Le discariche, un metodo tradizionale di smaltimento dei rifiuti, sono stracolme. Questi siti occupano molto spazio e possono inquinare l'ambiente man mano che i rifiuti si decompongono. Nel 2009, l'Agenzia europea per l'ambiente ha pubblicato un rapporto che promuoveva la transizione dallo smaltimento in discarica ad alternative più sostenibili [1]. Una soluzione praticabile utilizza un processo di trattamento termico per bruciare i rifiuti e generare energia. Mentre l'incenerimento può ridurre i rifiuti in discarica e creare energia, è importante capire come funziona il processo di incenerimento dei rifiuti e quali passaggi sono necessari per gestirlo in modo sicuro e rispettoso dell'ambiente.
Innanzitutto, i rifiuti solidi urbani arrivano tramite camion e vengono immagazzinati per essere lavorati (Figura 1).
Successivamente, i rifiuti vengono introdotti in una fornace ad alta temperatura dove vengono bruciati. Il processo di combustione crea gas di combustione, una miscela di gas caldi e sottoprodotti, che devono essere accuratamente puliti prima di essere rilasciati.
Infine, il calore generato nella fornace svolge un ruolo fondamentale nella produzione di elettricità. Questo calore catturato crea vapore che aziona una turbina, generando infine energia.
Nel resto dell'articolo vengono esaminati i componenti più importanti dell'analisi dell'inceneritore dell'impianto di smaltimento rifiuti, con particolare attenzione al modo in cui gli analizzatori di processo vengono utilizzati per monitorare emissioni quali ammoniaca, solfati e metalli pesanti.
L'incenerimento è una strategia di gestione dei rifiuti che riduce i rifiuti solidi (ad esempio, le discariche) convertendo al contempo l'energia. Una proiezione dell'UNEP indica che la produzione di rifiuti solidi urbani aumenterà da 2,3 miliardi di tonnellate nel 2023 a 3,8 miliardi di tonnellate entro il 2050 [2]. Pertanto, garantire il funzionamento efficiente e conforme di tali impianti di incenerimento è fondamentale, ma può essere ottenuto attraverso un monitoraggio e una mitigazione meticolosi.
La tecnologia di incenerimento si è evoluta, offrendo diverse opzioni su misura per specifici tipi di rifiuti. Esistono vari tipi di inceneritori: inceneritori semplici, inceneritori a griglia fissa o mobile, inceneritori a forno rotante e inceneritori a letto fluido [3]. Ogni tipo possiede vantaggi unici in termini di capacità, efficienza e controllo delle emissioni.
In un impianto di incenerimento dei rifiuti, il viaggio inizia con la consegna dei rifiuti da parte di veicoli di raccolta (Figura 1). Un meccanismo di presa (Figura 2) solleva i rifiuti e li deposita in una fornace ad alta temperatura.
Qui avviene la combustione, che scompone i rifiuti e rilascia energia termica e gas di combustione, essenzialmente gas di scarico caldi contenenti sottoprodotti della combustione. È importante notare che questo calore del processo di combustione viene utilizzato per generare energia da vapore e per produrre elettricità nella centrale termoelettrica adiacente.
Durante l'incenerimento, vengono generati gas di combustione contenenti inquinanti come gas acidi, metalli pesanti e particolato (PM). Lo scrubber (Figura 3) funge da barriera, catturando questi inquinanti prima che raggiungano l'atmosfera.
I gas di combustione non vengono rilasciati direttamente nell'atmosfera. Invece, passano attraverso diverse fasi di controllo delle emissioni (ad esempio, scrubber e filtri) per rimuovere vari componenti indesiderati che non possono essere rilasciati nell'ambiente. Gli scrubber utilizzano acqua o soluzioni chimiche specifiche per catturare gli inquinanti tra cui PM, metalli pesanti e gas acidi.
Infine, le ceneri rimanenti dalla fornace e le acque reflue generate durante il processo di pulizia vengono sottoposte a rigorose analisi prima di essere scartate. Ciò garantisce che questi materiali vengano trattati correttamente e smaltiti in modo ecologicamente responsabile.
Queste strutture fanno più che smaltire materiali di scarto: utilizzano anche il calore prodotto per generare energia.
Il calore intenso della fornace viene utilizzato per far bollire l'acqua all'interno di un sistema di caldaie.
Il vapore ad alta pressione risultante aziona quindi una turbina.
La rotazione della turbina genera energia elettrica.
Gli impianti di incenerimento dei rifiuti offrono quindi un duplice vantaggio: significativa riduzione del volume dei rifiuti nelle discariche e generazione di energia.
Gli scrubber, essenzialmente le unità di controllo dell'inquinamento atmosferico all'interno del processo di incenerimento dei rifiuti in energia, svolgono un ruolo importante nel mantenimento dei livelli di emissioni intrappolando gli inquinanti nei liquidi (Figura 4) o in materiali secchi specializzati.
Gli scrubber riducono l'emissione di inquinanti come anidride solforosa (SO2), ossidi di azoto (NOx), metalli pesanti e PM. Ciò consente agli impianti di incenerimento dei rifiuti di rispettare le severe normative ambientali.
Neutralizzando i gas acidi, gli scrubber impediscono la formazione di pioggia acida, preservando la fertilità del suolo e gli ecosistemi acquatici nelle aree vicine all'inceneritore.
Gli scrubber contribuiscono positivamente alla salute pubblica riducendo il rilascio di sostanze pericolose che possono causare malattie respiratorie e altre complicazioni per la salute.
Le acque reflue non trattate (o sottotrattate) provenienti dagli impianti di incenerimento dei rifiuti minacciano l'ambiente e la salute pubblica. Un monitoraggio accurato garantisce che i vari effluenti soddisfino i requisiti delle normative sugli scarichi e non causino danni.
Gli analizzatori di processo aiutano a ridurre al minimo gli errori che possono verificarsi durante la raccolta dei campioni e l'analisi di laboratorio. Forniscono un quadro in tempo reale delle condizioni dell'impianto, consentendo regolazioni proattive per ottimizzare le prestazioni. Inoltre, gli analizzatori di processo online eliminano la necessità di movimentazione manuale di sostanze chimiche potenzialmente pericolose, migliorando la sicurezza per gli operatori e il personale dell'impianto.
Nonostante siano completamente automatizzati, gli analizzatori di processo online offrono una precisione di livello di laboratorio, garantendo dati affidabili per il processo decisionale critico.
Nella Tabella 1 sono elencati alcuni segmenti del processo di incenerimento dei rifiuti in cui è possibile installare gli analizzatori di processo online per scopi di monitoraggio. Metrohm Process Analytics offre una suite completa di soluzioni per il monitoraggio di parametri critici negli impianti di incenerimento dei rifiuti e negli impianti di produzione di energia. Questi sono descritti più dettagliatamente più avanti nell'articolo.
| Parameter | Analysis technique | |
|---|---|---|
| Flue gas / Furnace | Acids and heavy metals | VA / XRF |
| Calcium and sulfate | Titration | |
| Sulfate | Titration / Photometry | |
| Scrubber | Heavy metals | VA / XRF |
| Ammonia (NH3) in scrubber ash | ISE | |
| Sodium hydroxide, calcium carbonate, sulfate | Titration | |
| Cooling water | Sodium, ammonia (NH3) | Titration |
| Copper corrosion inhibitors | IC | |
| Heavy metals | VA | |
| Turbine | Flow Accelerated Corrosion (FAC) | IC / VA |
| Effluent for wastewater treatment plant (WWTP) | Zinc, cadmium, lead, mercury | VA |
| Manganese, iron (Fe2+/Fe3+), chromium (Cr6+), silica (Si4+) | Titration / Photometry | |
| Ammonium (NH4+) | ISE |
Quando dovresti scegliere l'analisi di processo rispetto alle tradizionali misurazioni di laboratorio? Leggi il nostro articolo del blog per sapere quali sono i fattori più importanti da considerare quando prendi questa decisione.
Analisi di laboratorio vs. analisi di processo: fattori chiave per un processo decisionale informato
L'analisi voltammetrica è una tecnica potente per quantificare i livelli di tracce di metalli pesanti nelle emissioni degli inceneritori. È necessario un metodo analitico sensibile poiché le normative ambientali per il rilascio di questi inquinanti sono solitamente nell'ordine di µg/L (parti per miliardo, ppb). Sfruttando i principi elettrochimici, la voltammetria offre elevata sensibilità e selettività, consentendo un rilevamento e una quantificazione precisi degli inquinanti.
La voltammetria funziona misurando la corrente elettrica prodotta da un campione quando è sottoposto a una tensione variabile. Ciò consente il rilevamento e la quantificazione di vari metalli disciolti, anioni e cationi in soluzione.
Nelle centrali elettriche e negli impianti di incenerimento, la voltammetria si rivela preziosa per:
Ottimizzazione dello scrubber. La VA aiuta a monitorare i metalli pesanti come piombo e cadmio all'interno dell'effluente dello scrubber, garantendo prestazioni ottimali dello scrubber e impedendo a questi contaminanti di raggiungere l'ambiente.
Application Note: Online analysis of cadmium in incineration plant wet gas scrubbers
Analisi dell'acqua di raffreddamento. I sistemi di raffreddamento sono soggetti a corrosione e contaminazione da metalli pesanti. La voltammetria facilita il rilevamento di questi inquinanti, consentendo misure preventive e salvaguardando l'integrità delle infrastrutture critiche (ad esempio, scambiatori di calore, torri di raffreddamento e turbine).
Efficacia del trattamento delle acque reflue. Gli effluenti delle centrali elettriche richiedono un trattamento adeguato prima del rilascio. La voltammetria aiuta a monitorare i metalli pesanti come zinco, cadmio, mercurio e piombo nel flusso delle acque reflue, garantendone un'efficiente rimozione e la conformità alle normative ambientali.
Tradizionalmente, la titolazione si basava sulla raccolta manuale dei campioni e sull'analisi in laboratorio, introducendo il potenziale di errore umano. La titolazione online (Figura 6) rivoluziona questo processo offrendo diversi vantaggi chiave come menzionato sopra.
La titolazione svolge un ruolo fondamentale in varie applicazioni all'interno di impianti di produzione di energia e di incenerimento dei rifiuti, come:
Protezione delle risorse. Il monitoraggio della concentrazione di ammoniaca (NH3) nell'acqua di raffreddamento salvaguarda tubi, caldaie e altre apparecchiature costose dalla corrosione.
Application Note: Ammonia in cooling water of thermal power plants
Combattere la corrosione. Misurare costantemente il «numero m» (alcalinità) dell'acqua di raffreddamento aiuta a prevenire la corrosione all'interno del sistema.
Application Note: Power generation: analysis of the m-number (alkalinity) in cooling water
Rilevamento precoce dei problemi. L'analisi ultratraccia di ferro e rame nell'acqua della centrale elettrica fornisce segnali di allarme precoci di potenziali problemi di corrosione.
Salute della caldaia. Il monitoraggio continuo dei livelli di silice nell'acqua di alimentazione della caldaia assicura il regolare funzionamento delle caldaie e previene costosi tempi di fermo.
Application Note: Online analysis of silica in boiler feed water of power plants
Per saperne di più sui principi della titolazione, leggi il nostro articolo del blog.
IC eccelle nella separazione e quantificazione degli ioni in campioni acquosi. Quando utilizzato in una capacità online nelle centrali elettriche, IC è ideale per monitorare i livelli di traccia di vari analiti, il che aiuta con:
Controllo della corrosione. I sistemi di raffreddamento dell'acqua sono sensibili alla corrosione, che può avere un impatto negativo sull'efficienza dell'impianto e sulla sicurezza del personale. Il monitoraggio della concentrazione di inibitori di corrosione del rame nell'acqua di raffreddamento online con la cromatografia ionica (Figura 7) consente una manutenzione proattiva e previene costosi danni alle apparecchiature.
Application Note: Online monitoring of copper corrosion inhibitors in cooling water
Ottimizzazione delle centrali elettriche. L'analisi di livelli anche minimi di ammine nel circuito acqua-vapore alcalino delle centrali elettriche aiuta a ottimizzare le prestazioni del sistema e a ridurre al minimo i potenziali problemi.
[1] Diverting waste from landfill - Effectiveness of waste-management policies in the European Union — European Environment Agency. https://www.eea.europa.eu/publications/diverting-waste-from-landfill-effectiveness-of-waste-management-policies-in-the-european-union (accessed 2024-05-01).
[2] Environment, U. N. Global Waste Management Outlook 2024. UNEP - UN Environment Programme. http://www.unep.org/resources/global-waste-management-outlook-2024 (accessed 2024-04-24).
[3] Incinerator - an overview | ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/incinerator (accessed 2024-04-23).
Brochure: Environmental Testing Industry I - Online Analyzers for Municipal Wastewater Analysis
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