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Tecnica novembre 2013 LA TERMOTECNICA Energia & Ambiente di A. Gambarè, E. Palini, L. Spadoni, A. Gnatta 63 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 Tecnica 64 Energia & Ambiente 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. novembre 2013 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. Tecnica novembre 2013 LA TERMOTECNICA 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. Energia & Ambiente 37 65 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. Tecnica 66 Energia & Ambiente 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; novembre 2013 LA TERMOTECNICA -- 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.