Increasing energy recovery of waste-to-energy plants

When seeking sustainable energy systems, Waste-to-Energy plants play a great role. However, bringing long-term solutions in solid waste management that are highly efficient, environmentally safe, socially acceptable, extremely reliable and cost effective is a very challenging task. Most importantly, the energy performance of these plants is highly affected by the low quality of the fuel, as well as by their typically small scale. Particularly, the unfavorable characteristics of the waste fuel leads to relatively low boiler efficiency, high auxiliary consumptions and the presence of highly corrosive species in the combustion products, which limits the maximum pressure and temperature adopted in the steam cycle. As a result, the efficiency of these plants is quite low, whereas their investment cost are very high. Despite the large efforts dedicated to better use waste as a resource, there is a technological gap that needs to be filled by identifying an innovative and reliable Waste-to-Energy plant configuration. Thus, the main aim of this PhD research is in finding new and innovative ways to increase the efficiency of Waste-to-Energy plants in an economically and environmentally friendly way, without facing corrosion problems of boiler tubes. Different Waste-to-Energy plant configurations have been considered to further increase the steam temperature and pressure without facing corrosion problems of boiler tubes. Mass/Energy balances, cost estimates, off-design analysis and environmental performance evaluations have been carried out by using an in house simulation code (GS-Politecnico di Milano) and the commercial Thermoflow package. An exhaustive sensitivity analysis has also been performed to identify the crucial operating parameter that affects the energy performance of the plant. The results show that the proposed configuration brings a net electric efficiency increase of 3.14 percentage points compared to the most efficient, state-of-the-art Waste-to-Energy plant. To further increase the reliability and availability of the plant, a new configuration based on steam reheating with a “flue gas quench” concept has also been proposed. More specifically, a number of options for steam reheat and advanced feed water pre-heating coupled with air preheating has been considered. As a result, the new configuration increases the net electric efficiency by 3.6 percentage points, reduces the cost of electricity production depending on the gate fee, mitigate CO2 emissions and insures the operation of the hot section of the boiler to meet the requirements of reliable and long-term operation. In conclusion, the overall results show that there is still room for significant improvements of the energy performances of these plants. Improving the energy performance, not only increases the economic return of the plant, but also improves the overall environmental outcome, because higher energy efficiency means higher avoided emissions. Further investigation has also been performed to estimate the energy performances of Waste-to-Energy plants at part load conditions since some of these facilities operate most of their lifetime in off-design conditions, specifically those facilities that produce both electricity and heat in cogeneration mode (i.e. CHP plants = “Combined Heat and Power”). The main findings of the off-design analysis show that part load operation not only affects the performance of the plants, but also its proper functioning. Compared to Waste-to-Energy plant that produce only electricity, it appears that CHP Waste-to-Energy plants are significantly affected by part load conditions. Based on the simulation results, combining external superheating concept with a CHP configuration further increases the production of electricity and heat. Finally, it has been highlighted that finding an optimized configurations that increase efficiency, reduce costs as well as the environmental impact is a very challenging task. A way to seek for such configurations is the thermoeconomic optimization, which combines the Second Law analysis with economics. By combining this approach with the optimization procedure, a continuous function that links the operating parameters to be optimized with the main process parameters has been found. Thus, this methodology allows to find cost optimal Waste-to-Energy plant configuration very quickly.

Nell’ambito dei sistemi energetici sostenibili, gli impianti di termovalorizzazione dei rifiuti giocano un ruolo fondamentale. Tuttavia, trovare una soluzione a lungo termine nella gestione dei rifiuti solidi che sia altamente efficiente, ecologicamente sicura, socialmente accettabile, estremamente affidabile ed economica è un compito molto impegnativo. Ancora più importante, l’efficienza energetica di tali impianti è influenzata dalla bassa qualità del combustibile e dalla loro piccola taglia. In particolare, le caratteristiche sfavorevoli del combustibile originano un limitato rendimento di caldaia, elevati consumi degli ausiliari e formazione di specie chimiche altamente corrosive nei prodotti di combustione. Tali specie chimiche comportano limiti sulla scelta delle condizioni operative del ciclo a vapore (pressione e temperatura massime) e quindi, di conseguenza, il rendimento di tali impianti è relativamente basso, mentre il loro costo di investimento è molto elevato. Pur sforzandoci di cercare la migliore soluzione tecnologica per poter utilizzare al meglio la risorsa rifiuti, a oggi non esiste ancora una configurazione impiantistica che sia, allo stesso tempo, efficiente e affidabile. Per questo, l’obiettivo principale di questo mio lavoro di ricerca è quello di trovare metodi nuovi ed innovativi per aumentare l’efficienza dei termovalorizzatori attraverso soluzioni economiche ed ecologiche, eliminando i problemi di corrosione dei tubi nella caldaia. Sono state studiate diverse configurazioni d’impianto; su di esse sono stati effettuati bilanci di massa e di energia in condizioni di progetto, analisi fuori progetto, stime dei costi e valutazioni ambientali con l’ausilio di codici di simulazione (software proprietario: GS-Gas Steam Cycle; software commerciale: pacchetto Thermoflow). È stata inoltre effettuata un’esaustiva analisi di sensibilità con l’obiettivo di individuare quali sono i parametri operativi da cui dipendono sia il rendimento dell’impianto che il suo costo. I risultati mostrano che la configurazione da me proposta permette di aumentare il rendimento elettrico netto di 3,14 punti percentuali rispetto all’impianto che a oggi presenta la massima efficienza di conversione. Tuttavia, per incrementare ulteriormente l’affidabilità e la disponibilità dell’impianto, è stata proposta una nuova configurazione, che prevede il risurriscaldamento del vapore e la riduzione del problema della corrosione attraverso il controllo della temperatura dei fumi nella zona convettiva della caldaia grazie al ricircolo dei fumi stessi. Più specificatamente, sono state sviluppate numerose opzioni impiantistiche per il risurriscaldamento del vapore, per il preriscaldamento dell’acqua di alimento in caldaia e per il preriscaldamento dell’aria di combustione. Di conseguenza, la nuova configurazione consente di: incrementare il rendimento elettrico netto di 3,6 punti percentuali; ridurre il costo di produzione dell’energia elettrica, che dipende anche dalla tariffa di conferimento dei rifiuti variabile da impianto a impianto; ridurre le emissioni di CO2 e assicurare il corretto funzionamento della zona ad alta temperatura della caldaia in modo da soddisfare i criteri di affidabilità ed efficienza di lungo termine. In generale, i risultati mostrano che esiste ancora un margine significativo di miglioramento delle prestazioni energetiche di questa tipologia di impianti. Migliorare il rendimento energetico non solo apporta benefici alla redditività dell’impianto, ma riduce anche l’impatto che lo stesso produce sull’ambiente, in quanto più alta è l’efficienza di conversione maggiori sono le emissioni evitate. Poiché alcuni impianti di termovalorizzazione operano per la maggior parte della loro vita utile in condizioni di off-design, segnatamente quando producono sia elettricità che calore in assetto cogenerativo, è stato analizzato il funzionamento a carico parziale delle soluzioni proposte con l’obiettivo di stimarne le prestazioni. I principali risultati di tale analisi mostrano che il funzionamento a carico parziale agisce non solo sulla riduzione delle prestazioni, ma anche sul corretto funzionamento delle varie sezioni operative dell’impianto (linea trattamento fumi, turbina a vapore, etc). Rispetto agli impianti che producono solo energia elettrica, sembra che la soluzione cogenerativa sia maggiormente influenzata dalle condizioni di funzionamento a carico parziale. In base ai risultati delle simulazioni, con l’introduzione di un surriscaldatore esterno alimentato con biogas prodotto dal processo di fermentazione dei rifiuti, la produzione di calore ed energia elettrica può aumentare ulteriormente, riducendo, al contempo, il problema della corrosione. Trovare una configurazione impiantistica che aumenti l’efficienza, riduca i costi e minimizzi l’impatto ambientale è un compito estremamente impegnativo. Un metodo per effettuare tale ricerca è rappresentato dall’ ottimizzazione termo-economica, un processo basato sulla combinazione dell’analisi exergetica con l’analisi economica (costo dell’exergia e costo dell’investimento). Combinando questo approccio con la metodologia di ottimizzazione, è stata definita una funzione continua, capace di mettere in relazione i parametri operativi che devono essere ottimizzati con i parametri di processo. In questo modo, tale metodologia consente di determinare la soluzione ottimizzata della configurazione dell’impianto in modo molto rapido.