Rifiuti da centrali termoelettriche - ARPAL

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PHARE TWINNING PROJECT RO2004/IB/EN-07 GUIDELINES ON INDUSTRIAL - THERMOELECTRIC PLANTS XX 6. DESCRIZIONE DEI PROCESSI DI PRODUZIONE E CICLI PRODUTTIVI 6.1 Premessa In questo capitolo vengono descritti in forma sintetica i processi di produzione di energia utilizzando i diversi combustibili e nelle diverse configurazioni impiantistiche che danno luogo alla generazione di rifiuti. Il processo di combustione di uno o più combustibili fossili sta alla base della tecnologia realizzativa dei grossi impianti di generazione, dove lo scopo ultimo è quello di produrre vapore quale fluido energetico per la successiva conversione dell’energia termica in energia meccanica ed elettrica. Tale processo può avvenire normalmente all’interno di una caldaia o in altri casi in generatori di vapore con l’utilizzo dell’energia termica come residuo di altri processi. La combustione può essere definita come una rapida reazione chimica che coinvolge l’ossigeno ed alcuni elementi normalmente presenti in un combustibile, normalmente carbonio ed idrogeno, in misura molto meno significativa lo zolfo. Il Carbonio e l’Idrogeno reagiscono con l’Ossigeno presente nell’aria secondo le seguenti reazioni chimiche: Le reazioni di combustione sono esotermiche, avvengono ad alta temperatura ed il calore liberato varia tra 32.800 kJ/kg e 142.700 kJ/kg, a seconda che venga utilizzato solo carbonio o solo idrogeno rispettivamente. L’energia prodotta dai combustibili fossili, non può essere calcolata solo dalla somma delle energie contenute nel carbonio e nell’idrogeno, ma deve essere considerata anche l’energia chimica delle formazioni molecolari presenti e dagli altri elementi che possono contribuire alla quantità totale di calore rilasciato. Poiché il processo di combustione libera acqua in forma gassosa, quella contenuta nel combustibile riduce la quantità di calore trasferibile, utile per la produzione del vapore. A tale proposito si definisce Potere Calorifico Inferiore (PCI) e superiore (PCS) di un combustibile (riferito all’unità di peso, in kg, o di volume, in m 3 ) il calore sviluppato durante la combustione quando l’acqua formata è allo stato liquido o vapore, rispettivamente. Nella pratica ha maggior interesse il PCI perché i prodotti della combustione sono caldi, con l’acqua allo stato vapore, mentre la determinazione sperimentale fornisce normalmente il PCS. In una caldaia (dove non si produce lavoro meccanico) l’energia termica di conversione degli elementi combustibili con l’ossigeno dipende dai prodotti finali, non dai composti intermedi 18
PHARE TWINNING PROJECT RO2004/IB/EN-07 GUIDELINES ON INDUSTRIAL - THERMOELECTRIC PLANTS XX che si formano durante il processo. Una semplice dimostrazione di questa legge è la combustione di 1 kg di carbonio con l’ossigeno. La reazione può avvenire in una sola fase, con la formazione di produrre CO 2 , o in due fasi, una prima con la formazione di CO, che produce una minore quantità di calore, ed una seconda per produrre CO 2 . Comunque la somma del calore rilasciato nelle due fasi è la stessa dei 32800 kJ/kg ottenuti nella combustione in fase singola. Le modalità di reazione del carbonio e ossigeno sono di fondamentale importanza nel progetto del componente dove risiede il processo: deve essere perseguito l’obiettivo del completo miscelamento del combustibile con l’ossigeno per formare solo CO 2 . Il non raggiungimento di questo requisito comporta sensibili perdite, sia nella quantità di calore liberato (e nell’efficienza di combustione) che nell’aumento della produzione d’inquinanti. Infatti, ad esempio, con la formazione di CO anziché CO 2 , sarebbe rilasciato solo il 28% del calore teoricamente disponibile. Allo scopo di massimizzare l’energia termica, il processo di combustione dovrà risultare completo: con una quantità in eccesso o in difetto, rispetto all’aria stechiometrica, non si raggiunge l’obiettivo. Per conoscere in pratica con sufficiente approssimazione il volume di aria necessario da un combustibile, si possono considerare come normali costituenti il carbonio, l’idrogeno e trascurare gli altri elementi, come lo zolfo, normalmente presente in quantità trascurabili. Il volume di aria teorico V T (a 0°C e 760 mmHg) necessario per la combustione di 1 kg di combustibile che contiene C kg di carbonio e H kg di idrogeno e O kg di ossigeno, si ottiene in m 3 , la seguente formula: V T = 108 (C/12+H/4-O/32) Tale valore comunque è del tutto teorico in quanto occorre tener conto delle geometrie in gioco che influenzano grandemente il processo. Nelle combustioni industriali realizzate con combustibili gassosi riesce abbastanza facile controllare le proporzioni tra portate di combustibile e di aria comburente, in modo da essere in condizioni stechiometriche; in altri casi è più opportuno avere delle condizioni di combustione povera (con eccesso d’aria) per rispettare i limiti delle emissioni di inquinanti. Alcuni parametri sono indicativi per caratterizzare il processo di combustione, tipicamente: temperatura di accensione: temperatura alla quale deve essere portata la miscela ariacombustibile perché possa bruciare. Questo parametro dipende da vari fattori quali la pressione, le modalità di riscaldamento e, per combustibili solidi, dalla loro granulometria. 19
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