adottate e certificazione PED
F. Bonori1, M. Cevasco1, L. Bagnoli1
1 Ruths SpA
Sommario
Negli impianti di trattamento rifiuti la caldaia costituisce un elemento critico in quanto è l’elemento maggiormente soggetto a fenomeni di sporcamento e a fenomeni di corrosione e, allo stesso tempo, è anche l’elemento in cui le fermate per interventi straordinari hanno durata maggiore e richiedono molto spesso la presenza di un Ente Certificatore per il controllo delle parti in pressione.
Nel presente articolo verrà presentato il revamping della caldaia Hera di Pozzilli, a pochi chilometri da Roma, eseguito per far fronte sia a esigenze di riduzione dei costi di manutenzione, sia a esigenze di mercato e di massimizzazione della redditività dell’impianto.
In questo impianto è stata eseguita una nuova immatricolazione dello stesso visto che, seppur sono rimaste inalterate alcune caratteristiche fondamentali quali la producibilità, la pressione e la temperatura massima di esercizio nonché la logica della catena di sicurezza, le geometrie dell’impianto sono state variate.
1. Introduzione
Il continuo sviluppo dell’industria e la crescente richiesta di energia, sommata all’aumento della produzione dei rifiuti, ha portato negli ultimi anni la tendenza ad aumentare la pressione e la temperatura del vapore surriscaldato in modo da massimizzare la produzione di energia e rendere questi impianti economicamente sempre più redditizi.
Questa tendenza porta ad un aggravio di quelle che sono le condizioni della caldaia che, se progettata senza le dovute attenzioni, può andare incontro a fenomeni seri di corrosione in breve tempo.
L’impianto oggetto della presentazione è uno dei pochi in Italia in grado di smaltire il cosiddetto Combustibile Solido Secondario (CSS), derivato dal trattamento di rifiuti urbani ed assimilati.
Il CSS è costituito da alcuni materiali organici, riciclabili come PET o PE, legna, materiali non riciclabili, in particolare plastica a base di cloro, carta, tessuti, plastica, alluminio o plastica, fogli di alluminio, imballaggi “multimateriali”, non clorurati, gomme sintetiche, resine e fibre sintetiche
Figura 1. Composizione dell’RDF. [1]
Categories Percentage
(%) Caloric Value (J/g) Organic matter 23.71 ± 7.84 14,905.0 ± 57.1
Paper 27.91 ± 4.73 14,739.9 ± 2654.7 Plastics 24.50 ± 4.25
HDPE 0.99 ± 0.73 45,670.4 ± 443.6 PET 1.87 ± 0.85 22,995.0 ± 16.1 LDPE 10.93 ± 3.29 41,269.5 ±
3,043.3 Mix 10.62 ± 3.41 41,203.8 ±
2,820.9
PVC 0.08 ± 0.19
Glass 0.48 ± 0.45 Ferrous metals 3.10 ± 1.99
Non ferrous
metals 0.61 ± 0.51
Cellulose 5.76 ± 2.33 45 552.0 ± 84.6 Tetrabricks 2.16 ± 1.77 23 557.1 ±
154.5 Textiles 8.65 ± 3.76 21 298.2 ± 5
226.0 Wood 2.18 ± 1.37 18 825.0 ± 20.3 Rubber 0.03 ± 0.10
Batteries 0.00 ± 0.00 Garden wastes 0.14 ± 0.37 Electronics 0.34 ± 0.50 Building wastes 0.48 ± 0.45
Tabella 1. Peso percentuale e valore calorico del “Refuse Derived Fuel mix”. [1]
Generalmente, i fumi derivati dal processo di combustione del CSS sono particolarmente corrosivi, a causa dell’elevato contenuto di cloro e di altre sostanze ossidanti, e questo
implica la necessità di attenzionare con ancora una maggiore attenzione il profilo termico del percorso fumi, ai fini di minimizzarne gli effetti.
L’impianto di Pozzilli è entrato in funzione nel 2007 ed è destinato alla produzione di 61 t/h di vapore a 400°C e 60 barg, il vapore alimenta una turbina per la produzione di energia elettrica. Nella figura sotto riportata è illustrato uno schema della caldaia in oggetto.
Figura 2. Caldaia di Pozzilli prima dell’intervento di revamping
La caldaia originariamente era a sviluppo verticale, costituita da 5 percorsi fumi: il primo senza alcun banco scambiatore, il secondo con surriscaldatori di alta e bassa temperatura, il terzo con un vaporizzatore a bandiera mentre il quarto e quinto con banchi economizzatori.
La caldaia ha sin da subito mostrato evidenti problemi di corrosione dei surriscaldatori dovuti alle elevate concentrazioni di composti clorurati, tipici dei prodotti di combustione del CSS, ed ad un profilo termico sfavorevole, in quanto i fumi ad alta temperatura incontravano subito le superfici dei surriscaldatori, i quali presentano le più alte temperature di pelle del tubo. Questi fenomeni si traducevano in una vita media dei surriscaldatori inferiore all’anno. Per ovviare alla continua sostituzione dei surriscaldatori in così breve tempo era stato deciso di sostituire gli stessi con altri rivestiti in Inconel 625®, ma, nonostante questa modifica, la durata di vita di questi non ha mostrato evidenti benefici, consentendo l’avvicendamento ogni due anni.
2. Soluzioni termodinamicamente semplici a problemi comuni
Sporcamenti superiori al previsto e fenomeni di corrosione evidenti sono i principali problemi che si riscontrano in questo tipo di impianti. Tali fenomeni portano a indisponibilità impreviste dell’impianto con tempi lunghi di fermata, che si trasformano in elevati costi di manutenzione straordinaria e mancato guadagno.
Il tipico approccio, da parte dei gestori, al fine di risolvere i problemi di sporcamento, è spesso quello di installare sistemi di pulizia aggiuntivi, come i soffiatori di fuliggine, che si dimostrano molto aggressivi, aggravando i consumi di vapore dell’impianto e aumentando i problemi di corrosione.
Per quanto riguarda i problemi di corrosione, si ricorre solitamente alla sostituzione delle parti interessate con elementi rivestiti in Inconel 625®, con un cospicuo aumento dei costi.
Il nostro approccio è stato quello di modificare il profilo termico della caldaia in modo da ridurre le temperature dei fumi in ingresso ai banchi di scambio, per limitare la possibilità che le ceneri ancore fuse possano depositarsi e causare sporcamenti fuori controllo nonché quello di bilanciare in modo corretto le temperature fumi con le temperature di pelle dei tubi, in tal modo i fenomeni di corrosione risultano naturalmente ridotti.
3. Il caso studio
L’intervento effettuato da Ruths SpA ha avuto come obiettivo la trasformazione della convettiva della caldaia esistente da una zona a sviluppo verticale a una zona a sviluppo orizzontale.
Le modifiche apportate alla caldaia sono mostrate nella figura seguente.
Figura 3. Caldaia Pozzilli dopo revamping
Come si può vedere, sono stati eliminati i surriscaldatori dal secondo percorso fumi e il vaporizzatore dal terzo canale, in modo da creare tre percorsi radianti completamente vuoti che permettano di abbassare la temperatura in ingresso ai banchi di scambio e di depolverare i fumi.
Nella zona superiore del terzo giro fumi è stata chiusa l’apertura esistente per il passaggio alla zona degli economizzatori ed è stata praticata lateralmente un’apertura di sezione rettangolare. Da essa i fumi passano in un quarto canale vuoto a pareti membranate, provvisto di parete deviatrice di flusso, e si immettono nella nuova zona convettiva, dove sono stati installati quattro nuovi surriscaldatori e un nuovo economizzatore. A valle del nuovo economizzatore i fumi sono reimmessi nella zona degli economizzatori esistenti attraverso una condotta e una nuova apertura laterale. In pianta la nuova zona convettiva ha un andamento a ferro di cavallo. Questa nuova disposizione dei surriscaldatori permette di migliorare il profilo termico della caldaia, facendo in modo che i fumi entrino nella zona convettiva a temperature più basse, riducendo drasticamente i fenomeni di corrosione. Inoltre il sistema di pulizia adottato per i nuovi componenti è un sistema a martelli.
Particolare attenzione è stata prestata allo studio fluidodinamico dei fumi, in modo da assicurarsi che questi entrassero e si distribuissero il più uniformemente possibile nelle nuove unità di scambio; si è anche reso necessario minimizzare le perdite di carico lato fumi, in quanto la specifica imponeva valori di garanzia molto bassi, dovuti al fatto che non era prevista la sostituzione dell’estrattore esistente.
Questo tipo di approccio è totalmente rivoluzionario per casi di “major revamping” di caldaie esistenti, in quanto estende la possibilità a tutte le caldaie a sviluppo verticale di essere trasformate in caldaie a sviluppo orizzontale con i noti vantaggi che questo comporta: minori sporcamenti, caldaie meno soggette a fenomeni di corrosione e di conseguenza minori costi di manutenzione e maggiore disponibilità annuale dell’impianto.
4. Principali problematiche evidenziate
La tipologia del sistema di pulizia adottato a Pozzilli era il seguente: tutti i banchi di scambio (compresi vaporizzatori, surriscaldatori ed economizzatori) erano puliti da martelli, disposti sulla loro cima movimentati da motori elettrici mentre la camera radiante e quella convettiva non erano soggette ad alcun tipo di pulizia.
Per ovviare a questa carenza sono state eseguite esplosioni controllate, sia nella camera radiante che in quella convettiva, prima del revamping. Il nostro intervento ha ridotto l'uso del sistema di pulizia ausiliario, anche se non l'ha completamente eliminato. È importante notare che le parti più interessate dai depositi significativi di ceneri sono i condotti di ingresso e di uscita della zona convettiva, a causa della loro geometria, della riduzione del passaggio di sezione e dell'elevata volatilità delle ceneri volanti.
5. Approccio certificativo
Dalla descrizione effettuata si evince quanto l’intervento di revamping, seppur mantenendo gli stessi dati di targa, quali la producibilità, la pressione e la temperatura massima di esercizio nonché la logica della catena di sicurezza, abbia subito una notevole variazione, per tale motivo si è ritenuto decisivo effettuare una nuova immatricolazione della caldaia, richiedendo inoltre l’insieme caldaia.
Siccome che parte della caldaia esistente è rimasta tale, si è provveduto ad effettuare una campagna di controlli spessimetrici e volumetrici ponendo particolare attenzione alle zone più critiche dell’impianto, per quanto riguarda il corpo cilindrico, per esempio, sono stati eseguiti i controlli volumetrici sugli incroci di saldatura del fasciame a cui si sono aggiunti controlli spessimetrici a spot. Dopo aver eseguito i controlli su tutti i componenti esistenti, facenti parte del vecchio impianto, si è proceduto a verificare che gli spessori rilevati garantissero ancora la stabilità dell’impianto.
Al termine di questa attività e, dopo le due prove idrauliche, una eseguita sulla parte nuova del generatore di vapore e una successiva su l’intero l’impianto, è stata effettuata la prova
a caldo verificando il corretto funzionamento dei principali sistemi di sicurezza e controllo, considerando la catena di sicurezza del termovalorizzatore. A seguito di tutte queste attività, si dovrà procedere all’invio del dipartimento INAIL competente di tutta la documentazione pertinente, al fine di effettuare la denuncia di messa servizio/immatricolazione dell’insieme del generatore di vapore Ruths, in base al Decreto Ministeriale 329 del 01/12/2004, articolo 5.
Bibliografia
[1] Montejo, C.; Martin R.; Costa C.; Marquez M.: Energy Recovery of Reject Fraction of Municipal Solid Waste Resulting from the Mechanical-Biological Treatment Plants. In:
Editor Klemes J.J.; Lam H.L.; Varbanov P.S.; Chemical engineering transactions Volume 21, 2010, pagg. 751-756.