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Tecnica
gennaio - febbraio 2012
la TermoTecnica
Elettricità e Inquinamento
di R. Lauri
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centrali termoelettriche
Condizioni di processo degli impianti SCR
La riduzione catalitica selettiva è una tecnologia di controllo, operante a valle del processo di combustione e basata sulla conversione degli ossidi di azoto
(NOx) in azoto molecolare (N2) ed acqua (H2O). L’ammoniaca è l’agente riducente maggiormente utilizzato nelle applicazioni SCR. La vaporizzazione
dell’ammoniaca, la sua diluizione con il fluido di trasporto ed il controllo della sua portata da convogliare alla zona di iniezione costituiscono degli
aspetti importanti per l’esercizio del sistema SCR. Questi temi sono diventati sempre più rilevanti a causa degli elevati requisiti di efficienza imposti dalle
vigenti normative. Il processo SCR è completamente automatizzato e controllato mediante DCS. L’articolo illustra le principali modalità di controllo del
sistema SCR (rapporto molare NH3/NOx, portata dell’aria di diluizione e suo livello di pressione, quantità di ammoniaca da vaporizzare).
THermoelecTric PoWer PlanTS: oPeraTing conDiTionS oF Scr PlanTS
Selective Catalytic Reduction (SCR) is a post-combustion control technology based on the chemical reduction of nitrogen oxides (NOx) into molecular
nitrogen (N2) and water (H2O). Ammonia is the reducing agent, which is employed by the majority of SCR plants. Ammonia vaporization, dilution and
flow control are important topics in the field of SCR systems. These topics have risen in importance due to the high efficiency requirements dictated by
the current emissions regulations. The SCR system is fully automatic and controlled by the plant DCS. The paper illustrates basic control of SCR plant
(NH3/NOx ratio adjustment, dilution air flow and pressure, ammonia vaporization).
Le centrali termoelettriche a vapore sono ancora oggi le protagoniste indiscusse nella produzione di energia elettrica in Italia, utilizzando come fonte energetica un’ampia gamma di sorgenti primarie (combustibili fossili di
varia natura e pregio, sorgenti rinnovabili quali le biomasse ecc.). Questa
considerazione è ulteriormente rafforzata dal rapporto ambientale 2010
stilato da Enel, dal quale emerge che tale tipologia di impianto copre il
46,8% della potenza efficiente netta totale contro il 24,1% dei gruppi a
ciclo combinato. Nelle centrali alimentate con combustibili fossili il tema
del contenimento delle emissioni di inquinanti gassosi (inclusi gli NOX) è di
fondamentale importanza. La rimozione degli ossidi di azoto nelle centrali
a vapore avviene mediante gli interventi primari di denitrificazione, che
ne limitano la formazione durante il processo di combustione, e quelli secondari (impianti SCR), che ne prevedono la rimozione dai gas combusti.
Questi ultimi sono indispensabili per gli impianti alimentati a carbone o ad
olio combustibile al fine del rispetto dei limiti di emissione. Il processo di
riduzione catalitica selettiva è molto articolato e necessita di un rigoroso
controllo delle fasi (in particolar modo la preparazione e la successiva
alimentazione della soluzione reagente alla zona di iniezione), che lo
compongono, in modo da innalzare gli standard di sicurezza e garantire
un’efficace abbattimento degli NOX. La configurazione impiantistica che
verrà analizzata è quella “high-dust”, caratterizzata dall’installazione del
catalizzatore a monte del sistema di depolverazione.
componenti di un impianto DenoX
L’impianto DeNOX dispone di diverse sezioni, le quali assolvono le funzioni di stoccaggio del reagente (ammoniaca anidra o soluzione acquosa
di NH3), vaporizzazione dello stesso, adduzione del fluido di trasporto,
miscelazione della soluzione reagente con il fluido di trasporto (principalmente aria) e successivo convogliamento alla zona di immissione,
iniezione nella corrente dei gas combusti, uniformità della miscelazione
tra soluzione riducente e fumi, omogeneità della ripartizione della portata gassosa da trattare nel catalizzatore e regolazione dei parametri di
controllo. L’impianto SCR (Figura 1) è composto quindi da:
- serbatoi di stoccaggio dell’ammoniaca anidra o della soluzione acquosa di ammoniaca;
- stazioni di vaporizzazione per portare l’NH3 allo stato gassoso;
- un sistema di tubazioni per l’immissione del fluido di trasporto (verrà
presa in esame l’aria, ma in alternativa può essere impiegato anche
il vapore), il quale ha la funzione di offrire alla corrente gassosa una
miscela omogenea di reagente nebulizzato in particelle fini e di conferire
un adeguato grado di turbolenza all’immissione, al fine di favorire la
distribuzione del reagente quanto più rapida ed uniforme possibile a
tutta la sezione attraversata dai fumi;
- un sistema di riscaldamento del fluido di trasporto al fine di garantire al
catalizzatore di lavorare all’interno di un ottimale range di temperatura
(generalmente compreso tra 280-400°C);
- un miscelatore NH3/aria;
- un sistema di tubazioni per il trasporto del reagente fino al punto di
immissione. Queste sono realizzate in acciaio inossidabile al fine di
contrastare l’azione corrosiva dell’ammoniaca;
- un sistema di immissione del reagente all’interno della zona di processo,
a vari stadi di iniezione, posizionati a diverse altezze all’interno del generatore di vapore; ciascuno di essi è equipaggiato con gruppi di lance
dotate di iniettori multipli, i quali possono variare l’angolo di spruzzo,
aumentano la velocità e la turbolenza della miscela e consentono un
Dott. ing. roberto lauri, INAIL ex ISPESL, Dipartimento Installazioni di Produzione e Insediamenti Antropici (DIPIA)
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stributore di flusso (rectifier layer) per ripartire nel modo più
uniforme possibile, in ingresso al catalizzatore, la portata
dei fumi (Figura 2);
- un reattore catalitico, responsabile, mediante i suoi elementi
attivi (principalmente V2O5 e WO3), della conversione degli
ossidi di azoto in acqua ed azoto molecolare;
-- un equipaggiamento di regolazione e controllo delle portate e dei principali parametri fisici;
-- un sistema di controllo in remoto e di allarmi per segnalare
eventuali anomalie;
-- un complesso di misure di sicurezza per gli operatori e per
la prevenzione e lo spegnimento di incendi.
Serbatoi di stoccaggio della soluzione
acquosa di ammoniaca
Figura 1 - Layout di un impianto SCR in configurazione high dust
Figura 2 - Palette deviatrici e distributore di flusso della corrente gassosa
maggiore e più uniforme investimento della corrente dei
fumi in transito. Tutti i collettori degli stadi e ciascuna lancia
d’immissione sono dotati di valvole manuali per la messa in
servizio del singolo stadio;
-- un miscelatore soluzione reagente/gas combusti (static
mixer);
-- una schiera di palette deviatrici (turning vanes) e da un di-
L’ammoniaca può essere utilizzata o in soluzione acquosa
o in forma anidra. La prima opzione consente di ridurre i
rischi legati al trasporto e richiede minori pressioni di stoccaggio, con conseguenti requisiti di sicurezza meno gravosi.
Si deve preventivare, però, una maggiore spesa energetica
per la vaporizzazione dal momento che anche l’acqua deve
evaporare. Nelle applicazioni SCR il contenuto di NH3 nella
soluzione acquosa è generalmente pari al 29% in peso.
L’ammoniaca viene stoccata come liquido in pressione in
serbatoi di acciaio, posizionati su ancoraggi in grado di
bilanciare le oscillazioni dovute all’azione del vento e le
vibrazioni prodotte da eventuali eventi sismici. Il serbatoio di stoccaggio deve essere dotato di un indicatore della
pressione (lo spessore della parete deve essere progettato
per resistere a pressioni di 24 bar), che emette un segnale
di allarme ad una postazione sempre presidiata, qualora
siano superati i livelli minimo e massimo della pressione. Sul
recipiente vanno poste due valvole di sicurezza indipendenti
(la loro pressione di apertura viene fissata dalle condizioni
operative e, in ogni caso, non può essere superiore alla
pressione di progetto del serbatoio), ognuna delle quali provvista a monte di una valvola di intercettazione, in modo che,
anche durante la manutenzione, ci sia almeno una valvola
di sicurezza attiva. Inoltre per ogni serbatoio sono previsti un
indicatore di livello e due dispositivi di protezione contro il
riempimento eccessivo. Infatti il recipiente di stoccaggio può
essere riempito fino al 85% del suo volume, in modo da poter
garantire sufficiente spazio per i vapori di ammoniaca. Tale
serbatoio è costituito da materiale flottante, in grado, cioè,
di adattarsi alle espansioni termiche a cui sono sottoposti i
vapori di ammoniaca in equilibrio dinamico con il liquido per
effetto del riscaldamento atmosferico (soprattutto nei giorni
più caldi). Quando uno dei due dispositivi di protezione si
innesca le valvole di arresto di sicurezza devono interrompere l’alimentazione della soluzione reagente al serbatoio
e contemporaneamente un segnale di allarme deve essere
emesso nella postazione di riempimento. È previsto anche
un bacino di contenimento, che deve avere una capacità
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pari ad almeno il 20% del volume contenuto nel serbatoio e
la parete del bacino non deve superare 1,5-2 m di altezza.
Nello stabilire questa altezza occorre anche tener presente
che, in caso di fuoriuscita massiccia della soluzione reagente,
si può avere una specie di onda liquida dinamica, che non
deve comunque scavalcarne il bordo. In alcuni casi si possono utilizzare pareti di contenimento alte da metà a due terzi
dell’altezza del recipiente e poste a 7-8 m di distanza da esso.
Il bacino viene realizzato in cemento, che, a causa della sua
scarsa conducibilità termica, riduce la trasmissione di calore
dal terreno verso il liquido fuoriuscito e quindi attenua il tasso
di evaporazione di questo ultimo.
La sezione di alimentazione
del fluido di trasporto
La sezione di alimentazione svolge la funzione di addurre al
miscelatore aria/NH3 la necessaria portata di fluido di trasporto ad un adeguato livello di pressione. Nelle condizioni
di esercizio del sistema SCR il rapporto aria/NH3 è di 20:1.
Per garantire con continuità la disponibilità di tale flusso sono
previsti in tale sezione:
-- due ventilatori operanti in parallelo (uno in funzione e l’altro
pronto ad entrare in azione in caso di guasto);
-- un riscaldatore elettrico;
-- valvole di regolazione;
-- strumentazione per la misura ed il controllo della portata,
della pressione e della temperatura.
La pressione del fluido di trasporto recita un ruolo non trascurabile ai fini dell’abbattimento degli NOX in quanto influenza
direttamente il grado di turbolenza e quindi la miscelazione
tra soluzione reagente e gas combusti. Il range ottimale dei
valori della pressione viene desunto dalle prove sperimentali e mediante un indicatore di pressione si monitora il suo
andamento al fine di non discostarsi da tale intervallo. Il
controllo della temperatura dell’aria in uscita dal riscaldatore
è effettuato in remoto mediante un apposito trasmettitore ed
il suo riscaldamento può essere condotto fino a 340-350 °C
in modo da uniformare il più possibile il suo livello termico a
quello dei fumi e quindi consentire al catalizzatore di lavorare
nelle migliori condizioni, riducendo il rischio di degrado
termico. L’immissione del fluido di trasporto viene modulata
da una valvola regolatrice di flusso (Figura 3), che invia alla
sala controllo un segnale per la determinazione della portata.
La presenza di una valvola di non ritorno impedisce all’ammoniaca di occupare la tubazione adibita all’adduzione del
fluido di trasporto.
Le regolazioni dell’impianto SCR
L’impianto SCR deve garantire con assoluta continuità elevate
performance di rimozione degli NOX (80-85%), limitando il
rilascio di ammoniaca a valle del catalizzatore (ammoniaslip). Infatti per quanto possa essere accurata la miscelazione
Figura 3 - Sezione di alimentazione del fluido di trasporto
della soluzione reagente con i gas combusti, vi è sempre una
data frazione di NH3, che non partecipa alle reazioni di
riduzione degli ossidi di azoto. Tale quantità, deve essere minimizzata poiché è responsabile, insieme con la SO3 presente
nei fumi (soprattutto nelle centrali alimentate a carbone), della
possibile formazione di bisolfato di ammonio (NH4HSO4),
che ha attitudine a precipitare in intervalli di temperatura
corrispondenti a quelli dei fumi durante l’attraversamento dei preriscaldatori d’aria, causando l’intasamento
degli stessi ed il conseguente ricorso a frequenti lavaggi.
Il dosaggio dell’ammoniaca e quindi il rapporto NH3/
NOX avviene in remoto dalla sala di controllo, attraverso il sistema DCS, che regola l’apertura della valvola
regolatrice del flusso (Figura 4). Sulla base degli input
in ingresso al sistema di controllo (concentrazione degli
NOX in ingresso al catalizzatore, concentrazione degli
NOX in uscita dal catalizzatore, portata volumetrica dei
fumi in ingresso al reattore catalitico e slip di ammoniaca)
viene calcolato il rapporto teorico NH3/NOX richiesto:
⎞ ⎛ NH
⎛ NH ⎞ ⎛ η
3slip
NO X ⎟ ⎜
3 ⎟
⎜
= ⎜
+
⎜ NO ⎟ ⎜ 100 ⎟ ⎜⎜ NO
⎝
X ⎠t
X inlet
⎝
⎠ ⎝
⎞
⎟
⎟⎟
⎠
Dove:
- ηNOx rappresenta l’efficienza di rimozione degli ossidi di
azoto (valore percentuale);
- NH3,slip rappresenta la concentrazione di ammoniaca nei
fumi secchi, riscontrata a valle del catalizzatore (ppmvd);
- NOX,inlet indica la concentrazione degli ossidi di azoto nei
fumi secchi, in ingresso al catalizzatore (ppmvd).
Il valore ottenuto viene corretto sulla base della comparazione tra la misura della concentrazione degli ossidi di azoto in
uscita dal reattore catalitico ed il valore imposto dalle normative per le emissioni in aria. Come dispositivo di sicurezza viene utilizzata una valvola shut-off, azionabile sia localmente
che in remoto, la quale è in grado di interrompere il flusso di
ammoniaca qualora si dovessero registrare delle condizioni
anomale di esercizio. Tale valvola e quella di regolazione
della portata di NH3 sono dotate di un dispositivo pneumatico
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di arresto in caso di emergenza. Il verificarsi di una delle
seguenti condizioni provoca un’interruzione nell’alimentazione della portata di NH3 (chiusura della valvola shut-off):
-- bassa portata dei gas in ingresso al catalizzatore;
-- elevato rapporto NH3/aria;
-- temperatura dei fumi in ingresso al reattore catalitico inferiore al valore minimo consentito dalla finestra di lavoro
del catalizzatore;
-- temperatura dei fumi in ingresso al reattore catalitico superiore al valore massimo consentito dalla finestra di lavoro
del catalizzatore.
Inoltre ai fini di un’omogenea miscelazione dell’agente riducente nei gas combusti deve essere assicurata continuità
all’adduzione del fluido di trasporto (aria). Come detto in
precedenza ciò è ottenibile mediante l’ausilio di due ventilatori operanti in parallelo. L’azionamento del ventilatore
di riserva avviene in automatico qualora la pressione allo
scarico del ventilatore in esercizio, monitorata da un apposito
indicatore, scendesse al di sotto del valore minimo di set point
impostato o si presentassero dei guasti. Il sistema di controllo consente anche di regolare la produzione dei vapori
di ammoniaca. La stazione di vaporizzazione deve essere
progettata per una pressione operativa di almeno 25 bar ed
è generalmente costituita da resistenze nelle quali fluisce olio
diatermico, la cui temperatura viene regolata dalla quantità
di vapori di NH3 richiesta e quindi dal loro livello di pressione nel serbatoio di stoccaggio. Questa regolazione viene
effettuata installando un indicatore di pressione nel pannello
di controllo del vaporizzatore. Tale indicatore riceve segnali
dal trasmettitore di pressione del serbatoio. Nel caso in cui
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la pressione dei vapori di ammoniaca dovesse scendere al di
sotto del valore di set point si provvederebbe all’attivazione
della stazione di vaporizzazione. È previsto anche un sistema
di sicurezza finalizzato ad evitare il surriscaldamento del
fluido circolante (olio diatermico) nel riscaldatore mediante
l’interruzione dell’alimentazione elettrica. Un altro aspetto
cruciale per il corretto esercizio del sistema SCR è il monitoraggio della temperatura dei fumi in ingresso al DeNOX in
modo da rispettare sempre la finestra di lavoro del catalizzatore. A tal proposito si impiegano sensori costituiti da termocoppie (vari per ogni stadio di iniezione), che monitorano
in continuo il valore della temperatura in prossimità della
zona di trattamento, al fine di assicurare che le reazioni di
riduzione avvengano nel prestabilito range di temperatura.
Conclusioni
Il corretto esercizio del sistema SCR non dipende solamente
dalla gestione del reattore catalitico, ma anche dalle fasi preliminari di preparazione e adduzione della miscela reagente,
che rivestono un ruolo assolutamente non secondario. Infatti
solamente attraverso delle preliminari prove sperimentali,
condotte in impianto su scala reale, è possibile individuare
i valori della pressione di immissione del fluido di trasporto
ed una finestra di dosaggio per il rapporto NH3/NOX, che
determinino il verificarsi di condizioni di funzionamento ottimali del sistema (elevati rendimenti di rimozione degli ossidi
di azoto e contenuto slip di NH3). Risulta quindi fondamentale
garantire un controllo puntuale ed automatico del processo
al fine di non discostarsi dai risultati ottenuti con le suddette
prove.
Bibliografia
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