Requisiti speciali e soluzioni per il trattamento dell'acqua di raffreddamento negli impianti di incenerimento dei rifiuti

Gli impianti di incenerimento dei rifiuti operano in alcune delle condizioni più impegnative di qualsiasi impianto industriale. La combustione di rifiuti solidi urbani, rifiuti pericolosi o rifiuti sanitari a temperature superiori a 850°C genera carichi termici intensi e sostenuti che i sistemi di circolazione dell'acqua di raffreddamento devono gestire continuamente, spesso 24 ore su 24, tutti i giorni dell'anno. Allo stesso tempo, la combustione di flussi di rifiuti misti introduce gas corrosivi, composti di cloruro e condensati acidi che creano un ambiente chimico dell’acqua particolarmente aggressivo.

Gli approcci standard al trattamento dell'acqua di raffreddamento progettati per centrali elettriche o impianti petrolchimici sono spesso inadeguati per le applicazioni di incenerimento dei rifiuti. Un trattamento efficace richiede programmi chimici specifici che affrontino livelli elevati di cloruro, pH fluttuante, contaminazione da metalli pesanti e la necessità di un controllo affidabile delle incrostazioni e della corrosione in condizioni di carichi termici variabili. Questo articolo descrive in dettaglio le sfide specifiche della gestione dell'acqua di raffreddamento negli impianti di incenerimento dei rifiuti e le soluzioni che garantiscono costantemente un funzionamento sicuro, conforme ed efficiente.

Perché gli impianti di incenerimento dei rifiuti presentano sfide uniche per l’acqua di raffreddamento

Per comprendere i requisiti di trattamento, è innanzitutto necessario comprendere come viene utilizzata l’acqua di raffreddamento in un tipico impianto di incenerimento dei rifiuti e perché tale utilizzo crea problemi non riscontrati in altri settori.

Circuiti di raffreddamento multipli ad alta intensità

Un moderno impianto di termovalorizzazione gestisce tipicamente più circuiti di raffreddamento distinti contemporaneamente. Il sistema di raffreddamento della griglia e del forno protegge le pareti della camera di combustione. La caldaia e il circuito di condensazione del vapore gestiscono il recupero del calore per la produzione di energia. I sistemi di raffreddamento dei fumi riducono i gas di scarico caldi a temperature adatte alle apparecchiature di controllo dell'inquinamento. I sistemi di abbattimento delle scorie e di movimentazione delle ceneri utilizzano l'acqua per raffreddare e trasportare i residui solidi della combustione. Ciascun circuito funziona a temperature, portate e condizioni di contatto del materiale diverse e ciascuno può introdurre contaminanti diversi nell'acqua.

Ingresso di cloruro dalla combustione dei rifiuti

I rifiuti solidi urbani contengono tipicamente quantità significative di plastica clorurata (PVC), composti organici del cloro e sali di cloruro inorganici. Quando vengono inceneriti, questi materiali rilasciano gas di acido cloridrico (HCl) nel flusso dei fumi. Anche con i sistemi di lavaggio in funzione, alcuni gas carichi di cloruri e particolati fini raggiungono i circuiti dell'acqua di raffreddamento, in particolare nelle sezioni di raffreddamento dei gas di scarico e di lavaggio a umido. Le concentrazioni di cloruro nell’acqua circolante negli impianti di incenerimento dei rifiuti raggiungono spesso 500–2.000 mg/L, rispetto all’intervallo di 200–400 mg/L comune nei sistemi di raffreddamento delle centrali elettriche. Livelli elevati di cloruro accelerano notevolmente la corrosione per vaiolatura sulle superfici degli scambiatori di calore in acciaio inossidabile e acciaio al carbonio e riducono l'efficacia degli inibitori di corrosione standard che dipendono dalla formazione passiva di una pellicola di ossido.

Fluttuazioni del pH acido

Il normale trattamento dell'acqua di raffreddamento industriale mira a un intervallo di pH leggermente alcalino compreso tra 7,5 e 9,0 per ridurre al minimo la corrosione dell'acciaio e la deposizione di carbonato di calcio contemporaneamente. Nei circuiti di raffreddamento dell'incenerimento dei rifiuti, gli eventi di assorbimento di gas acidi possono portare il pH al di sotto di 6,0 in brevi periodi quando le prestazioni dello scrubber fluttuano o durante le sequenze di avvio e arresto. Condizioni acide con pH inferiore a 6,5 ​​accelerano esponenzialmente il tasso di corrosione dell'acciaio al carbonio (il tasso di corrosione dell'acciaio dolce raddoppia all'incirca con ogni diminuzione unitaria del pH inferiore a 7,0) e causano anche la dissoluzione delle incrostazioni protettive e delle pellicole inibitrici accumulate durante il normale funzionamento.

Contaminazione da metalli pesanti

La combustione di flussi di rifiuti eterogenei volatilizza i metalli pesanti tra cui zinco, piombo, rame, cadmio e mercurio. Il trascinamento delle ceneri volanti nei circuiti dell'acqua di raffreddamento deposita questi metalli, creando sia problemi di catalisi della corrosione (gli ioni di rame in particolare accelerano l'attacco galvanico su alluminio e acciaio dolce) sia problemi di conformità dello scarico. L'acqua di scarico proveniente dai sistemi di raffreddamento per l'incenerimento dei rifiuti richiede in genere un trattamento prima dello scarico per soddisfare i limiti degli effluenti di metalli pesanti e la scelta dei prodotti chimici per il trattamento dell'acqua deve tenere conto della loro interazione con questi contaminanti.

Carico elevato di solidi sospesi

Le particelle di cenere e scorie trascinate nell'acqua di raffreddamento, combinate con la crescita della biomassa microbica incoraggiata dalle temperature dell'acqua calda e dal carico di nutrienti organici derivanti dal contatto con i rifiuti, producono elevate concentrazioni di solidi sospesi che possono rapidamente contaminare gli scambiatori di calore e intasare i sistemi di distribuzione. I flocculanti convenzionali e i sistemi di filtraggio progettati per applicazioni industriali più pulite spesso non sono in grado di gestire la distribuzione granulometrica e le velocità di carico caratteristiche dell'acqua di raffreddamento dell'incenerimento dei rifiuti.

Requisiti di trattamento principale per ciascun circuito di raffreddamento

Data la complessità multicircuito degli impianti di incenerimento dei rifiuti, un’unica formulazione di trattamento non può soddisfare tutte le esigenze di acqua di raffreddamento. Il soluzioni di trattamento chimico per impianti di incenerimento dei rifiuti devono essere differenziati per tipo di circuito.

Inibizione della corrosione in condizioni di alto contenuto di cloruro e basso pH

Il controllo della corrosione è l'aspetto più critico e tecnicamente impegnativo del trattamento dell'acqua di raffreddamento nelle applicazioni di incenerimento dei rifiuti. Gli inibitori standard a base di cromato o zinco sono limitati o proibiti a causa delle normative ambientali. Gli inibitori a base di fosfonati, sebbene efficaci a pH da neutro a leggermente alcalino, perdono gran parte della loro efficacia filmogena quando il pH scende al di sotto di 6,5 e forniscono una protezione inadeguata in ambienti ad alto contenuto di cloruro dove gli ioni cloruro attaccano aggressivamente gli strati di ossido passivo.

Un'efficace inibizione della corrosione per i sistemi di raffreddamento per l'incenerimento dei rifiuti si basa tipicamente su una combinazione di ammine organiche filmogene (per la protezione dell'acciaio al carbonio in condizioni acide), composti di molibdato o tungstato (che mantengono la passivazione in un intervallo di pH più ampio rispetto al fosfonato) e derivati ​​del toliltriazolo o del benzotriazolo per componenti in lega di rame. Questo approccio multicomponente fornisce meccanismi di protezione sovrapposti che mantengono tassi di corrosione accettabili anche quando i singoli meccanismi inibitori sono parzialmente compromessi dalle oscillazioni del pH o dalla competizione del cloruro.

Per i circuiti che trattano acqua a contatto con i gas di scarico con cloruro superiore a 1.000 mg/l, la selezione del materiale è importante quanto il trattamento chimico. Per i tubi degli scambiatori di calore nelle zone più aggressive sono necessari acciaio inossidabile duplex o materiali altolegati come Hastelloy , poiché nessun programma di trattamento chimico può proteggere adeguatamente l'acciaio inossidabile standard 304 o 316 a concentrazioni elevate e prolungate di cloruro. Il trattamento chimico si concentra quindi sulla prevenzione della corrosione da sottodeposito, dell'attacco galvanico in corrispondenza di giunzioni metalliche diverse e della corrosione generale nei circuiti secondari a basso contenuto di cloruro.

Buffering del pH e gestione dell'alcalinità

Mantenere il pH dell’acqua circolante entro l’intervallo target di 7,5–8,5 in un ambiente di incenerimento dei rifiuti richiede una strategia attiva di tamponamento e dosaggio degli alcali piuttosto che un semplice aggiustamento del pH nella fase di reintegro dell’acqua. Il dosaggio continuo o attivato dalla domanda di soda caustica (NaOH) o carbonato di sodio (Na₂CO₃), collegato a sensori di pH in linea con tempi di risposta rapidi, impedisce escursioni prolungate a basso pH. La riserva di alcalinità mantenuta nel sistema fornisce un cuscinetto contro eventi improvvisi di carico acido. I livelli di alcalinità target di 200–400 mg/L poiché CaCO₃ forniscono un'adeguata capacità tampone per la maggior parte degli scenari operativi rimanendo al di sotto del livello che favorisce la formazione di calcare del carbonato di calcio.

Prevenzione delle incrostazioni nell'acqua ad alta temperatura e di qualità variabile

La formazione di calcare nei sistemi di raffreddamento per l’incenerimento dei rifiuti è guidata dalla stessa chimica fondamentale di altri settori – sovrasaturazione di carbonato di calcio, solfato di calcio e silice sulle superfici di trasferimento del calore – ma è complicata dalla qualità variabile dell’acqua che caratterizza questi impianti. La qualità dell'acqua di reintegro può variare stagionalmente, i rapporti di concentrazione dello scarico fluttuano con il carico di produzione e gli eventi di contaminazione da ceneri aumentano episodicamente le concentrazioni di calcio, silice o solfato al di sopra dei livelli di progettazione.

Gli inibitori delle incrostazioni a base polimerica che utilizzano acido poliacrilico (PAA), copolimeri AA/AMPS o acido poliaspartico (PASP) forniscono le prestazioni più affidabili in questo ambiente variabile. Questi inibitori funzionano attraverso meccanismi di inibizione della soglia e di modificazione dei cristalli che rimangono efficaci nell’intervallo di pH compreso tra 6,5 ​​e 9,5, che copre l’intero range operativo della maggior parte dei circuiti di raffreddamento dell’incenerimento dei rifiuti. A differenza degli inibitori a base di fosfonati, gli inibitori delle incrostazioni polimeriche non contribuiscono ai carichi di scarico di fosforo, il che è importante per le strutture soggette a limiti di effluenti di fosforo totale.

Le incrostazioni di silice meritano particolare attenzione negli impianti che utilizzano il lavaggio a umido per la depurazione dei gas di combustione, poiché il ritorno dell'acqua dallo scrubber può introdurre elevati livelli di silice disciolta che si concentra nel sistema di ricircolo. Gli inibitori basati su PASP con disperdenti supplementari specifici per la silice forniscono un migliore controllo delle incrostazioni di silice rispetto ai programmi polimerici per uso generale e devono essere specificati quando la silice nell'acqua circolante supera i 150 mg/L come SiO₂.

Il nostro trattamento dell'acqua di raffreddamento circolante industriale La gamma di prodotti comprende formulazioni specializzate di inibitori delle incrostazioni sviluppate appositamente per ambienti ad alto contenuto di cloruri e a pH variabile del tipo riscontrato nelle applicazioni di incenerimento dei rifiuti.

Controllo delle incrostazioni biologiche: gestione del rischio di legionella e biofilm

Le torri di raffreddamento negli impianti di incenerimento dei rifiuti creano condizioni altamente favorevoli al fouling biologico. Le temperature dell'acqua comprese tra 25°C e 45°C, il carico di nutrienti organici derivante dal contatto con i rifiuti e l'ampia superficie dell'acqua delle torri di raffreddamento favoriscono una rapida crescita microbica, la formazione di biofilm e, nei casi più gravi, la proliferazione della Legionella. Il biofilm sulle superfici degli scambiatori di calore provoca una resistenza termica equivalente alla deposizione di calcare, mentre la contaminazione da Legionella crea un pericolo per la salute pubblica che richiede una bonifica immediata.

Programmi efficaci di biocidi per i sistemi di raffreddamento per l’incenerimento dei rifiuti devono affrontare sia i microrganismi planctonici (fluttuanti) che quelli sessili (biofilm). I biocidi ossidanti – principalmente ipoclorito di sodio, biossido di cloro o composti di bromo – forniscono un controllo ad ampio spettro dei batteri planctonici e sopprimono efficacemente la Legionella a concentrazioni residue adeguatamente mantenute. Il biossido di cloro è particolarmente adatto alle applicazioni di incenerimento dei rifiuti perché rimane efficace ai valori di pH più elevati (7,5–9,0) utilizzati per il controllo della corrosione e non viene consumato dall'ammoniaca o dai composti organici dell'azoto così rapidamente come il cloro libero.

I biocidi non ossidanti come l'isotiazolone (CMIT/MIT), la glutaraldeide o i composti di ammonio quaternario vengono utilizzati come partner di rotazione per prevenire lo sviluppo di tolleranza ai biocidi ossidanti e per penetrare nei biofilm consolidati che i biocidi ossidanti non possono eliminare completamente. Un tipico programma di rotazione dei biocidi applica il biocida ossidante in modo continuo o semicontinuo per il controllo dello stato stazionario, con dosaggio shock di biocida non ossidante ogni 2-4 settimane.

Requisiti per la gestione del rischio Legionella

Gli impianti di incenerimento dei rifiuti sono soggetti ai requisiti di valutazione e gestione del rischio Legionella ai sensi delle normative sulla salute sul lavoro e sull'ambiente nella maggior parte delle giurisdizioni. Un programma di controllo della Legionella conforme richiede:

• Valutazione del rischio documentata che copre tutte le torri di raffreddamento e i condensatori evaporativi
• Campionamento regolare dell'acqua e analisi della coltura della legionella (tipicamente trimestrale o più frequentemente)
• Mantenimento di residui minimi di cloro libero o biocidi equivalenti in tutti i punti del sistema di distribuzione
• Disinfezione periodica ad alte dosi (iperclorazione o disinfezione termica) durante gli arresti o dopo risultati positivi ai test antilegionella
• Manutenzione dell'eliminatore di gocce per ridurre al minimo la generazione di aerosol dalle torri di raffreddamento

Trattamento delle acque di spegnimento delle scorie e gestione dei metalli pesanti

I sistemi di raffreddamento delle scorie rappresentano una sfida specializzata nel trattamento delle acque, distinta dai circuiti delle torri di raffreddamento a ricircolo discussi sopra. L'acqua di raffreddamento entra in contatto direttamente con le scorie calde, assorbendo una quantità significativa di calore e dissolvendo anche i metalli pesanti, il cloruro e i composti alcalini rilasciati dalle scorie. Quest'acqua viene generalmente riciclata attraverso un circuito di sedimentazione e trattamento anziché essere inviata al sistema principale della torre di raffreddamento, a causa dei suoi elevati livelli di contaminazione.

Il trattamento dell'acqua di raffreddamento delle scorie si concentra sulla rimozione dei solidi sospesi attraverso coagulazione e flocculazione, sulla precipitazione dei metalli pesanti utilizzando calce o idrossido di sodio per aumentare il pH superiore a 9,0 (al quale la maggior parte dei metalli pesanti forma idrossidi insolubili) e sulla disidratazione dei fanghi per un corretto smaltimento. I coagulanti inorganici come il solfato ferrico o il cloruro di polialluminio (PAC) sono efficaci per destabilizzare le particelle di cenere colloidale, mentre i flocculanti anionici di poliacrilammide accelerano la sedimentazione delle particelle e migliorano la disidratazione dei fanghi.

Il traboccamento trattato dai circuiti di raffreddamento delle scorie deve soddisfare i limiti di scarico dei metalli pesanti prima di essere riciclato o scaricato. È necessario un monitoraggio regolare delle concentrazioni di zinco, piombo, rame, cadmio e cromo negli effluenti trattati e il dosaggio del coagulante deve essere regolato in tempo reale in base alla qualità dell'acqua in ingresso, che varia con la composizione dei rifiuti trattati.

Considerazioni sulla conservazione dell'acqua e sullo scarico zero di liquidi

I permessi ambientali per i nuovi impianti di incenerimento dei rifiuti richiedono sempre più la riduzione al minimo dello scarico delle acque reflue, con alcuni regolatori che impongono il funzionamento a scarico zero di liquidi (ZLD). Anche laddove lo ZLD non è richiesto, considerazioni relative al costo e alla scarsità dell’acqua spingono gli operatori a massimizzare i rapporti di ricircolo e ridurre al minimo il volume di scarico.

Il raggiungimento di rapporti di concentrazione elevati (5-8 cicli) nei sistemi di raffreddamento per l’incenerimento dei rifiuti richiede programmi di inibitori di incrostazione e corrosione particolarmente robusti, poiché i carichi minerali concentrati mettono a dura prova la capacità degli inibitori. Richiede inoltre una gestione più attenta dell'accumulo di cloruro: nei sistemi ad alto contenuto di cloruro, rapporti di concentrazione aumentati possono spingere i livelli di cloruro a valori che compromettono l'integrità dell'apparecchiatura. Potrebbero essere necessari l'addolcimento del flusso laterale o lo scambio ionico per rimuovere la durezza o il cloruro per consentire il funzionamento con un rapporto di concentrazione elevato mantenendo una chimica dell'acqua accettabile.

Lo scarico dalle torri di raffreddamento per l'incenerimento dei rifiuti, quando non può essere riciclato all'interno dell'impianto, richiede in genere il trattamento in un sistema di acque reflue prima dello scarico. La richiesta chimica di ossigeno (COD), i solidi sospesi, i metalli pesanti e il pH di questo scarico devono rientrare nei limiti normativi. La scelta di prodotti chimici per il trattamento dell’acqua biodegradabili e a basso contenuto di COD (inibitori di incrostazioni polimeriche senza fosforo e biocidi non persistenti) favorisce il rispetto dei limiti di COD degli effluenti e riduce il carico di trattamento sul sistema delle acque reflue.

Per le strutture che perseguono strategie globali di gestione dell'acqua, il nostro team fornisce supporto per la progettazione a livello di sistema e l'ottimizzazione dei prodotti chimici tutti i settori industriali che serviamo , comprese soluzioni integrate per il pretrattamento dell'osmosi inversa, la chimica dei sistemi di ricircolo e il trattamento delle acque reflue per supportare la gestione dell'acqua a circuito chiuso.

Monitoraggio, automazione e migliori pratiche operative

L’ambiente variabile e aggressivo della chimica dell’acqua degli impianti di incenerimento dei rifiuti rende il monitoraggio continuo e il dosaggio automatizzato dei prodotti chimici molto più importanti rispetto alle applicazioni di raffreddamento industriale più stabili. Il monitoraggio manuale a intervalli fissi non è sufficiente per rilevare i rapidi cali di pH, i picchi di cloruro e i picchi di attività biologica che caratterizzano queste strutture.

I moderni sistemi di gestione dell'acqua di raffreddamento per le applicazioni di incenerimento dei rifiuti dovrebbero incorporare sensori online per pH, conducibilità (come indicatore dei solidi totali disciolti e del rapporto di concentrazione), potenziale di ossido-riduzione (ORP, per il monitoraggio dei residui di biocidi) e torbidità (per il caricamento dei solidi sospesi). Questi segnali alimentano i controller di dosaggio automatizzati che regolano in tempo reale il dosaggio dell'inibitore di corrosione, dell'inibitore delle incrostazioni, della sostanza chimica di regolazione del pH e del biocida per mantenere i parametri di qualità dell'acqua desiderati nonostante le condizioni di ingresso fluttuanti.

Oltre al dosaggio automatizzato, le seguenti pratiche operative sono essenziali per prestazioni affidabili:

• Registrazione giornaliera della qualità dell'acqua: pH, conduttività, durezza, cloruro, residuo di inibitore e residuo di biocida devono essere registrati almeno una volta per turno durante il normale funzionamento.
• Analisi completa settimanale: Pannello completo di chimica dell'acqua che include calcio, magnesio, silice, ferro, solidi sospesi, torbidità e calcolo dell'indice di saturazione di Langelier.
• Valutazione tagliando mensile corrosione: I campioni di corrosione dell'acciaio al carbonio, delle leghe di rame e di qualsiasi altro materiale da costruzione devono essere pesati e ispezionati mensilmente per verificare che i tassi di corrosione rimangano entro limiti accettabili.
• Ispezione trimestrale dello scambiatore di calore: Ispezione visiva o ad ultrasuoni di sezioni rappresentative dello scambiatore di calore per identificare incrostazioni o vaiolature in fase iniziale prima che causino danni alle apparecchiature.
• Protocolli di avvio e spegnimento: Speciali trattamenti pre-film ad alta concentrazione di inibitori prima dell'avvio del sistema e dosaggio shock di biocidi prima di arresti prolungati per prevenire la crescita microbica durante i periodi stagnanti.

Gli operatori degli impianti di incenerimento dei rifiuti che implementano un monitoraggio strutturato e programmi di dosaggio automatizzato ottengono costantemente tassi di corrosione più bassi, una maggiore durata dello scambiatore di calore e una conformità normativa più affidabile rispetto a quelli che si affidano alla regolazione manuale periodica del dosaggio dei prodotti chimici. Per discutere un programma di monitoraggio e trattamento su misura per i flussi di rifiuti specifici della vostra struttura e la configurazione del circuito di raffreddamento, contatta i nostri specialisti nel trattamento dell'acqua .