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La miscelazione dei carboni: espediente economico

Quasi il 30% della produzione energetica globale è assicurata dal carbone. Molte economie emergenti dipendono da questo combustibile per la produzione e la fornitura sicura, economica e affidabile di elettricità. Pertanto, è fondamentale garantire che il carbone venga utilizzato in modo efficiente con il minimo impatto ambientale. Secoli di estrazione hanno portato all’esaurimento delle riserve di carbone di elevata qualità, con il conseguente maggiore utilizzo di carboni con basso potere calorifico o altre proprietà indesiderabili, come un alto contenuto di ceneri.

In base al grado di metamorfismo, il carbone è solitamente suddiviso in quattro ranghi principali: antracite, bituminoso, subbituminoso e lignite. La lignite e i carboni subbituminosi sono spesso indicati come carboni di basso rango, mentre i carboni bituminosi e le antraciti sono classificati come carboni di alto rango. Con l’aumento del grado, il contenuto di carbonio aumenta e mentre quelli di umidità e di materia volatile diminuiscono. Le ligniti, ad esempio, sono caratterizzate da un alto contenuto di ceneri e umidità, basso potere calorifico, oltre all’elevata propensione alla combustione spontanea. A causa della loro facilità di estrazione e del basso costo, il loro uso per la produzione di energia è in aumento nonostante alcuni svantaggi: riduzione dell’efficienza dell’impianto, aumento delle emissioni di CO2 e tendenza a formare scorie e incrostazioni.

I problemi legati all’uso della lignite possono essere ridotti miscelandola con carbone di qualità superiore. Si uniscono i carboni più disponibili e/o più economici con quelli di alto rango, per formare una miscela di combustibili che può essere alimentata senza causare danni alla centrale elettrica. Sebbene questa pratica possa migliorare la combustione, ridurre le emissioni di inquinanti gassosi e mitigare alcuni problemi operativi, non sempre riduce i problemi legati alla macinazione, alla stabilità della fiamma, all’equilibrio di assorbimento del calore, al deposito di cenere e così via. Un prodotto miscelato che somiglia molto alle specifiche di progettazione del carbone potrebbe non bruciare allo stesso modo dei singoli carboni. Possono verificarsi interazioni tra i carboni componenti che potrebbero non essere vantaggiose. Generalmente, il carbone di rango inferiore influenza la temperatura di accensione di una miscela di carbone, mentre quello di rango superiore influenza la temperatura di combustione. Il rapporto di miscelazione svolge un ruolo fondamentale nell’uso di queste miscele.

Nelle centrali elettriche che prediligono carbone bituminoso, l’uso della lignite consente di limitare le emissioni di SO2 e NOx. In questi casi, un rapporto di miscelazione inferiore al 10% non ha quasi alcun impatto sulla caldaia. Quando invece il rapporto supera il 15% o la differenza di materia volatile dei carboni è maggiore del 15%, è necessario eseguire prove di combustione prima di operare in impianto. Potrebbero infatti essere necessarie modifiche alla caldaia o ai bruciatori. La maggior parte delle aziende definisce le specifiche del carbone sulla base della progettazione delle caldaie e dei sistemi di depurazione dei fumi, del funzionamento e manutenzione e dei requisiti ambientali della propria area.

La miscelazione di varie tipologie di carbone è un processo fisico progettato in gran parte per avere un impatto sulla chimica del combustibile. Alcune proprietà della miscela si possono calcolare in quanto sono date dalla somma di ogni tipo di carbone, come il contenuto di umidità, il contenuto di ceneri, la materia volatile, il carbonio fisso e il potere calorifico. In pratica però per prevedere le proprietà di una miscela di carbone non bastano semplici calcoli matematici. Si deve infatti tenere conto anche delle proprietà fisiche della miscela che non possono essere previste dalle proprietà dei carboni componenti e non sono additive.

Modellazione e studi di laboratorio, valutazioni su scala pilota e prove sul campo possono fornire informazioni utili per prevedere il comportamento di combustione del carbone miscelato. I dati di caratterizzazione del carbone possono essere abbinati a prove pratiche per individuare rapporti di miscelazione ottimali e progettare caldaie più efficienti.

In teoria, la miscelazione è un processo semplice. In pratica può essere più impegnativa date le grandi quantità da gestire e la complessità delle caratteristiche del carbone. La miscela ricevuta nella centrale potrebbe non essere la stessa prevista. Entra qui in gioco l’esperienza degli operatori. Ci vuole molta pratica per ottenere una miscela di successo. Gran parte della miscelazione del carbone effettuata negli impianti viene eseguita da operatori che negli anni hanno acquisito grande esperienza, comprendono le caratteristiche additive e non additive del carbone e capiscono cosa può funzionare in pratica. Tale esperienza spesso non viene divulgata e non vengono condivisi i dettagli.

La miscelazione di diverse tipologie di carbone è un modo per sfruttare le riserve di carbone di bassa qualità, oltre che per ridurre i costi di generazione dell’energia.

La miscelazione può avvenire in qualsiasi punto della catena di approvvigionamento: dalla miniera di carbone alla caldaia, in loco o fuori sede fino alla centrale elettrica. Se la miscelazione avviene fuori sede, presso la miniera, l’impianto di preparazione o il punto di trasbordo, la miscela può essere gestita dalla centrale come se fosse un singolo carbone, con un notevole risparmio di investimenti di capitale. La miscelazione presso la centrale elettrica (o a bocca di caldaia) consente invece di regolare la miscela in base alle caratteristiche del carbone, ma può comportate costi maggiori oltre a richiedere grandi spazi per operare.

I principali produttori di lignite, in ordine di produzione (2019), sono Germania, Turchia, Russia, Polonia, Stati Uniti, Australia, India e Grecia (vedi Figura 1).

Figura 1. I principali produttori di lignite

L’espediente della miscelazione del carbone non è nuovo. Alcune centrali elettriche negli Stati Uniti hanno iniziato negli anni Novanta a bruciare miscele prodotte da diversi carboni autoctoni. Così come la Cina, sin dai primi anni 2000, ha adottato la miscelazione di lignite e carbone bituminoso e subbituminoso, sfruttando le sue riserve di lignite.

Per i Paesi in via di sviluppo, come il Pakistan e l’India, dove le risorse di lignite sono abbondanti e la domanda di energia è in rapida crescita, l’utilizzo della lignite indigena viene vista come una possibilità per creare posti di lavoro e contribuire all’economia locale.

L’India, in particolare, sta ricorrendo alla miscelazione del carbone per operare una transizione dalla combustione del carbone d’importazione a quello indigeno. Nei Paesi più poveri con grandi risorse di lignite, crescente domanda di energia e necessità di migliorare la qualità dell’aria in modo economico e semplice, la miscelazione di lignite e carbone è un modo per fornire energia più pulita e sostenere un rapido sviluppo economico ad una popolazione in crescita. AMasili

ICSC/316

Ottobre 2021

Xing Zhang

Attività finanziata a valere sul fondo per la ricerca di sistema elettrico PTR 2019-2021.