Una centrale a biomassa di grande taglia: esperienza dell`impianto

martedì 19 novembre 2013
Una centrale a biomassa di grande
taglia: esperienza dell’impianto a
vapore di Zignago Power
Relatore: Dott. Ing. Dario Buoro
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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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Summary
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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 dipendenti
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L’azienda
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• Impianto di produzione di energia elettrica da biomassa solida
• Impianto inserito all’interno di una RIU (Rete Interna di
Utenza)
Zignago Power
RTN
3kV
Linea cippatura
Bassa tensione
400V
Ausiliari
10kV
10kV
Depuratore
400V
10kV
G
132kV
10kV
Santa Margherita
10kV
Zignago Vetro
400V
Uffici
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Zignago Power
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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.)
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Tipologie di biomassa
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Tronchi di legno
Cippato di legno
Coltivazione di pioppo
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Utilizzo della biomassa per la
produzione di energia
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Utilizzo della biomassa per la
produzione di energia
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Zignago Power
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Schema tipico impianto a biomasse
Electrical grid system
Fuel reception
Steam Turbine
Urea
Storage tank
Water
cooled
condenser
Fuel storage
Feed water
tank
Magnetic
removal
Condensate
preheater
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Generator
Condensate
preheater
Boiler
Feedwater
pump
Fluegas
Fuel dosing
Secondary air
Primary air
Cyclone
Fluegas cleaning
bag filter
Stack
ID Fan
Silencer
Bottom ash
Lime stone
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Emission measuring
Fly ash
storage silo
Potenza nominale combustibile
Boiler efficiency (40% fuel moisture)
49.2 MW
92.0%
Max. pressione ammissibile boiler
Max. temperatura di eserciziodi vapore
Max. produzione di esercizio di vapore
109 barg
522°C
17.1 kg/s (61.7 t/h)
Pressione vapore surriscaldato
Temperatura vapore surriscaldato
Temperatura acqua di alimento
92 bara
522°C
184°C
Temperatura di condensazione
Pressione di condensazione
Potenza elettrica prodotta
35.3°C
0.057 bara
17.072 MW
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Caratteristiche tecniche impianto
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Rendimento generale impianto
Disponibilità
34.7%
>8’200h/a (94%)
Proprietà del combustibile
Composizione chimica dal combustibile
Potere calorifico vs. Contenuto idrico
Elemento
Carbonio
% daf
~51
Idrogeno
% daf
~6
Ossigeno
% daf
~42
Azoto
% daf
~0.5
Zolfo, Cloro, etc.
% daf
<0.2
Ceneri
% dry
~0.5
daf = dry, ash-free basis
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La peculiarità della biomassa è la sua eterogeneità in termini di composizione
chimica, ma soprattutto in termini di contenuto idrico
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Volatile compounds
Water
~80%
(CO, CO2, H2, methane, CxHy,
tar, H2O, etc.)
Visible flame
Air
Wood
Dry wood
Drying
Drying
Flue gas
(CO2, H2O, O2, N2, CO,
SOx, NOx, HCl etc.)
+heat
~20%
Heat
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Processo di combustione della biomassa
Glowing embers
Heat
De-volatilisation/
De-volatilisation/
gasification
gasification
Char
Combustion
Combustion
Ash
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Camera 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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Sistema di combustione
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Controllo della combustione
1.
2.
3.
4.
Controllo e regolazione portata e temperatura aria primaria
Controllo e regolazione portata e temperatura aria secondaria
Controllo e regolazione portata aria di ricircolo
Controllo distribuzione del combustibile in griglia
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Combustione a stadi tramite immissione controllata di aria primaria,
secondaria e ricircolo
Necessari
per
controllare
Eccesso d’aria (attorno al 2%)
Temperatura della combustione (950-1’050°C)
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• Dipende dall’eccesso d’aria utilizzato nel processo di
combustione
Pboi
m a, h a
mc, Hi
Combustore
mf, hf
Boiler
mf, hr
mc, hr
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Rendimento della caldaia
mr, hr
Bilancio di massa ed energia
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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Turbina
Boiler
Sis. raffr.
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Boiler a circolazione naturale
•
•
•
•
•
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
Steam drum
Level: 20.5 m
Pressure: 98 bara
Saturated
steam
Saturated
water
Evaporator
tubes
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•
Downcomer
Heat
input
Header
Level: 2.5 m
Pressure: 99.3 bara
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Corpo cilindrico
Perforated
plate
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Dry, saturated steam
Demisters
Cyclones
Permissible
range for water
level
Water/steam
mixture from
evaporator
Feedwater
To downcomers
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Schema del boiler
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Turbina
Turbina a vapore di tipo misto:
1 stadio ad azione
20 stadi a reazione
4 spillamenti
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MAN Turbo MARC6
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
Cuscinetti
radiale e
assiale
Balance piston
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Valvola di
regolazione
Cuscinetto
assiale
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Sistema di raffreddamento
Vuoto
Rendimento
Condensatore ad acqua
Vuoto
Rendimento
• Punti di forza cond. ad acqua:
• Maggior efficienza
complessiva dell’impianto
• Minor costo di investimento
0,085bara
32,1%
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Condensatore ad aria
0,057bara
34,7%
• Punti di debolezza cond. ad acqua:
• Consumo idrico (make up torri)
• Scarico idrico (blow down torri)
• Pennacchio
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Torri evaporative
Abbassano la temperatura
dell’acqua di raffreddamento
fino a 3°C sopra il bulbo
umido
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Logiche controllo impianto
Turbina segue
Il controllo della potenza viene eseguito dalla caldaia, il
controllo della pressione viene fatto dalla turbina (condizione
normale con turbina in parallelo)
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Tutto il controllo avviene tramite un DCS (Distributed Control System)
ed è possibile controllare tutto dalla sala controllo.
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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• 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’s
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Aspetti ambientali
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Caratteristiche emissioni
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
10
Ciclone
Filtro a maniche
CO
50
80
50
80
Ottimizzazione combustione
TOC
7
15
7
15
Ottimizzazione combustione
NOx
180
300
150
300
Ottimizzazione combustione
SNCR DeNOx (iniezione urea)
SO2
50
100
50
100
Iniezione calce (FGD)
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Autorizzazione
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Nota Bene: l’impianto in realtà riesce ad abbattere un 30% in più!
I parametri emissivi autorizzati vengono monitorati in continuo
dallo SME (Sistema di Monitoraggio delle Emissioni) e
comunicati all’ARPAV.
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Monitoraggio delle emissioni
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.
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• Valorizzazione del territorio
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Perché un impianto a
biomassa?
• 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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Nel prossimo futuro (2014) verrà costruita una rete di
teleriscaldamento a servizio della vicina località di Fossalta di
Portogruaro:
Utenze collegate previste
Potenza termica nominale
120
3’200 kW
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Prossimi sviluppi
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
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• 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
[email protected]
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