Produzione di energia elettrica distribuita da impianti di gassificazione

Tesi di Laurea

Facoltà: Ingegneria

Autore: Marco Mori Contatta »

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CAPITOLO 1: FONTI RINNOVABILI DI ENERGIA E VALORIZZAZIONE ENERGETICA DELLE BIOMASSE

1.1. IL CONCETTO DI SVILUPPO SOSTENIBILE

1.2 LA SITUAZIONE ENERGETICA ATTUALE E FUTURA
1.2.1 Il panorama energetico europeo
1.2.2 Il bilancio energetico italiano
1.2.3 Effetti ambientali dei cicli energetici
1.2.3.1 Emissioni di gas serra

1.3 VERSO UNA NUOVA POLITICA ENERGETICA
1.3.1 Gli indirizzi di cooperazione internazionale delle nazioni unite
1.3.1.1 Il Protocollo di Kyoto

1.4 IL SETTORE ENERGETICO DELLE FONTI RINNOVABILI
1.4.1 Tipi di fonti
1.4.2 Aspetti positivi e limiti

1.5 LA BIOMASSA

1.6 CONSIDERAZIONI GENERALI SUL POTENZIALE DELLE BIOMASSE
1.6.1 Premessa
1.6.2 Colture energetiche
1.6.3 Attuale utilizzazione delle biomasse in Italia
1.6.4 Prospettive delle biomasse nel contesto delle Fonti Rinnovabili

1.7 PRINCIPALI SVILUPPI NORMATIVI

1.8 VINCOLI AMBIENTALI
1.8.1 Aspetti ambientali derivanti dall'utilizzo delle biomasse
1.8.2 Valutazione impatto ambientale tramite LCA (Life Cycle Assessment)

CAPITOLO 2: PRINCIPI E TECNOLOGIE PER LO SFRUTTAMENTO ENERGETICO DELLE BIOMASSE

2.1 INTRODUZIONE

2.2 LE CARATTERISTICHE DELLE BIOMASSE

2.3 IL POTERE CALORIFICO

2.4 PRINCIPALI FORME DI CONVERSIONE ENERGETICA DELLE BIOMASSE
2.4.1 Processi biochimici
2.4.1.1 Idrolisi
2.4.1.2 La digestione anaerobica
2.4.1.3 Digestione aerobica
2.4.1.4 Biofotolisi
2.4.1.5 Estrazione di olii e produzione di biodiesel
2.4.2 Processi termochimici
2.4.2.1 Combustione diretta
2.4.2.1.1 Tecnologie per la combustione
2.4.2.2 Pirolisi
2.4.2.3 Steam Explosion

CAPITOLO 3: LA GASSIFICAZIONE

3.1 INTRODUZIONE

3.2. IL PROCESSO DI GASSIFICAZIONE
3.2.1 Essiccazione
3.2.2 Pirolisi
3.2.3 Ossidazione
3.2.4 Riduzione

3.3 FATTORI DI CONTROLLO DEL PROCESSO DI GASSIFICAZIONE
3.3.1 Influenza della temperatura Tr
3.3.2 L'analisi delle prestazioni di un gassificatore di biomassa
3.3.2.1 La modellistica del processo di gassificazione
3.3.2.2 Analisi di sensibilità
3.3.2.3 Fattore di ossigeno .
3.3.3 Influenza del fattore . di O2
3.3.4 Influenza della temperatura dell'aria Ta
3.3.5 Influenza dell'arricchimento di ossigeno dell'aria
3.3.6 Influenza della pressione di funzionamento P
3.3.7 Influenza dell'iniezione di vapore e umidità in ingresso

3.4 MODELLO DI SIMULAZIONE DEL PROCESSO DI GASSIFICAZIONE
3.4.1 Le basi teoriche del modello di Gumz
3.4.2 L'implementazione del modello di simulazione

CAPITOLO 4: TECNOLOGIE DEI GASSIFICATORI ED IMPIANTI DI TRATTAMENTO DEI GAS

4.1 INTRODUZIONE

4.2 GLI IMPIANTI PER LA PRODUZIONE DEL GAS A BASSO CONTENUTO CALORICO
4.2.1 Impianti di gassificazione a letto fisso
4.2.1.1 Gassificatore in controcorrente (up-draft)
4.2.1.2 Gassificatore in equicorrente (down-draft)
4.2.1.3 Gassificatore a flusso traverso
4.2.1.4 Comparazione tra i principali gassificatori a letto fisso
4.2.2 Impianti di gassificazione a letto fluido
4.2.2.1 Gassificazione a letto fluido bollente
4.2.2.2 Gassificazione a letto fluido circolante
4.2.2.3 Gassificatore a doppio letto fluido
4.2.2.4 Comparazione tra gassificatori a letto fisso e letto fluido
4.2.3 Impianti di gassificazione a letto mobile (orizzontale)
4.2.4 Impianti di gassificazione a letto trascinato
4.2.5 Altri tipi di impianti di gassificazione
4.2.6 Accenno alle tipologie di gassificatori indiretti
4.2.6.1 Char indirect gasifier
4.2.6.2 Gas indirect gasifier

4.3 TECNOLOGIE DI PULIZIA DEL GAS
4.3.1 Particolato
4.3.1.1 Cicloni
4.3.1.2 Precipitatori elettrostatici
4.3.1.3 Filtri a maniche
4.3.1.4 Filtri ceramici
4.3.1.5 Depolverizzatori ad umido
4.3.2 Impianti di abbattimento dello zolfo
4.3.2.l Sistemi ad umido
4.3.2.2 Sistemi a secco
4.3.2.3 Impianti per la desolforazione nel reattore
4.3.3 Impianti per la riduzione del catrame
4.3.3.1 Formazione del catrame nella gassificazione
4.3.3.2 Riduzione del catrame tramite depurazione dei gas
4.3.3.3 Riduzione catalitica del catrame
4.3.4 Acido cloridrico

CAPITOLO 5: DESCRIZIONE DELL'IMPIANTO DI GASSIFICAZIONE ''CINA''

5.1 INTRODUZIONE

5.2 DIMENSIONAMENTI
5.2.1 La fluidificazione
5.2.1 Determinazione della velocità minima di fluidificazione Umf
5.2.2 Letto bollente
5.2.3 Dimensione del gassificatore
5.2.4 Calcolo di Umf, U0, Hf e Hmf
5.2.5 Calcolo superficie di scambio termico
5.2.6 Calcolo delle particelle elutriate
5.2.7 Dimensionamento cicloni
5.2.8 Dimensionamento altezza del Dipleg

5.3 DESCRIZIONE DEL PROCESSO E DELLE APPARECCHIATURE
5.3.1 Sezione di alimentazione della biomassa
5.3.2 Sezione di gassificazione
5.3.3 Sezione di raffreddamento e clean up
5.3.4 Sezione di utilizzo del gas

5.4 DESCRIZIONE SINTETICA SISTEMA DI ACQUISIZIONE E CONTROLLO

5.5 PROVE SPERIMENTALI

CAPITOLO 6: STUDIO DEL COMPORTAMENTO DI UNA MICROTURBINA ALIMENTATA CON GAS A BASSO POTERE CALORIFICO

6.1 INTRODUZIONE

6.2 TURBINE A GAS
6.2.1 Ciclo Brayton
6.2.2 Rendimento ideale
6.2.3 Schema dell'impianto
6.2.4 Calcolo del lavoro
6.2.5 Confronto fra ciclo teorico e ciclo reale
6.2.5.1 Compressione
6.2.5.2 Somministrazione di calore
6.2.5.3 Espansione
6.2.5.4 Scarico lungo la linea a pressione costante 4' . 1
6.2.6 Rendimento termico globale del ciclo semplice reale
6.2.7 Influenza del rapporto di compressione ß e di T3 nel ciclo reale
6.2.8 La rigenerazione
6.2.9 Geometria dello scambiatore rigenerativo

6.3 LE MICROTURBINE
6.3.1 Descrizione tecnologica
6.3.2 Componenti di base
6.3.2.1 Turbo-compressore
6.3.2.2 Il generatore
6.3.2.3 I ricuperatori
6.3.2.4 L'elettronica di potenza
6.3.3 Caratteristiche di progetto
6.3.4 Le caratteristiche prestazionali
6.3.5 Efficienza elettrica
6.3.6 Prestazioni a carico parziale
6.3.7 Effetti delle condizioni ambientali sulle prestazioni
6.3.8 Scambiatore di calore rigenerativo
6.3.9 Temperatura di combustione
6.3.10 Costo d'immobilizzo
6.3.11 La manutenzione
6.3.12 I combustibili
6.3.13 La disponibilità
6.3.14 Scelta della microturbina

6.4 ANALISI E UTILIZZO DI COMBUSTIBILI GASSOSI LCV IN TURBINE A GAS
6.4.1 Trattazione teorica della camera di combustione delle turbine a gas
6.4.2 Prestazioni termodinamiche e del combustibile
6.4.3 Approccio differenziale alla termodinamica delle turbine a gas
6.4.4 Bilancio energetico in una turbina a gas e le varie definizioni di temperatura di combustione
6.4.5 Determinazione delle prestazioni della turbina a gas dai parametri del ciclo
6.4.6 Determinazione di dWGT/WGT, d.GT/.GT e dHex/Hex dalle proprietà del combustibile
6.4.7 Quantificazione dell'influenza del combustibile

BIOMASSA SYNGAS
6.4.8 Influenza del combustibile sul flusso del gas di combustione (parametro qf·FAR)
6.4.9 Influenza della capacità termica dei gas di combustione (Cpg)
6.4.10 Influenza del potere calorifico del combustibile (LHV) sulcomportamento del compressore e della turbina
6.4.11 Entalpia specifica del combustibile
6.4.12 L'accoppiamento tra il flusso di gas ng ed il rapporto di compressione del compressore .

CAPITOLO 7: INTEGRAZIONE DELLE MICROTURBINE NELL'IMPIANTO DI GASSIFICAZIONE CINA

7.1 STRATEGIE PER LA CONVERSIONE DELLA COMBUSTIONE DA GAS NATURALE A GAS LCV

7.2 SOLUZIONI ADOTTATE PER LA MICROTURBINA

7.3 INNALZAMENTO DELL'LHV CON L'INIEZIONE DI METANO

7.4 INNALZAMENTO DELL'LHV DEL SYNGAS CON VARIAZIONE DEL QUANTITATIVO D'OSSIGENO DELL'AGENTE GASSIFICANTE
7.4.1 Tecnologia di generazione dell'ossigeno

7.5. PRELIEVO DI ARIA DAL COMPRESSORE DELLA TURBINA A GAS DA UTILIZZARE COME AGENTE GASSIFICANTE

7.6. OTTIMIZZAZIONE DELLO SPILLAMENTO D'ARIA DALLA MICROTURBINA CON INTEGRAZIONE, NELL'IMPIANTO, DEI GENERATORI D'OSSIGENO.

7.7. RECUPERO DEL CALORE DA SMALTIRE PER L'UTILIZZO DEL FILTRO A MANICHE

CAPITOLO 8: MODELLO ECONOMICO PER LA VALUTAZIONE DELLO SCALE UP D'IMPIANTO E DETERMINAZIONE DELLA TAGLIA OTTIMA

8.1 NOTE INTRODUTTIVE

8.2 ANALISI ECONOMICA DELL'IMPIANTO CINA

8.3 COSTI DI INVESTIMENTO
8.3.1 Costi d'investimento diretti (CID)
8.3.1.1 Sezione di alimentazione
8.3.1.2 Sezione di gassificazione
8.3.1.3 Sezione di clean up e di utilizzo dei gas prodotti
8.3.1.4 Unità ausiliarie
8.3.1.5 Altri componenti d'impianto

8.4 COSTI DI AVVIAMENTO

8.5 COSTI OPERATIVI E DI MANUTENZIONE
8.5.1 Costi combustibile
8.5.2 Costo manutenzione e costi di esercizio
8.5.3 Personale
8.5.4 Spese generali

8.6 MODELLO ECONOMICO PER L'IMPIANTO A BIOMASSA
8.6.1 Determinazione del costo dell'energia per unità di potenza e della taglia ottimale
8.6.2 Risultati dell'analisi economica
8.6.3 Analisi di sensibilità

8.7 CONCLUSIONI

ALLEGATO 1

ALLEGATO 2

BIBLIOGRAFIA
Siti internet maggiormente consultati

RINGRAZIAMENTI