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RICERCADISISTEMAELETTRICO
Risultatidelprimoannodiattivit
RICERCADISISTEMAELETTRICORisultatidelprimoannodiattivitAcuradiMarinaRonchetticonicontributidiS.Giammartini,P.Deiana,A.Calabr,V.Motola,S.Monti,A.Moreno,M.Citterio,G.Fasano,I.Bertini,E.Ferrero,2010 ENEA
Agenzianazionaleperlenuovetecnologie,lenergiaelosviluppoeconomicosostenibileLungotevereThaondiRevel,7600196 Roma
ISBN 9788882862305
Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, lenergia e lo sviluppo economico sostenibile
AccordodiProgrammaMSEENEA
RICERCADISISTEMAELETTRICORisultatidelprimoannodiattivit
acuradi
MarinaRonchetti
conicontributidi
S.Giammartini,P.Deiana,A.Calabr,V.Motola,S.Monti,
A.Moreno,M.Citterio,G.Fasano,I.Bertini,E.Ferrero
RingraziamentiUnsentitoringraziamentoaicolleghichehannopartecipatoallelaborazionedellapubblicazione:
VincenzoCincottiVincenzoGerardiAgostinoIacobazziRosaProvaroni
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 5
Indice
PRESENTAZIONE....................................................................................................................................................................................7
PRODUZIONEDIENERGIAEFONTIRINNOVABILI
Tecnologieinnovativepermigliorareirendimentidiconversionedellecentraliapolverinodicarbone.......................................9Responsabilescientifico:StefanoGiammartini
TecnologiedigassificazionedelcarboneconcatturaesequestrodellaCO2.................................................................................29Responsabilescientifico.PaoloDeiana
Centralielettricheperlacoproduzionedienergiaelettricaeidrogeno........................................................................................89Responsabilescientifico:AntonioCalabr
Censimentodelpotenzialeenergeticonazionaledellebiomasse................................................................................................111Responsabilescientifico.VincenzoMotola
Nuovonuclearedafissione..........................................................................................................................................................137Responsabilescientifico:StefanoMonti
Celleacombustibileperapplicazionistazionariecogenerative...................................................................................................155Responsabilescientifico:AngeloMoreno
USIFINALI
Determinazionedeifabbisogniedeiconsumienergeticideisistemiedificioimpianto,inparticolarenellastagioneestivaeperusoterziarioeabitativoelororazionalizzazione.interazionecondizionamentoeilluminazione...............................................177
Responsabilescientifico:MarcoCitterio
Sviluppodilineeguideedindicidiriferimentoperillegislatore.................................................................................................191Responsabilescientifico:GaetanoFasano
Studioedimostrazionediformedifinanzainnovativaedistrumentidiprogrammazioneedipianificazioneperlapromozioneditecnologieefficientiperlarazionalizzazionedeiconsumielettriciascalaterritorialeeurbana.............................................239
Responsabilescientifico:IlariaBertini
Promozionedelletecnologieelettricheinnovativenegliusifinali...............................................................................................277Responsabilescientifico:EnnioFerrero
ELENCODOCUMENTITECNICI................................................................................................................................................................341
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 7
Presentazione
Il presente volume riporta i risultati delle attivit svolte dallENEA, in collaborazione con le principaliIstituzioniuniversitarienazionali (oltre24Universite48dipartimenti coinvolti)e le societpartecipateSotacarboedFNNuoveTecnologieeServiziAvanzati,nellaprimaannualitdellAccordodiProgrammaconilMinisterodelloSviluppoEconomicosullaRicercadiSistemaElettrico.
LaRicercadiSistemahacomeobiettivol'innovazionedelSistemaElettricopermigliorarnel'economicit,lasicurezzaelacompatibilitambientale,assicurandoalPaeselecondizioniperunosvilupposostenibile.
Per losvolgimentodelleattivitdiricercaesviluppoprevistedalPianoTriennaledellaRicercadiSistemaElettrico, ilMinisterodello SviluppoEconomicoha stipulatouna seriediAccordidiProgramma con varisoggetti,tracuilENEA.
Le attivit sono finanziate attraverso un fondo (gestito dalla Cassa Conguaglio per il settore elettrico)alimentato dalla componente A5 della tariffa di fornitura dellenergia elettrica, il cui ammontare vienestabilitodallAutoritperlEnergiaElettricaeilGas.
NellAccordo di Programma sono previsti temi di ricerca fondamentale e studi di carattere sistemico eprenormativoatotalebeneficiodellutentedisistemaelettriconazionale.Leattivitsviluppateeirisultatiscientificiottenutisonointeramentepubblicievengonodivulgatimedianteunappositopianodidiffusione.
Leattivitsvoltehannoriguardatodiecitematichediricercaallinterno,comeprevistodalPianotriennale,di due grandi aree di ricerca: Area Produzione e fonti energetiche (studi e ricerche sulle biomasse,sullutilizzosostenibiledelcarboneeletecnologiedicatturaesequestrodellanidridecarbonica,sulnuovonuclearedafissioneesullosviluppodicelleacombustibile)eAreaUsifinali(sviluppodilineeguidaestudiprenormativi a supporto del legislatore, determinazione dei fabbisogni energetici nel settore civileresidenzialeenonestudisullinterazionecondizionamento illuminazione,applicazionidielettrotecnologieinnovativeperisettoriproduttivi).
Di seguitoperognunadelle10 tematichedi ricerca viene riportatauna sinteticadescrizionedellattivitsvoltaedeiprincipalirisultatiraggiunti.MaggioridettaglipossonoessereacquisitidalsitoENEAsullaricercadi sistema (http://www.enea.it/attivita_ricerca/energia/ricerca_sistema_elettrico.html), che consente diaccedereatuttaladocumentazionetecnicaprodotta.
VincenzoPorpiglia ResponsabileUnitdiProgetto RicercadiSistemaElettrico
PRODUZIONEEFONTIENERGETICHETema5.2.2.2
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 9
Tecnologie innovative per migliorare i rendimenti di conversione delle centrali a polverino di carbone
Ilcarbonerappresentaoggialivellointernazionaleun'alternativaconcretaesicuraperlaproduzionedienergia.IlnostroPaese,inquestoquadro,sistaindirizzandoversounincrementonellusoditalefonte(oggiallo11%controil34%mediodellEuropa)ancheattraversouninsiemediattivitdiR&Svolteallosviluppoditecnologiepulite,ingradodiaumentarelefficienzadiconversioneenellostessotempocontenereicostidiinvestimento.
Dalpuntodivistaambientale lutilizzotecnologicamenteavanzatodelcarboneconsentediraggiungere limitidiemissioni contenutiemoltoaldi sottodiquelli consentitidalla legge,per laSO2,pergliNOxeper lepolveri,mentreperimetallipesantisonoancoranecessariulteriorimiglioramenti.PerquantoriguardalariduzionedelleemissionidiCO2sipuinterveniresicuramenteattraversolincrementodellefficienza,maancorpisignificativamenteattraversolaseparazione,catturaesuccessivosequestro.
Ilcarbonepuessereimpiegatoinimpiantiavapore(SCeUSC)oppureinimpiantiIGCC(IntegratedGasificationCombinedCycles):inuncasosihacombustionedirettadelpolverinodicarboneinunacaldaiaperlaproduzionedivapore,nelsecondocasoessovieneprimagassificatoepoiossidatoinuncombustorediturbogas;inentrambiicasi sipone lesigenzadi ridurre fortemente leemissionidiCO2ancheattraverso lo sviluppodi tecnologieCCS(CarbonCaptureandStorage).
Il presente progetto opera nella filiera della combustione diretta del polverino di carbone per impianti diproduzionedielettricit,attraversolosviluppodiunsistemaduevolteinnovativo:
perch realizza una combustione altamente controllabile, efficiente ed a bassissime emissioni, di tipoflameless;
perchsibasasullaoxycombustione,chemiraallaseparazioneecatturadellaCO2prodotta,perunsuosuccessivoconfinamentogeologico.
La pi elevata efficienza energetica della nuova camera di combustione ottenuta adottando la tecnica dicombustioneFlameless,notaanchecomecombustionesenzafiammainconsiderazionedellamancanzadiunveroeproprio frontedi fiammaedellabassaemissivitnelvisibiledella reazione. Inessaviene realizzataunacombustione diffusa in un volume omotermo, in maniera molto vicina ad un volume combustor ideale,ottenendoefficienzediossidazioneelevateancheconcombustibilidibassopregioepoterecalorifico.Lareazioneesotermicaavvieneallinternodiunfluidodilavoroprevalentementecostituitodaprodottidireazione(uniformitchimica)ricircolanti,viaviaarricchitidiossigenopuro.
La combustione con ossigeno (oxycombustion) produce un effluente gassoso da cui, per condensazione delcontenuto di vapore, si ricava CO2 concentrata disponibile ad un processo di cattura. Si desidera rimarcarequestultimaconsiderazione,inquantolapossibilitdicatturareCO2costituirunfattoreeconomicocompetitivoda considerare nello sviluppo dei sistemi futuri. Ad oggi 1 ton di CO2 in un ipoteticomercato di scambio diinquinantiqualequelloamericanopergliNOx,onormativo(CarbonTax),valutabiletrai20edi40/t,dicuipidel75%sonorappresentatidalcostodiseparazionedalleffluente,mentrelaquotaminoritariapariacircail25%qualecostodisegregazione.
Ilnuovosistemadicombustioneoperainpressione,atemperaturaaltaeduniforme.Azzeraneifumigliinorganicitossici,e fonde leceneri incombustibili, impiegandocombustibilidiqualsiasitipo,gassosi liquidiesolidi.Riducepertanto drasticamente le problematiche legate alle caratteristiche dei fumi di combustione da combustibilisporchicomeilcarbone,edinparticolarequellodelSulcis,offrendodiconseguenzaunadrasticariduzionedeilimitiedellecomplessit,connesseaisistemipraticidiproduzioneedalraggiungimentodivaloridiefficienzadiconversionevoluti.
Latecnologiapropostaoffreunaseriedivantaggi,checostituisconoanchegliobiettivitecnologiciedingegneristicichenelprogettosiintendonoverificareedimostrare:
forte riduzione, in fasedi combustione,diagenti inquinantiqualipolveri,NOx,metallipesanti,edaltriinquinanti,riducendosignificativamentelanecessitdisistemididepurazionedeigas;
produzionediscorievetrificateinertifacilmentericiclabili;
10 VolumeI
gas combusti costituiti prevalentemente da CO2 e da vapor dacqua, il che consente la cattura e laseparazionedellaCO2senzapesantipenalizzazioneeconomicheedenergetiche;
rendimenti complessivi nella produzione di energia elettrica pi elevati rispetto ai tradizionali cicli avaporeinconfigurazioneconsequestrodellaCO2.Inparticolaresiipotizza,sullabasedidatidiletteraturaevalutazioniottenibiliapplicandometodidistimacorrentiunefficienzadel36.8%controil31,4%diunimpiantoSCconcattura,edil35,6%diunIGCC,edunCOEdi6,91c/kWhcontrogli8,16perSCedi7,1perIGCC(valutazioniottenuteconsiderandoilprezzodelcarbonea1,55$/GJ);
dimensionicontenutedellimpiantooperanteinregimedicombustioneinpressione; alimentazione del carbone con granulometrie non spinte, riducendo rispetto ai classici combustori a
polverinodicarbonelenecessitdimacinazione;SifapresentechelatecnologiadiOssiCombustionerappresentaunadelletrepossibilitecnologiegenericamenteindicate con lacronimodiCCS.Essa tuttavia viaggia su canaliassolutamenteparallelialle tecnologiediPreePostCombustione,nonprevedendoparticolaritrattamentipreliminaridelcombustibile,ninterventigravosiperlasuccessivaseparazionedellaCO2daglieffluenti.
Un possibile ed auspicabile punto di convergenza si pu altres trovare a valle della separazione, per quantoattieneaiproblemidistoccaggio,edinparticolareperquantoriguardalaspettodellaqualitdellaCO2catturataedellasuapurificazione,primadiprocederealsuosequestrogeologico.
La tecnologia flameless ha avuto significative (in Italia solo sporadiche) applicazioni in campo siderurgico,relativamentealsettoredeifornidiriscaldoetrattamentotermicodimaterialigrezziosemilavorati,marginalinelsettoredel vetro.Non risultanoapplicazioni significative,a livello internazionale,nel campodel carbone,dellaproduzionedienergiaelettrica,emenchemenosullatagliadeldimostrativoedellimpiantoindustrialeproposto.Ancheilsettoredellaossicombustionerisultafortementeinnovativononesistendo,nelpanoramainternazionale,realizzazionidisistemiditagliasignificativadestinatiallaproduzionedienergia.
Unelementoessenzialeperquestatecnologia,ancheinchiavedisostenibiliteconomica,quelloriguardantelamessaapuntodiunsistemaeconomicodiproduzionedellossigenoche,perunimpiantodicirca50MWt,dovraverepotenzialitstimatain20ton/hacosticontenuti
DESCRIZIONE DELLATTIVIT
Lattivitfinalizzataallosviluppodiunsistemadicombustioneadelevataefficienzadiconversioneenergetica,abasseemissionidimacroemicro inquinantiediCO2,da impiegare in impiantiperproduzionedielettricit,cheutilizza polverino di carbone e aria arricchita in ossigeno, applicando la tecnologia avanzata di combustioneflameless,gisperimentatasuscalapilota.
Obiettivo finale quello di realizzare un impianto dimostrativo di scala significativa (50 MWt circa) per laproduzionedienergiaacosticompetitivi,adelevataefficienzaenergetica,caratterizzatodaun ridotto impattoambientale sia in terminidiemissioninocive, sia in terminidiproduzionediCO2 (principale gas climalterante)perchpredispostoperilsuosequestro.
Ilprogettosisviluppanellarcoditreannisecondoloschemaseguente:
attivitdisperimentazionesulcombustoreISOTHERMda5MWrealizzatopressoilcentroAnsaldoCaldaiediGioiadelColle;
sviluppodidiagnosticaavanzataperilmonitoraggioedilcontrollodelreattore; sviluppoevalidazionedeisistemidisimulazioneperlaprogettazionedelcombustoreditagliaindustriale; analisideiciclibasatisullimpiegoditalecombustoreeloroefficientamento; studiodi componenti innovativi quali il dispositivo di pompaggio, i sistemi avanzati di trattamento fumi in
temperaturaeapressione,lespansionedirettadeifumiinunaturbinaavaporeinnovativa.
Leattivitdelprimoannosonoarticolateintreobiettiviintermedicheprevedono:
PRODUZIONEEFONTIENERGETICHETema5.2.2.2
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 11
A.Sviluppodeicriteridiprogettazioneescalingdiunbruciatoredislurrydicarboneoperanteincondizionidioxycombustioneflameless
Sviluppo e applicazione di codici di simulazione termofluidodinamica. Impiego di codici commerciali(FLUENT)ecodiciproprietariENEA(es.codiceHeart),opportunamentearricchiticonspecificheroutinesesterne,perlasimulazionestazionariaedinamicadelcomplessoprocessodioxycombustioneflamelessdi uno slurrydi carbone, in ambiente ricco di CO2 edH2O.Analisi di sensitivit su: granulometria delpolverino,percentualedi ricircoloe concentrazionedi vapore.Messaapuntometodologienumericheavanzateper lasimulazionedeiprocessiradiatividi tipogasgaseper lacombustionedisistemibifase(solidogas);
Provesperimentalicondottesullimpiantopilotaesistenteda5MWtdiGioiadlColle (ITEA/SOFINTER ISOTHERM),al finediprodurredatisperimentaliutiliavalidareglistrumentiprogettualieverificare lemigliori condizioni di funzionamento (temperatura, pressione, ricircolo fumi, concentrazione ossigeno,modalit iniezionecombustibili,granulometriacombustibili,contenutodiacquanegli slurry;edancoraverificheessenzialisu:additividiscarificazione,puliziafumi,polveri,metallipesanti,ecc.);
Messa a punto dei criteri di progettazione. Sulla base anche delle prove di validazione effettuate,vengonomessiapunto icriteriper laprogettazionedelprototiporealeditagliasignificativa(da5a50MWt).
B.Sviluppoetestdisistemidiagnosticiavanzati
Sviluppoedapplicazionedisistemiemetodiperladiagnosticaedilcontrolloavanzati.Messaapuntoedimpiegodimetodinoninvasivi,basatisudispositiviotticinelvisibileenellUV,perunacaratterizzazionetermica, chimica e fluidodinamica del processo di combustione e per il suo controllo. Tali sistemiforniscono informazioni sulla termofluidodinamica del processo e sulla sua stabilit e costituirannostrumentiaffidabiliedirelativobassocostoperilcontrollodiprocesso;
Impiegotecnichedispettroscopialaser(chemiluminescenza;CARS)permisurediconcentrazionechimicaetemperatura.
C.Analisipreliminarediciclitermodinamicieconfigurazionediimpianto
Simulazioni di ciclo che pongono le basi per la progettazione del circuito dimostrativo finale, conparticolareriferimentoallesezionidirecuperoenergeticoesottrazionedellaCO2;
Studi per la progettazione di apparati specifici per la particolare applicazione industriale (pompaggioslurry,produzionediossigeno,gascleaning)daintegrarenelsistema.
RISULTATI DELLATTIVIT
A. Sviluppodeicriteridiprogettazioneescalingdiunbruciatoredislurrydicarboneoperanteincondizionidioxycombustioneflameless
Relativamente allo Sviluppo e applicazione di codici di simulazione termofluidodinamica lattivit statapreceduta da uno studio generale circa lo stato dellarte relativo alle applicazioni industriali della tecnologiaFlamelessoMILD:bruciatorirecuperativi,rigenerativi,generatoridivapore;principalmenteneisettoridelriscaldomateriali(siderurgia)einquellodellagenerazionedipotenza.Lostudio,condottodaSotacarbohapresoinesamelostatodellartedellamodellisticasia itipoRANS (ReynoldsAverageNavierStokes)cheditipoLES (LargeEddySimulation), i principi generali, i principali modelli implementati, con particolare riferimento ai processi diinteressenellacombustioneMILDdiunoslurrydicarbone.
Sulla base delle considerazioni sopra riportate, nonch dellattuale knowhow di ENEA, sia nel settore dellamodellisticaRANScheinquellaLES,inENEAsonostaticondotti:
unprimostudioparametricodellatermofluidodinamicaechimicadelsistemaalfinedicaratterizzareglieffettidelleprincipalivariabiliingioco,utilizzandomodellisticaRANS(codiceFLUENT);
unostudiorelativoallasimulazionedelprocessodioxycombustioneMILD,allecondizionidipressionedi5bar,diunoslurrydicarboneSulcis,contenoredizolfoparial67%;
lo studio dellinterazione bifase (fase solida fase gassosa) in zona primaria reazione, utilizzandomodellisticaLESedilcodiceproprietarioHeaRTENEA.
12 VolumeI
Circalaprimaattivitsonostatecondottesimulazioni,tendentiavalutareildiversocomportamentodelreattoreISOTHERM(impiantopilotada5MWtoperantepressoGioiadelColle)nelcasodiimpiegodicombustibileliquido(utilizzatoperaltronellafasedipreriscaldo)edislurrydicarbone.TalisimulazionisonostatecondotteutilizzandoilcodiceFLUENTinmodalitRANS,edilcodiceCHEMKINpersimulazionidicineticachimica.
Estatapoieseguitaunaccurataanalisidisensitivitrelativaalprocesso,considerando leffettosullefficienzadicombustionedeiseguentiparametrifondamentali:
granulometriadelcarbone portatadiricircolodeigascombusti contenutopercentualediacquanelloslurry temperaturagasricircolo.
Figura 1. Esempio di analisi comparativa rispetto al caso a, di riferimento; nel caso b viene variata lagranulometriadel carbone (aumentata),nel caso cvienevariata (aumentatadi270K) la temperaturadei fumiricircolati,nelcasodvienevariatalaportatadeifumiricircolati(raddoppiata)
Lesimulazioni,effettuate,congrigliedi tipobie tridimensionalinonstrutturate,hannopermessodi ricavare icampi fluidodinamici, termici e chimici al variare delle condizioni di input. Sono state anche individuate lecondizioni per la, almeno apparente, realizzazione di combustione MILD, ovviamente caratterizzata da unamaggioreportatadifumiricircolanti.
Le simulazioni hanno permesso di trarre conclusioni in merito alle condizioni ottimali di combustione, inparticolareportatae temperaturadeigasricircolanti,concentrazionediossigenonelcomburente,contenutodiacquanelloslurry.Talicondizionisonoquelleche,nonostante ilrapidorilasciodellespecievolatili,consentonounazonadicombustionepiampia,conpicchiditemperaturapibassieprofilopiomogeneo.
PerquantoriguardalesimulazionicheipotizzanolimpiegodicarboneSulcisconsignificativotenoredizolfo,siconsiderata levoluzionee linterazionediduefasidistinte: leparticelledislurry(fasediscreta)e lafasegassosa(fasecontinua).
Neldettagliolefasidisimulazionehannoriguardato:
modellazionedellafasediscreta(particelle) calcolodelletraiettorie trasferimentodelcalore evaporazionedellacqua devolatilizzazione combustionesuperficiale accoppiamentofasecontinua(gassosa)fasedispersa modellazionedellafasecontinua
PRODUZIONEEFONTIENERGETICHETema5.2.2.2
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 13
postprocessingpercalcoloossididizolfo postprocessingpercalcoloossididiazoto.
Unavoltaevaporata lacquaassorbitanelleparticelleha inizio ilrilasciodeicomponentivolatili.Ladistribuzionegranulometricaadottatainfluenzalacrescitaditemperaturadelleparticelle:cicomportacheilrilasciodeivolatiliavviene inmododisuniformeQuando lasingolaparticellaha terminato il rilasciodeivolatili,pucominciare lacombustionesuperficiale.Sinotaunaristrettazonasituatapocodopolimmissionedelloslurry,incuisiregistrailmassimo tassodi combustione,ancheperch leparticelle sonoancoraaddensate. Ilgrossodella combustioneeterogeneaavvienecomunquenellasecondametdelreattore,eciinaccordoconlerisultanzesperimentali.Si osserva inoltre come parte del carbone stia ancora bruciando nelmomento in cui le particelle si vanno adepositaresulfondodellacameradicombustione.Cisignificachelecondizionidiprovaadottate,conparticolareriguardoallagranulometriautilizzata,sonotalidanongarantirelacompletaconversionedelcarboniocontenuto,attestandosi intornoal70%.Perquantoattieneallostudiodelletraiettoriadelleparticelle,nellaprimapartedelreattorelaquantitdimoto,equindilinerziadelgetto,taledanonrisentiredelleffettodelflussogassoso;nellasecondaparteinveceleparticelleleggereseguonolostessoandamentodellelineediflusso,subendoleffettodelricircolointerno,mentrequellepipesantiproseguonoindisturbate,andandoadimpattaresullaparetefrontaleosulfondo.Itempidiresidenzasonodellordinediquattrosecondiperquellecheesconodirettamentedalcamino,edidiecisecondiperquellericircolate,divenuteoramaiceneri.Nelcasodiparticellegrandi itempidiresidenzaprima dellimpatto non superano il secondo. Per ci che riguarda le temperature (Figura 2), effettivamente siregistraunadistribuzionetermicaabbastanzauniforme,conunleggeropiccodi1740Knellasecondapartedellacameradicombustione.AncheladistribuzionedelradicaleOH(Figura3)risultaestremamenteuniforme.Questeconsiderazioni dimostrano chiaramente lesistenza di un regime di combustione dislocato quasi ovunque nelreattoreconassenzadifrontedifiamma,ciounregimemild.
Figura2.Distribuzioneditemperatura
Figura3.DistribuzionedellaconcentrazionediOH
14 VolumeI
Infine qualche considerazione relativa agli inquinanti. Per quel che riguarda ilmonossido di carbonio (CO) leemissionirisultanomoltolimitate.Ilcalcolodegliossididizolfoedegliossididiazotovieneeffettuatoinmanieradisaccoppiata rispetto al calcolo delle altre grandezze (velocit, temperature, ecc.).Questo perch si tratta diconcentrazionimoltomodeste,chenoninfluenzanoilfenomenonelsuocomplesso.Laformazionedegliossididizolfo legataal rilasciodiSO2eH2Snella fasedidevolatilizzazioneecombustionedelcarbonio fisso. Infatti lemaggiori concentrazionidi SOx (vedi Figura 4) si rilevanoproprionelle zone in cuiquestidue eventi sonopiintensi. I livelli termicimodestie la scarsapresenzadiazotonel comburente sono talida ridurrealminimo laformazione degli ossidi di azoto proprio di origine termica. Pertanto il contributo pi consistente vienedallossidazionedellazotopresentenelcarbone.
Figura4.ConcentrazionediSOx(ppmdry)
Lattivit dimodellistica bifase, svolta da ENEA, per indagare conmaggiore dettaglio i processi di interazionesolidogas,hainparticolareriguardato:
l'individuazione di unmodellomatematico adatto a descrivere processi di combustione di polverino dicarbone;
l'analisiditalemodello; l'individuazionediun'appropriatastrategiadirisoluzionenumerica; l'implementazioneall'internodelcodiceHeaRTsviluppatodaENEA.
Perquantoriguardalamodellizzazionesisceltaunaformulazioneeulerianaeuleriana(perentrambelefasi)perflussidispersi. Ilmodellodipartenzaquellomesoscopicosviluppatoall'IMFTdiTolosa.Lasceltaditaletipodiformulazionedovutasiaallarelativasemplicitd'implementazionenelcodicepreesistente,siaallapossibilitdimettereafruttol'esperienzachesutaletipodimodelliesistepressoENEA.Iflussidispersicosmodellizzatisonoinfattifacilmenteparagonabiliaflussifortementecomprimibili.AltramotivazioneperlasceltafattalapossibilitdiapplicareconmaggiorefacilittecnichediparallelizzazionegiimplementatenelcodiceHeaRT.
L'analisidelmodellodipartenzahaevidenziato l'opportunitdi interveniresullostessopermeglio tenercontodeglieffettidell'inerziadelleparticelledispersenelfluido.Unavarianteispirataamodelliperflussidigasrarefattistataproposta.
Per ci cheattieneagliaspettiprettamentenumerici, leequazionidelnuovomodello sono state introdotte inHeaRT, inunaprima fase, con lamedesima strategiadi soluzionenumerica finoadoggiutilizzataper la fasecontinua.Dopouna seriedi test,data lapeculiaritdei flussi inesame, si sceltodicambiarediscretizzazionespaziale.Lasceltaricadutasuunmetodoupwindconcontrollodelleoscillazioni.
E inoltre stata introdotta una discretizzazione per classi sulla fase dispersa: questa consiste nel risolverecontemporaneamentepisetdiequazioniperlafasedispersa,alfinedipotertenercontosiadellapresenzadipifasidisperse(acquaecarbonenelcasodelcombustoreISOTHERM),siadellediversedimensionicheleparticellediuna data fase possono avere in un dato volume di controllo. Questa tecnica permette di simulare flussipolidispersi,mahauncostopiuttostoelevato.Estatainoltreprevistalapossibilitdidescriverelevoluzionedellaparticelladicarboneingruppifunzionali,secondoquantoprevistodalmodelloinsviluppopressoilPolitecnicodiMilano.
PRODUZIONEEFONTIENERGETICHETema5.2.2.2
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 15
Figura 5. Isolivello di frazione volumetrica di fase dispersa per un campo istantaneo del caso test1. I colori siriferisconoalmodulodellavelocitdellafasedispersa
Lattivit di validazione delmodello di trasporto implementato per la fase dispersa in corso. Si scelto diriprodurre i risultati di un test casedi letteratura1, nelqualeparticelle di vetro vengono iniettate in un gettoswirlato.Ilnumerodiswirl0,47(simileaquellodelcombustoreISOTHERM)mentreilnumerodiReynoldscirca50000. I risultatipreliminarimostrano come ilmodelloadottato sia ingradodi riprodurre ladispersionediungetto di particelle dovuta allinterazione con il flusso del fluido circostante. Di fondamentale importanza percogliere taliaspetti la riproduzionedei fenomeni turbolenti,ed inquestoche ladozionediuna tecnicaLESportaimaggiorivantaggi.PerdareunamiglioreideadelfenomenoinquestionesiriportainFigura5unisolivellodifrazionevolumetricadifasedispersaottenutoadundato istanteper lasimulazionedivalidazione incorsodisvolgimento. I diversi colori rappresentano diversi valori assunti localmente dalmodulo di velocit della fasedispersa. Come si pu apprezzare, la turbolenza della fase continua induce linsorgere di strutture nella fasedispersa.Questenonpotrannocheavereuninfluenzanellandamentodiprocessireattivi,tendendoadintrodurreinomogeneitnelcampo.Glistrumenti incorsodisviluppo inENEAsonoappuntofinalizzatiapotercoglieretalielementinellevoluzionedelsistema.
Lostudiodellecondizionidicombustionedeterminatedalfortericircolodigasesaustiharichiestounimportantelavorodiidentificazionedeicampidistabilitlocali.Taleobiettivo,oggettodiattivitdellUniversitdiNapoli,statoottenutopermezzodella individuazionedeiregimiossidativie lacaratterizzazionedellestrutturereattivechesipossonoottenerenellezone incui lamisceladicombustibiligassosi,derivantidalladevolatilizzazionee/ogasificazionedelleparticelledicarbone,investitadallacorrenteossidante,fortementediluitaepreriscaldata.Lacombustionedelpolverinodicarbone,comebennotodallaletteratura,avvienepermezzodinumerosiprocessifisiciechimicichesiverificanoinserieparallelo.Traquesti,visonoiprocessididevolatilizzazioneegasificazionedellaparticelladicarbonechedeterminano laformazionediunafrazionevolatiledisostanze(CO,H2,CH4,ecc.)chedannoluogoadunasuccessivaossidazione.Lestruttureossidativechesiformanodipendonodallecondizionidi lavorodelsistema inesame. Inpresenzadielevati livellidiricircolo, talistrutturesonocaratterizzatedaunadistribuzione di temperatura e di specie differente da quelle che si verificano in condizioni di combustionestandard. Lobiettivo principale di questa prima parte di attivit stato quello di identificare lemodalit e lecondizioniche sarannoutilizzatecome riferimentonellostudiodelle strutture localidi fiamma incondizionedielevatadiluizione,cheverrannosvoltenellasecondafasedellattivitdiricerca.
Sebbene ilmetano non costituisca la frazione principale delle specie prodotte dalla devolatilizzazione e dallagassificazionedelleparticelledicarbone,inprimaanalisisisceltodifocalizzarelattenzionesullaossidazioneditalespecie incondizionidi fortediluizionee temperatura.Talesceltastata fattasullabasedelle informazionipresenti in letteratura.E, infatti,disponibileperquestocombustibileunnumerosignificativodimodellicinetici,validatiincondizionistandardpermezzodiuncopiosodatabasedidatisperimentali.
1SommerfelandQiu,Int.J.HeatandFluidFlow,vol.12,No.1,March1991
16 VolumeI
Cipremessostatoindividuatoilmeccanismocineticodautilizzare,traquellidisponibiliinletteratura,ingradodi simulare la cinetica di sistemi di combustione eserciti in condizione di elevata diluizione. La scelta stataeffettuata sulla base di una prima selezione a cinque schemi cinetici, selezionati in base alla loro provataaffidabilit nel simulare il comportamento di sistemi eserciti in condizioni di lavoro convenzionali. Per la lorovalidazionesonostateeffettuatenumerosesimulazioniincondizionistandardeincondizionidifortediluizioneecomparatiirisultatiottenuti.
Unprimoconfrontostatorealizzatosimulandoilritardoallignizionedimiscelefortementediluitedimetanoedossigeno,inunsistemachiusoalvariaredellatemperaturaepressione.Inquestecondizionistatoverificatocheirisultati ottenuti con i differenti modelli cinetici sono equivalenti in un ampio campo di temperature. Unoscostamentopocosignificativorilevabilesolonelcampodellebassetemperature.Estato,quindi,effettuato ilconfrontotraimodellicineticiutilizzandolaconfigurazionedifiammaacontrodiffusionechesarutilizzatanellostudiodellestrutturedifiammadi interesse.Lesimulazionisonostaterealizzatealvariaredellapressione,dellatemperaturaedelladiluizionedelmetanoinazoto.
I risultati sono stati comparati sulla base dei profili di temperatura e del rilascio del calore in funzione dellafrazione di miscelamento lungo la coordinata assiale del sistema. Sebbene le simulazioni abbiano messo inevidenzalapresenzadistruttureossidativesostanzialmentedifferentiinfunzionedelgradodidiluizionedelgettodicombustibile,leprincipalicaratteristichedellestrutturediossidazione,iprofilidelletemperaturedilavoroedelrilasciodicaloreassociatoallereazionidiossidazionesonocoerentialvariaredelmodellocineticoutilizzato. Inalcunecondizionisonostaterilevatedifferenzetrascurabiliedimputabilialdifferentenumerodispeciepresenteneisingolimodelli.Sullabasedeirisultatiottenuti,delladiffusioneinletteratura,delnumerodispecieereazionicoinvoltestato identificatounmodello, tra icinquevalutati,chesarutilizzatoper lostudiodettagliatodellestrutturereattivelocali,previstonellasecondafasediquestaattivitdiricerca.
Inunasecondafaselattivit(descrittaindettaglioneidocumentidisponibilisulsitoENEA)hariguardatolanalisidelle strutture reattive locali. Lanalisi delle strutture ossidative di interesse utilizzando il modello cineticodettagliato stata effettuata al variare della temperatura del getto ossidante, della composizione del gettoossidante,dellavelocit inizialedel flusso,dellapressioneedella tipologiadelgasdiluente. Ladiluizionedellacorrenteossidante stataottenutaconsiderandounavariazionedella frazionemolaredellossidanteda0,21a0,01.
Sullabasediquesteconsiderazioni,sonostateidentificatesuunpianoTinT(oveTinrappresentalatemperaturadi ingressodellossidante,T rappresenta ilmassimo incrementodi temperaturaottenibile funzionediXO2) lezoneincuisiverificanoidifferentiregimi.NellaFigura6statariportoilpianoTinTottenutoallapressionedi10atmedunavelocitdiflussoinizialeparia100cm/s.
Figura6.PianoTinTottenutoallapressionedi10atmedunavelocitdiflussoinizialeparia100cm/s
Nellamappa riportata in Figura sono state identificatequattro zoneprincipali. In corrispondenzadella zona inbassoasinistra(nocombustione)ilsistemanondaluogoareazionidiossidazione.AllaumentaredelTilsistemaevolveincondizionidicombustionetradizionale,incuisistabilizzanolestrutturediffusivebennoteinletteratura.Allaumentaredella temperatura iniziale stata identificatauna zonadi transizione in cuipossibileotteneresoluzionimultipledidifferentetipologia.Pertemperature inizialimaggioridellatemperaturadi ignizione(Tign)siottengono le struttureossidativebenevidenziate. Inparticolare, in corrispondenzadielevatiT si stabilizzano
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AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 17
struttureossidativetipichedelregime identificatocomeHightemperatureCombustion.AldiminuiredelTsiincontra la regionedelpianoassociataallacombustione flameless incuinonpipresenteunastrutturazionecomplessadellazonadireazione.
Leindagininumerichecondotteallapressionedi10barsonostateeffettuateapressioneinferiorepermettereinevidenza linfluenza di tale parametro sulle cinetiche di ossidazione. Le stesse fenomenologie evidenziate allapressionedi10barsonostaterilevateancheapressioneatmosfericasebbene icampideiparametri incuisonopresenti idifferentiregimicambiano,comeevidentedallaFigura7. Inparticolare ladiminuzionedipressionespostagli intervallidi temperaturadiesistenzadeidifferenti regimiversovaloripibassi. Leffettomaggiorerilevabilesulregimeflamelessperilqualesignificativalestensionedellazonaincuiiprofilidirilasciodicalorehannolandamentotipico,versovaloridiTinmaggiori.
Figura7.PianoTinTottenutoallapressionedi1atmedunavelocitdiflussoinizialeparia100cm/s
Estatovisto,inoltre,chelastabilizzazionedellestruttureossidativedipende,oltrechedallatemperaturaedallaconcentrazione,anchedallavelocitdiflusso inizialechedauna indicazionedeltempodiresidenzadellespecienellazonaincuipuavvenirelareazione.Valoridellavelocitflussoinizialetroppoelevaticorrispondonoatempidi permanenza ridotti, i quali non danno lopportunit di instaurare una struttura stabile. In condizioni diossidazione, invece,unavariazionedellavelocitdivelocitflusso inizialedeterminaunasignificativavariazionedella velocit di rilascio di calore. Per una fissata condizione di alimentazione, in termini di temperatura ecomposizione dellamiscela, questo pu determinare una variazione di regime e, quindi, una variazione dellaestensionedellevariezoneidentificatenellemapperiportatenellefigure.
Altro aspetto fondamentale per la simulazione dei fenomeni di interesse riguarda il parallelo sviluppo di unamodellistica pi avanzata della cinetica di volatilizzazione e ossidazione del carbone, che tenga conto dellaparticolarenaturadelcarboneSulcis,riccodizolfo.AtalfineilPolitecnicodiMilanohacondottounimportanteattivitbasatasullaconstatazionecheimodellidirilasciodicompostisolforatipresentiinletteraturasonopochi,specifici per tipo di carbone e non analizzano il problema nella sua integralit. In particolarmodo si possonoindividuare:modelliOneStep,modelliadenergiadistribuita,modelliapireazioni.Ildifettodituttiquestimodellirisiedenellanecessitdidatisperimentalispecificiperciascuncarboneenonrisultanoquindipredittivi.Allalucedi queste limitazioni stato sviluppato unmodello semplice,ma generale, quindi non specifico per tipo dicarbone,ingradodiesserepredittivosullabasedellasolaanalisielementaredelcarbonestesso.Percaratterizzarelacomposizione interminidicompostisolforati,sifariferimentosemplicementealrangodelcarbone,ovveroalcontenutorelativodicarbonioeossigeno.Lastrutturasulfuricadellamatricecarboniosarisultainfattilegataallamaturazione del carbone. Sfruttando la composizione dettagliata in termini di zolfo organico (alifatico oaromatico),piriticoeprovenientedasolfatidialcunicarboniampiamenteanalizzatiinletteratura(ArgonneCoals),sono state sviluppate delle correlazioni semplici (generalmente lineari) per identificare la percentuale relativadellevariecomponentisolforate.Sullascortadiquestacomposizioneinizialestatopropostounmodellocineticodisei reazioni,chedescrive il rilasciodizolfosotto formadiH2S,zolfonel tare infinezolfo residuonelchar. Ilmeccanismo tiene implicitamente contodelladiversanaturadei legami chimici,presentandocostanti cinetichediverse a seconda del tipo di legame zolfocarbonio La peculiarit di talemodello risiede appunto nella suapotenzialegeneralit,ovverononrichiedeanalisisperimentalidivolatilizzazionedelcarbone. Ilmodellostatopoi convalidato sfruttando le informazioni presenti in letteratura. Da questa analisi si evince che ilmodellopresentauncomportamentosoddisfacentenelcasodicondizionisperimentaliabassevelocitdiriscaldamento,
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mentrenelle condizionidi alte velocitdi riscaldamento vi generalmenteuna sovrastimadel rilasciodiH2S.Comedettoillimiteditalemodellorisiedesoprattuttoinunamancanzadiaffinamentoeconvalidasuunmaggiornumerodiinformazionisperimentali.Intaleambitopossibileprevedereilnaturalesviluppodiquestaattivitdiricerca.Ilmodellosaraccoppiatoaunmodellodidegradodelcarboneperconsentirelasimulazionedeldegradotermicocomplessivo.TalemodellosiconfronterconrisultatisperimentalispecificidelcarbonedelSulcis. Intalmodoverroperataunaulterioreconvalida,accompagnatadaunafasedimessaapuntosulcarbonedispecificointeresse.Talidatisperimentalidovrannoesserericavaticonanalisidellaperdita inpesoedellaformazionedeiprincipalicompostisolforati.Successivamente,unoschemacineticoinfaseomogeneaconsentirdicaratterizzarelossidazionediH2SinSO2peranalizzarelinsorgenzadipotenzialifenomenicorrosivi.
In base a quanto sopra illustrato, al fine di determinare i dati sperimentali indispensabili allattivit dimodellazionecondottadaENEAedalPolitecnicodiMilano,Sotacarboha intrapresoecompletatonelsecondosemestrediattivit,larealizzazionediunlaboratorioperlacaratterizzazionechimicofisicadeicarboni,interminidimorfologia,porosit,assorbimentodiacqua.Perillaboratoriosonostatiacquisiti:
dispositivi per la preparazione in laboratorio dei campioni di carbone nelle dimensioni e pezzatura piopportuna(mulini,frantoi,setacciatriciripartitore);
apparecchiatureper lanalisi elementaredei carboni (termogravimetroper analisidiumidit, contenutocenerievolatili;determinatoreCHNSFperanalisielementaredelcarbone;calorimetroperdeterminare ilpoterecalorifico;microporosimetro);
attrezzatureperanalisidibase (bilanciaanaliticae termica,bagnomariaelettrico,PHmetro,distillatore,reagentievetreriadalaboratorio,stufaperessiccazione);
impiantocentralizzazionegasaltapurezza; hardwareesoftwareperacquisizionedati.
Questo insieme di azioni risultano fondamentali e propedeutiche alla produzione di dati di input per lasperimentazione c/o ISOTHERM, per lattivit di modellazione di ENEA, e per la validazione dellattivit dimodellazionecineticacondottadalPolitecnicodiMilano.
E statadefinita laproceduradi caratterizzazione standard,e sono stati caratterizzatidue campionidi carboneSulciseduncampionedicarbonesudafricano.SonostatecondottemisuredideterminatoreCHN,determinatoreS,analisitermogravimetrica,calorimetriaeporosimetrica.
Inmeritoallaproblematicadellapuliziadelfluegas,sonostaticonsideratisistemiperlarimozionedelparticolato(cicloniemulticicloni,precipitatorielettrostatici,filtriceramiciacandela,filtriceramicicrossflow,filtrialettogranulare) e sistemi di desolforazione FDG (processi a umido, semisecco e rigenerabili. ParticolaremenzionemeritailprocessoSNOX(sviluppatodallaHaldorTopsoe).Talesistemarimuoveicompostidellozolfosottoformadiacido solforico,e la suaapplicazione favoritadalla temperaturadeigas (circa400 C)edallapressionediesercizio,condizioniampiamenteverificatesulloopdimostrativo.
Figura8.SchemasemplificatodifunzionamentodiunprocessoSNOXTM
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AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 19
Nellambito della seconda linea dellobiettivo, quella relativa a Prove sperimentali, sono state condottecampagnediprova sullimpiantopilotada5MWt ISOTHERMpresso ITEA/ANSALDOCaldaiediGioiadelColle,volteallacaratterizzazionedelleemissioniedallacaratterizzazionedelparticolatosolido (collaborazioneENEA/UniversitdiNapoli).Taliproverisultanopreliminariperchcondotteconcarboniconvenzionali,nonprovenientidalSulcis.PerquantoattieneleemissionideiprincipaliinquinantiirisultatiottenibiliconlatecnologiaISOTHERMrisultanoestremamentelusinghieriecondensatiinTabella1.
Tabella1.EmissioniottenuticontecnologiaISOTHERM
Emissionigassose Ridotto VolumeFumi:1/81/10cheinaria
GASNOCIVI EU2000/76 IsothermPWR
CO[g/GJ] 25
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Figura10.ReattoreISOTHERM
LUniversitdiNapoli,incollaborazioneconENEA,hacondottounaseriediattivitvolteallamessainoperadiunsistema integrato per lamisura dimensionale del particolato anche submicronico (da 7 nm a 10 m) e sullasuccessivaspeciazionechimica.
Lattivit inizialmente ha riguardato la messa a punto della linea di campionamento e delle tecniche dicaratterizzazioneinunacampagnadimisuresullimpiantodiGioiadelColleperlaverificadelfunzionamentodelsistemadicampionamentoedanalisi.
Lalineadicampionamentocostituitadaunasondadiprelievoinseritaavalledelreattoredialtatemperaturaediunsistemadicampionamentoper laraccoltadellediverse frazionidimensionalidelparticolato. Ilparticolatocondimensionida0,3a10mstatoseparatoconunimpattoreinerzialebasatosusondaAndersen;quellocondimensioniinferioria0,3micronstatoinveceraccoltosufiltriesusupportiperlamicroscopiaSEM.Ilparticolatoiperfine, quello con dimensioni inferiori a 0,1micron stato raccolto sia su supporti permicroscopia a forzaatomica che condensato in acqua per le successive analisi chimicofisiche, vista lelevata affinit in acqua delparticolatoultrafine.IlparticolatoraccoltosufiltropermicroscopiaSEMstatosottopostoadanalisiEDXmentrequellosospesoinacquastatocaratterizzatoattraversomisurediassorbimentonellUV,dianalisidellamobilitdifferenzialedelleparticelleediscatteringquasielastico.
La lineadicaratterizzazione stata integrataperpermettere lutilizzodellimpattoreELPIdellENEA ingradodimisurare, con accuratezza e in realtime, lintervallo dimensionale da 7 nm a 10 m. Il sistema integrato dimisurazionecossviluppatopermettediottenerefunzionididistribuzionedelledimensionidelparticolatoda1nma10mequindidiquantificareequalificaretuttelecenerivolanti,finiediperfini,eventualmentepresentinellacorrentegassosa.Ilsistemaintegratodimisurastatoutilizzatonelsecondoperiododiattivitpercaratterizzarele ceneri volanti allo scaricodel reattorediGioiadelColleperdifferenti condizionioperative e caratteristichechimicofisichedelcarbone.
Sono state successivamente condotteprovepreliminari suolioe carboni i cui risultati sono riassunti indiversidocumentidisponibilisulsitoENEA.Lanalisisperimentalesifocalizzatasulladeterminazionedellinterafunzionedidistribuzionedelparticolatoedellesuecaratteristichechimicofisiche.
InFigura11riportatalafunzionedidistribuzionedelledimensionidelparticolatomisurataavalledelreattoredialtatemperaturaconalimentazioneacarbonenellintervallo0,410m.
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AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 21
Figura11.FunzionedidistribuzioneinmassadeterminataconlasondadiAndersen
La funzionedidistribuzionedelledimensioninellintervallodimensionale finoa0,4mstatadeterminataconmicroscopiaaforzaatomicasulmaterialedepositatosusupportidimicaedriportatainFigura12.
Figura12.FunzionedidistribuzioneinmassadeterminataconAFMsusupportodimicainseritonellalineadicampionamento
Ilmateriale di dimensioni inferiori a 0,4 m raccoltomediante condensazione dellacqua di combustione ogorgogliamento in acqua dei fumi di combustione. Nella Figura 13 riportata la funzione di distribuzionedeterminataperEDMA.
Figura13.FunzionedidistribuzioneinmassadeterminataconEDMA
0.1
1
10
100
0.1 1 10 100
DP, micron
dM/d
LOG
(DP)
0.1
1
10
0.001 0.01 0.1 1
DP, micron
dM/d
LOG
(DP)
0.1
1
10
0.01 0.1 1 10
DP, micron
dM/d
LOG
(DP)
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Le tre funzioni di distribuzione determinate con differentimetodi dimisura hanno permesso di ricostruire lafunzionedidistribuzionedelparticolatoda1nma10 mequindidiquantificareequalificare tutte le cenerivolanti,finiediperfini,presentinellacorrentegassosa.
LanalisiairaggiXdelmaterialeraccolto(Figura14)mostraunafortedipendenzadallacomposizionechimicadelcombustibilealimentatooltreallapresenzadielementitipicidelmaterialecostruttivodellimpianto.Edanotarelabassaconcentrazionedicarbonionelparticolatocondimensionisuperioria0,4m.
Figura14.Analisielementaredelparticolatoprelevatoavalledelreattoreadaltatemperatura(rosso)edellazonadirecuperodicalore(blue)conalimentazionedislurrydipolverinodicarbone
Conriferimentoallaterza lineadellobiettivo,Messaapuntodeicriteridiprogettazione,restanodadefinire icriteridiscaling.SonoatalriguardoincorsosimulazionicondotteconcodiceFLUENTperdeterminareleffettodiscala (da 5 a 48 MWt) e leffetto dellorientamento del reattore (da orizzontale a verticale) che potrebbesemplificarelaraccoltadellecenerifuseentroilreattore.
B. Sviluppoetestdisistemidiagnosticiavanzati
Nellambitodellobiettivoparticolare rilievo riveste lattivit relativaallo sviluppo,qualificazionee ingegnerizzazionedidispositividimisuranoninvasivi,basatisullatecnologiaODC(OpticalDiagnosticofCombustion),messoapuntoebrevettatodaENEA.
Taletecnologia,sviluppatainverieproprisistemidimisuraintegrati,consentelamisuradi:
stabilitdicombustione velocit(misuremedieedinamiche) fluttuazioniditemperatura.
Ilsistemabasatosullanalisiinfrequenzadelsegnaleluminosoprovenientedalsistemareagente,acquisitoconun fotodiodo a banda pi o meno larga (funzione dellapplicazione), operante a frequenze di acquisizionedellordine deiMHz. La configurazione a testa dimisura singola permettemisure di stabilit dinamica e ditemperatura.Laconfigurazioneatestadoppiapermettemisureaccuratedivelocit.
slurry
0
5
10
15
20
25
30
35
40
C Na Al Si S K Ca V P Mg Cl Zn Mo Ti Cr Fe Ni
wt %
F8/punto 2F8/punto 1
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AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 23
Figura15.SistemaODC:(A)connettoreallafibrainquarzoeguidadiluceperaltetemperatureinzaffiroinguainatainallumina,(B)configurazionemultipladelsistema
Il sistema di partenza, sviluppato per applicazioni di ricerca in laboratorio, stato ingegnerizzato per renderepossibile lapplicazione in situazioni industriali, quali quella del reattore ISOTHERM, ove laccesso alla zonareagentedevenecessariamenteessereminiaturizzatoeresopassivoallealtetemperature,attraversoilricorsoadunguidadi lucerealizzata inmonocristallo inzaffiro(Figura15).Estato inoltrerealizzatauninterfacciavirtualeper semplificare literazione con il sistema di regolazione e controllo, basato su tecnologia LabView, al fine direnderlogestibileanchedapersonalenonesperto,ofavorireiltelerilevamentoinremotodeidati.
Al finedi rendere il sistema insensibileaidisturbi introdottidallambienteesterno, tipicamente lacomponenteinfrarossacontinuaprovenientedalrefrattariodirivestimentodelreattore,stataenfatizzatalarispostadinamicadel sensore. Ci stato ottenuto utilizzando una diversa architettura del trasduttore ottico e ottimizzando ilsistemadianalisi.
Infine stata sviluppataunaproceduradi certificazionedei sensoriottici in grado di assicurare laffidabilit eriproducibilitdellemisure.
La prima campagna di misure, realizzata utilizzando sensori ODC ha avuto come obiettivo lindividuazione,dallanalisi dei segnali, di indicatori sintetici (esempio asimmetria del flusso reagente o suo livellamentoomogeneo) rappresentatividiaspettiqualitatividelprocesso,utiliallasuaottimizzazioneecontrollo. Gliaccessi(Figura 16) attualmente utilizzati sono due: dalla culatta del reattore (lato prossimo all' iniezione del fuel) elaterale(inprossimitdelcentroodelfondodelreattore).
Figura16.Accessiallazonareagente
Monocristallo in Zaffirorivestito in Allumina
Fibra otticain quarzo
Sistema ODC
Monocristallo in Zaffirorivestito in Allumina
Fibra otticain quarzo
Sistema ODC
Installazione multiplaSistemi ODCInstallazione multiplaSistemi ODC
A B
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Da riscontri sperimentali ottenuti si evince la sostanziale stazionariet del processo (andamento tipico dellacombustione MILD). Le variazioni di contenuto di ossigeno, portata combustibile e quantit di prodotti dicombustione ricircolanti, mostrano andamenti coerenti degli indicatori suddetti, e ci anche in transitorioperazionali.
Percontro lostrumentoODCmostraunafortesensibilitallavariazionidiprocesso,consentendo lamappaturadellazonareattiva,erisultandopertaleviailsolostrumentoidoneoedaffidabile,allostatodelleconoscenze,perunacaratterizzazionedinamicadelprocesso.
La Figura 17 mostra come, in prossimit della lancia di immissione slurry, il processo di ossidazione risultiprevalentemente di tipo diffusivo, con concentrazioni dei reagenti che alterano le condizioni di combustioneflameless.Gli impulsi luminosi,relativiadeventisingolidiossidazione,sonocaratterizzatidaun tempodisalita(bruscogradiente)edauntempodidecadimento,comemostratoinfigura.
Figura17.Segnale tipicodella sondaODC relativoaparticelledi carbone inoxycombustione, inprossimitdellalanciadiimmissioneslurry
IlsegnaleODC,edinparticolareirispettivitempidisalitaedecadimento,mostranocomportamenticoerenticonlevariazionidi importantiparametridi sistema (quali:portatadiossigeno (un suoaumento corrispondeadunincrementodireattivit),portatadiricircologascombusti(unsuoaumentodeterminaunariduzionedireattivit),comedimostranoleFigure1820.
Figura18.Variazionedeitempidisalitaediscesainfunzionediaumentoodiminuzionediportatadiossigeno
Figura19.Variazionedeitempidisalitaediscesainfunzionedidiminuzioneoaumentoportatagascombusti
Figura20.Variazionedelnumerodi impulsivalidatiedelvalormediodellimpulsofiammaalvariaredellaportataossigeno
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Il livello di fondo luminoso dedotto daODC (segnale celeste nella Figura seguente) un ottimo indicatore ditemperatura(segnaleverdediFigura21).Sinotilacoerenzadeiduesegnaliinfunzionedellaumentodiricircolo.
Figura21.CoerenzatraFondoluminosoeTemperatura(dapirometrolaser),allaumentaredelricircolo
In conclusione lo strumento ODC mostra una forte sensibilit alle variazioni di processo, consentendo lamappaturadella zona reattiva,e risultandoper tale via il solo strumento idoneoedaffidabile,allo statodelleconoscenze,perunacaratterizzazionedinamicadelprocesso.
C.Analisipreliminarediciclitermodinamicieconfigurazionediimpianto
Lobiettivoprevedeattivitdisimulazionidiciclochesianodiausilioallaprogettazionedelcircuitodimostrativofinale,cheprevede ilcollegamentoadunacaldaiaditipoUSCadelevatorendimento,consuccessivasottrazionedellaCO2. Inquesta fasesonostate tuttaviavalutatealtrepossibilialternativecheprevedono linserimentonelciclo,dopolaturbinaavapore,diunaturbinaagasrigenerativadivariapotenzaolesclusivoricorsoadessa(fattasalvalapossibilitdiinterconnetteredirettamentequestultimaalcombustoreoxyfuelledalimentatoacarbone).AquestoriguardosonostateeffettuatesimulazioniconcodiciIpsePROeCHEMCAD.
Unapplicazionediparticolare interesseriguarda lutilizzodi ISOTHERMcomesistemadiinternalheating inuncicloditoppingoperantesulvaporeabassapressioneinuncicloUSC.
SipensadioperareconvaporediuncicloUSCqualefluidodi lavorochepuesseresurriscaldato,similmenteaquantoavvieneinuncicloturbogasaperto,atemperatureelevate(1300 Copi)conevidentivantaggiinterminidirendimento.IlsistemaprevedelintegrazionediuncicloRankineclassico,conunsurriscaldatoreaggiuntivodelvaporedibassapressione tramiteunprocessodiinternalheating realizzatoappuntonel reattore ISOTHERM.Lapportoentalpicoavvieneattraversolacombustioneconossigenoallinternodelflussodivapore,allastreguadiquantoavviene inun turbogas ilcui fluidodi lavoro invecearia. Ilvaporesurriscaldato finoa temperaturedi1500K(non realizzabiliper scambio termico indiretto in caldaia,deveespandere inunamacchina simileadunturbogascheopererconvaporeenonconaria(gascombusti).Avalledellaturbinadiespansioneilvaporepassaascambiatori rigenerativo/evaporativoedieconomizzazioneprimadiavviarsialcondensatore. Inparticolaresievidenziaquantosegue:
- laumentodirendimentonotevole(ilcicloditoppingaggiuntoalciclobase,considerando laconcretapossibilitdirecuperodelcalorediscarico,harendimentiteoricisuperioriall80%);
- lestrazione della CO2 prodotta dopo condensazione, seppur richieda energia non trascurabile edipendente dal contenuto di carbonio del combustibile, riduce solo di alcuni punti percentuali ilrendimentodicuisopra;
- il raffreddamentodellamacchinapuconvantaggioessereattuatoavaporeoadacquapreriscaldata;probabilmente consentendo una TIT (Turbine Inlet Temperature) superiore allo standard attuale delleTurbineagas(1800Kinvecedi1500K);
- ilsistemasembrerebbe idoneoancheperretrofitdi impiantiesistentipotendocontaresuunfattoredirepoweringesentedaproduzioneaggiuntivadiinquinanti.
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Water Steam Diagram
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Entropy [Kj/(kg K)]
Enth
alpy
[Kj/k
g]
state of saturation
p 0,05 bar
p 1,0 bar
p 20 bar
p 210 bar
ciclo mild
ciclo standard
T 823 K
T 1500 K
T 373 K
Serie11
T 573 K
1 2
3
4
5
6
7
8
T=373 K
T= 573 K
T=823 K
T= 1500 K
9
Figura22.UtilizzodiunsistemaaossicombustionecomeelementodiinternalheatingoperantesuvaporeBPdiuncicloultrasupercritico
Lobiettivoprevedeinoltrestudiperlaprogettazionediapparatispecificiperlaparticolareapplicazioneindustriale(pompaggioslurry,gascleaning)da integrarenelsistema.Aquestoriguardo,partendodallaconsiderazionecheunodeglielementicritici,evidenziatisinelcorsodellesperimentazionipreliminari,rappresentatodalpompaggiostabile dello slurry, stata sviluppata da ENEA una tipologia innovativa pompa, definita volumetrica a pistoniTriplexaflussocontinuo.
Con essa, ci si posto lobiettivodi realizzareunapompa volumetrica ad alto rendimento (energetico >87%;volumetrico>98%),conmisuradiportataintrinsecaalfunzionamento(misuradelnumerodigiri),econpulsatilitnulla,ocomunquecontenutaentroil3%delvaloredellaportata(attualivaloridellemigliorirealizzazioni>16%),che elimini lanecessitdi elementipassiviquali smorzatori, epossa trattare fluidiquali slurrydi carbone congranulometriagrossolana(finoa23mm).
Estatarealizzataunaprimapompaprototipoda700L/h,conprevalenza25bar(vederefigureseguenti), lecuiprestazionisonostateottenuteattraversounparticolareprofilodimotodeipistoni,azionatidaunmeccanismodesmodromicoa camme. Lapompa stata testata con successo, con slurry,presso i laboratoriENEA,e seneprevedeilprossimotrasferimentosullimpiantoISOTHERMdiITEASOFINTER,perprovedicaratterizzazionefinali.
Pi che di un componente pompa si pu parlare di un vero sistema di pompaggio con capacit diautodiagnostica, poich lo stesso, opportunamente strumentato conmisuratori di pressione e accelerometri,nonch di intelligenza a bordo, in grado di monitorare il suo funzionamento, segnalando leventualescadimento delle prestazioni e la necessit di interventi manutentivi ordinari e straordinari, peraltro nonfrequenti,datalatipologiadipompa.
Figura23.Formadondadipressionedellanuovapompa
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Figura24.NuovapompaTriplex
Lasperimentazionecondottahapermessodicaratterizzare inmodoqualitativo ilcomponenteprototipalesottotest,chehamostratounafunzionalitstabileedefficacemettendocomunqueinevidenzadifettirecuperabilinellafasedi ingegnerizzazione (usuradellevalvole,modificadellaformadellecameredipompaggio,attuazionedellevalvole:utilizzodidispositiviattivi).Ilcomponente,nelsuostatoprototipale,puessereutilizzatoanchenellafaseanalitica in quanto, garantendo un esercizio continuativo affidabile, permettere lo studio del comportamentofluidodinamicodelloslurry.
Figura25.LoopdiprovaENEA
PRINCIPALI SOGGETTI ESTERNI COINVOLTI
SOTACARBO
NellambitodellObiettivoAleattivitdiSOTACARBOhannoriguardato:
la definizione dello stato dellarte dei modelli e codici applicabili allo specifico settore della oxycombustionedicarboneinambientericcodiCO2evapore;
lapartecipazioneallosviluppoedapplicazionedicodicidisimulazionetermofluidodinamica. Impiegodicodici commerciali (FLUENT), opportunamente arricchiti con specifiche routines esterne, per lasimulazionestazionariaedinamicadelcomplessoprocessodioxycombustioneflamelessdiunoslurrydicarbone;
lallestimentodiun laboratoriodianalisiper lacaratterizzazionechimicofisicadeicarboni, interminidimorfologia,porosit,assorbimentodiacqua. Inquestaotticaforniscedatidi inputallasperimentazionepressoilpilotaISOTHERMeperlavalidazionedicodicitermofluidodinamiciedicineticachimica;
Manovellismialberocame
Basepistoni
SerbatoioslurrySerbatoioacqua
Ingressoslurry
Mandataslurry
Serbatoio 1bar
slurry
Acquadilavaggio
MisuratoredIpressione
PompaTriplex1kWatt
Cameraseparatrice
Spillamento
Resistenzaidraulica
28 VolumeI
lo studiodelle tecnologiedi puliziadei gas derivanti dal processodi oxycombustione con particolareriferimentoallapresenzadicompostisolforati.
UniversitdiNapoliFedericoII(accordodicollaborazione)
NellambitodellObiettivoAstudiaedidentificalecondizionidistabilitlocalichecaratterizzanolacombustioneincondizionidi forte ricircolodi gas esausti. Taleobiettivo ottenutopermezzodella individuazionedei regimiossidativi e la caratterizzazione di strutture reattive che si possono ottenere nelle zone in cui lamiscela dicombustibili gassosi, derivanti dalla devolatilizzazione e/o gassificazione delle particelle di carbone, investitadallacorrenteossidante,fortementediluitaepreriscaldata.Talestudiofondamentaleper lacorrettamodellazionedelprocessocondottadaENEA.
NellambitodellObiettivoB,conduce,incollaborazioneconENEA,attivitvolteallamessainoperadiunsistemaintegratoperilcampionamentoelamisuradimensionaledelparticolatoanchesubmicronico(da7nma10m)alloscaricodelreattoreISOTHRM.Diroutinecaratterizzafuorilinea,contecnichedimisuraavanzate,icampioniinformasolidaoliquidaperlarelativaspeciazionechimica.
PolitecnicodiMilano
NellambitodellObiettivoAsviluppamodellisticaavanzata relativaallacineticadivolatilizzazioneeossidazionedel carbone, che tenga conto della particolare natura del carbone Sulcis, ricco di zolfo. Sviluppa unmodellocineticodiseireazionichedescrive ilrilasciodizolfosotto formadiH2S,zolfonel tare infinezolfo residuonelchar.Lapeculiaritditalemodellorisiedenellesuapotenzialegeneralit,ovverononrichiedeanalisisperimentalidivolatilizzazionedelcarbone.Ilmodellovienesuccessivamentevalidatocondatidiletteraturaedesperienzeadhoc.
ITEASOFINTER
Mette a disposizione della sperimentazione limpianto pilota ISOTHERMPWR ed il personale ITEA per laconduzionedelleprove.
ANSALDOCALDAIE
Mette a disposizione della sperimentazione larea sperimentale che ospita limpianto pilota ISOTHERMPWR, iservizi(acqua,forzamotrice,gastecnici,ecc.)edilpersonaleANSALDOnormalmentecoinvoltonellaconduzionedelleprove.
PRODUZIONEEFONTIENERGETICHETema5.2.5.2
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 29
Tecnologie di gassificazione del carbone con cattura e sequestro della CO2
Nellattualequadroenergetico internazionaleassumonoparticolarerilevanza lepolitichee le iniziativevolteallamessaapuntodi tecnologiepulitedelcarbone,checonsentonodaun latounamaggioredifferenziazionedellefontienergetiche,favorendolatransizioneversounpiampioedarticolatoricorsoallerinnovabili,edallaltrolamessaapuntoditecnologieperlaproduzionedatalefontediidrogenoedenergiaelettricainmododarenderepercorribilelastradaversounapossibileeconomiabasatasuquestiduevettorienergetici.
LetecnologieperlutilizzodelcarboneinsistemidigenerazioneelettricacheprevedonolacatturaedilsequestrodellaCO2,sonoattualmenteentrate inunaprimafasedimostrativa,conunrilevantenumerodi iniziativeper larealizzazione di impianti dimostrativi a livello europeo ed internazionale. Su queste tematiche i programmi diRicercaeSviluppohannogidatobuonirisultatiemoltedelletecnologienecessarieperlacatturaedilsequestrosonogidisponibili (adesempioquelle relativeallagassificazionedelcarbone,allaproduzionediossigeno,allareattoristicadiwatergas shift,aiprocessidiestrazionedigasacididamisceledigas).Tali tecnologiepossonoquindi gioggiessere integrate con lemoderne tecnologie applicateper ridurredrasticamente leemissionidiinquinanti ed incrementare lefficienza energetica, al fine di iniziare la fase di dimostrazione industriale perprodurreelettricitdacarboneconridotticostiedemissionidiCO2prossimeallozero.
Inquestocontesto laCommissioneEuropea ritienechedefinendocondizionidimercatoche rispecchinovincolichiarieambiziosi in terminidiemissionidicarbonio,sipotranno,conun impegnocontinuo,renderepraticabilisotto il profilo commerciale le tecnologie del carbone sostenibile nel giro di 1015 anni. Ci richieder percoraggiosi investimenti industriali per finanziare sia una serie di impianti dimostrativi (allinterno e allesternodellUE),chedi iniziativepoliticheconnesseperunperiodo relativamenteprolungato (daadesso finoalmeno il2020) oltre che le necessarie attivit di ricerca e sviluppo che dovranno seguire in parallelo tutta la fase didimostrazioneinunprocessoiterativo.
Nellospecificodeltemainparola,letecnologiedicatturaprecombustioneoperanounadecarbonizzazionedelcombustibile fossile amontedella combustione rilasciandoun gas ad alto contenutodi idrogeno chepoipuessere utilizzato come combustibile in impianti di produzione elettrica in sistemi turbogas o in usi alternativi(trazione,chimicadibase,ecc.).Ingenerale,dalpuntodivistaenergetico,lapenalizzazionedovutaalloroutilizzo ridottasiaperchsioperasu flussi inquantit limitate (rispettoai fumiesausti)siaperchsipuoperare inpressione,condizionechefacilitalacatturaerendemenodispendiosalarigenerazionedeimediumcheoperanolacatturadiCO2.
DESCRIZIONE DELLATTIVIT
Vengonocondotteunaseriediazioniatteasostenere leattivitdiricerca,avviateo infasedidefinizione,volteallariduzionedeicostidi investimentorelativiacentralidiproduzionedienergiaelettricabasatesullimpiegoditecnologiecheutilizzanocarboneadifferentigranulometrieesiavvalgonodisistemidicatturaesequestrodellaCO2, condizione oramai considerata essenziale per lo sviluppo dei moderni impianti a carbone. Il presenteprogetto affronta il complesso delle problematiche esteso a tutto il ciclo di produzione energetica, studiandometodologieperilcontenimentodeicostichevannodallimpiegoditecnologiedigenerazioneelettricainimpiantiintegratidigassificazionedelcarbone(IGCC,IntegratedGasificationCombinedCycles)concatturadellaCO2,finoalsequestrodefinitivoindepositiperennicontecnichediconfinamentoECBM(EnhancedCoalBedMethane).
Ilprodottodelle attivit rappresentato,daun latodallo sviluppodiunprocesso intrinsecamentepulito ingradodiabbattereilcostodeisistemiditrattamentodeigasesaustiedallaltrodallincrementodellefficienzadiconversioneenergeticachepassaattraversolottimizzazionedellacomponentisticarelativaallagenerazioneedaltrattamentodel syngas.Unulterioreapportopoi fornitodallo sviluppodi specifiche tecnologie che rendonomeno costosi i processi di catturadella CO2 e dalla verifica sperimentale della fattibilit tecnicoeconomica ditecnologie di confinamento della CO2 in bacini carboniferi profondi non coltivabili. Il fine ultimo quello diconfigurareunsistemaunicocheassommainslafunzionedigeneratoredienergiaelettricapulitaconquelladiserbatoiodistoccaggiodefinitivodellaCO2 in lineacon letendenzeattualiegli impegni internazionaliassuntidalnostroPaesesulletematicheenergeticoambientali.
30 VolumeI
Obiettivo finale del progetto quello di sostenere attivit riguardanti lindividuazione di un unico impiantofinalizzatoallagenerazioneelettricadacarboneconcatturaesuccessivosequestrodellaCO2inbacinicarboniferiprofondiconriduzionedeicostidiinvestimento.Tresonolelineedazioneprincipali:
miglioramentoe riduzionedei costideiprocessidiproduzionedellenergiaelettrica (con catturadellaCO2)dasyngasprodottoapartiredacarboneinvariagranulometria;
studiodellapplicabilitditecnichediconfinamentodellaCO2(ECBMeacquiferi)converifichesperimentalinellareadelbacinominerariodelSulcis;
definizionediunsistemaunicocomprendenteproduzioneelettricaesequestrodellaCO2.
LeattivitsvengonoprincipalmenteeffettuatepressoilCentroRicercheENEACasacciaanorddiRoma,pressolaPiattaformaPilotadelCentroRicercheSotacarbo,epressodiversiIstitutieDipartimentidellUniversitdiCagliarieMilanoavvalendosidellafortecollocazioneterritorialenellambitodelbacinominerariodelSulcisnelsudovestSardegna,dovehannosedee impianti lasocietSotacarbo,compartecipataENEA,detentricedellaPiattaformaSperimentalediGassificazionedelCarbone,elaCarbosulcis,societconcessionariadellareadelbacinominerario.
Leattivitdelprimoannosonoarticolateinseiobiettivi:
A.ValutazionedelprocessodigassificazioneconCO2comeagentegasificante
VengonosviluppatimodelliesimulazioninumerichedelprocessodigassificazionecheutilizzaCO2comeagentegassificante,operandocondiversicodicianalisidisensibilitsullavariazionedeiparametriprincipali,qualiportate,temperaturee composizionedei flussiprincipali,utilialla valutazionedelprocesso. Inquesto stesso frangenteviene dato avvio alla predisposizione delle prove in appoggio con adeguamento degli impianti preesistenti.Lobiettivoquellodisimulare lasostituzione (finoal100%)conCO2dellazotonormalmentepresentenellariagasificanteinmododamoderareletemperatureaparitdiportatenominalidialimentolatogas.
B.SperimentazionedelprocessodigassificazioneconCO2comeagentegasificante
Vengonosvolte leattivitsperimentalisugli impiantidigassificazionepresso lapiattaformapilotaSotacarboconproveetest,relativiadiversecondizionidifunzionamento,tesiadacquisirecompetenzesulprocessoinoggettoea ricavareunaprima seriedidatinecessariallavalidazionee tuningdeimodelli.Lobiettivoquellodi testaresullimpiantoprovadebitamentepredisposto la sostituzione conCO2dellazotonormalmentepresentenellariagasificante.
C.Analisicomparativadidiversisorbentinelprocessodidesolforazioneacaldo
Questambitoprevedelosviluppodimodelliteoriciesimulazioninumericherelativealprocessodidesolforazionedelgasdisintesi,effettuataatemperaturedellordinedei300500Cconlutilizzodisorbentisolidiabasediossidimetallici, con analisi delle fasi di assorbimento e rigenerazione. A questi primi risultati fa seguito lattivit diprogettazionediun reattorediprovabenchscale.Lobiettivoprevede labbattimentodelcontenuto inH2Sdalvaloredi1300ppmvattesonelrawsyngas(nelcasopisfavorevoledialimentazioneal100%concarboniadaltocontenutodizolfocome ilcarboneSulcis)finoai10ppmvrichiestiperevitare lavvelenamentodelcatalizzatoredellasuccessivasezionediCoshift.
D.Sperimentazionedidiversisorbentinelprocessodidesolforazioneacaldo
LobiettivoprevedelarealizzazionediunreattorediprovabenchscaleperlarigenerazionedeisorbentieavalledegliopportuniadeguamentidellapiattaformapilotaSotacarbo, lavviodelleattivitsperimentalisullimpianto,conlesecuzionediunaprimacampagnadisperimentazionedeiprocessidiassorbimentoedesorbimentoacaldodei prodotti derivati dallo zolfo su sorbenti a base di ossidi metallici. Lelaborazione dellassorbimento/desorbimento.
E.StudiopreliminareperlapplicazioneditecnicheECBMnelbacinominerariodelSulcis
InquestoambitovengonoeffettuatedellevalutazionipreliminariperlaselezionedelsitoidoneoallaapplicazionedelletecnicheECBMnellareadelbacinocarboniferodelSulcis, individuando leprincipalisorgentiantropichediCO2utiliperlosviluppodelprogettoedeffettuandodelleattivitdicampionamentoeprimoscreeninggeologicodeisiti.Lelaborazionedaticosiottenutidefiniscelubicazionepiidoneadelsitoprova.
PRODUZIONEEFONTIENERGETICHETema5.2.5.2
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 31
F.Progettazione,realizzazioneeprimasperimentazionediunTestSiteatecnologiaECBM
Lobiettivoprevede losviluppodimodelliteoriciesimulazioninumeriche, leffettuazionedi indaginigeologiche,lavvio di attivit analitiche di laboratorio mirate allapplicazione delle tecniche ECBM allinterno del bacinocarbonifero del Sulcis. Verr in questo frangente eseguita la progettazione e realizzazione delle primeinfrastrutturedi iniezioneemonitoraggiodellimpiantoprovaTestSitea cui far seguitounaprima campagnasperimentalediiniezioneemonitoraggio.IdaticosricavatisarannoelaboratieresidisponibiliperulterioriazionidiR&S.
RISULTATI DELLATTIVIT
Leattivitvengonodiseguitodescritte,incoerenzacongliobiettiviprevistiperilprimoanno,sonoripartitenelleseguentitematiche:
StudioesperimentazionedellagassificazioneoperataconCO2comeagentegasificante(obiettiviAeB) Studioesperimentazionedidiversisorbentiperladesolforazioneacaldo(obiettiviCeD) StudiperlapplicazioneitecnologieECBMalbacinodelSulcis(obiettiviEeF).
StudioesperimentazionedellagassificazioneoperataconCO2comeagentegasificante
Nellambitodelletecnologie innovativeper laproduzionedienergiaconseparazioneeconfinamentodellaCO2,sono state recentemente proposte numerose configurazioni impiantistiche alternative alle tecnologieconvenzionali.Traquesteapparemoltointeressantelapossibilitdioperarelagassificazionedelcarbone(olacogassificazione di carbone e biomasse) utilizzando la CO2 come agente gassificante. Tale tecnologia, oltre aconsentire,ingenerale,unamaggioreefficienzadiconversionedelcarboniopresentenelcombustibile,consenteinfattidiavere,avalledelgassificatore,unsyngascompostoprincipalmentedaCO,idrogeno,CO2evapordacquae,avalledelsistemadicombustione,ungascombustocompostoquasiesclusivamentedaanidridecarbonicaevapore,facilmenteseparabilimedianteunasemplicecondensazionedellacqua.LatecnologiadigassificazioneconCO2nonpresenta,allostatoattuale,applicazionicommerciali,masonodiversi,a livellomondiale,glistudie lesperimentazioniariguardo.
I processi di gassificazione con CO2 attualmente in fase di sviluppo sono principalmente di due tipologie cheessenzialmente si contraddistinguono per la presenza omeno di ossigeno nellamiscela di gas alimentati algassificatore. I processi di gassificazione con CO2 eO2 sono adatti allamodifica dei processi di gassificazioneconvenzionaliadariaalfinediadattarlialleesigenzedellaseparazionedellaCO2;mentrequellicheutilizzanosoloCO2garantisconomiglioriprestazionirispettoaiprimima,dalmomentocherichiedonocondizionioperativedeltutto particolari, possono essere adottati solamente in impianti nuovi. Per unanalisi delle due differentitecnologie, importante richiamare quelle che sono le principali reazioni che hanno luogo nei processi digassificazioneconvenzionali:
Compostiorganici tar+char+gas pirolisi (1.1) Compostiminerali ceneri decomposizione (1.2)
C+O2 CO2 combustionetotale (1.3)C+O2 CO combustioneparziale (1.4)C+H2O CO+H2 gassificazione (1.5)C+2H2O CO2+2H2 gassificazione (1.6)C+CO2 2CO gassificazione (1.7)C+2H2 CH4 idrogassificazione (1.8)CO+H2O CO2+H2 shiftconversion (1.9)CO+3H2 CH4+H2O metanazione (1.10)
CnHm+(4nm)H2 nCH4 hydrocracking (1.11)CnHm+nH2O nCO+(2m+n)H2 gassificazione (1.12)
Gli equilibri di ciascuna delle suddette reazioni dipendono fortemente dalla tipologia del gassificatore, dallecaratteristichedelcombustibileedalleparticolaricondizionioperative.
Le reazioni di combustione 1.3 e 1.4, fortemente esotermiche, liberano il calore necessario per innalzare latemperaturadelreattoreavaloritalidarenderepossibililereazionidigassificazionevereeproprie.Inparticolare,unprimoinnalzamentoditemperatura(finoacirca200300C)consentediliberarelacquaeicompostigassosi
32 VolumeI
volatilicontenutinelcombustibile;successivamente,allaumentaredellatemperatura,avvengonolereazioniveree proprie di gassificazione. Da un punto di vista energetico, la combustione parziale del carbonio producesolamenteil2030%delcaloreottenibilemedianteunacombustionetotaledellostesso.Ilrestante7080%cosdisponibilesottoformadipoterecalorificodelsyngas.
Le reazionidigassificazionevereeproprie (1.5,1.6e1.7),endotermiche, sono chiaramentequelledimaggiorrilievonellinteroprocesso. importantenotare, tra laltro,che ilvaporeacqueopresentenel reattore,oltrearenderepossibilelereazionisuddette,importantissimocomemoderatoredellatemperatura.
La reazione 1.9 di shift conversion riveste notevole interesse per la determinazionedei rapporti fra idrogeno,monossido di carbonio e CO2 contenuti nel syngas, rapporti che sono di fondamentale importanza per ilfunzionamentodelleapparecchiatureavalle.
Fra ivariparametrichecaratterizzano ilprocessodigassificazione rivestononotevole importanza i rapporti traossigenoecarboneetravaporeecarbone,oltrechelapurezzadellossidante:
=massadiossigeno/massadicombustibile =massadivapore/massadicombustibile =massadiossigeno/massadiossidante(purezzadellossidante).
In particolare, allaumentare del rapporto aumenta il contributo delle reazioni di combustione rispetto allagassificazione,equindidiminuisconolefrazionimolaridiH2,COeCH4mentreaumentanoquellediCO2ediH2O;allaumentaredi,invece,vengonofavoritelereazionidigassificazioneedishiftconversion,percuiaumentanole percentuali di CO2,H2O eH2mentre diminuiscono quelle di CO e di CH4; il valore di , infine, condizionafortementeladinamicadelprocessoelapercentualediazotonelsyngasprodotto.
Come accennato, i processi di gassificazione con CO2 e ossigeno sono facilmente applicabili a impianti digassificazioneadariagiesistenti.Inpraticasipupensaredisostituire,parzialmenteocompletamente,lazotodellamiscela ossidante con lanidride carbonica, al fine dimigliorare le condizioni operative del processo econtrollarnelatemperaturaoperativaaumentandocontemporaneamentelapressioneparzialediCO2nelsyngase,conseguentemente,lefficienzadeisistemidiseparazionedellastessa.Abassepressionioperative,lapresenzadella CO2 nellagente gassificante inibisce le reazioni di gassificazione (1.5 e soprattutto 1.6),ma favorisce lareazione endotermica 1.7, con lossigeno utilizzato per le reazioni di combustione 1.3 e 1.4 che fornisconolenergia termica necessaria alle reazioni di gassificazione. In tal modo, a parte una forte riduzione dellaconcentrazionediazotonelsyngas(solo inpartesostituitodallaCO2 immessa),sihaunsensibileaumentodellaconcentrazione del CO e una non eccessiva riduzione della formazione di idrogeno. Le variazioni nellaconcentrazioneditaligascomportanounparzialebilanciamentoallospostamentodegliequilibridelprocessodiCOshiftdovutiallelevataconcentrazionediCO2nelgas.
Inogni caso, a valledei sistemididepurazionedel gasedelprocessodiCOshift, il syngas compostoquasiesclusivamentedaCO2eidrogeno.Essopuesserepertantoutilizzatosecondoduedifferentistrategie:
inviatoaunsistemadiseparazionedellaCO2(adesempiomedianteassorbimentoconsolventichimiciofisici, a seconda della pressione operativa), con produzione di idrogeno (eventualmente da inviare inappositiprocessiperlaproduzionedienergiaelettrica);
inviatodirettamenteaprocessidicombustioneconossigeno (enonaria)comeagenteossidante; igascombusti, in talmodo, saranno composti principalmente dalla CO2 presente nel syngas e dal vapordacquaderivantedallacombustionedellidrogeno.
Questultima soluzione particolarmente interessante nel caso di processi di gassificazione ad alta pressione;infatti, in talmodo, possibile recuperare lenergia potenziale correlata alla pressione della CO2 presentenelsyngas(neiprocessidiassorbimentoconsolventi liquidi, infatti, laCO2separatadisponibilesolamenteabassapressione).
Nel corso del progetto di ricerca sono stati sviluppati e validati duemodelli per la simulazione di processi digassificazione e combustione del polverino di carbone con ricircolo dei prodotti. L'attenzione si soffermatamaggiormente verso i processi di combustione, in quanto le loro potenzialit di utilizzo sono ritenute piinteressanti dal punto della riduzione di inquinanti e gas serra. Tale tecnologia consiste nell'effettuare lacombustioneconunamisceladigasdi scarico (principalmenteCO2eH2O),arricchita conO2puro, inmododapoterseparareavalle laCO2attraverso lacondensazionedell'H2O.Nelcorsodelprogettosonostatisviluppati,comedetto,duemodelliCFDper la simulazionediquestiprocessi.Nelprimomodello semplificato, le reazionichimiche omogenee in regime turbolento sono trattate attraverso ilmodello Eddy Dissipation (EDM), basatosull'assunzione di reazioni chimiche infinitamente veloci rispetto almiscelamento turbolento dei reagenti. Lavolatilizzazionedel carbone modellata attraversounmodello empiricopseudocinetico aduna velocit. Esso
PRODUZIONEEFONTIENERGETICHETema5.2.5.2
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 33
necessitdiesseretaratoinbasealcarboneinesameattraversodatisperimentali.Lereazionieterogeneedelcharsonodefiniteattraversounmodellocineticodiffusivo,considerando lasolareazionediossidazionedelchar.Nelsecondomodello,avanzato,lereazionichimichesonodefiniteattraversoilmodelloEddyDissipationConcept,cherappresenta un'estensione del modello EDM, per tenere conto della cinetica delle reazioni chimiche. Si considerato un meccanismo cinetico costituito da 4 reazioni chimiche e 7 specie (Meccanismo di Jones eLindestedt). Il modello Chemical Percolation Devolatilization (CPD) utilizzato per tenere conto dellavolatilizzazione del carbone. Questomodello, basato sulla definizione delle strutturemolecolari del carbone,permettedidefinireinmanieradettagliatalacomposizionedeivolatili(TARegasleggeri)elavelocitinfunzionedelle condizionioperative, inbaseadeidati relativial carbone ricavabiliattraverso l'analisi spettroscopica13NMR. Fluent implementa ilmodello CPD per il calcolo della velocit di volatilizzazione,ma non permette dimodellare la composizione dei volatili, in quanto tiene conto di una sola specie volatile.Questa limitazione superatadefinendounareazione fittizia,dove laspeciepseudovolatilescompostanellespecievolatilireali. IlbilanciamentodiquestareazionebasatasuirisultatidelmodelloCPD(TARegasleggeri).Lereazionieterogeneedelcharsonomodellatecon loschemacineticodiffusivovisto inprecedenza,considerando le reazionidelcharconO2,H2OeCO2.
stato sviluppato un modello di simulazione del processo di gassificazione in gassificatori a letto fisso incontrocorrente (updraft)dipiccola taglia,nellipotesidi sostituzionedellazotopresentenellariaqualeagentemoderatore.Sonostateanalizzatetredifferentisoluzioni:alimentazioneconbiossidodicarbonio,introduzionediunaulterioreportatadivaporeericircolodiunafrazionedisyngasalluscitadelgassificatore.LeprestazionisonostatevalutateattraversounmodellodisimulazionesviluppatonelDIMECAcon ilcodicedicalcolocommercialeASPENPLUS.
E stataeffettuataunanalisidellepotenzialitdi impiegodiCO2 comeagentegassificante in impianti IGCC. LadisponibilitdiCO2perquestoscoponaturalmentelegataallapresenzadisistemidicatturadellaCO2,inquantosarebbe di scarso interesse pensare ad una produzione di questo fluido svincolata dalla cattura. Peraltro gliimpianti IGCCrisultanoparticolarmentepromettenti,rispettoalletecnologieconcorrenti,proprio inpresenzadisistemidicatturadiCO2.
Illavorodedicatoinparticolareallamodellizzazionedegliimpianti,finalizzataallaprevisionedelleprestazioniedelbilancioenergetico.Dopounadescrizionedelmetododicalcoloimpiegato(uncodicesviluppatointernamentealDipartimentodi EnergiadelPolitecnicodiMilanoper lanalisidegli impiantidipotenza), viene affrontata latematicadellagassificazioneconCO2interminidiprincipigenerali:premessocheilvaporerisultapiefficaceintermini di cinetica chimica, limpiego di CO2 rispetto al vapore comporta unanaloga influenza sulla cold gasefficiency,aumentando,comeprevedibile,laconcentrazionediCOnelsyngasrispettoallidrogeno.
Unmaggior contenutodiCOnon invecepenalizzanteperun impiantodiossicombustione, inparticolare seaccoppiatoaungassificatoredryfeed(piefficiente!)incuilapressurizzazionedellacaricaappuntoeffettuata
con CO2. Lanalisi svolta confronta un IGCC senzacattura,unoconcatturaprecombustioneeunoconossicombustione, basandosi su un insieme diassunzionicomunisiaperlasezionedigassificazionecheper ilciclodipotenza.Sievincecome laperditadirendimentocausatadallacatturasiriducada9a7punti percentuali passando da pre a ossicombustione.
E stato sviluppato presso ENEA un modello aparametri concentrati che si basa sullutilizzo disoftware di tipo industriale (ChemCAD) per lanalisied ilbilanciotermodinamicodeiprocessi in impiantichimicie/odipotenza.
In accordo con altrimodelli di gassificatore a lettofisso reperibili in letteratura ilmodello caratterizzatodallapresenzadiquattrozoneprincipali:essicamento,devolatilizzazione,gassificazione,combustione e raffreddamento delle ceneri con preriscaldodegliagentigassificanti.
Figura 26. Schema dellimpianto IGCC con catturaprecombustionedellaCO2
34 VolumeI
COAL
STEAM
SYNGAS
AIR
ASHES
TAR
CHAR ASHES
GASIF
COMB
CHAR TAR ASHES
VOLATILES WATER VAPOR
E
NEA
HEAT
HEAT
HEAT
ASHES
Pertenercontodeidiversimeccanismicoinvoltinelprocesso linterogassificatorestatomodellatocondiversicomponenti disponibili allinterno del catalogo componenti delsoftware.
Due reattori separati vengono utilizzati per simulare le zone diequilibrio chimico. Il carbone, alimentato a temperatura ambientedallasommitdelgassificatore,vieneriscaldatoedessiccatodaigascaldirisalentidalletto.Piinbassoilvaporeeigasvolatilivengonorilasciatiperunirsialsyngasinuscitamentreilchar,leceneriitarpipesantiscendonoversoilbasso.Tuttoquestomaterialevienenelsuopercorso discendente ulteriormente riscaldato fino a quando i tarevaporandoproduconoulterioresyngasinsiemeapartedeiprodottisolidi che reagiscono congliagentigasificantiprovenientidal sottogriglia fino alla zona di combustione. Lequilibrio chimico vienecalcolato con reattori di Gibbs. Sulla base dei tre input principali(carbone, vapore e agente gassificante) possibile calcolare letemperatureoperativedellediversezoneelacomposizioneelentitdei flussi nei diversi rami. Altri input delmodello sono dati dallatemperatura di preriscaldo del carbone, dalla differenza ditemperaturamedia tra solidi e gas e dalla temperatura di scaricoceneri. Il modello pu valutare sia i gassificatori refrattariati(pressoch adiabatici) che quelli dotati di water jacket. E inoltrepossibile far variare i parametri di alimentazione caratteristici per
fare iltuningcon idatisperimentalieperottimizzare leperformance interminidirendimentodigassificazione,contenutodi idrogenooquantaltro si reputiopportuno.E statopoi sviluppatounmodellomatematicodiungassificatorea letto fissoa flussicontrocorrenteupdraftalimentatoconbiomassae/ocarbone.Talemodello,aparametridistribuiti,matematicodescriveilfenomenocomplessivodellagassificazionedalpuntodivistochimicofisicoprendendoinconsiderazione:
iprocessievolutividiconversionedelsolidocheportanoallaformazionedigasechar; lereazionichimicheomogeneeinfasegas; lereazionieterogeneegassolido.
Buonapartedeimodellireperibiliinletteraturasonoingradodipredireilfunzionamentoditaleapparecchiaturastudiando il fenomeno dal punto di vista dellequilibrio. Il presente studio si proposto, invece,dimodellarelapparecchiaturatenendocontodellecinetichedireazione.
Daunpuntodivistafluidodinamico,ilmodelloingradodicalcolareiprofilidivelocitdellafasesolidaegassosa,iprofiliditemperaturadellafasesolidaedellafasegassosa,oltrecheiprofilidiconcentrazionedellespeciechepartecipanoallereazioni.
Il processo di gassificazione permette la trasformazione di combustibili eterogenei e difficili da trattare comebiomasse e carbone in un gas che pu essere utilizzato, a seconda delle caratteristiche, in impianti per laproduzione di energia, in turbine a gas o trasformato secondo opportuni trattamenti, al fine di ottenerecombustibili liquidi come ilmetanolo. Lutilizzodelprocessodigassificazioneper laproduzionedi combustibiliapparevantaggiosodalmomentoche irendimentiglobalidiconversioneenergeticasonostimati intornoal7580%.
Ilprocessonelcomplessocompostodatrefasiprincipali:
unadipirolisi(endotermica); unadigassificazionepropriamentedetta,ossialaconversioneingasdellapartesolidaprecedentemente
ottenutadallapirolisi(acuipartecipanoreazioniendotermicheedesotermiche); unadicombustione(fortementeesotermica).
Nonostante laria sia lagente gassificante pi utilizzato sono noti anche processi di gassificazione che sonocondottimediante lusodiossigeno, vaporedacqua, anidride carbonicao idrogeno. Le caratteristichedel gasprodottodipendonocomunquedaltipodiagenteutilizzato.
Lagassificazioneconariapresenta ilclassicoproblemadelladiluizionedelgasprodottoadoperadellazotochequindi contribuisce allabbassamento del potere calorifico. Questo aspetto pu comunque non esseredeterminantenellasceltadellossidante.Nellapraticaindustrialeilfattoreeconomicodiventainfattiilparametroprevalenteepertantofrequentechegliimpianticheutilizzanoossigeno,vaporeoaddiritturaidrogenononsiano
PRODUZIONEEFONTIENERGETICHETema5.2.5.2
AccordodiProgrammaMSEENEARicercadiSistemaElettrico 35
utilizzatiperchnon risultanoeconomicamente convenienti.A secondadelle condizionidiesercizioadottatepossibilespostareilrisultatodellareazioneversolefrazionipileggereopesanti.Inparticolarerisultanorilevantilecondizioniallaqualevienecondotta lapirolisi.Conaltevelocitdi riscaldamento,basse temperatureebassitempi di residenza si sposta la conversione verso i prodotti condensabili (TAR). Questo, poich si vuolemassimizzarelaproduzionedigas,rendenecessarialapromozionedireazionidicrackingallinternodelreattorenelcasosivolessemassimizzarelaproduzionedigas.Perquestaragione,lapirolisivelocevienedisolitopromossainprocessidedicatiallaproduzionediBioOilenonfinalizzatiallaproduzionedigas. Ilprocessodipirolisi lenta,caratterizzatodavelocitdiriscaldamentominorietempidipermanenzanelreattorepielevati,spostainvecelaconversioneafavoredichareprodottigassosi.
Pertantoiparametripiimportantidateneresottocontrollonelcasodellagassificazionesono:
latemperatura ilrapportoossidante/carbone lecondizioniallequaliavvienelapirolisi.
Ladistribuzionetraidiversiprodottidipendefortementedaltipodireattorenelqualesifaavvenirelareazione.Ilmodelloconsidera inalimentazioneduetipologiedicombustibile(carboneebiomassa)eunagentegassificantecostituitodaunamisceladiaria,vaporeoppureossigenoeanidridecarbonica.Icombustibilisonocaratterizzatiinterminidianalisiimmediata(cenerieumiditenelcasodelcarbonecarboniofissoevolatili).Daunpuntodivistagranulometrico,ilmodelloprevedeladefinizionediundiametromediodelleparticelledicombustibilealimentate.
Per ladescrizionedei fenomenidiconversionedelcombustibile, ilmodelloprevede ladefinizionedidue fasi inparticolare:
unafasesolidacostituitadalleseguentispecie:combustibile(carbone/biomassa),char,ceneri unafasegasincuiicomponentipresiinconsiderazionesono:CO,CO2,H2,CH4,H2O,O2,tardabiomassao
dacarbone;H2S,COS,Tiofene,CS2,N2Lespeciesolideegassoseconsideratenelmodellosonoquellechepercentualmentesonomaggiormentepresentinelgasdisintesi.
Ilprocessoevolutivodelcombustibileavvienesecondoilseguentemeccanismo:
essiccamento pirolisi(primariaesecondaria) gassificazione combustione.
Daunpuntodivistatermofluidodinamicoilmodellopermettedicalcolareiprofilidiconcentrazionedellespecieinfasesolidaegassosa,iprofilidivelocitdelsolidoedelgaseiprofiliditemperaturadelleduefasi.Ilreattoreditipoplugflowdiscretizzatoattraversounaseriedicelledivolumecostantedilunghezzapariadzesezionepariquelladel reattore.Ciascunacelladi tipoCSTRepertantocaratterizzata in tutto ilsuovolumedaununicovaloredellaconcentrazionedellevariespecieedellatemperaturadellefasi. Ilreattoresiconsideraprovvistodiunacamiciadiraffreddamentoeilmodellotienecontodelcaloredispersotramitelepareti.
Ilmodellosviluppatonelcorsodiquesto lavorobasatosubilancimicroscopicidimateriaedenergia inregimetempovariante.PerciascunacellasonostatescritteleequazionidibilanciomaterialeperciascuncomponenteinfasegasesolidaeleequazionidibilanciotermicodelleduefasisolidaegassosaNelseguitoverrannoelencateleassunzionifattedurantelascritturadelleequazioni.
Ilsistemapresentageometriacilindricaedcaratterizzato in terminidi lunghezzaediametrodel reattore.Perquantoriguardalafluidodinamicadelsistema:nelladirezionelongitudinalealmotostatoconsideratounflussoditipoconvettivoeunoditipodiffusivo,mentrenelladirezioneradialeilflussocompletamenteassente.Queste