Le biomasse ESEMPIO IMPIANTISTICOdma.dima.uniroma1.it:8080/.../BiomasseCombustione.pdf · 2009. 5....

Università di Roma “La Sapienza”

Le biomasse

ESEMPIO IMPIANTISTICO


• La combustione è un processo di ossidazione rapido che avviene con emissione di luce e calore (fiamma) durante il quale l’energia chimica si trasforma (degradandosi) in energia termica.

• Generalmente la combustione avviene mediante ossigeno (comburente).

• Le sostanze che legandosi con l’ossigeno danno luogo alla combustione sono i combustibili.


• Come in tutte le reazioni chimiche esiste un determinato rapporto tra i reagenti (rapporto stechiometrico).

• La proporzione tra combustibile e comburente è fondamentale affinché il processo avvenga in modo ottimale.

• La combustione deve soddisfare le esigenze peculiari del processo (combustione per produzione di calore o per produzione di energia elettrica) e del tipo di combustibile (solido, liquido o gassoso).


• La reazione di combustione, la temperatura e le quantità di possibili inquinanti, vengono controllate mediante la regolazione dei flussi di combustibile e di comburente (aria).

• È necessario evidenziare che il comburente ossigeno è immesso nella camera di combustione come aria cioè una miscela di gas nella quale l’ossigeno rappresenta solo il 21%.


• La proporzione tra combustibile e comburente permette di controllare:

• La temperatura dei fumi,

• La temperatura delle ceneri,

• La percentuale di incombusti,

• Le percentuali di possibili inquinanti,

• La composizione dei fumi.


• Nel seguito si fa riferimento ad un esempio nel quale viene valutata la quantità d’aria necessaria alla combustione di biomasse (miscela composta da diverse tipologie).

• La quantità di aria è stimata in modo da garantire i seguenti obiettivi:

•Completa combustione,

•Raggiungimento di una temperatura compresa tra 850 e 900 °C,

•Tenore di ossigeno nei fumi > del 6% in peso.


ESEMPIO

Composizione percentuale del mix combustibile ante disidratazioneTipo biomassa %SCARTI PULPER CARTIERA 65SCARTI FILIERA LEGNO 30SCARTI FILIERA TESSILE 5

Portata Nominale combustibile kg/s 5,2t/h 19

t/giorno 449


ESEMPIOAnalisi chimica percentuale in peso sostanza secca

Tipo biomassaCarbo nio %

Idrog eno %

Oss ogen o %

Azoto %

Cloro %

Zolfo % Inquinanti %

Ceneri %

Umidi tà %

PCI SECCO KCAL/K

G

PCI T.Q. KCA L/KG

SCARTI PULPER CARTIERA 50,32 8,8831,5

4 0,13 0,35 0,03 1,00 7,75 65,00 4790 1288

SCARTI FILIERA LEGNO 47,77 6,0938,6

8 4,43 0,19 0,14 1,00 1,70 20,50 3900 2978

SCARTI FILIERA TESSILE 59,50 6,7911,0

3 18,59 0,55 1,14 1,00 1,40 7,00 5350 4934

Analisi chimica percentuale in peso sostanza secca (mix combustibile)


Idrog eno %

Osso geno

%Azoto

%Cloro

%Zolfo

% Inquinanti %Ceneri

%Umidi tà %

PCI SECCO KCAL/K

G

PCI T.Q. KCA L/KG

MIX COMBUSTIBILE 50,00 7,00 34,10 2,00 0,40 0,50 1,00 5,00 48,75 4551 2041


ESEMPIO

DISIDRATAZIONE

Umidità dopo disidratazione 40 t/giorno

Acqua totale pulper kg/s 2,20 190

Materia secca pulper kg/s 1,18 102

Acqua spurgata 1,41 122

Acqua finale in pulper 0,79 68


ESEMPIOAnalisi chimica percentuale in peso sostanza secca (mix combustibile)

Tipo biomassaC%

H2%

O2%

N2 %

Cl%

S%

Inquinanti%

Ceneri%

Umidità %

PCI SECC

O KCAL/

KG

PCI T.Q. KCA L/KG

MIX COMBUSTIBILE 49,9 7,6 33,1 3,1 0,3 0,1 1,0 4,8 29,7 4462 2959

Umido 35,1 5,3 23,2 2,2 0,2 0,1 0,7 3,4 29,7

Composizione Aria MASSA VOLUME

Ossigeno O2 23,2 21,0

Azoto N2 76,8 79,0

Totale 100,0 100,0


ESEMPIO

Composizione percentuale del mix combustibile post disidratazione (secco)

Tipo biomassa %

SCARTI PULPER CARTIERA 0,52

SCARTI FILIERA LEGNO 0,41

SCARTI FILIERA TESSILE 0,07Analisi chimica percentuale in peso sostanza secca


Idrog eno %

Osso geno

%Azoto

%Cloro

%Zolfo

% Inquinanti %Ceneri

%Umidi tà %

PCI SECCO KCAL/K

G

PCI T.Q. KCA L/KG

SCARTI PULPER CARTIERA 50,32 8,88 31,54 0,13 0,35 0,03 1,00 7,75 40,00 4790 2635

SCARTI FILIERA LEGNO 47,77 6,09 38,68 4,43 0,19 0,14 1,00 1,70 20,50 3900 2978

SCARTI FILIERA TESSILE 59,50 6,79 11,03 18,59 0,55 1,14 1,00 1,40 7,00 5350 4934


ESEMPIO

REAZIONI DI COMBUSTIONEkmoli di O2 nec.

C + O2 = CO2 12H2 + O2 = 2 H2O 0,5S + O2 = SO2 1H2 +CL2 = 2HCL


ESEMPIO

kmoli di O2 per kg di T.Q. 0,035kg di O2 per kg di T.Q. 1,126Ossigeno stechiometrico kg/s 4,27Portata aria stechiometrica kg/s 18,41 18,48Portata aria stechiometrica Nm3/h 51251,543 Nm3/h kg/sINDICE ARIA N = ARIA EFFETTIVA/ARIA TEORICA 2,1ARIA EFFETTIVA = N*ARIA TEORICA 107628 37,7Portata fumi NMC per kg di T.Q. 8,54


ESEMPIO

COMPOSIZIONE FUMI ARIA STANDARD STECHIOMETRICA

kmoli per kg di T.Q. kg/s NMC/s Nmc/h % IN PESO

% IN VOLU

ME

CO2 0,03 4,87 2,46 8.860 11,82 7,60

H2O 0,04 2,93 3,81 13.717 7,12 11,76

SO2 0,00 0,01 0,00 10 0,02 0,01

N2 1,03 28,93 22,96 82.658 70,20 70,89

O2 0,24 4,47 3,15 11.353 10,84 9,74

TOTALE 41,21 32,39 116.598 100,00 100,0


ESEMPIO°C N2 CO2 O2 Aria H2O

Calore sensibile kcal/kg

206,00 51,32 45,43 46,13 - 92,99 53,01 207,00 51,57 45,67 46,36 - 93,46 53,28

208,00 51,82 45,91 46,59 - 93,93 53,54 209,00 52,07 46,15 46,83 - 94,39 53,81 210,00 52,33 46,39 47,06 - 94,86 54,07 211,00 52,58 46,63 47,29 - 95,32 54,33 212,00 52,83 46,87 47,52 - 95,79 54,60 213,00 53,08 47,12 47,75 - 96,26 54,86 214,00 53,34 47,36 47,99 - 96,72 55,13 215,00 53,59 47,60 48,22 - 97,19 55,39 216,00 53,84 47,84 48,45 - 97,65 55,66 217,00 54,09 48,08 48,68 - 98,12 55,92 218,00 54,35 48,32 48,91 - 98,58 56,18 219,00 54,60 48,56 49,14 - 99,05 56,45

________________________________________________________________________Università di Roma “La Sapienza”

PULPER DI CARTIERA CARATTERISTICHE• La peculiarità del pulper di cartiera è rappresentata dall’elevato contenuto di umidità, questo ne degrada la sua attitudine allo sfruttamento energetico come combustibile solido.


PULPER DI CARTIERA POTENZIALITÀ

• Il PCI del pulper nel passaggio dal 65% al 40% di umidità, aumenta notevolmente praticamente raddoppiando.

• In tali condizioni le potenzialità energetiche aumentano risultando molto maggiori, infatti si calcola che la quantità di energia disponibile in Italia risulta pari a 2.700 Tcal/anno (corrispondenti a 3 TWh termici l’anno) e a 600 GWh elettrici.


IMPIANTO DI TERMOVALORIZZAZIONE 10 MWe

Portata combustibile tal quale t/h 19

Portata combustibile trattato t/h 13

Potenza termica MW 46,9

Portata fumi (umidi) Nm3/h 120.000

Temperatura adiabatica di combustione °C 1.000

Rendimento globale caldaia % 80,0

Portata vapore t/h 50

Rendimento turbina % 32,6

Potenza turbina MW 12,2

Eccesso d’aria 2

Aria primaria Nm3/h 60.000

Aria secondaria Nm3/h 48.000

Temperatura fumi uscita caldaia °C 200

Producibilità elettrica lorda annua GWh/anno 91,3

Producibilità elettrica annua al netto degli autoconsumi GWh/anno 76,3


IMPIANTO DI TERMOVALORIZZAZIONE 10 MWe• Al fine di illustrare globalmente l’impianto, si propone una suddivisione in più sezioni:

• Ricevimento;• Stoccaggio e preparazione combustibile;• Combustione;• Sezione di recupero termico;• Ciclo vapore e produzione energia elettrica;• Trattamento fumi;• Sezione inertizzazione e smaltimento scorie;• Sezione di controllo e regolazione;• Servizi ausiliari.


SEZIONE DI RICEZIONE PRETRATTAMENTO E STOCCAGGIO


SEZIONE DI RICEZIONE PRETRATTAMENTO E STOCCAGGIO

Campione misto % s.s.

Carbonio 50,0

Idrogeno 7,0

Ossigeno 34,1

Azoto 2,0

Cloro 0,4

Zolfo 0,5

Umidità sul t.q. 48,7

Ceneri sul t.q. 5,0

PCI sul secco 4.550

PCI sul t.q. 2.041

Materie volatili % t.q. 90,0

• Il combustibile in ingresso viene ricevuto in camion e pesato.• I mezzi depositano il materiale nella zona di stoccaggio e preparazione combustibile.• Il combustibile depositato nelle aree apposite di un edificio dedicato, viene prima movimentato mediante pale gommate e successivamente inviato alle linee di trattamento.• Dopo una serie di trattamenti, le tre tipologie di biomassa vengono miscelate al fine di ottenere un mix omogeneo.


SEZIONE COMBUSTIONE

• Il combustibile trasferito con continuità 24 ore/giorno dall'edificio stoccaggio nella tramoggia di caricamento è spinto all'interno della camera di combustione da uno spintore.• II combustibile, durante lo spostamento sulla griglia, subisce una serie di reazioni chimico-fisiche che provocano la sua completa combustione.• La griglia è del tipo raffreddata ad acqua, garantendo ne una limitata usura nel tempo.• Le scorie di combustione sono raccolte da un estrattore a bagno d'acqua che svolge la funzione di sigillo caldaia e raffreddatore delle scorie.• La camera di combustione opera ad una temperatura superiore agli 850 °C.


SEZIONE RECUPERO TERMICO

• I fumi di combustione effluenti dalla camera di combustione e dalla camera di post-combustione ad una temperatura di 850 °C

1.000 °C entrano nella caldaia.

• Tale parte del termoutilizzatore è costituita da n. 3 canali ad irraggiamento ed un successivo finale dove sono posizionati i fasci tubieri (evaporatori, surriscaldatori ed economizzatori).• L'acqua di alimento entra ad una temperatura di 130°C; il vapore è prodotto ad una pressione di 43 bar ed una temperatura di 415 °C.


SEZIONE COMBUSTIONE E RECUPERO TERMICO


SEZIONE RECUPERO ENERGETICO

• La sezione di recupero energetico è costituita da un tradizionale ciclo termico nel quale il vapore prodotto dalla caldaia è inviato in una turbina ad espansione.• Il vapore “esausto” viene condensato in un condensatore ad aria.• La condensa così ottenuta viene rinviata in ciclo per il ripristino della circuitazione condensa-caldaia-vapore- turbina-condensatore.• Alla turbina è collegato un generatore di tipo sincrono trifase che al massimo del carico produce 12,5 MWe.


SEZIONE RECUPERO ENERGETICO


SEZIONI AUSILIARIE• L'impianto, oltre agli apparati specifici al ciclo di utilizzo combustibile e produzione energia elettrica, è dotato di una serie di impianti ausiliari che assicurano il funzionamento, la flessibilità operativa e la completa armonizzazione funzionale delle varie parti. Tra i più significativi:

•impianto di stoccaggio calce e carbone attivo;•impianto di produzione e distribuzione acqua demi;•sistemi di dosaggio reagenti chimici;•stazione di compressione e distribuzione aria compressa;•stoccaggio e distribuzione acqua per usi tecnologici;•stoccaggio e distribuzione acqua antincendio;•sistemi di rilevazione antincendio - attrezzature antincendio;•ricezione e distribuzione gas metano per usi industriali e civili;•impianto di raffreddamento ad acqua in ciclo chiuso;•raccolta e riutilizzo acque reflue;•sistemi elettrici ausiliari (Inverter - UPS, etc.);•gruppo elettrogeno;•impianti elettrici di B.T. e M.T.


SEZIONI RICEZIONE, PRETRATTAMENTO E STOCCAGGIO• La linea di pretrattamento e preparazione combustibile è realizzata da una serie di macchinari in cui la biomassa viene “processata” modificarne le sue caratteristiche chimico-fisiche aumentando le prestazioni globali di impianto.• Il processo di trattamento del combustibile è finalizzato ad ottenere una miscela che abbia le seguenti caratteristiche:

•Ridotta umidità:Il contenuto energetico intrinseco del combustibile è alla base del processo è dipende linearmente dall’umidità, qualora il combustibile non fosse abbastanza “potente” da garantire il raggiungimento delle temperature richieste sarebbe necessario intervenire o riducendo l’eccesso d’aria, o sostenendo il processo con un combustibile convenzionale (di solito gas).• Ridotta pezzatura: Le dimensioni dei “pezzi” di biomassa influenzano in modo diretto la combustione; una ridotta pezzatura corrisponde ad una maggiore superficie di contatto tra la biomassa (solido) ed il gas comburente, migliorado il rendimento di combustione riducendo al minimo gli incombusti .• Omogeneità: L’introduzione in caldaia di un combustibile eterogeneo da luogo ad disomogeneità di condizioni di lavoro della caldaia ed in particolare sulla griglia.


SEZIONI RICEZIONE, PRETRATTAMENTO E STOCCAGGIO


SEZIONE RICEZIONE E INERTIZZAZIONE SCORIE

• L’impianto di stabilizzazione delle polveri e delle ceneri è adatto a soddisfare e risolvere le problematiche inerenti alla gestione di tali rifiuti attraverso una soluzione tecnologica all’avanguardia sviluppata con una ricerca mirata adatta sia ad impianti tradizionali, sia ad impianti pilota.• L’impianto di stabilizzazione/solidificazione è rappresentato da una linea di trattamento in continuo completa dei sistemi idonei alla gestione dei rifiuti che comprendono il dosaggio, il trattamento e i servizi ausiliari.• Il sistema di alimentazione del materiale da stabilizzare è costituito da macchine, che operano una miscelazione del rifiuto rendendolo idoneo al successivo trattamento nel reattore in continuo.• Il trattamento genera un rifiuto può essere idoneo allo smaltimento in discarica e/o al recupero.


SEZIONI RICEZIONE INERTIZZAZIONE SCORIE


TRATTAMENTO FUMI• I fumi di combustione provenienti dalla caldaia ad una temperatura di circa 200 °C entrano nell’unità di abbattimento primaria ceneri volanti costituita dal PRECIPITATORE ELETTROSTATICO.• Come secondo stadio di depurazione fumi è previsto un sistema a REATTORE A SECCO, FILTRO A MANICHE, completo di unità di stoccaggio del reattivo assorbente NaHCO3 , unità di stoccaggio e sistema di dosaggio del carbone attivo.• L’originario tenore di NOx, prodotto nella camera di combustione e stimato in 250

400 mg/Nmc, è riportato entro i

limiti massimi della norma mediante un sistema SCR (Selective Catalytic Reduction – Riduzione Catalitica Selettiva).


TRATTAMENTO FUMI

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