Aluminium recovery from MSWI bottom ash

Recovering aluminium and other non-ferrous metals from waste incineration bottom ash has become a common practice in the last decades. The concentration of these metals in the bottom ash can be higher than that in the ore, making their recovery advantageous from an economical point of view. In addition, significant environmental benefits are associated to their recycling, and their separation is crucial in view of the recovery of the inert fraction of the bottom ash. Despite metals recovery is a common practice, the correct design of the treatment plant is a hard task, since it requires to know how much aluminium is in the ash and what are its main characteristics, in terms of dimensional classification of the lumps and of their quality, expressed by the oxidation level and the presence of other non-ferrous metals. During this research project, three areas regarding aluminium recovery from the bottom ash were explored: • The aluminium behaviour in waste-to-energy furnaces. Aluminium mass balance in waste-to-energy (WTE) plants was experimentally investigated, allowing to estimate the actual amount of aluminium present in the bottom ash in the metallic form, i.e. its recoverable form; • The recovery of aluminium from the bottom ash fine fraction (< 5 mm); • The perspective for aluminium recovery from bottom ash in Italy in the next 10-20 years. The estimation of the aluminium mass balance in the furnace of waste-to-energy plants and of its partitioning in the residues of the combustion process is fundamental to assess the actual amount of aluminium that can be recovered from the bottom ash. In fact, current technologies are able to recover only the aluminium fragments bigger than 1 mm. In addition, during the combustion process, the scraps contained in the waste undergo degradation and oxidation processes that determine a loss of their recoverable mass from the bottom ash. Thus, the knowledge of the oxidation level of the aluminium in the combustion residues is another necessary information. The extent of the fragmentation and oxidation processes that take place during combustion is strictly related to the structure and the mechanical properties of the material. The experimental investigation conducted within the research project in two full-scale WTE plants shows that the recovery of aluminium from the incineration residues increases proportionally to aluminium thickness in the tested Al input raw materials. About 81% of the aluminium in the cans can be recovered from the bottom ash and then recycled as secondary aluminium, but this amount decreases to 51% when trays are considered, 27% for a mix of aluminium and poly-laminated foils and 47% for paper-laminated foils. Foils (Al thickness 10-42 μm) and trays (50 μm) are characterised by lower aluminium recovery yields if compared with beverage cans (90-250 μm), due to a stronger fragmentation on the combustion grate and thus the formation of smaller lumps that are lost within the fine fractions. These values also suggest that the paper used in the paper-laminated foil improves the mechanical strength of the aluminium foil. In the residual waste, aluminium can be present as packaging or as other materials (like pots, for instance). The amount of aluminium recoverable from the bottom ash is therefore influenced by the waste composition and, thus, by the efficiency of the separated collection applied upstream within the waste management system. Considering the typical composition of the unsorted waste in Northern Italy, only 26-37% of the Al fed to the furnace of the incineration plant can be recovered from the bottom ash. This corresponds to an amount of secondary aluminium potentially producible equal to about 21-23% of the aluminium fed to the furnace. These values refer to a situation where most of the aluminium in the residual waste concentrates in the fine fraction of the bottom ash (< 1 mm) and cannot be recovered, since it consists mainly of flexible packaging like the foil. Where the separated collection of waste is less efficient, the amount of aluminium in the residual waste can be higher and also its composition can be different, with a prevailing presence of rigid packaging materials. This may result in a greater amount of aluminium potentially recoverable from the ash. Aluminium recovery from the bottom ash is particularly difficult when the lumps produced during the combustion process are smaller than 5 mm. In fact, the standard Eddy current separators (ECS) for non-ferrous metals recovery usually installed in the plants, have a good separation efficiency only for lumps bigger than 4-5 mm. The analysis of the bottom ash < 4 mm sampled in a Swedish WTE bottom ash treatment plant showed that only 3% of the total aluminium in the ash, corresponding to about 21% of the metallic aluminium, can be potentially recovered from the ash and recycled as secondary aluminium. Despite the modest amount of aluminium in the fine fraction, improving metal recovery from such a fraction, by including a grinding stage and advanced ECS in the plant layout, is economical advantageous. In fact, aluminium recovery yield can increase by about 200% with a corresponding direct enhancement of revenues of about 2 Euros per ton of treated bottom ash. Based on the recovery efficiency previously reported, a forecasting model was developed for evaluating the amount of aluminium scraps potentially recoverable. The model, applied for estimating the situation expected for Italy in the years 2015 and 2020, results in prospected recoveries of about 16,300-24,900 tonnes of aluminium in 2015, with an increase to 19,300-34,600 tonnes in 2020. This corresponds to an amount of secondary aluminium potentially producible included between 11,300-17,300 tonnes in 2015 and 13,400-24,000 tonnes in 2020. Considering that the bottom ash treatment plants currently installed in Italy have a capacity less than half of what will be needed in the future, a good opportunity of development is present in our Country. Extended applications of recovery options should, thus, be considered as a viable opportunity for enhancing materials recycling from waste to energy in our Country, with positive contributions in the improvement of sustainability related issues in the waste management sector.

Il recupero dell’alluminio e dei rottami non-ferrosi dalle scorie di incenerimento dei rifiuti è diventata una pratica diffusa negli ultimi anni. La concentrazione di tali metalli nelle scorie può, infatti, essere superiore a quella in natura, rendendone economicamente vantaggioso il recupero. Bisogna, inoltre, pensare ai benefici ambientali associati al riciclo di questi metalli e ai vantaggi tecnici della loro separazione in vista del successivo recupero della frazione inerte delle scorie. Sebbene il recupero dei metalli dalle scorie sia una pratica diffusa, la corretta configurazione dell’impianto di trattamento è piuttosto complessa. Molte informazioni sono infatti necessarie, quali l’effettiva quantità di alluminio nelle scorie e le sue principali caratteristiche, in termini di classificazione granulometrica e qualità. In particolare è necessario conoscere il livello di ossidazione dei rottami recuperabili e la presenza di altri metalli non-ferrosi oltre all’alluminio. Il lavoro svolto nell’ambito del progetto di ricerca ha indagato tre aspetti fondamentali del recupero dell’alluminio dalle scorie di incenerimento di rifiuti: • Il comportamento dell’alluminio nei forni degli impianti di incenerimento di rifiuti urbani. E’ stato valutato il bilancio di massa dell’alluminio, col fine di definire la quantità di alluminio presente nelle scorie in forma metallica e perciò recuperabile e riciclabile; • Il recupero dell’alluminio dalla frazione fine delle scorie (< 5 mm); • I quantitativi di alluminio potenzialmente recuperabili dalla scorie italiane in un arco temporale di 10-20 anni. La valutazione del bilancio di materia dell’alluminio nei forni degli impianti di incenerimento e della sua ripartizione fra i residui della combustione risulta essenziale per definire i quantitativi di alluminio recuperabili dalle scorie. Infatti, le tecnologie correnti sono in grado di recuperare solamente i noduli di alluminio di dimensione superiore al mm. Oltre a ciò, durante la combustione, i rottami in alluminio presenti nel rifiuto subiscono processi di ossidazione e volatilizzazione che ne riducono la massa recuperabile dalle scorie e riciclabile. La conoscenza del livello di ossidazione dell’alluminio nei residui della combustione è, perciò, un’informazione fondamentale per il corretto dimensionamento di un impianto di trattamento delle scorie. L’entità dei processi di frammentazione e ossidazione è strettamente legata alla struttura e alle proprietà meccaniche dei materiali. Le analisi sperimentali effettuate nel corso del progetto di ricerca su due impianti di incenerimento italiani hanno mostrato che la quantità di alluminio recuperabile dalle scorie aumentata all’aumentare dello spessore dell’imballaggio. Circa l’81% dell’alluminio nelle lattine può essere recuperato dalle scorie e successivamente riciclato come alluminio secondario, ma questa quantità si riduce al 51% per le vaschette, al 27% per un mix di imballaggi sottili (foglio in alluminio e foglio poli-accoppiato) e al 47% per il foglio poli-accoppiato con carta. I fogli e le vaschette, di spessore rispettivamente pari a 10-42 μm e 50 μm, sono caratterizzati da una minore efficienza di recupero rispetto alle lattine, il cui spessore è pari a 90-250 μm. Ciò è dovuto alla loro maggiore frammentazione sulla griglia di combustione e alla formazione di noduli più piccoli che si concentrano nella frazione più fine delle scorie. Questi valori suggeriscono, inoltre, che la carta usata nei fogli poli-accoppiati incrementa la resistenza meccanica del foglio in alluminio. Nel rifiuto indifferenziato, l’alluminio può essere presente sia come imballaggio che sottoforma di altri oggetti, come caffettiere e pentole. La quantità di alluminio recuperabile dalle scorie è, perciò, influenzata dalla composizione del rifiuto e, quindi, dall’efficienza della raccolta differenziata. Considerando la tipica composizione del rifiuto indifferenziato nel nord Italia, circa il 26-37% dell’alluminio alimentato ai forni degli impianti di incenerimento può essere estratto dalle scorie. Ciò corrisponde a una quantità di alluminio secondario producibile pari a circa il 21-23% dell’alluminio alimentato al forno. Questi valori si riferiscono ad una situazione dove, a fronte di un’efficiente raccolta differenziata dei rifiuti urbani, la maggior parte dell’alluminio è presente nel rifiuto indifferenziato come imballaggio sottile e quindi si concentra nella frazione fine delle scorie (< 1 mm). Quando la raccolta differenziata è meno efficiente, come in altre regioni italiane, la quantità di alluminio nel rifiuto può essere maggiore e anche le caratteristiche possono essere diverse, con una prevalente presenza degli imballaggi rigidi. In una tale situazione, i quantitativi di alluminio recuperabili dalle scorie potrebbero essere superiori. Il recupero dell’alluminio dalle scorie diventa particolarmente complesso quando i noduli hanno dimensione inferiore ai 5 mm. Infatti, le tecnologie tradizionali a correnti indotte, comunemente installate negli impianti di trattamento delle scorie, hanno buone efficienze di recupero solo per i noduli di dimensione superiore a 4-5 mm. L’analisi delle scorie di incenerimento di dimensione inferiore a 4 mm, campionate in un impianto di trattamento svedese, ha mostrato che solamente il 3% dell’alluminio totale presente nella scoria, equivalente al 21% dell’alluminio metallico, può essere recuperato dalle scorie e riciclato come alluminio secondario. Nonostante i modesti quantitativi in gioco, incrementare il recupero dell’alluminio dalla frazione fine delle scorie, con l’introduzione di stadi di triturazione e di tecnologie a correnti indotte più avanzate, è economicamente vantaggioso. Il tasso di recupero dell’alluminio aumenta, infatti, di circa il 200%, con un guadagno netto di circa 2 euro per tonnellata di scoria trattata. Basandosi sui tassi di recupero prima riportati, è stato sviluppato un modello previsionale per valutare i quantitativi di alluminio potenzialmente recuperabili dalle scorie in Italia al 2015 e al 2020. I risultati mostrano che circa 16,300-24,900 tonnellate di alluminio potranno essere recuperate nel 2015 e questa quantità potrà aumentare a 19,300-34,600 tonnellate nel 2020. Ciò corrisponde ad un quantitativo di alluminio secondario potenzialmente producibile incluso tra 11,300 e 17,300 tonnellate nel 2015 e 13,400-24,000 tonnellate nel 2020. La capacità di trattamento delle scorie attualmente presente sul nostro territorio risulta, però, essere meno della metà di quella necessaria in futuro per poter trattare tutte le scorie di incenerimento prodotte. Il trattamento delle scorie appare, dunque, un settore con un’elevata possibilità di sviluppo. Estendere le opzioni di trattamento e recupero a tutte le scorie di incenerimento prodotte nel nostro paese può, dunque, essere considerata come un’ottima opportunità per incrementare il recupero e il riciclaggio di materiali nell’ambito del trattamento energetico dei rifiuti, con ripercussioni positive sulla sostenibilità del settore rifiuti.