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Scorie di fonderia fumi di silice e ceneri volanti nel cemento

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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