CH703226B1 - Procedimento per la riqualifica e valorizzazione energetica di inerti bituminosi. - Google Patents

Abstract

Procedimento e dispositivo per la riqualifica e la valorizzazione energetica di inerti bituminosi di scarto CBR per mezzo di un trasferimento di calore generato da elementi (6) che non si trovano a diretto contatto con detti inerti bituminosi di scarto CBR, dove detto materiale si trova in assenza di ossigeno.

Description

[0001] La presente invenzione si riferisce al campo dei procedimenti e degli impianti utilizzati per trasformare, tramite un trattamento di tipo termico, materiali inerti bituminosi di scarto in materiali riutilizzabili nel medesimo campo di applicazioni.

[0002] Nel contesto del presente esposto si considerano, a titolo esemplificativo e non limitativo, quali inerti bituminosi di scarto: il materiale granulato ottenuto da fresatura e vagliatura di manti stradali, residui bituminosi e altri scarti dalla produzione di asfalto stradale, quali ad esempio le rimanenze di fine produzione, partite di asfalto non utilizzato, partite di asfalto stradale non confacenti alle specifiche di prodotto e dunque non utilizzabili e ogni alto materiale composto da miscele di inerte minerale (ad esempio calcareo o siliceo) e da bitumi naturali o petrolchimici.

[0003] La presente invenzione concerne un metodo per la riqualifica e valorizzazione energetica di inerti bituminosi come descritto nel preambolo della rivendicazione 1, come un mezzo per l’esecuzione di detto procedimento come descritto nella rivendicazione 5.

[0004] Il procedimento oggetto dell’invenzione permette di trasformare il materiale di scarto precedentemente menzionato nei seguenti prodotti: Miscela bituminosa di inerte e bitume alla temperatura idonea a essere miscelato con additivi al fine di generare un prodotto direttamente utilizzabile e dalle caratteristiche superiori Miscela bituminosa di inerte e bitume alla temperatura idonea al suo utilizzo diretto, quale nuovo manto stradale aventi caratteristiche intermedie Inerte pulito e decatramato utilizzabile quale inerte per la preparazione di nuove miscele bituminose.

[0005] L’utilizzo dei conglomerati bituminosi di scarto nell’industria dell’asfalto è già attuato da tempo. Lo scopo del riutilizzo è legato alla possibilità di trasformare un materiale di scarto e con un costo di smaltimento in un prodotto vendibile.

[0006] Attualmente il conglomerato di scarto viene riciclato miscelandolo in percentuali massime ben determinate al bitume vergine in corso di produzione. Questo riciclaggio avviene dunque forzatamente presso un produttore di asfalto, cosa che si rileva a volte penalizzante causa elevate distanze e costi di trasporto del conglomerato di scarto e dipendenza dal produttore di asfalto vergine che può imporre le proprie condizioni commerciali e tecniche. Queste limitazioni fanno sì che nella pratica buona parte del conglomerato bituminoso di scarto non venga riciclato ma venga posto in discarica con l’inevitabile costo e carico ambientale che ne consegue.

[0007] Nella pratica più corrente e diffusa vi sono due tecniche di utilizzo del conglomerato bituminoso di scarto che possono essere idealmente differenziate in funzione della quantità relativa di scarto riciclabile.

[0008] Entrambe le tecniche sono implementate sulle apparecchiature normalmente utilizzate nella produzione di asfalto vergine, partendo cioè da materiali vergini quali: gli inerti da cava e il bitume naturale o da raffineria petrolchimica.

[0009] In questo tipo di impianto conosciuto l’inerte vergine che farà parte dell’asfalto viene riscaldato in un tamburo rotante a fiamma diretta. I fumi di combustione del bruciatore, posto in testa al tamburo rotante, riscaldano per contatto diretto il materiale inerte. I fumi che sono transitati nel tamburo vengono poi estratti e inviati ad un filtro a maniche che provvede alla loro depolverazione.

[0010] Il materiale inerte così riscaldato viene poi trasferito in un silo di stoccaggio opportunamente isolato termicamente.

[0011] Al momento di richiesta di asfalto, il materiale inerte caldo viene miscelato assieme al bitume ed altri eventuali additivi per poi essere scaricato nei mezzi di trasporto che lo porteranno sul luogo di impiego.

[0012] Nell’ambito del riciclaggio del conglomerato bituminoso di scarto la prima possibilità offerta consiste nell’aggiungere lo scarto all’inerte vergine e riscaldare i due assieme nel forno.

[0013] Questa possibilità è limitata nel quantitativo massimo di scarto utilizzabile che solitamente non può superare il 30% nella miscela con l’inerte vergine.

[0014] Questa limitazione è conseguenza del fatto che il riscaldo viene eseguito con fiamma diretta e del fatto che l’inerte vergine deve essere portato a temperature dell’ordine dei 150 °C. Quantitativi superiori di conglomerato bituminoso di scarto nella miscela con l’inerte comporta di conseguenza grandi quantità di bitume che, sotto l’effetto della temperatura e della fiamma del bruciatore in parte brucia o perlomeno genera composti organici volatili che, non essendo trattenuti nel filtro a maniche, verrebbero immessi in atmosfera con conseguente inquinamento dell’aria.

[0015] Qualora si desiderasse aumentare la frazione di conglomerato bituminoso di scarto nella miscela con l’inerte vergine, la tecnologia attuale fa ricorso a due tamburi in parallelo. I due tamburi sono di concezione identica: entrambi sono di tipo a fiamma diretta.

[0016] Mentre uno dei tamburi viene utilizzato unicamente per il riscaldo dell’inerte vergine, il secondo viene utilizzato per il riscaldo unicamente del conglomerato bituminoso di scarto. Mentre il primo può lavorare alla normale temperatura di esercizio, ca. 150 °C, il secondo, per le motivazioni già esposte prima, è vincolato ad una temperatura massima di 90 °C.

[0017] La miscelazione tra inerte e conglomerato bituminoso di scarto riscaldati separatamente avviene poi a livello di miscelazione in fase di produzione dell’asfalto.

[0018] Il punto di fumo, temperatura alla quale una sostanza genera fumo, per il bitume si aggira, in atmosfera ossidante, attorno ai 180–200 °C.

[0019] Con questa tecnologia è possibile teoricamente produrre dell’asfalto partendo unicamente da conglomerato di scarto senza richiedere inerte vergine. In pratica questa possibilità non viene mai utilizzata in quanto il bitume contenuto nel conglomerato riscaldato ha comunque subito parziale ossidazione che ne altera le caratteristiche fisiche, dovuto a parziale contatto con i fumi, e in quanto la bassa temperatura di uscita del conglomerato obbliga l’impianto alla produzione di asfalto di tipo «LEA» (Low Energy Asphalt) (tiepido) necessitando dunque l’aggiunta di additivi particolari e di costo non irrilevante.

[0020] L’utilizzo del riscaldo a fiamma diretta presenta poi lo svantaggio di essere energeticamente molto penalizzante, richiedendo consumi specifici di combustibile molto elevati. I consumi elevati sono soprattutto legati al fatto che i fumi di combustione in uscita dal tamburo sono ancora molto caldi e quindi contengono ancora molta energia solo in parte recuperabile.

[0021] Per ovviare questi problemi è apparsa sul mercato una tecnologia di riscaldo del conglomerato che utilizza vapore d’acqua come vettore energetico sostitutivo alla fiamma diretta. Tale soluzione tecnica è descritta in PCT/FI91/00221, il quale cita espressamente la possibilità di riscaldare anche il solo conglomerato bituminoso di scarto.

[0022] La particolarità di questo tipo di tecnologia è legata al vettore energetico di riscaldo. In questo caso si utilizza un bruciatore separato fisicamente dal recipiente di contenimento del materiale da riscaldare. La fiamma di combustione è raffreddata tramite iniezione di acqua che vaporizza andando a generare una miscela di fumi combusti e vapore poi utilizzata per riscaldo vero e proprio del materiale.

[0023] Riassumendo, la tecnologia attuale presenta i seguenti svantaggi: l’acqua da utilizzare per la vaporizzazione deve essere necessariamente demineralizzata al fine di evitare la formazione di incrostazioni calcaree nei condotti tra bruciatore e recipiente di contenimento del materiale. Visti i consumi necessari di acqua, la sua demineralizzazione si rileva costosa. nei regimi di funzionamento transitori o durante l’avvio di impianto si possono presentare situazioni in cui parte dell’acqua vaporizzata condensa nel materiale da riscaldare inumidendolo e non rendendolo dunque più utilizzabile. la miscela fumi-vapore inviata al riscaldo del materiale contiene ancora ossigeno, dovuta al fatto che i fumi del bruciatore contengono sempre un eccesso di ossigeno al fine di garantire la totale combustione del combustibile. Questo ossigeno può interagire con il bitume contenuto nel materiale da riscaldare cambiandone le caratteristiche. la miscela di fumi frammisti a vapore, dopo aver preriscaldato il materiale, viene liberata in atmosfera senza alcun trattamento. Questo flusso potrebbe, soprattutto in caso di regimi di funzionamento anomali, provocare l’immissione in atmosfera di sostanze inquinanti e di polvere. Con clima freddo o umido l’immissione in atmosfera provoca anche pennacchi di vapore visibili che potrebbero rendere questa tecnologia poco utilizzabile in zone abitate. l’utilizzo del riscaldo con la miscela fumi-vapore presenta, come nel caso del riscaldo a fiamma diretta, consumi specifici di combustibile molto elevati.

[0024] Scopo della presente invenzione è quello di presentare un procedimento per la riqualifica e valorizzazione energetica di inerti bituminosi che ovvia ai suddetti inconvenienti, nella fattispecie provoca una minore emissione dei vapori, ha minori consumi energetici e presenta un miglior bilancio termico. I vantaggi verranno specificati in dettagli nella descrizione dell’invenzione.

[0025] L’invenzione, ossia il procedimento per la riqualifica di inerti bituminosi, viene ora meglio chiarita con riferimento al disegno allegato che illustra in vista laterale una forma esecutiva del procedimento in questione dato solo a titolo esemplificativo ma non limitativo in quando varianti tecniche potranno sempre essere apportate senza uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione come definito nelle rivendicazioni.

[0026] In detto disegno: La fig. 1mostra lo schema del procedimento per la riqualifica di inerti bituminosi.

[0027] Il conglomerato bituminoso di scarto da trattare viene caricato nella tramoggia 1, dotata di sistema di compartimentazione che permette di separare l’ambiente dall’atmosfera interna dell’apparecchio.

[0028] Possono essere usati come sistemi di compartimentazione ad esempio gli scaricatori a doppia clappa, le rotocelle o le coppie di ghigliottine. Dalla tramoggia un sistema di movimentazione 3 quali ad esempio coclea, nastro o scivolo vibrante si incarica di alimentare in continuo il tamburo di riscaldo 2.

[0029] Il tamburo di riscaldo è mantenuto costantemente in rotazione e riscaldato dall’esterno fino ad ottenere, in funzione del processo da attuare, temperature della pelle del tamburo tra i circa 200 ed i circa 550 °C.

[0030] Il materiale alimentato al tamburo si deposita al suo interno e, per l’effetto della sua temperatura nelle parte interna 4 alla camera di combustione 5 viene riscaldato alla temperatura desiderata. Il materiale nel tamburo occupa solo la parte inferiore del volume: sotto l’effetto della rotazione il materiale viene continuamente rivoltato mettendo sempre a contatto della parete del nuovo materiale, incrementando così l’effetto di scambio termico e la sua miscelazione.

[0031] La temperatura finale di riscaldo del materiale viene regolata agendo contemporaneamente sulla portata alimentata e la velocità di rotazione del tamburo (controllo del tempo di permanenza) e sulla temperatura di pelle del tamburo (controllo della potenza di scambio termico).

[0032] Il tamburo è inserito in una camera di combustione di ampie dimensioni e rivestita di materiale refrattario 5. Nella camera di combustione sono inseriti o più bruciatori 6 a combustibile liquido o gassoso quali il gas metano, GPL (Gas Propano Liquido), gasolio, BTZ (Olio combustibile denso). Gli stessi bruciatori, nel caso il procedimento messo in atto preveda la produzione di inerte, sono atti a bruciare anche i gas e vapori ottenuti dalla pirolisi del bitume contenuto nella miscela bituminosa di partenza. Al fine di aumentare la resa energetica del sistema, l’aria di combustione dei bruciatori può essere preriscaldata in uno scambiatore termico posto sui fumi di scarico dell’apparecchio 9.

[0033] La pirolisi è un processo di decomposizione termochimica ottenuto mediante l’applicazione di calore e in completa assenza di un agente ossidante, nella fattispecie ossigeno.

[0034] Mentre riscaldando il materiale in presenza di ossigeno avviene una combustione che genera calore e produce composti gassosi ossidati, effettuando invece lo stesso riscaldamento in condizioni però di assenza totale di ossigeno il materiale solido subisce la scissione dei legami chimici originari con formazione di molecole più semplici in forma gassosa.

[0035] Lo scambio termico tra i fumi di combustione e il tamburo avviene prevalentemente per fenomeni di irraggiamento da cui la necessità di una camera di ampie dimensioni e refrattariata al fine di aumentare lo spessore di stato irraggiante e l’effetto di reirraggiamento.

[0036] I fumi di combustione possono essere usati per essiccare o preriscaldare il conglomerato o altri usi diretti, oppure vengono fatti transitare in uno scambiatore 9 preferibilmente usato per il preriscaldo dell’aria di combustione dei bruciatori 6 o altrimenti per altri scopi termici, ad esempio per produrre vapore di processo, acqua per riscaldamento o altro.

[0037] In funzione delle temperature di processo, il riscaldo del conglomerato può portare a formazione di vapori e gas. A basse temperature di riscaldo, tipicamente al di sotto dei 150 °C, non se ne ha formazione per cui lo scarico 8 è unicamente composto da un condotto di scarico in atmosfera.

[0038] Per temperature superiori si ha formazione di gas e vapori, soprattutto nel caso dette temperature siano nel campo della pirolisi. In questo caso lo scarico è accoppiato ad un dispositivo di aspirazione di detti vapori e gas, quali i ventilatori, soffianti, eiettori venturi. Il dispositivo di aspirazione è regolato in maniera da mantenere la tramoggia di scarico 7 e dunque l’interno del tamburo 4 sempre in depressione al valore desiderato (alcuni mbar). La depressione è necessaria al fine di evitare che parte dei gas e vapori possa trafilare all’esterno dell’apparecchio attraverso le tenute rotanti con conseguente rischio di incendio o di danni a cose o persone. I gas e vapori così aspirati, avendo un elevato potere calorifico, vengono poi convogliati ai bruciatori 6 installati in camera di combustione 5 andando a integrare o sostituire integralmente l’uso del combustibile primario (gas naturale, gasolio, o altro).

[0039] La valutazione del contributo energetico dei gas e vapori al consumo complessivo dell’apparecchio dipende molto dalle caratteristiche del conglomerato bituminoso di scarto in ingresso, essendo in particolare determinabile in funzione del suo contenuto in bitume e la sua umidità.

[0040] Il materiale giunto alla temperatura desiderata viene poi estratto dall’apparecchio dal fondo della tramoggia 7 tramite sistema di movimentazione 10 quale ad esempio coclea, reddler o nastro trasportatore. Come l’ingresso anche lo scarico è dotato di sistema di compartimentazione di medesimo tipo.

[0041] Nel caso l’apparecchio è utilizzato per la produzione di inerte, e in considerazione delle elevate temperature alle quali deve essere portato il materiale, il sistema di scarico è anche dotato di sistema di raffreddamento 11 dell’inerte prodotto. La tipologia di raffreddatore dipende dal sistema di movimentazione utilizzato. Nel caso esemplificativo della coclea, questa viene incamiciata con un condotto dove viene fatto transitare il fluido di raffreddamento (ad esempio aria o acqua). Il calore recuperato può essere utilizzato in maniera similare al calore recuperato sui fumi di combustione dell’apparecchio.

[0042] Nel caso il conglomerato venga riscaldato alle temperature di pirolisi, l’inerte prodotto contiene anche la parte carboniosa restante dalla pirolisi. Come già descritto precedentemente detta parte carboniosa risulta, rispetto alla frazione di bitume trasformata in gas e vapore, di entità limitata. In pratica il carbone in parte si ritrova come strato che ricopre l’inerte e in parte, sotto l’effetto di rotolamento del materiale nel tamburo, si ritrova come particelle di polvere mischiate all’inerte.

[0043] Normalmente il quantitativo di carbone contenuto nell’inerte non crea problemi ma, se necessario, è possibile separarlo ed estrarlo a valle dell’apparecchio oggetto dell’invenzione tramite vagliatura.

[0044] Vengono ora specificati i principali vantaggi del procedimento oggetto dell’invenzione in relazione con le soluzioni attualmente conosciute.

[0045] Il conglomerato bituminoso viene riscaldato in atmosfera controllata e inerte. Gli eventuali vapori di bitume che si possono formare a temperature elevate di riscaldo rimangono «puri» e in continuo contatto con il materiale mantenendo quindi le condizioni ideali per il mantenimento delle caratteristiche del bitume.

[0046] Il conglomerato bituminoso viene riscaldato più lentamente evitando così gli elevati gradienti termici che si hanno invece nel caso di riscaldamento diretto.

[0047] Infatti con il riscaldamento diretto si tende ad avere elevate temperature alla superficie delle particelle mentre al cuore delle stesse queste si rilevano sensibilmente più basse. Essendo il bitume depositato alla superficie delle particelle si ha che, pur avendo una temperatura media delle particelle relativamente bassa e al di sotto del punto di fumo e di infiammabilità del bitume, in realtà la temperatura superficiale è sensibilmente superiore.

[0048] La portata degli eventuali vapori prodotti durante il riscaldo è sensibilmente inferiore alla portata di vapori, fumi ed eventuale vapore ottenuta nel caso di riscaldo a fiamma o fluido diretto. Ciò rende l’eventuale sistema di trattamento dei fumi più semplice, meno costoso e ottimizzato solo sulle caratteristiche dei vapori da trattare.

[0049] Lato fumi di riscaldo, nel caso di utilizzo di bruciatori a gas naturale o gasolio, non si richiede invece alcun tipo di trattamento in quanto questi bruciatori sono concepiti per il rispetto dei limiti di emissione (sistemi a bassa emissione di NOx, sistemi a combustione catalitica, eccetera) e nel contempo garantiscono rendimenti elevati di combustione.

[0050] Il bilancio termico del riscaldo è sensibilmente migliore rispetto alle tecnologie correnti. Nel caso di sistemi di riscaldo a fiamma diretta o con miscela di fumi e vapore la temperatura di combustione deve essere mantenuta sotto certi limiti al fine di evitare di bruciare il bitume. Il rendimento di scambio termico può essere calcolato, in maniera semplicistica come: (T=Temperatua)

[0051] Nel caso ad esempio del riscaldo con miscela di fumi-vapore e ipotizzando come temperatura ingresso fumi nel materiale di 350 °C e temperatura uscita fumi di 150 °C con una temperatura ambientale di 20 °C il rendimento termodinamico di riscaldo diventa: η = (350-150)/(350-20) * 100 = 60.6%.

[0052] Nel caso della presente invenzione, visto che lo scambio termico avviene indirettamente è possibile utilizzare fumi di combustione a 1200 °C. La temperatura dei fumi allo scarico dell’apparecchio oggetto dell’invenzione risulta essere normalmente attorno ai 250–350 °C.

[0053] Ricalcolando come sopra il rendimento di scambio termico si ottiene, nella peggiore delle ipotesi: η = (1200-350)/(1200-20) * 100 = 72 %, dunque del 12 % superiore al caso precedente.

[0054] Una possibilità offerta dalla presente invenzione riguarda la produzione di inerte utilizzando quale materiale di partenza il conglomerato bituminoso di scarto. Ciò è possibile utilizzando temperature di riscaldo attorno ai 350–450 °C. A queste temperature la frazione bituminosa contenuta nel conglomerato si trasforma per pirolisi in gas – vapori e carbone. La parte più consistente dei prodotti della pirolisi è data dalla frazione gas e vapori che contiene altresì la maggiore parte del potere calorifico del bitume.

[0055] Con il riscaldo indiretto questo flusso gassoso non entra in contatto con fiamme e con ossigeno per cui può essere estratto dall’apparecchio oggetto dell’invenzione e utilizzato quale gas combustibile per il riscaldo a sostituzione o perlomeno in integrazione al combustibile primario (gas naturale o gasolio).

[0056] Lo sfruttamento del contenuto energetico del bitume permette dunque di ridurre sensibilmente il consumo energetico specifico dell’impianto.

Claims (6)

1. Procedimento per la riqualifica di inerti bituminosi in prodotto riutilizzabile (P) comprendente come materiale di partenza per detto procedimento un conglomerato bituminoso di scarto (CBR), detto precedimento comprende il caricamento di detto conglomerato (CBR) all’interno di un tamburo rotante (2) dove esso viene riscaldato caratterizzato dal fatto che il conglomerato bituminoso di scarto (CBR) viene caricato all’interno del tamburo rotante (2) in modo tale da trovarsi in ambiente privo di ossigeno, all’interno del tamburo rotante (2) detto conglomerato viene portato ad una temperatura di almeno 300 °C per mezzo di un trasferimento di calore da uno o più elementi scaldanti (6) i quali si trovano all’esterno di detto tamburo rotante (2), per cui essi non si trovano a diretto contatto con il conglomerato bituminoso di scarto (CBR), detta temperatura di almeno 300 °C essendo atta a generare un processo di pirolisi del bitume contenuto nel conglomerato bituminoso di scarto (CBR).

2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui i gas ed i vapori generati all’interno del tamburo rotante (2), da detto procedimento vengono recuperati tramite appositi mezzi d, convogliamento ed utilizzati quale combustibile per generare il calore necessario al riscaldamento del conglomerato bituminoso di scarto (CBR).

3. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i gas ed i vapori generati all’interno del tamburo rotante (2) da detto procedimento sono fatti transitare in uno scambiatore di calore (9).

4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i gas ed i vapori generati all’interno del tamburo rotante (2) da detto procedimento vengono usati per un pre-riscaldo o l’essiccamento del conglomerato bituminoso di scarto (CBR) prima del riscaldo all’interno del tamburo rotante (2).

5. Dispositivo (D) per l’esecuzione del procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un dispositivo di alimentazione che convoglia il conglomerato bituminoso di scarto (CBR) all’interno di un tamburo rotante (2) caratterizzato dal fatto che il tamburo rotante (2) è alloggiato in una camera termoisolata e refrattaria internamente (5).

6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo è munito di mezzi di estrazione (7, 10) a tenuta stagna del conglomerato trattato, atto a separare il prodotto solido dai prodotti aeriformi (8).