Ci sono nanopolveri nel cemento che meritano seria attenzione. Ho trovato sul web questa ricerca e ve la giro. Aspetto i vostri commenti.
VALORIZZAZIONE DELLE CENERI PROVENIENTI
DAGLI IMPIANTI DI COMBUSTIONE A CARBONE
G. Belz, P. Caramuscio
ENEL Produzione Ricerca
Sommario
Le ceneri di carbone rappresentano il particolato solido raccolto dai sistemi
di depolverazione dei fumi di combustione nelle centrali termoelettriche che
utilizzano il precedente combustibile solido. Esse sono costituite da
particelle di dimensione micronica, forma sferoidale e struttura amorfa,
risultanti dalla fusione in caldaia e successiva ricondensazione lungo il
percorso fumi della frazione inerte silico-alluminosa presente nel polverino
di carbone utilizzato per la generazione di vapore.
Le ceneri di carbone, la cui produzione in Italia è di circa 1 Mt/a e sfiora in
Europa i 40 Mt/a, rappresentano oggi un valido sottoprodotto del processo
di generazione elettrica. Secondo modalità specificate da precisi standard
tecnici e nel rispetto della normativa sul riutilizzo dei rifiuti non pericolosi,
esse vengono infatti riutilizzate nel settore delle costruzioni per la
produzione di cementi di miscela e di calcestruzzi, dove svolgono il ruolo di
aggiunta pozzolanica e di filler, migliorando le caratteristiche di resistenza e
di durabilità agli agenti atmosferici dei prodotti finali.
L'opportunità di riutilizzare interamente questo "rifiuto", valorizzandolo
sempre più anche dal punto di vista economico, e la contemporanea
esigenza di rispettare a tal fine stringenti specifiche di controllo qualità,
stanno spingendo sempre più le modalità di gestione delle ceneri verso
quelle tipiche di un "prodotto". Prescrizioni per il controllo dei parametri di
processo, sistemi di misura on-line delle principali caratteristiche fisicochimiche
delle ceneri e post-trattamenti di beneficiation sono infatti soluzioni
sempre più frequentemente adottate al fine di garantire la qualità di questo
materiale, promuovendo inoltre una intensa attività di ricerca e sviluppo ed
aprendo anche il campo ad interessanti iniziative industriali.
1. Le caratteristiche delle ceneri di carbone
Le ceneri sono il prodotto di trasformazione delle impurità minerali
(principalmente quarzo, feldspati, argille, pirite, calcite, carbonati, solfati)
presenti nel polverino di carbone a seguito della sua combustione in
caldaia. Di natura essenzialmente, silico-alluminosa, le ceneri fondono
durante il processo termico ad alta temperatura (1400-1500°C) ed una
frazione principale di esse, le ceneri leggere, viene trascinata dai fumi
progressivamente più freddi, ricondensando sotto forma di piccole particelle
sferoidali. Queste vengono successivamente captate dagli elettrofiltri per la
depolverazione dei fumi ed estratte dalle sottostanti tramogge di accumulo
per via pneumatica, raccogliendosi in forma secca nei sili di stoccaggio
finali.
Il contenuto medio di ceneri nei carboni per la generazione termoelettrica è
di circa il 13% in peso, corrispondente ad una produzione di ceneri
stimabile, per un tipico gruppo termoelettrico da 660 MW, in 20-25 t/h di
ceneri "leggere" o "volanti", alle quali si aggiunge una frazione minore (pari
al 10-15% dell'inerte di partenza), denominata ceneri "pesanti" poiché
fondendo cade direttamente sul fondo della caldaia.
Figura 1 – Ceneri leggere di
carbone osservate al
microscopio elettronico
In Figura 1 è riportata la
fotografia al microscopio elettronico
a scansione di una cenere
leggera.
La dimensione delle particelle è
generalmente compresa tra 1 e
100 mm e prevalentementeinferiore a 40 mm, paragonandosi
quindi a quella di un cemento.
In Figura 2 è riportata una tipica
distribuzione granulometrica di
una cenere leggera determinata
mediante granulometro laser.
Figura 2 – Distribuzione
granulometrica di un
campione tipico di ceneri
leggere di carbone
La massa volumica reale delle ceneri leggere oscilla tra 2100 e 2400 kg/m3,
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10 100 1000
Diametro particelle (um)
Distribuzione volumetrica
cumulata (%)
mentre quella apparente è generalmente compresa tra 600 e 800 kg/m3.
La loro composizione chimica, di cui in Tabella 1 vengono riportati gli
intervalli di variazione dei principali elementi costitutivi, è assimilabile a
quella di una pozzolana naturale, cui le ceneri sono paragonabili anche dal
punto di vista microstrutturale, essendo costituite per più del 70% da
particelle di natura amorfa o vetrosa prodotte dal brusco raffreddamento del
materiale che ne ha impedito la riorganizzazione del reticolo cristallino.
Tabella 1 – Contenuto percentuale dei principali elementi
nelle ceneri e confronto con le pozzolane naturali
Elemento
Componente
Ceneri da
Carbone
Sudafricano
Ceneri da
Carbone
Americano
Pozzolana
Romana
Pozzolana
Napoletana
Si 16,0¸20,9 19,0¸22,9 21¸22 25¸31
Al 14,8¸18,5 12,4¸16,8 8¸12 9¸16
Fe 1,5¸3,8 1,7¸8,7 4¸8 3¸4
Ca 1,1¸6,5 0,7¸4,2 6¸7 2¸3
Mg 0,3¸1,1 0,1¸1,0 0,5¸2 0,5¸1
S 0,2¸0,4 0,2¸1,1 – –
K 0,4¸0,9 0,5¸2,2 1¸2,5 2,5¸7
Na 0,1¸0,4 0,1¸0,7 0,6¸0,8 1,2¸3,2
Ti 0,6¸1,0 0,6¸1,0 – –
P 0,2¸1,0 0,1¸0,6 – –
Incombusti 5¸8 5¸8 – –
2. La produzione e le destinazioni attuali delle ceneri di carbone
Nell’Unione Europea sono stati prodotti nel 2000 circa 60 Mt di sottoprodotti
del ciclo termoelettrico di combustione del carbone, rappresentati
principalmente da ceneri leggere (66%, pari a 39 Mt), ceneri pesanti (10%)
e gessi da desolforazione (18%). Il quantitativo di ceneri leggere di carbone
prodotto in Italia è risultato pari a circa 1 Mt, rispetto ai 12 Mt della
Germania, ai 10 della Grecia, ai 7 della Spagna ed ai 4 Mt della Gran
Bretagna che rappresentano i principali paesi produttori in Europa.
In base alle statistiche elaborate a livello Europeo dall'ECOBA (European
Coal Combustion Products Association) le ceneri leggere prodotte sono
state utilizzate principalmente nel settore edile e in quello geotecnico (46%)
e per il recupero ambientale di aree degradate (43%), quali cave e miniere
a cielo aperto, come riportato nella successiva Figura 3. Della restante
parte, il 6% è risultato stoccato temporaneamente presso i produttori e solo
il 5% è stato destinato a discarica per rifiuti.
Le principali destinazioni di riutilizzo delle ceneri, riportate in Figura 4, sono
l’industria delle costruzioni (farina di clinker, cementi di miscela, calcestruzzi
e, in minor misura, blocchi espansi, laterizi), ma anche il settore geotecnico,
soprattutto per la realizzazione di rilevati strutturali e sottofondazioni
stradali.
Le ceneri prodotte in Italia sono quasi interamente destinate al riutilizzo,
principalmente (per oltre il 90%) nella produzione di cementi e calcestruzzi,
materiali nei quali le ceneri leggere trovano la loro massima valorizzazione
tecnica ed economica.
Figura 3 – Destinazioni delle ceneri
leggere in Europa nell'anno 2000
(totale 39 Mt)
Figura 4 – Utilizzi delle ceneri leggere
come materia prima per le costruzioni
in Europa nell'anno 2000 (18 Mt)
3. Il quadro legislativo sull'utilizzo delle ceneri di carbone
In base al Decreto Ronchi (DLgs n° 22 del 05/02/97) ed alla classificazione
definita dal Catalogo Europeo dei Rifiuti, recentemente aggiornato dalla
Direttiva n° 102 del 9 aprile 2002 (s.o. G.U. n° 108 del 10/05/02), le ceneri
di carbone sono identificate dal codice CER 10 01 02 e classificate come
rifiuto speciale non pericoloso.
In base al Decreto Ministeriale 05/02/98 che individua le attività di recupero
agevolate cui destinare i rifiuti non pericolosi, le ceneri da carbone possono
essere reimpiegate nei seguenti settori produttivi: a) cementi, calcestruzzi e
manufatti prefabbricati; b) laterizi; c) aggregati artificiali.
L'impiego delle ceneri nelle miscele cementizie, data l'importanza del ruolo
da esso rivestito in Italia, sarà analizzato in maggior dettaglio nei successivi
paragrafi della presente comunicazione.
stoccaggio
temporaneo
(6%)
recuperi
ambientali
(43%)
discarica
(5%)
settore
costruzioni
(46%)
farina di
clinker
(24%)
strade
(22%)
altri
(4%) calcestruzzi
(39%)
cementi di
miscela
(11%)
Riguardo all’utilizzo delle ceneri leggere nella produzione di laterizi in argilla
cotta, esso rappresenta una pratica industriale consolidata, sebbene
economicamente non molto interessante per il mercato delle ceneri e
pertanto sempre meno diffusa anche in Italia. Nei laterizi, la cenere leggera
viene utilizzata in aggiunta all’argilla in tenori del 15-30% in peso, in
sostituzione della sabbia o della chamotte (laterizio di scarto macinato) per
contrastare il normale ritiro delle argille all’essiccazione ed alla cottura,
dando stabilità dimensionale al prodotto finito (mattoni e blocchi estrusi o
stampati). Inoltre, il tenore di carbone incombusto presente nelle ceneri (5-
8%) contribuisce al fabbisogno energetico del ciclo produttivo.
A partire dalle ceneri è infine possibile produrre aggregati artificiali
alleggeriti attraverso un trattamento di agglomerazione su piatto o tamburo
rotante con aggiunta di acqua (25% in peso) e successiva sinterizzazione
termica a 1200°C. La sinterizzazione, innescata da un bruciatore esterno e
successivamente alimentata dal carbone residuo nelle ceneri, genera una
fase liquida capace di saldare le une alle altre le particelle di cenere,
formando una matrice vetrosa, porosa e resistente. Il processo di cottura
può essere eseguito adottando forni a tamburo rotante o a griglia mobile.
Gli inerti artificiali ottenibili presentano densità in mucchio di circa 850 kg/m3
e resistenze allo schiacciamento in mucchio di 80 kg/cm2 e possono essere
utilizzati in sostituzione degli aggregati naturali o dell’argilla espansa per la
produzione di calcestruzzi, sia gettati in opera che sotto forma di manufatti
prefabbricati, per applicazioni strutturali o con funzione di isolamento termoacustico.
In Italia non esistono attualmente impianti di produzione di aggregati
artificiali leggeri a base di ceneri di carbone.
4. Benefici e modalità di impiego delle ceneri nelle miscele cementizie
Nelle miscele cementizie le ceneri leggere possono essere utilizzate:
– come materia prima per la produzione di clinker di Portland in
sostituzione dell’argilla (questo rappresenta un impiego a ridotto valore
economico ma privo di specifici requisiti di controllo qualità sulle ceneri);
– come aggiunta al clinker per la produzione di cementi di miscela, in
accordo alle prescrizione della UNI EN 197/1;
– come materia prima per il confezionamento di calcestruzzi, in aggiunta
o parziale sostituzione del cemento, secondo le modalità descritte nella
UNI EN 206 e in accordo alle prescrizione della UNI EN 450.
In entrambe queste ultime due applicazioni, certamente le più valide da un
punto di vista tecnico ed economico, le ceneri leggere di carbone agiscono
principalmente come pozzolane artificiali.
Esse sono infatti capaci di reagire chimicamente a temperatura ambiente
con l’idrossido di calcio liberato dall’idratazione del cemento Portland,
dando origine a silico-alluminati idrati di calcio, simili a quelli prodotti dalla
reazione del cemento stesso.
Tutti i calcestruzzi prodotti con solo cemento di Portland generano infatti un
eccesso di calce idrata (Ca(OH)2) che rappresenta un componente di
indebolimento per il calcestruzzo poiché poroso, chimicamente vulnerabile
agli acidi e all’anidride carbonica e solubile nelle acque solfatiche.
L’adozione di un materiale pozzolanico come le ceneri, capace di reagire
con la calce fissandola in prodotti di reazione stabili e ad elevata idraulicità,
consente quindi di ottenere il molteplice risultato di migliorare la resistenza
del calcestruzzo e di renderlo meno permeabile e più resistente agli attacchi
chimici.
Le ceneri leggere utilizzate ad integrazione del cemento Portland possono
quindi essere impiegate sia da parte del produttore di cemento, con
l’ottenimento di cementi di miscela, sia da parte del produttore di
calcestruzzo, che confeziona quest’ultimo adottando direttamente le ceneri
come materia prima, al fianco di cemento, acqua ed aggregati.
L’elevata finezza e la forma sferoidale delle particelle di cenere leggera
migliorano inoltre molte proprietà del calcestruzzo fresco, quali la
lavorabilità e la pompabilità, consentendo di adottare più bassi rapporti di
miscela acqua/cemento, ottenendo miscele più omogenee, prive di difetti
dovuti al riempimento del cassero, e che non danno origine a fenomeni di
segregazione dell'acqua di impasto (bleeding). L'effetto filler delle ceneri
contribuisce a migliorare ulteriormente anche le proprietà finali del
calcestruzzo indurito, che risulta essere più resistente ed impermeabile.
Nel caso in cui le ceneri leggere utilizzate sostituiscano parte del cemento,
si nota nel getto un più lento sviluppo delle resistenze alle basse
stagionature (3-10 gg) a causa della loro reazione ritardata con la calce,
raggiungendo comunque le medesime resistenze finali (a 28 e 90 giorni).
Tale comportamento può talvolta rappresentare un inconveniente
(facilmente risolvibile dosando opportunamente gli additivi regolatori di
presa normalmente utilizzati), ma costituisce spesso un vantaggio, come
nel caso di getti massivi. In essi infatti l'adozione delle ceneri consente di
ridurre i forti gradienti termici conseguenti ai processi esotermici di
idratazione del cemento ed alla bassa conducibilità termica propria del
calcestruzzo, eliminando il pericolo di fessurazioni e cedimenti conseguenti
alle tensioni interne generate dalla dilatazione differenziale fra le zone
interne ed esterne del getto.
5. La normativa tecnica sull'utilizzo delle ceneri leggere per la
produzione di cementi di miscela e calcestruzzi
L'utilizzo delle ceneri di carbone per la produzione di cementi di miscela e
calcestruzzi è regolamentato da precisi standard tecnici, emessi a livello
europeo (CEN) e successivamente recepiti a livello nazionale (UNI). Essi
sono:
UNI – EN 197-1 "Cemento – Composizione, specificazioni e criteri di
conformità" (2001);
UNI – EN 206-1 "Calcestruzzo – Specificazione, prestazione, produzione e
conformità" (2001).
UNI – EN 450 "Ceneri volanti per calcestruzzi – Definizioni, requisiti e
controllo di qualità" (1995);
La norma UNI EN 197-1 classifica i tipi di cemento ed i loro possibili
intervalli di composizione, definisce i loro requisiti chimico-fisici e le classi di
resistenza, indicando inoltre i criteri per il loro controllo di qualità.
Fra i materiali di aggiunta consentiti per l’ottenimento di cementi compositi,
le ceneri leggere di carbone di natura “silicea” sono utilizzabili nella
formulazione del cemento Portland alle ceneri (tipo II-V), del cementoPortland composito (tipo II-M) e del cemento pozzolanico (tipo V), con
percentuali in peso che vanno dal 6 al 55%.
Le ceneri, ai fini del loro utilizzo, devono rispondere a precisi controlli di
qualità che prevedono un contenuto di carbone incombusto, misurato come
perdita al fuoco, £ 5% in peso e contenuti in peso di CaO reattiva £ 10%, di
CaO libera £ 2,5%, di SiO2 reattiva ³ 25%. Ceneri con incombusti fino al 7%
possono essere utilizzate per la produzione di cementi di miscela, purché
vengano accertate le caratteristiche di qualità del calcestruzzo finale.
Le modalità di applicazione dei precedenti controlli sono specificate dalla
norma UNI EN 197-2:2001 "Cemento – Valutazione della conformità", che
prescrive anche le modalità per l'acquisizione del Marchio CE di prodotto da
parte della cementeria. Il recente DM del 22.01.2002 (G.U. 06.03.2002 n°
55) ha riconosciuto l'ICITE (Istituto centrale per l'industrializzazione e la
tecnologia edilizia) quale organismo abilitato ad emettere la certificazione
CE di conformità per i cementi comuni.
La norma UNI EN 206 – 1 prescrive i requisiti tecnici per il calcestruzzo
(materiali costituenti, composizione, proprietà e verifiche di produzione,
trasporto, posa in opera e maturazione). Esso distingue i calcestruzzi in
base alle classi di esposizione ambientale cui saranno soggetti in esercizio
(ambiente secco o umido, con gelo, marino, chimicamente aggressivo, ecc.)
e per ciascuna classe prescrive un contenuto minimo di cemento ed un
rapporto massimo acqua/cemento al fine di garantire la durabilità del
manufatto finale agli agenti atmosferici.
La precedente norma consente l’utilizzo per la produzioni di calcestruzzi di
ceneri conformi ai requisiti prescritti dalla UNI-EN 450, di seguito descritta,
introducendo per esse un fattore di equivalenza “k” rispetto al cemento. In
base al concetto di fattore di equivalenza, il tenore minimo di “legante”
prescritto per la qualità del calcestruzzo in funzione delle sue diverse
destinazioni d'uso risulta pari a “[cemento] + k × [cenere]”.
I valori di k per le ceneri sono 0,2 se esse vengono utilizzate al fianco di un
cemento Portland di classe 32,5 e 0,4 se abbinate ad un cemento Portland
di classe 42,5 o superiore. Il tenore massimo di cemento sostituibile Dc è
comunque indicato dalla relazione:
Dc £ k (cmin – 200) [kg/m3]
essendo cmin il tenore minimo di legante prescritto dallo standard. Il rapportocenere/cemento
£ 0,33 limita infine il tenore massimo di cenere consentito
in qualità di aggiunta attiva (pozzolanica).
La norma UNI EN 450 indica i requisiti chimico-fisici e le modalità per il
controllo statistico della qualità delle ceneri leggere utilizzate come aggiunta
pozzolanica per la produzione di calcestruzzi conformi alla precedente
norma UNI EN 206.
I requisiti prescritti dalla UNI EN 450 sono sinteticamente riportati in Tabella
2. Le principali caratteristiche chimiche richiamate sono la perdita al fuoco
ed il tenore di cloruri, solfati e calce libera. Le proprietà fisiche da controllare
sono invece la finezza, l’indice di attività pozzolanica, la stabilità
dimensionale nelle malte e la densità.
Caratteristiche
chimico-fisiche
Requisito di
accettazione
Procedura di
prova
Frequenza
di controllo
Perdita al fuoco (%) £ 5.0 / 7.0(1) EN 196-2 giornaliera
Cloruri (Cl-) (%) £ 0.10 EN 196-21 mensile
Solfati (SO3) (%) £ 3.0 EN 196-2 mensile
Calce libera (%) £ 1.0
£ 2.5(2)
EN 451-1 settimanale
Stabilità Le Chatelier (mm)
(CaOlib=1¸2.5%)
£ 10.0
EN 196-3 settimanale, se
necessaria
Finezza (%) (trattenuto a 45 mm) £ 40.0 giornaliera
Uniformità di finezza (%) Valore medio ± 5.0
EN 451-2
giornaliera
Indice di attività pozzolanica
(%)
³ 75.0 a 28 gg
³ 85.0 a 90 gg
EN 450
EN 196-1 bisettimanale
Densità (Kg/m 3) valore medio
± 150
UNI 8529/13
EN 196-6
mensile
(1) il limite del 7% può essere accettato su base nazionale.
(2) limite ammesso se soddisfatta la prova di stabilità Le Chatelier
Tabella 2 – Controllo qualità delle ceneri leggere secondo la UNI EN 450
Ciascun limite è relativo al valore caratteristico del corrispondente
parametro in relazione al periodo di campionamento considerato. Esso è
pari al suo valore medio aumentato o diminuito di una fattore "K × s", a
seconda che si tratti rispettivamente di un limite massimo o minimo. K è un
fattore moltiplicativo funzione della numerosità dei campioni analizzati
(diminuisce all'aumentare del numero di campioni passando da 2,45 per 10
campioni a 1,45 per più di 200 campioni), mentre s è lo scarto quadratico
medio della distribuzione di valori misurati.
In base a quanto previsto dalla norma, i precedenti controlli devono essere
svolti dal produttore delle ceneri leggere di carbone o da società esterne
dedicate al loro stoccaggio o trattamento o distribuzione e vendita. La
gestione delle ceneri come "prodotto" ha infatti sempre più promosso la
nascita di società specializzate nelle loro valorizzazione e commercializzazione.
Si tratta, generalmente, di società emanate dalle stesse
compagnie elettriche, singolarmente o in maniera associativa, e finalizzate
a promuovere l’impiego e l’immagine dei sottoprodotti della combustione
termoelettrica. Tali società tendono a garantire le condizioni tecniche
necessarie alla ottimale riutilizzazione delle ceneri (qualità costante del
prodotto nel tempo, disponibilità costante durante l’anno, consegne regolari)
attraverso la realizzazione di impianti di stoccaggio, controllo qualità,
miscelazione, eventuale trattamento e distribuzione.
La loro nascita è stata, in genere, conseguenza di una sempre più
stringente richiesta di qualità da parte dei mercato dei riutilizzatori, che,
d'altra parte, ha elevato il valore merceologico delle ceneri fino al 30-50%
del valore del cemento.
Fra queste società, considerando il solo panorama europeo, la Surchiste
(che commercializza le cenere della Charbonnages de France e parte di
quelle EDF) e la SPI (Societe de Promotion Industrielle, controllata dalla
Ciments Lafarge, che commercializza ceneri EDF) in Francia, la BVK
(Associazione Federale per i Prodotti delle Centrali Termiche) in Germania,
la Vliegasunie (Dutch Fly Ash Corporation) in l’Olanda, l'Asociacion
Espanola de Comercializatores y Distribuidores de Cenizas Volantes in
Spagna, la National Ash (gruppo Innogy plc) e la Ash Resources Ltd in
Inghilterra e la Scot Ash limited (gruppo Scottish Power) in Scozia.
6. Tecnologie di beneficiation per migliorare la qualità delle ceneri
La risposta delle ceneri di carbone ai precedenti controlli di qualità è
generalmente positiva, con l'unica ma frequente eccezione rappresentata
dal tenore di carbone incombusto (determinato mediante la misura della
perdita in peso del campione secco trattato a 950°C per 1 ora). Le particelle
di carbone incombusto sono indesiderate, oltre che per la loro colorazione
scura che può dare origine ad effetti cromatici nei getti faccia a vista, a
causa della loro natura fragile ed altamente igroscopica. Esse si presentano
infatti caratterizzate, come evidenziato nella seguente Figura 5, da una
struttura spugnosa, idraulicamente inerte, strutturalmente debole ma
soprattutto capace di sottrarre alla miscela cementizia significativi tenori di
acqua di impasto e di additivi organici, fra i quali soprattutto gli agenti
aeranti utilizzati per il confezionamento di calcestruzzi resistenti al gelo.
Figura 5 – Immagine al SEM di
alcune particelle di carbone
incombusto separate da una
cenere leggera mediante
trattamento di vagliatura a secco
Scopo dei trattamenti di beneficiation è quindi, in genere, quello di ottenere
un prodotto a basso contenuto di incombusti idoneo all'impiego nel campo
dell’ingegneria civile e, possibilmente, una frazione carboniosa eventualmente
riciclabile in caldaia.
Nell’ambito dei processi a secco, l’ingegneria mineraria propone alcuni
metodi potenzialmente applicabili, basati sulla differenziazione di
caratteristiche specifiche tra i componenti da separare, ossia tra le ceneri
propriamente dette e la frazione incombusta al loro interno. Fra le
caratteristiche rilevanti vi sono, in particolare, la granulometria, la forma
delle particelle, la massa volumica intrinseca, le proprietà elettrofisiche
superficiali.
I metodi basati sulla granulometria possono essere efficacemente impiegati
in quanto la frazione incombusta si trova in generale prevalentemente
concentrata nelle classi granulometriche grosse e tende a ridursi
progressivamente nel campo dei fini.
Il fenomeno trova spiegazione nel fatto che gli incombusti sono da collegare
a macerali del carbone (quali inertinite, fusinite, exinite) più resistenti alla
azione di comminuzione preliminare e più refrattari alla combustione, anche
per la minor presenza di materie volatili al loro interno e alla ridotta porosità
iniziale rispetto al macerale prevalente (vitrinite).
I metodi basati sulla granulometria possono essere realizzati con due
tecniche alternative:
– vagliatura per mezzo di macchine setacciatrici;
– classificazione pneumatica.
La vagliatura è più precisa ma presenta in generale difficoltà crescenti verso
le granulometrie finissime, con caduta progressiva della capacità di
trattamento anche per l’insorgere di inconvenienti operativi quali
l’occlusione delle aperture dei vagli che impongono l'adozione di complessi
sistemi di pulizia (ultrasuoni, spazzole rotanti, sfere percuotitrici, ecc.).
La classificazione pneumatica in campo centrifugo è caratterizzata in
genere da una precisione meno buona, anche per l’influenza del fattore di
forma e della massa volumica delle particelle solide, spesso agenti in senso
non favorevole, ma avviene in generale con elevate capacità di trattamento
in relazione all’ingombro della macchina.
Tuttavia, nel caso specifico delle ceneri di combustione del carbone, le
particelle di incombusto sono meccanicamente deboli e tendono a rompersi
in frammenti più fini sotto l’azione di forze relativamente elevate quali quelle
applicate nei selettori pneumatici. Per conseguenza parte degli incombusti
va a finire tra i finissimi inquinando così il prodotto.
L’effetto della forma va visto in congiunzione con quello della granulometria
in quanto si manifesta nelle stesse operazioni di selezione granulometrica
precedentemente descritte.
Nel caso specifico in esame le particelle di cenere propriamente detta
presentano una forma sferica quasi perfetta, quale conseguenza del
processo genetico di formazione dei neominerali che la compongono,
mentre le particelle di incombusto presentano una forma molto irregolare e
frastagliata.
Tale situazione appare particolarmente favorevole per l’operazione di
vagliatura in quanto le ceneri fini tendono a passare rapidamente attraverso
la tela della setacciatrice mentre gli incombusti tendono a portarsi nella
zona superiore dello strato e sono più facilmente trattenuti. Al contrario, le
caratteristiche di forma sopra evidenziate sono svantaggiose nel caso dei
selettori pneumatici in campo centrifugo a causa del rapporto sfavorevole
tra le forze di trascinamento (proporzionali alla superficie) e di massa (peso
e forza centrifuga, proporzionali al volume), con conseguente tendenza al
passaggio nei fini da parte delle particelle di incombusto.
La separazione elettrostatica, basata sulle caratteristiche elettrofisiche
superficiali che determinano la propensione allo scambio di cariche a
seguito di contatto, per conduzione e/o per triboelettricità, presenta un
interesse particolarmente elevato in relazione al tipo di materiale da trattare.
La separazione triboelettrica, che è una delle tecniche di separazione più
performanti, sfrutta il potenziale di estrazione. Quest’ultimo è definito come
la differenza di potenziale che è necessario applicare ad un materiale per
estrarre un elettrone e portarlo a distanza infinita.
Il trattamento si basa sullo scambio di elettroni che avviene quando due
materiali con differenti potenziali elettrochimici vengono in contatto. Nella
zona di contatto si osserva una migrazione di elettroni dal materiale avente
minore potenziale di estrazione all’altro, creando un nuovo livello elettronico
stabile attraverso l’interfaccia. Al momento del distacco, viene interrotto il
flusso di elettroni e quindi una parte di essi rimane sul secondo materiale
rendendo definitivo il passaggio di carica fra le due sostanze, tanto più il
distacco è rapido, tanto maggiore è la carica trasferita.
L’incremento dell’efficienza di trasferimento di carica causato dagli urti e
dalle frizioni, giustifica il nome della tecnologia.
Per quanto riguarda le ceneri di carbone, i componenti che le costituiscono
durante il contatto si caricano relativamente fra di loro secondo il seguente
ordine (partendo da quelli che si caricano sempre positivamente fino a quelli
che si caricano sempre negativamente): carbonati, carbone incombusto,
silico-alluminati, residui piritici.
I risultati riportati in letteratura sembrano confermare l’efficacia dell’idea, sia
in termini di selettività della separazione (buona rimozione di incombusti con
alto recupero di prodotto) sia in termini di capacità di trattamento, come
descritto più avanti in maggior dettaglio analizzandone gli sviluppi
industriali.
Tuttavia restano ancora irrisolti alcuni importanti problemi che giustificano lo
sviluppo di ricerche in altre direzioni, finalizzate a mettere a punto soluzioni
tecniche alternative più efficaci anche sotto il profilo dei costi.
7. Applicazioni industriali di impianti per la beneficiation delle ceneri
7.1. Il processo di vibrovagliatura DUOS/ALLGAIER
Un esempio di trattamento di sola separazione granulometrica per il
controllo di qualità delle ceneri di carbone è rappresentato dall’impianto
realizzato in Olanda presso Maasvlakte dalla Vliegasunie (Dutch Fly Ash
Corporation) utilizzando la tecnologia ed i vibrovagli appositamente messi a
punto dalla DUOS Engineering B.V. e realizzati dalla ALLGAIER, uno dei
quali viene presentato installato in opera nella Figura 5.
L’impianto Vliegasunie è sostanzialmente composto da una unità di
trattamento e una unità di miscelazione (omogeneizzazione) che garantisce
la qualità costante delle ceneri in uscita dall’impianto. Esso, completamente
automatizzato per l'esecuzione delle operazioni di stoccaggio differenziato,
miscelazione ed eventuale trattamento delle ceneri, è globalmente
composto, oltre alla banchina per attracco navi, da 9 sili da 1000 t, utilizzati
per lo stoccaggio differenziato e la miscelazione, da 6 vibrovagli da 2 m di
diametro e 4 sili finali da 8000 t.
Le caratteristiche qualitative delle ceneri in ingresso vengono inserite in un
sistema denominato Fly Ash Information System, che ha il compito di
guidare l'operatore tecnico ad ottimizzare le successive operazioni di
stoccaggio, eventuale trattamento e miscelazione di differenti ceneri in
funzione delle richieste dei compratori.
Il costo complessivo dell'impianto è stimato in 100 M€, mentre la sola unità
di vagliatura ha avuto un costo di circa 2 M€.
Le caratteristiche di progetto del prodotto ottenibile sono:
· incombusto nella frazione fine: 50% del dato di partenza (3-4%);
· percentuale in peso della frazione fine (sottovaglio): 80%.
· contenuto di carbone nella frazione grossa (sopravaglio): 25%.
Il punto critico della messa a punto del sistema ha riguardato la tipologia di
vibrazione realizzata (denominata tumbler) e la portata di cenere da inviare
sulla superficie vagliante. La taratura di questi particolari ha richiesto, nel
progetto olandese, un periodo iniziale di messa a punto di circa 8 mesi.
I costi specifici di trattamento sono stimati intorno a 7 €/t, comprensivi dei
costi operativi e di ammortamento. Si considera in particolare la sostituzione
delle reti vaglianti ogni 3 mesi.
Figura 5 – Esempio di vibrovaglio
industriale utilizzato nell'impianto
Vliegasunie di Maasvlaske
7.2. Il processo triboelettrostatico STI (Separation Technology Inc.)
La americana Separation Technologies ha sviluppato industrialmente un
processo di separazione triboelettrica degli incombusti presenti nelle ceneri
leggere mediante un sistema a cosiddetto nastri incrociati,
schematicamente rappresentato in Figura 6.
Figura 6 – Schema impianto triboelettrico STI per la separazione degli incombusti
In particolare, la macchina sviluppata dalla STI, prevede il caricamento
selettivo delle specie da separare per contatto con un nastro forato di
materiale plastico messo in veloce movimento all’interno di un campo
elettrostatico generato da due elettrodi metallici piani e paralleli. I due rami
del nastro chiuso si muovono in direzione opposta creando un’intensa
azione di scorrimento relativo e esaltando il fenomeno di triboelettricità. Le
particelle solide occupano l’intero spazio delimitato dagli elettrodi, distanti
tra loro alcuni centimetri, e migrano verso il basso o verso l’alto in accordo
con la carica acquisita, per effetto della forza di campo che agisce in
direzione verticale, mentre vengono contemporaneamente trascinate verso
le due estremità del nastro, in un senso nella parte alta e in senso opposto
nella parte bassa dello strato.
Il nastro ha una lunghezza sufficientemente per consentire alle particelle di
completare lo spostamento verso il rispettivo elettrodo durante il tempo di
permanenza determinato dalla velocità periferica. Il campo ad alto voltaggio
ha quindi il solo compito di indirizzare le particelle verso il flusso
dell’elettrodo corrispondente e non a trasportarle. Le cinghie mobili, infatti,
trasportano le particelle al di fuori del separatore dove è possibile
effettuarne la raccolta con efficienza di separazione notevole.
Il separatore ha una struttura piuttosto semplice, infatti i rulli correlati con i
nastri rappresentano l’unica parte in movimento di tutto l’impianto. Gli
elettrodi sono di tipo stazionario e sono composti da un materiale di
adeguata durabilità mentre i nastri sono in materiale polimerico. La
lunghezza totale degli elettrodi è di circa 7 metri, mentre la larghezza
dipende dalla capacità del separatore (da 15 fino a 100 cm). Il consumo
elettrico è di 1 KW per tonnellata di materiale trattato, principalmente
addebitabile ai motori che muovono le cinghie.
Sono commercialmente disponibili impianti con capacità di trattamento da
10 a 35 t/h. Il materiale separato consiste in un frazione a basso tenore di
incombusti (LOI » 2%) utilizzabile nei calcestruzzi e una frazione conelevato tenore di incombusti (LOI » 30%) che può essere utilizzata come
combustibile.
Il costo dell’impianto stimato dal produttore è di circa 1 M€; cui vanno
aggiunti altri 2 M€ per la logistica ed i sili di raccolta. I costi di trattamento
specifici sono abbastanza elevati, aggirandosi intorno ai 10 €/t di cenere
trattata. Il punto critico è soprattutto rappresentato dai nastri utilizzati per la
separazione che hanno un’elevata usura, tanto da richiedere la loro
sostituzione ogni 8 ore circa. Sono attualmente in fase di applicazione
sperimentale nastri con durata di 20 h, che consentirebbero una frequenza
di sostituzione giornaliera.
Attualmente la STI ha realizzato quattro impianti di trattamento industriali, di
seguito indicati (fonte STI, anno 2000):
– New England Power (NEP) Brayton Point Station USA. Due separatori
per complessive 300 kt/a di ceneri trattate, realizzati nel 1995.
– NEP Salem Harbor Station USA. Un separatore da 250 kt/a;
– Carolina Power & Light (CP&L) Roxboro Station USA. Un separatore da
300 kt/a, realizzato nel 1997 ed un secondo in fase di costruzione;
– Jacksonville Electric’s St. John’s River Power Park USA. Impianto da
250 kt/a in fase di costruzione.
7.3. Il processo di combustione a letto fluido della CBO (Carbon Burn Out)
La tecnologia sviluppata dalla americana Carbon Burn-Out può essere
essenzialmente assimilata ad un post-bruciatore a letto fluido bollente. Le
ceneri trattate vengono scaricate alla fine del letto fluido per semplice
overflow in una sezione di raffreddamento, cosicché il livello del letto è
controllato dalla collocazione del punto di scarico. Poiché le ceneri
contengono oltre il 90% di materiale inerte, non è necessario aggiungere
altro materiale per costituire il letto. La sezione di raffreddamento può
essere rappresentata da un semplice dispositivo di raffreddamento o da un
sistema di recupero del calore. La temperatura del letto fluidizzato può
essere controllata mediante il ricircolo del prodotto raffreddato. Uno schema
dell'impianto è riportato in Figura 7.
La temperatura operativa del letto fluido è compresa tra 650 e 820°C in
funzione delle caratteristiche delle ceneri trattate. Il letto fluido è disegnato
in maniera da assicurare tempi di residenza tali che il processo non
necessiti di combustibile ausiliario con tenori di incombusti nelle ceneri in
ingresso >5,7%, garantendo valori in uscita <2%.
Il costo netto di un impianto da 350 kt/a risulta pari a circa 10 M€.
Il costo specifico di trattamento è stimabile in circa 2,4 €/t, comprensivo dei
costi di esercizio (energia elettrica e combustibile per avviamento), gestione
e manutenzione.
L'unica applicazione industriale di questo sistema è stata realizzata
nell’impianto di Wateree della South Carolina Electric & Gas (USA).
Figura 7– Schema di funzionamento dell'impianto di post-combustione
a letto fluido bollente della CBO
8. Conclusioni
In base al quadro delineato nel presente lavoro si evince con chiarezza
come le ceneri leggere di carbone, piuttosto che sottoprodotto e rifiuto del
ciclo termoelettrico, si siano oramai affermate come una materia prima
principale per l'industria delle costruzioni, che ne ha regolamentato le
caratteristiche e le modalità di utilizzo, inserendola nei propri cicli produttivi
ed avvalendosi dei vantaggi tecnici ed economici che possono derivare dal
suo impiego. Questo ha trovato conferma nella nascita, avvenuta in
numerosi paesi europei ma non ancora in Italia, di società specializzate
nella valorizzazione e commercializzazione delle ceneri e nella messa a
punto di trattamenti e impianti capaci di garantirne la qualità. In questo
modo il valore di mercato delle ceneri ha raggiunto prezzi considerevoli,
paragonabili con quelli delle materie prime sostituite e principalmente del
cemento.
In Italia la situazione appare affetta, rispetto a quella europea, da un certo
ritardo e sicuramente risulta aperta ad interessanti iniziative e sviluppi
industriali futuri.
Le ceneri vengono infatti attualmente commercializzate direttamente dalle
centrali di produzione nell'ambito delle complesse attività di esercizio e
gestione degli impianti termoelettrici. Ne derivano prezzi in media piuttosto
bassi, conseguenza della propensione a considerare le ceneri come rifiuto
più che come prodotto. Inoltre, in conseguenza della ridotta autonomia di
accumulo delle ceneri presso le centrali rispetto agli ingenti quantitativi
prodotti, viene necessariamente adottato un profilo di gestione per lo più
indirizzato ad un loro tempestivo smaltimento, che impedisce una loro piena
valorizzazione merceologica, legata alle dinamiche di domanda e offerta.
D’altra parte, la richiesta di qualità imposta alle ceneri da parte degli
utilizzatori, anch'essi chiamati ad operare in un mercato sempre più
competitivo, costringe sempre più i produttori alla ricerca di soluzione
tecnicamente ed economicamente efficaci per la loro gestione, capaci di
evitare anche per il futuro il ricorso alla discarica, molto oneroso dal punto di
vista economico e ad elevato impatto ambientale. Fra queste, una
attenzione sempre maggiore rivolta al controllo dei parametri di esercizio
capaci di influenzare le caratteristiche delle ceneri prodotte, ma anche la
ricerca di nuove soluzioni per il loro stoccaggio, la loro distribuzione ed il
loro eventuale trattamento, così come evidenziato dalla breve descrizione
svolta di alcune prime importanti esperienze industriali.
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