POLITECNICO DI MILANO

166 pages
0 views
of 166
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Share
Description
POLITECNICO DI MILANO FACOLTÀ D INGEGNERIA CIVILE, AMBIENTALE E TERRITORIALE Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio STUDIO DI UN MODELLO PRESTAZIONALE PER IL TRATTAMENTO
Transcript
POLITECNICO DI MILANO FACOLTÀ D INGEGNERIA CIVILE, AMBIENTALE E TERRITORIALE Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio STUDIO DI UN MODELLO PRESTAZIONALE PER IL TRATTAMENTO MECCANICO-BIOLOGICO DEI RIFIUTI URBANI Relatore: Prof. Ing. Mario GROSSO Correlatore: Dott. Sergio SCOTTI Tesi di Laurea Magistrale di: Luca GRECO Matricola: ANNO ACCADEMICO 2013/2014 RINGRAZIAMENTI 29 Aprile Si conclude finalmente (finalmente??) questo cammino immenso. Guardando indietro sembra che sia iniziato ieri. Tanta voglia di iniziare l avventura senza avere idea di ciò che si sarebbe incontrato. È già finito. Sarà anche banale ma devo dire che un po, in realtà, mi dispiace. Questi anni mi lasciano davvero tanto, sotto ogni aspetto, ma soprattutto delle amicizie vere. Grazie a tutti i miei compagni di viaggio. Un primo, sentito, ringraziamento lo devo al Professor Mario Grosso per avermi dato l opportunità di lavorare a questo stimolante progetto e per la costante disponibilità mostratami in questi mesi concitati. Ringrazio il Dott. Sergio Scotti per gli infiniti insegnamenti, i consigli, il supporto e per avermi fatto sentire, assieme ai colleghi di ingegneria di A2A Ambiente, subito a mio agio in un ambiente per me così nuovo. Auguro a tutti un Sergio Scotti tra i colleghi di lavoro. Ringrazio Dario e i fratelli del green dowel. Se solo ci fossimo incontrati qualche anno prima... Grazie a tutti i miei amici di sempre. Credo che la frase guarda, in realtà avrei da studiare, ho un esame importante... non avrà più effetto. Come non ringraziare la famiglia, i miei genitori e mia sorella, che con il supporto morale, la normalità della vita quotidiana, le difficoltà e le gioie mi hanno accompagnato in questi lunghissimi, ma forse troppo brevi, 5 anni. Un grazie ai nonni, tutti. Ma soprattutto grazie al nonno Toto, Magister Latinarum litterarum et vitae in peculiari modo (lo so, di sicuro è scritto male). A suon di memento audere semper e fortiter in pelago mi ha sempre incoraggiato e sostenuto. Grazie infine ad Irene, il mio faro, che mi sopporta stoicamente dall inizio di questa avventura e che, con la sua forza ed il suo amore, mi permette di superare qualsiasi ostacolo. Luca INDICE DEI CONTENUTI SOMMARIO ABSTRACT PREFAZIONE INTRODUZIONE AL TEMA DEI RIFIUTI - La gestione in Europa e in Italia IL CONTESTO EUROPEO LA PRODUZIONE LA GESTIONE IL CONTESTO ITALIANO LA PRODUZIONE LA GESTIONE LE CRITICITA MBT - IL TRATTAMENTO MECCANICO BIOLOGICO IL RUOLO DEGLI IMPIANTI TMB NELLA GESTIONE INTEGRATA END OF WASTE - Il rifiuto come risorsa LA TECNOLOGIA DI FUNZIONAMENTO LA BIOESSICCAZIONE IL PROCESSO AEROBICO E LE DIPENDENZE DI PROCESSO IL PROCESSO DI ESSICCAZIONE BIOCUBI LA RAFFINAZIONE MECCANICA LA RIDUZIONE DIMENSIONALE LA SEPARAZIONE DEI FLUSSI LA COMPATTAZIONE NECESSITÀ DI SIMULAZIONE Possibili applicazioni del modello prestazionale IMPIANTI REALI IMPIANTI DA REALIZZARE 3 - MATERIALE E METODI LA BIOESSICCAZIONE INTRODUZIONE IL MODELLO FORMULAZIONE ASSEGNAZIONE DEI PARAMETRI IL MODELLO FORMULAZIONE ASSEGNAZIONE PARAMETRI SINTESI LA RAFFINAZIONE MECCANICA INTRODUZIONE IL MODELLO TARATURA DELLE COSTANTI CINETICHE E SCELTA DEL MODELLO DI BIOESSICCAZIONE CONCETTI PRELIMINARI METODOLOGIA FUNZIONAMENTO DEI MODELLI PROCEDURA DI CALIBRAZIONE DATI IN INGRESSO IL PROBLEMA DELLA RAPPRESENTATIVITÀ ADATTAMENTO DATI CARATTERIZZAZIONE DEL RIFIUTO CALCOLO COSTANTI CINETICHE MEDIE E CONFRONTO DEI RISULTATI VALUTAZIONE E SCELTA DEL MODELLO DI BIOESSICCAZIONE VALIDAZIONE DEI MODELLI - Impianto di Villafalletto CONSIDERAZIONI PRELIMINARI DESCRIZIONE DELL IMPIANTO DESCRIZIONE DEL PROCESSO SCARICO DEL MATERIALE DEPOSITO IN AREA DI FERMENTAZIONE, CONTROLLO DEL PROCESSO ED ESTRAZIONE MATERIALE 5.3.3 GESTIONE DEI PERCOLATI E DELLE ACQUE METEORICHE RAFFINAZIONE BIOESSICATO PRODUZIONE CSS PRESSATURA DEGLI SCARTI E CONFERIMENTO IN DISCARICA DATI IN INGRESSO LA BIOESSICCAZIONE ADATTAMENTO DATI RISULTATI LA RAFFINAZIONE MECCANICA ADEGUAMENTO DELLA MATRICE RFTF RISULTATI MODIFICHE CORRETTIVE ALLA MATRICE RFTF CONCLUSIONI LA BIOESSICCAZIONE LA RAFFINAZIONE MECCANICA ANALISI DI UNA METODICA PER LA RACCOLTA DATI - Villafalletto OBIETTIVO LA CAMPAGNA DI MISURA ORGANIZZAZIONE DEI CAMPIONAMENTI PREPARAZIONE DEL CAMPIONE RAPPRESENTATIVO RISULTATI SIMULAZIONE DELLA BIOESSICCAZIONE CON I PARAMETRI DI DEFAULT TARATURA DEI PARAMETRI UTILIZZANDO IL DATO MEDIO E VALIDAZIONE DEL MODELLO RISULTANTE CONCLUSIONI ALLEGATO A OUTPUT GRAFICI PRODOTTI DAL MODELLO ALLEGATO B TARATURA DEI MODELLI DI BIOESSICCAZIONE ALLEGATO C - CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI USCENTI DALL IMPIANTO DI VILLAFALLETTO ALLEGATO D - DESCRIZIONE DEL BIOESSICCATO DI VILLAFALLETTO ALLEGATO E - COMPOSIZIONI MERCEOLOGICHE DEI FLUSSI USCENTI DALL IMPIANTO DI VILLAFALLETTO ALLEGATO F - PROPRIETA COMPLESSIVE DI TUTTI I FLUSSI D IMPIANTO ALLEGATO G - INFLUENZA DELLA PARAMETRIZZAZIONE SULLE USCITE DEL MODELLO DI BIOESSICCAZIONE BIBLIOGRAFIA INDICE DELLE FIGURE Figura 1 - Gerarchia della gestione dei rifiuti solidi urbani secondo la Direttiva 2008/98/CE Figura 2 - Produzione pro capite di RU nell'ue ( ) [Elaborazioni ISPRA su dati EUROSTAT] Figura 3 - RU prodotti, SCFF e RU prodotti per unità di SCFF nell UE 27 (numeri indice base anno 2000) [Elaborazioni ISPRA su dati EUROSTAT] Figura 4 - Gestione dei rifiuti urbani negli Stati membri della UE, anno 2011 [Elaborazioni ISPRA su dati EUROSTAT] Figura 5 - Produzione pro capite di rifiuti urbani per macro area geografica, anni [ISPRA, 2013] Figura 6 - Gestione dei rifiuti urbani, anno 2011 [ISPRA, 2013] Figura 7 - Raccolta differenziata dei RU, anni [ISPRA, 2013] Figura 8 - RU smaltiti in discarica senza aver subito trattamenti di riduzione dei potenziali impatti. Anno 2011 [ISPRA, 2013] Figura 9 - Classificazione dei CSS secondo la Norma UNI EN 15359:2011 (D.Lgs 205/10). Su sfondo bianco i parametri che definiscono il CSS-Combustibile ai sensi del DM 22 del 14/02/ Figura 10 - Indicazioni di massima sulle emissioni di CO2 derivanti da analisi LCA di 4 possibili trattamenti del RU. In rosso, prima riga, le emissioni evitate rispetto alle condizioni standard; in nero le emissioni prodotte e infine le emissioni nette. [Grosso, 2012] Figura 11 - Schema di massima di un impianto TMB a flusso unico [Speranza, 2012] Figura 12 - Schema di massima di un impianto TMB a flussi separati. [Speranza, 2012] Figura 13 - Influenza della temperatura e del tempo di permanenza nell eliminazione degli agenti patogeni. [Polprasert, 2007] Figura 14 - Schematizzazione del processo di degradazione allo stato solido Figura 15 - Rappresentazione schematica del sistema trifasico attivo sul biofilm della particella di rifiuto [Adani et al, 2004]. La zona 1 rappresenta la fase gassosa, che funge da sorgente di ossigeno O 2 e da serbatoio di biossido di carbonio CO 2 e calore ΔH. L area 2 rappresenta la porzione aerobica in cui il substrato solubile S S viene ossidato in anidride carbonica, calore, acqua e nuova biomassa X. La regione 3 rappresenta infine la regione anaerobica, nella quale il substrato insolubile S i viene solubilizzato e reso disponibile per la degradazione aerobica Figura 16 - Esempio di legame tra temperatura del rifiuto e portata d'aria aspirata dai ventilatori. [Scotti, 2013c] Figura 17 - Efficienze di rimozione del biofiltro in impianti MBT. [Grosso, 2013] Figura 18 - Schematizzazione del processo BIOCUBI. [Scotti, 2013c] Figura 19 - Mulino a martelli con albero verticale [Grosso, 2013]. Presenta consumi elettrici elevati in ragione della velocità di rotazione. Permette di raggiungere pezzature ridotte ( 50mm) Figura 20 - Tranciatrice a cesoie [Grosso, 2013]. Il più delle volte utilizzato con funzione di lacerasacchi Figura 21 - Vaglio a tamburo [Grosso, 2013] Figura 22 - Vaglio a dischi [Grosso, 2013] Figura 23 - Vibrovaglio [Grosso, 2013] Figura 24 - Separatore aeraulico [Scotti, 2013c]. In questa configurazione il materiale viene investito da una corrente d aria che trascina il materiale leggero in una camera di espansione, nella quale avviene la successiva separazione. L aria di processo viene depolverata e reimmessa nel ciclo Figura 25 - Separatore gravimetrico a letto fluido [Grosso, 2013] Figura 26 - Sensori ottici NIR e VIS [Scotti, 2013c] Figura 27 - Rappresentazione concettuale delle possibili applicazioni del modello dell'impianto TMB a casi reali. a) Previsione della variazione dei flussi uscenti al variare del rifiuto alimentato. b) Variazione dei flussi uscenti in seguito a modifiche impiantistiche Figura 28 - Rappresentazione concettuale dell'applicazione del modello ad impianti non ancora realizzati Figura 29 - Andamento nel tempo degli indici DRI e ABP del rifiuto urbano sottoposto a trattamento aerobico [Scaglia et al, 2010]. I punti a, b e c rappresentano le grandezze medie corrispondenti a campioni soggetti a trattamento aerobico per intervalli di tempo differenti (0, 28 e 84 giorni rispettivamente) Figura 30 - Funzione correttiva, di derivazione empirica, della cinetica di degradazione k in base all umidità del materiale sottoposto a compostaggio [Smith, 1980 riportato da Mason, 2007] Figura 31 - Coefficiente correttivo β. La linea tratteggiata riporta il coefficiente y di Mason (2007) con valore di umidità ottimale pari al 60% (utilizzato dal MODELLO 2). La linea continua rappresenta il coefficiente correttivo β utilizzato nel MODELLO Figura 32 - Schematizzazione del bilancio energetico di un reattore di degradazione aerobica [Mason, 2007] Figura 33 - Schematizzazione del funzionamento del modello di simulazione del processo di bioessiccazione Figura 34 - Schermata d inserimento dati del MODELLO Figura 35 - Composizioni merceologiche medie dei rifiuti alimentati ai cinque impianti oggetto di studio Figura 36 - Errori medi di caratterizzazione del rifiuto per i 4 database. Le barre rappresentano la deviazione standard dell errore Figura 37 - Estratto da Rada et al (2007). Interessante l'andamento del PCI del bioessiccato (LHV biod), della massa totale di rifiuto (m MSW) e del contenuto energetico totale (LHV tot = m MSW * LHV biod) Figura 38 - Area di ricezione di Villafalletto Figura 39 - Biofiltro coperto di Villafalletto Figura 40 - Cassoni stoccaggio CSS Figura 41 - Linea di raffinazione di Villafalletto Figura 42 - Forno a tamburo rotante della cementeria Buzzi Unicem (Robilante, CN) Figura 43 - Pressa-lega scarti di Villafalletto Figura 44 - Discarica Villafalletto Figura 45 - Bilancio di massa del 2011 dell impianto di Villafalletto [Dati d archivio A2A Ambiente] Figura 46 - Ripartizione del contenuto d acqua tra le frazioni merceologiche del RUR. Ottenuta dall applicazione della parametrizzazione CEW Figura 47 - Ripartizione del contenuto calorico del RUR (CC=PCI*massa). Ottenuta dall applicazione della parametrizzazione CEW Figura 48 - Ripartizione del contenuto di ceneri del RUR. Ottenuta dall applicazione della parametrizzazione CEW Figura 49 - Ripartizione del contenuto di SV del RUR. Ottenuta dall applicazione della parametrizzazione CEW Figura 50 - Diagramma di flusso dell'impianto MBT di Villafalletto. Sono espresse le masse risultanti dal bilancio del 2011 [Dati d archivio A2A Ambiente] Figura 51 - Rappresentazione del funzionamento del separatore magnetico. x=efficienza estrazione ferro; y=tasso impurità estratte Figura 52 - Estrazione di un campione di RUR pre-triturato dalla vasca di pre carico Figura 53 - Fase di quartatura di un campione di RUR Figura 54 - Cernita manuale di un campione di RUR, eseguita su di un vaglio con fori di 20 mm Figura 55 - Errori percentuali di rappresentazione delle proprietà dei rifiuti bioessiccati estratti il 6, l 11 e il 13 Marzo Figura 56 - Stima del contenuto di AM dei due RUR analizzati. CEW: combinazione easewaste-wrate; EW: easewaste; WR: wrate; CV: Consonni, Viganò Figura 57 - Stima della perdita di peso, ottenuta dall applicazione del modello ai due RUR, caratterizzati con i quattro database. CEW: combinazione easewaste-wrate; EW: easewaste; WR: wrate; CV: Consonni, Viganò Figura 58 - Stima dell umidità del rifiuto bioessiccato, prodotta dall applicazione del modello ai due RUR, caratterizzati con i quattro database. CEW: combinazione easewaste-wrate; EW: easewaste; WR: wrate; CV: Consonni, Viganò Figura 59 - Stima del PCI del rifiuto bioessiccato, prodotta dall applicazione del modello ai due RUR, caratterizzati con i quattro database. CEW: combinazione easewaste-wrate; EW: easewaste; WR: wrate; CV: Consonni, Viganò INDICE DELLE TABELLE Tabella 1 - Sintesi dei tassi di degradazione organica reperiti in letteratura scientifica Tabella 2 - Esempio di applicazione del coefficiente β per 3 diversi valori di umidità iniziale (U) del rifiuto alimentato. I 3 esempi riportati si basano sul medesimo valore di k e di t. La p degradata indica la percentuale di AM degradata nell intervallo di tempo considerato. L ultima colonna riporta, al variare dell umidità iniziale, la variazione della AM degradata utilizzando l equazione 13 anziché la Tabella 3 - Composizioni chimiche tipiche di alcuni composti organici [Polprasert, 2007] Tabella 4 - Contenuto di massa attiva potenzialmente degradabile e cinetiche di degradazione delle categorie organico, verde e cellulosici (Komilis and Ham, 2000) estratte da Mason (2007) Tabella 5 - Sintesi dei parametri dei due modelli di bioessiccazione Tabella 6 - Matrice RFTF contenente i coefficienti di separazione delle principali tipologie di macchinari utilizzati negli impianti TMB [Caputo e Pelagagge, 2002] Tabella 7 - Risultati della validazione della matrice RFTF [Caputo, Pelagagge 2002] Tabella 8 - Esempio della variabilità caratteristica delle analisi merceologiche del rifiuto urbano. Impianto Hespin Wood [Elaborazione dati Shanks Cumbria, 2011] Tabella 9 - Composizioni merceologiche e proprietà complessive dei rifiuti alimentati agli impianti (input) e del prodotto bioessiccato (output). I dati di Villafalletto sono parziali e non riferiti all intero anno 2011 [Materiale d archivio A2A Ambiente, non pubblicato] Tabella 10 - Confronto tra le ceneri misurate sul rifiuto bioessiccato (Tabella 9, output) e quelle teoricamente contenute applicando l equazione 31 al dato sul rifiuto in ingresso agli impianti (Tabella 9, input) Tabella 11 - Elenco delle 14 frazioni merceologiche che descrivono il rifiuto all interno dei due modelli proposti Tabella 12 - Composizioni merceologiche medie dei rifiuti alimentati ai cinque impianti oggetto di studio, adattate ai modelli previsionali Tabella 13 - Caratterizzazione EASEWASTE [Riber et al, 2009]. I parametri della categoria fini sono stati estratti dal database Wrate Tabella 14 - Caratterizzazione WRATE Tabella 15 - Parametrizzazione utilizzata da Consonni e Viganò (2011) Tabella 16 - Caratterizzazione CEW Tabella 17 - Risultati complessivi ed errori risultanti dall'applicazione dei quattro database di caratterizzazione del RUR Tabella 18 - Valori medi e deviazioni standard delle costanti cinetiche risultanti da taratura, dei Solidi Volatili persi rispetto al rifiuto alimentato (VSL) e dell incremento percentuale del potere calorifico inferiore (ΔPCI) Tabella 19 - Stima degli errori medi commessi dai due modelli nella rappresentazione delle proprietà complessive dei bioessiccati Tabella 20 - Valori dei coefficienti r 14 risultanti dai dati disponibili (Tabella 9) Tabella 21 - Merceologica RUR e caratteristiche complessive RA [Dati d archivio A2A Ambiente] Tabella 22 - Composizione merceologica e macro proprietà del bioessiccato [Dati d archivio A2A Ambiente] Tabella 23 - Composizione merceologica del RUR alimentato all'impianto di Villafalletto nel 2011, adattata al modello di bioessiccazione Tabella 24 - Macro proprietà del RUR ottenute attraverso la parametrizzazione CEW Tabella 25 - Proprietà del bioessiccato ottenute con il modello di bioessiccazione (k default) Tabella 26 - Stima degli errori del modello nella rappresentazione delle caratteristiche del bioessiccato (k default). Gli errori sono stati calcolati attraverso l equazione: ε = differenza/misura*100. Ad errore negativo corrisponde una sottostima del dato di Tabella 22, ad errore positivo una sovrastima Tabella 27 - Proprietà del bioessiccato ottenute con il modello di bioessiccazione (k taratura). 140 Tabella 28 - Stima degli errori del modello nella rappresentazione delle caratteristiche del bioessiccato (k taratura). Gli errori sono stati calcolati attraverso l equazione: ε = differenza/misura*100. Ad errore negativo corrisponde una sottostima del dato di Tabella 22, ad errore positivo una sovrastima Tabella 29 - Proprietà complessive del rifiuto bioessiccato. Derivanti dalla correzione dell'umidità dell'uscita del modello di bioessiccazione (k taratura) Tabella 30 - Matrice RFTF adattata al modello prestazionale. M: frazione secca; U: frazione umida Tabella 31 - Macro proprietà degli scarti smaltiti in discarica. Risultati del modello, dati disponibili e calcolo errori di rappresentazione. Ad errore positivo corrisponde una sovrastima del dato, ad errore negativo una sottostima Tabella 32 - Macro proprietà del rottame ferroso inviato a recupero. Risultati del modello, dati disponibili e calcolo errori di rappresentazione. Ad errore positivo corrisponde una sovrastima del dato, ad errore negativo una sottostima Tabella 33 - Macro proprietà del rottame non ferroso inviato a recupero. Risultati del modello, dati disponibili e calcolo errori di rappresentazione. Ad errore positivo corrisponde una sovrastima del dato, ad errore negativo una sottostima Tabella 34 - Macro proprietà del combustibile prodotto. Risultati del modello, dati disponibili e calcolo errori di rappresentazione. Ad errore positivo corrisponde una sovrastima del dato, ad errore negativo una sottostima Tabella 35 - Fattori di recupero del Vaglio 20 mm, ricavati dalla media dei coefficienti del vaglio grossolano e fine di Tabella Tabella 36 - Macro proprietà degli scarti smaltiti in discarica. Risultati del modello in seguito alle correzioni apportate alla descrizione del vaglio e dei separatori magnetici Tabella 37 - Macro proprietà del rottame ferroso inviato a recupero. Risultati del modello in seguito alle correzioni apportate alla descrizione del vaglio e dei separatori magnetici Tabella 38 - Macro proprietà del rottame non ferroso inviato a recupero. Risultati del modello in seguito alle correzioni apportate alla descrizione del vaglio e dei separatori magnetici Tabella 39 - Macro proprietà del CSS prodotto. Risultati del modello in seguito alle correzioni apportate alla descrizione del vaglio e dei separatori magnetici Tabella 40 - Risultati delle analisi condotte sui 6 campioni di RUR (C1-C6). µ e σ indicano la media e la deviazione standard delle aliquote merceologiche e delle proprietà delle coppie di campioni e del totale Tabella 41 - Risultati delle analisi condotte sui 6 campioni di BIOESSICCATO (C7-C12). µ e σ indicano la media e la deviazione standard delle aliquote merceologiche e delle proprietà delle coppie di campioni e del totale Tabella 42 - Simulazione della bioessiccazione effettuata con k = 0,0686 d -1. Sono rappresentate le informazioni utilizzate come input del modello, le uscite risultanti e gli errori commessi, sia per i tre rifiuti giornalieri che per il rifiuto medio. Gli errori sono stati ricavati da un confronto tra le uscite del modello e i dati disponibili: ε = (outputdato)/dato* Tabella 43 - Dati utilizzati per la taratura dei parametri del modello. I dati input modello sono stati ricavati dall applicazione del database CEW al rifiuto medio, in seguito corretto con la media delle umidità misurate Tabella 44 - Valori misurati, output del modello ed errori commessi nella rappresentazione delle caratteristiche del bioessiccato. Gli errori sono stati calcolati attraverso l equazione: ε = (output_modello - dato)/dato*100. Ad errore negativo corrisponde una sottostima del dato di Tabella 43, ad errore positivo una sovrastima Tabella 45 - Parametri utilizzati dal mode
Related Search
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks