Una centrale a biomassa di grande

taglia: esperienza dell’impianto a

vapore di Zignago Power

Relatore: Dott. Ing. Dario Buoro

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Summary

1. Un impianto per la produzione di energia elettrica da

biomassa

2. La biomassa

3. Lay-out dell’impianto

4. Il combustore e il sistema di combustione

5. Ciclo termodinamico

• Caldaia

• Turbina

• Sistema di raffreddamento

6. Regolazione dell’impianto

7. Aspetti ambientali

8. Conclusioni

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.20

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L’azienda

Gruppo Zignago opera nei settori:

- Vetro (4 sedi)

- Vino (7 sedi)

- Deratizzazione (1 sede)

- Energia (2 centrali di produzione di energia elettrica)

In totale:

30 aziende, di cui 1 quotata in borsa

Più di 2’100 dipendenti3

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Zignago Power

• Impianto di produzione di energia elettrica da biomassa solida

• Impianto inserito all’interno di una RIU (Rete Interna di

Utenza)

4

Zig

na

go

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rato

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Zignago Power

Au

silia

ri

Ba

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Lin

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cip

pa

tura

G

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2kV

RTN1

0kV

10

kV

10

kV

10

kV

40

0V

40

0V

3kV

Uff

ici

40

0V

10

kV

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Tipologie di biomassa

Tipologie di biomassa:

• Residui forestali (pulizia dei boschi e dell’alveo dei fiumi)

• Residui agroindustriali (vinacce, sanse, gusci e noccioli)

• Residui della lavorazione del legno ed affini

• Residui agricoli (paglia, stocchi, tutoli, potature)

• Coltivazioni energetiche forestali (pioppo, robinia, etc.)

• Coltivazioni energetiche agricole (canna, miscanto, sorgo, etc.)

Coltivazione di pioppoTronchi di legno Cippato di legno

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Utilizzo della biomassa per la

produzione di energia

6

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Utilizzo della biomassa per la

produzione di energia

Zignago Power

7

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Schema tipico impianto a biomasse

Primary air

Secondary air

Boiler

Fuel storage

Fuel dosing

Urea

Storage tank

Bottom ash

Cyclone

Lime stone

Fluegas cleaning

bag filter

Fly ash

storage silo

ID Fan

Silencer

Emission measuring

Stack

FluegasFeedwater

pump

Feed water

tank

Steam Turbine

Generator

Electrical grid system

Magnetic

removal

Fuel reception

Condensate

preheater

Condensate

preheater

Water

cooled

condenser

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Caratteristiche tecniche impianto

Potenza nominale combustibile 49.2 MW

Boiler efficiency (40% fuel moisture) 92.0%

Max. pressione ammissibile boiler 109 barg

Max. temperatura di eserciziodi vapore 522°C

Max. produzione di esercizio di vapore 17.1 kg/s (61.7 t/h)

Pressione vapore surriscaldato 92 bara

Temperatura vapore surriscaldato 522°C

Temperatura acqua di alimento 184°C

Temperatura di condensazione 35.3°C

Pressione di condensazione 0.057 bara

Potenza elettrica prodotta 17.072 MW

Rendimento generale impianto 34.7%

Disponibilità >8’200h/a (94%)

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Proprietà del combustibile

Elemento

Carbonio % daf ~51

Idrogeno % daf ~6

Ossigeno % daf ~42

Azoto % daf ~0.5

Zolfo, Cloro, etc. % daf <0.2

Ceneri % dry ~0.5

Composizione chimica dal combustibile Potere calorifico vs. Contenuto idrico

daf = dry, ash-free basis

La peculiarità della biomassa è la sua eterogeneità in termini di composizione

chimica, ma soprattutto in termini di contenuto idrico

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Processo di combustione della biomassa

Volatile compounds(CO, CO2, H2, methane, CxHy, tar, H2O, etc.)

~20%

Wood Dry wood

Water

Char

Air Flue gas(CO2, H2O, O2, N2, CO, SOx, NOx, HCl etc.)

+heat

Heat

DryingDe-volatilisation/ gasification Combustion

Heat

Ash

Visible flame

Glowing embers

~80%

DryingDe-volatilisation/ gasification Combustion

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Sistema di combustioneCamera di combustione a sviluppo

verticale, non refrattariata

Griglia rotante

Sistema di iniezione materiale

Spreader stocker

Combustione parziale in

sospensione, parziale su griglia

Scarico ceneri frontale

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Controllo della combustioneCombustione a stadi tramite immissione controllata di aria primaria,

secondaria e ricircolo

1. Controllo e regolazione portata e temperatura aria primaria

2. Controllo e regolazione portata e temperatura aria secondaria

3. Controllo e regolazione portata aria di ricircolo

4. Controllo distribuzione del combustibile in griglia

Eccesso d’aria (attorno al 2%)

Temperatura della combustione (950-1’050°C)

Necessari

per

controllare

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Rendimento della caldaia

• Dipende dall’eccesso d’aria utilizzato nel processo di

combustione

Bilancio di massa ed energia

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Combustore Boiler

ma, ha mf, hf mf, hr mc, hr

mr, hr

mc, Hi

Pboi

η �P���

P���

P���

P��� �m�λ hr � ha�

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P&I arie di combustione

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Ciclo acqua vapore

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Boiler

Turbina

Sis. raffr.

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Boiler a circolazione naturale

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Saturated steam

Saturated water

Downcomer

Evaporator tubes

Heat

input

HeaderLevel: 2.5 mPressure: 99.3 bara

Steam drumLevel: 20.5 mPressure: 98 bara

• L’acqua contenuta nel corpo cilindrico

scende nei muri laterali, per poi arrivare

al collettore inferiore.

• Il calore dal combustore incontra gli

evaporatori causando l’evaporazione

dell’acqua e riducendone la densità.

• Questo fenonemento genera la

circolazione naturale dell’acqua.

• Una circolazione povera può portare al

surriscaldamento degli evaporatori,

posizionati nella camera radiante nel

combustore.

• Il sistema è progettato per far ricircolare

circa 20 volte la portata di vapore

surriscaldato.

• Il sistema è dotato di un solo corpo

cilindrico

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Corpo cilindrico

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Feedwater

Dry, saturated steam

To downcomers

Water/steam

mixture from

evaporator

Cyclones

Demisters

Perforated

plate

Permissible

range for water

level

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Schema del boiler

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Turbina

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MAN Turbo MARC6

Turbina a vapore di tipo misto:

1 stadio ad azione

20 stadi a reazione

4 spillamenti

Parametri caratteristici vapore:

Pressione 91bara

Temperatura 522°C

Flusso 17,1kg/s

Pressione condensazione 0,057bara

Titolo vapore all’uscita 0,87

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Sezione della turbina

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Cuscinetti

radiale e

assiale

Cuscinetto

assiale

Valvola di

regolazione

Cuscinetto

assiale

Ba

lan

ce p

isto

n

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Sistema di raffreddamentoCondensatore ad aria

Vuoto 0,085bara

Rendimento 32,1%

Condensatore ad acqua

Vuoto 0,057bara

Rendimento 34,7%

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• Punti di forza cond. ad acqua:

• Maggior efficienza

complessiva dell’impianto

• Minor costo di investimento

• Punti di debolezza cond. ad acqua:

• Consumo idrico (make up torri)

• Scarico idrico (blow down torri)

• Pennacchio

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Torri evaporative

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Abbassano la temperatura

dell’acqua di raffreddamento

fino a 3°C sopra il bulbo

umido

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Logiche controllo impianto

Tutto il controllo avviene tramite un DCS (Distributed Control System)

ed è possibile controllare tutto dalla sala controllo.

Turbina segue

Il controllo della potenza viene eseguito dalla caldaia, il

controllo della pressione viene fatto dalla turbina (condizione

normale con turbina in parallelo)

Caldaia segue

Il controllo della potenza viene eseguito dalla turbina, il

controllo della pressione viene fatto dalla caldaia (condizione

con turbina in isola)

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Aspetti ambientali

• Zignago Power ha ottenuto l’autorizzazione alla costruzione e all’esercizio

dell’impianto dalla Regione Veneto attraverso un procedimento denominato

Autorizzazione Unica

• Ciò comporta un iter autorizzativo che deve ottenere il parere favorevole sul

progetto da parte della Commissione Tecnica Regionale sezione Ambientale

e la condivisione della decisione finale da parte della Conferenza dei Servizi

che vede riuniti assieme tutti gli Enti amministrativi interessati

• L’autorizzazione fissa dei limiti a riguardo di:

- Qualità dell’aria

- Rumore

- Utilizzo e qualità dell’acqua

- Rifiuti e ceneri

I limiti dei parametri vengono fissati dall’autorizzazione e sono inferiori dei

limiti imposti dalla legge, in quanto considerano l’applicazione delle BAT’s25

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Caratteristiche emissioni

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Nota Bene: l’impianto in realtà riesce ad abbattere un 30% in più!

Autorizzazione Garanzia costruttore

24h

mean

mg/Nm³

1h mean

mg/Nm³

24h

mean

mg/Nm³

1h mean

mg/Nm³

Sistemi di abbattimento

Polveri 10 10 10 10Ciclone

Filtro a maniche

CO 50 80 50 80 Ottimizzazione combustione

TOC 7 15 7 15 Ottimizzazione combustione

NOx 180 300 150 300Ottimizzazione combustione

SNCR DeNOx (iniezione urea)

SO2 50 100 50 100 Iniezione calce (FGD)

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Monitoraggio delle emissioni

I parametri emissivi autorizzati vengono monitorati in continuo

dallo SME (Sistema di Monitoraggio delle Emissioni) e

comunicati all’ARPAV.

Per valutare l’impatto delle emissioni di Zignago Power è stata

effettuato dal Politecnico di Milano un monitoraggio della

qualità dell’aria ante e post operam.

I risultati hanno evidenziato una variazione non significativa dei

principali parametri monitorati (presenza di microinquinanti e

polveri ultrafini) inferiore all’1% (in alcuni casi un miglioramento)

rientrando nella variabilità visiologica tra anni diversi.27

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Perché un impianto a

biomassa?

• Valorizzazione del territorio

• Utilizzo fonti rinnovabili

• Produzione di energia elettrica CO2 free

• Contributo al raggiungimento obiettivi Protocollo di Kjoto

• Impatto ambientale trascurabile

• Produzione delocalizzato energia elettrica

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Prossimi sviluppiNel prossimo futuro (2014) verrà costruita una rete di

teleriscaldamento a servizio della vicina località di Fossalta di

Portogruaro:

Utenze collegate previste 120

Potenza termica nominale 3’200 kW

La temperatura del fluido vettore sarà di 95°C e il calore sarà

prelevato dai fumi e da uno spillamento della turbina.

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Possibilità di tesi• Sviluppo di un modello termodinamico dell’impianto (Es. Termoflex)

per l’esecuzione di BOP al variare delle condizioni al contorno e per

la ricerca di malfunzionamenti

• Sviluppo e implementazione di un piano di manutenzione a seguito

di

- Analisi FMECA (Failure mode, effects and criticality analysis)

- Analisi RCA (Root cause analysis)

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GRAZIE PER

L’ATTENZIONE

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Relatore: Dott. Ing. Dario Buoro

d.buoro@zignagopower.com

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