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CCC/264

Retrofitting degli impianti a lignite per un miglioramento dell’ efficienza e prestazioni

Dr Ian A B Reid

Aprile 2016

La produzione mondiale di energia elettrica da lignite si trova ad affrontare sfide senza precedenti per arrivare a generare elettricità in maniera sempre più efficiente e nel rispetto di sempre più restrittivi vincoli di emissione. Nel mondo attualmente si distinguono due diversi trend per quanto riguarda la produzione di energia elettrica da questa fonte, se infatti nei paesi sviluppati non è prevista la costruzione di nuovi impianti ma anzi vi è in programma una riduzione della capacità produttiva da lignite, in quelli in via di sviluppo sono pianificati la costruzione di un elevato numero di nuovi impianti e l’upgrade di quelli esistenti, questo in virtù della enorme disponibilità e basso costo del combustibile.
In entrambi i casi la bassa efficienza degli impianti attuali (si parla di valori medi di rendimento intorno al 28%) e le sempre più restrittive norme ambientali stanno orientando i produttori verso le così dette High Efficiency Low Emission technologies (HELE). L’utilizzo di queste tecnologie permette di raggiungere un incremento delle prestazioni e una riduzione delle emissioni; nuovi impianti Ultra Super Critici (USC) sono infatti in grado di lavorare con rendimenti maggiori del 40% con emissioni ridotte di 25 punti percentuali rispetto agli attuali standard (va anche considerato che la flotta mondiale di centrali alimentate a lignite ha un’età media molto elevata con centrali operative anche da 60 anni).
Il consistente gap prestazionale tra le vecchie centrali e le unità “best in class” rende perseguibile la strada dell’upgrade per migliorare prestazioni ed efficienza rendendo disponibili diverse soluzioni.
Uno dei fattori su cui si può andare ad intervenire per incrementare le performance dell’impianto sono le proprietà del combustibile, la lignite contiene infatti il 30-70% di umidità. Questo parametro ha pesanti influenze sulle prestazioni e sulle emissioni e con i dovuti processi si può andare a recuperare fino a 1,7 punti di efficienza. Esistono diverse tecnologie che permettono di ridurre la percentuale di umidità nel combustibile, tra queste due sembrano essere particolarmente efficaci, la “fluidised bed drying with internal waste heat utilisation” (WTA) e la DryFining™.
La prima si basa su una tecnologia a letto fluido che utilizza vapore surriscaldato per ridurre il contenuto di umidità del combustibile, con questo metodo è possibile abbassarne il livello fino al 12%.
Il DryFining™ invece ha l’ulteriore pregio di andare a ridurre il contenuto di alcuni materiali densi (come pirite e mercurio) oltre che il livello di umidità, ciò permette di diminuire l’entità dei trattamenti da operare sui fumi a tutto vantaggio di costi ed efficienza dell’impianto.
Un’altra sezione d’impianto che può influenzare pesantemente le prestazioni e l’efficienza dello stesso è la caldaia con le sue diverse sezioni.
Un funzionamento non ottimale della caldaia può infatti portare a diverse complicazioni nell’operatività di tutto l’impianto. Una combustione irregolare e instabile può infatti portare a dover operare con eccessi d’aria troppo alti andando ad abbassare il rendimento, aumentare la produzione di NOX, scorie e i depositi di ceneri. Le scorie e le ceneri si depositano sulle pareti e sugli scambiatori convettivi andando a ridurre lo scambio termico totale con conseguente abbassamento dell’efficienza del processo. Per evitare queste problematiche può essere utilizzata una combustione a stadi che impedisce la formazione di zone eccessivamente calde e aiuta a ridurre la produzione di NOX. Per avere un controllo ottimale della reazione di combustione è utile provvedere a installare adeguata strumentazione nella caldaia per monitorare il processo, in particolare le attuali tecnologie wireless permettono di ridurre i cosi ed evitare complicazioni dovute ai cablaggi.
Uno dei metodi più efficaci per incrementare le performance di un impianto è quello di sostituire la turbina a vapore di vecchia generazione con una più moderna. Oltre infatti ad ovviare all’inevitabile decadimento della prestazione dovuto al degrado dei materiali (che può essere solo limitato dalle manutenzioni periodiche) sostituendo la turbina si ha la possibilità di andare a migliorare in toto il ciclo utilizzando palettature più efficienti, materiali più resistenti e avendo quindi un generale innalzamento delle performance.
È importante notare come nell’attuale quadro legislativo le norme riguardanti i limiti di emissioni inquinanti sono molto più stringenti rispetto a quando molte delle centrali oggi operative sono state progettate, questo rende necessaria l’integrazione di nuove sezioni d’impianto che permetta a queste centrali di rientrare nei limiti; tutto ciò ha però un costo dal punto di vista del rendimento e anche in quest’ottica si vanno ad inserire gli interventi di incremento delle performance prima trattati.

Come detto precedentemente i limiti di emissioni inquinanti stanno diventando sempre più stringenti, specie in paesi come la Cina dove l’impetuosa crescita economica ha fatto aumentare enormemente la potenza installata per la generazione elettrica da carbone.
Tipicamente i sistemi di abbattimento degli inquinanti sono composti da un sistema di riduzione catalica selettiva (Selective Catalytic Reduction, SCR), sistemi elettrostatici o filtri a manica per la riduzione delle poveri e un sistema di desolforazione (wet Flue-gas desulfurization, wFGD).
Attualmente però si stanno affacciando sul mercato sistemi alternativi di riduzione delle emissioni che possono competere in quanto a prestrazioni con i sistemi canonici pur avendo un costo d’installazione inferiore.
Per quanto riguarda l’abbattimento degli NOX ci sono diverse soluzioni che combinate diventano competitive nei confronti dei classici SCR; l’utilizzo di bruciatori a bassa emissione di NOX insieme alla riduzione non catalitica selettiva e l’ossidazione degli NO con ozono permette di raggiungere i target imposti dalle normative sulle emissioni.
La rimozione del mercurio è effettuata tramite l’iniezione di carbone attivo, la quantità di reagente può essere ridotta utilizzando tecnologie che promuovono l’ossidazione del mercurio come l’ozonolisi. Per quanto riguarda il particolato i precipitatori elettrostatici e i filtri a manica sono le tecnologie più indicate, spesso in combianazione tra loro, va sottolineato come i filtri a manica diventino la soluzione più efficace per la rimozione dei PM2,5.
Per la desolforazione il metodo meno costoso consiste nell’iniezione diretta di sorbente all’interno delle canalizzazioni dopo la caldaia, questo è per contro anche il metodo meno efficiente con modesti valori di rimozione (50-80%). La Spray Dry Absorption (SDA) e il Circulating Fluidised Bed Scrubbing (CFBS) offrono un’alternativa al wFGD con minori costi d’investimento e la possibilità di partecipare anche alla rimozione del mercurio.
Un sistema molto interessante per la rimozione degli inquinanti è il così detto The Airbone™, un processo che può rimuovere SOX e NOX con un solo reagente (che può essere poi rigenerato).

Il diffondersi delle energie rinnovabili sta imponendo dei forti cambiamenti in quella che è la curva di domanda del sistema elettrico imponendo una flessibilità di funzionamento agli impianti termoeletrici che prima si occupavano principalmente del base load. Per rispondere a queste nuove esigenze di flessibilità si rendono necessarie misure che diminuiscano gli stress termici durante le fasi di transizione e sistemi di controllo che migliorino l’operatività di turbina e caldaia limitando i gradienti di temperatura. Altre misure possono essere la co-combustione di gas naturale, lo storage energetico e la combustione indiretta.
Per quanto riguarda l’emissione di gas serra la misura migliore per ridurne l’emissione è l’aumento dell’efficienza dell’efficienza degli impianti, in futuro ciò potrebbe però non essere più sufficiente per questo la strada del Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) sembra essere molto promettente. Alternativa a ciò può essere la co-alimentazione con biomasse che presenta però problematiche per la presenza di impurità come cloro, vanadio e ferro.
Le tecnologie esposte offrono un’ampio range di opzioni per l’upgrade degli impianti, migliorarne l’efficienza la flessibilità e le emissioni; esse costituiscono un’importante possibilità di retrofitting soprattutto alla luce dei nuovi standard normativi. GCucca