Lucidi del corso di
Fluidodinamica e Macchine
Principi di combustione - Generatori di vapore
Prof. F. Martelli – Ing. A. Cappelletti, PhD
Versione 2015
Testi di Riferimento:
STEAM its Generation & use:
http://www.gutenberg.org/files/22657/22657-h/22657-h.htm
C.Belli, P.Chizzolini - Università di Pavia
http://www-3.unipv.it/electric/conven/
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Sommario
 Classificazione generatori di vapore
 a tubi di fumo
 a tubi d’acqua

Circuito acqua-vapore
– caldaie a circolazione naturale
– caldaie a circolazione assistita e forzata

Circuito aria-fumi
– combustione
– preriscaldatori dell’aria
– tiraggio

Esempi di generatori
 Scambio termico nei generatori di vapore
 Corrosione e incrostazioni
 Emissioni inquinanti

Ossidi d’azoto
 Ossidi di zolfo
 Particolato solido
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Campi di applicazione
 Campi di applicazione dei generatori di vapore
 Centrali termoelettriche
 Propulsione navale e impianti ausiliari navali
 Applicazioni industriali
 Produzione
della carta
 Essiccamento
 Distillazione
 Azionamento di magli e presse
 Impianti di riscaldamento
 Trazione ferroviaria (a carbone)
 Grandezze caratteristiche
 Pressione di esercizio
 Potenzialità
 Superficie di scambio termico
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[bar]
[t/h]
[mq]
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Classificazione
 Caldaie a tubi di fumo
A fiamma diretta
A ritorno di fiamma
• Tipiche del 1860-1870
• Superficie 300 mq, potenzialità 20 t/h
• Pressione massima 30-35 bar
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Classificazione
 Caldaie a tubi d’acqua
 A circolazione naturale sub-orizzontali
 Pressione
30-70 bar, potenzialità 100 t/h
 A circolazione naturale sub-verticali
 Pressione
30-130 bar, potenzialità 1000 t/h
 A circolazione forzata
 Pressione
150-200 bar, potenzialità 1000 t/h
 Ad attraversamento forzato
 Pressione
maggiore di 200 bar, potenzialità maggiore di 1000 t/h
 Generatori di vapore per centrali termoelettriche
Grande potenzialità (200-2000 t/h vapore)
Pressioni di funzionamento elevate (100 – 300 bar)
Presenza di risurriscaldatori
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Generatori a tubi di fumo
 Corpo cilindrico contenente acqua riscaldato da opportuni tubi di
fumo interni (a passaggi multipli)
 Potenzialità massima 10-20 t/h
 Pressione massima 30-35 bar
 Rendimento contenuto 65-75 %
 Facilità di regolazione (trazione) al variare della portata richiesta di vapore
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Generatori a tubi di acqua -1
 Nelle caldaie a tubi di acqua, l’acqua circola
all’interno del fascio tubiero, lambito
esternamente dai prodotti della combustione
 Il processo di circolazione permette di aumentare
I tempi di permanenza del fluido nel generatore di
vapore, e quindi di incrementare lo scambio
termico
 La presenza di tubi di diametro limitato permette
di raggiungere pressioni molto maggiori rispetto
alle caldaie a tubi di fumo
 Essenzialmente è costituita da:
A tubi sub-orizzontali
 1)
Collettore superiore
 2) Fasci tubieri vaporizzatori
 3) Surriscaldatore
 4) Economizzatore
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A tubi sub-verticali
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Generatori a tubi d’acqua - 2
 Nelle caldaie a tubi d’acqua si individuano generalmente
 Circuito acqua-vapore
T
Surriscaldatore
4
Evaporatore
 economizzatore
(ECO)
 evaporatore (EV)
 surriscaldatore (SH)
 eventuale risurriscaldatore (RH)
2
Economizzatore
3
1’
1
0
s
 Circuito aria-fumi
 aspirazione
aria comburente
 scambiatore rigenerativo aria-fumi
 volume di combustione
 scambiatore evaporatore
 scambiatore surriscaldatore
 scambiatore economizzatore
 sistemi di tiraggio - camino
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Circuito acqua–vapore - 1
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Circuito acqua–vapore - 2
 Economizzatore
 Riscaldamento del liquido fino quasi alle condizioni di saturazione
 Dalle condizioni iniziali alle condizioni di liquido saturo (sulla curva limite
inferiore) (trasformazione 1-2)
 HinizHsat
 Costruito con uno o più fasci di tubi internamente lisci ed esternamente
alettati
 Evaporatore
 Realizza il passaggio di fase da liquido a vapore
 Dalla
curva limite inferiore (liquido saturo) alla curva limite superiore (vapore
saturo)
 E’ costituito da tubi alettati e scambia calore con la fiamma per irraggiamento
 Schemi corpo cilindrico
– circolazione naturale (per basse/medie pressioni)
– circolazione assistita
– attraversamento forzato (per caldaie supercritiche)
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Circuito acqua–vapore - 3
 Surriscaldatore ed eventuale risurriscaldatore
 provvede al surriscaldamento del vapore
 da
vapore saturo a vapore surriscaldato (trasformazione 3-4)
 costruito con molteplici fasci di tubi alettati
 a seconda della soluzione costruttiva può essere disposto in modo da
scambiare calore prevalentemente per convezione o per irraggiamento
 caratteristiche analoghe per gli eventuali risurriscaldatori
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Circolazione naturale - 1
 Differenza di densità tra vapore e liquido
 la forza fluidomotrice è determinata dalla diversa densità del fluido di lavoro
fra ingresso e uscita e dalla variazione della quota geodetica
 il
sistema funziona finché la differenza di densità fra liquido e vapore è significativa
– tale differenza tende a scomparire avvicinandosi alla pressione critica (220 bar)
– soluzione limitata a p<100-130 bar
 sono
necessarie altezze elevate (10-30 m)
 nello schema classico si individuano
 tubazioni
ascendenti
 tubazioni discendenti
 corpo cilindrico
– in questo collettore le due fasi sono separate per gravità
 È necessario assicurare un efficace circolazione per evitare surriscaldamenti
e rotture dei tubi
 Rotture
dovute al mancato drenaggio del calore
– Causato dalla formazione di bolle di vapore (film boiler)
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Circolazione naturale - 2
 La differenza di pressione è data da
SH
corpo cilindrico
 ρd – densità media colonna discendente
coincidente con quella del liquido saturo
 ρa – densità media colonna ascendente,
miscela bifase acqua-vapore. La frazione in
massa di vapore non supera il 15-20%. Il
valore di ρa dipende dalla ripartizione del
flusso termico sul fascio tubiero
fiamma/fumi
∆pd = ( ρ d − ρ a )gH
H
ascendente
fascio
tubiero
discendente
collettore di raccolta inferiore
 H – differenza di quota fra i due collettori
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Circolazione assistita
 Corpo cilindrico con forza fluidomotrice
fornita da apposite pompe
SH
corpo cilindrico
 le pompe aspirano l’acqua dal corpo cilindrico
inviandola al collettore inferiore
usato per pressioni subcritiche (150-170
bar)
 la presenza del corpo cilindrico consente una
regolazione efficace (funge da polmone)
 per pressioni molto elevate l’estrazione del
vapore per gravità non è molto efficiente
 sistemi
a diaframma
 sistemi a ciclone
fiamma/fumi
 sistema
pompa di
circolazione
collettore di raccolta
inferiore
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Circolazione forzata
 Quando la pressione è prossima o supera
il valore critico, si adottano generatori
monotubolari
 per pressioni > 221 bar il processo di
evaporazione è puntuale
 eliminazione il corpo cilindrico
 le fasi di riscaldamento (economizzatore),
vaporizzazione
e
surriscaldamento
si
susseguono sequenzialmente
 la lunghezza del serpentino può essere
dell’ordine del km
 caratteristiche
 Pressione
massima 260 bar
 Temperatura massima 540°C
 Potenzialità 1860 t/h
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Circolazione forzata
Caldaia Benson
260bar
545/562°C
550MWe
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Circuito aria – fumi - 1
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Combustione
 Gli ampi volumi a disposizione e le basse velocità
in gioco rendono piuttosto semplice l’ottenimento
di una combustione ad altissima efficienza
 I generatori tradizionali sono interessati da camere
di combustione costituite da numerosi bruciatori
che realizzano fiamme di diffusione
 generalmente si opera in eccesso di aria
 la
preparazione
del
combustibile
diventa
problematica in presenza di combustibili liquidi e
solidi (carbone)
 Le dimensioni della camera sono legate alle
caratteristiche del combustibile e alla emissività
dei fumi corrispondenti
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Combustione
 La disposizione dei bruciatori viene ottimizzata’ in funzione del combustibile da
utilizzare
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Scambiatore rigenerativo aria – fumi - 1
 Ha il compito di preriscaldare l’aria
comburente aspirata dall’ambiente esterno
 i gas esausti vengono raffreddati da 300-350 °C
fino a 120-150°
 l’aria viene riscaldata fino a 300°C circa
 componente fondamentale negli impianti ad alta
pressione
 acqua
nell’ECO già ad alta temperatura
 unico sistema per abbassare T al camino (recupero)
 Due tipologie
 a fasci tubieri
 scambiatori
a superficie aria-gas
 richiedono elevate superfici di scambio problemi di
corrosione e incrostazione
 a masse di accumulo (tipo “Lyungström”)
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Scambiatore rigenerativo aria – fumi - 2
 Ljungström
 tamburo costituito da lamierini di acciaio messi
alternativamente in comunicazione con i gas
caldi e l’aria fredda

svolgono il ruolo di accumulatori termici
 lente velocità di rotazione (2-3 rpm)
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Tiraggio del generatore di vapore
 Si hanno tipicamente due soluzioni
 tiraggio bilanciato
 caldaia
a pressione praticamente atmosferica (0.5-2 mbar di depressione)
ventilatori per aria e fumi
 preferibile per caldaie a combustibile solido, che presentano problemi di tenuta
per via delle grandi dimensioni
 caldaia pressurizzata
 la
caldaia è mantenuta in lieve pressione per opera dei soli ventilatori che
elaborano l’aria comburente
 maggiore efficienza (minor potenza assorbita dai ventilatori) e minori problemi di
corrosione (aria pulita)
 occorre garantire una perfetta tenuta della caldaia
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Generatore standard a circolazione naturale
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Generatori a tubi d’acqua – esempi - 1
 Caldaia Tosi (Tosi) con pareti interne
schermate
 Tipo VP-12W, 50 t/h
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 Caldaia Stirling
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Generatori a tubi d’acqua – esempi - 2
 Caldaie industriali
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Generatori a tubi d’acqua – esempi - 2
 Bruciatori (carbone)
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Generatori a tubi d’acqua – esempi - 2
 Caldaia Babcock e
collettore longitudinale
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Wilcox
a
 Caldaia doppia tipo Babcock
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Scambio termico nei generatori di vapore
 A seconda della zona della camera lo scambio termico avviene
prevalentemente per
 irraggiamento
 fasci
tubieri dell’evaporatore e del surriscaldatore
 convezione
 economizzatore,
eventuale risurriscaldatore e parte dei fasci tubieri del
surriscaldatore
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Irraggiamento
 Pareti praticamente corpi neri, fiamma corpo grigio
 Il calore irraggiato dalla fiamma sulle pareti della camera vale:
QIR = σSε (T14 − T24 )
 σ - costante di Boltzmann (5.67x10-8 Wm2K-4)
 S – Superficie irraggiante o irradiata
 ε - emissività. E’ bassa per fiamme di gas naturale (0.6-0.7) e cresce passando a
combustibili liquidi o solidi (particelle solide in sospensione ad alta emissività)
 Il bilancio complessivo della caldaia è:
QIR = QIN − QGOUT

QIN – potenza termica in ingresso
 QGOUT – potenza termica asportata dai gas combusti
 Nelle zone non irraggiate dalla fiamma si ha una sensibile quota di calore
trasmesso per irraggiamento non luminoso dovuto all’apprezzabile emissività
nell’infrarosso di H2O e CO2
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Convezione
 Ha contributo prevalente rispetto all’irraggiamento per Tgas < 400°C
 A 1000°C è ancora prevalente l’irraggiamento nell’infrarosso
 Lo scambio termico per convezione è esprimibile tramite:
QCON = KS (T1 − T2 )
 il coefficiente globale di scambio termico K è funzione principalmente di:
 he
– coefficiente di scambio termico lato gas
Nu =
 hi
he d e
λg
= 0.287 Re 0.61 Pr 0.333
– coefficiente di scambio termico interno (vapore)
Nu =
hi d i
λv
= 0.023 Re 0.8 Pr 0.4
e de sono i diametri interni ed esterni della tubazione, λg λv le conducibilità di gas
e vapore
 di
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Incrostazioni
 Fenomeni di incrostazione dei fasci tubieri
irraggiati e di sporcamento delle zone a
convezione
 slagging
 formazione
di incrostazioni molto resistenti a partire
dalla fusione delle ceneri nelle zone ad alta
temperatura (irraggiamento)
– i depositi aumentano la resistenza termica del metallo
riducendo il calore scambiato
– problemi di corrosione per attacco da parte di sostanze
acide
 fouling
 deposito
di grandi quantità di ceneri sui fasci tubieri a
convezione con riduzione del coefficiente di scambio
termico
– in presenza di SiO2 si ha anche erosione dei tubi
– vengono adottati sistemi automatici di soffiatura
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Corrosione
 Corrosione a bassa temperatura
 formazione di condense acide sui fasci tubieri nelle zone finali del
generatore per condensazione del vapor acqueo dei gas
 in
assenza di sostanze acide la T di rugiada è legata al solo contenuto di vapore
(43°C con 10% di umidità assoluta)
– con tracce anche modeste di SO2 (S+O2SO2) la T di rugiada si avvicina ai 100°C,
prossimi alla T dell’ECO
 rimedi
– scaricare al camino con T>120-180°C (in base al tenore di zolfo del combustibile) per
evitare la formazione di acido solforico (H2SO4)
– combustione senza eccesso d’aria per ridurre la frazione di H2O
– introduzione di inibitori dell’acidità (dolomite, ammoniaca, calce) che assorbono SO2
 Corrosione ad alta temperatura
 determinata dalla presenza di sostanze acide nelle incrostazioni di ceneri
fuse (slagging) (Na2SO4 e K2SO4)
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Emissioni inquinanti dei generatori di vapore
 Le emissioni di sostanze incombuste sono limitate alle situazioni di
fuori progetto del generatore o all’uso di combustibili
particolarmente critici
 Ossidi d’azoto
 incontra problematiche di formazione analoghe a quelle viste per le TAG
 Ossidi di zolfo
 emissione fortemente dipendente dal tenore di zolfo nel combustibile
 Particolato solido
 risulta particolarmente critica utilizzando combustibili liquidi e solidi (carbone)
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Ossidi d’azoto
 Elevato contributo dei fuel NOx bruciando
carbone (per via dell’alto contenuto di composti
azotati (fino al 50-60% del totale)
 Contenimento (max 60%)
 Combustione a stadi per olio combustibile e carbone
 Bruciatori premiscelati per combustibili gassosi
 Abbattimento (oltre 80%)
 Selective Catalytic Reduction (SCR)
 riduzione
degli NOx ad N2 tramite la seguente reazione:
– 4NO + 4NH3 +O2  4N2 + 6H2O
– la reazione deve essere catalizzata in un reattore chimico
posto a monte del Lyungström (T = 300-400°C)
– richiede la perfetta miscelazione dell’ammoniaca nei gas:
NH3 viene iniettata nei fumi
– implica un notevole incremento del costo di installazione
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Ossidi di zolfo
 Sono costituiti in massima parte da SO2 e in minima parte da SO3
 derivano esclusivamente dalla ossidazione dello zolfo contenuto nel
combustibile
 limitati ad olio combustibile e carbone
 effetti dannosi
 diretti
– tossicità
 effetti
indiretti
– piogge acide (formazione di acido solforico)
 abbattimento e contenimento
 desolforazione
dei fumi
– processi ad umido: danno luogo alla formazione di fanghi (gesso) che occorre smaltire
– processi a secco: più efficienti per bassi tenori di zolfo
 desolforazione
del combustibile
– olio combustibile pregiato: BTZ (< 1% di S) e STZ (<0.5% di S)
 desolforazione
durante la combustione
– combustione in letto fluido
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Particolato solido
 problema fondamentale della combustione del
carbone
 severe limitazioni legislative (150 mg/Nm3 in Italia)
 sistemi di cattura del particolato solido
gas
cavi
 precipitatori elettrostatici (efficienza >99.5%)

il flusso di gas viene sottoposto ad un campo elettrico di
40-60 kV
– le particelle solide si ionizzano (caricano NEG) e vengono
catturate dalle piastre cariche POS da dove sono
recuperate
+
+
» occorre controllare l’umidità e la composizione delle particelle
che alterano la resistività (108-1011 Ω cm)
» funzionamento intermittente per evitare archi
 filtri a manica

cattura mediante filtraggio attraverso speciali tessuti
–
–
–
–
catturano particelle più fini (sub microniche)
insensibilità alle caratteristiche delle ceneri
concentrazioni in uscita di 15-25 mg/Nm3
perdite di carico e manutenzione
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piastre
─
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