Università degli Studi di Lecce
Dipartimento di Ingegneria dell'Innovazione 
Università degli Studi di Lecce 
 


RICERCA

ANALISI DI UN IMPIANTO DI INCENERIMENTO DEI RIFIUTI CON TECNOLOGIA AL PLASMA

Introduzione

Le torce al plasma sono state ampliamente utilizzate sia nelle ricerche scientifiche che in molti processi tecnologici. In particolare, i processi di trattamento basati sulla chimica del plasma sono stati utilizzati in processi ad alta efficienza come il cracking termico e la combustione dei rifiuti pericolosi [1][2]. Nei processi di termodistruzione (incenerimento, gasificazione e pirolisi) dei rifiuti le temperatura di processo nei forni tradizionali è di circa 1500 K. Temperatura non sufficiente per una completa distruzione dei rifiuti pericolosi. Usando la tecnologia del plasma, invece, la temperatura media della massa in prossimità della regione di reazione è di circa 4000-5000 K [3]. In questo modo i legami chimici presenti nella massa del rifiuto sono degradati dalla condizione di riduzione od ossidazione determinata dal plasma ad alta temperatura.

Sono stati condotti diversi studi sulle applicazioni delle torce al plasma nei processi di termodistruzione dei rifiuti. In particolare, Donaldson et al. hanno largamente approfondito le problematiche ingegneristiche dei processi di distruzione dei rifiuti pericolosi e radioattivi e di quelli pericolosi [2][4]. I processi al plasma presentano diversi vantaggi: piccoli reattori e necessità di piccoli equipaggiamenti, basso investimento iniziale, trasportabilità, prodotti finali del processo altamente stabili, velocità di accensione e spegnimento, costo dei processi competitivo per i rifiuti misti.

Un ulteriore contributo è quello dato nel lavoro di Tzeng et al. dove è stato affrontato lo studio di un reattore al plasma per il trattamento di rifiuti radioattivi [5]. I rifiuti, generalmente, richiedono un pretrattamento per la separazione delle parti combustibili, delle parti non combustibili e dei metalli. Con la polvere che, a seconda dei casi, può essere miscelata al cemento ed immagazzinata in container. I non combustibili sono spesso compattati o direttamente convertiti in una matrice solida. I metalli sono fusi e colati in blocchi ed, eventualmente, recuperati. Tutti questi processi presentano anche alcuni svantaggi: (1) tipi diversi di rifiuto devono essere separati tra loro, manipolati e trattati separatamente in impianti differenti, (2) la riduzione dei volumi ed il processo di vetrificazione non è ottenibile in un solo passaggio.


Sistema al plasma per l'incenerimento e la vetrificazione

Il sistema completo per l'incenerimento dei rifiuti con un processo al plasma è mostrato in fig. 1. Nella stessa si possono individuare la camera di combustione primaria (PRC) e la camera di combustione secondaria (SCC). Entrambe sono riscaldate mediante l'utilizzo di due torce al plasma fino alla loro temperatura media operativa di circa 1650°C e 1350°C, rispettivamente. Dopo il raggiungimento delle temperature di esercizio il rifiuto è introdotto dall'alto tramite una tramoggia di carico.




Nella camera di combustione primaria il rifiuto viene pirolizzato in piccole molecole organiche che vengono successivamente trasportate lungo il canale di collegamento tra la camera PRC e la camere SCC dove completano la loro ossidazione con un eccesso di aria. Il tempo di permanenza delle molecole organiche nella seconda camera di combustione è di circa 1 secondo. I non combustibili non separati precedentemente come, ad esempio, Fe2O3, Al2O3, SiO2, CaO, vengono espulsi dal basso della camera PRC sotto forma di colata. In alcuni impianti per mantenere la colata sufficientemente fluida si utilizza una seconda torcia lungo il percorso della colata al fine di mantenere la temperatura media al di sopra dei 1600°C. L'alta temperatura dei gas uscenti dalla camera secondaria viene abbattuta nel quencher spruzzando una soluzione di NaOH. Lo scrubber di collisione provvede a separare la maggior parte delle polveri e dei gas acidi. Nella torretta successiva i gas acidi vengono eliminati. Piccoli successivi trattamenti precedono la successiva immissione nell'atmosfera. L'intero sistema viene mantenuto ad una pressione di circa 25-125 mm di colonna d'acqua.


Torcia al Plasma

La torcia al plasma ad alta potenza è l'elemento essenziale della tecnologia al plasma. La INER-100NT è una torcia che utilizza come elemento riscaldante un arco elettrico di tipo Linde ([6][7]) che consiste di due elettrodi raffreddati ad acqua ed un generatore di flusso con effetto swirl. La potenza di uscita della torcia può essere incrementata intervenendo sulla corrente dell'arco e sulla portata di gas. Le caratteristiche della torcia di tipo INER-100NT sono illustrate in tab. 1.





Struttura del Forno

In fig. 3 è mostrato lo schema di massima dell'impianto. Il rivestimento esterno del forno è fatto da lamiere di acciaio di spessore 8 mm e tutte le superfici sono raffreddate ad acqua. L'interno del forno è costruito con mattoni resistenti al fuoco a base di allumina (fino a 1800°C), uno strato successivo di mattoni isolanti resistenti fino a 1400°C ed un ulteriore strato esterno di lamine in fibra di vetro con uno spessore di circa 2.5 cm. Il volume interno è di circa 0.13 m3 per la camera PRC e circa 0.18 m3 per la camera SCC. Un tunnel con sezione di 0.0192 m2 consente il passaggio dalla camera PRC alla camera SCC.


Tab. 1 - Proprietà della torcia al plasma
PROPRIETA' VALORE
Potenza elettrica 20-120 kW
Corrente di arco max 200 A
Voltaggio max 600 V
Portata di aria 100-700 sl/min
Efficienza di conversione dell'energia 87%
Temperatura media dei gas riscaldati 5000-6000 K
Entalpia dei gas riscaldati 6-10MJ/kg
Vita media catodo/anodo 150-500 h







Modello Teorico

L'analisi è consistita nella costruzione di un modello teorico di un impianto di incenerimento basato sulla tecnologia del plasma. Le simulazioni numeriche sono state condotte con il codice termofluidodinamico FLUENT 6.1.18, mentre la griglia è stata costruita utilizzando il grigliatore GAMBIT 2.0.4 utilizzando un modello di calcolo 3-D. Le griglie sono state costruite con elementi tetraedrici ed esaedrici.

Griglia

Clicca per ingrandireNella costruzione del modello teorico si è valutato il processo all'interno delle camere primaria e secondaria al fine di concentrare l'analisi sull'interazione tra il rifiuto ed il plasma. Si noti come la torcia nella camera PRC è inclinata di circa 30° verso il basso, mentre nella camera SCC la torcia è orizzontale, centrata rispetto allo sbocco del tunnel nella camera stessa.





Analisi Numerica

Il solver è di tipo 3D stazionario. Per l'analisi numerica sono stati attivati i principali modelli di scambio termico, in particolare si è valutato opportunamente il modello di scambio termico radiativo più idoneo. Sono stati presi in considerazione gli spessori delle pareti, i coefficienti di scambio termico convettivo e le caratteristiche dei materiali utilizzati per la costruzione delle pareti del forno. Sono stati attivati i modelli per l'analisi della turbolenza ed, in particolare, si sono costruiti i primi modelli per l'analisi delle reazioni che avvengono tra il plasma ed il rifiuto. Per il rifiuto si sono presi dei valori medi del rifiuto di tipo urbano.

Clicca per ingrandireIn tab. 2 sono illustrate le distribuzioni di temperatura all'interno delle camere di combustione su differenti sezioni spaziate tra loro di 5 cm.








Clicca per ingrandire In tab. 3 sono riportate le distribuzioni di pressione e di velocità nella sezione intermedia, equivale a dire nella sezione passante per gli assi delle torce.









    Bibliografia

  • [1] Polak LS.Plasma usage in chemical processes,vol.255. Moscow:Mir Publishers,p.1970.

  • [2] Donaldson AD,et al.A review of plasma destruction of hazardous mixed waste,HTD.Heat Transfer Thermal Plasma Process ASME 1991;161:41 -51.

  • [3] Hrabovsky M,Monarad M,et al.Process and properties of electric arc stabilized by water vortec.IEEE Trans Plasma Sci 1997;25(5.).

  • [4] Eddy TL,Parker DW,Donaldson AD,Reimann GA. Plasma destruction of hazardous mixed waste,1990 IEEE International Conference on Plasma Science, 1990. p.199 (IEEE Conference Record-Abstracts).

  • [5] Tzeng CC, Kuo YK, Huang TF, Lin DL, Yu YJ. Treatment of radioactive wastes by plasma incineration and vetrification for final disposal, Journal of Hazardous Materials 58 (1998), pp. 207-220.

  • [6] R.C. Eschenbach, Method for heating gases, US Patent 3,294,952, December 1996.

  • [7] W. Benrong, C. Duran, M. Chunzhi, The development of multi-megawatt long segmented arc heater in BIA, Proceedings of the International Workshop on Plasma Jets in the Development of New Materials Technology, 3-9 September, 1990, Frunze, USSR, pp. 511-514.





 

 
 
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