Impianti di produzione di potenza e sostenibilità (centrali termoelettriche e nucleari, sostenibilità)

SISTEMI IN PRESSIONE

- Progettazione con le formule (design by rules) - applicata a geometrie standard.

Spessore minimo mantello cilindrico smin

Spessore minimo fondo curvo Smin

- Progettazione con l'analisi (design by analysis) - studio dello sforzo in tutte le parti del sistema per tutte le possibili

condizioni di carico (sforzi primari, secondari, di picco ; di normale funzionamento, perturbate, di emergenza, di grave

incidente, di prova, di progetto)

- Analisi strutturale (x integrità strutturale, non propagazione dei difetti) - tensione di rottura, deformazione termica

δ=αL(T-T ), carico di rottura, carico di snervamento, temperatura di fusione

0

- Sollecitazioni ammissibili (norme ASME) - min(f1, f2, f3)

con f1: carico di rottura min a Tamb, f2: carico unitario di snervamento min con deformazione permanente del 0,2%, f3:

carico unitario di rottura medio per scorrimento viscoso a 100.000 ore

- Criterio di rottura di Von Mise : L=(1/6G) (σ1^2+σ2^2+σ3^2-σ1σ2-σ2σ3-σ3σ1)

VALORI

Ore equivalenti di esercizio ; Portata di vapore (Ws, Wsrh) ; SOP (Steam Outlet Pressure: pressione vapore all'uscita) ;

SOT (Steam Outlet Temperature: temperatura vapore all'uscita) - il criterio di regolazione è quello di mantenere

pressioni e temperatura costanti all’interno di una piccola banda di variazione ; FW (Feed Water : temperatura acqua di

alimentazione) ; Combustibili di riferimento (principale, per l'avviamento, di riserva, supplementari)

- Potenza termica (Heat Duty)

- MCR (Maximum Continuous Rating : massima potenza continua) 110%Pnom ;

La vita degli impianti è assunta a 30 anni, si degradano tramite slagging, fouling, erosione

- Carico di picco (Peak Rating) - non deve superare il MCR per più di 4 ore al giorno

- NCR (Normal Continuous Rating : potenza continua nominale) - potenza nominale del progetto. 90% dell'MCR

- Poteri calorifici (GCV superiore, NCV inferiore)

- Perdite di carico nel generatore di vapore : al camino, per incombusti, per irraggiamento, non conteggiabili

Rendimenti lordi = Riassunto Pagina 7

CENTRALI A CARBONE

CARBONE

Il carbone è un combustibile formato da processi chimici e geologici aventi una scala temporale dell'ordine di migliaia di

anni. Il carbone (polimero composto da lunghe catene aromatiche) si forma attraverso una progressiva eliminazione, dai

resti vegetali, di componenti come H e O con un conseguente arricchimento indiretto di C che lo portano a diversi ranghi

a seconda della percentuale di carbonio presente, e quindi a diversi poteri calorifici.

Le torbe rappresentano i carboni di più recente formazione: esse hanno un contenuto di carbonio del 35% e si

- possono definire torbe di prateria, palustri, marine, di foresta a seconda della materia vegetale che le ha generate.

Hanno un potere calorifico molto basso a causa dell’elevata quantità di umidità: per questo, non sono quasi mai

utilizzate per la produzione di energia (servirebbe molta energia per essiccarlo e renderlo utilizzabile).

La lignite è anch'essa recente, realizzata circa 50 milioni di anni fa, ha un contenuto di carbonio pari al 50% e basso

- potere calorifico per l'elevata quantità di umidità presente. Essa si è generata a partire dalla sedimentazione di

piante ad alto fusto e può essere di tre tipi: lignite torbosa (morbida e spugnosa come la torba), xiloide (fibre

visibili) e picea (più compatta). L'alto contenuto di volatili determina un alto rischio di autocombustione.

La litantrace ha un contenuto di carbonio del 75%, è nera ed opaca e si è generata a partire da felci ed equiseto nel

- periodo paleozoico; può essere grassa o magra a seconda del suo potere agglomerante oppure a fiamma lunga o a

fiamma corta a seconda della quantità di volatili prodotti dalla sua combustione. Essa ha un potere calorifico

elevato e può quindi essere usata per la produzione di energia. È il carbone che viene usato in Italia.

L’antracite è il carbone più pregiato (è nero e lucido, ha un aspetto metallico ed è dura e fragile) ma è anche quella

- più rara (è solo il 5% di tutto il carbone). È utilizzata per il riscaldamento e per la produzione di energia.

Tra le caratteristiche tecniche del carbone troviamo: potere calorifico, quantità di umidità e di ceneri, composizione

delle ceneri, quantità di sostanze volatili e quantità di zolfo e la sua dimensione e forma (pezzatura), inoltre la densità e

la porosità.

Il carbone viene sottoposto a trattamenti termici volti a caratterizzare le proprietà fisico-chimiche (prove

termogravimetriche): il campione viene riscaldato gradualmente su un crogiuolo e la sua perdita di peso viene controllata

e analizzata. Si hanno 3 fasi: essiccamento, pirolisi o devolatilizzazione (è un processo molto complesso durante il quale

avvengono molte reazioni chimiche che risultano nella produzione di gas leggeri, TAR e residuo solido) e gassificazione.

Al momento circa il 27% della produzione di energia elettrica a livello globale è prodotta dal carbone. Questo

fenomeno ha mantenuto un andamento piuttosto lineare negli ultimi 50 anni, in cui nonostante la produzione totale di

energia elettrica sia triplicata, la quota di carbone è variata dal 22,5% al 27%.

È possibile notare come la quantità di riserve di carbone si sia accresciuta negli anni, a seguito di scoperte di nuovi

giacimenti o scoperte tecnologiche che hanno reso accessibile l’estrazione in giacimenti dove prima non lo era; il rapporto

tra riserve su tasso di produzione (RP), dal punto di vista medio globale, è pari a 200 anni.

I principali produttori e consumatori di carbone sono i paesi dell'Indocina seguiti dal Nord America e Europa.

In Europa l'unico produttore di carbone di alta qualità è la Polonia, tutti gli altri produttori (paesi est europei e

Germania) producono per la maggior parte lignite. Tutti i paesi ovest-europei invece importano quasi interamente.

È possibile notare che la Cina presenta un grosso quantitativo di riserve, che ha utilizzato e usa per alimentare le sue

numerose industrie; gli Stati Uniti hanno le maggiori riserve, mentre in Europa vi sono poche riserve, e il consumo è

leggermente superiore rispetto all’estrazione, anche se si sta cercando di ridurlo. In particolare, il carbone utilizzato in

Europa è la litantrace, nonostante il suo ridotto potere calorifico e la grossa quantità di CO2 che si produce dalla sua

combustione. Questo accade perché Germania e Polonia sono ricche di tali giacimenti. Il commercio globale del carbone

non è molto sviluppato: solitamente i Paesi che posseggono giacimenti lo utilizzano in quanto i costi legati ai trasporti

sono elevati, ed in più si trasporta una sostanza che può produrre un ritorno economico (in termini di energia elettrica

prodotta) ridotto.

CENERI

Costituite principalmente da ossidi, silicati e fosfati. Contenuto di ceneri per unità di energia primaria :

(con HHV: potere calorifico superiore).

Le ceneri si dividono in fuse (si depositano sui tubi della caldaia) e non fuse/volatili (trascinate dai fumi e raccolte

da filtri o precipitatori elettrostatici). Il fenomeno di accumulo delle ceneri può anche essere distinto in base al luogo

fisico in cui avviene: slagging (ceneri fuse) nella camera di combustione, fouling (ceneri volatili) nei banchi dei riscaldatori

e surriscaldatori. I fenomeni di slagging e fouling sono responsabili di molti problemi nelle centrali: corrodono e

incrostano la caldaia e i tubi (uno dei principali motivi di arresto non programmato).

I fattori che determinano i fenomeni di F&S sono: retrofit dell'impianto, abbassamento qualità dei carboni, introduzione

combustibili secondari, parametri d'esercizio inappropriati, efficienza imperfetta dei macchinari. Ciò si combatte

iniettando in caldaia additivi altofondenti (carbonato di calcio e magnesio).

Riassunto Pagina 8

COMBUSTIONE

La combustione sono rapidi processi di ossidazione con reazioni esotermiche tra combustibili e comburenti. Avviene

nell'ordine dei ms, è accompagnata da emissioni di fiamme; ha diversi regimi: deflagrazione (v<v suono) e detonazione

(v nell'ordine dei ms); in base alle caratteristiche del campo di moto è laminare o turbolenta.

Tipi di fiamme: premiscelate (zona di preriscaldamento, regione interna, regione di ossidazione), diffusive.

La lunghezza della fiamma è importante per definire le dimensioni della camera di combustione. Dipende dalla portata

del combustibile.

La vera misura con cui sono date le caratteristiche di infiammabilità è data dai limiti di infiammabilità (inferiore (Li) e

superiore (Ls)) delle miscele, che sono definiti come la massima o minima concentrazione di combustibile in miscela che

a T e P standard consentono la combustione. Continuando ad aggiungere combustibile si raggiunge il limite superiore.

La miscela con una concentrazione che non è compresa in questo intervallo non è infiammabile.

Essi sono influenzati da:

natura del comburente

- temperatura (agisce in tensione di vapore, velocità di reazione, limiti di infiammabilità, dunque influenza

- notevolmente le caratteristiche di infiammabilità)

pressione (anch'essa influenza l'intervallo di infiammabilità della miscela modificandone il limite superiore e il

- limite inferiore)

presenza di inerti o di altri gas (per via della presenza di altri gas nell'intervallo di infiammabilità di un

- combustibile con l'aria sarà sempre minore dell'intervallo dello (?), combustibile in presenza di ossigeno; perché

l'azoto presente nell'aria e che non reagisce con la combustione (?) a diluire la miscela abbassando sensibilmente

il limite di infiammabilità superiore, mentre non influenza in maniera rilevante quello inferiore.

Per rappresentare il comportamento delle miscele si possono usare i diagrammi di infiammabilità a due o tre assi.

EMISSIONI

Le emissioni possono essere: da pennacchio, fanghi, acqua di scarico, rumori, deflusso delle acque dei cumuli di

carbone, cenere vendibile, gas di scarico, gas di scarico della desolforazione, …

Le conseguenze sono: acidificazione suolo e acque, qualità aria, riscaldamento globale, impoverimento ozono

atmosferico, danneggiamento edifici e strutture, esposizione a sostanze pericolose.

Il carbone presenta un problema di emissioni maggiori rispetto ad altre fonti, legato anche alla sua forma solida, infatti,

durante la sua combustione è inevitabile, anche se parzialmente regolamentabile, la produzione di ceneri, che a diverso

livello, in base alla provenienza e alla qualità del combustibile stesso, causano emissioni in aria di particelle dannose.

- SOx (direttamente correlate al contenuto di S nel combustibile) - un alto tenore di zolfo abbass