Fluidodinamica e Macchine

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1 Lucidi del corso di Fluidodinamica e Macchine Principi di combustione - Generatori di vapore Prof. F. Martelli Ing. A. Cappelletti, PhD Versione 2015 Testi di Riferimento: STEAM its Generation & use: C.Belli, P.Chizzolini - Università di Pavia Pagina 1

2 Sommario Classificazione generatori di vapore a tubi di fumo a tubi d acqua Circuito acqua-vapore caldaie a circolazione naturale caldaie a circolazione assistita e forzata Circuito aria-fumi combustione preriscaldatori dell aria tiraggio Esempi di generatori Scambio termico nei generatori di vapore Corrosione e incrostazioni Emissioni inquinanti Ossidi d azoto Ossidi di zolfo Particolato solido Pagina 2

3 Campi di applicazione Campi di applicazione dei generatori di vapore Centrali termoelettriche Propulsione navale e impianti ausiliari navali Applicazioni industriali Produzione della carta Essiccamento Distillazione Azionamento di magli e presse Impianti di riscaldamento Trazione ferroviaria (a carbone) Grandezze caratteristiche Pressione di esercizio Potenzialità Superficie di scambio termico [bar] [t/h] [mq] Pagina 3

4 Classificazione Caldaie a tubi di fumo A fiamma diretta A ritorno di fiamma Tipiche del Superficie 300 mq, potenzialità 20 t/h Pressione massima bar Pagina 4

5 Caldaie a tubi d acqua Classificazione A circolazione naturale sub-orizzontali Pressione bar, potenzialità 100 t/h A circolazione naturale sub-verticali Pressione bar, potenzialità 1000 t/h A circolazione forzata Pressione bar, potenzialità 1000 t/h Ad attraversamento forzato Pressione maggiore di 200 bar, potenzialità maggiore di 1000 t/h Generatori di vapore per centrali termoelettriche Grande potenzialità ( t/h vapore) Pressioni di funzionamento elevate ( bar) Presenza di risurriscaldatori Pagina 5

6 Generatori a tubi di fumo Corpo cilindrico contenente acqua riscaldato da opportuni tubi di fumo interni (a passaggi multipli) Potenzialità massima t/h Pressione massima bar Rendimento contenuto % Facilità di regolazione (trazione) al variare della portata richiesta di vapore Pagina 6

7 Generatori a tubi di acqua -1 Nelle caldaie a tubi di acqua, l acqua circola all interno del fascio tubiero, lambito esternamente dai prodotti della combustione Il processo di circolazione permette di aumentare I tempi di permanenza del fluido nel generatore di vapore, e quindi di incrementare lo scambio termico La presenza di tubi di diametro limitato permette di raggiungere pressioni molto maggiori rispetto alle caldaie a tubi di fumo Essenzialmente è costituita da: 1) Collettore superiore 2) Fasci tubieri vaporizzatori 3) Surriscaldatore 4) Economizzatore A tubi sub-orizzontali A tubi sub-verticali Pagina 7

8 Generatori a tubi d acqua - 2 Nelle caldaie a tubi d acqua si individuano generalmente Circuito acqua-vapore economizzatore (ECO) evaporatore (EV) surriscaldatore (SH) eventuale risurriscaldatore (RH) Circuito aria-fumi aspirazione aria comburente scambiatore rigenerativo aria-fumi volume di combustione scambiatore evaporatore scambiatore surriscaldatore scambiatore economizzatore sistemi di tiraggio - camino T 2 Economizzatore 1 1 Evaporatore Surriscaldatore s Pagina 8

9 Circuito acqua vapore - 1 Pagina 9

10 Circuito acqua vapore - 2 Economizzatore Riscaldamento del liquido fino quasi alle condizioni di saturazione Dalle condizioni iniziali alle condizioni di liquido saturo (sulla curva limite inferiore) (trasformazione 1-2) H iniz H sat Costruito con uno o più fasci di tubi internamente lisci ed esternamente alettati Evaporatore Realizza il passaggio di fase da liquido a vapore Dalla curva limite inferiore (liquido saturo) alla curva limite superiore (vapore saturo) E costituito da tubi alettati e scambia calore con la fiamma per irraggiamento Schemi corpo cilindrico circolazione naturale (per basse/medie pressioni) circolazione assistita attraversamento forzato (per caldaie supercritiche) Pagina 10

11 Circuito acqua vapore - 3 Surriscaldatore ed eventuale risurriscaldatore provvede al surriscaldamento del vapore da vapore saturo a vapore surriscaldato (trasformazione 3-4) costruito con molteplici fasci di tubi alettati a seconda della soluzione costruttiva può essere disposto in modo da scambiare calore prevalentemente per convezione o per irraggiamento caratteristiche analoghe per gli eventuali risurriscaldatori Pagina 11

12 Circolazione naturale - 1 Differenza di densità tra vapore e liquido la forza fluidomotrice è determinata dalla diversa densità del fluido di lavoro fra ingresso e uscita e dalla variazione della quota geodetica il sistema funziona finché la differenza di densità fra liquido e vapore è significativa tale differenza tende a scomparire avvicinandosi alla pressione critica (220 bar) soluzione limitata a p< bar sono necessarie altezze elevate (10-30 m) nello schema classico si individuano tubazioni ascendenti tubazioni discendenti corpo cilindrico in questo collettore le due fasi sono separate per gravità È necessario assicurare un efficace circolazione per evitare surriscaldamenti e rotture dei tubi Rotture dovute al mancato drenaggio del calore Causato dalla formazione di bolle di vapore (film boiler) Pagina 12

13 Circolazione naturale - 2 La differenza di pressione è data da p d = ( ρ ρ )gh d a corpo cilindrico SH ρ d densità media colonna discendente coincidente con quella del liquido saturo ρ a densità media colonna ascendente, miscela bifase acqua-vapore. La frazione in massa di vapore non supera il 15-20%. Il valore di ρ a dipende dalla ripartizione del flusso termico sul fascio tubiero H differenza di quota fra i due collettori fiamma/fumi ascendente fascio tubiero discendente collettore di raccolta inferiore H Pagina 13

14 Circolazione assistita Corpo cilindrico con forza fluidomotrice fornita da apposite pompe le pompe aspirano l acqua dal corpo cilindrico inviandola al collettore inferiore sistema usato per pressioni subcritiche ( bar) la presenza del corpo cilindrico consente una regolazione efficace (funge da polmone) per pressioni molto elevate l estrazione del vapore per gravità non è molto efficiente sistemi a diaframma sistemi a ciclone fiamma/fumi corpo cilindrico SH pompa di circolazione collettore di raccolta inferiore Pagina 14

15 Circolazione forzata Quando la pressione è prossima o supera il valore critico, si adottano generatori monotubolari per pressioni > 221 bar il processo di evaporazione è puntuale eliminazione il corpo cilindrico le fasi di riscaldamento (economizzatore), vaporizzazione e surriscaldamento si susseguono sequenzialmente la lunghezza del serpentino può essere dell ordine del km caratteristiche Pressione massima 260 bar Temperatura massima 540 C Potenzialità 1860 t/h Pagina 15

16 Circolazione forzata Caldaia Benson 260bar 545/562 C 550MWe Pagina 16

17 Circuito aria fumi - 1 Pagina 17

18 Combustione Gli ampi volumi a disposizione e le basse velocità in gioco rendono piuttosto semplice l ottenimento di una combustione ad altissima efficienza I generatori tradizionali sono interessati da camere di combustione costituite da numerosi bruciatori che realizzano fiamme di diffusione generalmente si opera in eccesso di aria la preparazione del combustibile diventa problematica in presenza di combustibili liquidi e solidi (carbone) Le dimensioni della camera sono legate alle caratteristiche del combustibile e alla emissività dei fumi corrispondenti Pagina 18

19 Combustione La disposizione dei bruciatori viene ottimizzata in funzione del combustibile da utilizzare Pagina 19

20 Scambiatore rigenerativo aria fumi - 1 Ha il compito di preriscaldare l aria comburente aspirata dall ambiente esterno i gas esausti vengono raffreddati da C fino a l aria viene riscaldata fino a 300 C circa componente fondamentale negli impianti ad alta pressione acqua nell ECO già ad alta temperatura unico sistema per abbassare T al camino (recupero) Due tipologie a fasci tubieri scambiatori a superficie aria-gas richiedono elevate superfici di scambio problemi di corrosione e incrostazione a masse di accumulo (tipo Lyungström ) Pagina 20

21 Scambiatore rigenerativo aria fumi - 2 Ljungström tamburo costituito da lamierini di acciaio messi alternativamente in comunicazione con i gas caldi e l aria fredda svolgono il ruolo di accumulatori termici lente velocità di rotazione (2-3 rpm) Pagina 21

22 Tiraggio del generatore di vapore Si hanno tipicamente due soluzioni tiraggio bilanciato caldaia a pressione praticamente atmosferica (0.5-2 mbar di depressione) ventilatori per aria e fumi preferibile per caldaie a combustibile solido, che presentano problemi di tenuta per via delle grandi dimensioni caldaia pressurizzata la caldaia è mantenuta in lieve pressione per opera dei soli ventilatori che elaborano l aria comburente maggiore efficienza (minor potenza assorbita dai ventilatori) e minori problemi di corrosione (aria pulita) occorre garantire una perfetta tenuta della caldaia Pagina 22

23 Generatore standard a circolazione naturale Pagina 23

24 Generatori a tubi d acqua esempi - 1 Caldaia Tosi (Tosi) con pareti interne schermate Tipo VP-12W, 50 t/h Caldaia Stirling Pagina 24

25 Generatori a tubi d acqua esempi - 2 Caldaie industriali Pagina 25

26 Generatori a tubi d acqua esempi - 2 Bruciatori (carbone) Pagina 26

27 Generatori a tubi d acqua esempi - 2 Caldaia Babcock e Wilcox a collettore longitudinale Caldaia doppia tipo Babcock Pagina 27

28 Scambio termico nei generatori di vapore A seconda della zona della camera lo scambio termico avviene prevalentemente per irraggiamento fasci tubieri dell evaporatore e del surriscaldatore convezione economizzatore, eventuale risurriscaldatore e parte dei fasci tubieri del surriscaldatore Pagina 28

29 Irraggiamento Pareti praticamente corpi neri, fiamma corpo grigio Il calore irraggiato dalla fiamma sulle pareti della camera vale: Q IR 4 = σsε( T 1 T 4 2 ) σ - costante di Boltzmann (5.67x10-8 Wm 2 K -4 ) S Superficie irraggiante o irradiata ε - emissività. E bassa per fiamme di gas naturale ( ) e cresce passando a combustibili liquidi o solidi (particelle solide in sospensione ad alta emissività) Il bilancio complessivo della caldaia è: Q IR = Q IN Q GOUT Q IN potenza termica in ingresso Q GOUT potenza termica asportata dai gas combusti Nelle zone non irraggiate dalla fiamma si ha una sensibile quota di calore trasmesso per irraggiamento non luminoso dovuto all apprezzabile emissività nell infrarosso di H 2 O e CO 2 Pagina 29

30 Convezione Ha contributo prevalente rispetto all irraggiamento per T gas < 400 C A 1000 C è ancora prevalente l irraggiamento nell infrarosso Lo scambio termico per convezione è esprimibile tramite: Q CON = KS( T 1 T2) il coefficiente globale di scambio termico K è funzione principalmente di: h e coefficiente di scambio termico lato gas h Nu = e d e = Re λ g h i coefficiente di scambio termico interno (vapore) Nu = h d i i = 0.023Re λ v Pr Pr 0.4 d i e d e sono i diametri interni ed esterni della tubazione, λ g λ v le conducibilità di gas e vapore Pagina 30

31 Incrostazioni Fenomeni di incrostazione dei fasci tubieri irraggiati e di sporcamento delle zone a convezione slagging formazione di incrostazioni molto resistenti a partire dalla fusione delle ceneri nelle zone ad alta temperatura (irraggiamento) fouling i depositi aumentano la resistenza termica del metallo riducendo il calore scambiato problemi di corrosione per attacco da parte di sostanze acide deposito di grandi quantità di ceneri sui fasci tubieri a convezione con riduzione del coefficiente di scambio termico in presenza di SiO 2 si ha anche erosione dei tubi vengono adottati sistemi automatici di soffiatura Pagina 31

32 Corrosione Corrosione a bassa temperatura formazione di condense acide sui fasci tubieri nelle zone finali del generatore per condensazione del vapor acqueo dei gas in assenza di sostanze acide la T di rugiada è legata al solo contenuto di vapore (43 C con 10% di umidità assoluta) rimedi con tracce anche modeste di SO 2 (S+O 2 SO 2 ) la T di rugiada si avvicina ai 100 C, prossimi alla T dell ECO scaricare al camino con T> C (in base al tenore di zolfo del combustibile) per evitare la formazione di acido solforico (H 2 SO 4 ) combustione senza eccesso d aria per ridurre la frazione di H 2 O introduzione di inibitori dell acidità (dolomite, ammoniaca, calce) che assorbono SO 2 Corrosione ad alta temperatura determinata dalla presenza di sostanze acide nelle incrostazioni di ceneri fuse (slagging) (Na 2 SO 4 e K 2 SO 4 ) Pagina 32

33 Emissioni inquinanti dei generatori di vapore Le emissioni di sostanze incombuste sono limitate alle situazioni di fuori progetto del generatore o all uso di combustibili particolarmente critici Ossidi d azoto incontra problematiche di formazione analoghe a quelle viste per le TAG Ossidi di zolfo emissione fortemente dipendente dal tenore di zolfo nel combustibile Particolato solido risulta particolarmente critica utilizzando combustibili liquidi e solidi (carbone) Pagina 33

34 Ossidi d azoto Elevato contributo dei fuel NOx bruciando carbone (per via dell alto contenuto di composti azotati (fino al 50-60% del totale) Contenimento (max 60%) Combustione a stadi per olio combustibile e carbone Bruciatori premiscelati per combustibili gassosi Abbattimento (oltre 80%) Selective Catalytic Reduction (SCR) riduzione degli NOx ad N2 tramite la seguente reazione: 4NO + 4NH 3 +O 2 4N 2 + 6H 2 O la reazione deve essere catalizzata in un reattore chimico posto a monte del Lyungström (T = C) richiede la perfetta miscelazione dell ammoniaca nei gas: NH3 viene iniettata nei fumi implica un notevole incremento del costo di installazione Pagina 34

35 Ossidi di zolfo Sono costituiti in massima parte da SO 2 e in minima parte da SO 3 derivano esclusivamente dalla ossidazione dello zolfo contenuto nel combustibile limitati ad olio combustibile e carbone effetti dannosi diretti tossicità effetti indiretti piogge acide (formazione di acido solforico) abbattimento e contenimento desolforazione dei fumi processi ad umido: danno luogo alla formazione di fanghi (gesso) che occorre smaltire processi a secco: più efficienti per bassi tenori di zolfo desolforazione del combustibile olio combustibile pregiato: BTZ (< 1% di S) e STZ (<0.5% di S) desolforazione durante la combustione combustione in letto fluido Pagina 35

36 Particolato solido problema fondamentale della combustione del carbone severe limitazioni legislative (150 mg/nm 3 in Italia) sistemi di cattura del particolato solido precipitatori elettrostatici (efficienza >99.5%) il flusso di gas viene sottoposto ad un campo elettrico di kv le particelle solide si ionizzano (caricano NEG) e vengono catturate dalle piastre cariche POS da dove sono recuperate» occorre controllare l umidità e la composizione delle particelle che alterano la resistività ( Ω cm)» funzionamento intermittente per evitare archi filtri a manica cattura mediante filtraggio attraverso speciali tessuti catturano particelle più fini (sub microniche) insensibilità alle caratteristiche delle ceneri concentrazioni in uscita di mg/nm 3 perdite di carico e manutenzione + gas cavi + piastre Pagina 36