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Soluzioni tecnologiche di combustione per centrali termiche
Massimo Gozzi - La Termotecnica
Sommario
La combustione è ancora ampiamente alla base della produzione del calore nell'industria. Trattando combustibili fossili è importante renderne efficace l'utilizzo per consentirne una elevata economicità ed una riduzione dell'impatto ambientale.
L'industria manifatturiera necessita, in molti casi, di vapore per i propri processi produttivi e per servizi vari di stabilimento. Generalmente, il vapore da prodursi in diversi settori industriali, come ad esempio quello alimentare, viene generato da caldaie ad alta pressione (12-15 bar) seppure non manchino applicazioni a pressione assai inferiore (0.5-1 bar). La media pressione è tipica, invece, anche di altre applicazioni nell'ambito dell'industria alimentare, delle bevande e della macellazione. Altri impieghi si ritrovano nelle lavanderie industriali e negli ospedali (sterilizzazione con vapore a perdere) come nelle cantine vinicole (Figura 1).
La capacità produttiva dei generatori può variare da meno di una tonnellata all'ora fino a 20-25 tonnellate/ora, presentando una configurazione a "tubi di fumo" per le potenze inferiori mentre sono del tipo a "tubi d'acqua" per le potenzialità maggiori.
Vediamo in questo articolo gli aspetti legati alla produzione del vapore attraverso caldaie, ed in particolare i sistemi di combustione che alimentano di energia primaria (essenzialmente gas naturale) i generatori. Quelli che in passato venivano chiamati semplicemente bruciatori, in realtà ora sono veri e propri sistemi di combustione, con la responsabilità di fornire energia termica in modo controllato garantendo sempre una elevata efficienza energetica ed un limitato impatto ambientale.
Gli aspetti relativi alla conduzione, al monitoraggio ed alla conseguente pianificazione della manutenzione sono particolarmente importanti e sovente trascurati. Infatti, una circostanza evidente, ma poco considerata, è che queste sono caldaie usualmente poco oggetto di attenzione, quasi "dimenticate" dai gestori degli impianti o dagli imprenditori stessi che, di contro, ne esigono una assoluta affidabilità. Va da sé che questi aspetti pertinenti alla gestione ne sacrifichino, per di più, un ulteriore, che però riveste una capitale importanza: l'efficienza energetica.
Osserviamo inoltre che le informazioni tecniche pertinenti a questo tipo di apparecchiature sono dirette principalmente ai progettisti di impianti industriali, categoria professionale generalmente piuttosto distinta rispetto a quella dei progettisti di impianti ad uso civile. Questa precisazione serve a identificare un contesto impiantistico nel quale generalmente operano ditte specializzate in impiantistica con fluidi ad alta temperatura e pressione, oppure installatori che si valgono di manodopera specializzata.
Il mercato dei generatori di vapore è per di più, sostanzialmente, "di sostituzione", essendo pochissime ormai le installazioni nel contesto di impianti al servizio di nuovi insediamenti industriali. Vediamo quindi lo stato dell'arte dei sistemi di combustione e le diverse configurazioni e tecnologie che le contraddistinguono.
Bruciatori premiscelati
I bruciatori basati sulla tecnologia della premiscelazione costituiscono una importante innovazione in questo settore, sviluppata nell'arco degli ultimi anni, e sono sostanzialmente diversi dai bruciatori a combustione tradizionale (bruciatori a fiamma diffusiva). (Figura 2) I bruciatori convenzionali, detti "soffiati" o a "fiamma diffusiva" il gas e l'aria vengono miscelati, per effetto di opportuni dispositivi, nella parte terminale della testa di combustione. A valle di questa la miscela dà origine alla fiamma, che così originata, si sviluppa in lunghezza occupando un volume di ingombro dalle dimensioni variabili in funzione della potenza bruciata.
Nei bruciatori di gas premiscelato la miscelazione dell'aria con il gas avviene a monte della testa di combustione. La miscela viene successivamente spinta all'interno della testa di combustione, costituita da una superficie forata (piana o cilindrica); attraverso i fori superficiali della stessa esce verso l'esterno dove viene bruciata. La fiamma si sviluppa quindi sulla superficie esterna della testa con un ingombro pari a quello della testa stessa, sfruttando al meglio l'effetto radiante che mantiene ad una temperatura relativamente più bassa rispetto ad una fiamma convenzionale. (Figura 3).
La testa di combustione è costituita da un cilindro in lamiera metallica, ad alta resistenza termica, sulla cui superficie sono praticati numerosi fori. La miscela aria-gas viene spinta all'interno del cilindro, detto anche supporto, ed attraverso i fori perimetrali fuoriesce verso l'esterno della testa. L'inizio della combustione avviene attraverso l'accensione della miscela ad opera di una scintilla generata da uno o più elettrodi.
La geometria dei fori superficiali del supporto è studiata appositamente affinché in tutto il range di modulazione la velocità di uscita della miscela sia sempre superiore a quella di ritorno di fiamma, per evitare qualsiasi condizione di lavoro non sicura.
Il supporto è avvolto da una maglia metallica, ottenuta attraverso la lavorazione di una speciale lega metallica realizzata con componenti che ottimizzano la resistenza alle sollecitazioni termiche; costituisce l'elemento fondamentale della testa di combustione in quanto capace di migliorarne notevolmente le prestazioni.
Questa tecnologia consente di ottenere ottimi valori di emissione in atmosfera, al di sotto dei limiti imposti dalle normative europee; inoltre consente una elevata intensità di combustione, pari a 2.5 MW/m3 a fronte di valori medi comuni di circa 1 MW/m3.
La struttura compatta della fiamma premiscelata consente l'abbinamento con camere di combustione dalle dimensioni contenute, appositamente studiate per sfruttare questa caratteristica.
Un ulteriore vantaggio derivante è la contenuta rumorosità della fiamma, che si traduce in una limitata emissione sonora al camino, con evidenti vantaggi di comfort, particolarmente per gli impianti situati presso centri abitati.
La regolazione automatica continua dell'ossigeno
La diffusione di questi sistemi di riduzione delle emissioni degli ossidi di azoto ha in effetti comportato lo sviluppo contemporaneo e combinato dei sistemi di controllo dell'O2.
La regolazione dell'ossigeno residuo (contenuto di O2) dei fumi ha il compito di mantenere invariata la miscela di combustibile e aria comburente sul valore ottimale impostato all'avviamento del bruciatore del generatore di calore. Mediante la misurazione del contenuto di O2 nei fumi, infatti, ed il conseguente intervento di un dispositivo di regolazione, possono venire rilevati e compensati tutti i fattori di disturbo che influenzano nel tempo la composizione della miscela combustibile/aria, quali, ad esempio, variazioni della temperatura del combustibile, del potere calorifico, della contropressione al focolare.
Uno dei sistemi più affidabili per la misura dell'ossigeno è costituito dalle sonde all'ossido di zirconio, ad inserzione diretta nel camino. Le sonde all'ossido di zirconio sono piuttosto affidabili, precise nella misura e dotate di una risposta quasi istantanea. Il sensore è costituito da una cella di ZrO2, stabilizzato all'Ittrio, le cui superfici opposte, che fungono da elettrodi, sono ricoperte da platino poroso. Tra i due elettrodi all'ossido di zirconio, uno a contatto con l'aria pura e l'altro con il campione da analizzare, si stabilisce una differenza di potenziale, direttamente legata alla concentrazione di ossigeno da misurare; tale segnale viene elaborato ed inviato agli strumenti di lettura.
Ricircolo dei fumi
Noto internazionalmente con l'acronimo FGR (Flue Gas Recirculation). Si tratta di un sistema diffusamente utilizzato nel mondo tale da poter garantire bassi livelli di emissione di NOx, in grado di soddisfare i limiti di legge più restrittivi.
Il principio di funzionamento consiste nel far ricircolare una parte dei fumi esausti prelevati a valle della caldaia, e di reintrodurli in corrispondenza dell'ingresso dell'aria di combustione del bruciatore (Figura 4). Un sistema integrato di gestione del bruciatore (BMS, Burner Management System), attraverso l'azione di attuatori (servomotori) indipendenti, rende possibile il controllo delle corrette quantità di aria, di combustibile e del fluido ricircolato in ogni condizione di lavoro. Ciò deve consentire il raggiungimento di bassi livelli di emissioni pur garantendo un elevato livello di affidabilità e di sicurezza delle apparecchiature in funzionamento. La maturità di questa tecnologia (le prime applicazioni risalgono ai primi anni 90 del Novecento) hanno consentito ai costruttori di integrare in un unico sistema monoblocco molte delle funzioni necessarie al funzionamento (Figura 5). Ciò ha consentito una ottimale integrazione dei componenti per il raggiungimento delle condizioni ideali durante il funzionamento continuamente modulante. Ulteriore risultato della integrazione è la riduzione delle dimensioni e la facilità di intervento per sostituzioni o manutenzione. In contrapposizione ai benefici sopra elencati, occorre rilevare che la scelta di spingere il ricircolo oltre certi limiti può provocare una riduzione della potenza resa dal generatore di calore, e ciò principalmente in relazione alla diminuita quantità di ossigeno introdotto. Ad ogni modo le performance di abbattimento degli inquinanti sono elevatissime e possono assestarsi nell'ordine del 30 mg/kWh di Ossidi di Azoto.
La capacità produttiva dei generatori può variare da meno di una tonnellata all'ora fino a 20-25 tonnellate/ora, presentando una configurazione a "tubi di fumo" per le potenze inferiori mentre sono del tipo a "tubi d'acqua" per le potenzialità maggiori.
Vediamo in questo articolo gli aspetti legati alla produzione del vapore attraverso caldaie, ed in particolare i sistemi di combustione che alimentano di energia primaria (essenzialmente gas naturale) i generatori. Quelli che in passato venivano chiamati semplicemente bruciatori, in realtà ora sono veri e propri sistemi di combustione, con la responsabilità di fornire energia termica in modo controllato garantendo sempre una elevata efficienza energetica ed un limitato impatto ambientale.
Gli aspetti relativi alla conduzione, al monitoraggio ed alla conseguente pianificazione della manutenzione sono particolarmente importanti e sovente trascurati. Infatti, una circostanza evidente, ma poco considerata, è che queste sono caldaie usualmente poco oggetto di attenzione, quasi "dimenticate" dai gestori degli impianti o dagli imprenditori stessi che, di contro, ne esigono una assoluta affidabilità. Va da sé che questi aspetti pertinenti alla gestione ne sacrifichino, per di più, un ulteriore, che però riveste una capitale importanza: l'efficienza energetica.
Osserviamo inoltre che le informazioni tecniche pertinenti a questo tipo di apparecchiature sono dirette principalmente ai progettisti di impianti industriali, categoria professionale generalmente piuttosto distinta rispetto a quella dei progettisti di impianti ad uso civile. Questa precisazione serve a identificare un contesto impiantistico nel quale generalmente operano ditte specializzate in impiantistica con fluidi ad alta temperatura e pressione, oppure installatori che si valgono di manodopera specializzata.
Il mercato dei generatori di vapore è per di più, sostanzialmente, "di sostituzione", essendo pochissime ormai le installazioni nel contesto di impianti al servizio di nuovi insediamenti industriali. Vediamo quindi lo stato dell'arte dei sistemi di combustione e le diverse configurazioni e tecnologie che le contraddistinguono.
Bruciatori premiscelati
I bruciatori basati sulla tecnologia della premiscelazione costituiscono una importante innovazione in questo settore, sviluppata nell'arco degli ultimi anni, e sono sostanzialmente diversi dai bruciatori a combustione tradizionale (bruciatori a fiamma diffusiva). (Figura 2) I bruciatori convenzionali, detti "soffiati" o a "fiamma diffusiva" il gas e l'aria vengono miscelati, per effetto di opportuni dispositivi, nella parte terminale della testa di combustione. A valle di questa la miscela dà origine alla fiamma, che così originata, si sviluppa in lunghezza occupando un volume di ingombro dalle dimensioni variabili in funzione della potenza bruciata.
Nei bruciatori di gas premiscelato la miscelazione dell'aria con il gas avviene a monte della testa di combustione. La miscela viene successivamente spinta all'interno della testa di combustione, costituita da una superficie forata (piana o cilindrica); attraverso i fori superficiali della stessa esce verso l'esterno dove viene bruciata. La fiamma si sviluppa quindi sulla superficie esterna della testa con un ingombro pari a quello della testa stessa, sfruttando al meglio l'effetto radiante che mantiene ad una temperatura relativamente più bassa rispetto ad una fiamma convenzionale. (Figura 3).
La testa di combustione è costituita da un cilindro in lamiera metallica, ad alta resistenza termica, sulla cui superficie sono praticati numerosi fori. La miscela aria-gas viene spinta all'interno del cilindro, detto anche supporto, ed attraverso i fori perimetrali fuoriesce verso l'esterno della testa. L'inizio della combustione avviene attraverso l'accensione della miscela ad opera di una scintilla generata da uno o più elettrodi.
La geometria dei fori superficiali del supporto è studiata appositamente affinché in tutto il range di modulazione la velocità di uscita della miscela sia sempre superiore a quella di ritorno di fiamma, per evitare qualsiasi condizione di lavoro non sicura.
Il supporto è avvolto da una maglia metallica, ottenuta attraverso la lavorazione di una speciale lega metallica realizzata con componenti che ottimizzano la resistenza alle sollecitazioni termiche; costituisce l'elemento fondamentale della testa di combustione in quanto capace di migliorarne notevolmente le prestazioni.
Questa tecnologia consente di ottenere ottimi valori di emissione in atmosfera, al di sotto dei limiti imposti dalle normative europee; inoltre consente una elevata intensità di combustione, pari a 2.5 MW/m3 a fronte di valori medi comuni di circa 1 MW/m3.
La struttura compatta della fiamma premiscelata consente l'abbinamento con camere di combustione dalle dimensioni contenute, appositamente studiate per sfruttare questa caratteristica.
Un ulteriore vantaggio derivante è la contenuta rumorosità della fiamma, che si traduce in una limitata emissione sonora al camino, con evidenti vantaggi di comfort, particolarmente per gli impianti situati presso centri abitati.
La regolazione automatica continua dell'ossigeno
La diffusione di questi sistemi di riduzione delle emissioni degli ossidi di azoto ha in effetti comportato lo sviluppo contemporaneo e combinato dei sistemi di controllo dell'O2.
La regolazione dell'ossigeno residuo (contenuto di O2) dei fumi ha il compito di mantenere invariata la miscela di combustibile e aria comburente sul valore ottimale impostato all'avviamento del bruciatore del generatore di calore. Mediante la misurazione del contenuto di O2 nei fumi, infatti, ed il conseguente intervento di un dispositivo di regolazione, possono venire rilevati e compensati tutti i fattori di disturbo che influenzano nel tempo la composizione della miscela combustibile/aria, quali, ad esempio, variazioni della temperatura del combustibile, del potere calorifico, della contropressione al focolare.
Uno dei sistemi più affidabili per la misura dell'ossigeno è costituito dalle sonde all'ossido di zirconio, ad inserzione diretta nel camino. Le sonde all'ossido di zirconio sono piuttosto affidabili, precise nella misura e dotate di una risposta quasi istantanea. Il sensore è costituito da una cella di ZrO2, stabilizzato all'Ittrio, le cui superfici opposte, che fungono da elettrodi, sono ricoperte da platino poroso. Tra i due elettrodi all'ossido di zirconio, uno a contatto con l'aria pura e l'altro con il campione da analizzare, si stabilisce una differenza di potenziale, direttamente legata alla concentrazione di ossigeno da misurare; tale segnale viene elaborato ed inviato agli strumenti di lettura.
Ricircolo dei fumi
Noto internazionalmente con l'acronimo FGR (Flue Gas Recirculation). Si tratta di un sistema diffusamente utilizzato nel mondo tale da poter garantire bassi livelli di emissione di NOx, in grado di soddisfare i limiti di legge più restrittivi.
Il principio di funzionamento consiste nel far ricircolare una parte dei fumi esausti prelevati a valle della caldaia, e di reintrodurli in corrispondenza dell'ingresso dell'aria di combustione del bruciatore (Figura 4). Un sistema integrato di gestione del bruciatore (BMS, Burner Management System), attraverso l'azione di attuatori (servomotori) indipendenti, rende possibile il controllo delle corrette quantità di aria, di combustibile e del fluido ricircolato in ogni condizione di lavoro. Ciò deve consentire il raggiungimento di bassi livelli di emissioni pur garantendo un elevato livello di affidabilità e di sicurezza delle apparecchiature in funzionamento. La maturità di questa tecnologia (le prime applicazioni risalgono ai primi anni 90 del Novecento) hanno consentito ai costruttori di integrare in un unico sistema monoblocco molte delle funzioni necessarie al funzionamento (Figura 5). Ciò ha consentito una ottimale integrazione dei componenti per il raggiungimento delle condizioni ideali durante il funzionamento continuamente modulante. Ulteriore risultato della integrazione è la riduzione delle dimensioni e la facilità di intervento per sostituzioni o manutenzione. In contrapposizione ai benefici sopra elencati, occorre rilevare che la scelta di spingere il ricircolo oltre certi limiti può provocare una riduzione della potenza resa dal generatore di calore, e ciò principalmente in relazione alla diminuita quantità di ossigeno introdotto. Ad ogni modo le performance di abbattimento degli inquinanti sono elevatissime e possono assestarsi nell'ordine del 30 mg/kWh di Ossidi di Azoto.
I limiti di legge
Quando parliamo di combustione per la produzione del calore nell'industria intendiamo generalmente l'impiego del gas naturale (costituito in gran parte da metano) come combustibile. Per questo motivo consideriamo prestazioni riferite a questo combustibile.
Riferimento essenziale è la norma EN 676, che definisce diverse classi di "bontà" dei bruciatori rispetto alla emissione degli inquinanti, ed in particolare per gli Ossidi di Azoto (NOx). Procedendo dalla classe 1 alla 4 (in progressione restrittiva) si parte dai 170 mg/kWh (NOx basato sul LCV - Low Calorific Value) per passare ai 120 della seconda, 80 della terza per arrivare ai 60 mg/kWh.
Dal 26 Settembre 2018, con l'avvento dell'ErP (acronimo di "Energy related Products", con cui si identifica la Direttiva 2009/125/CE
volta a ridurre il consumo energetico dei prodotti), è stata introdotta una ulteriore classe di merito, la classe 5, con valori di NOx minore uguale 56 mg/kWh (NOx basato sul GCV - Gross Calorific value) per potenze minore uguale 400kW. Il "kWh" è il riferimento al contenuto energetico del gas naturale bruciato.
Una buona combustione comporta comunque anche il contenimento della emissione dell'Ossido di Carbonio (CO), indicatore, se contenuto, di combustione efficiente. Ridurre la CO vuol dire un minore apporto di carbonio in atmosfera, problema che crea il noto grande allarme ambientale.
Conclusioni
L'utilizzo di un combustibile fossile per la produzione del calore ad uso dell'industria comporta una grande attenzione nel contenere le emissioni in atmosfera.
I progressi nel settore dei bruciatori di gas naturale sono stati sensibili nell'arco degli ultimi anni, grazie a nuove tecnologie che
hanno ripensato i principi stessi del funzionamento dei bruciatori. Il progresso dei sistemi di controllo della combustione, dovuto all'affinarsi delle tecnologie informatiche, ha consentito l'ottenimento di un elevato grado di precisione nel realizzare una corretta combustione, con benefici anche sulla conduzione dei generatori ed alla economicità della gestione.
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Settori: Ambiente, Caldaie e Generatori industriali, Energia, Riscaldamento, Termotecnica industriale
Mercati: Edilizia
