ITPE20090005A1 - Sistema ciclo ibrido combinato (scic) mediante turbovapore + turbogas + miscelazione di fumi - Google Patents

Description

“SISTEMA A CICLO IBRIDO COMBINATO” (SCIC) MEDIANTE

TURBOVAPORE TURBOGAS MISCELAZIONE DEI FUMI

RELAZIONE

DESCRIZIONE DEL TROVATO

Il presente processo denominato “Sistema a Ciclo Ibrido Combinato” (SCIC) trova applicazione nel ciclo di Rankine che ha notoriamente rendimenti bassi, che scendono ancora di più al diminuire della potenza. Per piccole potenze di 5-15 MWe il rendimento non supera il 20%; basse potenze di quest’ ordine sono caratteristiche degli impianti a biomassa, a causa della limitata reperibilità di biomassa, del suo basso contenuto energetico, della forte incidenza dei costi di trasporto, dell’uso di filiera corta necessaria per non emettere con il trasporto più CO2 di quella risparmiata usando combustibile rinnovabile.

Normalmente un impianto a biomassa utilizza un combustore di biomassa ed una turbina a vapore; l’energia di cascame (che rappresenta circa l’80% dell’energia introdotta) è spesso a regimi di temperatura talmente bassi da non poter essere utilizzata a fini energetici ma solo per essiccatoi e/o per riscaldamento di ambienti.

E’ possibile migliorare sensibilmente il rendimento portandolo dal 20% ad oltre il 40% con l’adozione del processo SCIC, che è caratterizzato da:

a) un primo sistema di generazione termica costituito da un combustore di biomassa, normalmente camera adiabatica, che produce gas combusti ad alta temperatura; b) un secondo sistema di generazione termica costituito dallo scarico di una piccola turbina a gas, preferibilmente “policombustibile” (alimentabile con combustibile gassoso o liquido di tipo fossile o rinnovabile), che scarica gas combusti alla temperatura di circa 300°C e quindi scarsamente utilizzabili;

c) un sistema di miscelazione dei gas combusti scaricati in contemporanea dai due sistemi di generazione (a) e (b), e cioè il gas ad alta temperatura del combustore di biomassa con i gas di scarico poverissimi della turbina, in modo tale che la temperatura del gas così miscelato sia utilizzabile nella sezione di recupero per produrre vapore surriscaldato atto ad alimentare una turbina a vapore.

I gas combusti della camera adiabatica sono estratti mediante opportuni eiettori alimentati con i gas di scarico della turbina a gas, in modo da sfruttare la pressione residua di quest’ ultima quale veicolo per vincere le perdite di carico. Va precisato che i gas della camera adiabatica, essendo ad alta temperatura, hanno una densità molto bassa e quindi volumi molto importanti, e di conseguenza elevate velocità di transito attraverso l’apparato di recupero, al punto che gli scambiatori - per effetto delle velocità citate -risultano autopulenti.

Inoltre sfruttando la pressione dinamica degli eiettori si riduce la potenza dei ventilatori di coda, in quanto la pressione dinamica stessa degli eiettori è sfruttata per vincere parzialmente le perdite di carico attraverso gli scambiatori.

Stato dell’arte

Con riferimento all’attuale stato dell’arte, si noti che il processo SCIC su indicato:

- non è un sistema a ciclo combinato perché la T di scarico dei gas combusti della turbina è troppo bassa, quindi al limite essi potrebbero produrre solo acqua calda o vapore a bassa pressione non utilizzabile nel ciclo turbovapore;

non è un sistema di co-combustione perché nella combustione non vengono miscelati combustibili di natura diversa per produrre energia termica, ma si usano combustori separati ciascuno utilizzante il proprio combustibile;

- è di tipo completamente nuovo perché permette di sfruttare appieno e per intero la quantità di calore contenuta nella biomassa, in quanto la perdita di calore attraverso i gas di scarico in atmosfera è equivalente alla quantità di calore che la sola turbina a gas comunque stava emettendo, e cioè l’energia ricavabile dalla biomassa è totalmente utilizzata per la produzione di vapore ad alta temperatura da inviare alla turbina. In altre parole il sistema consente di estrarre dalla biomassa più energia a parità di biomassa consumata, ed in definitiva di produrre più energia di quella che si ricaverebbe dalla somma di quella prodotta separatamente dai due sistemi.

Esempio applicativo: processo SCIC in un ciclo a biomassa da 2,5 t/h (20.000 t/y).

Utilizzeremo biomassa secca con la seguente composizione media:

C = 54%; H = 5%; O = 40%; ceneri ed altro = 1%.

Questo combustibile nella configurazione classica di un combustore a griglia viene utilizzato senza essiccatoio intermedio e quindi con una produzione di calore di circa 4.500 kCal/kg, contro un contenuto effettivo di circa 5.800 kCal/kg.

Utilizzando ad es. un combustore pyrogas (di cui al ns. Brev. PE2006A00034/18.02.2006 ed al ns. Brev. PE2008A000005/1 1.04.2008) possiamo direttamente adottare PCI=5.800 kCal/kg, perché usiamo combustibile pre-essiccato e non abbiamo residui incombusti.

Nella configurazione impiantistica classica ( solo ciclo di Rankine — combustore turbovapore) abbiamo:

il combustore a biomassa pyrogas suddetto da 2,5 t/h ha un contenuto di energia termica di (5.800 kCal/kg x 2.500 kg/h) =16,86 MWt/h, che produce circa 4,3 kg/sec di vapore surriscaldato a 480°C alla pressione di 41 bara, e quindi una potenza elettrica ai morsetti di circa 3,8 MWe/h.

Al condensatore si hanno circa 9,8 MWt/h di energia termica a bassa temperatura (circa 45°C) inutilizzabile ai fini della generazione elettrica.

Al camino si scaricano gas ad una temperatura compresa tra 110-140°C per una quantità complessiva di calore di circa 3,2 MWt/h.

Nella configurazione SCIC abbiamo invece:

a) il medesimo combustore a biomassa da 2,5 t/h indicato nella configurazione precedente; b) una turbina a gas da 4 MWe/h, che produce 12 kg/sec di gas di scarico a T compresa tra 270-330°C, pari a 4,4 MWt/h. (Questo alto rendimento si ottiene mediante il preraffreddamento deH’aria di ingresso al compressore alla T di circa 1°C utilizzando un refrigeratore ad assorbimento alimentato in parte dai gas di scarico della turbina ed in parte dal calore residuo nell’ economizzatore di ingresso del pacco scambiatori).

c) un sistema di miscelazione mediante eiettori alimentati dai gas di scarico della turbina, che richiama l’intera massa di gas combusti dal combustore effettuandone la miscelazione per ottenere una massa di gas equivalente alla somma delle due masse separate alla T di circa 735°C , corrispondenti ad una potenza disponibile di circa 19,6 MWt/h.

La massa di gas caldi utilizzata convenientemente negli scambiatori a recupero produce 4 kg/sec di vapore surriscaldato alla T di 480°C alla pressione di 41 bara, e 2 kg/sec di vapore surriscaldato alla T di 265 °C alla pressione di 6 bara, che ci permetteranno di generare in una turbina a vapore circa 6,2 MWe/h di energia elettrica. Al condensatore avremo circa 13,4 MWt/h (revenienti da vapore con titolo = 0,89) di energia termica a bassa temperatura (circa 45°C) inutilizzabile ai fini della generazione elettrica. In atmosfera andremo ad emettere gas residui combusti nella misura di circa 4,4 MWt/h ad una temperatura compresa tra 110-140°C.

E’ molto importante notare la potenza termica residua non utilizzabile scaricata in atmosfera di 4,4 MWt/h. corrisponde esattamente al valore medio dell’energia termica che ayremmo scaricato in atmosfera dalla sola turbina a gas.

Ciò significa che il sistema ci ha permesso di utilizzare per intero la quantità di calore disponibile dalla biomassa; infatti con la configurazione SCIC abbiamo prodotto dalla turbina a vapore 6.2 MWe/h contro 3.8 MWe/h che ayremmo prodotto nella configurazione “classica”, con una maggiore quantità di energia pari a (6,2-3.8)= 2.4 MWe/h corrispondenti al 2.4 / 3.8 = 63,%.

In altre parole abbiamo scaricato in atmosfera esclusivamente la quantità di energia termica equivalente a quella residua della turbina a gas a parità di biomassa consumata di contenuto energetico 16,86 MWt/h.

Ottimizzazione del processo SCIC nel sistema di incentivazione dei Certificati Verdi.

Il sistema SCIC può utilizzare un combustibile di fonte rinnovabile anche nella turbina a gas di tipo policombustibile (es.: un alcool C2 HÓ O con potere calorifico di circa 7.500 kCal/kg). In questo caso l’intero sistema produrrà energia elettrica tutta da fonte rinnovabile e per questo totalmente incentivata. La produzione di alcool avviene di norma per distillazione dei vini ottenuti da uve con concentrazione di zucchero di circa 12-15% e quindi una concentrazione di alcool finale non superiore al 9% che rappresentano circa il 35% della produzione nazionale, nonché per distillazione delle vinacce di cascame prodotte nelle cantine. La distillazione comporta notevoli costi per il combustibile necessario all’evaporatore, ma nel nostro caso il costo di distillazione è nullo in quanto si utilizza il calore disponibile al condensatore, che altrimenti andrebbe dissipato in atmosfera (anzi in tal caso si risparmia addirittura l’energia di dissipazione). Diviene quindi possibile da una parte migliorare il reddito agricolo remunerando congruamente vino di bassa gradazione invendibile (e quindi destinato al conferimento a basso costo per la distillazione) nonché vinacce scarti di cantina, e dall’altra migliorare il rendimento economico dell’impianto con l’incasso dei Certificati Verdi (C.V.).

Vantaggi del ciclo SCIC

1) elevato rendimento del ciclo. Con riferimento all’esempio precedente, abbiamo infatti:

Energia prodotta nella configurazione SCIC

energia prodotta dalla turbina a gas = 4 MWe/h

energia prodotta dalla turbovapore col metodo SCIC = 6,2 MWe/h

energia totale prodotta = (4+6,2)= 10,2 MWe/h

Energia prodotta con sistema separato turbogas turbovapore:

energia prodotta da turbovapore = 3,8 MWe/h

energia prodotta da turbina a gas = 4 MWe

energia prodotta in totale dai 2 sistemi = (4 3,8) = 7,8 MWe/h

e quindi:

Incremento di produzione elettrica ottenuto con il sistema SCIC:

(10,2-7,8) MWe/h / 10,2 MWe/h = 24%.

Rendimento complessivo del ciclo SCIC:

potenza introdotta al combustore: 16,86 MWt/h

potenza introdotta nella turbogas: 8.40 MWt/h

potenza termica totale introdotta: ( 16,86+8,40) = 25,26 MWt/h

potenza elettrica prodotta: 10,20 MWe/h

rendimento complessivo = 10,20/25,26 = 40,38%

2) Minore autoconsumo per l' utilizzo degli eiettori: diminuzione della potenza dei ventilatori di estrazione al camino di circa 80 kW/h x 8000 h/anno = 640 MWe/anno.

3) Minori oneri manutentivi dell’ apparato di recupero

Gli scambiatori sono autopulenti per effetto dell’elevata velocità di transito e della temperatura dei gas caldi introdotti dagli eiettori.

4) Possibile autoproduzione “gratuita” di carburante “verde”

Mediante distillazione di vino e vinacce con utilizzo del calore di cascame, il sistema SCIC è in grado di autoprodurre a costo zero carburante “verde” (di fonte rinnovabile e dotata di C.V.), cioè alcool per l’alimentazione della turbina “policombustibile” ;

5) Incremento di rendimento della turbina

Utilizzando il calore residuo nell’economizzatore di ingresso del pacco scambiatori è possibile utilizzare un refrigeratore ad assorbimento per preraffreddare l’aria di ingresso al compressore della turbina aumentandone sensibilmente il rendimento.

Lay-out di un impianto integrato di produzione di energia elettrica da biomassa c/ciclo SCIC N.B.: Lo schema riporta anche il processo di distillazione alcool integrato neH’impianto

Claims (1)

1. SISTEMA A CICLO IBRIDO COMBINATO (SCIC) MEDIANTE TURBOVAPORE+TURBOGAS+MISCELAZIONE DEI FUMI. RIVENDICAZIONI Processo caratterizzato: 1) da 2 sistemi contemporanei di generazione termica (combustore di biomassa a camera adiabatica che scarica gas combusti ad alta temperatura turbina a gas che scarica gas combusti a bassa temperatura inutilizzabili per la produzione di vapore) e da un sistema di miscelazione dei gas combusti tale da produrre vapore surriscaldato da utilizzare in una turbo vapore; 2) da un elevato rendimento (40,38%) rispetto al ciclo turbovapore ed a quelli separatamente considerati turbovapore e turbogas, con un incremento di produzione elettrica del 24% rispetto alla somma dell’energia producibile separatamente dal ciclo turbovapore e dalla turbogas; 3) dal fatto che la potenza termica residua non utilizzabile scaricata in atmosfera corrisponde esattamente al valore dell’energia termica che avremmo scaricato in atmosfera dalla sola turbina a gas, il che significa che abbiamo utilizzato per intero il calore disponibile dalla biomassa; 4) dalla tecnologia di estrazione dei gas combusti dalla camera adiabatica mediante eiettori azionati dai gas di scarico della turbina a gas; 5) dal minore autoconsumo elettrico grazie agli eiettori che comportano minor potenza dei ventilatori di estrazione al camino; 6) da minori oneri manutentivi dell’apparato di recupero, in quanto gli scambiatori sono autopulenti per l’elevata velocità di transito dei gas ad alta temperatura; 7) dalla possibilità di autoalimentare la turbina a gas (di tipo policombustibile) con alcool ricavabile per distillazione a costo nullo utilizzando il calore disponibile al condensatore che sarebbe altrimenti dissipato in atmosfera; 8) dal rendimento della turbogas incrementabile refrigerando l’aria di ingresso al compressore mediante un refrigeratore ad assorbimento che utilizza il calore residuo nell’economizzatore di ingresso del pacco scambiatori.