Title: Clean Coal Technologies
1Clean Coal Technologies
2Obiettivo
- Le alternative tecnologiche attualmente
disponibili per la produzione di energia
elettrica dal carbone sono molteplici e si
differenziano tra loro per la tipologia dei
sistemi di combustione, di trattamento dei gas
combusti e di generazione elettrica queste
alternative sono anche caratterizzate da
differenti livelli di sviluppo industriale,
garanzia di affidabilità e disponibilità
commerciale. - Accanto alla classica tecnologia degli impianti
a vapore subcritici (utilizzata dalla maggior
parte delle centrali elettriche a carbone
attualmente in funzione a livello mondiale), sono
oggi intervenute sul mercato diverse alternative
tecnologiche che vengono identificate con
lacronimo CCT ovvero le Clean Coal Technologies.
3Definizione
- Col termine Clean Coal Technologies intendiamo
linsieme di tecnologie rivolte allutilizzo del
carbone in maniera cosiddetta pulita, cioè in
modo efficiente e allo stesso tempo nel rispetto
dellambiente. - Si classificano in tecnologie
- di pre-combustione
- simultanee alla combustione
- di postcombustione
4PCC - pulverized coal combustionLa tecnologia
- La soluzione tecnologica più diffusa nel settore
degli impianti per la produzione di energia
elettrica a partire dai combustibili solidi è
rappresentata sicuramente dagli impianti a vapore
a polverino di carbone - Gli impianti a polverino di carbone lavorano
generalmente secondo un comune ciclo di Hirn
subcritico ovvero con una pressione massima del
vapore inferiore a 223,3 bar e con un solo
risurriscaldamento del vapore - Tutti gli impianti PCC sono contraddistinti da
rendimenti energetici abbastanza bassi,
dellordine del 40 e talvolta anche inferiori,
con conseguenti elevate emissioni di CO2 (circa
800-900 g/kWh) - Le emissioni di ossidi di zolfo e di azoto, anche
se pur inferiori ai presenti limiti normativi,
sono in ogni caso suscettibili di significativi
margini di riduzione attraverso lutilizzo di
tecnologie di conversione energetica più
avanzate.
5Schema generale di un impianto PCC
6Descrizione del ciclo tecnologico
- Il carbone di alimentazione viene triturato,
tramite mulini, fino ad arrivare ad una classe
granulometrica molto fine - Il polverino di carbone così ottenuto è
insufflato, assieme ad una parte dellaria
comburente, alla caldaia per mezzo degli ugelli
del bruciatore - La combustione avviene ad una temperatura di
circa 1300-1700C, in relazione al tipo di
carbone utilizzato. Il tempo di permanenza delle
particelle nella caldaia varia dai 2 ai 5 secondi
e le loro dimensioni devono essere
sufficientemente piccole per conseguire
unefficiente combustione - Il vapore originato nella caldaia è inviato
allingresso di una turbina.
7Prestazioni ambientali - PCC
- Negli impianti PCC il controllo delle emissioni
inquinanti in atmosfera viene realizzato
attraverso ladozione di misure tese a diminuire
la formazione degli inquinanti durante la
combustione e mediante linstallazione di una
apposita sezione per la rimozione degli
inquinanti dai gas combusti. - Le tecnologie per il controllo delle emissioni
inquinanti utilizzate negli impianti a vapore
operano nei confronti dei tre principali
inquinanti considerati dalle normative, ovvero
particolato, ossidi di zolfo e ossidi di azoto.
8Particolati
- I particolati sono particelle solide di
piccolissime dimensioni, provocate da una cattiva
combustione delle parti carboniose del
combustibile, che tendono a rimanere in
atmosfera. - La quantità e le caratteristiche delle polveri
volanti dipendono non solo dal contenuto minerale
del carbone, ma bensì anche dal sistema di
combustione e dalle condizioni operative della
caldaia. - I particolati più pericolosi sono quelli di
dimensioni inferiori ai 10 ?m che possono
rivestirsi di composti solforati e di composti
policiclici aromatici che sono nocivi e
cancerogeni. - Le tecnologie comunemente utilizzate per il
controllo delle emissioni di particolato nei gas
combusti sono rappresentate dai precipitatori
elettrostatici e dai filtri a manica.
9Precipitatori elettrostatici e filtri a maniche
- Il principio di funzionamento dei precipitatori
elettrostatici o ESP è basato sullidea che i
fumi caldi sono elettrostaticamente carichi, per
cui quando passano attraverso un campo elettrico,
le particelle solide si depositano su delle
lastre a cui è applicata una differenza di
potenziale. - Il funzionamento dei filtri a maniche invece,
consiste nel passaggio forzato dei fumi
attraverso degli speciali filtri (che permettono
lintercettazione delle particelle di
particolato) sospesi allinterno di un grande
contenitore metallico (baghouse) provvisto di
opportuni sistemi per lingresso e luscita del
gas, per la raccolta delle polveri e per la
pulizia degli elementi filtranti.
10Ossidi di zolfo (1)
- Lesistenza di significativi tenori di zolfo
implica unelevata concentrazione di ossidi di
zolfo nei gas combusti, infatti più del 90 dello
zolfo contenuto nel carbone è emesso come SO2 - Il diossido di zolfo, prodotto dalla corretta
ossidazione dello zolfo presente nel
combustibile, è il principale responsabile della
formazione di acido solforico che a sua volta è
responsabile delle famose piogge acide - La rimozione degli ossidi di zolfo avviene
generalmente attraverso limpiego di specifici
sorbenti basici introdotti sia durante il
processo di combustione sia a valle del sistema
di combustione.
11Ossidi di zolfo (2)
- Tra tutti i metodi rivolti alleliminazione degli
SOx, ovvero che utilizzano le tecnologie FGD
(Flue Gas Desulphurization), quelli che hanno
trovato una effettiva diffusione su scala
industriale sono - spray dry scrubbers - lavaggio a semi-secco
- dry scrubbers - lavaggio a secco
- wet scrubbers - lavaggio a umido
- processi di rimozione combinata di SOx e di NOx
- Le efficienze di rimozione degli SOx sono 70-95
per i processi a semisecco, 50-70 per quelli a
secco contro 95-99 per quelli ad umido.
12Ossidi di azoto
- Durante la combustione, gli ossidi di azoto
vengono prodotti per ossidazione dellazoto
presente nellaria comburente e nel combustibile
stesso, tale evento è favorito in corrispondenza
di elevate temperature di combustione e di
unelevata disponibilità di azoto e ossigeno. - I NOx possono portare a disturbi respiratori
legandosi con acqua e formando acido nitrico,
inoltre in presenza di raggi solari danno luogo
alla formazione di ozono, energico ossidante che
irrita le mucose e limita la crescita delle
piante. - Per il controllo delle emissioni di NOx sono
impiegate sia misure primarie volte a ridurre la
formazione di tali inquinanti durante il processo
di combustione, quali bruciatori a basse
emissioni di NOx, il frazionamento dellaria
comburente, il ricircolo dei gas combusti e la
ricombustione, sia sistemi di riduzione selettiva
catalitica (SCR) o non catalitica (SNCR) basati
sulliniezione di ammoniaca.
13Ossidi di azoto (2)Interventi di controllo della
combustione
- Combustione a stadi con frazionamento dellaria
(staged combustion) questa tecnica prevede la
creazione di una zona dove la combustione avviene
in condizioni prossime a quelle stechiometriche,
seguita da unaltra zona dove la combustione
viene terminata in eccesso daria, in sintesi
nella prima zona si ha una combustione parziale
in difetto daria anche in presenza di
temperature elevate, mentre il completamento
della combustione avviene nella seconda zona con
abbondanza di aria ma con minori temperature. - Combustione a stadi con frazionamento del
combustibile (reburning) questa tecnica
realizza il processo di combustione in tre fasi,
con due immissioni di combustibile localizzate in
zone diverse del generatore di vapore nella
zona di combustione primaria il combustibile si
ossida in condizioni circa stechiometriche,
mentre nella zona secondaria il combustibile
secondario brucia in difetto daria generando
radicali idrocarburici che, come nei bruciatori a
bassa produzione di NOx, reagiscono con lNO
trasformandolo in azoto molecolare e in piccole
quantità di ammoniaca. La combustione viene poi
ultimata nella terza zona per effetto
dellintroduzione del over fire air, dove la
formazione degli NOx risulta frenata a causa
della bassa temperatura.
14Ossidi di azoto (3)Interventi di controllo della
combustione
- Ricircolazione dei gas combusti in questa
tecnica circa il 20-30 dei fumi allo scarico ad
una temperatura di 350-400C sono immessi
nuovamente in circolazione in camera di
combustione e mixati con laria di combustione
in questo modo, diminuendo il contenuto totale di
ossigeno a disposizione per la combustione, si
riduce la temperatura di fiamma e la produzione
di NOx. Questa tecnica da sola permette di
raggiungere efficienze di rimozione al di sotto
del 20.
15Ossidi di azoto (4)Interventi di controllo dei
fumi postcombustione
- Riduttore catalitico di denitrificazione SCR
(selective catalytic reduction) viene
realizzato attraverso liniezione di ammoniaca
nei gas combusti, che in presenza di ossigeno e
anche di un opportuno catalizzatore, reagisce con
i NOx producendo azoto molecolare e acqua secondo
complesse reazioni chimiche ? efficienza 75-85 - Riduttore non catalitico di denitrificazione SNCR
(selective non-catalytic reduction) Viene
realizzato attraverso liniezione di opportuni
reagenti chimici, ma tuttavia senza ricorrere
alluso di catalizzatori. I reagenti (ammoniaca o
urea), vengono immessi allinterno del generatore
di vapore dove ad alte temperature reagiscono con
gli ossidi di azoto formando azoto molecolare e
acqua come nei processi SCR ? efficienza 30-50
16IGCC - integrated gasification combined cycle
- Per processo di gassificazione sintende
linsieme delle trasformazioni chimico-fisiche
attraverso le quali si converte un combustibile
primario (nel nostro caso il carbone, alimentato
al gassificatore in fase solida o liquida) in un
combustibile di sintesi in fase gassosa, il
cosiddetto Syngas. Limpiego del Syngas, prodotto
dal processo di gassificazione, in un impianto a
ciclo combinato da origine ad un impianto IGCC
(integrated gasification combined cycle).
17La tecnologia
- La gassificazione del carbone non è affatto
recente già negli anni trenta negli Stati Uniti
esistevano circa 11000 gassificatori anche se di
modeste dimensioni e limitata efficienza - Lefficienza degli impianti IGCC è generalmente
variabile in base alla particolare configurazione
adottata, al combustibile usato ed alle esigenze
operative, per questi motivi i valori di
rendimento sono compresi tra il 40 e il 47 - Gli impianti IGCC sono convenienti se si hanno a
disposizione combustibili primari di bassa
qualità e di basso costo perchè è possibile
miscelare tali combustibili con biomasse, rifiuti
industriali etc..
18La tecnologia (2)
- Un impianto IGCC è organizzato secondo quattro
sezioni fondamentali - La sezione di preparazione del combustibile e
dellossidante composta dai sistemi di
stoccaggio, trasporto e macinazione del carbone e
dallunità di frazionamento criogenico dellaria.
- La sezione di gassificazione comprendente il
gassificatore e il sistema di alimentazione del
combustibile. - La sezione di condizionamento e depurazione del
Syngas che ha lo scopo di raffreddare il gas di
sintesi per mezzo di opportuni scambiatori di
calore detti anche Syngas coolers, oppure per
quench, ossia per il semplice miscelamento con
acqua o Syngas freddo, recuperandone lenergia
termica, e di depurarlo dalle sostanze
inquinanti. - La sezione di potenza formata da un impianto a
ciclo combinato gas-vapore alimentato con il
Syngas depurato.
19Schema generale di un impianto IGCC
20Tipi di gassificatori
- In base al loro assetto fluodinamico, i processi
di gassificazione possono suddividersi in 3
categorie, sebbene allo stato attuale quella che
possiede maggiore penetrazione dimostrativa è
quella a letto trascinato.
21Tipi di gassificatori (2)
22Descrizione del ciclo tecnologico
- 1) Il gas di sintesi viene generato ad una
temperatura di circa 1400C e raffreddato per
mezzo di scambiatori di calore a recupero (i
cosiddetti Syngas coolers) con produzione di
vapore saturo ad alta pressione, utilizzato
nellimpianto a vapore per la produzione di
energia elettrica. - 2) Il gas di sintesi viene in seguito depurato
dal particolato e da tutti gli altri inquinanti
solubili in acqua per opera di un sistema di
lavaggio con acqua. Mediante tale sistema di
lavaggio, il Syngas presenta ridottissime
concentrazioni di particolato che, oltre a
consentirne limpiego come combustibile nella
turbina a gas, determinano anche limitate
concentrazioni finali di particolato. - 3) Leliminazione dei composti dello zolfo
avviene con processi di desolforazione del Syngas
a bassa temperatura, basati sullutilizzo di
processi fisici di assorbimento che consentono di
rimuovere circa il 99 dello zolfo presente nel
Syngas.
23Descrizione del ciclo tecnologico (2)
- 4) Lo zolfo viene poi recuperato come zolfo
elementare attraverso lutilizzo di un processo
tipo Claus-SCOT. Il gas di sintesi purificato e
pre-riscaldato viene quindi inviato ad una
turbina a gas di ultima generazione (operante a
circa 1300-1400C). - 5) I gas di scarico della turbina a gas vengono
impiegati in un generatore a vapore a recupero a
tre livelli di pressione integrato con i Syngas
coolers della sezione di gassificazione. - 6) Il raffreddamento del condensatore
dellimpianto a vapore può realizzarsi attraverso
lutilizzo di una torre evaporativa con lo scopo
di eliminare lutilizzo dellacqua del mare, cioè
mediante lutilizzo di un circuito aperto che
richiede una portata dacqua di circa 64000 metri
cubi allora, valutata per una differenza di
temperatura di 8C.
24Prestazioni ambientali
- Rispetto ai tradizionali impianti a combustione,
negli impianti IGCC leliminazione delle sostanze
inquinanti avviene in prevalenza sul Syngas,
ovvero sul combustibile piuttosto che sui
prodotti della combustione. Il processo di
depurazione del Syngas può essere suddiviso in
tre fasi - una sezione di rimozione del particolato,
costituita da un ciclone che opera una rimozione
delle particelle di maggiori dimensioni, seguita
da una torre di lavaggio che elimina le
particelle più piccole insieme ad altri
inquinanti solubili in acqua. - una sezione di rimozione dei composti dello
zolfo, utilizzante processi di assorbimento
fisico-chimico dell H2S. - una sezione di trattamento degli effluenti
gassosi generati dalla sezione precedente,
composta da un processo CLAUS per il recupero
dello zolfo elementare seguito da un processo
SCOT per unulteriore trattamento dei gas uscenti
dallo stesso processo CLAUS.
25(No Transcript)
26(No Transcript)
27CONSIDERAZIONI SULLE DIVERSE ALTERNATIVE
IMPIANTISTICHE TRATTATE
- In relazione al rendimento netto di conversione
dellenergia, a parità di potenza netta prodotta
(abbiamo assunto 650 MW) e di qualità della
miscela di carbone in ingresso (50 di carbone
Sulcis), la tecnologia degli impianti a vapore
alimentati con polverino di carbone (PCC) può
oggi garantire i migliori risultati (circa il
43). Le altre soluzioni riuscirebbero ad offrire
rendimenti simili a prezzo di maggiori
complicazioni impiantistiche (come ad esempio per
lIGCC) che comunque prospettano ancora alcuni
problemi sul fronte della affidabilità e del
costo di investimento. Le differenze fra i
rendimenti delle diverse soluzioni impiantistiche
si traducono in differenti consumi di carbone,
che passano dai circa 1,8 milioni di tonnellate
annue delle due soluzioni più efficienti
(PCC-SNOX e PCC-FGD) ai circa 2 milioni di
tonnellate annue per quella meno efficiente
(IGCC).
28CONSIDERAZIONI SULLE DIVERSE ALTERNATIVE
IMPIANTISTICHE TRATTATE
- Le differenze in termini di rendimento e di ciclo
termodinamico adoperato dalle alternative
impiantistiche esaminate determinano una
significativa variazione della potenza termica da
smaltire al condensatore della sezione a vapore.
La potenza termica più elevata compete alla
soluzione impiantistica basata sul meno
efficiente impianto a vapore (circa 700 MW),
mentre la potenza termica minore è relativa
allimpianto IGCC (circa 570 MW). Nel caso di
raffreddamento del condensatore con acqua di mare
in circuito aperto le portate richieste variano
da un massimo di circa 200 (m3/h)/MW (PCC) ad un
minimo di circa 50 (m3/h)/MW (IGCC).
29CONSIDERAZIONI SULLE DIVERSE ALTERNATIVE
IMPIANTISTICHE TRATTATE
- Le emissioni degli SOx sono una diretta
conseguenza del rendimento dellimpianto e quindi
dellefficienza del sistema di desolforazione
adottato. Per tutte le alternative tecnologiche è
stata assunta una concentrazione finale di 150
mg/Nm3. Dallanalisi risulta che le emissioni più
basse sono quelle relative allimpianto IGCC
(circa 1.520 t/anno) grazie principalmente
allelevata efficienza del processo di
separazione dei composti dello zolfo dal Syngas
(circa il 99). Per le altre due alternative
tecnologiche lefficienza di rimozione degli SOx
è ovviamente la stessa (98,3), mentre le
emissioni complessive annue differiscono
fondamentalmente a causa del diverso rendimento
netto dellimpianto, cosicché le emissioni totali
annue più elevate competono alla configurazione
PCC (circa 2.388 t/anno).
30CONSIDERAZIONI SULLE DIVERSE ALTERNATIVE
IMPIANTISTICHE TRATTATE
- Le emissioni totali di NOx derivano in parte dal
rendimento dellimpianto, ma principalmente dalla
tecnologia di controllo utilizzata. In tal senso,
le emissioni più basse sono quelle relative
allimpianto a vapore dotato del processo SNOX
per la rimozione degli SOx e degli NOx (circa 320
t/anno), il quale permette di conseguire
efficienze di rimozione degli NOx più elevate
(circa il 95) rispetto ai processi SCR (circa il
75), e quindi anche minori concentrazioni finali
(di circa 20 mg/Nm3). Le emissioni complessive
annue più elevate (circa 1590 t/anno) spettano
invece allo stesso impianto a vapore subcritico,
ma dotato del processo SCR, per il quale il
maggiore rendimento netto non è sufficiente a
compensare le maggiori emissioni intrinseche di
NOx dei generatori di vapore convenzionali
rispetto agli impianti IGCC, nei quali le basse
concentrazioni allo scarico di NOx sono ottenute
attraverso misure di controllo primarie durante
la combustione nella turbina a gas.
31CONSIDERAZIONI SULLE DIVERSE ALTERNATIVE
IMPIANTISTICHE TRATTATE
- Le emissioni totali di particolato totale sospeso
(PTS) sono fondamentalmente allineate per le tre
alternative impiantistiche esaminate. Difatti i
valori di concentrazione conseguibili dalle
tecnologie di controllo impiegate (filtri a
manica e torri di lavaggio) sono comunque
allineate su valori molto simili (5 mg/Nm3 nel
caso considerato), cui corrispondono in ogni caso
efficienze di rimozione molto alte (circa il
99,8-99,95), tanto che le differenze di
rendimento netto fra le tre alternative
impiantistiche non influiscono, se non in misura
marginale, sulle emissioni totali annue di PTS in
atmosfera. Queste risultano infatti pari a circa
80 t/anno per tutte le soluzioni.
32CONSIDERAZIONI SULLE DIVERSE ALTERNATIVE
IMPIANTISTICHE TRATTATE
- Le emissioni totali annue di anidride carbonica
dipendono anchesse direttamente dal rendimento
netto dellimpianto, e risultano quindi massime
(e pari a circa 4,1 milioni di tonnellate lanno)
nel caso della alternativa impiantistica IGCC,
mentre sono minime nel caso delle alternative
tecnologiche basate sugli impianti a vapore PCC
(pari a circa 3,9 milioni di tonnellate lanno). - Le alternative impiantistiche PCC-SNOX, PCC-FGD e
IGCC presentano una produzione totale annua di
ceneri molto simile (rispettivamente circa
238.000 t/anno e circa 225.000 t/anno), anche se
tali ceneri sono generate in forma secca dai
generatori di vapore convenzionali e sotto forma
di scorie vetrificate dal gassificatore.
33CONSIDERAZIONI SULLE DIVERSE ALTERNATIVE
IMPIANTISTICHE TRATTATE
- Il consumo di calcare è presente solo
nellalternativa impiantistica dotata di processo
FGD, e risulta pari a circa 267.000 t/anno nel
caso dellimpianto PCC-FGD nel quale non è
presente la desolforazione interna. - La produzione di gesso di qualità commerciale è
anchessa presente solo nellalternativa
impiantistica provvista di processo FGD, e
risulta pari a circa 424.000 t/anno nel caso
dellimpianto PCC-FGD nel quale non è presente la
desolforazione interna. - Limpianto IGCC produce invece circa 2.500 t/anno
di fanghi derivanti dal processo di lavaggio del
Syngas.
34CONSIDERAZIONI SULLE DIVERSE ALTERNATIVE
IMPIANTISTICHE TRATTATE
- Le alternative impiantistiche PCC-SNOX e IGCC non
producono né residui da smaltire in discarica né
gesso esse non necessitano nemmeno di calcare
per il processo di desolforazione. Lo zolfo
rimosso dai gas combusti viene infatti restituito
sotto forma di acido solforico di qualità
commerciale nel caso del processo SNOX (circa
228.000 t/anno) e sotto forma di zolfo elementare
nel caso dellimpianto IGCC (circa 74.000
t/anno). - Nessuna delle tre alternative tecnologiche
confrontate presenta significanti rilasci di
effluenti liquidi nellambiente in quanto lunità
di trattamento delle acque in ogni caso richiesta
per i processi FGD e IGCC opera sostanzialmente
un completo recupero delle stesse.
35CCS carbon capture and storage Definizione
- Attualmente circa un terzo delle emissioni di
CO2 dovute allattività umana proviene da
combustibili fossili utilizzati per produrre
energia. Lo sviluppo di tecnologie innovative per
la cattura e lo stoccaggio nel sottosuolo della
CO2 (le CCS) costituisce un elemento chiave
nellambito delle strategie per la riduzione
delle emissioni di gas serra a livello globale, e
rappresenta uninteressante opportunità di
business che, solo per il settore del carbone
pulito (le Clean Coal Technologies), è stimato
per il Regno Unito in 75 miliardi di Euro. La
CCS si basa sullutilizzo di tecnologie in grado
di impedire al biossido di carbonio, emesso da
impianti per la produzione di energia elettrica,
di raggiungere latmosfera attraverso la cattura
ed il suo successivo stoccaggio in formazioni
geologiche a centinaia di metri al di sotto della
superficie terrestre.
36CCS carbon capture and storage
- I costi delle CCS sono elevati, ma potrebbero
scendere sotto i 25 dollari per tonnellata di CO2
entro il 2030. - E stato calcolato che limpiego di queste
tecnologie potrebbe ridurre del 90 le emissioni
provenienti dalla produzione di energia elettrica
da combustibili fossili. - Ma
- Quanta CO2 è possibile stoccare nel sottosuolo?
- Cè una tecnologia disponibile?
- Qual è il rischio ambientale?
- Qual è limpatto economico sul costo di
produzione dellenergia?
37CCS carbon capture and storage
38Lo stoccaggio dellanidride carbonica nelle
formazioni sotterranee
- Una stima sui volumi di CO2 sequestrabile
rispetto alle emissioni in atmosfera proiettate
al 2050 sono i campi già sfruttati potrebbero
stoccare fino al 45 delle emissioni di CO2
previste al 2050. - La tecnologia per stoccare la CO2 in formazioni
sotterranee deve garantire che le operazioni di
iniezione nel sottosuolo siano condotte in
maniera efficiente e a basso costo, e che il sito
di stoccaggio sia a livelli adeguati di sicurezza
per centinaia di anni. - La sicurezza è, per ovvie ragioni, un punto
cruciale !!
39Linee di sviluppo delle CCT
- I punti cardine per la ricerca e lo sviluppo
devono essere - Miglioramento dellefficienza
- Riduzione dei costi di capitale
- Miglioramento della flessibilità del
combustibile - Riduzione delle emissioni
- Recupero e sequestro di CO2
- Controllo, ottimizzazione e integrazione dei
sistemi.