Microinquinanti - Dispensa 2h PDF

MICROINQUINANTI ▪ I microinquinanti sono quei contaminanti che hanno concentrazioni inferiori rispetto ai macroinquinanti, ma che tipicamente sono molto più pericolosi sulla salute e dal punto di vista di impatto ambientale. ▪ Tra questi, si trovano: HCl < 0.05 m...

MICROINQUINANTI ▪ I microinquinanti sono quei contaminanti che hanno concentrazioni inferiori rispetto ai macroinquinanti, ma che tipicamente sono molto più pericolosi sulla salute e dal punto di vista di impatto ambientale. ▪ Tra questi, si trovano: HCl < 0.05 mg/Nm3 NH3 < 2 mg/Nm3 Metalli < 0.05 mg/Nm3 IPA (Idrocarburi Policiclici Aromatici) < 0.002 mg/Nm3 DIOSSINE < 0.001 ng/Nm3 PCB (PoliCloroBifenili) < 0.0002 ng/Nm3 A. Casula 21  SISTEMA MONITORAGGIO DELLE EMISSIONI ▪ I macroinquinanti vengono continuamente monitorati tramite un Sistema di Monitoraggio in Continuo delle Emissioni (SMCE): ogni 5 secondi si scansiona la composizione dei fumi e ne vengono salvati i risultati. ▪ Lo SMCE, tramite sensori, contatori di particelle e altre strumentazioni, è in grado di misurare le concentrazioni dei macroinquinanti nei fumi. ▪ Questa tecnologia continua di monitoraggio è stato un grande salto di qualità a livello di controllo delle emissioni a fini ambientali, perché permette di accorgersi di eventi o malfunzionamenti in tempo reale e quindi di evitare situazioni molto impattanti per tempi prolungati. ▪ I dati prodotti vengono poi analizzati e devono essere inviati all’ARPA per verificare che l’impianto lavori conformemente ai limiti di emissioni. A. Casula 22  FORMAZIONE CO E NOX ▪ Nel processo di combustione di un qualsiasi combustibile, è necessario tenere conto di due aspetti fondamentali: Incombusti Formazione di ossidi di azoto Nox ▪ Gli incombusti sono quelle specie chimiche che non hanno subito un’ossidazione, oppure solamente parziale (ad es. CO). ▪ Gli NOx sono inquinanti che devono essere assolutamente evitati dato che causano problemi alla salute, sono i responsabili delle piogge acide, partecipano all’ingrandimento del buco dell’ozono e l’NO2 è un gas serra. A. Casula 23  FORMAZIONE CO E NOX ▪ Gli incombusti si formano in assenza di sufficiente azione ossidante, in altre parole in difetto di ossigeno (meno che la quantità stechiometrica). ▪ Gli Nox si formano principalmente con tre meccanismi: Fuel Nox, si formano dall’azoto presente nella struttura chimica del combustibile, che viene tutto convertito in NOx, per questo nei combustibili si vuole poco (o niente) contenuto di azoto. Thermal Nox, si formano in presente di alte temperature e con eccessi di aria. Prompt Nox, dipendono dalla cinetica della reazione e sono indipendenti dalla temperatura, per cui ci sono sempre, ma sono in quantità ridotte rispetto ai thermal. A. Casula 24  FORMAZIONE CO E NOX ▪ La quantità di aria comburente gioca un ruolo fondamentale nel processo di combustione: Se in difetto si avranno molti incombusti e una bassa temperatura. Se in leggero eccesso, si avrà un’alta temperatura e qualche incombusto. Se in largo eccesso completa combustione, ma si abbassa la temperatura. A. Casula 25  FORMAZIONE CO E NOX ▪ Di conseguenza con la quantità di aria è possibile controllare la temperatura della combustione e quindi evitare la formazione dei thermal NOx, ma anche ridurre la presenza di incombusti. ▪ Esiste quindi un trade-off per trovare il giusto compromesso la completa combustione (e quindi diminuire i costi) e la formazione di NOx. A. Casula 26  COMBUSTIONE A DUE STADI ▪ Da un punto di vista operativo, la combustione viene operata mediante un processo in due stadi, il primo del quale impiega un rapporto aria comburente/combustibile pari ad uno (rapporto stechiometrico) o inferiore, mentre il secondo comporta l’ossidazione finale dei gas con un grande eccesso di aria. ▪ Operando con una combustione a stadi è possibile contenere le emissioni di ossidi d’azoto, evitandone la formazione per via termica, e ridurre il contenuto di prodotti incombusti nei fumi specialmente se si provvede ad un corretto miscelamento dell’aria secondaria nella parte alta della camera di combustione (freeboard). A. Casula 27 COMBUSTIONE A DUE STADI A. Casula 28  TECNOLOGIA DI COMBUSTIONE ▪ Per il recupero energetico di biomasse e residui è senza dubbio più conveniente impiegare tecnologie più avanzate che, oltre a garantire maggiori rendimenti termici, permettono un maggior contenimento delle emissioni inquinanti. ▪ I sistemi più impiegati sono di tre tipi: Combustori a griglia di nuova generazione Combustori a letto fluido bollente Combustori a letto fluido ricircolato A. Casula 29 GRIGLIA INCLINATA A BARROTTI Reciprocating grate type 415 A. Casula 30 GRIGLIA INCLINATA VIBRANTE A. Casula 31 SISTEMA A SPREADER STOKER A. Casula 32  SISTEMA A LETTO FLUIDO Griglia di fluidizzazione EPI Caldaia a letto fluido A. Casula 33  LE CENERI ▪ Le ceneri sono i residui non organici che rimangono anche dopo la combustione completa (non sono incombusti). ▪ Sono composti generalmente da silicati, alluminia, ossido di ferro, ossidi di calcio, ossidi di magnesio, piccole tracce di ossidi di titanio, alcali e composti dello zolfo. ▪ Le ceneri influenzano negativamente le prestazioni di un impianto ed il potere calorifico netto. ▪ Una maggior quantità di ceneri provoca un aumento dei fenomeni di erosione, corrosione, incrostazione, formazione di incombusti e di emissioni. A. Casula 34  DEPOSIZIONE DELLE CENERI carbone legno paglia carbone e paglia ▪ I combustibili con basso contenuto di ceneri e, soprattutto, un basso contenuto di alcali e cloruri sono da preferire in quanto presentano meno problemi di deposizione delle ceneri e, quindi, di sporcamento della caldaia e della griglia o per i forni a letto fluido di impaccamento del letto. A. Casula 35 CORROSIONE A CALDO A. Casula 36 CORROSIONE A CALDO A. Casula 37  CENERI, INERTI, UMIDITÀ ▪ È importante fare la distinzione tra ceneri e inerti: ▪ Le ceneri sono specie chimiche intrinsecamente presenti nella biomassa, perché necessarie alla vita (calcio, fosforo, potassio, sodio e magnesio). Durante la combustione non si trasformano in sostanze volatili, ma rimango solide o liquide. ▪ Gli inerti sono invece elementi che non partecipano alla reazione. Questi sono, ad esempio, terra e/o sassi, che vengono raccolti insieme alla biomassa. ▪ Ceneri, inerti e umidità partecipano in modo negativo alla combustione perché vengono portati ad alta temperatura, assorbendo calore, rendendo impossibile (o molto difficile) il recupero di questa energia. ▪ Umidità e ceneri, inoltre, subiscono una transizione di fase, consumando ancora più energia. A. Casula 38 FORMAZIONE SCORIA A. Casula 39  CICLO RANKINE A. Casula 40  CICLO RANKINE ▪ Un ciclo termodinamico Rankine ideale è formato da: Una compressione iso-entropica da liquido saturo a liquido sottoraffreddato (1→2), Un riscaldamento isobaro con evaporazione del liquido fino alla temperatura massima del ciclo (2→3), Un’espansione iso-entropica (3→4), Una cessione di calore isobara verso l’ambiente con condensazione del vapore (4→1). A. Casula 41  CICLO RANKINE ▪ Queste trasformazioni termodinamiche si ottengono con quattro componenti principali: Pompa di estrazione del condensato e di alimento del ciclo, Caldaia per l’introduzione di calore, Turbina per l’espansione del vapore, Condensatore per la cessione del calore. A. Casula 42  DIAGRAMMA T-S A. Casula 43  CALDAIA O BOILER ▪ La caldaia (in inglese boiler) è quel componente il cui ruolo è quello di trasferire calore dai fumi di combustione al fluido di lavoro. ▪ Nei sistemi avanzati una parte della caldaia funge anche da camera di combustione. ▪ Se il fluido di lavoro è acqua-vapore la caldaia viene anche detta generatore di vapore. A. Casula 44 GENERATORE DI VAPORE A TUBI D’ACQUA Brochure STC A. Casula 45 GENERATORE DI VAPORE A TUBI D’ACQUA Brochure Kablitz A. Casula 46  RENDIMENTO DI CALDAIA Carico termico superficiale: rappresenta la potenza specifica all’unità di superficie che transita dai prodotti di combustione al fluido di lavoro [kW/m2], [kcal/h/m2]. Carico termico volumetrico: è rappresentato dall’energia prodotta in un’ora in un metro cubo di camera di combustione [kcal/m3/h], [kJ/m3/s]. Rendimento di caldaia: è dato dal rapporto tra la potenza termica assorbita dal fluido di lavoro e la potenza termica prodotta in caldaia; oppure il rapporto dell’energia assorbita dal fluido e l’energia prodotta in caldaia. A. Casula 47  RENDIMENTO DI CALDAIA ▪ Il rendimento di caldaia può essere determinato utilizzando due diverse metodologie: Metodo diretto Metodo indiretto ▪ Nel metodo diretto si determinano (si misurano, si calcolano o si stimano) Qu e Qin,HLV e quindi il loro rapporto, che è il rendimento. ▪ Nel metodo indiretto si determinano invece le singole perdite e il rendimento è dato da: η = 1 − Σ(𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑡𝑒) A. Casula 48  RENDIMENTO DI CALDAIA ŋ = Q2 / Q1 Q1 = Gc * PCU Q2= Gsh * (hsh – ha) Dove: Gc portata biomassa combustibile PCU potere calorifico utile Gsh portata vapore surriscaldato (= portata acqua alimento) hsh entalpia vapore surriscaldato ha entalpia acqua alimento ingresso economizzatore A. Casula RENDIMENTO DI CALDAIA – METODO INDIRETTO A. Casula 50  CICLO RANKINE A. Casula 51 CONFIGURAZIONI CICLO RANKINE A VAPORE A. Casula 52 CICLO DI CARNOT E CICLO RANKINE A. Casula 53 CONFIGURAZIONI CICLO RANKINE A VAPORE A. Casula 54  LIMITI DEL CICLO RANKINE A VAPORE ▪ Gli impianti termoelettrici a ciclo Rankine a vapore presentano dei limiti: ▪ Necessitano di vapore ad alte temperature e pressioni ▪ Taglia d’impianto > 3 MWe ▪ Poca cogenerazione ▪ Rimanendo nell’ambito dei sistemi termodinamici a combustione esterna questi limiti non ci sono con gli impianti a ciclo Rankine organico A. Casula 55  CICLO RANKINE ORGANICO ▪ Il principio del Ciclo Rankine Organico (Organic Rankine Cycle, ORC) è letteralmente identico al ciclo Rankine ad acqua, cambia soltanto il fluido di lavoro. ▪ Le trasformazioni termodinamiche, sono le stesse: compressione, introduzione di calore, espansione del vapore e condensazione del fluido di lavoro. Di conseguenza, anche i componenti sono gli stessi. ▪ Invece di acqua il sistema ORC utilizza un fluido organico. I fluidi organici sono quelle sostanze che contengono carbonio legato ad altri elementi, ma con numero di ossidazione < +4; in pratica tutti i composti contenenti C a parte la C02. A. Casula 56  CICLO RANKINE ORGANICO Bypass turbina, per regolazione potenza e start up/shut down. Non utilizzata in steady-state. 1≡ A. Casula 57  CICLO RANKINE ORGANICO ▪ In riferimento a un normale impianto cogenerativo rigenerato a biomassa solida, il processo si basa sul seguente ciclo termodinamico: 1→2 Compressione del liquido saturo 2→8 Rigenerazione (lato freddo) 8→3 Introduzione di calore dalla fonte energetica 3→4 Evaporazione 4→5 Espansione (secca) 5→9 Rigenerazione (lato caldo) 9→6 Cessione di calore (nel condensatore) per desurriscaldare 6→1 Condensazione A. Casula 58 SISTEMI ORGANIC RANKINE CYCLE Esempio di caldai ad olio diatermico A. Casula 59 CICLO RANKINE ORGANICO tecnologiemarconi.it A. Casula 60  CICLO RANKINE ORGANICO www.turboden.eu A. Casula 61  CICLO RANKINE ORGANICO ▪ Il ciclo ORC ha un'elevata efficienza energetica complessiva: Il 98% dell'iniziale potenza termica dell'olio diatermico si trasforma per il 20% in energia elettrica e per il 78% in calore, con perdite termiche estremamente limitate, solo il 2%, a causa di isolamento termico, radianza e perdite del generatore; L'efficienza elettrica ottenuta in ambiti non cogenerativi è molto più elevata (24% e più). A. Casula 62  OPZIONI TECNOLOGICHE ▪ Per trasformare la biomassa in elettricità e calore in alternativa alla combustione diretta e all’uso dei sistemi termodinamici a combustione esterna abbiamo: La trasformazione della biomassa in forma liquida o gassosa, tramite processi intermedi di pirolizzazione e gassificazione (processi termochimici) o di digestione anaerobica (processi biochimici) e utilizzo del biocombustibile derivato in motori a combustione interna. ▪ Questa seconda opzione però vede meglio l’utilizzo del prodotto della trasformazione della biomassa in forma liquida o gassosa come biocombustibile per autotrazione. A. Casula 63 IMPIANTI DI GASSIFICAZIONE (ESEMPIO) A. Casula 64  Polo territoriale di Cremona ALESSANDRO CASULA [email protected] Corso di Gestione Ambientale d’Impresa e delle Energie Rinnovabili