Porto, banchina e continuità dei flussi di combustibile
Nel funzionamento di una centrale termoelettrica a carbone il primo livello del processo è costituito dall’approvvigionamento del combustibile, trasferito al sito produttivo tramite navi portarinfuse provenienti dai bacini estrattivi.
A Monfalcone, la relazione tra il porto e le infrastrutture di banchina costituisce da subito un asset essenziale quale componente strutturale dell’impianto stesso, in grado di garantire continuità ai flussi di sbarco e di consegna del combustibile. L’arrivo del carbone al sito s’inserisce in una catena logistica integrata nella quale il terminale portuale, gli apparati di scarico, i nastri trasportatori, i carbonili e i sistemi che riprendono il carbone, concorrono a trasformare il materiale grezzo in un combustibile immediatamente disponibile per l’alimentazione della centrale.
Caratteristiche merceologiche del carbone
Il carbone deve possedere già all’origine parametri merceologici e prestazionali ben definiti, tra i quali il potere calorifico, il tenore dello zolfo, il contenuto di ceneri (ash content), il grado di umidità, la pezzatura e i parametri relativi al comportamento in combustione.
Il comportamento tecnico dell’impianto risulta difatti sin da subito funzione delle caratteristiche intrinseche della miscela combustibile, che incide in modo diretto su diversi, importantissimi parametri. Questi sono il rendimento della caldaia, la stabilità della fiamma, la quantità di residui solidi prodotti e il carico imposto dalla miscela stessa ai sistemi di abbattimento dei fumi.
Nelle miscele combustibili delle centrali termoelettriche europee rientrano, in linea generale, diverse classi di carbone energetico.
Si va dall’antracite, più ricca di carbonio tra i carboni naturali ma meno reattiva (può essere considerata la varietà più “matura” dei carboni), al litantrace, che costituisce il carbone termoelettrico per eccellenza. Il litantrace è un carbone fossile di grado intermedio-alto, più energetico e maturo della lignite ma non ancora spinto al massimo grado di carbonificazione come l’antracite. Anche la lignite può essere impiegata, nonostante il suo tenore di carbonio più modesto. Si tratta di carbone fossile di basso grado, meno evoluto del litantrace e dell’antracite, formatosi da resti vegetali sottoposti a carbonificazione incompleta e più umido. Fra i ranghi inferiori rientrano anche i carboni sub-bituminosi, caratterizzati da un contenuto di umidità ancora elevato, da un minore potere calorifico e da una struttura meno evoluta rispetto ai carboni bituminosi propriamente detti. Nel complesso, la classificazione riflette un processo progressivo di carbonificazione, nel quale all’aumentare del grado del carbone crescono in genere il tenore di carbonio e il potere calorifico, mentre tendono a ridursi umidità e sostanze volatili.
Nelle centrali portuali come quella di Monfalcone prevalgono soprattutto carboni bituminosi importati via mare, in particolare dal Sudafrica, dall’Australia, dagli Stati Uniti e, per alcune forniture a basso tenore di zolfo, anche dall’Indonesia. I bituminosi presentano un compromesso tecnico vantaggioso dato dal buon potere calorifico, dalla combustione relativamente stabile e da un tenore di sostanze volatili idoneo ad assicurare pronta accensione. Questi garantiscono altresì la necessaria stabilità di fiamma, che garantisce una combustione molto regolare nei bruciatori a polverino di carbone. Questa regolarità è fondamentale per garantire performance tecniche ed emissive ideali e nei parametri di progetto.
Dalla banchina ai carbonili
Dopo l’approdo delle navi portarinfuse, il carbone entra dunque in una fase cruciale del processo industriale che dopo lo sbarco, prevede la movimentazione meccanizzata e il deposito controllato del combustibile. In questa sequenza operativa, gli scaricatori portuali, normalmente equipaggiati con benne mordenti, prelevano il materiale direttamente dalle stive e lo riversano entro tramogge di raccolta collocate in banchina, dalle quali viene poi trasferito ai sistemi interni di convogliamento. A partire da qui, una rete di nastri trasportatori, opportunamente raccordata con torri di rinvio e organi di regolazione del flusso, provvede all’inoltro continuo del carbone verso le aree di accumulo (parco carbone) dove il combustibile viene scaricato e distribuito in cumuli.
Stoccaggio
Lo stoccaggio del carbone presso le opportune aree (carbonili) assolve a una funzione tecnica ed esercitiva essenziale per due ragioni. Consente di formare e gestire le scorte che garantiscono continuità di esercizio in funzione dell’approvvigionamento e permette di controllare la gestione delle miscele combustibili in relazione alla resa termica e alla regolarità di combustione che si vogliono ottenere.
La movimentazione del carbone avviene secondo una logica FIFO (First In, Firs Out), avvalendosi della quale si cerca di prelevare per primi i lotti depositati per primi, evitando che un cumulo resti fermo settimane mentre sopra ci finisce carbone nuovo.
In tale ambito assumono inoltre rilievo specifico i dispositivi di contenimento delle polveri, come le barriere frangivento e i sistemi di bagnatura superficiali, oltre ai sistemi di regimazione e raccolta delle acque meteoriche di dilavamento.
Inoltre, risultano fondamentali le misure di controllo dei fenomeni di riscaldamento spontaneo e autocombustione, poiché il carbone in deposito, pur presentandosi come materiale apparentemente stabile, mantiene una marcata sensibilità sotto il profilo meccanico, chimico e ambientale.
Nel carbonile, la prevenzione dell’autocombustione è affidata a una conduzione disciplinata dei cumuli di carbone, con profili e altezze controllate e con il contenimento dell’apporto d’ossigeno nei punti critici, monitorando periodicamente anche tramite l’apporto della termografia i vari profili di temperatura.
La logistica del combustibile e la sua preparazione
All’atto dell’alimentazione dell’impianto, il carbone viene ripreso dal cumulo con macchine reclaimer e inviato, sempre via nastri trasportatori, a una sezione di preparazione che può includere frantumatori e vagli. Questi trasportano il materiale a una pezzatura compatibile con i sistemi a valle e a proteggere i macchinari da corpi estranei.
A questo punto il carbone entra nei bunker o tramogge di alimentazione della caldaia, cioè in quei serbatoi di servizio posti a monte dei mulini polverizzatori, dimensionati per garantire continuità anche durante transitori o brevi fermate della movimentazione esterna.
Dai bunker il carbone viene dosato e fatto scendere ai mulini, che hanno il compito di ridurlo in una polvere finissima, il cosiddetto polverino di carbone. Questa trasformazione è essenziale, perché il carbone in polvere brucia molto più rapidamente e in modo più regolare rispetto al carbone in pezzatura, rendendo possibile una combustione continua ed efficiente nel focolare della caldaia. All’interno dei mulini, inoltre, avviene spesso anche una fase di essiccamento: il carbone grezzo, infatti, può contenere una certa quantità di umidità che, se non rimossa, peggiora la combustione e riduce il rendimento del processo. Per questo viene immessa aria primaria calda, cioè il flusso d’aria destinato sia ad asciugare il carbone sia a trascinare il polverino prodotto.
Questa operazione è fondamentale per ottenere una granulometria tale da garantire un’accensione rapida e una combustione completa e stabile, limitando la formazione di incombusti e di perdite al camino. Il mulino polverizzatore rappresenta un elemento cruciale del sistema anche sotto l’aspetto della sicurezza d’esercizio in quanto richiede monitoraggio costante di temperatura e ossigeno per permettere ai sistemi antiscoppio e di inertizzazione di intervenire in caso di anomalie.
Dalla caldaia al vapore utile
In questa fase si rende necessario tenere conto dell’aria primaria immessa naturalmente nel sistema, che accompagna il carbone polverizzato fin dal mulino, contribuendo all’essiccazione, al trasporto pneumatico nelle linee e alla sua immissione nei bruciatori. Si mescola all’aria secondaria, pompata separatamente in camera di combustione per completare l’ossidazione e quindi la combustione stessa, consentendo il governo della fiamma e del fronte di combustione.
L’avviamento della combustione avviene con innesco dato da un combustibile ausiliario di cui è più agevole la gestione, come il gas naturale o l’olio combustibile leggero.
Nel forno della caldaia, il fronte di combustione coincide con la porzione attiva della camera in cui il carbone, preventivamente polverizzato e immesso insieme all’aria comburente, si accende. Qui reagisce e sviluppa la fiamma, generando i gas caldi destinati a cedere calore ai fasci tubieri del generatore di vapore.
In tale fase si colloca anche la formazione degli ossidi di azoto, o NOx, che rappresentano uno dei principali sottoprodotti indesiderati del processo combustivo.
Questisi originano, da un lato, per ossidazione dell’azoto contenuto nell’aria quando la temperatura di fiamma raggiunge valori elevati e, dall’altro, per trasformazione dei composti azotati già presenti nel carbone stesso.
La loro produzione risulta pertanto strettamente connessa alle condizioni del fronte di combustione: quanto più la fiamma è calda, intensa e scarsamente controllata, tanto maggiore è la tendenza alla formazione di NOx, rendendo indispensabili una regolazione accurata della combustione e l’impiego di specifici sistemi di abbattimento (DeNox).
L’aria di combustione come fattore di esercizio
L’ossigeno necessario all’ossidazione del polverino di carbone è immesso nel sistema mediante ventilatori dedicati e convogliato alla caldaia secondo portate accuratamente calcolate e dosate nel tempo, in modo da garantire un rapporto controllato tra combustibile e aria. La combustione avviene dunque come un equilibrio fluidodinamico tra le masse gassose, la loro turbolenza e i tempi di permanenza nella camera di combustione.
Quest’aria destinata alla combustione viene normalmente aspirata dall’esterno, filtrata e immessa nel circuito mediante ventilatori di mandata, per poi essere sottoposta a una fase di preriscaldamento, che avviene mediante appositi scambiatori di calore che vengono alimentati proprio dal recupero termico dei fumi in uscita dalla caldaia.
Tale preriscaldo assolve a una funzione tecnica di primaria importanza nel generatore di vapore, migliorando l’innesco del combustibile polverizzato e favorendo la fondamentale regolarità del fronte di combustione.
Tiraggio, depressione del forno e governo dei flussi gassosi
Un ulteriore ruolo essenziale è svolto dal tiraggio, cioè dal sistema che assicura il moto dei gas combusti lungo il percorso forno-caldaia-trattamenti-camino.
Questo sistema mantiene all’interno del generatore condizioni di pressione coerenti con la sicurezza e con la regolarità dell’esercizio e, per mezzo di ventilatori di estrazione, il forno viene mantenuto in lieve depressione. Ciò permette di evitare la fuoriuscita incontrollata dei fumi e garantisce la corretta percorrenza dei flussi gassosi attraverso i fasci di scambio (pacchi di superfici tubiere che trasferiscono calore tra due fluidi mantenendoli separati), e i successivi apparati di abbattimento.
L’equilibrio tra aria immessa e fumi estratti rappresenta dunque un presupposto fondamentale della combustione industriale, da cui dipendono non solamente la resa termica della caldaia, ma anche la formazione degli inquinanti e il successivo carico comunque energivoro sui sistemi DeNOx e DeSOx.
Il nucleo termico dell’impianto
Nel ciclo della centrale termoelettrica, la caldaia costituisce il cuore del processo di trasformazione energetica, poiché è il luogo in cui l’energia chimica del combustibile viene convertita in energia termica utilizzabile dal circuito acqua-vapore. In essa confluiscono il carbone polverizzato, l’aria comburente e i sistemi di accensione e regolazione della fiamma, entro un organismo impiantistico di grande scala nel quale la combustione risulta rigorosamente governata e dove si predispongono le condizioni necessarie alla successiva produzione del vapore motore.
Nel complesso sistema del generatore di vapore, la camera di combustione si configura come il volume tecnico entro il quale si sviluppa il fronte di fiamma e si completa l’ossidazione del combustibile.
La caldaia della centrale termoelettrica si configura come un organismo metallico complesso, costituito da una struttura portante in acciaio altoresistenziale, dalla camera di combustione e da un insieme di apparati tecnici e di regolazione (pareti tubiere ad acqua, fasci di scambio termico, surriscaldatori, economizzatori, bruciatori). I componenti maggiormente sollecitati sono realizzati con acciai speciali idonei a resistere alle elevate pressioni, alle alte temperature e ai fenomeni di corrosione e deformazione termica. All’interno della camera di combustione la fiamma raggiunge ordinariamente temperature dell’ordine di 1.200-1.500 °C, mentre il vapore prodotto e successivamente surriscaldato viene portato, nei regimi ordinari di esercizio, a valori superiori ai 500 °C. Lungo il percorso interno della caldaia, i gas combusti cedono progressivamente calore alle superfici tubiere, rendendo così possibile la trasformazione dell’acqua di alimento in vapore motore destinato a muovere la turbina.
In questa prospettiva, la caldaia rappresenta il punto di passaggio decisivo tra la combustione e la conversione meccanica dell’energia, poiché da essa dipendono la quantità del vapore prodotto e la sua qualità termodinamica che garantisce l’efficienza dell’intero impianto.
Acqua di alimentazione e formazione del vapore
Nel ciclo della centrale termoelettrica, il circuito acqua-vapore costituisce l’asse fluido attraverso cui il calore sviluppato in caldaia viene assunto, trasferito e convertito in energia utile. L’acqua di alimento, opportunamente trattata e inviata in pressione, percorre una sequenza di riscaldamento progressivo che la conduce dalle condizioni iniziali fino alla vaporizzazione e al successivo surriscaldamento.
Prima di entrare nelle superfici direttamente investite dal massimo carico termico, l’acqua attraversa l’economizzatore.
Questo dispositivo è un pacco di fasci tubieri, cioè un insieme ordinato di molti tubi disposti in batterie, entro cui scorre l’acqua mentre all’esterno passano i fumi caldi; in questo modo l’acqua di alimento viene preriscaldata recuperando calore residuo prima dell’evaporazione, si abbassa la temperatura dei fumi al camino e si migliora il rendimento complessivo del gruppo.
Da qui il fluido viene immesso nei circuiti evaporativi della caldaia, entro i quali l’energia ceduta dai gas combusti consente il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore. Il vapore così generato è quindi inviato al surriscaldatore, che è una sezione della caldaia formata da fasci tubieri in cui scorre il vapore, mentre all’esterno passano i fumi caldi, con lo scopo di portare il vapore oltre la temperatura di saturazione alla stessa pressione. In pratica trasforma il vapore saturo in vapore surriscaldato, migliorando il rendimento del ciclo e riducendo l’umidità in turbina, quindi anche il rischio di erosione delle palette.
L’intera sequenza, dall’economizzazione al surriscaldamento, definisce il cuore del processo di preparazione del fluido motore.
Il vapore, prodotto in caldaia e surriscaldato entra in turbina ad alte pressione e temperatura e attraversa una serie di stadi di questa, con palette fisse e mobili. Durante questo attraversamento la pressione diminuisce progressivamente e il vapore si espande, cioè aumenta di volume e cede energia alle palette trasformandola in lavoro meccanico sull’albero di trasmissione della turbina, che trascina l’alternatore cui è collegata. Finita l’espansione, il vapore esce dalla turbina a pressione molto più bassa e viene inviato al condensatore, dove viene raffreddato e riportato allo stato liquido. In questo punto del sistema, la condensazione avviene in quano il calore del vapore viene trasferito all’acqua di raffreddamento attraverso i fasci di scambio e il vapore collassa in condensato.
Questo passaggio consente di recuperare acqua e -fondamentale- di mantenere una pressione molto bassa allo scarico turbina, cioè un vuoto in grado di aumentare il salto utile di espansione e quindi il rendimento del ciclo.
Dopo l’espansione in turbina e la successiva condensazione, l’acqua rientra nel circuito mediante il sistema di raccolta del condensatore e le pompe di alimento, che la riportano alle pressioni richieste per il nuovo attraversamento della caldaia.
Assetto di combustione e ruolo dell’aria di processo
La sezione di combustione rappresenta il punto in cui l’energia chimica del combustibile viene trasformata in calore utile.
Tale calore viene trasferito poi alle superfici di scambio della caldaia.
Nel caso dei combustibili solidi, la qualità del carbone incide direttamente sul comportamento di fiamma e sui regimi di funzionamento dell’impianto.
Tale qualità è influenzata dalla quota di sostanze in esso presenti che, scaldandosi, si liberano rapidamente sotto forma di gas e vapori combustibili. Questo favorisce la formazione della fiamma e vivacizza la combustione ma, per contro, può portare alla generazione di picchi di temperatura localizzati e la formazione di monossido di carbonio (CO) nelle fasi transitorie. Anche l’acqua legata nel combustibile può rappresentare una zavorra sotto il profilo energetico. In questo caso, maggior umidità significa potere calorifico minore, più energia impiegata nella movimentazione e nell’essicazione del carbone (esempio: nelle ligniti, l’umidità elevata è uno dei motivi per cui si preferisce bruciarle vicino alla miniera; portarsi dietro acqua, in nave o in treno, è un costo senza ritorno).
Ulteriore fattore che influenza la qualità del carbone è l’ash content, ossia il contenuto di ceneri, che rappresenta la frazione minerale incombustibile che resta dopo la combustione. Questo influenza negativamente la quota di residui da gestire anche sul fondo del camino e sui sistemi di separazione del particolato e può generare incrostazioni e scorie sulle parti calde della caldaia o aumentare l’erosione nei condotti e sui fasci tubieri.
In funzione della qualità del mix di combustibile impiegato, assumono rilievo i comburenti, ossia l’aria primaria e l’aria secondaria, che svolgono funzioni distinte e complementari. La primaria sostiene l’essiccazione nel mulino e il trasporto del polverino ai bruciatori, la secondaria completa l’ossidazione e governa la miscelazione in camera di combustione. Cioè influenza direttamente il rendimento e assetto emissivo, in particolare per quanto riguarda la formazione degli ossidi di azoto NOx.
Trattamento dei fumi, monitoraggio e gestione delle correnti
Quando l’aria e il combustibile reagiscono ad alta temperatura, una parte dell’azoto presente nell’aria tende a combinarsi con l’ossigeno generando ossidi di azoto, indicati nel loro insieme come NOx. Questo rappresenta un fenomeno tipico delle fiamme calde e ben ossigenate
Se invece nel combustibile è presente zolfo, la reazione di ossidazione produce anidride solforosa, SO₂, che rappresenta la quota principale degli ossidi di zolfo nei fumi.
In condizioni particolari una parte può evolvere verso SO₃ (anidride solforica), con ricadute importanti sul comportamento acido dei fumi e sulle scelte di trattamento.
A questi composti gassosi si sommano le polveri, che sono fini minerali e residui solidi trascinati dal flusso dei fumi, la cui presenza è correlata al contenuto di ceneri del combustibile e alla qualità della combustione. Queste costituiscono la componente più visibile e intuitiva dell’impatto se non adeguatamente trattenuta.
Per contenere tali emissioni, la linea fumi include delle sezioni di abbattimento dedicate, i DeNOx e i DeSox.
Con DeNOx (impianto di denitrificazione) si indica l’insieme delle soluzioni adottate per ridurre i NOx: tra queste, SNCR (riduzione selettiva non catalitica), cioè un trattamento in cui si inietta un reagente, di norma urea o ammoniaca, direttamente nel percorso dei fumi in una fascia di temperatura favorevole, in modo che reagisca con gli ossidi di azoto trasformandoli prevalentemente in azoto e vapore acqueo.
Il sistema SCR (riduzione selettiva catalitica) adotta una logica simile, ma la reazione avviene in presenza di un catalizzatore, che rende il processo più efficace e più controllabile, a fronte di un impianto più complesso e di vincoli di esercizio legati alla temperatura e alla gestione del reagente. Con DeSOx (impianto di desolforazione) si indicano invece i sistemi di desolforazione dei fumi, cioè le sezioni che abbattono l’anidride solforosa SO₃: nella configurazione più comune, i fumi vengono lavati in un assorbitore con sospensioni alcaline, spesso a base di calcare o calce, che neutralizzano la componente solforata e la trasformano in sali gestibili come sottoprodotti, riducendo in modo netto la quota di SO₂ al camino. Queste sezioni lavorano in coordinamento con i sistemi di separazione del particolato, perché polveri e gocce devono essere trattenute e governate lungo tutto il percorso.
In parallelo, il Sistema di Monitoraggio delle Emissioni, SME, è lo strumento che rende misurabile e verificabile i principali parametri, come NOx, SO₂, polveri e grandezze di supporto, e consente di correlare i dati alle condizioni di esercizio dell’impianto, secondo quanto previsto dalle autorizzazioni
La gestione ambientale, infine, non riguarda solo l’aria. I lavaggi e i servizi di impianto generano correnti liquide che non possono essere lasciate a defluire senza controllo. L’acqua di dilavamento e le acque di processo vengono intercettate, raccolte e trattate prima di qualunque scarico o riutilizzo. In presenza di vincoli particolarmente stringenti come a Monfalcone, si adotta una configurazione ZLD.
Lo ZLD, cioè Zero Liquid Discharge, è un sistema di trattamento finalizzato ad azzerare lo scarico liquido dell’impianto. Le acque reflue vengono concentrate progressivamente, separando la quota riutilizzabile da quella a più elevato contenuto salino.
Il processo si fonda in genere sulle fasi di evaporazione e cristallizzazione, che conducono alla trasformazione del residuo liquido in sali e solidi gestibili separatamente e avviabili a recupero come rifiuti non pericolosi.
Nella pratica, dopo la desolforazione DeSOx che purifica i fumi, si genera un’acqua di processo contaminata e lo ZLD interviene proprio in tale fase per trattare questa corrente senza recapito liquido esterno.
Gesso di desolforazione e altri sottoprodotti valorizzabili in centrale termoelettrica
Il gesso di desolforazione costituisce il sottoprodotto più tipico dei sistemi DeSOx a umido, nei quali l’abbattimento della SO₂ avviene mediante assorbimento in sospensioni alcaline a base di calcare o calce. All’interno dell’assorbitore, di norma configurato come scrubber a umido, l’anidride solforosa passa dalla fase gassosa a quella liquida e viene neutralizzata con formazione iniziale di composti solfitici di calcio. Nei sistemi a ossidazione forzata, tali composti sono ulteriormente trasformati, mediante insufflazione d’aria, in solfato di calcio biidrato, CaSO₄·2H₂O, cioè gesso in senso proprio.
Dal punto di vista impiantistico, il gesso si forma in una sospensione in ricircolo continuo, il cui equilibrio dipende dal controllo di parametri tra i quali il pH, il rapporto liquido-gas e la granulometria del reagente. La sospensione viene quindi inviata alla sezione di separazione solido-liquido, dove il materiale è ispessito e disidratato mediante filtri o centrifughe, così da ottenere un solido movimentabile e idoneo allo stoccaggio.
Quando le caratteristiche chimico-fisiche risultano adeguate, il gesso di desolforazione trova impiego nell’industria dei leganti e dei manufatti in gesso, specialmente per pannelli e prodotti per edilizia, nonché nel settore cementiero come correttore di presa nella macinazione del clinker. In tale quadro esso rappresenta un esito controllato di una tecnologia ambientale che, oltre a ridurre le emissioni acide, genera un flusso materiale suscettibile di riutilizzo industriale.
Ceneri
La combustione di carbone genera residui solidi in quantità legata all’ash content, cioè al contenuto di ceneri del combustibile.
In impianto si distinguono due famiglie principali. Le ceneri pesanti, raccolte sul fondo del focolare e lungo le linee di estrazione, che presentano una granulometria più grossolana e che possono esser presenti anche come scoria vetrificata. Le ceneri volanti, invece, sono la frazione fine trascinata dai fumi e intercettata dai sistemi di separazione del particolato, tipicamente elettrofiltri o filtri a maniche, con raccolta in tramogge e sili.
Negli elettrofiltri le particelle di cenere vengono caricate elettricamente e attratte verso delle piastre che fungono da collettori, dove si depositano. A intervalli regolari le piastre vengono scuotute, facendo così cadere la polvere nelle tramogge per poi essere convogliata ai sili di raccolta.
I filtri a maniche operano invece per filtrazione meccanica: i fumi passano attraverso maniche tessili disposte in batterie e il particolato resta trattenuto sulla superficie, formando uno strato che contribuisce anche all’efficienza di cattura. Le maniche vengono poi ripulite periodicamente, con impulsi d’aria compressa, di modo che la polvere cada nelle tramogge e, come nel caso degli elettrofiltri, raccolta nei sili appositi
Le ceneri volanti, in presenza di una qualità controllata e garantita a monte, possono essere impiegate soprattutto nel settore dei leganti e dei conglomerati cementizi, come aggiunta minerale o componente di miscele.
Quelle pesanti possono essere impiegate più frequentemente come materiali per opere di ingegneria civile, ad esempio in sottofondi, riempimenti e strati di fondazione, previa una cernita sulla granulometria e un controllo sul loro comportamento meccanico.
ZLD: residui e concentrati dal trattamento delle acque
Le linee di trattamento acque di centrale, in particolare quando ricevono spurghi e acque di lavaggio provenienti dai sistemi DeSOx a umido, generano reflui ad alta salinità. Questi presentano una variabilità di cloruri, solfati, solidi sospesi, residui di reagenti e tracce di metalli. In tali condizioni lo scarico convenzionale è tecnicamente critico, sia per l’equilibrio del circuito sia per il rispetto dei limiti allo scarico, e quindi assolutamente non praticabile.
Negli assetti Zero Liquid Discharge il refluo viene quindi sottoposto a una sequenza di trattamenti che comprende, secondo configurazione, una serie di trattamenti atti a neutralizzare, chiarificare e filtrare i fluidi sino alle fasi finali di evaporazione e cristallizzazione.
In queste unità la frazione acquosa viene separata e recuperata come condensato riutilizzabile nei circuiti interni, mentre la parte residua viene progressivamente concentrata fino alla formazione di slurry (sospensione densa nella quale i sali o altri solidi precipitanti non sono ancora completamente asciutti, ma risultano dispersi in una fase liquida residua), sali e miscele saline ad elevato tenore secco. Il risultato è la pressoché totale eliminazione dello scarico liquido finale, ottenuta mediante chiusura del ciclo idrico e contestuale produzione di residui salini da raccogliere e avviare allo smaltimento come rifiuti.
Catalizzatori e materiali tecnici
Nelle linee DeNOx di tipo SCR, ciè che presentano la riduzione selettiva catalitica, un elemento materiale rilevante è rappresentato dal catalizzatore.
Questo componente è costituito da moduli che nel tempo decadono per varie ragioni legate al loro impiego (intasamento, avvelenamento, usura) e, a fine ciclo utile, può entrare in filiere di recupero dedicate, con rigenerazione delle componenti a base di titanio e, in alcuni casi, dei metalli presenti nelle formulazioni catalitiche. Anche in questo caso, come per i presidi illustrati in precedenza, la condizione determinante è la tracciabilità, in quanto la gestione anche ambientale del materiale dipende non solo dal suo stato generale e dalle contaminazioni eventualmente presente, ma anche dalla destinazione tecnica effettivamente praticabile.
Turbina a vapore e trasformazione dell’energia; alternatore
Il viaggio all’interno della grande centrale termina con una panoramica sul gruppo turbogeneratore, che è il vero e proprio cuore elettromeccanico della centrale.
Qui l’energia termica, già ordinata nel ciclo acqua-vapore, viene convertita in energia meccanica continua e quindi resa utilizzabile dal generatore.
La turbina a vapore riceve in ammissione il vapore alle condizioni di pressione e temperatura precedentemente stabilite dal progetto e lo fa espandere attraverso una successione di stadi, costituiti da palettature fisse e mobili.
La coppia sull’albero della turbina -e quindi il moto- si genera per via della riduzione progressiva della pressione e l’aumento di volume del fluido, che determina il trasferimento della quantità di moto alle palette mobili.
Allo scarico, come già in precedenza illustrato, la turbina si integra con il condensatore che permette di diminuirle la pressione e quindi a massimizzare l’espansione utile, chiudendo il ciclo con la condensazione del vapore.
L’albero della turbina trascina direttamente il rotore dell’alternatore, accoppiati rigidamente, così che la rotazione prodotta dalla turbina venga trasferita direttamente al generatore.
Dentro all’alternatore vi sono due componenti principali: il rotore, che gira, e lo statore, che resta fermo ed è quello che porta gli avvolgimenti. Il rotore è eccitato mediante l’alimentazione in corrente continua, così da costituire il polo magnetico della macchina. Con la rotazione, il campo magnetico del rotore investe gli avvolgimenti dello statore e ne determina una variazione periodica del flusso concatenato.
Per effetto dell’induzione elettromagnetica, tale variazione genera una forza elettromotrice ai morsetti dello statore. La tensione è detta alternata perché la variazione del flusso, legata alla rotazione, produce una polarità che si inverte con periodicità regolare.
La configurazione è trifase poiché lo statore ospita tre sistemi di avvolgimenti disposti con sfasamento geometrico, generando tre tensioni tra loro sfasate nel tempo, idonee all’esercizio e al trasporto dell’energia sulla rete.
Trasformazione della tensione
L’energia elettrica prodotta dall’alternatore esce a un livello di tensione non idoneo, in genere, al trasporto su grande distanza e all’immissione diretta nelle dorsali di trasmissione elettrica.
Per questo motivo, a valle del generatore, si collocano i trasformatori che elevano la tensione e riducono la corrente a parità di potenza.
Ciò permette di contenere le perdite e di ridurre le sezioni conduttrici, rendendo possibile l’integrazione efficiente con la rete.
Il trasformatore principale, detto elevatore, costituisce quindi l’interfaccia tra il blocco turbogeneratore e la stazione elettrica di impianto.
Stazione di manovra e dorsali di trasmissione
La stazione elettrica d’impianto, detta anche stazione di manovra, è il punto in cui l’energia prodotta dalla centrale viene controllata prima di essere immessa in rete. Qui si trovano le apparecchiature che servono ad aprire, chiudere, isolare e proteggere i collegamenti elettrici. Nella stazione sono presenti anche i sistemi di misura e di protezione. Questi servono a controllare il corretto funzionamento dell’impianto e a intervenire rapidamente in caso di guasto. Per farlo si usano i TA e i TV, cioè trasformatori di corrente e trasformatori di tensione. Il loro compito è ridurre corrente e tensione a valori adatti agli strumenti e ai relè, così da renderli misurabili e utilizzabili in sicurezza.
Se in un punto della rete si verifica un’anomalia, le protezioni individuano il problema e comandano l’isolamento del tratto interessato. In questo modo il guasto viene separato dal resto dell’impianto e si evita che coinvolga l’intero sistema.
Dalla stazione di manovra partono poi i collegamenti verso le dorsali di trasmissione, cioè le linee ad alta o altissima tensione che trasportano grandi quantità di energia a lunga distanza. Mediante queste linee la centrale si collega alla rete elettrica generale, diventando così uno dei suoi nodi di funzionamento in un dialogo continuativo con l’intero sistema elettrico.
Bibliografia essenziale
Fontanot, S., Monfalcone «elettrica», 21/mo Secolo, 2014
Pierini, F., Generatori di vapore, Hoepli, 2ª ed., 2021
Pierini, F., Impianti termici, Hoepli, 2020
Commissione europea, Decisione di esecuzione (UE) 2017/1442 della Commissione, del 31 luglio 2017, che stabilisce le conclusioni sulle migliori tecniche disponibili (BAT) per i grandi impianti di combustione, G.U.U.E., L 212, 17 agosto 2017
