Le nuove normative ambientali hanno costretto molti gestori di centrali a carbone a considerare opzioni alternative per la gestione delle ceneri pesanti della caldaia. Sebbene i sistemi di trascinamento meccanico possano spesso soddisfare i requisiti normativi, lo spazio può comportare problemi e i costi possono essere significativi. Un innovativo design del trasportatore-smerigliatrice offre una serie di vantaggi rispetto ai sistemi più tradizionali.

Le nuove e in sospeso normative federali per lo stoccaggio e la movimentazione dei residui di combustione del carbone (CCR) stanno spingendo molte centrali elettriche a carbone a convertirsi in nuove tecnologie per il trasporto delle ceneri pesanti. Le piante negli Stati Uniti hanno tradizionalmente sluiced cenere di fondo ai depositi di superficie in cui i solidi si depositano. I regolamenti dell’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA) mirano a mitigare i rischi ambientali associati allo stoccaggio a lungo termine delle ceneri nei depositi e allo scarico dell’acqua di trasporto dai depositi. Lo smaltimento dell’EPA dei residui di combustione del carbone dalla regola delle utenze elettriche ha già costretto molti impianti a convertire i loro sistemi di trattamento delle ceneri al fine di soddisfare i criteri minimi stabiliti dalla regola per tali depositi.

Le linee guida sulle limitazioni degli effluenti (ELG) possono guidare un’altra ondata di conversioni, sebbene il regolamento sia attualmente in attesa per l’acqua di trasporto delle ceneri pesanti mentre l’EPA considera una revisione per questo flusso e il sistema di desolforazione dei gas di scarico delle acque reflue. Se confermato come proposto, l’ELG stabilirebbe un requisito di scarico zero per l’acqua di trasporto delle ceneri pesanti, che vieterebbe di fatto l’uso di depositi superficiali per le ceneri pesanti.

Sistemi di trascinamento meccanico

Al momento dell’emissione di queste regole, diverse tecnologie erano state sviluppate dai produttori di apparecchiature originali (OEM) del settore per ospitare la discarica di ceneri pesanti al posto del sequestro superficiale. Una di queste tecnologie è un sistema di trascinamento meccanico posto direttamente sotto la caldaia in cui la cenere di fondo cade in una tramoggia di depressione sequestrata dall’acqua con un trasportatore a catena sul fondo (Figura 1). In questo sistema, l’acqua agisce per estinguere e fratturare la cenere calda mentre il trasportatore trascina la cenere su una pendenza per drenare l’acqua. La cenere umida risultante può quindi essere trasportata in discarica. Questa tecnologia era in circolazione da anni ed è stata preferita per gli impianti di nuova costruzione nel passato più recente.

1. Sistema di trascinamento meccanico convenzionale. Cortesia: Babcock &Wilcox

Nell’ELG, l’EPA ha identificato due tecnologie—un sistema di trascinamento meccanico o un sistema di trascinamento meccanico remoto—come la migliore tecnologia disponibile (BAT) economicamente realizzabile. L’EPA ha citato la necessità di includere l’opzione del sistema remoto a causa di potenziali vincoli di spazio in alcune caldaie di impianti, riconoscendo che i sistemi di trascinamento meccanico sotto caldaia sono grandi e intrusivi come retrofit agli impianti stabiliti. In effetti, la maggior parte degli impianti non poteva adattarsi ai grandi trasportatori senza grandi lavori di costruzione a causa di acciaio strutturale, mulini a carbone, condotti d’aria, tubi del vapore e altre attrezzature nella zona. Inoltre, tramogge di cenere di fondo sono spesso situati in una fossa sub-grade, rendendo retrofit di un sistema di trascinamento convenzionale quasi impossibile. Anche nei pochi casi in cui questi trasportatori potevano essere retrofit, i costi di costruzione erano elevati a causa del lavoro necessario per rimuovere e sostituire essenzialmente la grande tramoggia di cenere di fondo.

La tecnologia remote drag è stata sviluppata appositamente per il mercato creato dalle nuove normative. Il suo valore è che la tramoggia di cenere di fondo e il sistema idraulico di chiusura sotto la caldaia rimangono essenzialmente intatti mentre i trasportatori a catena portacavi sono installati in una posizione remota dall’area della caldaia nel cortile dell’impianto. Invece di sluicing la sospensione della cenere di fondo agli stagni, i flussi sono deviati ai trasportatori a distanza, in cui i solidi sono sistemati ed asciugati simili ai trasportatori della sotto-caldaia. Tuttavia, una differenza fondamentale con il sistema remoto è che tutta l’acqua nel sistema è definita come acqua di trasporto anziché acqua di spegnimento e l’acqua di trasporto è soggetta a un requisito di scarico zero per l’ELG proposto. Ciò significa che tutta l’acqua nel sistema deve essere ricircolato, che aumenta notevolmente il capitale, e le operazioni e la manutenzione (O&M) costi.

Dal rilascio dell’ELG, i proprietari e gli operatori degli impianti hanno chiarito che, ove possibile, sono preferiti i sistemi sotto-caldaia, in larga misura per evitare la responsabilità associata all’utilizzo dell’acqua di trasporto nei sistemi remoti. Tuttavia, la maggior parte dei primi progetti di conversione erano sistemi remoti a causa dei vincoli di spazio precedentemente menzionati.

Grinder-Conveyor System

Con gli svantaggi delle due opzioni BAT identificate essendo evidenti, una nuova tecnologia è emerso dopo il rilascio del ELG in cui trasportatori a catena sotto-caldaia si adatterebbero sotto le tramogge di cenere esistenti (Figura 2). Questa tecnologia serve come soluzione al problema delle restrizioni di spazio e degli elevati costi di installazione associati al sistema di trascinamento meccanico sotto caldaia convenzionale, evitando comunque l’uso di acqua di trasporto e requisiti di scarico zero. Negli ultimi due anni, ha guadagnato l’accettazione e si è dimostrato di successo su tre unità operative con altri due attualmente in costruzione.

2. Grinder-sistema di trasporto. Courtesy: Babcock & Wilcox

Una caratteristica fondamentale e distintiva del nuovo sistema di trasporto è che una smerigliatrice clinker viene utilizzata per schiacciare la cenere prima di alimentare i trasportatori. Questi sono gli stessi tipi di smerigliatrici utilizzati nei sistemi di chiusura per ridurre le dimensioni prima del trasporto di condotte. In molti casi, le vecchie smerigliatrici possono essere mantenute in posizione insieme alla tramoggia e al cancello della cenere quando viene installato il nuovo sistema di trasporto.

La smerigliatrice è una caratteristica fondamentale per il mantenimento della tramoggia. Poiché ci sono solitamente soltanto alcuni piedi di altezza libera sotto il saltatore, i trasportatori devono essere piccoli. I trasportatori a catena portacavi convenzionali sotto la caldaia sono grandi per consentire la rimozione di clinker considerevoli senza schiacciare. Ma con il nuovo sistema grinder-conveyor, l’alloggiamento del trasportatore deve essere dimensionato solo per soddisfare la velocità di rimozione volumetrica richiesta piuttosto che essere dimensionato per passare un singolo clinker di grandi dimensioni. Un profilo tipico di un alloggiamento di smerigliatrice-trasportatore è alto circa due piedi da due a tre piedi di larghezza.

Sia le catene portacavi convenzionali che quelle trasportatrici hanno fili paralleli di catena con voli in acciaio che attraversano i fili per spingere la cenere lungo il percorso di viaggio. Una volta che la cenere è stata elevata alla cima della pendenza, si scarica in uno scivolo mentre l’assemblaggio della catena e del volo gira di 180 gradi attorno a un pignone e progredisce indietro lungo la pendenza e verso l’estremità posteriore del trasportatore in un ciclo infinito.

Il trasportatore convenzionale è noto come top-carry perché la corsa della catena che trasporta la cenere è al di sopra della corsa di ritorno con il pavimento della tramoggia sommersa che separa i due. La corsa di ritorno è chiamata “a secco” perché non si trova all’interno del bagno d’acqua sommerso. Questa disposizione richiede che la catena eleva sopra il livello dell’acqua nella tramoggia alle estremità della testa e della coda. Considerando che il livello dell’acqua è in genere circa 15 piedi sopra il piano terra, e consentendo una certa distanza di viaggio sopra l’acqua sulla pendenza per la disidratazione, si può apprezzare che un tale sistema è difficile da retrofit in un impianto congestionato.

L’aggiunta di una smerigliatrice nel sistema grinder-conveyor consente al trasportatore di rimanere al di sotto del livello dell’acqua sia in testa che in coda. Ciò fornisce la flessibilità per trasferire ad un trasportatore successivo sott’acqua e disporre un treno di trasportatori per rimanere a bassa quota fino a raggiungere uno spazio libero per elevare sopra il livello dell’acqua della tramoggia, che in genere viene eseguito con il trasportatore finale al bunker di smaltimento all’esterno dell’edificio della caldaia.

La smerigliatrice rende questo possibile perché il trasportatore a catena può essere configurato per essere bottom-carry con la corsa di ritorno che viaggia sopra la corsa di trasporto all’interno del bagno d’acqua. Poiché la cenere è stata schiacciata, può passare attraverso la corsa di ritorno che è supportata solo sotto la catena con i voli appesi in sospensione, il che significa che non c’è pavimento che separa le corse di trasporto e di ritorno. Questo crea un trasportatore completamente chiuso con l’ulteriore vantaggio di eliminare la fuoriuscita di acqua e cenere residua che si attacca ai voli nella corsa di ritorno, che è un fastidio sia dei convogliatori convenzionali sotto-caldaia che remoti.

Il design grinder-conveyor offre anche la flessibilità di routing per aggirare gli ostacoli esistenti nell’area della caldaia. Spesso il percorso più diretto dalle smerigliatrici al luogo di stoccaggio preferito è ostruito da colonne strutturali o mulini a carbone. Ma poiché i trasportatori sono caricati in singoli punti piuttosto che lungo l’intero asse della tramoggia del forno, come con i trasportatori convenzionali, i trasportatori smerigliatrici possono essere orientati in qualsiasi direzione necessaria. Così, mentre il metodo più diretto è quello di utilizzare un trasportatore comune per raccogliere da più smerigliatrici, vi è la flessibilità di utilizzare un trasportatore unico sotto ogni smerigliatrice e poi trasferire ad un comune. Inoltre, la possibilità di “girare” un treno di trasporto ruotando in un punto di trasferimento sommerso offre molte opzioni di routing per evitare apparecchiature esistenti.

Opzioni ridondanti

Un’altra caratteristica interessante di un sistema di trasporto smerigliatrice è che spesso la ridondanza può essere integrata nel layout del trasportatore. Per le tramogge di cenere con doppia smerigliatrice su ciascuna delle gambe dei pantaloni, è possibile installare un trasportatore di smerigliatrici per raccogliere tutte le smerigliatrici su un lato delle gambe dei pantaloni e un trasportatore separato di capacità 100% può essere installato sotto l’altro set (Figura 3). Ciò non è possibile nella progettazione convenzionale della sotto-caldaia con il suo singolo trasportatore alla parte inferiore del saltatore integrale della depressione, che richiede un’interruzione dell’unità riparare una rottura a catena o eliminare un inceppamento nell’area della raccolta della cenere.

3. Grinder-sistema di trasporto con trasportatori ridondanti. Cortesia: Babcock& Wilcox

Anche se viene utilizzata una singola disposizione smerigliatrice-trasportatore, la maggior parte dei lavori di manutenzione non richiede un’interruzione dell’unità, poiché i trasportatori possono essere isolati dalla tramoggia chiudendo il cancello della tramoggia sopra la smerigliatrice e chiudendo un cancello di isolamento secondario sotto la smerigliatrice. Ciò consente al gruppo caldaia di continuare a funzionare mentre la cenere viene raccolta nella tramoggia cenere preesistente fino al completamento della manutenzione.

Gli operatori degli impianti che hanno selezionato la tecnologia grinder-conveyor per i loro progetti di conversione delle ceneri pesanti lo hanno fatto principalmente a causa dei notevoli risparmi di spesa in capitale (attrezzature e installazione) offerti a causa delle caratteristiche progettuali che sono state evidenziate. O & Il risparmio di M può anche essere notevole rispetto alle tecnologie concorrenti che bloccano le apparecchiature di disidratazione a distanza o trasportano pneumaticamente la cenere secca in un silo di stoccaggio. Pompe e soffianti utilizzati in questi sistemi sono consumatori ad alta potenza rispetto ai trasportatori a catena. Ad esempio, confrontando due progetti recenti in impianti ciascuno con due unità operative e una potenza MW simile, l’impianto che utilizza la tecnologia grinder-conveyor ha richiesto solo il 10% della potenza installata come impianto che ha selezionato un sistema di trascinamento meccanico remoto. Inoltre, l’eliminazione dell’acqua di chiusura ad alta pressione può fornire grandi risparmi sui costi di manutenzione associati alle ricostruzioni della pompa.

I proprietari e gli operatori delle centrali a carbone sono continuamente alla ricerca di modi per ridurre i costi per rimanere competitivi. Chiusure e conversioni di gas sono diventate comuni per gli impianti che devono affrontare costi di conformità elevati associati alle nuove normative. La tecnologia Grinder-conveyor per le conversioni di ceneri pesanti può offrire risparmi significativi sia in termini di capitale che di spese operative e consentire alle unità di carbone esistenti di rimanere operative di fronte a tali sfide. ■

—Tyler Little è un ingegnere nel Babcock & Wilcox Co.dipartimento di applicazioni di ingegneria avanzata.