Waste-to-energy plants with low temperature heat recovery via flue gas condensation and heat pumps

Waste management and waste-to-energy technology are central topics of discussion important both today and from a future perspective. This thesis presents a general model that assess the technical and the economic feasibility of the installation of a flue gas condensation heat recovery system, applied to waste-to-energy plants. Waste-to-energy and biomass-fired plants commonly burn high moisture content fuels; flue gas condensation can lead to high fuel utilization improvement. In this model, the recovered heat, after being upgraded via a heat pump system, is transferred to a local district heating network. Given the input values and the specifics of the WtE plant, the model can evaluate the magnitude of the heat delivered to the district heating and the electric consumption deriving from the heat pump system and the auxiliary devices. Then, the capital investment is estimated, based on reference purchase costs, for the installed equipment, and the economic return of the project is evaluated. The model was tested on a standard waste-to-energy plant; the results proved that a thermal efficiency increase is possible. For the given conditions, the total thermal power transferred to the district heating network accounts for one third of the maximum thermal capacity of the original plant, with an electric consumption of 13% of the nominal steam turbine power output. The investment proved to be economically advantageous only in some of the considered scenarios. In particular, a payback time of 10 years is ensured for a minimum heat price of 72.6 €/MWh, if the plant can supply the whole thermal power available for an equivalent number of hours of 2467. The minimum heat price increases up to 169.9 €/MWh if the operative number of hours is 930. In conclusion, the heat recovery system shows to be economically attractive when connected to a heat demand that could exploit the thermal power generated for a large part of the year.

Gestione e termovalorizzazione dei rifiuti sono argomenti di discussione centrale sia oggi che in una prospettiva futura. Questo lavoro di tesi presenta un modello generale che valuta la fattibilità tecnica ed economica dell’installazione di un sistema di recupero di calore a condensazione dei fumi, applicato ad impianti di termovalorizzazione. Termovalorizzatori ed impianti a biomassa utilizzano, in genere, combustibili ad alto contenuto di umidità; la condensazione dei fumi può portare ad un notevole incremento dell’efficienza termica dell’impianto. Nel modello, il calore recuperato, dopo essere stato valorizzato da un sistema di pompe di calore, viene ceduto ad una rete di teleriscaldamento locale. Una volta noti i valori di ingresso e le specifiche del termovalorizzatore, il modello è in grado di valutare la quantità di calore ceduto al teleriscaldamento e il consumo di energia elettrica dovuto alle pompe di calore e ai dispositivi ausiliari. In seguito, il costo di investimento viene stimato, basandosi su costi di acquisto di riferimento, per i vari dispositivi installati, e il ritorno economico del progetto viene valutato. Il modello è stato testato su un termovalorizzatore convenzionale; i risultati hanno dimostrato che è possibile incrementare l’efficienza termica dell’impianto. Per le ipotesi effettuate, la potenza termica totale trasferita alla rete di teleriscaldamento corrisponde ad un terzo della potenza massima cedibile dall’impianto originale, con un consumo elettrico corrispondente del 13% rispetto alla potenza nominale della turbina a vapore presente. L’investimento si è dimostrato vantaggioso dal punto di vista economico solo in alcuni degli scenari considerati. In particolare, in caso l’impianto possa fornire tutta la potenza termica recuperabile per un numero di ore equivalenti pari a 2467, un pay back time di 10 anni è assicurato per un prezzo del calore minimo di 72.6 €/MWh. Il prezzo del calore minimo sale a 169.9 €/MWh, in caso il numero di ore equivalenti sia 930. In conclusione, il sistema di recupero del calore si dimostra efficace dal punto di vista economico quando connesso ad una utenza che richieda la potenza termica prodotta per gran parte dell’anno.