Condizioni generali per l'utilizzo di essiccatori a disco

L’essiccamento a dischi, parziale e completo, dei fanghi di depurazione ha dato prova di sé per decenni.   Per un'applicazione efficace della tecnologia di essiccamento a dischi e per l'utilizzo del calore residuo devono essere prese in considerazione alcune condizioni generali.

Figura 1: Un essiccatore a dischi in funzione da oltre 25 anni presso l'impianto di trattamento delle acque reflue di Köhlbrandhöft ad Amburgo

Il concetto di base della tecnologia di essiccamento a dischi risale agli anni sessanta del secolo scorso ed inizialmente è stato sviluppato per l'essiccamento della farina di pesce. Negli anni '70 e '80, questo sistema di essiccamento a contatto ha trovato un nuovo settore di applicazione nel campo dell’essiccamento dei fanghi di depurazione all’interno di grandi impianti di trattamento delle acque reflue o in impianti di monocombustione a letto fluido. Da oltre 40 anni l’essiccamento a dischi dei fanghi sta dando prova della sua efficacia. La potenza di evaporazione dell'acqua per unità è compresa tra 2.000 e 6.000 kg/h.

Descrizione dell'essiccatore e del suo funzionamento

L'essiccatore a dischi è costituito da un rotore riscaldato dotato di dischi cavi, che ruota all’interno di un corpo di alloggiamento. Appartiene alla classe degli essiccatori a contatto indiretto. Il materiale da essiccare venendo in contatto con i dischi riscaldati, viene scaldato ed essiccato. Per aumentare le prestazioni, il corpo di alloggiamento può essere ulteriormente dotato di una doppia camicia riscaldata. Generalmente come mezzi riscaldanti vengono utilizzati vapore saturo in un range di pressione compreso tra 6 e 10 bar(a) e temperature comprese tra 158 e 180 °C, nonché olio diatermico con un range di temperatura compreso tra 180 e 220 °C. Per un’efficace utilizzo della superficie riscaldante a contatto, risulta maggiormente vantaggioso l’impiego di vapore saturo rispetto al vapore surriscaldato. La perdita di pressione in fase di regolazione della pressione del vapore deve essere mantenuta il più basso possibile così da massimizzare la pressione differenziale effettiva della turbina a vapore per la produzione di energia.

Il fango viene immesso nell'essiccatore dal lato frontale tramite una coclea o una pompa per fanghi ispessiti e viene così trasportato attraverso l'essiccatore. Grazie alla rotazione dei dischi, il fango viene mescolato e ulteriormente convogliato per mezzo di elementi di trasporto applicati sulla circonferenza dei dischi. Il fango essiccato viene scaricato attraverso una coclea montata trasversalmente rispetto al lato di scarico dell'essiccatore. Tra i dischi sono montati dei raschiatori fissi che impediscono al fango di attaccarsi. La velocità del rotore varia da 8 a 11 giri al minuto, a seconda del diametro dei dischi. Le figure 2 e 3 mostrano la vista d’insieme e la struttura interna di un essiccatore a dischi HUBER RotaDry®.

I dischi solitamente sono realizzati in acciaio inossidabile 1.4307 oppure 1.4571 in presenza di un rischio di corrosione più elevato. Qualora, a causa di particolari componenti dei fanghi di depurazione, come sabbia o cristalli di magnesio-ammonio-fosfato, si preveda un'usura maggiore, i dischi possono essere opzionalmente realizzati in acciaio duplex.

Campo di applicazione dell'essiccatore a dischi HUBER RotaDry®

Figura 2: Rappresentazione schematica dell'essiccatore a dischi RotaDry 2050
Figura 3: Sezione trasversale dell'essiccatore a dischi RotaDry durante l’essiccamento parziale dei fanghi

Essiccamento parziale

Uno dei campi di applicazione principale dell'essiccatore a dischi è l’essiccamento parziale dei fanghi di depurazione per una monocombustione a letto fluido continuo indipendente. Il contenuto energetico dei fanghi di depurazione parzialmente essiccati deve essere regolato a circa 4.000 - 4.200 kJ/kg di sostanza originale, partendo dal presupposto che l'aria di combustione venga preriscaldata. A seconda del tipo di fango e del suo grado di stabilizzazione, ciò si traduce in un essiccamento fino ad un contenuto di sostanza secca di ~ 35 - 45 %. In ogni caso, la sostanza secca dei fanghi di depurazione parzialmente essiccati deve rimanere al di sotto della sostanza secca critica, caratterizzata dalla fase collosa, contraddistinta da un intervallo di sostanza secca compreso tra il 40 e il 60 %. Il fango diventa appiccicoso, pastoso e difficile da trasportare. Con fanghi poco stabilizzati, tale fase inizia nell'intervallo compreso tra il 40 e il 45 % di sostanza secca, con fanghi ben stabilizzati la fase collosa viene raggiunta solamente con un contenuto di una sostanza secca superiore al 45 - 50%.

I fanghi parzialmente essiccati vengono poi convogliati fino all'inceneritore e triturati per mezzo di un alimentatore a ruota gettata o di lance di vapore immessi nel letto fluido dell’impianto di combustione. Negli impianti a monocombustione, in genere vengono utilizzati due essiccatori a dischi in parallelo per motivi di ridondanza. Ogni essiccatore fornisce in tal caso circa il 50% del volume totale di evaporazione dell'acqua. In casi estremi, tuttavia, un essiccatore deve essere in grado di farsi carico fino al 70% della capacità di essiccamento totale, anche quando la pressione del vapore aumenta, così da poter garantire la combustione durante il funzionamento a carico parziale. Per motivi di ridondanza, ogni essiccatore è dotato di un proprio sistema di alimentazione dei fanghi.

In seguito all’AbfallKlärV (ordinamento tedesco sullo scarico dei fanghi di depurazione), approvato alla fine del 2017, si è riscontrato un notevole incremento di progetti per l'essiccamento parziale e la monocombustione dei fanghi di depurazione. Un funzionamento dell’impianto economicamente efficiente e conforme alla rispettiva capacità di monocombustione può essere più facilmente attuato conferendo ed accettando fanghi esterni provenienti da altre regioni. Questo ha alcune conseguenze per il funzionamento dell'impianto.

Da un lato, si deve tener conto del problema legato ai materiali estranei. Le frequenti operazioni di trasbordo durante il trasporto dei fanghi di depurazione aumentano il rischio che materiali estranei come pietre, parti metalliche o di legno vengano mescolati nei fanghi e possano causare blocchi o danni all'impianto. Se necessario, nella linea di trasporto dei fanghi deve essere prevista la separazione di corpi estranei mediante un separatore a rulli a doppio albero o di un vaglio per le impurità.

D’altro lato, i fanghi disidratati conferiti presentano un residuo secco e proprietà molto diversi. Durante l'essiccamento e la combustione in grandi impianti di trattamento delle acque reflue con una percentuale di fanghi prevalentemente di provenienza propria, le proprietà dei fanghi variano solo in misura limitata tra il funzionamento estivo e quello invernale. Con un'alta percentuale di fanghi provenienti da impianti esterni, il funzionamento dell'impianto di monocombustione presenta difficoltà maggiori, poiché la portata dei fanghi disidratati deve essere regolata frequentemente all'ingresso dell'essiccatore, in funzione del contenuto di sostanza secca dei fanghi.

Ogni impianto di essiccamento è dimensionato in base alla capacità di evaporazione dell'acqua e non alla produzione di fanghi. Un minore contenuto di sostanza secca dei fanghi disidratati provoca una riduzione della portata a parità di velocità di evaporazione dell'acqua e viceversa. In questo contesto, è vantaggioso per il gestore poter contare su un sistema di misurazione della sostanza secca dei fanghi disidratati e dei fanghi parzialmente essiccati. Al fine di sgravare il personale operativo da tale compito, l'impostazione della portata sull'essiccatore a dischi deve essere completamente automatica e gestita da un sistema di controllo. Inoltre in tal modo viene migliorata l’azione combinata con la combustione a valle, che richiede un fango parzialmente essiccato con un potere calorifico il più possibile costante per un funzionamento stabile. L'incenerimento dei fanghi di depurazione parzialmente essiccati fornisce sufficiente energia termica sotto forma di vapore per l’essiccamento a dischi. A partire da una capacità termica dell'impianto di combustione di circa 3 MW, anche l’impiego di una turbina a vapore per la produzione di energia elettrica può rivelarsi economicamente vantaggioso.

Essiccamento totale

Negli anni '90, gli essiccatori a dischi per l'essiccamento totale, fino a oltre il 90% di sostanza secca, sono stati installati su impianti di trattamento delle acque reflue di grandi dimensioni, sprovvisti di combustione propria. In questo caso, tuttavia, una parte del materiale secco deve essere rimescolata con fanghi di depurazione disidratati, così da evitare la fase collosa critica all’interno dell’essiccatore. Il fango miscelato raggiunge così un residuo secco compreso tra il 60 e il 65% e può essere trasportato attraverso l'essiccatore senza causare problemi meccanici ed essere poi essiccato nel modo abituale. Tuttavia, a causa della mancanza di calore residuo, l'energia primaria sotto forma di olio o gas, spesso deve essere impiegata per generare vapore o per riscaldare l'olio diatermico. In caso di essiccamento totale, tra l'essiccatore e la fase di condensazione deve essere collegato un separatore di polveri, altrimenti si rischia il blocco del condensatore; il condensatore in ogni caso deve essere pulito più frequentemente.

Condensazione di vapore

La condensazione di vapore acqueo avviene direttamente mediante spruzzaggio o indirettamente attraverso uno scambiatore di calore a fascio tubiero. Esiste anche la possibilità di una condensazione a più stadi, in cui, ad esempio, i fanghi vengono preriscaldati nel primo stadio e utilizzati per aumentare il grado di disidratazione. Il secondo caso di scambio termico indiretto ha l’enorme vantaggio che il calore disperso ad un livello di temperatura più alto fino a 90 °C può essere utilizzato, ad esempio, per la fornitura di riscaldamento locale esterno.

Il trasferimento del calore durante la condensazione dei vapori è influenzato in modo significativo dalla quantità di aria che fuoriesce dai vapori. Quanto più basso è il flusso di massa d'aria di dispersione, tanto più efficace è la condensa. Le parti non condensabili della corrente dei vapori sono generalmente utilizzate come aria di combustione secondaria nell’essiccamento parziale con combustione a letto fluido a valle, a causa dell'elevato carico di odori.

La condensa di vapori è contaminata da ammonio e sostanze portatrici di COD come grassi, oli bianchi o acidi organici e deve essere trattata prima dell’adduzione indiretta nella canalizzazione fognaria.

Riepilogo

L'essiccatore a dischi HUBER RotaDry è un essiccatore robusto e compatto che presenta un'elevata capacità di evaporazione dell’acqua, rispetto al suo volume ed ingombro. È ideale per l’essiccamento parziale dei fanghi di depurazione e per l’azione combinata con un impianto di monocombustione a letto fluido. Completamente automatizzato, contribuisce ad alleggerire il carico di lavoro del personale operativo e all’ottimizzazione della combustione dei fanghi di depurazione.

Un'efficace essiccamento a dischi supporta la monocombustione dei fanghi di depurazione. Dalle ceneri, tramite digestione acida, può essere recuperata con relativa facilità un'alta percentuale di fosforo. Argomento questo di grande importanza per quanto riguarda il futuro obbligo di recupero del fosforo dagli impianti di trattamento delle acque reflue di medie e grandi dimensioni.