DEPOSITO CARBONE FOSSILE:
determinare l'ampiezza del deposito di carbone per una centrale termoelettrica di 600 MW di potenza.
La centrale si trova in Sardegna; il carbone arriva via mare dalla Polonia; la società di trasporti ha una nave di 15.000 tonnellate di carico utile. La discarica della nave avviene per mezzo di una benna in un deposito sul molo. Il trasporto alla centrale avviene con i camion.
INTRODUZIONE:
E' ovvio che non giungeremo ad una soluzione vera e propria: in questo paragrafo saranno mostrati solo alcuni dei processi decisionali e impiantistici che si devono affrontare per l'approvvigionamento del combustibile. Alcune decisioni poi sono di natura politica e altre ancora finanziarie, che poco hanno a che vedere con i problemi tecnici(1). Per esempio: perché importare carbone dalla Polonia e non dal Marocco?
CARATTERISTICHE DEL CARBON FOSSILE.
Il carbon fossile si può classificare in diversi modi: i più importanti sono 1) in base al potere calorifico, 2) in base al contenuto in ceneri o residui.
1) in base al potere calorifico. Il potere calorifico è la quantità di calore che può produrre 1 kg di quel combustibile bruciando completamente. Di solito si adopera il potere calorifico inferiore, cioè si trascura il calore asportato dall'acqua di combinazione(2) che va via sotto forma di vapore insieme ai fumi. Il manuale Colombo li classifica in questo modo:
SUP. p.c.s. Cal / kg |
kg / m3 |
|||
L'umidità, cioè il contenuto in H2O, è di due tipi: a) acqua di imbibizione che dipende dalla stagione, dalle condizioni del deposito, dalla pezzatura, che si elimina semplicemente lasciando il carbone all'azione dell'aria e del sole; b) acqua igroscopica contenuta nei pori del materiale, costante e caratteristica per ciascun tipo di carbone, che si può eliminare soltanto con il riscaldamento a 100 °C che ne produce l'evaporazione (essiccamento).
Il Colombo classifica poi i litantraci in carboni secchi, grassi e magri, a lunga o corta fiamma, a seconda del loro contenuto in sostanze volatili, come acqua, gas e vapori.
Noi supporremo di avere a disposizione carbone antracite con p.c.i. = 7.500 Cal / kg.
2) in base al contenuto in ceneri o residui. Questo dato è importante per lo smaltimento in appositi luoghi opportunamente scelti e attrezzati(3): questo aspetto infatti fa crescere i costi e rende più complessi gli impianti. Inoltre influenza direttamente la centrale perché rende difficile la depurazione dei fumi, che sempre ne trasportano almeno una piccola parte, non contando la dispersione della polvere di carbone sotto l'azione del vento. La salvaguardia dell'ambiente dall'inquinamento è anche un problema tecnico.
Noi supporremo che le ceneri siano il 4 % in peso del carbone.
TRASPORTO SU NAVE.
Il trasporto via mare del carbone pone alcuni problemi riguardo al rischio di incendio. Infatti il carbone può incendiarsi per autocombustione(4), a partire dalla base del mucchio, a causa del suo contenuto di gas combustibili. L'incendio può durare per molto tempo senza manifestarsi. Per ridurre questo rischio o eliminarlo occorre rivoltare spesso il cumulo, in modo da liberare i gas e i vapori lasciandoli disperdere nell'aria; per eliminarlo occorre disporre di stive ermeticamente chiuse, nelle quali immettere il gas inerte come sulle petroliere.
L'ACCUMULO NEL DEPOSITO DELLA CENTRALE.
Sono da tenere presenti i seguenti problemi:
A) la distanza fra i cumuli.
I veicoli che trasportano il carbone e lo movimentano sono di grandi dimensioni e quindi di difficile manovra in spazi ristretti. Fra i cumuli quindi devono esserci ampi spazi liberi, tali da garantire l'incrocio di due macchine.
La distanza fra i piedi dei cumuli sarà orientativamente di almeno 20 metri.
B) il volume di ciascun cumulo.
Il volume deve essere ricavabile in modo semplice e immediato attraverso la loro forma. Il modo più semplice è quello di costruire i cumuli come piramidi tronche, con i lati inclinati secondo l'angolo di attrito(5) del materiale. Misurati i lati delle basi inferiore e superiore il volume è dato dalla relazione:
Vc = [h / 6] [a b + (a + a') (b + b') + a' b']
nella quale h è l'altezza della piramide tronca, altezza che si può misurare(6) lasciando infissa nel terreno un'asta metrica, intorno alla quale si realizza il cumulo. Supponendo che il coefficiente di attrito carbone su carbone sia fc = 0,60, i lati della piramide sono inclinati dell'angolo a = arctg 0,60 = 31 °.
C) la discarica.
Una soluzione è quella di stabilire un deposito sul molo. L'altra soluzione è quella di caricare direttamente sui camion. Dalla nave oppure dal deposito ai camion la carica avverrà usando una benna mordente bivalve montata a bordo oppure a terra, rilasciando il carbone da piccolissima altezza per evitare il diffondersi delle polveri a causa del vento. Nel deposito della centrale i camion scaricheranno direttamente sui nastri trasportatori(7) oppure dentro una tramoggia collegata al nastro, anche qui badando che il carbone non produca eccessiva polvere che sarà diffusa dal vento.
La portata del nastro si ricava in questo modo:
Qn = k C g v (0,9 B - 0,05)2
nella quale B è la larghezza del nastro in metri, v è la velocità del nastro in m / s, g è il peso specifico in tonnellate al metro cubo, C un coefficiente che vale 240 per nastri a superficie piana e 440 per nastri con superficie concava, k un altro coefficiente che dipende dall'inclinazione del nastro e vale per esempio 0,81 per l'angolo di 20°. Per il carbone il Colombo consiglia per un nastro largo 800 mm una velocità massima di 2,50 m / s.
D) il trasferimento.
Il trasferimento dal porto al deposito avverrà con camion coperti da un telo su strade appositamente costruite, in modo da non interferire con il traffico normale. Ciò consente una maggiore speditezza nel trasferimento e quindi una riduzione del tempo di lavoro. Se la distanza dal porto non supera il chilometro è possibile anche il trasporto su nastro, sostenuto con piloni alti almeno sei metri rispetto al suolo. Oppure ancora con teleferica(8), per distanze che possono arrivare a qualche chilometro.
Se è disponibile una linea ferrata, anche a scartamento ridotto, il trasporto dalla nave alla centrale risulta ancora più economico. In questo caso si presenta però il problema della movimentazione all'interno del deposito in centrale, a causa della difficoltà di manovra dei vagoni.
LA PREPARAZIONE DELLA POLVERE.
Sono da tenere presenti i seguenti problemi:
A) l'essiccazione.
Per essere macinato il carbone deve essere essiccato perfettamente (il problema è identico a quello casalingo di macinare o grattugiare il pane). Ciò si ottiene usando il calore di una parte del vapore prodotto in centrale con uno spillamento dall'ultima sezione della turbina (vapore a bassa pressione). Il vapore passa in una serpentina immersa nel mucchio destinato al frantoio e riscalda la massa facendo evaporare l'acqua. Se il carbone fosse umido o addirittura bagnato, i denti del frantoio ben presto sarebbero impastati e non riuscirebbero più a frantumare i pezzi di maggiore dimensione.
B) il frantoio.
E' una grossa macchina molto rustica. Il carbone viene versato in una tramoggia di grandi dimensioni, con le pareti molto inclinate in modo da evitare il rischio che il materiale si accumuli al suo interno. Il carbone, in pezzi spesso molto grandi, dalla tramoggia cade nello spazio fra i denti di due cilindri rotanti che lo sminuzzano sino ad una certa dimensione. Da questi il materiale viene portato con nastro ad una seconda tramoggia che fa capo ad un'altra coppia di cilindri che riducono ancora la dimensione dei pezzi, e così via, sino a raggiungere la dimensione di polvere con diametro medio di 0,05 mm. La polvere viene setacciata su reti metalliche (vaglio) oscillanti e inclinate in modo che i pezzi maggiori di quella misura vanno a cadere in un nastro che li riporta nell'ultimo stadio del frantoio. La polvere deve passare tutta in un setaccio con 900 maglie / cm2 e deve lasciare un residuo dall'8 al 15 % su un setaccio di 4.900 maglie / cm2. La polvere così prodotta brucia quasi come un gas, con piccolo eccesso d'aria ad alta temperatura. La polvere finita cade in mucchi conici da un apposito nastro di lunghezza variabile all'interno di un capannone.
C) la protezione.
La polvere di carbone non può essere lasciata all'esterno e quindi viene accumulata in enormi capannoni chiusi su tre lati per proteggerla dai venti dominanti del luogo.
D) il ciclone.
Si tratta di un potente ventilatore centrifugo che soffia, dentro una specie di impastatrice, una miscela di aria e vapore. Il carbone, appena inumidito, si agglomera in piccolissime e leggerissime sferette che vengono trasportate dalla corrente d'aria nei tubi di approvvigionamento dei bruciatori, comportandosi quasi come un liquido. E' ovvio che i tubi per il trasprto della polvere di carbone devono essere di forma e sezione ben studiata (per esempio sono da escludere curve strette e cambiamenti bruschi di sezione) altrimenti la polvere si accumulerebbe ostruendo il passaggio.
IL BRUCIATORE.
A) soluzioni tecniche. Il bruciatore è una macchina piuttosto complessa che consiste essenzialmente in un tubo nel quale convergono due o più tubi ciascuno dei quali trasporta in pressione un elemento fluido, per esempio aria, vapore e carbone. All'estremità che si trova dentro la caldaia il bruciatore ha numerosi fori, ciascuno munito di otturatore, disposti a raggiera, dai quali la miscela esce "sparata" in opportune direzioni a ventaglio in modo da favorire la dispersione del materiale combustibile e di conseguenza il suo contatto con l'ossigeno atmosferico. I bruciatori sono anche brandeggiabili, cioè possono essere ruotati verso l'alto o verso il basso per dirigere la fiamma nel punto prescelto. I bruciatori sono distribuiti regolarmente su almeno tre lati della caldaia, sistemati su più piani, in modo da distribuire il combustibile su un grande volume d'aria. Tuttavia con i bruciatori a carbone essi devono stare piuttosto lontani dal cielo della caldaia per evitare che la corrente dei fumi trascini troppa polvere (incombusti e ceneri).
B) l'aria. Di solito l'aria è portata da due tubi: una parte, aria primaria, viaggia insieme al combustibile per tenerlo in agitazione e favorire il suo moto; l'altra, detta aria secondaria, si riunisce alla prima nel bruciatore e serve per completare la dotazione di ossigeno necessario alla combustione.
LA RISERVA FUNZIONALE.
E' il volume di carbone che deve essere presente in prossimità della centrale a disposizione per il funzionamento fra un trasporto e l'altro con un margine di sicurezza pari ad un mese di funzionamento al massimo regime di produzione.
LA RISERVA STRATEGICA.
E' il volume di carbone che deve essere presente in prossimità della centrale per il funzionamento di tre mesi in assenza di ulteriori rifornimenti per cause eccezionali.
SOLUZIONE:
La potenza di una centrale termoelettrica a vapore è data da:
Nt = a P Dl / 860 [kW]
nella quale a è il rendimento complessivo(9) della turbina con valore variabile fra 0,45 e 0,80, essendo il maggiore per le grandi turbine; P [kg / h] è il peso di vapore utilizzato in un'ora; Dl [Cal / kg] è il salto entalpico valutato sul diagramma di Mollier. Supponiamo che i dati termodinamici siano: pressione massima 200 atm, temperatura massima 550 °C, pressione al condensatore 0,05 atm con titolo 0,95; supponiamo anche (non è assolutamente possibile, ma non vogliamo esagerare con i calcoli...) che la turbina abbia un solo corpo(10), e che quindi la potenza sia sviluppata tutta nelle condizioni dette. La variazione di entalpia è
Dl = l1 - l2 = 814 - 583 = 231 [Cal / kg]
Ricordando che la potenza è di 600 MW = 600.000 KW si ottiene:
Ph = Nt 860 / a l = 600.000 x 860 / 0,80 x 231 = 2.792.000 [kg / h] = 2.792 [t / h]
Questo peso di vapore possiede Q = l1 Ph = 814 x 2.792.000 = 227.286.000 [Cal / h].
Il rendimento della caldaia(11) sia h = 0,65 e quindi per produrre quella quantità di calore, con l'antracite che ha un p.c.i. = 7.500 [Cal / kg], occorre bruciarne:
Gh = Q / p.c.i. = 227.286.000 / 7.500 = 30.305 [kg / h]
Ne segue che il consumo giornaliero di carbone è:
Gg = Gh 24 = 30.305 x 24 = 727.300 [kg / giorno].
La riserva funzionale per un mese vale quindi:
Gm = Gg 30 = 727.300 x 30 = 21.820.000 [kg / mese] = 21.800 [t / mese]
La nave per il trasporto del carbone dalla Polonia deve fare circa 2 viaggi al mese. Il peso delle ceneri da smaltire è Pc = 0,04 x 21.800 = 870 [t / mese]. Tenendo conto del peso specifico g = 800 kg / m3, la riserva funzionale ha un volume:
Vf = Gm / g = 21.820.000 / 800 = 27.280 m3.
Facendo mucchi alti 4 metri con l'angolo di inclinazione di 31° e base quadrata con lato superiore b = 15 m, il lato inferiore vale circa c = 28 m
per un volume, essendo nella formula precedente a = b = c e a' = b' = b (vedi la figura qui sopra):
Vc = [h / 6] [a b + (a + a') (b + b') + a' b'] = [h / 6] [c2 + (c + b)2 + b2] = [4 / 6] [282 + (28 + 15)2 + 152] = 1.905 m3
I mucchi di carbone adoperati in un mese sono perciò n = Vf / Vc = 27.280 / 1.905 = 14,3 arrotondato a 14.
Adoperando lo stesso criterio per la riserva strategica di tre mesi i mucchi diventano
nt = 14 + 14 x 3 = 56
La superficie di terreno occupata dai mucchi è quindi
S = nt c2 = 56 x 282 = 43.900 m2
Poiché fra i mucchi deve esserci uno spazio libero di 20 metri le loro dimensioni di base diventano 48 x 48 m e quindi lo spazio occupato dal deposito del carbone diventa:
Stot = 48 x 48 x 56 = 129.000 m2 = 13 ettari
(1) Il compito del tecnico è solitamente quello di attuare delle decisioni prese da altri. In generale qualcuno decide di fare o costruire qualcosa: il tecnico assume l'impegno di realizzare il compito nel "migliore" dei modi in funzione della volontà e dello scopo del committente. Occorre tener presente che non esiste una soluzione migliore in senso assoluto, ma soltanto in relazione ad alcune condizioni poste da chi assegna l'incarico. Per esempio mi piacerebbe avere una casa di 1.000 metri quadrati, ma se dispongo soltanto di 1.000 euro nessun tecnico è in grado di soddisfare la mia richiesta. Questa limitazione vale in qualunque campo applicativo.
(2) Il calore asportato dall'acqua di combinazione deriva dal fatto che tutti i combustibili fossili possiedono, in una forma o in un'altra, idrogeno che durante le reazioni di combustione reagisce con l'ossigeno atmosferico producendo acqua che, per effetto della temperatura esistente, è in forma di vapore che si allontana insieme ai fumi.
(3) Lo smaltimento delle ceneri può avvenire in molti modi a seconda della loro natura e delle attività agricole e industriali del territorio circostante la centrale. Le ceneri infatti contengono le impurità minerali tipiche delle rocce della miniera di estrazione e cioè silicati, carbonati, argilla, ossidi di diverso tipo, solfati, solfuri, alcali, fosfati, magnesite, potassio, ecc.: a) nell'industria del cemento: le ceneri contenenti silicati di ferro e alluminio possono essere aggiunte al materiale di base per la produzione del cemento, in modo da esaltarne o deprimerne alcune caratteristiche; b) le ceneri contenenti fosfati e potassio possono essere usate in agricoltura per correggere i difetti di qualche tipo di terreno, oppure come terra vera e propria per coltivazioni che hanno bisogno di un terreno assolutamente sterile; c) le ceneri contenenti argilla e ossidi possono essere usate nell'industria dei laterizi e delle ceramiche; d) se le ceneri non sono utilizzabili assolutamente vengono depositate in discariche appositamente attrezzate e sorvegliate.
(4) Il fuoco può covare per mesi senza che nulla appaia in superficie. Lo spegnimento non si può effettuare con l'acqua in quanto ciò produrrebbe altro sviluppo di calore. L'acqua infatti sul carbone ardente si dissocia in H+ (combustibile) e OH-; poiché il contatto con l'aria è ridotto, si forma molta CO, gassosa e anch'essa combustibile, e quindi l'incendio si autoalimenta. Il metodo più efficace è rivoltare il carbone portando quello acceso in superficie e coprendolo con la sabbia o con la schiuma che annullano il contatto con l'ossigeno atmosferico.
(5) L'angolo di attrito è quello di inclinazione di un piano sul quale si trova il materiale in esame, tale che il materiale stesso scivola verso il basso di moto uniforme.
(6) La misura dell'altezza del mucchio si può ottenere anche con un tacheometro.
(7) I nastri trasportatori sono appunto nastri di gomma con anima di tela o di fili d'acciaio, chiusi ad anello su una serie di rulli, mossi da un motore. Il nastro poggia sui rulli di sostegno sia nella parte traente che in quella tratta. I rulli possono essere cilindrici o a doppio cono in modo da creare una incavatura nella quale si dispone il materiale da trasportare. Il nastro è tenuto teso da apposite molle oppure da contrappesi sul ramo scarico. Ci sono nastri lunghi anche 500 metri; per distanze maggiori si adoperano tratte che versano l'una nell'altra. Se il nastro deve guadagnare quota la sua inclinazione deve essere minore dell'angolo di attrito del materiale da trasportare. Anche la velocità di scorrimento dipende dal materiale trasportato.
(8) La teleferica è costituita da una serie di carrelli appesi ad una fune chiusa ad anello (fune portante) e trascinati da una seconda fune (fune traente) mossa da un motore per mezzo di una puleggia sulla quale la fune si avvolge e si svolge con continuità. I carrelli, o vagoncini, possono avere l'apertura automatica del fondo per lo scarico oppure possono essere sganciati per lo scarico e riagganciati per ritornare al punto di carico.
(9) Il rendimento complessivo della turbina dipende da diversi fattori: a) contropressione allo scarico nel condensatore: affinché il vapore possa uscire dalla turbina esso deve avere una pressione maggiore di quella esistente nel condensatore (rendimento termodinamico); b) trafilamento di vapore nei giochi fra rotore e statore (rendimento volumetrico); c) perdite di carico nei tubi di distribuzione del vapore fra le diverse sezioni di alta, media e bassa pressione; d) attriti nei cuscinetti di sostegno e nei premistoppa che impediscono l'uscita del vapore lungo l'asse (rendimento meccanico); e) energia necessaria per l'impianto di lubrificazione, per mantenere il vuoto nel condensatore, ecc. (rendimento organico); f) energia persa per effetto degli spillamenti; g) ....
(10) La turbina abbia un solo corpo. Un impianto così grande avrà almeno tre corpi - turbina: alta, media e bassa pressione, o addirittura due linee in parallelo ciascuna con tre corpi. Inoltre saranno presenti due o più risurriscaldamenti, tre o più spillamenti, ecc. tutte cose che modificano profondamente il salto entalpico.
(11) Il rendimento della caldaia dipende da moltissimi fattori: a) calore perso nei fumi; b) calore perso attraverso le pareti; c) calore perso per incombusti; d) calore perso negli spurghi; e) energia utilizzata nella preparazione del combustibile; f) energia utilizzata per azionare le pompe dell'acqua; g) ....