REPOWERING DI IMPIANTI PER IL RECUPERO ENERGETICO CON TECNOLOGIA A BASSO COSTO A. Bianchini – C. Saccani DIEM – Facoltà di Ingegneria – Università di Bologna cesare.saccani@unibo.it Sommario L’Università di Bologna in collaborazione con HERA S.p.A. ha condotto un’attività di ricerca su di un impianto sperimentale per il trattamento a caldo dei fumi di combustione da rifiuti solidi urbani (RSU). L’impianto, appositamente progettato ed unico nel suo genere, utilizza fumo e vapore del termovalorizzatore di Hera (Forlì) ed è in grado di effettuare lo scambio termico tra i due fluidi ad una temperatura relativamente elevata del vapore, senza rinunciare ad una vita utile accettabile del surriscaldatore. L’impianto sperimentale realizza il trattamento dei fumi di combustione negli stessi letti fluidi di carbonato di calcio in cui sono immersi i surriscaldatori. L’analisi dei dati, dopo tre anni di sperimentazione, ha mostrato eccellenti risultati sia dal punto di vista economico, per l’incremento di efficienza dell’impianto, sia dal punto di vista ambientale (a parità di energia prodotta) per la mancata emissione inquinante in altro luogo e per l’imposizione di un limite massimo di concentrazione degli acidi presenti nei fumi all’uscita del trattamento. In questo articolo vengono mostrati i risultati della seconda parte dell’attività di ricerca svolta sull’impianto sperimentale ed in particolar modo su di un letto fluido fisso di CaCO3 (carbonato di Calcio) ad attraversamento verticale. L’attività qui descritta rappresenta la continuazione di quella svolta presso lo stesso impianto, ma su di un letto fluido fisso ad attraversamento orizzontale. 1. Introduzione La ricerca nasce con la finalità di migliorare l'efficienza dei recuperi di energia elettrica degli impianti di termovalorizzazione, riducendo il carico inquinante dei fumi di combustione, con particolare riferimento alle componenti acide, così da poterne utilizzare meglio l'apporto energetico innalzando la temperatura massima del vapore surriscaldato [1]. Un aumento di temperatura fino a 430 – 450°C, dai 370 – 380°C che solitamente si incontrano negli impianti tradizionali, offre un notevole incremento percentuale dell'efficienza del ciclo di produzione di energia elettrica, con evidenti vantaggi sia dal punto di vista ambientale, sia dal punto di vista economico. Questo articolo riferisce sull’attività di ricerca svolta [1]: dopo una prima fase di messa a punto e di marcia, sono state portate a termine le prime campagne di sperimentazione [2] che hanno reso possibile giungere ad alcuni risultati che confermano le previsioni teoriche. La continuazione dell’attività sperimentale ha permesso di confrontare nuove configurazioni di letto fluido con quelle già testate. In figura 1 sono riportati lo schema [1] ed alcune foto dell’impianto.

Piping del vapore surriscaldato Percorso dei fumi Sezione del ciclone di separazione e della soffiante di ricircolo

Fig. 1: schema dell’impianto sperimentale e vista di alcuni particolari

2. Introduzione alla corrosione a caldo E’ stato analizzato il serpentino surriscaldatore della linea 1 del termovalorizzatore di Forlì, che si è forato proprio durante la campagna sperimentale ed è stata misurata la velocità di corrosione che risulta:

V corr 380 °C = 2,7 mm/anno

Per ottenere la curva che esprime l’andamento della velocità di corrosione in funzione della temperatura del vapore surriscaldato per l’impianto in funzione al termovalorizzatore di Forlì, dove i fumi presentano una concentrazione di HCl = 635 ppm, si è partiti riferendosi a dati sperimentali [2,3] (curva b in rosso in figura 2).

Soffiante di ricircolo

Particolato

Fumi Dalla post-

combustione

Al trattamento

Fig. 2: Andamento della velocità di corrosione in funzione della temperatura per una concentrazione di HCl rispettivamente di: a) HCl=2000 ppm, b) HCl=635 ppm. La curva con concentrazione di HCl=635 ppm è stata determinata traslando il grafico che esprime l’andamento con concentrazione di HCl=2000 ppm ricavato sperimentalmente. In verde viene indicato il punto sperimentale corrispondente ad una velocità di corrosione di 2,7 mm/a e a 380°C di temperatura.

3. Analisi dei dati sperimentali: letto fluido fisso ad attraversamento verticale Il serpentino del letto fisso verticale dell’impianto sperimentale ha prodotto vapore surriscaldato nelle condizioni mostrate in tabella 1.

Intervallo di temperatura [°C]

Tempo di funzionamento ti [ore]

Temperatura media nell'intervallo Tmi [°C]

380-400 86 390 400-410 45 405 410-420 75 415 420-430 87 425

>430 110 440 Tabella 1: Tempo di funzionamento nei differenti intervalli di temperatura ricavati durante la sperimentazione.

Dalle misure effettuate sulla riduzione dei diametri dei serpentini (tabella 2) viene determinato l’andamento della velocità di corrosione relativa all’impianto sperimentale con trattamento a caldo dei fumi alle seguenti condizioni di funzionamento:

0

5

10

15

20

25

30

35

40

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650Temperatura (°C)

Vel

ocità

di c

orro

sion

e

(m

m/a

)

a) HCl = 2000 ppm

b)HCl = 635 ppm

2,7

380

Intervallo di tempo di funzionamento totale = 403 ore Materiale: A335 – P11 [2]

Le misure relative alla riduzione dei diametri a causa della corrosione sono state effettuate sui tubi complanari con la sezione di ingresso dei fumi e in particolar modo su quelli con il vapore in uscita (quindi a temperatura relativamente più elevata), visto che la temperatura di pelle del serpentino è molto vicina alla temperatura del vapore (figura 3). Questo presuppone che i tubi interessati alla rilevazione siano quelli maggiormente soggetti al fenomeno di corrosione. I tubi interessati alla misurazione del diametro sono quattro (tabella 2) e la misurazione è stata effettuata con un calibro di precisione rilevando il diametro situato sul piano ortogonale alla direzione dei fumi.

Figg. 3: A sinistra sono stati numerati in nero i tubi del vapore in uscita, sui quali sono state effettuate le misure. In entrambe le foto è mostrata la direzione del flusso dei fumi.

I dati ottenuti sul diametro dei tubi considerati fanno riferimento alla misura precedente all’inizio della sperimentazione e alla misura corrente, effettuata dopo il periodo di funzionamento di 403 ore.

Diametro tubo [mm]

1 3 5 7

Installazione 37,95 37,89 37,91 37,96

Estrazione 37,79 37,63 37,67 37,82

∆ D 0,16 0,26 0,24 0,14

Tabella 2: Valori di riduzione del diametro (∆D) dei tubi del serpentino, a causa della corrosione attuata dalla soluzione con HCl=635 ppm nell’impianto sperimentale.

Sezione ingresso fumi

1

8 7 6 5 4

32

Sezione uscita fumi

Considerando il tubo più aggredito risulta che lo spessore di materiale corroso è:

s = 0,26/2 = 0,13 mm La velocità di corrosione relativa al tubo più aggredito è:

Vcorr sperim=0,13 /17 mm/giorni = 0,00764 mm/giorno=2,8 mm/anno Per ottenere la curva che descrive l’andamento della velocità di corrosione in funzione della temperatura, per l’impianto sperimentale, si procede facendo una media pesata rispetto alla velocità di corrosione per i tubi più sollecitati (figura 4 in magenta). Da tale curva è possibile effettuare un confronto tra la soluzione tradizionale e la nuova soluzione proposta.

Fig. 4: Determinazione dell’andamento della velocità di corrosione in funzione della temperatura di pelle del serpentino dell’impianto sperimentale, con fumi alla concentrazione di HCl=635 ppm. La curva magenta è stata determinata come media pesata sulle velocità di corrosione.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500

Temperatura (°C)

Vel

ocità

di c

orro

sion

e (m

m/a

428

2,8

b) HCl = 635 ppm (termovalorizzatore)

d) HCl = 635 ppm (letto fluido verticale S2 )

4. Confronto tra i dati sperimentali e il termovalorizzatore. Come si può verificare dalla figura 5, la sperimentazione eseguita sui due surriscaldatori, disposti in condizioni fluidodinamiche differenti (attraversamento orizzontale e attraversamento verticale) e sottoposti a condizioni termiche altrettanto differenti (per ore di funzionamento e per temperature), ha mostrato un comportamento medio della velocità di corrosione del metallo, nei confronti di una data concentrazione di HCl, molto simile.

Fig. 5: Confronto tra le due curve sperimentali Volendo confrontare le differenti prestazioni delle due alternative (impianto di termovalorizzazione e impianto sperimentale) in termini energetici, si fa rilevare che la turbina presente presso il termovalorizzatore di Forlì è stata progettata considerando una temperatura del vapore surriscaldato in ingresso di 440°C ed una portata di 22600 kg/h. In queste condizioni, dove il rendimento isentropico della turbina è massimo (ηis=0,773), è interessante calcolare, a pari velocità di corrosione, l’incremento di energia elettrica prodotta con la tecnologia proposta rispetto alla situazione attuale. Dal grafico in figura 6, si può notare che per una temperatura del vapore surriscaldato di 440°C la velocità di corrosione per l’impianto sperimentale equivale mediamente a 3,6 mm/a. A questo valore della velocità di corrosione corrisponde, per il termovalorizzatore, una temperatura di produzione del vapore surriscaldato di 403°C. Il confronto, a pari velocità di corrosione, è, quindi, tra i cicli 1 (con temperatura del vapore in ingresso in turbina a 440°C) e 2 (con temperatura del vapore in ingresso in turbina a 403°C) in tabella 3 e figura 7. Nel diagramma di

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500

Temperatura (°C)

Vel

ocità

di c

orro

sion

e (m

m/a

b) HCl = 635 ppm (termovalorizzatore)

d) HCl = 635 ppm (letto fluido verticale S2 )

c) HCl = 635 ppm (letto fluido orizzontale S1 )

Mollier, in figura 7, le linee tratteggiate rappresentano l’espansione reale in turbina con la portata in ingresso pari a quella attuale (16500 kg/h) mentre quelle continue con portata pari a quella nominale (22600 kg/h). Attraverso i dati ricavati dalle curve così determinate, è possibile valutare l’incremento di salto entalpico reale ottenibile e il relativo aumento di energia elettrica prodotta utilizzando vapore surriscaldato per l’espansione in turbina alla temperatura di 440°C.

Fig. 6: Determinazione della velocità di corrosione per l’impianto sperimentale per una produzione di vapore a 440°C. Determinazione della temperatura del surriscaldato prodotto con l’impianto tradizionale per una velocità di corrosione pari a quella appena determinata: 3,6 mm/a.

0

2

4

6

8

10

12

370 380 390 400 410 420 430 440 450 460

Temperatura (°C)

Vel

ocità

di c

orro

sion

e (m

m/a

440

3,6

b) HCl = 635 ppm (termovalorizzatore)

c) HCl = 635 ppm (letto fluido orizzontale S1)

403

d) HCl = 635 ppm (letto fluido verticale S2)

Ciclo Ti [°C]

Tuis [°C]

Tur [°C]

Pi [bar]

Puis [bar]

Pur [bar]

X [/]

Q [kg/h]

hi [kJ/kg]

huis [kJ/kg]

hur [kJ/kg]

∆his [kJ/kg]

∆hr [kJ/kg]

ηis [/]

1 440 54 54 40 0,15 0,15 0,950 22600 3306 2237 2479 1069 827 0,7732 403 54 54 40 0,15 0,15 0,978 22600 3220 2196 2550 1024 670 0,6553 380 54 54 40 0,15 0,15 0,994 22600 3165 2169 2585 996 580 0,5821 440 54 54 40 0,15 0,15 0,957 16500 3306 2237 2496 1069 810 0,7572 403 54 54 40 0,15 0,15 0,985 16500 3220 2196 2565 1024 655 0,64 3 380 54 54 40 0,15 0,15 1 16500 3165 2169 2597 996 568 0,57

Tabella 3: valori dei tre cicli presi in considerazione per calcolare la quantità di energia elettrica prodotta in più grazie al contributo dato dall’introduzione del trattamento a caldo dei fumi. Le linee colorate nella colonna ciclo, fanno riferimento alla figura 7.

Fig. 7: rappresentazione grafica sul diagramma di Mollier delle espansioni in turbina per tre diverse condizioni, le cui caratteristiche sono riportate in tabella 3. I dati a disposizione si riferiscono al ciclo 1 a portata nominale (condizioni di progetto) e al ciclo 3 a portata attuale (condizioni reali). Il calcolo dei rendimenti nel passaggio da portata nominale ad attuale e viceversa è stato ottenuto dal grafico in figura 8 dove risulta che per una portata di 16500 kg/h (portata attuale equivalente al 73% della portata nominale) si ha una diminuzione del rendimento isentropico del 2%.

IIIsssooobbbaaarrraaa dddiii fff iiinnneee eeessspppaaannnsssiiiooonnneee(((000,,,111555 bbbaaarrr)))

IIIsssooobbbaaarrraaa dddiii iiinnniiizzziiiooo eeessspppaaannnsssiiiooonnneee (((444000 bbbaaarrr)))

111

111iiisss

111rrr

33

33iiss

33rr 222rrr

222iiisss

222 portata nominale portata attuale

Fig. 8: andamento del rendimento in funzione della portata

Più dettagliatamente, per il ciclo 1, in azzurro e linea tratteggiata, si ottiene un rendimento isentropico ηis=0,757, che corrisponde ad un salto entalpico reale di 810 kJ/kg, quindi un valore di entalpia in uscita di 2496 kJ/kg. Con un ragionamento analogo, ma nelle condizioni di temperatura attuali (380 °C), ipotizzando anche in questo caso un calo di rendimento pari al 2% rispetto alla portata nominale si ottengono i cicli 3, in verde, a linea continua per portata nominale e linea tratteggiata per portata attuale in figura 7 e tabella 3. Per un andamento del titolo di fine espansione lineare con la temperatura, rispetto ai cicli 1 e 3, sono stati ottenuti i cicli 2, in rosso, in figura 7 e tabella 3. I cicli 2 hanno una temperatura in ingresso in turbina di 403°C, che comporta, per l’impianto di termovalorizzazione, una velocità di corrosione di 3,6 mm/a. L’incremento di energia elettrica che può essere prodotta con il contributo della tecnologia sperimentale, è fornito dal rapporto tra i salti entalpici reali appena calcolati:

∆hr1 / ∆hr2 = 827 / 670 = 1,234 (portata nominale) ∆hr1 / ∆hr2 = 810 / 655 = 1,236 (portata attuale)

Si può quindi affermare che sia a portata nominale che attuale, introducendo in turbina del vapore ad una temperatura di poco meno di 40°C superiore (da 403°C a 440°C), si ottiene un incremento di energia elettrica prodotta pari a:

∆E el [1]÷ [2] (%) ≈ 23,5 % Allo stesso modo si possono mettere a confronto i cicli 1 e 3 in modo da quantificare il beneficio che si verrebbe ad introdurre nel caso particolare del termovalorizzatore di Forlì.

∆hr1 / ∆hr3 = 827 / 580 = 1,43 (portata nominale) ∆hr1 / ∆hr3 = 810 / 568 = 1,43 (portata attuale)

Si può quindi affermare che sia a portata nominale che attuale, introducendo in turbina del vapore ad una temperatura di 60°C superiore (da 380°C a 440°C), si otterrebbe un incremento di energia elettrica prodotta pari a:

∆E el [1]÷ [3] (%) ≈ 43 %

0,98

0,73

5. Conclusioni La sperimentazione sul serpentino surriscaldatore annegato nel letto fluido verticale conferma i risultati ottenuti nella sperimentazione precedente relativa ad un letto fisso con attraversamento orizzontale dei fumi (correnti incrociate). I vantaggi in termini energetici ed ambientali di questa nuova soluzione impiantistica si confermano rilevanti e tali da indurre certamente ad approfondimenti per quanto riguarda il successivo stadio di ricerca di una soluzione applicabile su larga scala a termovalorizzatori tradizionali. 6. Bibliografia [1] A. BIANCHINI, C. SACCANI – Trattamento a caldo delle emissioni di fumo da

inceneritore di rifiuti urbani – Atti del III convegno nazionale UTILIZZAZIONE TERMICA DEI RIFIUTI, Abano Terme 31 maggio – 1 giugno 2001

[2] A. BIANCHINI, C. SACCANI - Impianto sperimentale a letto fluido per il trattamento a caldo dei fumi di combustione di RSU – pubblicato nel settembre 2004 – atti del XXXI convegno nazionale ANIMP OICE UAMI, Monastier di Treviso, 14-15 ottobre 2004

[3] C. SACCANI – Repowering di un impianto di termovalorizzazione dei rifiuti – Atti del XXIX convegno nazionale ANIMP OICE UAMI, Sorrento (NA) 17-18 ottobre 2002