Formazione di Inquinanti Legatti alla Combustione nei ... - TPG

Camere di Combustione per Turbine a Gas1. Combustione: Concetti base2. Descrizione Generale delle Camere diCombustione per Turbine a Gas2. Formazione e Tecniche di Abbattimento degliInquinanti3. Formazione e Tecniche di Abbattimento degliInquinanti (cont.)Impianti per l’energia 2009-2010

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiPrincipali inquinanti in Camera di Combustione per Turbine a GasSpecie Effetto Inquinante Tempo di ResidenzaCO 2– anidride carbonicaCO – monossido cicarbonioHC – idrocarburiNO x- ossidi di azotoEffetto serraTossico, tende a legarsi conemoglobinaSmog fotochimico, cancerogeni,tossico, effetto sera (CH 4)Smog fotochimico, deposizioniacide, tossico, effetto serraMolto elevato – effettoglobaleBasso – effetto localeBasso – effetto locale(CH 4) elevato – effettoglobaleBasso – effetto localeSO x- ossidi di zolfo Tossico, deposizioni acide Basso – effetto localeTSP - Particolato solidosospeso (totale)Tossico, effetto frigoriferoBasso – effetto localeImpianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiPrincipali inquinanti in Camera di Combustione per Turbine a GasSpecie Effetto Inquinante Tempo di ResidenzaCO 2 – anidride carbonica Effetto serra Molto elevato – effetto globaleCO – monossido ci carbonio Tossico, tende a legarsi con emoglobina Basso – effetto localeHC – idrocarburiNO x - ossidi di azotoSmog fotochimico, cancerogeni, tossico,effetto sera (CH 4 )Smog fotochimico, deposizioni acide,tossico, effetto serraBasso – effetto locale(CH 4 ) elevato – effetto globaleBasso – effetto localeSO x - ossidi di zolfo Tossico, deposizioni acide Basso – effetto localeTSP - Particolato solido sospeso(totale)Tossico, effetto frigorigenoBasso – effetto localeImpianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione e principali parametri di controlloCO 2CO 2 - Prodotto naturale dalla combustione degli idrocarburiEsempio: combustione di un idrocarburo generico (C n H m ) in ariaCnHm m n 4 O 3,76N n CO H O n 3,76 N 222m22m 4 2Emissione specifica di CO2 [kg CO2 /kWh]mΘCO2CO2skg kgmLCO2fuelCO2ummCO2fuelmLfuel Θ44 n 44 12 n m m12 nuCO2ηg1 LHVm f(fuel,η )CO 2sg•Combustibili più leggeri(CH 4 )•Aumento rendimento globaledell’impianto ( g )Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiCO1)C a2 ) CO Meccanismi di formazione e principali parametri di controlloCO/HC (1)12La ossidazione del atomo di C a CO 2 passa attraverso la formazione di CO O122 O CO2 CO2molto velocemeno veloceLa presenza di CO nei prodotti della combustione può avvenire sempre che una delle seguentisituazioni si verificano:•Insufficienza di ossigeno per completare la reazione 2;•Abbassamento della temperatura e conseguente congelamento della reazione 2.HCLa presenza di idrocarburi incombusti nei prodotti della combustione derivano da:•debole atomizzazione del combustibile (combustibili liquidi)•cattiva combustione•quenching della reazione per parte dell’aria di raffreddamentoPresenza diHC sottoforma diGocce di vapore di combustibile primarioProdotti della degradazione termica della molecola di combustibile (altri idrocarburi)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione e principali parametri di controlloCO/HC (2)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione e principali parametri di controlloCO/HC (3)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione e principali parametri di controlloNO x (1)•NO x Termici (meccanismo diZedolvich)•Prompt NO•Fuel NOOssidazione del azoto presente nell’ariaOssidazione del azoto presente nel combustibile1) NO x Termici: Meccanismo endotermico ad elevato flusso di produzione di NO ove latemperatura di fiamma è molto elevata (T 1850K)ON22 2O ON O22 NO N NO ON OH NO Hmeccanismo di Zedolvich2) Promt NO: NO formatto all’inizio del processo di combustione in condizione dimiscela povera e premiscelata.N 2 CH HCN NHCN CN NCO NOreagisce mediante la 2 a reazione del meccanismo di Zedolvich3) Fuel NO: NO formatto dovuto alla presemza di N nel combustibile (quasi inesistentenei combustibili gassosi).Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione e principali parametri di controlloNO x (2)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione e principali parametri di controlloNO x (3)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione e principali parametri di controlloSO xOssidazione del zolfo presente nel combustibile – la quantità di zolfo dipende molto dal tipo dicombustibile, in combustibili più pregiatiti questo è praticamente inesistente.SO 2– molecola più stabile alle alte temperatureSO xSO 3– molecola più stabile alle basse temperatureS O 2 SO 2Semplificazione di un processo molto complesso, chepassa attraverso la formazione di composti anche loropiù complessi.La concentrazione di ossidi di zolfo nei prodotti di combustione cambia considerevolmentecon il tipo di combustibile – 0,03/50 ppm.Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione e principali parametri di controlloParticolato (2)Particolato (SOOT) – Prodotto nella zona primaria, nelle regioni ad alta temperatura e concarenza di ossigeno. Nella zona secondaria può avvenire l’ossidazione di parte delparticolato.Particolato carbonioso – la formazione di particolato carbonioso avviene attraverso lapirolisiCeneri (contenenti metalli pesanti) – legato alla presenza di inerti nel combustibile (elevato ilcontenuto nei prodotti di combustione del carbone)•Formazione delle specie percussore•Formazione del nucleo della particola•Crescita superficiale della particola e formazione di agglomerati----------------------------------------------------------------------------------------------------------------•Ossidazione della particolaDepositi sul particolato.SolfatiNitratiCOV• PM10 – Particele di diametro inferiore ai 10um. L’ apparato respiratorio non riesce a filtrarleImpianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione e principali parametri di controlloParticolato (2)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiMeccanismi di formazione degli inquinantiImpianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiUnità di misura delle emissioniConcentrazione volumetricaIl riferimento più naturale è quello dellaconcentrazione volumetrica,generalmente riferita ai fumi secchi.ppmvd – “part per million, volume, dry”1ppmvd106nnifsn i – moli di inquinanten fs – moli fumi secchiNell’utilizzo di questa grandezza, bisogna considerare che la concentrazione volumetrica di un inquinante è variabilecon la diluizione dei fumi, ossia con la quantità di aria aggiunta rispetto alle normale condizione di combustione.E’ necessario specificare il contenuto di ossigeno nei fumi secchi, come indice del grado di diluizione dei fumi.I riferimenti usati sono:• combustibili liquidi o gassosi in caldaie 3% vol. O 2• combustibili solidi in caldaie 6% vol. O 2•fumi di scarico di turbina a gas 15% vol. O 2•motori alternativi 5% vol. O 2Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiRelazioni impiegate nella conversione delle concentrazione molari diun inquinantea) Diluizione dei prodotti della combustionenA moli di fumi, x% O2Conc. inquinante: ppmx(nA+nB) moli di fumi,y% O2Conc. inquinante: ppmy•Bilancio di massa ossigenonnnABAx n100y x21yB21100nA nBy100nB moli di aria, 21% O2Conc. inquinante: zerob) Per unità di aria secca•Bilancio di massa inquinantenAppmx n610 nppmx 1 nBBA 0 nA ppmy nBppmy6101ppmvd1ppmvnfnf nH O2n f – moli fumin H2O – moli acquaImpianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiUnità di misura delle emissioniAltri riferimentiNormale metro cubo – Nm 3 : la quantità di un certo gas (kmoli o kg) contenuta in un metro cubo dellostesso gas, a p 0 =101325 Pa (pressione atmosferica) e T 0 =0°C (lo standard metro cubo si riferisce invecea 15°C).3R T 0 Nm vmol 22.413p0kmol3 22.4131kmol 22.413Nm ;1kg NmMw3R 8,314510 103Jkmol K Concentrazioni riferite alle unità di energia: consente di fare almeno del concetto di diluizionemgMJth mg kgfuel mg 3 NmfuelNel caso di una centrale elettrica viene normalmente usato ilMJ el – bisogna conoscere il rendimento dell’impianto.•Le concentrazione riferite all’unità di energia sono piùsignificative in rispetto alle precedente.•Misure sperimentali normalmente effettuate inconcentrazioni volumetriche => conoscere: LHV,composizione atomica del combustibile, reazionestechiometrica,...Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas: Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiControllo della temperatura di fiamma (1)Il fattore determinate nelle emissioni di inquinanti nelle camere di combustione di turbine a gas è latemperatura di fiamma.1000 K – a carico parzialeNei bruciatori convenzionali T f2500 K – carico massimo•CO – formazione significativa a T < 1670 K•NO x – formazione significativa a T > 1900 KSolamente nel range 1670 K < T < 1900 K i livelli di emissioni di CO e NO x stano sotto i 25 e 15ppm, rispettivamente.L’ obiettivo basico dei approcci per controllare le emissioni è quello di contenere latemperatura nella zona di combustione dentro il range sopra specificato.Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiControllo della temperatura di fiamma (2)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas: Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiLean Premix (Prevaporised) – LP(P) Burners (1)L’ obiettivo principale dei combustori LP è eliminare le zone localizzate ad alta temperatura nellaregione di fiammaMescolando il combustibile e l’aria precedentemente alla zona di combustione, si forma una miscelaomogenea e povere (vicino al limite di infiammabilità) che promuove la abbassamento dellatemperatura di fiamma (dovuto alla presenza di aria in eccesso che attua come un inerte).•Zona Primaria:•Zona Secondaria:•Zona Terziaria:Iniezione, evaporazione (prevaporised – combustibili liquidi) emescolamento;Stabilizzazione di fiamma (ricircoli) e completamento delle reazioni dicombustione;Diluizione dei prodotti della combustione con l’aria, uniformazione delprofilo di temperatura.Sfruttando di lunghi tempi di residenza nella zona secondaria, è possibile ottenere basseemissioni sia di CO e HC sia di NO x , (fino a valori inferiori a 10 ppm di NO x )Questo tipo di tecnologia ha lo svantaggio di incorrere in fenomeni come:•Auto-accensione;•Ritorno di fiamma;•Instabilità di fiamma.Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiLean Premix (Prevaporised) – LP(P) Burners (2)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiLean Premix (Prevaporised) – LP(P) Burners (3)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiLean Premix (Prevaporised) – LP(P) Burners (4)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiLean Premix (Prevaporised) – LP(P) Burners (5)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiRich-burn Quick-quench Lean-burn – RQL Burners (1)L’ obiettivo principale dei combustori RQL è di promuovere la combustione con una miscela lontanadalla stechiometria.•Zona Primaria:•Zona Secondaria:•Zona Terziaria:Combustione con miscela ricca e tempo di residenza basso ( 1.2-1.6);Rapido quenching delle reazione con efficace mescolamento di aria;Combustione con miscela povera ( 0.5-0.7).E’ possibile ottenere basse emissioni particolarmente per gli NO x , (fino a valori inferiori a 10ppm di NO x )Questo tipo di tecnologia ha lo svantaggio di incorrere in fenomeni come:•Elevata produzione di Soot;•Rispetto ai LP burners, maggiore produzione di CO;Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiRich-burn Quick-quench Lean-burn – RQL Burners (2)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiStaged Combustion (1)L’ obiettivo principale della staged combustion è l’iniezione selettiva di combustibile, promovendouna temperatura di combustione sensibilmente costante.Il combustibile è fornito alla camera di combustione mediante diversi combinazioni di iniettori, iquali attuano d’accordo con la condizione operativa.1) Carichi parzialiAumento locale del rapportodi equivalenza ( 0.8) econseguentemente dellatemperatura nelle zone difiamma1) Carico totaleRapporto di equivalenzaglobale basso ( 0.6) econseguentemente limitazionedella temperatura di fiamma•Elevata efficienza di combustione•Riduzione delle emissioni di CO e HC•Estensione del limite diinfiammabilità a bassi carichi•Fiamma pilota per la zona dicombustione principale (premix)•Combustione stabile•Basse emissioni di CO, HC e NO xImpianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiStaged Combustion (2)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiGeometria variabileUn sistema di geometria variabile ideale è quello che consente regolare il rapporto d’aria primaria edi diluizione, mantenendo la temperatura di fiamma dentro la finestra delle basse emissioni.1) Carichi parzialiDiminuzione dell’ apportod’aria nella zona primaria econseguente aumento dell’ariadi diluizione1) Carico totaleDiminuzione del rapporto diequivalenza nella zonaprimaria e conseguentementediminuzione dell’aria didiluizione•Elevata efficienza di combustione•Riduzione delle emissioni di CO e HC•Miglioramento del film cooling•Basse emissioni di CO, HC e NO xElevati costiSoluzioni tecnologiche molto complesseImpianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiCombustione umidaL’ obiettivo principale della combustione umida è l’ abbassamento della temperatura di fiammamediante l’introduzione di vapore d’acqua nella zona di combustione (inerte nel processo dicombustione) e conseguente diminuzione degli NO x termici.Iniezione di 3%-4% in massa (100g aria –3g H 2 O => 1:1 H 2 O/Fuel)•Iniezione d’acqua direttamente in camera (liquido o vapore)•Umidificazione dell’aria compressa (liquido o vapore)•HAT•RWI•STIGE’ possibile ridurre considerevolmente le emissioni di NO x , (fino a 80% del caso dry)•Necessità di un serbatoio di acqua pari a quello di fuel•Aumento delle emissioni di CO e HC•Trattamento dell’acqua•Aumento del consumo specificoImpianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiCombustione catalitica (1)Nella combustione catalitica viene usato un catalizzatore che inizia e promuove la reazione chimicadi un flusso premiscelato d’aria e combustibile, in condizioni povere.Possibilità di combustione con rapporti di equivalenza significativamente più bassi del normalelimite di infiammabilità della miscela. Dalla combustione a temperature così ridotte si può aspettareuna drastica diminuzione delle emissioni di NO x .•Zona 1: Iniezione, evaporazione (– combustibili liquidi) e mescolamento;•Zona 2: Reattore catalitico•Attivazione delle reazione di combustione a bassa temperatura•Ossidazione e completamento delle reazioni•Zona 3: Reattore termico•Aumento della temperatura dei gas (fino a alla richiesta TIT);•Riduzione delle concentrazioni di CO e HC;•Zona 4: Diluizione dei prodotti con la restante aria compressa.Le principali difficoltà riscontrate nella sviluppo di questo tipo di tecnologia sono•Difficile accensione a basse temperature (avviamento)•Materiali per la matrice catalitica in grado di supportare le elevate temperatureImpianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiCombustione catalitica (2)Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiSCR- Selective Catalitic Reduction / Recircolo dei gas esausti (1)SCR: Metodo di conversione degli NO x presenti negli esausti della turbina in azoto molecolare,mediante la iniezione di ammoniaca nella presenza di un catalizzatore.•Zona 1: Catalizzatore ossidante per la rimozione di CO e HC;•Zona 2: Iniezione di ammoniaca•Zona 3: Catalizzatore SCR (pentossido di vanadio) per la riduzione selettiva degli NO x6NO 4NH6NO23 8NH 5N32 7N 6H22O12HSCR => Temperatura degli esausti 560K < T < 670K => recupero di calore!2OInsieme all’iniezione d’acquaRiduzione fino a 90%Ricircolo dei gas esausti : Per abbassare la temperatura di fiamma, e di conseguenza leemissioni di Nox, vengono reintrodotti dei gas esausti raffreddati nella zona zona di combustione,.•Ricircolo del ordine del 20% dei con riduzione fino al 50% dell’emissioni di Nox;•Facile applicazione a combustori standard;•Necessità di un intercooler;Impianti per l’energia 2010-2011

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Formazione e Tecniche di Abbattimento degli InquinantiTecniche di abbattimento dell’ emissione di inquinantiSCR- Selective Catalitic Reduction / Recircolo dei gas esausti (2)Impianti per l’energia 2010-2011