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Tecnica
novembre 2013
LA TERMOTECNICA
Energia & Ambiente
di A. Gambarè, E. Palini, L. Spadoni, A. Gnatta
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Il sistema di desolforazione a semi-secco
della Centrale Lamarmora di Brescia
Il sistema di desolforazione della Centrale del Teleriscaldamento Lamarmora di Brescia è stato recentemente rimodernato per ridurre le emissioni di SO2
in atmosfera. Il nuovo assorbitore a semi-secco (SDA), riprogettato da Alstom in sostituzione dell’esistente, consente di raggiungere i migliori standard
ambientali. In fase di progettazione sono state utilizzate tecniche di ottimizzazione tramite simulazione fluidodinamica.
REVAMPING OF THE SEMI-DRY DESULPHURIZATION SYSTEM
AT BRESCIA LAMARMORA POWER STATION
The SDA upgrade at A2A Lamarmora District Heating Plant (Unit 3), in Brescia, carried out by Alstom Power Italia ECS, is an example of modernization
of the installed Flue Gas Treatment System with the aim to achieve a lower SO2 emission, limiting, for the maximum extent, the impact of the modifications
to the existing plant configuration. The new SDA was successfully tested in January 2013, achieving less than 150 mg/Nm3 dry 6% O2 of SO2 emission,
far below the present European, Italian and Regional request.
PROGETTO DI RIADEGUAMENTO DEL REATTORE SDA
DELLA CENTRALE LAMARMORA DI BRESCIA
LA CENTRALE DEL TELERISCALDAMENTO LAMARMORA DI BRESCIA
La Centrale del Teleriscaldamento Lamarmora di Brescia è sorta
negli anni ’70 con l’avvio del progetto di teleriscaldamento della
città, ed è tuttora uno dei principali poli produttivi del calore per
il teleriscaldamento di Brescia, insieme al vicino Termoutilizzatore
e alla Centrale Nord.
La Centrale Lamarmora è di A2A Calore & Servizi Srl, del
Gruppo A2A, secondo operatore elettrico italiano con oltre 12
GW di capacità installata e principale operatore nel settore del
teleriscaldamento e teleraffreddamento con più di 2 TWh di calore
e di freddo distribuito (2012).
La centrale è composta da due gruppi di cogenerazione a gas
naturale, un gruppo di cogenerazione policombustibile a carbone
e gas naturale e una caldaia semplice a gas naturale.
Il sistema di trattamento fumi della centrale è stato oggetto di successivi interventi di potenziamento, integrazione e riadeguamento
nel corso degli anni, al fine di soddisfare le sempre più stringenti
normative in termini di limiti di emissione al camino.
In questo articolo, in particolare, viene descritto l’intervento
di miglioramento del sistema di desolforazione del gruppo
cogenerativo policombustibile della Centrale Lamarmora (gruppo
operativo dal 1987 per la produzione combinata di elettricità e
calore, da 75 MWel e 130 MWt per il teleriscaldamento).
PRINCIPALI CARATTERISTICHE DELLA TECNOLOGIA
DI DESOLFORAZIONE MEDIANTE SDA
Un SDA (Spray Dryer Absorber) è un sistema di desolforazione a
semi-secco: tale tecnologia di trattamento dei reflui di combustione
è parte integrante del portfolio di soluzioni ambientali di Alstom
Power ECS (Environmental Control Systems) ed è ampiamente
Alberto Gambarè, Elisabetta Palini, - Alstom Power Italia ECS (Milano)
Lorenzo Spadoni, Alessandro Gnatta - A2A Calore & Servizi Srl
FIGURA 1 - Vista della Centrale Lamarmora di A2A
referenziata nel mondo sia in ambito Power sia in ambito Industry.
In un reattore SDA, una sospensione acquosa di una miscela di latte
di calce e polvere ricircolata (slurry) viene iniettata sotto forma di
goccioline finemente nebulizzate tramite un atomizzatore rotante
ad alta velocità. Il Filtro a Maniche installato a valle di tale reattore
capta i sotto-prodotti generati dalle reazioni di deacidificazione
tra il reagente stesso (la calce idrata) e gli inquinanti acidi presenti
nei gas, che reagiscono con la calce idrata secondo i seguenti
macro-step di reazione:
1
1
SO2 + Ca(OH )2 → CaSO3 ⋅ H 2O(s) + H 2O(g)
2
2
1
SO2 + Ca(OH )2 + H 2O + O2 → CaSO4 ⋅ 2H 2O(s)
2
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SO3 + Ca(OH )2 + H 2O → CaSO4 ⋅ 2H 2O(s)
2HCl + Ca(OH )2 → CaCl2 ⋅ 2H 2O(s)
2HF + Ca(OH )2 → CaF2 (s) + 2H 2O(g)
Il reagente base è approvvigionato sotto forma di ossido di calcio
(CaO) in un vasta casistica di impianti. Esso viene quindi convertito
in calce idrata attraverso diluizione con acqua in un apposito
sistema noto come slaking system. Poiché il processo di diluizione è
esotermico, la sospensione di latte di calce preparata in tale sistema
(a una concentrazione del 20% - 25% in peso) ha una temperatura
finale variabile tra 60 °C e 70 °C.
Il ricircolo di una parte della polvere separata dal Filtro a Maniche
installato a valle del reattore SDA permette di ottimizzare il consumo
di reagente. Questa procedura consente, infatti, di utilizzare la
porzione non reagita di calce contenuta nella polvere, riducendo
al minimo l’apporto di reagente fresco.
Mentre le reazioni chimiche sopra riportate hanno inizio nel
reattore SDA e si completano nel Filtro a Maniche, la fase liquida
della sospensione di latte di calce e polvere evapora interamente
nel reattore: la temperatura di funzionamento e il livello di
umidità relativa che ne consegue sono correlati all’efficienza di
desolforazione che si intende raggiungere.
L’efficacia di evaporazione del sistema è influenzata da una serie
di parametri di processo che vengono analizzati durante la fase
di progettazione, come la definizione del grado di atomizzazione
(finezza delle gocce spruzzate), l’uniformità della nuvola di gocce
atomizzate, il rapporto di miscelazione ottimale tra gas e liquido
iniettato e la temperatura di set-point. Il tempo di evaporazione
attraverso il reattore è un parametro chiave di progettazione legato
alla quantità di liquido iniettato nel reattore stesso: quanto minore è
la dimensione delle gocce, tanto minore è il tempo di evaporazione
richiesto. Un corretto dimensionamento della capacità evaporativa
del sistema scongiura l’incorrere di rischi quali la formazione di
depositi solidi sulle pareti e allo scarico del reattore, sintomo di non
completa evaporazione della fase liquida; questo può creare problemi
al funzionamento del sistema e ridurne le prestazioni conseguibili.
Un parametro che ben rappresenta l’efficienza di desolforazione
ottenibile da un reattore SDA è la cosiddetta approach to saturation
temperature, definita dalla differenza tra la temperatura del gas
secco all’ingresso dell’atomizzatore e la temperatura di saturazione
adiabatica: quanto minore è detta differenza, tanto maggiore è
la capacità del reattore SDA di raggiungere un’alta efficienza
di desolforazione. Tuttavia, un valore estremamente basso di
tale parametro aumenta i rischi di corrosione nel sistema e di
intasamento delle maniche del Filtro a valle; da qui l’esigenza di
assicurare un automatismo di controllo estremamente accurato
durante l’operatività dell’impianto.
L’analisi combinata dei parametri descritti in questa sezione viene
effettuata tramite specifici strumenti di calcolo sviluppati nell’ambito
dell’Alstom Power Technology Center. Le attività di Ricerca e Sviluppo
e il ritorno d’esperienza delle numerose installazioni assicurano la
costante evoluzione di tali strumenti.
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LA TERMOTECNICA
UN SISTEMA SEMPLIFICATO E FLESSIBILE VOLTO ALL’OTTENIMENTO
DI MIGLIORI PRESTAZIONI AMBIENTALI
Il progetto di ammodernamento del reattore SDA, realizzato nel
2012, è il secondo step di un più ampio lavoro di riadeguamento
del sistema di trattamento fumi di centrale, comprendente anche
l’adattamento del Filtro a Maniche (FF - Fabric Filter) esistente.
Il complesso SDA + FF è stato in particolare potenziato e reso idoneo
alle condizioni di progetto descritte in Tabella 1 e ai nuovi e più
severi limiti di emissione mostrati in Tabella 2.
TABELLA 1 - Dati di progetto per i nuovi SDA e FF
TABELLA 2 - Limiti di emissione per la centrale Lamarmora
di Brescia e valori di prestazione richiesti per il nuovo
sistema SDA + FF
Scopo principale del progetto di riadeguamento del Filtro a Maniche
è stato l’incremento della superficie filtrante delle maniche, al fine di
favorire il completamento della reazione di desolforazione. L’altezza
del FF è stata aumentata per potervi alloggiare maniche di 9 m di
lunghezza, contro i precedenti 7,5 m. Anche il sistema di pulizia è
stato riadattato alle nuove condizioni operative, attraverso l’installazione di valvole Alstom Optipow® di ultima generazione. Sono
state installate anche nuove linee di sparo e serbatoi in pressione
per l’alimentazione di dette linee. I criteri di controllo del sistema di
pulizia del Filtro sono stati, infine, rivisti in modo da minimizzarne la
perdita di carico compatibilmente con le nuove prestazioni richieste.
Il progetto di riadeguamento del reattore SDA comprende la sostituzione dell’atomizzatore esistente con il nuovo atomizzatore Alstom,
inclusi i sistemi ausiliari annessi, e la riprogettazione pressochè integrale del reattore: un sistema di reazione avente un diametro pari a
11,58 m e un’altezza della porzione cilindrica pari a 10,36 m è stato
selezionato per le condizioni operative della centrale di Brescia.
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Al fine di minimizzare l’impatto derivante dalle modifiche impiantistiche sulla centrale esistente, il layout del precedente sistema
di desolforazione è stato mantenuto: in particolare, il diametro
del reattore è stato solo lievemente aumentato e la tramoggia di
scarico è stata pressochè integralmente preservata, così da evitare
modifiche al condotto di uscita che collega il reattore SDA con il
Filtro a Maniche.
Al contrario, il condotto in ingresso SDA è stato massicciamente
riprogettato, al fine di ottimizzare la fluidodinamica del gas in
ingresso all’atomizzatore. Questo intervento ha permesso di minimizzare la perdita di carico complessiva e di evitare interventi di
riadeguamento del ventilatore indotto esistente.
Infine, sia il sistema di preparazione del latte di calce sia il sistema
di ricircolo della polvere sono stati mantenuti quanto a posizionamento nel layout di centrale, invece i relativi circuiti idraulici
sono stati riprogettati, semplificando il sistema di alimentazione
dell’atomizzatore.
Due nuovi atomizzatori (uno disponibile come ricambio) sono stati
previsti nell’ambito del progetto, per consentirne la sostituzione e
pulizia durante il funzionamento della centrale. Ogni atomizzatore
è dimensionato con 12 ugelli di spruzzaggio e presenta una velocità
di rotazione di circa 11.500 rpm.
Sin dai primi mesi di funzionamento del nuovo reattore SDA è stato
osservato che:
--le prestazioni ambientali dei nuovi sistemi SDA + FF sono conformi
ai requisiti del progetto (vedi Tabella 2) ai differenti carichi di
caldaia cui opera la centrale;
--gli atomizzatori possono essere commutati per pulizia approssimativamente ogni cinque settimane, invece i precedenti venivano
sostituiti ogni tre settimane;
--le operazioni di commutazione degli atomizzatori possono essere
eseguite velocemente e seguendo procedure di facile applicabilità;
--il sistema è in esercizio continuativo e non ha presentato alcun
imprevisto fuori-servizio;
--nessun accumulo di depositi solidi è stato rilevato, come anche
testimoniato durante le ultime ispezioni;
--nessun intasamento delle linee idrauliche è stato rilevato durante
il funzionamento.
OTTIMIZZAZIONE E PRESTAZIONI CONSEGUITE
STUDIO CFD
La fluidodinamica del reattore SDA è stata intensivamente analizzata
e ottimizzata tramite uno studio CFD (Computational Fluid Dynamics)
sviluppato durante l’esecuzione del progetto. Le principali aree oggetto
dello studio sono:
-- l’esame della geometria della nuvola di gocce;
-- l’evaporazione delle gocce iniettate;
-- l’impatto delle gocce umide contro le pareti del reattore.
L’atomizzatore è posizionato al centro di un particolare elemento,
noto come disperser, che guida l’ingresso dei gas dentro il reattore
SDA. Nella regione atomizzatore-disperser ha luogo la miscelazione
tra i gas e le gocce iniettate dall’atomizzatore stesso. Le prestazioni
del SDA sono fortemente influenzate dalla bontà con cui avviene tale
miscelazione, che a sua volta dipende dalla geometria del disperser.
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Il modello matematico utilizzato per simulare l’evaporazione della
fase liquida considera sia il trasferimento di massa sia il trasferimento di calore per ogni singola goccia. In particolare, sono utilizzate due distinte correlazioni di scambio di massa a seconda che la
gocciolina si trovi al di sopra o al di sotto del punto di ebollizione.
Dal momento che il comportamento delle gocce durante la collisione
con le pareti del reattore non è noto, si è assunto di interrompere il
tracciamento delle gocce all’atto della collisione in parete, indipendentemente dal contenuto d’acqua della goccia stessa.
Scopo principale dello studio CFD è l’analisi delle traiettorie delle
gocce in diversi istanti temporali. Vengono oltretutto analizzate
diverse configurazioni dell’insieme atomizzatore-disperser (casi
di simulazione), al fine di individuare la geometria ottimale, in
cui le gocce percorrono una distanza relativamente lunga prima
di impattare la parete del reattore. In tal caso, infatti, la frazione
massica di acqua di tali gocce è minore, in quanto esse hanno a
disposizione un tempo sufficiente a consentire l’evaporazione di
gran parte della fase liquida.
Va anche considerato che le gocce iniettate dall’atomizzatore sono
contraddistinte da un alto momento in corrispondenza della sezione
di uscita del disperser. Ne deriva che esse hanno inizialmente una
forte tendenza al mantenimento della propria direzione (principalmente radiale), in maniera indipendente dal moto del gas. Dopo aver
percorso una breve distanza in senso radiale, esse tendono però a
cambiare il proprio percorso seguendo i filetti fluidi del flusso gassoso. È importante verificare che il moto risultante da tale interazione
gocce - gas non sia diretto radialmente verso le pareti del reattore.
Nell’ambito dello studio CFD dedicato al caso della Centrale Lamarmora, viene effettuata l’analisi sopra descritta non solo in
condizioni di carico nominale (100%) ma anche a carico parziale
(60%). In tale condizione, infatti, si genera una nuvola di gocce
più ampia a causa della minor velocità dei gas; ne consegue un
incremento del rischio di avere particelle che possono impattare le
pareti del reattore nella parte più alta dello stesso.
In aggiunta, è stata analizzata anche una condizione di carico
estremamente bassa (40%), la quale ha permesso di evidenziare
l’instaurarsi di una nuvola di gocce più debole e instabile. L’instabilità è, in particolare, causa di continui cambiamenti della forma
della nuvola stessa nel tempo. Per meglio valutarne gli effetti, è
stato pertanto eseguito uno studio CFD dedicato in condizioni
transitorie: un film mostra il movimento della nuvola (o meglio la
modifica della geometria della nuvola stessa) durante 8 secondi di
funzionamento. Tuttavia, nonostante l’evidente instabilità, lo spostamento della nuvola non influenza le prestazioni del reattore SDA
in modo negativo, dal momento che nessuna goccia raggiunge le
pareti prima che sia trascorso il tempo necessario all’evaporazione
della fase liquida.
Come risultato delle varie simulazioni effettuate, è stata individuata
e selezionata la miglior configurazione geometrica dell’insieme
atomizzatore-disperser, che permette di assicurare che:
--il volume del reattore SDA sia utilizzato in modo efficiente (gas
ben distribuiti lungo il reattore);
--sia confermata la possibilità di conseguire le prestazioni predette
in diverse condizioni operative e scenari di funzionamento.
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Un’analisi di dettaglio tramite studio CFD è stata inoltre effettuata
relativamente al condotto in ingresso SDA. In tale condotto sono
stati appositamente progettati e inseriti deflettori in modo da rettificare i filetti fluidi, guidando il flusso gassoso fino alla sezione
di ingresso dell’atomizzatore e minimizzando le perdite di carico.
Le Figure 2 e 3 riassumono le attività di ottimizzazione sopra descritte.
FIGURA 2 - Profili di velocità delle gocce attraverso il reattore SDA
FIGURA 3 - Dettaglio del flusso gassoso nella regione
atomizzatore-disperser in condizioni di carico del 100%
VERIFICA DELLE PRESTAZIONI D’IMPIANTO
L’impianto di desolforazione in oggetto è stato ufficialmente testato con
successo nel mese di gennaio 2013. Durante il test sono stati verificati
i seguenti parametri:
-- emissione SO2 a camino;
-- consumo di calce;
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-- perdita di carico attraverso il nuovo reattore SDA.
L’emissione di particolato a camino è stata separatamente verificata durante una precedente campagna di misure eseguita nel corso del 2012.
I risultati dei test di misura delle emissioni, effettuati in due periodi di
misurazione successivi di 8 ore ciascuno a mezzo dell’analizzatore
fumi (CEMS) installato a camino, hanno evidenziato:
-- un’emissione di SO2 a camino inferiore a 140 mg/Nm3 (dry, 6% O2),
a fronte di un valore garantito di 150 mg/Nm3 (dry, 6% O2);
-- un’emissione di particolato a camino inferiore a 1 mg/Nm3 (dry, 6%
O2) a fronte di un valore garantito di 2 mg/Nm3 (dry, 6% O2).
Il consumo di calce è stato verificato contemporaneamente alla
misura delle emissioni: due campioni di ceneri sono stati prelevati
dal Filtro a Maniche in ciascuno dei due periodi di test, al fine di
rintracciare la frazione di calce non reagita presente negli stessi.
Dai risultati di tale analisi chimica è stato poi possibile risalire alla
portata di calce consumata.
Il consumo di calce è influenzato dalle condizioni di funzionamento
dell’impianto: quanto più bassa è la temperatura operativa impostata nel reattore SDA, tanto maggiore è l’umidità relativa dell’effluente
gassoso e quindi più efficace è la reazione di assorbimento del latte
di calce. Ne deriva che è possibile conseguire pari prestazioni con
minor consumo di reagente a temperature inferiori. Il sistema in esame è stato testato in differenti condizioni operative, corrispondenti
a un range di temperatura di set-point variabile tra 70 °C e 65 °C,
confermando le previsioni di consumo.
La capacità di evaporazione del reattore, di dimensioni incrementate rispetto al precedente, si è oltretutto dimostrata efficace nelle
varie condizioni operative, corrispondenti a diversi quantitativi di
liquido iniettato nel reattore stesso. Tale fatto è testimoniato dall’assenza di depositi lungo le pareti del reattore SDA, indice anche
dell’effettivo conseguimento di un grado di distribuzione ottimale
dei gas nella zona atomizzatore -disperser. L’assenza di depositi
di cui sopra è stata osservata durante un’ispezione d’impianto
effettuata nei primi mesi di esercizio.
L’incremento della concentrazione di solidi nello slurry ricircolato, fino
a un valore del 35%, dovrebbe ulteriormente permettere di ottimizzare
sensibilmente il consumo di calce fresca, incidendo positivamente sui
costi operativi d’impianto. Tale effetto potrà essere valutato a valle di
un’analisi di lungo periodo sui consumi d’impianto.
La perdita di carico del complesso SDA + FF è stata misurata utilizzando
sia strumentazione off-line per l’SDA sia strumentazione fissa d’impianto (il misuratore differenziale di pressione a cavallo del Filtro a Maniche)
e ha dimostrato il pieno conseguimento degli obiettivi, denotando un
risparmio intorno al 13% rispetto alla perdita di carico di riferimento.
Il minor valore di perdita di carico si riflette positivamente sul contenimento dei costi operativi d’impianto, in quanto il consumo energetico
del ventilatore indotto risulta minore.
Un test di lungo periodo è stato infine effettuato per verificare l’affidabilità
complessiva del sistema SDA + FF durante le normali condizioni operative di centrale che prevedono un funzionamento a carico ridotto durante
le ore notturne e una successiva rapida risalita di carico al mattino.
Il risultato del test di affidabilità è stato altamente positivo sia in termini
di controllo delle emissioni a camino al variare delle condizioni operative, sia in termini di disponibilità meccanica della nuova installazione.

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