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Giuseppe Langella » 18.Generatori di vapore e termovalorizzazione - Parte Seconda


Smaltimento ceneri

La raccolta delle ceneri può avvenire in due modi: sotto forma di ceneri fuse o di particolato.

Per la raccolta delle ceneri allo stato fuso, ad esempio nel caso di combustione di CDR con basso punto di fusione delle ceneri, uno o più bruciatori addizionali a metano sono diretti verso il fondo della camera di combustione, in modo da mantenere fluide le ceneri. Queste scorrono attraverso un anello di raccolta, raffreddato ad acqua, fino ad un serbatoio riempito con acqua. Il sistema consente la raccolta di circa il 50% delle ceneri.

Per ceneri ad alto punto di fusione (Temperatura di fusione superiore a 1300° C), le ceneri stesse sono raffreddate in sospensione con i gas combusti dalle pareti schermate e refrigerate ad acqua della camera di combustione. Circa l’80% delle ceneri resta nei gas di scarico (il 20% precipita in fase solida sul fondo della camera, e viene rimosso meccanicamente), dimodoché sono necessari dispositivi di raccolta di tipo meccanico (filtri o precipitatori elettrostatici).

Per la pulizia delle superfici a convezione, si usano soffiatori di fuliggine azionati ad aria compressa o vapore.

Corrosione nei GV

I problemi di corrosione dei corpi metallici delle caldaie hanno grande importanza, in particolare nel caso di utilizzo di combustibili di basso pregio come il CDR o gli RSU, particolarmente ricchi di sostanze corrosive, nonché per la tendenza a contenere la temperatura di scarico al camino.

Il fenomeno di corrosione, a danno del surriscaldatore dell’evaporatore e dell’economizzatore, è da attribuirsi alla alta concentrazione di cloro nei gas combusti, tale valore dipende principalmente dalla composizione degli RSU, nei quali il cloro varia da un minimo di 0.47% ad un massimo di 0,72%. Approssimativamente la metà del cloro contenuto nell’RSU, è di natura organica, mentre l’altra metà deriva da materiali plastici come ad esempio il PVC. Il cloro presente, durante la combustione, produce acido cloridrico HCl sotto forma di gas molto pericoloso perché corrosivo. Assumendo una concentrazione percentuale ideale di cloro dello 0,5% all’interno dell’RSU tal quale, possiamo affermare che la concentrazione di HCl si attesta intorno alle 580 ppmv.

Oltre alla concentrazione del cloro, ad aggravare la situazione è l’elevata temperatura. Con temperature di vapore surriscaldato maggiori di 350°-380°, è possibile raggiungere all’esterno dei condotti, a contatto con i fumi, valori di temperatura maggiori di400°C, entrando in una zona dove l’aggressione acida incrementa rapidamente.

Corrosione nei GV

I meccanismi di corrosione, sono principalmente due:

  • Ossidazione Attiva
  • Corrosione dovuta alla deposizione di solfati e sali liquefatti.

L’ossidazione attiva si verifica quando il metallo di cui è costituito lo scambiatore si trova alla temperatura di circa450°C. Tale processo è costituito da diverse fasi:

  1. Si verificano, l’ossidazione dell’HCl presente nel gas e reazioni di cloruri, come l’NaCl, con gli ossidi metallici presenti sui tubi, questi ultimi vantaggiosi come l’ossido Fe2O3 (magnetite), o ininfluenti come l’ossido ferroso FeO, al fine della protezione delle tubazioni:

2HCl + 0.5 O2  → Cl2 + H2O

2NaCl + Fe2O3 + ½ O2  →  Na2Fe2 O4 + Cl2

CORROSIONE NEI gv

2.   Il cloro che si è formato sulla superficie delle tubazioni, riesce a penetrare nelle incrostazioni di ossido e reagisce con il ferro, o con il metallo di cui è composto il tubo, dando vita a cloruri metallici. Le reazioni sono le seguenti:

Fe + Cl2  → FeCl2(s)

Fe + 2HCl → FCl2(s) + H2(g)

3.   I cloruri metallici sotto forma di vapori, fuoriescono dalle incrostazioni, che ricoprono i tubi in parte staccandole. I cloruri metallici sono così liberi di reagire con l’ossigeno presente intorno alle tubazioni, si formano così cloro e ossidi metallici.

FeCl2(s) → FeCl2(g)

3FeCl2 + 2O2 → Fe3O4 +3Cl2

2FeCl2 + 1,5 O2 → Fe2O3 + 2Cl2

Corrosione nei GV

Nell’ultima fase il cloro in fase gassosa, rilasciato dalle reazioni esaminate, si diffonde nella maggior parte dei gas. In parte tale cloro tende nuovamente a reagire con il ferro o il  metallo di cui sono costituiti i fasci tubieri, formando nuovamente cloruri metallici volatili.Il ciclo di reazioni esaminate dimostra come il metallo viene continuamente asportato dalle superfici degli scambiatori sotto forma di cloruri.

Quando i cloruri di sali contenuti nei gas di combustione vengono a contatto con le superfici dei tubi più freddi, condensano e formano una miscela liquida. Questi reagiscono con i gas SO2 e SO3, formando solfati alcalini, come mostrano le reazioni:

2NaCl(s,l) + SO2 + O2 → Na2SO4 + Cl2

2KCl(s,l) + SO2 + O2 → K2SO4 +Cl2

I depositi di tali sostanze, favoriscono in due modi la corrosione, il cloro  da il via a una serie di reazioni come quelle già viste in precedenza per l’ossidazione; mentre la presenza di solfati alcalini di sodio e di potassio, uniti alla vanadina V5O2, derivante dal combustibile, producono un eutettico a basso punto di fusione a consistenza vetrosa aderente alle pareti degli scambiatori e fortemente corrosivo sia per gli strati protettivi di ossido sia per le parti metalliche.

Corrosione nei GV

Vari fattori influenzano il fenomeno della corrosione, nei generatori di vapore di un impianto di termovalorizzazione.

  • La temperatura della superficie dei tubi. L’alta temperatura raggiunta dalle superfici dei fasci tuberi, ed in particolar modo dal surriscaldatore, sono dovute all’alta quantità di calore trasferito per irraggiamento, e ad un inadeguato scambio termico all’interno delle tubazioni, ciò comporta un aumento della velocità della corrosione. In generale le pareti metalliche di un surriscaldatore vanno tenute al di sotto dei 450°-500°C anche se ciò comporta una riduzione dell’efficienza termica
  • La temperatura dei gas combusti. La  temperatura dei gas influenza l’aliquota di materiali che si vanno a depositare sulle superfici dei tubi e anche la loro composizione, ciò accelera il fenomeno di corrosione. Il gradiente di temperatura che si instaura tra i gas e le superfici delle tubazione metalliche è la causa della condensa dei cloruri metallici. Quando il gradiente è ampio, la concentrazione del cloro nella condensa è alta e il punto di fusione dei sali decresce. Il gradiente, inoltre, induce stress termici tra la parete metallica della tubazione e lo strato protettivo di ossido Fe3O4, creando fratture in quest’ultimo e rimuovendolo.

Corrosione nei GV

  • Variazioni di temperatura. La composizione chimico-fisica dell’RSU tal quale  non omogenea causa una combustione non regolare, che produce gas combusti con temperature variabili all’interno della camera di combustione. Esperimenti condotti hanno confermato una relazione tra fenomeni di corrosione  e la fluttuazione della temperatura
  • Caratteristiche dei sali liquefatti. La diffusione del cloro attraverso le lesioni e i pori degli strati protettivi di ossido accresce la corrosione. La presenza di cloruri, solfati, alcali e metalli pesanti nei gas,  rendono  questi più aggressivi e corrosivi. 

Una particolare reazione, che risulta essere benefica nei confronti degli effetti della corrosione del cloro e dei cloruri, è quella di solfatazione dei sali alcalini, contenuti nei gas combusti. Questa reazione chimica trasforma i cloruri in sali solfati. Il cloro  rilasciato reagisce con il vapore d’acqua e forma acido cloridrico sottoforma di gas. I sali solfati sono molto meno aggressivi dei semplici solfati a temperature elevate.

Metodi per limitare la corrosione

L’esperienza costruttiva ha messo in evidenza diversi modi di affrontare il problema della corrosione. Questi possono essere suddivisi in due categorie principali:

  • Interventi primari: prevedono modifiche alle condizioni di funzionamento del generatore di vapore
  • Interventi secondari: sono attuatati per aumentare la vita delle tubazioni del generatore.

Gli interventi primari sono:

1.   Limitazione della temperatura di parete. Ciò porta al noto limite superiore di450 °C per la temperatura di surriscaldamento. Oltre tale valore, di cui si è più volte tentato il superamento al fine di incrementare il rendimento dei cicli, l’ossidazione presenta caratteristiche catastrofiche.

2.   Riduzione dell’eccesso d’aria. Limitando questo a pochi punti percentuali, si ha prevalentemente formazione di CO2 rispetto ad altri ossidi. Per limitare l’emissione di incombusti (che causano inquinamento e sensibili perdite di rendimento) occorre, però, un sistema di controllo della combustione accurato e pronto ad adeguarsi a variazioni anche piccole del carico.

Metodi per limitare la corrosione

3.   Evitare le temperature di parete più pericolose. Particolarmente aggressive sono le miscele H2O ÷ H2SO4 a concentrazioni intermedie (40 ÷ 50% per l’acciaio), che si formano preferenzialmente per determinate differenze di temperatura tra gas e parete. In definitiva, occorre contenere entro limiti ragionevoli l’abbassamento della temperatura al camino (100 -180 °C a seconda del tipo di combustibile impiegato; i valori minimi sono caratteristici del gas naturale).

Gli interventi secondari:

a)     Aggiunta di sostanze che innalzano il punto di fusione delle ceneri. Assolve a tale compito la dolomite, CaMg(CO3)2 che ha effetti positivi anche nella prevenzione di eventuali corrosioni. È di frequento utilizzo anche l’ossido di magnesio MgO.

b)     Introduzione di inibitori di corrosione nel circuito fumi. Alcuni additivi (dolomite, ammoniaca, ossidi di zinco) assorbono fisicamente l’anidride solforica. Altri (zinco ed additivi speciali) agiscono come anticatalizzatori per l’ossidazione di SO2.

Metodi per limitare la corrosione

c)     Adozione di materiali protettivi. Le superfici del surriscaldatore sono le  più corrose a causa delle elevate temperature. Il rivestimento è costituito da una superlega alla base di nichel, l’INCONEL 625. L’elevato costo di questo materiale, rende necessario  un accurato studio della temperatura, per ricercare le zone del surriscaldatore dove bisogna utilizzarlo. Lo strato protettivo di INCONEL non altera gli scambi termici ed è resistente all’acido cloridrico (HCl) e al cloro gassoso (Cl2). Inoltre recenti sperimentazioni hanno dimostrato che le proprietà protettive sono scarse tra i 400°-420°, mentre si incrementano a partire dai 450° fino ad un picco di 540°. La maggior parte dei fasci scambiatori dei termovalorizzatori opera a circa 420°, temperatura alle quale l’INCONEL non è raccomandato.

d)     Metodologie di applicazione di materiali protettivi. Oltre la scelta dei materiali per proteggere le tubazioni è molto importante la metodologie applicativa di questi. Le tecnologie scelte sono la spruzzatura ad alta velocità, con torcia ad ossigeno-combustibile (HVOF high velocity oxsy-fuel), e la spruzzatura al plasma. Entrambe le lavorazioni riducono, a meno dell’1%, la porosità dell’isolante, che normalmente è del 5%. Test sperimentali hanno dimostrato un’ottima resistenza all’erosione dei materiali sottoposti ai trattamenti sopra indicati, poiché questi producono microstrutture solide ed omogenee. L’utilizzo congiunto di materiali, quali l’INCONEL,  e lavorazioni, come l’HVOF, hanno innalzato la durata, dei banchi di tubi dei surriscaldatori, a più di tre anni.

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