Syllabus domande Sistemi per l'energia e l'ambiente

Domande sistemi per l'energia e l'ambiente

Impianti a ciclo combinato per la produzione di energia elettrica

Con riferimento agli impianti a ciclo combinato per la produzione di energia elettrica, il candidato illustri lo schema della caldaia a recupero con relativo profilo di temperatura per un ciclo a due livelli di pressione ed inoltre descriva i parametri di funzionamento (ΔT Approach point, Pinch point, Subcooling point) e le caratteristiche costruttive.

Come in ogni ciclo a recupero, per rendere termodinamicamente vantaggioso lo scambio termico, la caldaia a recupero deve essere orientata in controcorrente rispetto ai fumi caldi del turbogas. Ciò significa che i gas appena usciti dal TG, più caldi, incontreranno per primi i fasci tubieri del surriscaldatore, poi quelli dell'evaporatore ed infine quelli dell'economizzatore, perdendo a mano a mano calore.

Nel caso di ciclo a recupero a due livelli, il fluido motore, dopo aver attraversato un fascio economizzatore comune, viene diviso in due circuiti (di alta e bassa pressione), aventi temperature di surriscaldamento diverse. Per via delle differenti temperature di surriscaldamento, i cicli sono disposti leggermente sfasati l'uno all'altro nel HRSG, facendo coincidere il surriscaldatore di bassa pressione con l'evaporatore di alta pressione e ponendo il surriscaldatore AP all'ingresso dei fumi caldi della caldaia a recupero.

Parametri del ciclo a recupero

• Pintch Point: il punto in cui la differenza tra la temperatura del fluido motore e quella dei gas caldi è minore.
• ΔT Approach Point: la differenza di temperatura tra il vapore in uscita e i gas caldi in entrata dal HRSG.
• ΔT Subcooling Point: parametro necessario ad evitare la vaporizzazione del fluido motore nei fasci dell'economizzatore.

Questi parametri sono i parametri fondamentali del ciclo combinato ed il loro variare comporta variazioni dei rendimenti e nel lavoro utile forniti dal ciclo combinato. In particolare, il ΔT di pinth point è il parametro sul quale si deve basare la progettazione dell'impianto CC. Al diminuire della ΔTpp e della ΔTap, il ciclo bottomed fornisce più portata di vapore e più potenza utile, tuttavia saranno necessarie superfici di scambio più elevate, con aumento del costo e dell'ingombro complessivo dell'impianto.

Gassificazione e tecnologia IGCC

Attualmente, la gassificazione è una delle tecnologie per rendere compatibili le turbine a gas (e quindi i CC) con i combustibili pesanti (carbone). Si illustri l'isola di gassificazione di un impianto IGCC con i relativi sistemi di abbattimento degli inquinanti.

L'isola di gassificazione di un impianto IGCC è costituita principalmente da quattro sezioni:

• La sezione di gassificazione, che comprende gli impianti di preparazione del carbone e il reattore di gassificazione, in cui il carbone solido viene trasformato in syngas attraverso reazioni chimiche a base di ossigeno (o aria) e acqua (o vapore).
• ASU (Air Separation Unit): nella quale viene prodotto l'ossigeno necessario alla reazione, generalmente attraverso unità di frazionamento criogenico.
• La sezione di raffreddamento, dove il syngas (prodotto ad alte o altissime temperature, a seconda del processo utilizzato) viene raffreddato mediante specifici scambiatori. L'energia del syngas viene recuperata ed utilizzata nel ciclo a vapore.
• La sezione di depurazione, nella quale vengono rimossi dal syngas i componenti inquinanti ed annosi per la turbina (zolfo, cenere, ammoniaca, ...).

La depurazione del syngas avviene generalmente a freddo, quindi è necessario preventivamente raffreddare il gas, con conseguente aumento della complessità e dei costi dell'impianto. Le tecniche a freddo vedono il gas miscelato con un solvente che assorbe le sostanze da rimuovere (COS e H₂S). Esse si dividono in processi con solvente chimico (adatti a concentrazioni minori di composto da rimuovere) o fisico; la differenza principale sta nel differente tipo di equilibrio che si instaura tra solvente e composto da rimuovere.

I dispositivi che compongono l'unità di depurazione sono l'assorbitore, dove avviene l'assorbimento dei composti da rimuovere da parte del solvente e da dove il gas esce depurato, ed il reattore di stripping, dove il solvente saturo di inquinante viene depurato per essere riutilizzato, il composto rimosso viene inviato ad altre lavorazioni per poi essere eventualmente commercializzato.

L'elevato costo della depurazione delle acque per il raffreddamento ha spinto lo sviluppo di tecniche di depurazione del syngas a caldo, questo permette l'eliminazione a caldo delle ceneri attraverso filtri a ciclone. Inoltre, sono in fase di sviluppo filtri di materiale ceramico poroso. Attualmente, i processi a caldo si distinguono in processi interni o esterni al gassificatore. I processi interni utilizzano sorbenti a base di calcare o dolomite, sostanze molto abbondanti in natura e perciò economiche. Tuttavia, la scarsa efficienza dei processi interni rende quasi sempre necessaria la presenza anche di un successivo processo esterno al gassificatore; nei processi esterni, l'idrogeno solforato presente nel syngas reagisce con il sorbente formando un solfuro che verrà rimosso in fase di rigenerazione del sorbente ed utilizzato nell'industria chimica per la produzione di zolfo elementare.

Rigenerazione negli impianti a vapore

Tra gli interventi possibili atti a migliorare le prestazioni degli impianti a vapore ritroviamo la tecnica della rigenerazione. Il candidato illustri mediante l'ausilio dello schema d'impianto e di diagrammi termodinamici i vantaggi e i limiti di tale intervento.

La rigenerazione è una tecnica di ottimizzazione degli IMTV che consente di ridurre la quantità di calore prelevata dall'esterno dal ciclo prelevandola dal ciclo stesso, in particolare dalla fase di espansione. Dal momento che non sarebbe possibile, a causa della ridotta su