Conversione a biomassa di centrali a olio combustibile: Risultati delle simulazioni 3D. Lucia Giovannini -Sandro Merlini

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1 Conversione a biomassa di centrali a olio combustibile: Risultati delle simulazioni 3D Lucia Giovannini -Sandro Merlini

2 Attività svolte Messa a punto di strumenti di calcolo per la simulazione di sistemi di generazione a biomassa di grossa taglia o Implementazione e verifica dei sottomodelli per la combustione delle biomasse Sviluppo di un simulatore per una centrale termoelettrica e analisi modellistica dell impatto della conversione a biomassa o Costruzione dei reticoli e simulazioni della situazione attuale o Adeguamento dei reticoli e simulazioni con alimentazione a biomassa legnosa

3 Impianti di grossa taglia Per ogni unità: Potenza elettrica superiore a 100 MWefino a 700 MWe Potenza termica tra 250 e 1800 MW termici per unità Consumo di combustibile primario tra 40 e 300 tonn/h Combustibile primario: Carbone polverizzato, Gas naturale oppure Olio combustibile Molti Bruciatori in varie configurazioni

4 Impianti di grossa taglia Nella ipotesi, di modificare un pre-esistente impianto, in modo da poterlo alimentare totalmente o parzialmente con biomassa, bisogna verificare l'impatto delle modifiche da effettuare sulle prestazioni globali della camera di combustione. Per questo tipo di problematiche la soluzione di approccio iniziale é quella di utilizzare un codice tridimensionale di simulazione termofluidodinamica e cinetica chimica. Lo strumento di calcolo proposto per affrontare la simulazione tridimensionale della camera di combustione di impianti di grossa taglia, alimentati con biomassa è il codice IPSE (Industrial Process Simulation Environment).

5 IPSE IPSE è un codice modulare ed i sui principali moduli risolvono ognuno una parte del problema complessivo, ovvero una equazione costitutiva oppure un suo particolare sottomodello. Le principale equazioni costitutive chimico-fisiche sono: Equazione di moto dei gas, ed equazione di continuità forniscono il campo di moto ovvero la velocità dei gas e la pressione. Equazione di trasporto dell energia fornisce il campo di temperatura, per la corretta impostazione dei problemi dei fenomeni di combustione è di fondamentale importanza il trasporto di energia per radiazione termica. Equazioni di trasporto delle specie chimiche che devono contenere i termini relativi alla cinetica chimica. La cinetica chimica deve trattare sia reazioni elementari in fase gassosa che reazioni eterogenee (devolatilizzazione e combustione di carbone, biomassa, CDR, ecc)

6 Combustione Biomassa Per lo studio della combustione della biomassa, va opportunamente adeguato il modulo di cinetica chimica, in modo da trattare le cinetiche di combustione della biomassa in maniera analoga a quelle della combustione eterogenea delle particelle di carbone. Principali differenze CARBONE-BIOMASSA: contenuto in carbonio più basso per le biomasse; contenuto in ossigeno più elevato per le biomasse; frazione di materie volatili più elevata per le biomasse; contenuto in ceneri inferiore per le biomasse. Potere Calorifico Inferiore delle biomasse è minore. Grande differenza che può esistere tra differenti tipo di biomassa, ed anche tra diverse produzioni della medesima biomassa. Si è adeguato il modulo Cinetica di IPSE, modificando opportunamente il trattamento della cinetica eterogenea utilizzata per il polverino di carbone, in modo, da trattare anche la Biomassa ed il CDR(Combustibile Derivato da Rifiuto)

7 Simulazione della camera di combustione della centrale ENEL di Piombino Prima fase: analisi della camera di combustione della centrale simulando la configurazione ORIGINALE con combustibile OLIO Seconda fase: analisi della camera di combustione simulando la configurazione ORIGINALE ma sostituendo il combustibile con BIOMASSA Terza fase: modifica della configurazione della camera di combustione sostituendo i bruciatori originali con bruciatori TEA-C e utilizzando come combustibile la BIOMASSA

8 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino: configurazione OLIO La camera di combustione della centrale di Piombino nella configurazione ad olio è caratterizzata da 30 bruciatori posti su quattro file, 14 bruciatori sul fronte (quatto file, due con quattro bruciatori e due con tre) e 16 sul retro (quattro file di quattro bruciatori ognuna). Nell analisi preliminare, non è stata modificata la geometria dei bruciatori. Si è adottato un reticolo di 66x28x84 = di cui vive. Di fianco è mostrato il reticolo in pianta Di seguito si riportano le visioni nelle due sezioni verticali

9 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino: configurazione OLIO Reticolo per Piombino configurazione olio nelle due sezioni verticali. Si notano le posizioni dei bruciatori, nella sezione del fronte, e le posizioni della tramoggia a del naso nella sezione di fianco. Le due file di bruciatori più alte sono attualmente utilizzare come ingressi OFA (Over Fire Air) secondo la configurazione detta BOOS (Burners Out Of Service).

10 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino: configurazione OLIO Dati principali per assetto con olio combustibile Dettaglio del reticolo in corrispondenza di un bruciatore. Potenza Termica: 730 MWt. Portata Olio: kg/s. (64 tonn/ora) Portata Aria: kg/s. (1050 tonn/ora) Temperatura ingresso Aria: 350 C. Temperatura ingresso Olio: 120 C. Temperatura Refrigerante: 400 C. Coefficiente di scambio termico alle pareti: 1000 W/m2K. Emissività alle pareti: 0,85. Carico di olio ed aria completamente equilibrato sui 16bruciatori attivi. 40 %dell aria comburente totale in ingresso inviata agli OFA. Rotazione di tutti i bruciatori antioraria se vista dall esterno della camera di combustione. Angolo tangenziale olio ed aria primaria: 45. Angolo radiale olio ed aria primaria: 10. Velocità ingresso olio ed aria primaria: 20 m/s. Angolo tangenziale aria secondaria: 60. Angolo radiale aria secondaria: 10. Velocità ingresso aria secondaria: 25 m/s.

11 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino: configurazione OLIO Risultati ottenuti Temperatura e velocità sezione orizzontale primo piano bruciatori

12 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino: configurazione OLIO Risultati ottenuti Prima colonna Br. Mezzeria CC Temperatura e Velocità sezioni Verticali Ultima colonna Br.

13 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino: configurazione OLIO Risultati ottenuti Stechiometria sezione orizzontale primo piano bruciatori

14 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino: configurazione OLIO Risultati ottenuti Flusso termico alle pareti

15 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino Conversione BIOMASSA La biomassa necessità di un tempo di residenza maggiore per il completamento della combustione rispetto all olio combustibile (tempo di residenza della biomassa paragonabile a quello del carbone); Camere di combustione ad olio hanno piccole dimensioni (vs. Carbone) quindi per aumentare il tempo di residenza in camera di combustione vanno ridotte le portate di fumi trattate e quindi la potenza termica; Si è scelto di ridurre la potenza termica di circa 1/3 per riuscire ad avere un aumento dei tempi di residenza; Considerando il diverso potere calorifico e la diversa stechiometria dei due combustibili la portata totale dei fumi si è ridotta circa al 60% con un corrispondente aumento di circa 2/3 del tempo di residenza; Per produrre la potenza richiesta, anche con la dovuta riduzione, sono necessarie circa 90 t/h di biomassa. Per la modifica del combustibile è necessario un aggiornamento della tipologia dei bruciatori passando da quelli attuali per la combustione di olio a bruciatori adatti alla combustione di carbone o biomassa come moderni bruciatori triflusso a bassa produzione di NOx (TEA-C). La configurazione modellistica finale prevede l utilizzo di 12 bruciatori TEA-C e di 6 ingressi OFA. Come passo intermedio rilevante solo ai fini modellistici sono state fatte delle simulazioni mantenendo i bruciatori utilizzati nella configurazione ad OLIO ma sostituendo il combustibile con biomassa e riducendo la potenza termica.

16 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA Il lavoro svolto prende in esame l ipotesi di modifica della centrale per renderla coerente con la combustione di biomassa. Per far questo è stata ipotizzata la modifica dei bruciatori, quelli originali sono stati sostituiti con bruciatori di tipo TEA-C adatti a bruciare polverino di carbone, ma anche come nel caso preso in esame, biomassa. Nella configurazione è stata ipotizzata la sostituzione dei 30 bruciatori originari con 12 bruciatori posti su due file con tre bruciatori a fila. A questi sono stai aggiunti 6ingressi OFA 3 sul fronte e 3 sul retro. Di fianco è riportato lo schema.

17 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA 39 Piombino (fianco) E stato adottato un reticolo di 28x65x87 = di cui vive. Nelle figure sono riportati i reticoli per Piombino con assetto modificato nelle due sezioni verticali e in pianta Piombino (pianta) Piombino (retro)

18 Camera di combustione della centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA Piombino (bruciatore) Dettaglio del reticolo in corrispondenza dei bruciatori. Dati principali per assetto con biomassa Potenza Termica: 475 MWt. Portata Biomassa: kg/s. (95.5 tonn/ora) Portata Aria Bruciatori: kg/s, (560 tonn/ora) suddivisa in: Portata Aria primaria: kg/s; Portata Aria secondaria e terziaria: kg/s. Portata Aria OFA: kg/s. Temperatura ingresso Aria: 326 C. Temperatura ingresso Biomassa: 150 C. Temperatura Refrigerante: 400 C. Coefficiente di scambio termico alle pareti: 1000 W/m2K. Emissività alle pareti: 0,85. Carico di biomassa ed aria completamente equilibrato sui 12 bruciatori. Angolo tangenziale biomassa ed aria primaria: 15. Angolo radiale biomassa ed aria primaria: 25. Velocità ingresso biomassa ed aria primaria: 58 m/s. Angolo tangenziale aria secondaria: 30. Angolo radiale aria secondaria: 0. Velocità ingresso aria secondaria: 28 m/s. Angolo tangenziale aria terziaria: 15. Angolo radiale aria terziaria: 30. Velocità ingresso aria terziaria: 27 m/s.

19 Centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA Risultati ottenuti Campo di temperatura e velocità dei gas in sezione orizzontale primo piano bruciatori

20 Centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA Risultati ottenuti Prima colonna Br. Mezzeria CC Temperatura e Velocità sezioni Verticali Ultima colonna Br.

21 Centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA Risultati ottenuti Prima colonna Br. Mezzeria CC Ultima colonna Br. Campo di concentrazione di Ceneri in sezioni Verticali

22 Centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA Risultati ottenuti Temperatura Superficiale alle pareti

23 Centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA Risultati ottenuti Flusso Termico alle pareti

24 Centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA Risultati ottenuti Velocità di deposito delle Ceneri

25 Centrale ENEL di Piombino Configurazione BIOMASSA in co-combustione con CARBONE Le centrali di grossa taglia per la produzione di potenza hanno bisogno di un elevata portata di combustibile, nel caso preso in esame servono circa 90 t/h. Per rendere più attualizzabile la conversione della centrale ad olio si può ricorrere alla co-combustionecon un altro combustibile solido maggiormente disponibile. In termini di co-combustione è stato preso in esame il caso in cui il 50% della potenza è prodotto utilizzando come combustibile polverino di carbone e il restante 50% con combustibile biomassa. Dati principali per assetto co-combustione polverino di carbone - biomassa (cippato e/o pellet) Potenza Termica: 475 MWt. Portata Biomassa: kg/s. (48 tonn/ora) Portata Carbone: 9.62 kg/s. (34.6 tonn/ora) Portata Aria Bruciatori: kg/s. (577 tonn/ora) Primo piano bruciatori alimentato a biomassa e secondo piano bruciatori alimentato a carbone

26 Confronto Flussi Termici assiali Configurazione OLIO originale Configurazione BIOMASSA Configurazione BIOMASSA in co-combustione

27 Conclusioni Il lavoro svolto ha preso in esame la modifica di una camera di combustione di un impianto di grossa taglia per adeguarla alla combustione di biomassa. Per far questo è stata ipotizzata una riduzione della potenza termica ed una modifica dei bruciatori. Sono stati modellati vari assetti della configurazione sia attuale che modificata per la combustione della biomassa, inoltre sono state anche simulate configurazioni di combustione mista. Lo studio effettuato non ha rilevato particolari criticità a carico della camera di combustione della centrale verificando positivamente la possibilità tecnica di combustione a biomassa in grossi impianti, una volta accettata la riduzione della potenza e con le opportune modifiche del sistema di combustione(mulini, bruciatori e ecc ).

28 Grazie per la Vostra Attenzione

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