ITFE970004A1 - PROCESS OF THERMOCHEMICAL CONVERSION OF MUNICIPAL AND SPECIAL WASTE INTO BASIC CHEMICAL PRODUCTS AND PLANT TO CARRY OUT THE PROCESS. - Google Patents
PROCESS OF THERMOCHEMICAL CONVERSION OF MUNICIPAL AND SPECIAL WASTE INTO BASIC CHEMICAL PRODUCTS AND PLANT TO CARRY OUT THE PROCESS. Download PDFInfo
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
dell'invenzione avente per titolo: of the invention entitled:
"Processo di conversione termochimica di rifiuti urbani e speciali in prodotti chimici di base e impianto per effettuare il processo" "Process of thermochemical conversion of municipal and special waste into basic chemicals and plant to carry out the process"
La presente invenzione concerne un processo di conversione termochimica di rifiuti urbani e speciali in prodotti chimici di base ed un impianto per effettuare il processo. The present invention relates to a thermochemical conversion process of urban and special waste into basic chemical products and a plant for carrying out the process.
Sono noti processi termici di pirolisi, gassificazione ed inertizzazione termica dei rifiuti, per ottenere composti organici ed inorganic commercializzabili. Thermal processes of pyrolysis, gasification and thermal inertization of waste are known, to obtain marketable organic and inorganic compounds.
Un noto processo di pirolisi, denominato THERMOSELECT (P Pollesel, “Energy recovery from waste - thè application of gassification technologies” in “La chimica e l'industria” n. 5M996, pag. 603; E! De Fraja, M Giugliano "Incenerimento - Recupero di energia”, cap. Ili “Proposte impiantistiche innovative", in: Politecnico di Milano (Dipartimento di ingegneria idraulica, ambientale e del rilevamento - Sezione ambientale), ANDIS Associazione nazionale di ingegneria sanitaria ambientale “Ingegneria de rifiuti solidi urbani - XLIII Corso di aggiornamento in ingegneria sanitaria ambientale - Milano, 5-9 giugno 1995) prevede che questo avvenga in forma indiretta, e cioè non per combustione di una parte del materiale, ma pe semplice riscaldamento di quest’ultimo; che la gassificazione avvenga a 2000°C separatamente rispetto alla pirolisi, e che l'inertizzazione avvenga ad opera della temperatura (compresa tra 1200 e 2000°C); quindi pe decomposizione dei composti organici e per vetrificazione dei compost inorganici. A well-known pyrolysis process, called THERMOSELECT (P Pollesel, "Energy recovery from waste - the application of gassification technologies" in "Chemistry and industry" no. 5M996, page 603; E! De Fraja, M Giugliano "Incineration - Energy recovery ", chapter III" Innovative plant design proposals ", in: Politecnico di Milano (Department of Hydraulic, Environmental and Survey Engineering - Environmental Section), ANDIS National Association of Environmental Health Engineering" Urban solid waste engineering - XLIII Refresher course in environmental sanitary engineering - Milan, 5-9 June 1995) provides for this to take place indirectly, that is, not by combustion of a part of the material, but simply by heating it; that gasification takes place at 2000 ° C separately from pyrolysis, and that inertization occurs due to the temperature (between 1200 and 2000 ° C); therefore eg decomposition of organic compounds and by vitrification of inorganic compost.
Inconveniente di questo noto processo consiste nelle elevate dispersioni di calore dovute allo scambio termico, nelle elevate spese di impianto dovute alla necessità di impiegare materiali in grado di sopportare le alte temperature, negli elevati costi di frantumazione del prodotto solido nonché nella formazione di croste vetrose e nella conseguente erosione degli impianti. The drawback of this known process consists in the high heat losses due to the heat exchange, in the high plant costs due to the need to use materials capable of withstanding high temperatures, in the high crushing costs of the solid product as well as in the formation of vitreous crusts and in the consequent erosion of the plants.
Un altro noto processo di pirolisi, denominato KWU (E. De Fraja - M. Giugliano) prevede che questa avvenga in forma indiretta come nel caso precedente, ma che non vi sia gassificazione e che l’inertizzazione avvenga ad opera della temperatura, come nel caso precedente, a circa 1300°C. Another well-known pyrolysis process, called KWU (E. De Fraja - M. Giugliano) provides that this takes place indirectly as in the previous case, but that there is no gasification and that inertisation occurs due to the temperature, as in the previous case, at about 1300 ° C.
Inconveniente di questo noto processo consiste nel fatto che esso opera a temperature elevate e con rendimenti bassi. A drawback of this known process consists in the fact that it operates at high temperatures and with low yields.
Un altro noto processo di pirolisi è descritto nel brevetto europeo n. Another known pyrolysis process is described in the European patent n.
0292987. In esso la pirolisi avviene in forma indiretta come nel processo Thermoselect, la gassificazione avviene separatamente rispetto alla pirolisi e con l'aggiunta di materiale combustibile estraneo ai rifiuti, e l'inertizzazione avviene ad opera della temperatura come nel processo Thermoselect. 0292987. In it, pyrolysis occurs indirectly as in the Thermoselect process, gasification occurs separately from pyrolysis and with the addition of combustible material extraneous to the waste, and inertization occurs by temperature as in the Thermoselect process.
Inconveniente di questo noto processo è che esso richiede l'aggiunta di materiale combustibile. A drawback of this known process is that it requires the addition of combustible material.
Un altro noto processo, denominato PUROX, della Union Carbide Co. (C. Casci, L. Cassitto “Energia dai rifiuti urbani e industriali", CLUP, Milano, 1984; P. Pollesel) effettua solo una gassificazione ad alta temperatura con l’impiego di ossigeno puro e produce solo gas e scorie solide. Another well-known process, called PUROX, of Union Carbide Co. (C. Casci, L. Cassitto "Energy from urban and industrial waste", CLUP, Milan, 1984; P. Pollesel) only carries out a high temperature gasification with the use of pure oxygen and produces only solid gas and waste.
Inconveniente di questo noto processo consiste nel fatto che esso consente di ottenere solo gas e scorie solide e non liquidi, né oli, né catrami. A drawback of this known process consists in the fact that it allows to obtain only solid and non-liquid gases and slags, neither oils nor tars.
Un altro noto processo, denominato FLASCH PYROLYSIS SYSTEM “GARRETT (C. Casci, L. Cassitto - A. Paratella, A. Buso, “Smaltimento dei rifiuti” Regione Veneto - Giunta Regionale, 1983) prevede di effettuare una pirolisi indiretta a 500°C ottenendo solamente oli combustibili molto viscosi e corrosivi con una spiccata tendenza a polimerizzare. Another well-known process, called FLASCH PYROLYSIS SYSTEM "GARRETT (C. Casci, L. Cassitto - A. Paratella, A. Buso," Waste disposal "Veneto Region - Regional Council, 1983) provides for an indirect pyrolysis at 500 ° C obtaining only highly viscous and corrosive fuel oils with a marked tendency to polymerize.
Un altro noto processo di pirolisi, denominato MONSANTO ENVIRO-CHEM SYSTEM “LANDGUARD” (C. Casci, L. Cassitto; P. Pollesel) prevede di effettuare la soia gassificazione, con l'invio di aria. Esso pone, seri problemi nel controllo delle emissioni provenienti dalla combustione del gas. Another well-known pyrolysis process, called MONSANTO ENVIRO-CHEM SYSTEM “LANDGUARD” (C. Casci, L. Cassitto; P. Pollesel) involves carrying out soy gasification, by sending air. It poses serious problems in the control of emissions from gas combustion.
Un altro noto processo di pirolisi, denominato ANDCO-TORRAX, della Carborundum Co. (C. Casci, L. Cassitto - P. Pollesel) è simile al processo PUROX, ma impiega una miscela di ossigeno e aria preriscaldata. Another well-known pyrolysis process, called ANDCO-TORRAX, by Carborundum Co. (C. Casci, L. Cassitto - P. Pollesel) is similar to the PUROX process, but uses a mixture of oxygen and pre-heated air.
Un altro noto processo di pirolisi messo a punto dall’Università di Amburgo (A. Paratella, A. Buso) effettua la sola pirolisi di materie plastiche e gomma, per ottenere nerofumo, olio, gas, in reattore a letto fluido. Inconveniente di questo noto processo consiste nel fatto che esso opera solo con un ben preciso tipo di rifiuto. Another well-known pyrolysis process developed by the University of Hamburg (A. Paratella, A. Buso) performs the pyrolysis of plastics and rubber only, to obtain carbon black, oil, gas, in a fluidized bed reactor. A drawback of this known process consists in the fact that it operates only with a very specific type of waste.
Un altro noto processo, denominato PROCEDINE CORPORATION (A. Paratella, A. Buso) effettua la sola pirolisi diretta, come nel processo Thermoselect, sotto pressione di 3,4-7 atm., di materie plastiche fuse, in letto fluido. Oltre agli inconvenienti indicati per il processo Thermoselect, questo presenta l’ulteriore inconyeniente di operare sotto pressione e quindi con tecnologie molto dispendiose, che tra l’altro non sono idonee per la produzione di liquidi e di catrami. Another well-known process, called PROCEDINE CORPORATION (A. Paratella, A. Buso) carries out only direct pyrolysis, as in the Thermoselect process, under pressure of 3.4-7 atm., Of molten plastic materials, in a fluid bed. In addition to the drawbacks indicated for the Thermoselect process, this has the further inconvenience of operating under pressure and therefore with very expensive technologies, which among other things are not suitable for the production of liquids and tars.
Un altro noto processo di pirolisi, denominato HERBOLD della Oscar Herbold di Mackeshein Germania (A. Paratella, A. Buso) effettua la sola pirolisi di pneumatici e di altre materie plastiche, lavorando in depressione pari a 40 mm di mercurio. Another well-known pyrolysis process, called HERBOLD by Oscar Herbold of Mackeshein Germany (A. Paratella, A. Buso) carries out only the pyrolysis of tires and other plastics, working in depression equal to 40 mm of mercury.
Un altro noto processo, denominato HERKO-KIENER prevede di effettuare la sola pirolisi indiretta, come nel processo Thermoselect, di rifiuti e fanghi di depurazione. Another well-known process, called HERKO-KIENER, involves carrying out only indirect pyrolysis, as in the Thermoselect process, of waste and sewage sludge.
Un altro noto processo, denominato dei FORNI INCENERITORI prevede di effettuare una parziale combustione dei rifiuti con parziale gassificazione in difetto d’aria; i prodotti gassosi (fumi) vengono poi inertizzati separatamente per decomposizione termica in eccesso d’aria e scaricati nell’atmosfera; i prodotti solidi (ceneri) vengono discaricati senza essere inertizzati. Another well-known process, called INCINERATING FURNACES, involves carrying out a partial combustion of the waste with partial gasification in the absence of air; the gaseous products (fumes) are then separately inerted by thermal decomposition in excess of air and discharged into the atmosphere; solid products (ashes) are discharged without being inerted.
Inconveniente di questo noto processo consiste nel fatto che esso scarica neU’ambiente prodotti solidi e gassosi e non produce sostanze commercializzabili. The drawback of this known process is that it discharges solid and gaseous products into the environment and does not produce marketable substances.
Un altro noto processo, denominato WRS (Waste Reclaim Loterios -“L’Indipendente” del 13 marzo 1996 pag. 28), prevede che la pirolisi avvenga in forma indiretta ad una temperatura di circa 500° C, che non vi sia gassificazione e che l’inertizzazione venga effettuata separatamente dalla pirolisi. Another well-known process, called WRS (Waste Reclaim Loterios - "L'Indipendente" of 13 March 1996 page 28), provides that pyrolysis takes place indirectly at a temperature of about 500 ° C, that there is no gasification and that inerting is carried out separately from pyrolysis.
Inconvenienti di questo processo consistono in un più basso rendimento dello scambio termico offerto dalla pirolisi indiretta rispetto alla pirolisi diretta; nella impossibilità di recuperare l’anidride carbonica sviluppata dalla combustione; nella necessità di impiegare un forte quantitativo dei prodotti di pirolisi come combustibili per ottenere il calore per la pirolisi stessa; nell'impossibilità, data la bassa temperatura di processo, di convertire eventuali composti aromatici, clorurati ed ossinici eventualmente presenti nei rifiuti; e nella possibilità che la pirolisi non sia omogenea, a causa delle dimensioni degli oggetti che costituscono i rifiuti, i quali non vengono triturati. Drawbacks of this process consist in a lower efficiency of the heat exchange offered by indirect pyrolysis compared to direct pyrolysis; in the impossibility of recovering the carbon dioxide developed by combustion; in the need to use a large quantity of pyrolysis products as fuels to obtain the heat for the pyrolysis itself; in the impossibility, given the low process temperature, to convert any aromatic, chlorinated and oxine compounds that may be present in the waste; and in the possibility that the pyrolysis is not homogeneous, due to the size of the objects that make up the waste, which are not shredded.
Un altro noto processo impiegato per il trattamento dei rifiuti di Art nellOregon - USA (“INF-INN”, n. 4, novembre 1996; “Energia, Ambiente, e Innovazione 1995, 8-9, 57) prevede di effettuare la pirolisi dei rifiuti a 310÷480 °C, di non effettuare la gassificazione, e di far avvenire l'inertizzazione separatamente dalla pirolisi. Another well-known process used for the treatment of Art waste in Oregon - USA ("INF-INN", n. 4, November 1996; "Energy, Environment, and Innovation 1995, 8-9, 57) provides for the pyrolysis of waste at 310 ÷ 480 ° C, not to carry out the gasification, and to make the inertization take place separately from the pyrolysis.
Gli inconvenienti di questo processo consistono in. problemi di emissione in atmosfera di piombo e mercurio e nell'impossibilità, data la bassa temperatura di pirolisi, di convertire eventuali composti aromatici, clorurati ed ossinici eventualmente presenti nei rifiuti. The drawbacks of this process consist in. problems of lead and mercury emissions into the atmosphere and the impossibility, given the low pyrolysis temperature, to convert any aromatic, chlorinated and oxine compounds that may be present in the waste.
Un altro noto processo, denominato processo DISMO I (EP-A2-0536468) prevede di operare ad alta temperatura (2200 °C) e ad alta pressione (100 bar), con gli inconvenienti di una scarsa durata è di alti costi dei materiali refrattari impiegati. Another well-known process, called DISMO I process (EP-A2-0536468) foresees to operate at high temperature (2200 ° C) and high pressure (100 bar), with the drawbacks of a short duration and high costs of refractory materials. employees.
Scopo dell’invenzione è di eliminare tutti gli inconvenienti congiuntamente o disgiuntamente riscontrabili nei noti processi di conversione chimica dei rifiuti, e di ottenere da rifiuti urbani e speciali, pericolosi e non pericolosi, composti organici e inorganici commercializzabili. The purpose of the invention is to eliminate all the drawbacks jointly or severally encountered in the known chemical conversion processes of waste, and to obtain marketable organic and inorganic compounds from urban and special, hazardous and non-hazardous waste.
Questo scopo ed altri che risulteranno dalla descrizione che segue sono raggiunti secondo l’invenzione con un processo di conversione termochimica di rifiuti urbani e speciali in composti chimici di base, caratterizzato dal fatto che, entro più ambienti termodinamici tra loro fisicamente interconnessi, si effettua sui rifiuti preventivamente additivati di sostanze inertizzanti: This object and others that will result from the following description are achieved according to the invention with a process of thermochemical conversion of urban and special waste into basic chemical compounds, characterized in that, within several thermodynamic environments physically interconnected, it is carried out on the wastes previously with additives of inerting substances:
- un’operazione di pirolisi a temperatura lentamente crescente a partire da 100°C fino a raggiungere almeno 700°C circa, - a pyrolysis operation at a slowly increasing temperature starting from 100 ° C until reaching at least 700 ° C approximately,
- un’operazione di gassificazione sui residui carboniosi provenienti dal precedente trattamento di pirolisi ad una temperatura compresa tra 700° e 1100°C circa, ad opera di ossigeno miscelato a vapor d’acqua e ad anidride carbonica, ottenendo idrogeno, ossido di carbonio ed anidride carbonica, che vengono utilizzati per condizionare il processo di pirolisi, - a gasification operation on the carbon residues deriving from the previous pyrolysis treatment at a temperature between 700 ° and 1100 ° C, by means of oxygen mixed with water vapor and carbon dioxide, obtaining hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, which are used to condition the pyrolysis process,
- un'operazione di inertizzazione dei composti di metalli pesanti, dei composti alogenati e dei composti aromatici ottenuti con i precedenti trattamenti di pirolisi e di gassificazione, sfruttando il calore sviluppantesi da detti trattamenti, le sostanze inertizzanti additivate e le sostanze stesse prodotte dal processo. - an inertization operation of heavy metal compounds, halogenated compounds and aromatic compounds obtained with the previous pyrolysis and gasification treatments, exploiting the heat developed by these treatments, the additive inerting substances and the substances themselves produced by the process.
La presente invenzione viene qui di seguito ulteriormente chiarita in due sue preferite forme di pratica realizzazione ed in una variante esecutiva riportate a scopo puramente esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle allegate tavole di disegni, in cui: The present invention is further clarified hereinafter in two of its preferred embodiments and in an executive variant reported for purely illustrative and non-limiting purposes, with reference to the attached drawing tables, in which:
la figura 1 mostra schematicamente un impianto per effettuare il processo secondo l’invenzione in una prima forma di realizzazione, Figure 1 schematically shows a plant for carrying out the process according to the invention in a first embodiment,
la figura 2 lo mostra secondo la sezione orizzontalell-ll di fig. 1 , Figure 2 shows it according to the horizontal section of fig. 1,
la figura 3 lo mostra secondo la stessa vista di fig. 1 in una variante esecutiva, figure 3 shows it according to the same view of fig. 1 in an executive variant,
la figura 4 lo mostra secondo la sezione orizzontale IV>-IV di fig. 3, e figure 4 shows it according to the horizontal section IV> -IV of fig. 3, and
la figura 5 lo mostra schematicamente in una differente forma di realizzazione. Figure 5 schematically shows it in a different embodiment.
Come si è detto il processo secondo l’invenzione effettua i trattamenti di pirolisi, gassificazione ed inertizzazione dei rifiuti urbani e speciali, pericolosi e non pericolosi, preceduti, per quanto riguarda i rifiuti solidi, da un pretrattamento atto a: As mentioned, the process according to the invention carries out the pyrolysis, gasification and inertization treatments of urban and special, hazardous and non-hazardous waste, preceded, as regards solid waste, by a pre-treatment suitable for:
- eliminare dai rifiuti parti metalliche e parti vetrose, - eliminate metal and glass parts from waste,
- ridurre la pezzatura dei rifiuti alle dimensioni di circa 1-3 cm, - reduce the size of the waste to about 1-3 cm,
- ridurre la quantità d’acqua presente nei rifiuti tramite evaporazione, e - additivare ai rifiuti le sostanze inertizzanti. - reduce the amount of water present in the waste through evaporation, and - add inerting substances to the waste.
Tale pretrattamento non viene effettuato sui rifiuti liquidi, che vengono direttamente immessi in processo. This pre-treatment is not carried out on liquid waste, which is directly introduced into the process.
La pirolisi viene effettuata secondo i criteri della distillazione secca del legno: lentamente ed in progressione di temperatura, cioè aumentando gradualmente la temperatura del materiale in fase di trattamento. Pyrolysis is carried out according to the criteria of dry distillation of wood: slowly and in temperature progression, i.e. gradually increasing the temperature of the material being treated.
In questo modo si possono prelevare più miscele di prodotti volatili di pirolisi, ciascun prelievo corrispondendo ad un preciso intervallo di temperatura. In this way, several mixtures of volatile pyrolysis products can be taken, each sampling corresponding to a precise temperature range.
La temperatura della pirolisi varia da circa 100°C (con dapprima l’evaporazione dell’umidità e successivamente la liberazione dell’acqua di composizione) a circa 700-800°C, in cui rimane praticamente solo un residuo carbonioso. The pyrolysis temperature varies from about 100 ° C (with first the evaporation of moisture and then the release of the water of composition) to about 700-800 ° C, in which practically only a carbon residue remains.
Le modalità della gassificazione, avvenendo nello stesso ambiente fisico in cui avviene la pirolisi, consentono di accentuare le naturali caratteristiche riducenti deM’ambiente di pirolisi. Inoltre vengono assolutamente evitati gli effetti “flash”, cioè le reazioni molto veloci con tempi di contatto rapidi tra i reagenti ed i prodotti di reazione. The methods of gasification, occurring in the same physical environment in which the pyrolysis takes place, allow to accentuate the natural reducing characteristics of the pyrolysis environment. Furthermore, “flash” effects are absolutely avoided, ie very fast reactions with rapid contact times between the reactants and the reaction products.
In questo modo possono avvenire tutte le reazioni, anche quella a cinetica molto lenta rispetto alla media delle altre reazioni di pirolisi, quali le saturazioni dei doppi legami, la riduzione dei legami ossinici e la decomposizione dei prodotti ossigenati con evoluzione di acqua, e anidride carbonica. Si ottengono quindi, soprattutto per ciò che riguarda gli oli ed i catrami, prodotti poveri di ossigeno di legame e scarsamente insaturi. In this way all the reactions can take place, even the one with very slow kinetics compared to the average of the other pyrolysis reactions, such as the saturation of the double bonds, the reduction of oxine bonds and the decomposition of oxygenated products with the evolution of water and carbon dioxide. . Therefore, especially as regards oils and tars, products poor in bonding oxygen and poorly unsaturated are obtained.
Il controllo della pirolisi viene quindi esercitato tramite i seguenti parametri: Pyrolysis control is then exercised through the following parameters:
- la temperatura, - the temperature,
- la cinetica della pirolisi, - the kinetics of pyrolysis,
- le pressioni parziali dei prodotti di reazione. - the partial pressures of the reaction products.
La temperatura è regolata agendo sulle temperature dei gas prod nella zona di gassificazione; la cinetica di pirolisi è regolata tramite i temp permanenza del materiale da trattare e tramite la regolazione delle condiz; di temperatura e pressione parziale dei composti ottenuti dalla pirolisi; le pressioni parziali sono regolate tramite il controllo dei flussi di allontanamento dei prodotti volatili di reazione. The temperature is regulated by acting on the temperatures of the gases produced in the gasification zone; the pyrolysis kinetics is regulated by the permanence time of the material to be treated and by the regulation of the conditions; temperature and partial pressure of the compounds obtained from pyrolysis; the partial pressures are regulated by controlling the flows for the removal of the volatile reaction products.
La gassificazione dei residui carboniosi provenienti dal precedente trattamento di pirolisi avviene ad una temperatura superiore a 700°C, ma inferiore a 1100°C ad opera di ossigeno gassoso miscelato a vapor d'acqua saturo e ad anidride carbonica gassosa. ; The gasification of the carbonaceous residues from the previous pyrolysis treatment takes place at a temperature above 700 ° C, but below 1100 ° C by gaseous oxygen mixed with saturated water vapor and gaseous carbon dioxide. ;
Tale ossigeno gassoso può essere costituito da ossigeno tecnico puro oppure da aria preferibilmente arricchita. This gaseous oxygen can be constituted by pure technical oxygen or by preferably enriched air.
Le principali reazioni che intervengono sono le seguenti: The main reactions that intervene are the following:
in cui C deve essere inteso come “residuo carbonioso”. where C must be understood as "carbon residue".
Le reazioni (1) e (2) sono normali reazioni di combustione; la reazione (2) viene però favorita rispetto alla reazione (1) con un opportuno controllo della temperatura tramite la regolazione delle reazioni (3) e (4), per contribuire, assieme ai prodotti di reazione delle medesime, ad accentuare il naturale ambiente riducente delle pirolisi. Reactions (1) and (2) are normal combustion reactions; however, reaction (2) is favored over reaction (1) with an appropriate temperature control through the regulation of reactions (3) and (4), to contribute, together with the reaction products of the same, to accentuate the natural reducing environment of pyrolysis.
Il calore prodotto dalle reazioni (1) e (2) consente di sviluppare la temperatura necessaria affinché avvengano le reazioni (3) (reazione di Boudouard) e (4). The heat produced by reactions (1) and (2) allows to develop the necessary temperature for reactions (3) (Boudouard reaction) and (4) to take place.
Il regime è quindi autotermico, perchè una parte dei rifiuti viene sfruttata per le sue caratteristiche di combustibile, atto a produrre il calore necessario e più che sufficiente per svolgere il processo. The regime is therefore autothermal, because a part of the waste is exploited for its characteristics as a fuel, capable of producing the necessary and more than sufficient heat to carry out the process.
Le reazioni (3) e (4) sono fortemente endotermiche; grazie a loro è quindi possibile Reactions (3) and (4) are strongly endothermic; thanks to them it is therefore possible
- controllare la temperatura di gassificazione (cioè le reazioni (1) e (2)), - control the gasification temperature (i.e. reactions (1) and (2)),
- controllare l'ambiente di pirolisi più o meno riducente, - control the pyrolysis environment more or less reducing,
- controllare le temperature del processo di pirolisi. - check the temperatures of the pyrolysis process.
Il controllo delle reazioni (3) e (4) avviene tramite la regolazione delle pressioni parziali dell’anidride carbonica e del vapore acqueo surriscaldato. Tale regolazione è attuata tramite il controllo dei flussi di anidride carbonica e vapore acqueo surriscaldato, flussi che possono essere fissati anche pari a zero, per uno dei due gas o per entrambi. The control of reactions (3) and (4) takes place through the regulation of the partial pressures of carbon dioxide and superheated water vapor. This regulation is implemented by controlling the flows of carbon dioxide and superheated water vapor, flows that can also be set to zero, for one of the two gases or for both.
Il controllo dell’equilibrio termico fra le reazioni (1) e (2) e le reazioni (3) e (4) consente quindi il controllo della temperatura di gassificazione, e quindi, tramite i gas da questa prodotti, anche il controllo delle pressioni parziali dei prodotti di pirolisi. The control of the thermal equilibrium between reactions (1) and (2) and reactions (3) and (4) therefore allows the control of the gasification temperature, and therefore, through the gases produced by this, also the control of the pressures. parts of the pyrolysis products.
Altre importanti reazioni di gassificazione sono le reazioni di formazione del metano: Other important gasification reactions are methane formation reactions:
Queste reazioni non disturbano l'ambiente di pirolisi, essendo il metano un gas riducente, ma sono favorite da temperature troppo basse (400-600°C), tali cioè da contrastare le reazioni (3) e (4) e da raffreddare l’ultimo stadio della pirolisi. Sono quindi per lo più evitate durante lo svolgimento del processo. These reactions do not disturb the pyrolysis environment, since methane is a reducing gas, but are favored by too low temperatures (400-600 ° C), that is, such as to counteract reactions (3) and (4) and to cool the last stage of pyrolysis. They are therefore mostly avoided during the process.
La gassificazione avviene in presenza di ossigeno tecnico puro o aria arricchita e non di aria per i seguenti motivi: Gasification takes place in the presence of pure technical oxygen or enriched air and not air for the following reasons:
- l’aria è composta per i 4/5 di azoto, il quale non interverrebbe in alcuna delle reazioni di processo, asportando invece la gran parte del calore prodotto dalla reazione di gassificazione e pirolisi, senza conversione dell’energia termica in energia chimica. Questa finalità della conversione dell’energia termica in energia chimica è invece scrupolosamente osservata nel processo secondo l’invenzione. Il calore asportato dall’azoto, essendo a bassa temperatura, risulterebbe anche difficilmente recuperabile come energia termica. Inoltre dovrebbe essere compensato con la combustione di maggiori quote di materiale, con conseguenti riduzioni del rendimento. Infine le dimensioni degli impianti industriali atti a svolgere il processo secondo l’invenzione, dovrebbero essere aumentate proporzionalmente alla quantità di gas inerti in essa introdotti. L'azoto dovrebbe anche essere separato dai prodotti volatili di gassificazione e pirolisi, comportando ulteriori costi di lavorazione; - the air is composed of 4/5 nitrogen, which would not intervene in any of the process reactions, instead removing most of the heat produced by the gasification and pyrolysis reaction, without converting thermal energy into chemical energy. This purpose of converting thermal energy into chemical energy is instead scrupulously observed in the process according to the invention. The heat removed from the nitrogen, being at a low temperature, would also be difficult to recover as thermal energy. Furthermore, it should be compensated for by burning larger quantities of material, with consequent reductions in efficiency. Finally, the size of the industrial plants suitable for carrying out the process according to the invention should be increased in proportion to the amount of inert gases introduced into it. Nitrogen should also be separated from volatile gasification and pyrolysis products, leading to additional processing costs;
- la pressione parziale dell’ossigeno di gassificazione è regolata dalla presenza dell’anidride carbonica e del vapore acqueo saturo che partecipano alle reazioni (3) e (4). L'impiego di aria escluderebbe quindi, a causa della forte concentrazione di azoto, l’impiego di anidride carbonica e di vapore acqueo saturo (uno dei fondamenti del processo secondo l’invenzione), dal momento che si ridurrebbe eccessivamente la pressione parziale dell’ossigeno con conseguente inibizione delle reazioni di gassificazione; - the partial pressure of gasification oxygen is regulated by the presence of carbon dioxide and saturated water vapor that participate in reactions (3) and (4). The use of air would therefore exclude, due to the high concentration of nitrogen, the use of carbon dioxide and saturated water vapor (one of the foundations of the process according to the invention), since the partial pressure of the oxygen with consequent inhibition of gasification reactions;
- l’ossigeno tecnico puro, prima di intervenire nella gassificazione, completa l’eliminazione di residui carboniosi eventualmente presenti nei prodotti solidi di pirolisi, secondo la reazione 1,. Questo procedimento è reso possibile anche dalla bassa velocità di tutte le reazioni, e da una precisa particolarità impiantistica. - pure technical oxygen, before intervening in gasification, completes the elimination of carbon residues that may be present in the solid pyrolysis products, according to reaction 1. This procedure is also made possible by the low speed of all the reactions, and by a precise plant peculiarity.
I rifiuti liquidi vengono preferibilmente iniettati direttamente nella zona di gassificazione o comunque in una zona ad elevata temperatura, allo scopo di evaporare l’acqua presente e di subire la pirolisi a quella temperatura. Liquid waste is preferably injected directly into the gasification area or in any case in a high temperature area, in order to evaporate the water present and undergo pyrolysis at that temperature.
Tutte le reazioni di pirolisi e di gassificazione avvengono in leggera sovrappressione, sufficiente soltanto a compensare le perdite di carico dei gas ed a permetterne quindi l'allontamento. Infatti, qualunque aumento di pressione inibisce, in accordo con le leggi sull’equilibrio chimico, le reazioni (3) e (4) e diminuisce la volatilità dei composti pesanti (oli), che pertanto tendono a permanere nell’ambiente di reazione, subendo un ulteriore cracking. All the pyrolysis and gasification reactions take place in slight overpressure, which is sufficient only to compensate for the pressure drops of the gases and therefore to allow their removal. In fact, any increase in pressure inhibits, in accordance with the laws on chemical equilibrium, reactions (3) and (4) and decreases the volatility of heavy compounds (oils), which therefore tend to remain in the reaction environment, undergoing a further cracking.
Il trattamento di inerì izzazione riguarda i composti provenienti dai precedenti trattamenti di pirolisi e di gassificazione, e cioè i composti di metalli pesanti, i composti alogenati ed i composti aromatici. The inertness treatment concerns the compounds deriving from the previous pyrolysis and gasification treatments, namely the heavy metal compounds, the halogenated compounds and the aromatic compounds.
L’inertizzazione dei metalli pesanti si attua additivando ai rifiuti polvere di materie ricche di silice pura o combinata, come silicato di calcio, silice, argilla, ecc.. The inertization of heavy metals is carried out by adding powder to the waste materials rich in pure or combined silica, such as calcium silicate, silica, clay, etc.
Viene sfruttata la caratteristica dei silicati di avere bassi punti di fusione, e quindi di potersi formare in fase liquida alla temperatura di gassificazione. Questo vale con l’eccezione del silicato di alluminio, che fonde oltre i 1800°C. Gli ossidi di alluminio non sono però in alcuna misura solubili in acqua e non sono pertanto soggetti a dispersione per dilavamento, né tanto meno a dispersione in atmosfera, dal momento che gli impianti, con cui il processo secondo l’invenzione viene realizzato, non scaricano alcun gas o polvere. The characteristic of silicates of having low melting points is exploited, and therefore of being able to form in the liquid phase at the gasification temperature. This applies with the exception of aluminum silicate, which melts above 1800 ° C. However, aluminum oxides are in no way soluble in water and are therefore not subject to dispersion by leaching, nor to dispersion in the atmosphere, since the plants, with which the process according to the invention is carried out, do not discharge no gas or dust.
La vetrificazione del residuo minerale viene evitata. Vitrification of the mineral residue is avoided.
L'inertizzazione dei composti alogenati viene realizzata additivando ai rifiuti carbonato di calcio o composti simili, quali il carbonato di sodio, od i prodotti solidi ottenuti dal processo, essendo questi ricchi di ossidi liberi. The inertization of halogenated compounds is achieved by adding calcium carbonate or similar compounds, such as sodium carbonate, or the solid products obtained from the process, to the waste, as these are rich in free oxides.
Alla temperatura iniziale del processo il carbonato di calcio reagisce con gli acidi alogendrici liberati negli stadi a temperatura più elevata, secondo la reazione: At the initial temperature of the process, calcium carbonate reacts with the halogendric acids released in the higher temperature stages, according to the reaction:
L’eccesso di carbonato di calcio permette che questa reazione avvenga su tutti i livelli di temperatura della pirolisi, fino al termine di questa, quando a circa 800°C il carbonato di calcio è decomposto completamente in ossido di calcio secondo la reazione: The excess of calcium carbonate allows this reaction to take place at all temperature levels of the pyrolysis, until the end of this, when at about 800 ° C the calcium carbonate is completely decomposed into calcium oxide according to the reaction:
A questo livello l'ossido di calcio reagisce con gli acidi alogendrici per salificarli secondo la reazione: At this level, the calcium oxide reacts with the halogendric acids to salify them according to the reaction:
Non esisono alogenuri di calcio, magnesio, sodio e potassio dannosi per l'ambiente. There are no calcium, magnesium, sodium and potassium halides harmful to the environment.
L’inertizzazione degli alogenuri alchilici e aromatici a più alto peso molecolare viene effettuata ad opera dell'ossido di calcio, in quanto essi si formano a temperature comparabili con quella in cui avviene la reazione (8). La reazione schematica di inertizzazione è dunque la seguente: The inertization of alkyl and aromatic halides with higher molecular weight is carried out by calcium oxide, as they are formed at temperatures comparable to that in which the reaction takes place (8). The schematic inertization reaction is therefore the following:
A loro volta i composti alogenati che così si formano, tendono a ritrovarsi come radicali piuttosto che come composti stabili, e ad essere inertizzati come tali. In turn, the halogenated compounds that are formed in this way tend to be found as radicals rather than as stable compounds, and to be inerted as such.
L’inertizzazione dei composti aromatici avviene in maniera differente, a seconda della natura di questi. E<1 >noto che i composti aromatici si formano fino a temperature di circa 700-800°C, pari alle massime temperature di pirolisi del processo secondo l’invenzione. A queste temperature inoltre corrisponde la formazione dei composti aromatici di maggior peso molecolare (areni a nuclei condensati e areni polinucleari) per condensazione dei composti aromatici più leggeri. The inertization of aromatic compounds occurs in a different way, depending on the nature of these. It is known that aromatic compounds are formed up to temperatures of about 700-800 ° C, equal to the maximum pyrolysis temperatures of the process according to the invention. Furthermore, these temperatures correspond to the formation of aromatic compounds of greater molecular weight (arenes with condensed nuclei and polynuclear arenes) by condensation of the lighter aromatic compounds.
Questa è però anche la temperatura di formazione della frazione più pesante della pirolisi, corrispondente alla formazione di catrami e oli pesanti: questa frazione non viene ulteriormente pirolizzata, ma prelevata come tale (come del resto avviene per tutte le altre frazioni). However, this is also the formation temperature of the heaviest fraction of pyrolysis, corresponding to the formation of tars and heavy oils: this fraction is not further pyrolyzed, but taken as such (as is the case for all the other fractions).
Risulta quindi evidente che i composti aromatici vengono in parte allontanati come- tali assieme agli oli pesanti ed ai catrami, ed in parte si trovano legati ad essi. It is therefore evident that the aromatic compounds are partly removed as such together with the heavy oils and tars, and are partly bound to them.
Nel primo caso l’inertizzazione avviene per inglobamento: l’alta viscosità degli oli e dei catrami, la bassa tensione di vapore dei composti aromatici simile a quella degli oli e dei catrami che li inglobano, il reciproco effetto solvente dovuto alla compatibilità chimica degli oli e dei catrami con i composti aromatici, impedisce la fuoriuscita di questi dalla massa. Nel secondo caso l’inertizzazione avviene per formazione di legami molecolari. In the first case the inertization occurs by incorporation: the high viscosity of the oils and tars, the low vapor pressure of the aromatic compounds similar to that of the oils and tars which incorporate them, the mutual solvent effect due to the chemical compatibility of the oils and tars with aromatic compounds, prevents these from escaping from the mass. In the second case, the inertization occurs through the formation of molecular bonds.
Da quanto detto risulta chiaramente che il processo secondo l’invenzione non è una successione di tre gruppi di reazioni (pirolisi, gassificazione, inertizzazione), ma una combinazione di tali gruppi di reazioni. Esso è infatti fondato sulla interazione di ciascuno di tali gruppi di reazioni con gli altri due, interazioni che avvengono come segue. From what has been said it is clear that the process according to the invention is not a succession of three groups of reactions (pyrolysis, gasification, inertization), but a combination of these groups of reactions. It is in fact based on the interaction of each of these groups of reactions with the other two, interactions that take place as follows.
Per loro natura le reazioni di pirolisi si svolgono in ambiente riducente, dal momento che proprio dalla pirolisi si sviluppano gas con queste caratteristiche: ossido di carbonio fino a circa 300°C (assieme ad un'abbondante quantità di anidride carbonica); idrogeno, metano, etilene ed ancora ossido di carbonio (anche se in misura minore) oltre i 300°C fino a circa 700°C. By their nature, pyrolysis reactions take place in a reducing environment, since gases with these characteristics develop from pyrolysis: carbon monoxide up to about 300 ° C (together with an abundant quantity of carbon dioxide); hydrogen, methane, ethylene and still carbon monoxide (albeit to a lesser extent) above 300 ° C up to about 700 ° C.
Nel processo secondo l'invenzione l’ambiente riducente è accentuato dalla presenza dei gas riducenti prodotti dalla gassificazione per controllare la capacità riducente dell'ambiente di pirolisi oltre che per favorire la produzione di idrogeno tale e quale e di prodotti scarsamente ossigenati e scarsamente insaturi. In the process according to the invention, the reducing environment is accentuated by the presence of reducing gases produced by gasification to control the reducing capacity of the pyrolysis environment as well as to favor the production of hydrogen as it is and of poorly oxygenated and poorly unsaturated products.
Inoltre, tramite le reazioni di gassificazione (3) e (4), in quanto endotermiche, vengono controllate le reazioni esotermiche di pirolisi, le quali si svolgono a temperature maggiori di 270°C: le reazioni (3) e (4) infatti, essendo endotermiche, per progredire si servono del calore delle reazioni di gassificazione (1) e (2) e del calore delle reazioni esotermiche di pirolisi. Furthermore, through the gasification reactions (3) and (4), as endothermic, the exothermic pyrolysis reactions are controlled, which take place at temperatures higher than 270 ° C: reactions (3) and (4) in fact, being endothermic, they use the heat of the gasification reactions (1) and (2) and the heat of the exothermic pyrolysis reactions to progress.
Il processo prevede quindi le seguenti zone entalpiche: The process therefore includes the following enthalpic zones:
- fino a 270 °C circa: reazioni di pirolisi endotermiche; - up to about 270 ° C: endothermic pyrolysis reactions;
- da 270°C circa a 700-800°C circa: reazioni di pirolisi esotermiche; - from about 270 ° C to about 700-800 ° C: exothermic pyrolysis reactions;
- oltre i 700-800°C circa: reazioni di gassificazione endotermiche ed esotermiche. - over about 700-800 ° C: endothermic and exothermic gasification reactions.
Le reazioni (3) e (4) regolano pertanto le reazioni (1) e (2) e le reazioni di pirolisi. Reactions (3) and (4) therefore regulate reactions (1) and (2) and pyrolysis reactions.
Controllando quindi l'equilibrio termico fra le reazioni (1), (2), (3) e (4) di gassificazione, è quindi possibile controllare anche la temperatura delle reazioni esotermiche di pirolisi. La regolazione di tali temperature avviene mediante la modulazione in entrata delle pressioni parziali dei tre gas ossigeno tecnico puro, anidride carbonica e vapore acqueo saturo. By controlling the thermal equilibrium between gasification reactions (1), (2), (3) and (4), it is therefore also possible to control the temperature of the exothermic pyrolysis reactions. The regulation of these temperatures takes place through the inlet modulation of the partial pressures of the three gases pure technical oxygen, carbon dioxide and saturated water vapor.
Questo controllo delle temperature è indispensabile per orientare il processo verso la produzione di determinati composti. This temperature control is essential to direct the process towards the production of certain compounds.
Inoltre è possibile controllare l’intero processo anche tramite il controllo delle pressioni parziali di tutte le frazioni volatili. Questo controllo si attua soprattutto favorendo, o impedendo, l’allontanamento di determinate frazioni rispetto ad altre; si attua anche regolando le pressioni parziali dei gas riducenti di gassificazione (ossido di carbonio e idrogeno) tramite le reazioni (3) e (4) della gassificazione. It is also possible to control the entire process also by controlling the partial pressures of all the volatile fractions. This control is carried out above all by favoring, or preventing, the removal of certain fractions from others; it is also implemented by regulating the partial pressures of the reducing gasification gases (carbon monoxide and hydrogen) through the gasification reactions (3) and (4).
La regolazione delle reazioni di gassificazione (3) e (4) e delle reazioni esotermiche di pirolisi, tramite le reazioni di gassificazione (1) e (2), è fondamentale per regolare l’andamento deU’inertizzazione. Infatti la temperatura di gassificazione non deve generalmente spingersi oltre i 1100°C, per evitare la vetrificazione del residuo solido del processo, costituito interamente da materiali inorganici; inoltre, le reazioni di inertizzazione possono avvenire soltanto alle temperature in cui si svolgono le reazioni di pirolisi e di gassificazione. The regulation of gasification reactions (3) and (4) and exothermic pyrolysis reactions, through the gasification reactions (1) and (2), is essential to regulate the inertization trend. In fact, the gasification temperature must generally not go beyond 1100 ° C, to avoid the vitrification of the solid residue of the process, made up entirely of inorganic materials; moreover, the inertization reactions can only take place at the temperatures in which the pyrolysis and gasification reactions take place.
Le reazioni di pirolisi, gassificazione, inertizzazione sono quindi combinate nel processo secondo l'invenzione in un preciso sistema che ha caratteristiche proprie rispetto alla pirolisi, alla gassificazione ed all’inertizzazione, considerate ciascuna a prescindere dalle altre. The reactions of pyrolysis, gasification, inertization are then combined in the process according to the invention in a precise system that has its own characteristics with respect to pyrolysis, gasification and inertization, each considered regardless of the others.
Da quanto detto risulta chiaramente che rispetto alla tecnica anteriore il processo secondo l’invenzione introduce numerosi vantaggi, ed in particolare: From what has been said it is clear that compared to the prior art the process according to the invention introduces numerous advantages, and in particular:
- la velocità della pirolisi, e quindi di tutte le reazioni di gassificazione e di inertizzazione, viene mantenuta bassa tramite il progressivo e controllato aumento della temperatura. Questo avviene al contrario dei processi finora elaborati, che operano a temperatura costante e con gradienti termici elevati. Nel processo secondo l’invenzione vengono quindi evitati i processi “flash”, che causano la presenza di composti troppo ossigenati ed insaturi nei prodotti della pirolisi; - the speed of pyrolysis, and therefore of all gasification and inertization reactions, is kept low by means of the progressive and controlled increase in temperature. This happens in contrast to the processes developed so far, which operate at a constant temperature and with high thermal gradients. In the process according to the invention, "flash" processes are therefore avoided, which cause the presence of too oxygenated and unsaturated compounds in the pyrolysis products;
- la pirolisi viene effettuata in progressione di temperatura, allo scopo di ottenere più miscele di prodotti (cioè una miscela per ogni arco di temperature), non un’unica miscela od un unico prodotto di pirolisi, come nei processi finora elaborati; - pyrolysis is carried out in temperature progression, in order to obtain multiple product mixtures (i.e. a mixture for each temperature range), not a single mixture or a single pyrolysis product, as in the processes developed so far;
- i prodotti che si ottengono sono i seguenti: idrogeno, ossido di carbonio, anidride carbonica (che in parte viene reimpiegata nel processo per effettuare la reazione di gassificazione (3)), metano, etene e tracce di altri idrocarburi leggeri gassosi; acido pirolegnoso, cioè una miscela acquosa di acido acetico, acetone, metanolo ed altri composti ossigenati leggeri; oli catramici; catrami; solidi mineralizzati; - the following products are obtained: hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide (which is partly reused in the process to carry out the gasification reaction (3)), methane, ethene and traces of other light gaseous hydrocarbons; pyroligneous acid, i.e. an aqueous mixture of acetic acid, acetone, methanol and other light oxygenated compounds; tar oils; tars; mineralized solids;
- l'inertizzazione avviene per addizione di silicati, carbonati inorganici ed inglobamento dei composti aromatici nei catrami e negli oli pesanti, viene effettuata alle corrispondenti temperature di pirolisi e per allontanamento dei composti aromatici assieme ai catrami ed agli oli pesanti, in essi legati od inglobati. I metalli pesanti si combinano coi silicati nella fase di gassificazione, senza vetrificare. Tutto questo permette di ottenere, a differenza dei noti processi, prodotti privi di caratteristiche inquinanti; - inertization takes place by addition of silicates, inorganic carbonates and incorporation of aromatic compounds in tars and heavy oils, is carried out at the corresponding pyrolysis temperatures and by removing the aromatic compounds together with tars and heavy oils, bound or incorporated in them . Heavy metals combine with silicates in the gasification phase, without vitrifying. All this allows to obtain, unlike the known processes, products without polluting characteristics;
- il residuo carbonioso viene interamente gassificato, e il residuo di questa operazione viene successivamente lavato ad alta temperatura (tale cioè da consentire le reazioni di combustione) con ossigeno tecnico puro non miscelato. A differenza degli altri processi non è quindi presente alcun residuo carbonioso, per sua natura inquinante; - the carbonaceous residue is completely gasified, and the residue from this operation is subsequently washed at a high temperature (i.e. such as to allow combustion reactions) with pure technical oxygen not mixed. Unlike the other processes, there is therefore no carbon residue, which due to its polluting nature;
si impiega una miscela gassificante composta da anidride carbonica, vapor d’acqua saturo, ossigeno tecnico puro; variando le pressioni parziali dei tre gas è possibile controllare la temperatura di gassificazione e quindi le temperature delle reazioni di pirolisi (cioè il gradiente termico dell’intero processo). A differenza degli altri processi, il gioco delle pressioni parziali dei tre gas permette quindi sia il controllo delle temperature, sia il controllo della componente riducente dell’ambiente di pirolisi; a gasifying mixture is used consisting of carbon dioxide, saturated water vapor, pure technical oxygen; by varying the partial pressures of the three gases, it is possible to control the gasification temperature and therefore the temperatures of the pyrolysis reactions (ie the thermal gradient of the entire process). Unlike the other processes, the interplay of the partial pressures of the three gases therefore allows both temperature control and control of the reducing component of the pyrolysis environment;
si impiega ossigeno tecnico puro anziché aria sostituendo i gas inerti, quali azoto, con anidride carbonica. A differenza degli altri processi si dispone quindi in questo modo di un gas (['anidride carbonica) a doppia funzione: di inerte per la diluizione dell’ossigeno (e quindi di controllo della pressione parziale di quest’ultimo) e di partecipazione alle reazioni di gassificazione (reazione di Boudouard); pure technical oxygen is used instead of air, replacing inert gases, such as nitrogen, with carbon dioxide. Unlike the other processes, therefore, a gas (carbon dioxide) with a double function is thus available: as an inert for the dilution of oxygen (and therefore to control the partial pressure of the latter) and to participate in the reactions gasification (Boudouard reaction);
viene evitata la vetrificazione del residuo solido, in quanto si opera a temperature inferiori a 1100°C. In questo modo, a differenza degli altri processi, grazie al tipo di inertizzazione, il residuo non contiene comunque composti inquinanti e non subisce indurimenti che ne ostacolino le operazioni di frantumazione. Si evitano inoltre i problemi connessi aH’incrostazione ed all’erosione delle apparecchiature da parte della massa vetrosa fusa; vitrification of the solid residue is avoided, as it operates at temperatures below 1100 ° C. In this way, unlike other processes, thanks to the type of inertization, the residue does not in any case contain polluting compounds and does not undergo hardening that hinders the crushing operations. Problems related to fouling and erosion of the equipment by the molten glass mass are also avoided;
a differenza degli altri processi si opera a temperature inferiori ai 1100°C; il surplus di energia termica viene trasformato in energia chimica (producendo soprattutto idrogeno e ossido di carbonio). E’ quindi possibile conseguire un notevole risparmio nelle spese di impianto, potendo impiegare materiali refrattari a basso costo. Inoltre è possibile disporre di prodotti chimici quali idrogeno ed ossido di carbonio, invece che di energia termica, che è la forma di energia al più alto livello entropico; unlike the other processes, it operates at temperatures below 1100 ° C; the surplus of thermal energy is transformed into chemical energy (producing mainly hydrogen and carbon monoxide). It is therefore possible to achieve considerable savings in plant costs, being able to use low-cost refractory materials. Furthermore, it is possible to have chemical products such as hydrogen and carbon monoxide, instead of thermal energy, which is the form of energy at the highest entropic level;
- l'assenza di azoto dovuta all'impiego di ossigeno invece che di aria, evita la diluizione dei prodotti di pirolosi in tale gas; ciò comporta, a differenza di altri processi, una riduzione delle dimensioni dell’impianto e dei costi di esercizio, oltre ad una notevole semplificazione degli impianti di separazione dei gas; - the absence of nitrogen due to the use of oxygen instead of air, avoids the dilution of pyrolysis products in this gas; this involves, unlike other processes, a reduction in the size of the plant and operating costs, as well as a significant simplification of the gas separation systems;
- a differenza degli altri processi si ha flessibilità di produzione, cioè è possibile orientare la produzione stessa verso quei prodotti della pirolisi e della gassificazione di maggior interesse, tramite il controllo delle rispettive temperature; - unlike the other processes there is production flexibility, that is, it is possible to direct the production itself towards those pyrolysis and gasification products of greatest interest, by controlling the respective temperatures;
- a differenza degli altri processi, il processo secondo l'invenzione offre due sistemi di impiego dei gas ottenuti: l'impiego di tali gas come prodoti chimici di base; oppure la combustione di tali gas, previa separazione dell’anidride carbonica, per la produzione di energia (ad esempio energia elettrica); - unlike the other processes, the process according to the invention offers two systems for using the gases obtained: the use of these gases as basic chemical products; or the combustion of these gases, after separation of carbon dioxide, for the production of energy (for example electricity);
- a differenza degli altri processi, tutti i prodotti ottenuti con il processo secondo l’invenzione sono commercializzabili; nessuno dei prodotti cioè deve essere smaltito o discaricato; - unlike other processes, all products obtained with the process according to the invention are marketable; that is, none of the products must be disposed of or landfilled;
- il regime del processo è autotermico. - the process regime is autothermal.
I prodotti ottenuti dal processo possono necessitare, a seconda dell'impiego cui sono destinati, di ulteriori lavorazioni chimiche, fisiche, e/o chimico-fisiche, quali le seguenti. The products obtained from the process may require, depending on the use for which they are intended, further chemical, physical, and / or chemical-physical processing, such as the following.
- Prodotti gassosi: desolforazione, compressione, separazione, miscelazione, stoccaggio, combustione, immissione in gasdotti. - Gaseous products: desulphurization, compression, separation, mixing, storage, combustion, entry into gas pipelines.
- Prodotti liquidi: desolforazione, distillazione, cracking, reforming, riduzione, ossidazione, miscelazione, stoccaggio, combustione, immissione in oleodotti. - Liquid products: desulphurization, distillation, cracking, reforming, reduction, oxidation, mixing, storage, combustion, introduction into oil pipelines.
- Prodotti solidi: lavaggio con o senza recupero delle sostanze dilavate, macinazione, sinterizzazione, separazione, miscelazione, stoccaggio, trasporto. - Solid products: washing with or without recovery of leached substances, grinding, sintering, separation, mixing, storage, transport.
- Tutti o parte dei prodotti: separazione e miscelazione fra i prodotti gassosi, liquidi, e solidi ottenuti dal processo o dalle successive lavorazioni, fra loro o con altri prodotti estranei al processo. - All or part of the products: separation and mixing between the gaseous, liquid and solid products obtained from the process or subsequent processing, with each other or with other products extraneous to the process.
Per attuare il processo ora descritto l’invenzione prevede tre differenti soluzioni impiantistiche, ed in particolare due relative ad un reattore monostadio (cfr. figg. 1-4) ed una relativa ad un reattore multistadio a letto fluido (cfr. fig. 5). To implement the process described above, the invention provides three different plant solutions, and in particular two relating to a single-stage reactor (see figs. 1-4) and one relating to a multistage fluidized bed reactor (see fig. 5) .
Con riferimento alle figg. 1 e 2 l'impianto comprende un reattore monostadio costituito da un cilindro verticale 1 alto da quattro a sei volte la larghezza. Esso è realizzato in materiale metallico con rivestimento interno in refrattario. With reference to figs. 1 and 2, the plant comprises a single-stage reactor consisting of a vertical cylinder 1 that is four to six times its width high. It is made of metallic material with an internal refractory lining.
Alla parte alta del reattore 1 fa capo un condotto di alimentazione 2 dei rifiuti solidi pretrattati, provvisto di tramoggia di caricamento 3. At the top of the reactor 1 there is a feed duct 2 for the pre-treated solid waste, equipped with a loading hopper 3.
Alla parte bassa del reattore 1 fa capo un iniettore 7 per i rifiuti liquidi da trattare. An injector 7 for the liquid waste to be treated leads to the lower part of the reactor 1.
All'interno del reattore 1 sono previsti opportuni diaframmi 4 e griglie 5 in acciaio, aventi forma semicircolare, sovrapposti tra loro ed inclinati verso il basso con un angolo pari all'angolo di attrito del materiale in trattamento. Inside the reactor 1 suitable diaphragms 4 and grids 5 in steel are provided, having a semicircular shape, superimposed on each other and inclined downwards with an angle equal to the friction angle of the material being treated.
I diaframmi 4 impediscono la compattazione del materiale causata dal suo stesso peso; ne favoriscono il rimescolamento, favorendo di conseguenza il contatto fra il materiale ed i gas caldi; permettono il prelievo dei prodotti di pirolisi attraverso prese laterali 6 opportunamente distribuite lungo l’altezza del reattore 1, sotto le griglie 5 ed i diaframmi 4. The diaphragms 4 prevent compaction of the material caused by its own weight; they favor its mixing, consequently favoring the contact between the material and the hot gases; allow the withdrawal of pyrolysis products through side inlets 6 suitably distributed along the height of the reactor 1, under the grids 5 and the diaphragms 4.
Le griglie 5 assolvono la medesima funzione dei diaframmi 4, sostenendo il materiale in trattamento, impedendone la compattazione e favorendone il rimescolamento. Esse inoltre ridistribuiscono nella massa i gas caldi, compresi i gas incondensabili reiniettati nel forno. The grids 5 perform the same function as the diaphragms 4, supporting the material being treated, preventing its compaction and favoring its mixing. They also redistribute hot gases in the mass, including non-condensable gases re-injected into the furnace.
In corrispondenza delle prese laterali 6 di prelievo dei gas e dei prodotti dì pirolisi sono previsti sistemi a labirinto od altri separatori, che impediscono il trascinamento di polveri e particelle di materiale. Labyrinth systems or other separators are provided in correspondence with the side outlets 6 for collecting the gases and pyrolysis products, which prevent the entrainment of dust and particles of material.
Dal fondo 8 del reattore 1 si prelevano, attraverso gli ordinari sistemi di estrazione, i prodotti solidi mineralizzati. From the bottom 8 of the reactor 1 the mineralized solid products are withdrawn through the ordinary extraction systems.
Alla base del reattore 1 si innestano in modo opportuno tre collettori 9 per l’ossigeno, 10 per l'anidride carbonica e 11 per il vapor d’acqua. Un quarto collettore 12 è inoltre previsto per l’azoto, usato come gas di lavaggio durante il fermo del reattore. E' anche possibile usare come collettore dell’azoto uno dei tre collettori 9, 10 o 11. At the base of reactor 1 three collectors 9 for oxygen, 10 for carbon dioxide and 11 for water vapor are inserted in an appropriate manner. A fourth manifold 12 is also provided for nitrogen, used as a purge gas during the shutdown of the reactor. It is also possible to use one of the three collectors 9, 10 or 11 as a nitrogen collector.
I gas iniettati dal fondo del reattore operano e controllano la gassificazione del materiale completamente pirolizzato; i gas caldi provenienti dalla zona di gassificazione ed i prodotti incondensabili surriscaldati e reiniettati nel reattore sostengono la fase di pirolisi. The gases injected from the bottom of the reactor operate and control the gasification of the completely pyrolyzed material; the hot gases coming from the gasification zone and the superheated non-condensable products re-injected into the reactor support the pyrolysis phase.
I gas ascendono lungo il reattore, all'interno del quale è mantenuta una temperatura variabile da circa 100°C nella parte alta, sino a 1100°C alla base, mentre la massa di rifiuti in trattamento discende lungo il reattore stesso, incontrando i gas in controcorrente. The gases ascend along the reactor, inside which a variable temperature is maintained from about 100 ° C in the upper part, up to 1100 ° C at the base, while the mass of waste being treated descends along the reactor itself, meeting the gases in countercurrent.
Il reattore 1 è provvisto di un albero coassiale 13, al quale sono fissati bracci 14 che, ruotando, impediscono l’eventuale formazione di ponti di materiale e facilitano la caduta del materiale stesso. The reactor 1 is equipped with a coaxial shaft 13, to which arms 14 are fixed which, by rotating, prevent the possible formation of material bridges and facilitate the fall of the material itself.
Il reattore illustrato nelle figure 3 e 4 costituisce una variante esecutiva del reattore già descritto e riporta gli stessi riferimenti numerici per le parti equivalenti. Esso differisce da questo per avere, al posto delle griglie e dei diaframmi semicircolari, piatti circolari orizzontali 15 alternativamente aperti in corrispondenza della zona centrale e della zona periferica per consentire che il materiale in trattamento, spinto da alette 16 applicate ai bracci 14, scenda verso il basso seguendo un percorso sostanzialmente a labirinto. The reactor illustrated in Figures 3 and 4 constitutes an executive variant of the reactor already described and bears the same numerical references for the equivalent parts. It differs from this in having, instead of the grids and semicircular diaphragms, horizontal circular plates 15 alternately open in correspondence with the central area and the peripheral area to allow the material being treated, pushed by fins 16 applied to the arms 14, to descend towards the bass following a substantially labyrinthine path.
Il reattore multistadio (cfr. fig. 5) è costituito da un sistema di corpi cilindrici 21, equilateri o allungati, costruttivamente simili tra loro ma non necessariamente uguali, in numero preferibilmente compreso tra quattro e otto, denominati "stadi”. The multistage reactor (see fig. 5) is made up of a system of cylindrical bodies 21, equilateral or elongated, constructively similar to each other but not necessarily the same, preferably in number between four and eight, called "stages".
Ciascuno stadio 21 viene caricato superiormente, tramite un opportuno dispositivo 22, con materiale solido proveniente dallo stadio precedente (il primo stadio è caricato con i rifiuti attraverso una tramoggia di ingresso 23; il materiale solido uscente da ciascuno stadio passa nello stadio successivo; dall’ultimo stadio fuoriescono le ceneri, in maniera analoga a come avviene nel fondo del reattore monostadio dei precedenti esempi. Each stage 21 is loaded from the top, by means of a suitable device 22, with solid material coming from the previous stage (the first stage is loaded with the waste through an inlet hopper 23; the solid material exiting from each stage passes into the next stage; in the last stage the ashes come out, in a similar way to how it happens in the bottom of the single-stage reactor of the previous examples.
I rifiuti liquidi vengono caricati in uno stadio 21 a temperatura elevata, attraverso un iniettore 29. Liquid waste is loaded into a high temperature stage 21, through an injector 29.
il materiale caricato viene mantenuto fluidizzato all’interno di ciascuno stadio tramite l'iniezione dei gas incondensabili surriscaldati prodotti da uno stadio 21 o tramite la miscela gassificante di ossigeno 24, anidride carbonica 25 e vapor d’acqua 26. I gas incondensabili sostengono la pirolisi, la miscela di gas gassificanti sostiene la gassificazione, come avviene nel reattore monostadio. the loaded material is kept fluidized inside each stage by the injection of the superheated non-condensable gases produced by a stage 21 or through the gasifying mixture of oxygen 24, carbon dioxide 25 and water vapor 26. The non-condensable gases support pyrolysis , the gasifying gas mixture supports gasification, as occurs in the single-stage reactor.
Ciascuno stadio 21 del reattore multistadio opera a temperatura uniforme in tutto il suo volume, data l’elevata turbolenza della massa fluidizzata, ma a temperatura superiore a quella dello stadio precedente ed inferiore a quella dello stadio successivo. Each stage 21 of the multistage reactor operates at uniform temperature throughout its volume, given the high turbulence of the fluidized mass, but at a temperature higher than that of the previous stage and lower than that of the next stage.
I gas di pirolisi e gassificazione vengono prelevati da ciascuno stadio attraverso un opportuno dispositivo secondo le consuete tecnologie dei sistemi a letto fluido (per esempio un ciclone 27 od un altro separatore situato all'interno del corpo cilindrico 21). Anche le frazioni solide vengono prelevate da ciascuno stadio attraverso tradizionali dispositivi separatori 28. La tecnologia è quindi analoga a quella degli ordinari reattori a letto fluido. The pyrolysis and gasification gases are taken from each stage through a suitable device according to the usual technologies of fluidized bed systems (for example a cyclone 27 or another separator located inside the cylindrical body 21). The solid fractions are also withdrawn from each stage through traditional separator devices 28. The technology is therefore similar to that of ordinary fluidized bed reactors.
Nell’ultimo stadio è iniettata la miscela gassificante di ossigeno, anidride carbonica e vapor d’acqua. Inoltre in almeno uno stadio ma preferibilmente in tutti gli stadi è previsto un iniettore 30 per l’azoto. In the last stage, the gasifying mixture of oxygen, carbon dioxide and water vapor is injected. Furthermore, an injector 30 for nitrogen is provided in at least one stage but preferably in all stages.
Ai fini del completo allontanamento delle tracce di sostanza organica e carbonio dalle ceneri e del recupero del calore residuo in esse contenuto, il materiale solido uscente dallo stadio principale di gassificazione viene passato in uno stadio ulteriore 21’, ove è posto in contatto con l’ossigeno tecnico puro. In order to completely remove the traces of organic substance and carbon from the ashes and to recover the residual heat contained in them, the solid material leaving the main gasification stage is passed into a further stage 21 ', where it is placed in contact with the pure technical oxygen.
Mentre da un punto di vista impiantistico la soluzione illustrata nella fig. 5 differisce dalle soluzioni illustrate nelle figg. 1-4, dal punto di vista del processo le tre soluzioni sono equivalenti: le zone di diversa e crescente temperatura, raccolte nel reattore monostadio in un unico apparecchio, sono separate in una sequenza di distinti apparecchi nel reattore multistadio. Vi è una corrispondenza precisa tra ciascuna sezione del reattore monostadio e ciascuno stadio del reattore multistadio a letto fluido. While from a plant engineering point of view the solution illustrated in fig. 5 differs from the solutions illustrated in figs. 1-4, from the point of view of the process the three solutions are equivalent: the zones of different and increasing temperature, collected in the single-stage reactor in a single device, are separated in a sequence of distinct devices in the multistage reactor. There is a precise correspondence between each section of the single stage reactor and each stage of the multistage fluidized bed reactor.
La presente invenzione è stata illustrata e descritta in due sue preferite forme di realizzazione ed in una variante esecutiva, ma si intende che altre varianti potranno ad esse in pratica apportarsi, senza peraltro uscire dall’ambito di protezione del presente brevetto per invenzione industriale. The present invention has been illustrated and described in two of its preferred embodiments and in an executive variant, but it is understood that other variants may in practice apply to them, without however departing from the scope of protection of this patent for industrial invention.
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