Mass and energy balances of a waste to energy plant through the use of Monte Carlo simulation

In the light of the waste management framework set by the EU (European Union) normative on environmental protection, waste incineration is the only industrial-scale available option for the (energy) recovery of waste when re-use or recycle are not applicable. This is why waste incinerators are often named Waste-to-Energy (WtE) or Energy-from-Waste (EfW) plants. Modern waste incinerators are well-controlled plants able to achieve good performances in various operating conditions, since the characteristics of the treated waste vary continuously and there is no simple way of determining / controlling them prior the waste is fed and burn in the combustor. In other words, they are plants designed to warrant more flexibility rather than performances. After the treatment (i.e. the incineration), the properties of the treated waste can be determined basisd on the large number of operating variables measured to control the plant. They allow drawing the mass and energy balances of the combustor(s)-boiler(s) assembly, determining both the elemental composition (C, H, O, N, etc.) and the energy content (i.e. LHV = Lower Heating Value) of the treated waste. However, the available measures are usually affected by appreciable uncertainty and the determination of the characteristics of the treated waste can become difficult. Often, the solution of mass and energy balances leads to negative or anomalously high concentrations of certain species (in particular N), pointing out the presence of an unlucky combination of deviations of the operating parameters measures from their actual (or most probable) values. The problem is rather well-known, and it is handled by two commercially-available software packages aimed at assessing the quota of renewable energy produced by WtE plants (basisd on the biogenic or fossil nature of the associated carbon content). Both such programs are basisd on a least-square method for the reconciliation of the measured operating parameters, which is described in the recent ISO 18466 norm. This thesis work is aimed at assessing the potential of an alternative method for determining the characteristics of the waste treated by a WtE plant: the measured variables are treated as statistical distributions from which values are extracted randomly, originating a huge number of combinations (i.e. carrying out a Monte Carlo simulation of the plant operation). Only some of them are possible, basisd on several constraints the properties of waste must respect. This gives possible statistical distributions for the final results (elemental composition, LHV) as well as for the measured variables (after purging the initial statistical distributions form values that give rise to impossible combinations). Therefore, the Thesis is composed of two parts: (i) a survey of the properties of a number of solid materials that can be present in the waste, to define the constraints waste characteristics must respect; (ii) the Monte Carlo simulation of the operation of a WtE plant, basisd on a real case, with the determination of the probable properties of the treated waste. Results show that the method can work, giving outcomes comparable with those of the aforementioned commercial programs. However, large deviations of some measures cannot be managed, requiring an integration with a reconciliation mechanism, which represent a possible future work.

Alla luce del sistema di gestione dei rifiuti fissato dalla normativa dell'UE (Unione europea) sulla protezione dell'ambiente, l'incenerimento dei rifiuti è l'unica opzione disponibile su scala industriale per il recupero (energetico) dei rifiuti quando il riutilizzo o il riciclaggio non sono applicabili. Per questo motivo gli inceneritori di rifiuti sono spesso denominati impianti Waste-to-Energy (WtE), Energy-from-Waste (EfW), o termovalorizzatori. I moderni inceneritori di rifiuti sono impianti ben controllati, in grado di realizzare buone prestazioni in varie condizioni operative, dato che le caratteristiche dei rifiuti trattati variano continuamente e non esiste un semplice modo di determinare / controllare tali caratteristiche prima che i rifiuti siano alimentati al combustore e bruciati. In altre parole, sono impianti progettati per garantire più flessibilità che prestazioni. Dopo il trattamento (cioè l'incenerimento), le proprietà dei rifiuti trattati possono essere determinate sulla basis del gran numero di variabili operative misurate per controllare l'impianto. Tali variabili consentono di definire i bilanci di massa e di energia dell’insieme combustore(i)-caldaia(e), determinando sia la composizione elementare (C, H, O, N, ecc), sia il contenuto di energia (cioè il PCI = Potere Calorifico Inferiore) dei rifiuti trattati. Tuttavia, le misure disponibili sono di solito influenzate da apprezzabile incertezza e la determinazione delle caratteristiche dei rifiuti trattati può diventare difficile. Spesso, la soluzione dei bilanci di massa e di energia porta a concentrazioni negative o eccessivamente elevate di alcune specie (in particolare N), evidenziando la presenza di una sfortunata combinazione di scostamenti delle misure dei parametri operativi dai loro valori effettivi (o più probabili). Il problema è piuttosto ben noto, ed è gestito da due software commercialmente disponibili finalizzati a valutare la quota di energia rinnovabile prodotta da impianti WtE (sulla basis della natura biogenica o fossile del contenuto di carbonio associato). Entrambi questi programmi sono basati su un metodo ai minimi quadrati per la riconciliazione dei parametri di funzionamento misurati, che è descritto nella recente norma ISO 18466. Questo lavoro di Tesi mira a valutare il potenziale di un metodo alternativo per la determinazione delle caratteristiche dei rifiuti trattati da un impianto WtE: le variabili misurate sono trattate come distribuzioni statistiche da cui sono estratti valori in modo casuale, originando un elevato numero di combinazioni (cioè realizzando una simulazione Monte Carlo del funzionamento dell'impianto). Solo alcune tra tali combinazioni sono possibili, in virtù di diversi vincoli che le proprietà dei rifiuti devono rispettare. In questo modo si definiscono possibili distribuzioni statistiche per i risultati finali (composizione elementare, LHV) così come per le variabili misurate (dopo l'epurazione delle distribuzioni statistiche iniziali dei valori che originano combinazioni impossibili). Pertanto, la Tesi è composta da due parti: (i) un'indagine sulle proprietà di una serie di materiali solidi che possono essere presenti nei rifiuti, in modo da definire i vincoli che le proprietà dei rifiuti devono rispettare; (ii) la simulazione Monte Carlo del funzionamento di un impianto WtE, basata su un caso reale, con la determinazione delle probabili proprietà dei rifiuti trattati. I risultati mostrano che il metodo può funzionare, dando esiti comparabili a quelli dei suddetti programmi commerciali. Tuttavia, grandi scostamenti di alcune misure non possono essere gestite, richiedendo un'integrazione con un meccanismo di riconciliazione. Tale integrazione costituisce uno spunto per possibili lavori futuri.