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CCC/263

Ottimizzazione del flusso di combustibile all’interno di caldaie alimentate a carbone e biomassa polverizzati
Malgorzata Wiatros-Motyka

January 2016

Una scorretta gestione del combustibile polverizzato, all’interno dei bruciatori di una caldaia a carbone, produce un sostanziale effetto negativo sull’efficienza di combustione, sull’usura delle attrezzature, sulla quantità di emissioni prodotte dalla caldaia e sulla resa economica degli impianti. Ad esempio, una quantità troppo elevata di carbone ai bruciatori può creare zone ricche di carbonio, con la presenza di un’atmosfera riducente che può portare a un incremento delle scorie e delle emissioni di monossido di carbonio (CO). Bruciatori che operano con un flusso di carbone ridotto, invece, sono in grado di creare zone ricche di ossigeno dando luogo all’incremento della formazione di ossidi di azoto (NOx). Inoltre, un bruciatore che eroga combustibile polverizzato a velocità troppo alte non causa solo l’aumento dell’erosione dei componenti e livelli elevati di carbonio nelle ceneri ma anche il distacco della fiamma all’interno della caldaia. Una velocità di iniezione troppo bassa per il combustibile polverizzato può, invece, causare la formazione di accumuli di particolato nelle tubazioni con conseguente pericolo di incendi ed esplosioni.
Per poter ottimizzare il flusso di combustibile polverizzato è necessario prendere in considerazione molti aspetti. Le principali aree di una centrale elettrica dove è possibile effettuare dei miglioramenti sono: la macinazione nei mulini, una corretta gestione del rapporto aria/combustibile, la disposizione del piping e la gestione delle caldaie. Tuttavia, prima di operare qualsiasi ottimizzazione, è necessario implementare nuovi sistemi di misurazione, che siano: affidabili, ripetibili e in tempo reale (on-line); solo in seguito a questi accorgimenti è possibile introdurre un controllo accurato per l’ottimizzazione del flusso di combustibile. L’ottimizzazione è particolarmente importante nei bruciatori a basse emissioni di NOx che richiedono un controllo preciso del combustibile al fine di mantenere la combustine uniforme ed efficiente.
La maggior parte delle opportunità di migliorare la combustione, partendo dall’aumento delle prestazioni dei mulini, dipende dalla riduzione delle dimensioni del carbone. Quindi, l’ottimizzazione del flusso di carbone si ottiene anzitutto migliorando le prestazioni di polverizzazione dei mulini. La misura della finezza delle particelle di carbone è uno strumento utilissimo ed è in grado di fornire un’indicazione sulla regolazione delle impostazioni del mulino, tale da consentire un immediato miglioramento delle prestazioni. Esistono una serie di nuovi sistemi on-line di tipo non estrattivo (sistemi di misura in grado di effettuare le analisi senza estrarre il combustibile dal bruciatore) in grado di misurare la finezza delle particelle. Questi sistemi sono più accurati e meno complessi dei tradizionali sistemi basati su misurazioni manuali isocinetiche (caratterizzate dalla stessa velocità all’ingresso della sonda e sul punto di misura) e sono, inoltre, in grado di fornire risultati in tempo reale. Nella maggior parte dei casi essi possono determinare ulteriori parametri come la velocità del flusso di carbone o la sua portata massica. Una volta eseguita la misura della finezza del combustibile è possibile effettuare l’ottimizzazione dei mulini. L’ottimizzazione include la regolazione di varie parti del mulino come la compressione delle molle e l’allineamento delle lame, oltre alla regolazione della giusta quantità d’aria primaria (iniettata alla giusta velocità) e al mantenimento del corretto regime termico nel mulino.
Tutti i flussi d’aria in un impianto di alimentazione devono essere misurati e controllati in modo da ottenere una combustione ottimale all’interno della caldaia; al fine di evitare problemi come: l’aumento della temperatura del gas in uscita dalla caldaia, fenomeni di combustione secondaria, surriscaldamento nei condotti e l’aumento della produzione di scorie.
Vi sono stati notevoli progressi nel campo della misura e del controllo dei flussi d’aria comburente. I recenti sistemi di misura spaziano da sofisticati tubi di Pitot, passando attraverso sistemi basati sull’elettrostatica, fino a sensori ottici e virtuali. Inoltre, i bruciatori a bassa produzione di NOx hanno anche la possibilità di inserire singoli sistemi di misurazione direttamente all’interno del bruciatore.
La misurazione del flusso di combustibile nella maggior parte delle centrali è dominata dal campionamento tradizionale isocinetico, nonostante questo tipo di misurazione sia la meno precisa fra quelli attualmente disponibili. I nuovi sistemi on-line per la misurazione del flusso di carbone sono basati su diverse tecniche quali: il laser, la luce bianca, l’emissione acustica, le microonde, la relazione incrociata fra elettrostatica e matematica. Come per qualsiasi tipo di tecnologia, ci sono una serie di fattori che possono influenzare le prestazioni di misura, come la posizione dello strumento, la vicinanza ad un orifizio, la temperatura dei fumi e la loro velocità. Di conseguenza, gli operatori delle centrali devono prendere in considerazione diversi fattori prima di scegliere lo strumento più adatto per il controllo del flusso di combustibile. Questi fattori includono la possibilità di incorporare l’apparecchiatura nel piping esistente o le eventuali modifiche da implementare nei circuiti di alimentazione. Inoltre, va prestata particolare attenzione alla calibrazione dei sistemi di misurazione del flusso di combustibile applicati alle caldaie a biomassa. Questo perché le particelle di biomassa sono più eterogenee rispetto a quelle del carbone e il loro flusso fluttua maggiormente; è quindi necessaria una calibrazione frequente ed accurata al fine di ottenere una misurazione precisa della portata massica di combustibile. Inoltre, per portate massiche consistenti (sopra i 2,5 kg di biomassa al secondo), alcuni sistemi di misurazione potrebbero non essere accurati.
Attualmente, i dispositivi di misurazione del carbonio nelle ceneri, dell’ossigeno e del monossido di carbonio nei fumi sono in fase di forte sviluppo. Questi dispositivi sono in grado di fornire importanti indicazioni sull’ottimizzazione del flusso di carburante e possono essere utilizzati per ottimizzare l’eccesso d’aria e di carbone ai singoli bruciatori. Oggigiorno sono disponibili sistemi on-line non estrattivi per l’analisi di carbonio nelle ceneri; questi sistemi sono molto più precisi e meno complicati rispetto ai sistemi estrattivi. Lo sviluppo delle tecnologie di misurazione dell’ossigeno e del CO consentono l’analisi simultanea di queste emissioni, nonché l’analisi di altri componenti dei gas di scarico. È estremamente importante, per tutti questi strumenti, definire l’esatta posizione di campionamento, poiché questa determina la rappresentatività dei risultati. Ad esempio, le misurazioni di ossigeno e CO devono essere eseguite su più postazioni da sensori distribuiti su una griglia di campionamento.
I casi di studio riportati nel rapporto rendono evidente che, a prescindere dal sistema scelto e dalla scala di ottimizzazione, i gestori di impianti conseguono evidenti vantaggi nell’utilizzare apparecchiature di ottimizzazione del flusso di combustibile. Fra questi vantaggi vi sono:
• La maggiore efficienza,
• La maggiore flessibilità,
• Le minori emissioni di CO e NOx,
• La riduzione della quantità di carbonio nelle ceneri (riduzione del LOI),
• La riduzione dei costi operativi complessivi,
• Il miglioramento delle prestazioni delle attrezzature correlate come le tecnologie per il controllo delle polveri sottili,
• La significativa riduzione dei rischi sulla sicurezza,
• La maggiore flessibilità del carburante.
Nonostante questi sistemi siano altamente affidabili e disponibili in commercio, essi non sono ancora stati adottati nella maggior parte delle centrali termoelettriche. Tuttavia questa tendenza sta cominciando a cambiare poiché le centrali attuali hanno la necessità di essere flessibili e, contemporaneamente, di rispettare le normative sulle emissioni (sempre più stringenti), pur rimanendo economicamente convenienti.
La figura 1 riporta, a titolo di esempio, i potenziali miglioramenti di efficienza ottenibili ottimizzando la combustione nei bruciatori delle caldaie alimentate a polverino di carbone, al variare del rapporto aria/combustibile. DMarotto

marotto

Figura 1. Variazione dei parametri di combustione chiave in relazione al rapporto Aria/combustibile. (Widmer and Marquez, 2012) LOI = Loss on ignition (quantità di carbonio incombusto); FEGT = Furnace exit gas temperature (Temperatura di uscita del gas dalla caldaia)