispositivo per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo la presente invenzione.
Facendo riferimento alla Figura, è illustrata e descritta una forma di realizzazione preferita del dispositivo 200 per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche dell’invenzione, che comprende: - un dispositivo per la normalizzazione dei materiali di scarto 51 che comprende: un dispositivo di carico dei materiali 40, preferibilmente una tramoggia di carico 40; un dispositivo di scarico 41 dei materiali normalizzati, ad esempio un portellone; un sistema di immissione di gas esausti caldi 36 finalizzato sia al riscaldamento del materiale caricato, sia a mantenere un’atmosfera di processo inerte (priva di ossigeno) per evitare qualunque possibilità di incendio; un sistema di estrazione 37 dei gas esausti e dei vapori formatisi durante il processo di “normalizzazione”;
- un sistema di stoccaggio 52 del materiale normalizzato dal dispositivo di normalizzazione 51, comprendente: un sistema di deidratazione, dotato di un sistema di immissione di gas esausti caldi 36, finalizzato sia al riscaldamento del materiale caricato sia a mantenere un’atmosfera di processo inerte (priva di ossigeno) per evitare qualunque possibilità di incendio; un sistema di estrazione 37 dei gas esausti e dei vapori formatisi durante il processo di “stoccaggio”; un sistema di movimentazione 42 del materiale “normalizzato” finalizzato al carico di una camera di gassificazione 53;
- la camera di gassificazione 53, preferibilmente di tipo up-draft a letto quasi statico, per la produzione di gas combustibile, comprendente un’area di gassificazione in cui il materiale “normalizzato” entra ed è movimentato dal sistema di movimentazione 42, facendolo scorrere su un letto di gassificazione 55 a velocità inferiori a 0.5 mm al secondo per evitare il sollevamento di polveri; la camera di gassificazione 53 comprende inoltre: un sistema di immissione di aria preriscaldata 21; un sistema di immissione dei gas esausti e dei vapori provenienti dal dispositivo di normalizzazione 51 attraverso il sistema di estrazione 37; un sistema di innesco della reazione di gassificazione 54; un sistema per l’estrazione dei materiali solidi ossidati 43; un condotto 30 per l’avvio dei gas prodotti durante il processo di gassificazione ad una camera di combustione 56;
- la camera di combustione 56 ad elevata turbolenza, nella quale è ossidato il gas prodotto nel gassificatore 53, comprendente: un sistema di immissione dei gas provenienti dal gassificatore 53 attraverso il condotto 30; un sistema di immissione dei vapori provenienti dal dispositivo di normalizzazione 51 attraverso il sistema di estrazione 37; un sistema di immissione di aria preriscaldata 21; un sistema di estrazione dei gas esausti 31; un sistema di tipo noto per il preriscaldamento della camera di combustione, costituito ad esempio da un bruciatore alimentato da idrocarburi; un sistema, di tipo noto, per l’abbattimento degli ossidi di azoto comprendente iniettori di sostanze capaci di ridurre la quantità degli ossidi di azoto presenti in fase di combustione;
- un sistema di recupero dell’energia termica prodotta comprendente uno scambiatore di calore 57 per il recupero termico dell’energia contenuta nei gas di combustione con un vettore liquido, che a sua volta comprende: un sistema di ingresso dei gas esausti caldi provenienti dal sistema di estrazione 31 della camera di combustione 56; un sistema di evacuazione dei gas esausti 32; un sistema di trasferimento del liquido riscaldato 15 e del liquido da riscaldare 16;
- un sistema di recupero dell’energia termica prodotta comprendente uno scambiatore di calore 60 per il recupero termico dell’energia contenuta nei gas di combustione con l’aria, che comprende: un sistema di ingresso dei gas esausti caldi 34; un sistema di evacuazione dei gas esausti 35, ad esempio un ventilatore di coda, configurato per spingere i gas esausti al punto di emissione dell’impianto, per garantire che tutto il sistema sia mantenuto sempre in leggera depressione al fine di evitare fuoriuscite di gas indesiderate; un sistema di ricircolo dei gas esausti 36 verso il dispositivo di normalizzazione 51; un sistema di emissione dell’aria riscaldata 21 e di immissione dell’aria da riscaldare 20;
- un sistema noto di filtrazione dei gas esausti prodotti dal sistema comprendente: un reattore 58 predisposto per far reagire un composto neutralizzante, come ad esempio la sorbalite, con la frazione acida dei gas esausti; un sistema filtrante 59, comprendente ad esempio un filtro a maniche, detti reattore 58 e sistema filtrante 59 comprendenti sistemi di immissione 32, 33 e di emissione 34 dei gas esausti;
- mezzi di misura e controllo della pressione, temperatura, umidità, volume, stato e forza, comprendenti sensori di tipo noto, posti all’interno del dispositivo 200;
- detti mezzi di immissione e mezzi di estrazione dei gas comprendenti ad esempio valvole e giranti dotate di motori;
- detti mezzi di misura, di immissione, estrazione e motori essendo collegati ad un’unità di controllo di tipo noto e da essa controllati attraverso un apposito programma informatico.
Il procedimento per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo l’invenzione comprende le seguenti fasi:
- una fase di caricamento, da parte di un operatore, del materiale da trattare nel dispositivo di normalizzazione dei materiali di scarto 51, preferibilmente all’interno della tramoggia di carico 40; preferibilmente il materiale da trattare è caricato in appositi contenitori standard con caratteristiche note, ad esempio realizzati secondo lo standard UNI 12574;
- una fase in cui il materiale è sterilizzato, deidratato e reso omogeneo in dimensioni, densità, umidità e potere calorifico, all’interno del dispositivo di “normalizzazione” 51;
- una fase in cui il materiale “normalizzato” viene trasferito dal dispositivo di “normalizzazione” 51 al sistema di stoccaggio 52, in una zona ad atmosfera controllata, in cui la temperatura è mantenuta a valori tali da consentire la deidratazione del materiale mediante i gas esausti immessi attraverso il sistema di immissione 36; i gas esausti hanno anche la funzione di evitare la possibilità di incendio del materiale immagazzinato;
- una fase successiva in cui il materiale “normalizzato” è trasferito mediante il sistema di movimentazione 42 dal sistema di stoccaggio 52 alla camera di gassificazione 53;
- una fase in cui il materiale “normalizzato” viene fatto scorrere dal sistema di movimentazione 42 sul letto di gassificazione 55, all’interno della camera di gassificazione 53, ad una velocità inferiore a 0.5 mm/secondo, mentre viene mantenuta, all’interno della camera, una temperatura compresa tra i 350°C ed i 400°C in modo da promuovere la dissociazione della parte volatile dalla parte solida del materiale caricato.
Vantaggiosamente, la bassa velocità di avanzamento del materiale (“quasi statica”) e la temperatura mantenuta al di sotto dei 400°C, evitano il sollevamento di polveri e la vaporizzazione dei metalli che inquinerebbero il gas prodotto dal processo.
Il mantenimento della temperatura all’interno della camera è garantito dal sistema di innesco 54, che è attivato quando la temperatura scende al di sotto dei 350°C, dall’immissione di aria preriscaldata attraverso il sistema di immissione 21 e dall’immissione dei gas esausti e dei vapori provenienti dal dispositivo di normalizzazione 51 attraverso il sistema di estrazione 37. In particolare, viene accresciuta la quantità di aria e ridotta la quantità di vapori e gas esausti immessi nella camera di gassificazione 53 rispettivamente mediante il sistema di immissione 21 ed il sistema di estrazione 37, se la temperatura della camera si trova al di sotto dei 350°C, mentre è ridotta la quantità d’aria ed aumentata la quantità di vapori e gas esausti se la temperatura sale oltre i 400°C;
- una fase in cui il residuo solido, contenuto nel materiale “normalizzato”, viene mantenuto all’interno della camera di gassificazione 53, ed alle temperature di gassificazione, per un periodo di alcune ore in presenza del vapore 37 immesso dal sistema di estrazione 37. Tali condizioni favoriscono la reazione chimica del gas d’acqua, che promuove la eliminazione dei contenuti carboniosi e la totale ossidazione e conseguente inertizzazione del residuo solido. Il residuo solido, alla fine del letto di gassificazione 55, è espulso dall’impianto attraverso il sistema per l’estrazione dei materiali solidi ossidati 43;
- una fase in cui il gas prodotto nel gassificatore 53 viene avviato attraverso il condotto 30 alla camera di combustione 56 dove viene completamente ossidato in eccesso di ossigeno, per un periodo di oltre 2 secondi in un ambiente ad elevata turbolenza, in modo da favorirne la totale ossidazione, ad una temperatura compresa fra gli 850°C e i 1100°C. Le temperature, i moti turbolenti e i tempi di permanenza previsti nella camera di combustione 56, evitano la formazione di inquinanti quali: i composti organici, le diossine, i furani, il monossido di carbonio e gli ossidi di azoto;
- una fase in cui l’energia termica, prodotta dalla ossidazione del gas nella camera di combustione 56, è recuperata attraverso gli scambiatori di calore 57, 60 del sistema di recupero dell’energia termica e valorizzata, ad esempio trasformandola in energia elettrica ed in energia termica attraverso un sistema di cogenerazione;
- una fase in cui i gas esausti vengono trattati all’interno del reattore 58, che attraverso un reagente a base di calcio, trasforma eventuali contenuti acidi in sali;
- una fase in cui i gas esausti sono filtrati dal sistema filtrante 59;
durante il procedimento, il sistema di evacuazione dei gas esausti 35 garantisce che tutto il sistema venga mantenuto sempre in leggera depressione al fine di evitare fuoriuscite di gas indesiderate.
Sono state descritte forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali, eventuali segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L’articolo “un”, “uno” o “una” precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralità di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (200) per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche, detto dispositivo (200) comprendendo: - un dispositivo per la normalizzazione dei materiali di scarto (51), per ottenere materiale sterilizzato, deidratato e omogeneo in dimensioni, densità, umidità e potere calorifico; - un sistema di movimentazione (42) del materiale “normalizzato” finalizzato al carico di una camera di gassificazione (53); - la camera di gassificazione (53) per la produzione di gas combustibile; - una camera di combustione (56) ad elevata turbolenza, nella quale è ossidato il gas prodotto nel gassificatore (53); - un sistema di recupero dell’energia termica prodotta comprendente uno scambiatore di calore (57, 60) per il recupero termico dell’energia contenuta nei gas di combustione.
- 2. Dispositivo (200) per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende un sistema di stoccaggio (52) del materiale normalizzato dal dispositivo di normalizzazione (51), comprendente un sistema di deidratazione, dotato di un sistema di immissione di gas esausti caldi (36), finalizzato sia al riscaldamento del materiale caricato sia a mantenere un’atmosfera di processo inerte per evitare qualunque possibilità di incendio.
- 3. Dispositivo (200) per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il dispositivo per la normalizzazione dei materiali di scarto (51) comprende: un dispositivo di carico dei materiali (40); un dispositivo di scarico (41) dei materiali normalizzati; un sistema di immissione di gas esausti caldi (36) finalizzato sia al riscaldamento del materiale caricato sia a mantenere un’atmosfera di processo inerte (priva di ossigeno) per evitare qualunque possibilità di incendio; un sistema di estrazione (37) dei gas esausti e dei vapori formatisi durante il processo di “normalizzazione”.
- 4. Dispositivo (200) per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la camera di gassificazione (53) comprende: un’area di gassificazione in cui il materiale “normalizzato” entra ed è movimentato dal sistema di movimentazione (42), facendolo scorrere su un letto di gassificazione (55) a velocità inferiori a 0.5 mm al secondo; un sistema di immissione di aria preriscaldata (21); un sistema di immissione dei gas esausti e dei vapori provenienti dal dispositivo di normalizzazione (51) attraverso il sistema di estrazione (37); un sistema di innesco della reazione di gassificazione (54); un sistema per l’estrazione dei materiali solidi ossidati (43); un condotto (30) per l’invio dei gas prodotti durante il processo di gassificazione ad una camera di combustione (56).
- 5. Dispositivo (200) per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la camera di combustione (56) comprende: un sistema di immissione dei gas provenienti dal gassificatore (53) attraverso il condotto (30); un sistema di immissione dei vapori provenienti dal dispositivo di normalizzazione (51) attraverso il sistema di estrazione (37); un sistema di immissione di aria preriscaldata (21); un sistema di estrazione dei gas esausti (31); un sistema di tipo noto per il preriscaldamento della camera di combustione, costituito ad esempio da un bruciatore alimentato da idrocarburi; un sistema, di tipo noto, per l’abbattimento degli ossidi di azoto comprendente iniettori di sostanze capaci di ridurre la quantità degli ossidi di azoto presenti in fase di combustione.
- 6. Dispositivo (200) per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende: un sistema di ricircolo dei gas esausti (36) verso il dispositivo di normalizzazione (51); un sistema di emissione dell’aria riscaldata (21) e di immissione dell’aria da riscaldare (20); un sistema noto di filtrazione dei gas esausti prodotti dal sistema comprendente: un reattore (58) predisposto per far reagire un composto neutralizzante con la frazione acida dei gas esausti; un sistema filtrante (59), detti reattore (58) e sistema filtrante (59) comprendenti sistemi di immissione (32, 33) e di emissione (34) dei gas esausti.
- 7. Dispositivo (200) per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il sistema di recupero dell’energia termica prodotta comprende uno scambiatore di calore (57) per il recupero termico dell’energia contenuta nei gas di combustione con un vettore liquido, che a sua volta comprende: un sistema di ingresso dei gas esausti caldi provenienti dal sistema di estrazione (31) della camera di combustione (56); un sistema di evacuazione dei gas esausti (32); un sistema di trasferimento del liquido riscaldato (15) e del liquido da riscaldare (16).
- 8. Dispositivo (200) per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il sistema di recupero dell’energia termica prodotta comprende uno scambiatore di calore (60) per il recupero termico dell’energia contenuta nei gas di combustione con l’aria, che comprende: un sistema di ingresso dei gas esausti caldi (34); un sistema di evacuazione dei gas esausti (35) configurato per spingere i gas esausti al punto di emissione dell’impianto, per garantire che tutto il sistema sia mantenuto sempre in leggera depressione al fine di evitare fuoriuscite di gas indesiderate.
- 9. Procedimento per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche utilizzando il dispositivo (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, il procedimento comprendendo le seguenti fasi: - una fase di caricamento, da parte di un operatore, del materiale da trattare nel dispositivo di normalizzazione dei materiali di scarto (51); - una fase in cui il materiale è sterilizzato, deidratato e reso omogeneo in dimensioni, densità, umidità e potere calorifico, all’interno del dispositivo di “normalizzazione” (51); - una fase successiva in cui il materiale “normalizzato” è trasferito mediante il sistema di movimentazione (42) alla camera di gassificazione (53); - una fase in cui il gas prodotto nel gassificatore (53) viene avviato attraverso il condotto (30) alla camera di combustione (56) dove viene completamente ossidato in eccesso di ossigeno, per un periodo di oltre 2 secondi in un ambiente ad elevata turbolenza, in modo da favorirne la totale ossidazione, ad una temperatura compresa fra gli 850°C e i 1100°C, le temperature, i moti turbolenti e i tempi di permanenza previsti nella camera di combustione (56), evitando la formazione di inquinanti quali: i composti organici, le diossine, i furani, il monossido di carbonio e gli ossidi di azoto; - una fase in cui l’energia termica, prodotta dalla ossidazione del gas nella camera di combustione (56), è recuperata attraverso gli scambiatori di calore (57, 60) del sistema di recupero dell’energia termica e valorizzata, ad esempio trasformandola in energia elettrica ed in energia termica attraverso un sistema di cogenerazione.
- 10. Procedimento per la valorizzazione dei materiali di scarto normalizzati contenenti frazioni organiche secondo la rivendicazione 9, comprendente le seguenti fasi: - una fase in cui il materiale “normalizzato” viene trasferito dal dispositivo di “normalizzazione” (51) al sistema di stoccaggio (52), in una zona ad atmosfera controllata, in cui la temperatura è mantenuta a valori tali da consentire la deidratazione del materiale mediante i gas esausti immessi attraverso il sistema di immissione (36); - una fase in cui il materiale “normalizzato” viene fatto scorrere dal sistema di movimentazione (42) sul letto di gassificazione (55), all’interno della camera di gassificazione (53), ad una velocità inferiore a 0.5 mm/secondo, mentre viene mantenuta, all’interno della camera, una temperatura compresa tra i 350°C ed i 400°C in modo da promuovere la dissociazione della parte volatile dalla parte solida del materiale caricato; - una fase in cui il mantenimento della temperatura all’interno della camera è garantito dal sistema di innesco (54), che è attivato quando la temperatura scende al di sotto dei 350°C, dall’immissione di aria preriscaldata attraverso il sistema di immissione (21) e dall’immissione dei gas esausti e dei vapori provenienti dal dispositivo di normalizzazione (51) attraverso il sistema di estrazione (37); - una fase in cui il residuo solido, contenuto nel materiale “normalizzato”, viene mantenuto all’interno della camera di gassificazione (53), ed alle temperature di gassificazione, per un periodo di alcune ore in presenza del vapore (37) immesso dal sistema di estrazione (37); - una fase in cui i gas esausti vengono trattati all’interno del reattore (58), che attraverso un reagente a base di calcio, trasforma eventuali contenuti acidi in sali; - una fase in cui i gas esausti sono filtrati dal sistema filtrante (59).
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