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RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO pag. 37 di 177 Tema di ricerca 5.2.5.2 “Centrali a polverino di carbone - Riduzione costi” Analisi e modellazione di impianti di produzione elettrica a carbone equipaggiati con sistemi CCS Combustione del polverino di carbone La combustione di polverino è il sistema più utilizzato per la generazione di elevate potenze, ma determina emissioni di NOx e SO2 più elevate rispetto ai sistemi a letto fluido o fisso. Il combustibile è alimentato in camera di combustione tramite un getto di aria di trasporto: le particelle di carbone, che devolatilizzano mentre si scaldano, rendono il getto molto simile ad uno spray. Ogni singola particella è soggetta ad una prima fase di riscaldamento, seguita dalla devolatilizzazione, combustione dei volatili ed ignizione ed ossidazione del char residuo: Figura 3.9 - Schema semplificato di combustione– Fonte [12] Le particelle in ingresso alla camera di combustione sono soggette a condizioni termiche molto severe, con tempi di riscaldamento dell’ordine di 100°C/s e tempi di residenza di pochi secondi. L’umidità viene rilasciata alle basse temperature (100 °C) e durante la fase di riscaldamento, la particella può rammollire (softening), rigonfiare (swelling), e subire cambiamenti strutturali (area superficiale e distribuzione dimensionale della porosità). La devolatilizzazione avviene a temperature più elevate (a partire da 350-400 °C) e i prodotti rilasciati sono costituiti principalmente da CO2, CO, CH4, H2, idrocarburi leggeri e tar (prodotti a maggiore peso molecolare, sorgente primaria della fuliggine). I prodotti gassosi reagiscono con l’ossigeno ossidando in fase omogenea. La combustione dei volatili (molto rapida) non è influente ai fini della velocità globale del processo, ma è determinante nel controllo dei meccanismi di formazione di NOx e fuliggine e per quanto riguarda la stabilità di fiamma e l’ignizione della reazione eterogenea. Ciò che rimane dopo il processo di devolatilizzazione è il char: la particella di char è in genere molto porosa, con caratteristiche che variano a seconda del tipo di carbone e delle condizioni di devolatilizzazione. Ha un contenuto di carbonio fisso molto elevato e la reazione eterogenea per la sua ossidazione, che dipende dalla quantità e dalle caratteristiche strutturali e morfologiche del char stesso, è lo stadio lento del processo. Una descrizione dettagliata del processo di combustione richiede l’analisi delle due fasi distinte di devolatilizzazione del carbone e di ossidazione del char. Devolatilizzazione La devolatilizzazione del carbone determina la produzione di tre classi di prodotti:
RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO pag. 38 di 177 Tema di ricerca 5.2.5.2 “Centrali a polverino di carbone - Riduzione costi” Analisi e modellazione di impianti di produzione elettrica a carbone equipaggiati con sistemi CCS Volatili (H2O, CO2, H2, CO, CH4, C2H6, CH2O,…): i prodotti gassosi possono essere condensabili o meno a temperatura ambiente ma nelle condizioni di reazione rimangono in fase gassosa; Tar: costituito generalmente da sostanze come idrocarburi pesanti con un rapporto H/C>1.0. Char: un residuo solido poroso, ricco di materiale carbonioso, con basse frazioni di idrogeno e ossigeno. Le temperature alle quali ha inizio la devolatilizzazione sono diverse in base al combustibile considerato, generalmente intorno ai 450-500°C. La devolatilizzazione è influenzata fortemente (per quanto riguarda la frazione e la composizione di volatili prodotti, la cinetica globale di reazione ecc..) dalla storia termica della particella (temperatura del reattore e tempi caratteristici di riscaldamento), dalle dimensioni e dalla natura del combustibile. Durante la devolatilizzazione, il combustibile può subire trasformazioni di tipo plastico, con rigonfiamento del volume e formazione di particelle internamente vuote (Figura 2.10). Figura 3.10 – Immagini al microscopio a scansione di una particella di carbone non combusta (a), e dopo parziale devolatilizzazione (b) Fonte [12] La modellazione del processo è estremamente complessa e sono stati sviluppati numerosi schemi per la descrizione dei fenomeni connessi. Il più semplice è il modello SFOR (Single First Order Reaction) attraverso il quale si suppone che il processo di devolatilizzazione avvenga seguendo una cinetica globale del primo ordine. Questo modello prevede che, a basse temperature, prevalga la reazione di pirolisi con produzione di volatili bassobollenti, mentre ad alte temperature si abbia l’incremento nella produzione di volatili altobollenti. In questo modo la produzione di volatili risulta legata alla storia termica della particella. Esistono poi modelli di tipo strutturale che sono in grado di analizzare la devolatilizzazione del carbone sulla base dei processi che coinvolgono la rottura dei legami chimici e la frammentazione della sua struttura macromolecolare. La devolatilizzazione prevede, infatti, la rottura pirolitica dei legami chimici e la degradazione della complessa struttura del combustibile, in composti più leggeri che, a seconda della loro natura e delle condizioni termiche, sono rilasciati in fase vapore. Ossidazione dei volatili I volatili liberati nel corso della devolatilizzazione subiscono una serie di reazioni di ulteriore frammentazione, con formazione di specie radicaliche reattive che a loro volta regiscono con l’ossigeno contenuto nell’aria comburente per produrre CO2, H2O e altri prodotti di combustione. I
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