Complementi di centrali termoelettriche, nucleari e regolazione - Centrali termoelettriche

APPUNTI DEL CORSO DI COMPLEMENTI DI CENTRALI

TERMOELETTRICHE

luigi candido

Sintesi e appunti del corso a cura del prof. M. De Salve

Dipartimento di Ingegneria Energetica e Nucleare

Facoltà di Ingegneria Industriale

Politecnico di Torino

Appunti del corso di complementi di centrali termoelettriche,

Luigi Candido, Sintesi e

c

appunti del corso a cura del prof. M. De Salve, Torino, Novembre 2012

Ere many generations pass, our machinery will be driven by a power obtainable at any

point of the universe. This idea is not novel. Men have been led to it long ago by

instinct or reason; it has been expressed in many ways, and in many places, in the

history of old and new. We find it in the delightful myth of Antheus, who derives power

from the earth; we find it among the subtle speculations of one of your splendid

mathematicians and in many hints and statements of thinkers of the present time.

Throughout space there is energy. Is this energy static or kinetic! If static our hopes are

in vain; if kinetic - and this we know it is, for certain - then it is a mere question of time

when men will succeed in attaching their machinery to the very wheel-work of nature.

— Nikola Tesla, 1892

RINGRAZIAMENTI

Il seguente lavoro è basato sulle lezioni del prof. Mario De Salve, svoltesi duran-

te l’anno accademico Il materiale adoperato consiste essenzialmente

2011-2012.

nelle slide fornite dal docente stesso, e integrate con spiegazioni aggiuntive lad-

dove strettamente necessario. Ciò ha conferito al presente documento un aspetto

lineare in termine di contenuti, sintetico e il più possibile preciso per quanto

riguarda la formulazione matematica dei concetti espressi. La disposizione dei

capitoli può risultare parzialmente diversa da quella presentata durante lo svol-

gimento delle lezioni, a beneficio di una maggiore chiarezza espositiva.

Si vuole ringraziare il docente per la cura con cui ha svolto le lezioni e per la

quantità e la qualità del materiale messo a disposizione degli studenti.

Luigi Candido

iii

INDICE

i la combustione 1

1 introduzione 3

La combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1 3

Bilanci energetici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 4

Combustibili di interesse pratico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3 10

Camera di combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4 10

Campo di moto in camera di combustione . . . . . . . . . .

1.4.1 10

Numero di Lewis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.2 12

Combustione elementare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4.3 12

Le reazioni nei processi di combustione . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5 14

Reazioni consecutive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.1 15

Bilanci molari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.2 17

Processi di combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6 18

Combustione isocora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6.1 18

Combustione isobara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6.2 18

Influenza della pressione sul rateo di reazione . . . . . . . .

1.6.3 20

Costante del rateo di reazione . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6.4 21

Esempio di reazione bimolecolare . . . . . . . . . . . . . . .

1.6.5 21

Processi di decomposizione termica . . . . . . . . . . . . . .

1.6.6 22

Probabilità di collisione tra due particelle . . . . . . . . . . .

1.6.7 22

Rateo di deattivazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6.8 23

Costante di equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6.9 23

Combustione dell’idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6.10 24

Combustione del monossido di carbonio . . . . . . . . . . .

1.6.11 24

Combustione del metano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6.12 24

Ottimizzazione del processo di combustione . . . . . . . . .

1.6.13 25

Aria richiesta dalla combustione . . . . . . . . . . . . . . . .

1.6.14 26

Combustibili gassosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.7 26

Gas di combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.7.1 26

2 bruciatori 29

Classificazione dei bruciatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 29

Specifiche tecniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 30

Scelta dei bruciatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 30

Bruciatori industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4 31

Testa di combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.1 32

Centralina di spinta e gruppo di preriscaldo . . . . . . . . .

2.4.2 32

Campo di regolazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.3 33

Stabilità della fiamma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.4 34

Dati tecnici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.5 35

Bruciatori per combustibili liquidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.5 36

Bruciatori per polverino di carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.6 36

ii calcolo della camera di combustione 39

3 stima delle dimensioni della camera di combustione 41

Potenza termica e carichi termici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 41

Installazione dei bruciatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 42

v

vi indice Camera di combustione con bruciatori orizzontali . . . . . .

3.2.1 42

Camera di combustione con bruciatori verticali . . . . . . .

3.2.2 43

Distanza tra i bruciatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.3 43

Carichi termici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.4 43

Lunghezza della fiamma e diametro . . . . . . . . . . . . . .

3.2.5 44

Calore introdotto in camera di combustione . . . . . . . . .

3.2.6 44

Scambio termico per irraggiamento fiamme-parete . . . . .

3.2.7 45

Stima della superficie di prima approssimazione . . . . . .

3.2.8 46

4 metodi di calcolo della temperatura in uscita dalla ca-

mera di combustione 47

Metodo di Orrok-Hudson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 47

Effetto del contenuto delle materie volatili . . . . . . . . . .

4.1.1 48

Metodo di Konakow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2 50

Effetto del contenuto delle materie volatili . . . . . . . . . .

4.2.1 50

Metodo di Annaratone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3 52

iii sistemi di abbattimento e assorbimento 53

5 sistemi di abbattimento degli so 55

x

Lo zolfo nel combustibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1 55

Rimozione dei composti dello zolfo dalle correnti gassose . . . . .

5.2 55

Classificazione dei processi di abbattimento . . . . . . . . .

5.2.1 56

Wet scrubbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.2 57

Rimozione della SO . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.2.1 59

2

Ossidazione forzata e ossidazione naturale . . . .

5.2.2.2 61

Schemi d’impianti per la rimozione dello zolfo . .

5.2.2.3 62

Schema per il dewatering . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.2.4 64

Torri di assorbimento . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.2.5 64

Bilanci di massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.2.6 66

Problemi tecnologici . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.2.7 67

Costi di riferimento (Europa) . . . . . . . . . . . .

5.2.2.8 67

Altri processi WS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.3 68

Impianto WS ad acqua di mare . . . . . . . . . . .

5.2.3.1 68

Impianto WS ad ammoniaca . . . . . . . . . . . . .

5.2.3.2 69

Sistemi di abbattimento a secco . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.4 69

Coefficienti per i potenziali sistemi di abbattimento . . . . . . . . .

5.3 70

Performance generali delle tecniche FGD . . . . . . . . . . . . . . .

5.4 71

Wet lime/limestone scrubber . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.1 71

Seawater scrubbing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.2 71

Spray dry scrubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.3 72

Different sorber injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.4 72

Tecniche rigenerative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.5 73

Moderno sistema di rimozione dello zolfo WS . . . . . . . . . . . .

5.5 73

Chimica del WS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.1 74

Reazioni di base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.2 74

Trasferimenti di massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.3 75

Modello chimico del WS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.4 75

Rateo di cristallizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.5 76

Il pH nello slurry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.6 76

6 progetto di sistemi per l’assorbimento di gas 77

Caratteristiche generali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1 77

vii

indice

Selezione del solvente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2 77

Selezione dei dati di solubilità . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.1 78

Impianto di assorbimento del gas tramite solvente . . . . . . . . . .

6.3 78

Assorbimento con reazioni chimiche . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4 79

Calcolo del rapporto liquido/gas . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4.1 79

Selezione dello stripper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.4.2 80

Regione di assorbimento e desorbimento . . . . . . . . . . .

6.4.3 81

Design di Packed-Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.5 81

iv appendici 83

a impiego del carbone nella produzione di energia elettrica 85

Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.1 85

Nuove tecnologie per l’impiego del carbone . . . . . . . . . . . . .

a.2 85

Proprietà e classificazione del carbone . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.3 86

Proximate analysis ASTM D . . . . . . . . . . . . . . . .

a.3.1 121 86

Classificazione di Hensel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.3.2 86

Trattamenti termici sui campioni di combustibile solido . .

a.3.3 87

Densità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.3.4 87

Essiccamento del carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.3.5 87

Devolatilizzazione o pirolisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.3.6 89

Fasi caratteristiche della devolatilizzazione . . . .

a.3.6.1 89

Analisi termogravimetrica differenziale . . . . . . . . . . . .

a.3.7 89

Strumentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.3.7.1 90

Risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.3.7.2 90

Impianti Super Critical Pulverized Fuel (SCPF) . . . . . . . . . . . .

a.4 91

Camera di combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.4.1 92

Generatori di vapore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.4.2 95

Combustione su letti fluidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

a.4.3 95

Impianti Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) . . . . . .

a.5 98

Impianti Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) . . . . . .

a.6 100

b rigassificazione del gas naturale liquefatto 103

Aspetti generali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b.1 103

Rigassificatori onshore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b.2 104

Caratteristiche dell’impianto . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b.2.1 105

Capacità del Terminale . . . . . . . . . . . . . . . .

b.2.1.1 105

Capacità di Stoccaggio . . . . . . . . . . . . . . . .

b.2.1.2 105

Capacità di Pompaggio . . . . . . . . . . . . . . . .

b.2.1.3 106

Capacità di Vaporizzazione . . . . . . . . . . . . .

b.2.1.4 106

Descrizione del processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b.2.2 106

Rigassificatori offshore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b.3 110

Energy Bridge Regasification Vessel . . . . . . . . . . . . . .

b.3.1 110

Sistema GBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b.3.2 112

Floating Storage Regasification Unit . . . . . . . . . . . . . .

b.3.3 113

ELENCO DELLE FIGURE

Figura CV con scambio di solo calore . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 4

Figura Relazione fra eccesso d’aria e rapporto di equivalenza . . .

2 6

Figura Metano - Ossigeno (F=1) . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 100% 9

Figura Evoluzione delle concentrazioni in reazioni consecutive. . .

4 16

Figura Reazione chimica a volume costante o a pressione costante

5 19

Figura Effetto dell’acqua in fase liquida o gassosa fra i prodotti di

6 combustione, caso U-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Figura Effetto del combustibile liquido nei reagenti, caso U-T . . .

7 20

−→

Figura Energie potenziali: . . . . . . . . . . . .

AB + C AC + B

8 22

Figura Bruciatore a gas con bassa ricircolazione di NO . . . . . .

9 29

x

Figura Fuel staging nel bruciatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 30

Figura Differenti configurazioni per bruciatori di carbone. . . . . .

11 31

Figura Tipica testa di bruciatore industriale compatto. . . . . . . .

12 31

Figura Contropressione nella camera di combustione. . . . . . . . .

13 32

Figura Minima pressione del gas in rete. . . . . . . . . . . . . . . .

14 33

Figura Potenze in kW di diversi bruciatori industriali a gas. . . . .

15 34

Figura Potenze in kW di diversi bruciatori industriali a gasolio. . .

16 34

Figura Potenze in kW di diversi bruciatori bicombustibile. . . . . .

17 35

Figura Ingombro di un bruciatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18 35

Figura Ugello o nozzle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19 36

Figura Bruciatore convenzionale a celle per polverino di carbone. .

20 36

Figura Bruciatore a bassa produzione di NO . . . . . . . . . . . . .

21 37

x

Figura Bruciatore convenzionale (a sx) e a bassa produzione di

22 NO (a dx). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

x

Figura Camera di combustione di una centrale a polverino di car-

23 bone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Figura Camera di combustione con bruciatori orizzontali . . . . . .

24 42

Figura Camera di combustione con bruciatori verticali . . . . . . .

25 43

Figura Carichi termici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26 44

Figura Combustione su griglia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27 45

Figura Temperatura in uscita dei gas di combustione secondo Orrok-

28 Hudson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Figura Temperatura in uscita dei gas di combustione secondo Ko-

29 nakow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Figura Temperatura in uscita dei gas di combustione secondo An-

30 naratone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Figura Processi di abbattimento dello zolfo . . . . . . . . . . . . . .

31 56

Figura Schema con torre di assorbimento . . . . . . . . . . . . . . .

32 57

Figura Modulo di assorbimento del sistema di desolforizzazione .

33 58

Figura Schema a blocchi del processo WS . . . . . . . . . . . . . . .

34 60

Figura Schema per la preparazione dei reagenti (Limestone) . . . .

35 60

Figura Schema d’impianto wet scrubber . . . . . . . . . . . . . . . .

36 61

Figura Impianto sperimentale da laboratorio con pre-scrubber . . .

37 62

Figura Impianto sperimentale da laboratorio senza pre-scrubber .

38 63

Figura Impianto sperimentale da laboratorio con ossidazione in

39 situ e pre-scrubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

viii Elenco delle figure ix

Figura Impianto sperimentale da laboratorio con ossidazione in

40 situ senza pre-scrubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura Impianto per il dewatering dello slurry . . . . . . . . . . . .

41 64

Figura Spray Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42 64

Figura Packed Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43 65

Figura Jet bubbling reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44 65

Figura Double loop tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45 65

Figura Schema d’impianto per i bilanci di massa di un WS . . . . .

46 66

Figura Bilanci di massa di un WS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47 67

Figura Impianto WS ad acqua di mare . . . . . . . . . . . . . . . . .

48 68

Figura Impianto WS ad ammoniaca . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49 69

Figura Moderno sistema di rimozione dello zolfo . . . . . . . . . .

50 73

Figura Impianto di assorbimento del gas tramite solvente . . . . .

51 79

Figura Colonna di stripping e le frazioni molari nelle correnti G e L

52 80

Figura Colonna di stripping e le frazioni molari nelle correnti G e L

53 81

Figura Packed-Tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54 81

Figura Concentrazione dell’umidità in funzione del tempo duran-

55 te l’essiccamento di una particella porosa . . . . . . . . . . . 88

Figura Rateo di variazione della densità in funzione del tempo

56 durante l’essiccamento di una particella porosa . . . . . . . 88

Figura Analisi DTA per un campione di carbone . . . . . . . . . . .

57 90

Figura Apparati di produzione del polverino e tipi di setacci . . . .

58 91

Figura Vista di bruciatore per polverino . . . . . . . . . . . . . . . .

59 91

Figura Disposizioni possibili dei bruciatori . . . . . . . . . . . . . .

60 92

Figura Generatore di vapore a carbone compatto . . . . . . . . . . .

61 93

Figura Principali posizioni dei bruciatori . . . . . . . . . . . . . . .

62 93

Figura Bruciatore tangenziale a carbone a inclinaz