Una centrale a biomassa di grande taglia: esperienza dell impianto a vapore di Zignago Power

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Fabriciano Leo Testa
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1 Una centrale a biomassa di grande taglia: esperienza dell impianto a vapore di Zignago Power Relatore: Dott. Ing. Dario Buoro 1martedì 19 novembre 2013

2 Summary 1. Un impianto per la produzione di energia elettrica da biomassa 2. La biomassa 3. Lay-out dell impianto 4. Il combustore e il sistema di combustione 5. Ciclo termodinamico Caldaia Turbina Sistema di raffreddamento 6. Regolazione dell impianto 7. Aspetti ambientali 8. Conclusioni 2

3 L azienda Gruppo Zignago opera nei settori: - Vetro (4 sedi) - Vino (7 sedi) - Deratizzazione (1 sede) - Energia (2 centrali di produzione di energia elettrica) In totale: 30 aziende, di cui 1 quotata in borsa Più di dipendenti 3

(2 centrali di produzione di energia elettrica) In totale:

4 Zignago Power Impianto di produzione di energia elettrica da biomassa solida Impianto inserito all interno di una RIU (Rete Interna di Utenza) RTN Zignago Power G 4 Uffici Zignago Vetro Santa Margherita Depuratore Ausiliari Bassa tensione Linea cippatura 400V 10kV 10kV 10kV 10kV 400V 400V 3kV 132kV 10kV

RTN Zignago Power G 4 Uffici Zignago Vetro Santa Margherita Depuratore

5 Tipologie di biomassa Tipologie di biomassa: Residui forestali (pulizia dei boschi e dell alveo dei fiumi) Residui agroindustriali (vinacce, sanse, gusci e noccioli) Residui della lavorazione del legno ed affini Residui agricoli (paglia, stocchi, tutoli, potature) Coltivazioni energetiche forestali (pioppo, robinia, etc.) Coltivazioni energetiche agricole (canna, miscanto, sorgo, etc.) 5 Tronchi di legno Cippato di legno Coltivazione di pioppo

Residui agricoli (paglia, stocchi, tutoli, potature) Coltivazioni energetiche forestali (pioppo, robinia, etc.

6 Utilizzo della biomassa per la produzione di energia 6

7 Utilizzo della biomassa per la produzione di energia Zignago Power 7

8 Schema tipico impianto a biomasse Fuel reception Steam Turbine Electrical grid system Generator Urea Storage tank Water cooled condenser Fuel storage Magnetic removal Feed water tank Condensate preheater Condensate preheater Boiler Fuel dosing Secondary air Cyclone Feedwater pump Fluegas Primary air Fluegas cleaning bag filter ID Fan Stack Bottom ash Silencer Lime stone Fly ash storage silo Emission measuring 8

Condensate preheater Boiler Fuel dosing Secondary air Cyclone Feedwater pump Fluegas Primary air

9 Caratteristiche tecniche impianto Potenza nominale combustibile 49.2 MW Boiler efficiency (40% fuel moisture) 92.0% Max. pressione ammissibile boiler 109 barg Max. temperatura di eserciziodi vapore 522 C Max. produzione di esercizio di vapore 17.1 kg/s (61.7 t/h) Pressione vapore surriscaldato 92 bara Temperatura vapore surriscaldato 522 C Temperatura acqua di alimento 184 C Temperatura di condensazione Pressione di condensazione Potenza elettrica prodotta 35.3 C bara MW Rendimento generale impianto 34.7% Disponibilità >8 200h/a (94%) 9

7 t/h) Pressione vapore surriscaldato 92 bara Temperatura vapore surriscaldato 522 C Temperatura acqua di alimento 184 C Temperatura di

10 Proprietà del combustibile La peculiarità della biomassa è la sua eterogeneità in termini di composizione chimica, ma soprattutto in termini di contenuto idrico Composizione chimica dal combustibile Elemento Carbonio % daf ~51 Idrogeno % daf ~6 Ossigeno % daf ~42 Azoto % daf ~0.5 Zolfo, Cloro, etc. % daf <0.2 Ceneri % dry ~0.5 Potere calorifico vs. Contenuto idrico daf = dry, ash-free basis 10

combustibile Elemento Carbonio % daf ~51 Idrogeno % daf ~6 Ossigeno % daf ~42 Azoto % daf ~0.

11 Processo di combustione della biomassa Water ~80% Volatile compounds (CO, CO 2, H 2, methane, C x H y, tar, H 2 O, etc.) Visible flame Wood Heat Dry wood Heat ~20% Air Flue gas (CO 2, H 2 O, O 2, N 2, CO, SO x, NO x, HCl etc.) +heat Glowing embers Drying Drying De-volatilisation/ gasification Char Combustion Ash 11

) Visible flame Wood Heat Dry wood Heat ~20% Air Flue gas (CO 2, H 2 O, O 2, N

12 Sistema di combustione Camera di combustione a sviluppo verticale, non refrattariata Griglia rotante Sistema di iniezione materiale Spreader stocker Combustione parziale in sospensione, parziale su griglia Scarico ceneri frontale 12

iniezione materiale Spreader stocker Combustione parziale

13 Controllo della combustione Combustione a stadi tramite immissione controllata di aria primaria, secondaria e ricircolo 1. Controllo e regolazione portata e temperatura aria primaria 2. Controllo e regolazione portata e temperatura aria secondaria 3. Controllo e regolazione portata aria di ricircolo 4. Controllo distribuzione del combustibile in griglia Necessari per controllare Eccesso d aria (attorno al 2%) Temperatura della combustione ( C) 13

Controllo e regolazione portata e temperatura aria secondaria 3.

14 Rendimento della caldaia Dipende dall eccesso d aria utilizzato nel processo di combustione m a, h a m f, h f m f, h r m c, h r m c, H i Combustore Boiler P boi m r, h r Bilancio di massa ed energia η P P P P m λhrha 14

f m f, h r m c, h r m c, H i Combustore Boiler P boi m

15 P&I arie di combustione 15

16 Ciclo acqua vapore Turbina Boiler Sis. raffr. 16

17 Boiler a circolazione naturale L acqua contenuta nel corpo cilindrico scende nei muri laterali, per poi arrivare al collettore inferiore. Il calore dal combustore incontra gli evaporatori causando l evaporazione dell acqua e riducendone la densità. Saturated steam Saturated water Steam drum Level: 20.5 m Pressure: 98 bara Evaporator tubes Questo fenonemento genera la circolazione naturale dell acqua. Downcomer Una circolazione povera può portare al surriscaldamento degli evaporatori, posizionati nella camera radiante nel combustore. Heat input Il sistema è progettato per far ricircolare circa 20 volte la portata di vapore surriscaldato. Header Level: 2.5 m Pressure: 99.3 bara Il sistema è dotato di un solo corpo cilindrico 17

5 m Pressure: 98 bara Evaporator tubes Questo fenonemento genera la circolazione naturale dell acqua.

18 Corpo cilindrico Cyclones Perforated plate Dry, saturated steam Demisters Permissible range for water level Water/steam mixture from evaporator Feedwater To downcomers 18

19 Schema del boiler 19

20 Turbina MAN Turbo MARC6 Turbina a vapore di tipo misto: 1 stadio ad azione 20 stadi a reazione 4 spillamenti Parametri caratteristici vapore: Pressione 91bara Temperatura 522 C Flusso 17,1kg/s Pressione condensazione 0,057bara Titolo vapore all uscita 0,87 20

caratteristici vapore: Pressione 91bara Temperatura 522 C Flusso

21 Sezione della turbina Valvola di regolazione Cuscinetti radiale e assiale Balance piston Cuscinetto assiale 21

22 Sistema di raffreddamento Condensatore ad aria Vuoto 0,085bara Rendimento 32,1% Condensatore ad acqua Vuoto 0,057bara Rendimento 34,7% Punti di forza cond. ad acqua: Maggior efficienza complessiva dell impianto Minor costo di investimento Punti di debolezza cond. ad acqua: Consumo idrico (make up torri) Scarico idrico (blow down torri) Pennacchio 22

23 Torri evaporative Abbassano la temperatura dell acqua di raffreddamento fino a 3 C sopra il bulbo umido 23

24 Logiche controllo impianto Tutto il controllo avviene tramite un DCS (Distributed Control System) ed è possibile controllare tutto dalla sala controllo. Turbina segue Il controllo della potenza viene eseguito dalla caldaia, il controllo della pressione viene fatto dalla turbina (condizione normale con turbina in parallelo) Caldaia segue Il controllo della potenza viene eseguito dalla turbina, il controllo della pressione viene fatto dalla caldaia (condizione con turbina in isola) 24

25 Aspetti ambientali Zignago Power ha ottenuto l autorizzazione alla costruzione e all esercizio dell impianto dalla Regione Veneto attraverso un procedimento denominato Autorizzazione Unica Ciò comporta un iter autorizzativo che deve ottenere il parere favorevole sul progetto da parte della Commissione Tecnica Regionale sezione Ambientale e la condivisione della decisione finale da parte della Conferenza dei Servizi che vede riuniti assieme tutti gli Enti amministrativi interessati L autorizzazione fissa dei limiti a riguardo di: - Qualità dell aria - Rumore - Utilizzo e qualità dell acqua - Rifiuti e ceneri I limiti dei parametri vengono fissati dall autorizzazione e sono inferiori dei limiti imposti dalla legge, in quanto considerano l applicazione delle BAT s 25

26 Caratteristiche emissioni Autorizzazione 24h mean mg/nm³ 1h mean mg/nm³ Garanzia costruttore 24h mean mg/nm³ 1h mean mg/nm³ Polveri Sistemi di abbattimento Ciclone Filtro a maniche CO Ottimizzazione combustione TOC Ottimizzazione combustione NO x Ottimizzazione combustione SNCR DeNOx (iniezione urea) SO Iniezione calce (FGD) Nota Bene: l impianto in realtà riesce ad abbattere un 30% in più! 26

27 Monitoraggio delle emissioni I parametri emissivi autorizzati vengono monitorati in continuo dallo SME (Sistema di Monitoraggio delle Emissioni) e comunicati all ARPAV. Per valutare l impatto delle emissioni di Zignago Power è stata effettuato dal Politecnico di Milano un monitoraggio della qualità dell aria ante e post operam. I risultati hanno evidenziato una variazione non significativa dei principali parametri monitorati (presenza di microinquinanti e polveri ultrafini) inferiore all 1% (in alcuni casi un miglioramento) rientrando nella variabilità visiologica tra anni diversi. 27

28 Perché un impianto a biomassa? Valorizzazione del territorio Utilizzo fonti rinnovabili Produzione di energia elettrica CO 2 free Contributo al raggiungimento obiettivi Protocollo di Kjoto Impatto ambientale trascurabile Produzione delocalizzato energia elettrica 28

29 Prossimi sviluppi Nel prossimo futuro (2014) verrà costruita una rete di teleriscaldamento a servizio della vicina località di Fossalta di Portogruaro: Utenze collegate previste 120 Potenza termica nominale kw La temperatura del fluido vettore sarà di 95 C e il calore sarà prelevato dai fumi e da uno spillamento della turbina. 29

30 Possibilità di tesi Sviluppo di un modello termodinamico dell impianto (Es. Termoflex) per l esecuzione di BOP al variare delle condizioni al contorno e per la ricerca di malfunzionamenti Sviluppo e implementazione di un piano di manutenzione a seguito di - Analisi FMECA (Failure mode, effects and criticality analysis) - Analisi RCA (Root cause analysis) 30

31 GRAZIE PER L ATTENZIONE 31

32 Relatore: Dott. Ing. Dario Buoro 32

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