I guasti legati alla caldaia sono la principale causa di fermate non programmate nei termovalorizzatori. Nella sua analisi dei dati di fermo impianto dell'agosto 2022, POWER Magazine ha riportato che gli impianti di termovalorizzazione e biomassa hanno registrato in media 22,9 giorni di fermo non programmato nel 2021, di cui il 43% riconducibile alla caldaia e 9,9 giorni dovuti solo a guasti caldaia. Lo sporcamento della caldaia con cui gli operatori dei termovalorizzatori convivono ogni giorno, e la corrosione del surriscaldatore che ne consegue, non sono voci di manutenzione secondarie. Sono la prima voce di fermo impianto, e buona parte di essa dipende da ciò che arriva realmente in griglia, ora per ora, e da quanto varia.
Il meccanismo: sporcamento e corrosione dei surriscaldatori da rifiuti variabili e ricchi di cloro
I rifiuti solidi urbani portano cloro da PVC, imballaggi contaminati da residui alimentari e comune sale da cucina, insieme a metalli alcalini (potassio, sodio) e metalli pesanti (piombo, zinco) da rifiuti organici e frazioni miste. Nulla di esotico: è la normale composizione dei rifiuti domestici e commerciali. Il problema è cosa fanno questi elementi insieme una volta portati alla temperatura dei fumi.
Formazione di depositi di HCl e sali fusi sui tubi del surriscaldatore
Durante la combustione, il cloro si converte in gran parte in HCl nei fumi. In presenza di metalli alcalini forma anche cloruri alcalini (KCl, NaCl) che vaporizzano in camera di combustione e poi condensano quando i fumi si raffreddano lungo il fascio del surriscaldatore. Questi cloruri, insieme a solfati e composti di metalli pesanti, formano miscele eutettiche a basso punto di fusione sulle superfici dei tubi. Una chimica dei depositi coerente con questo meccanismo, incluso un attacco ad alta temperatura da sali fusi su tubi di surriscaldatore in un termovalorizzatore in esercizio, è documentata in Corrosion Science (2011) - il riferimento centrale per la corrosione dei surriscaldatori nella termovalorizzazione dei rifiuti. Lo strato di sale fuso o semi-fuso disgrega lo strato protettivo di ossido di cromo che altrimenti scherma il metallo, esponendo la lega nuda a un nuovo attacco. Dove il cloro raggiunge la superficie metallica attraverso crepe nel deposito, può instaurarsi un ciclo di ossidazione attiva: il cloro forma cloruri metallici volatili all'interfaccia metallo-ossido, che migrano verso l'esterno e si ossidano, rilasciando nuovamente cloro che prosegue l'attacco. Un meccanismo strettamente correlato, studiato su caldaie a biomassa e non su termovalorizzatori, è descritto in ORNL/TM-2011/399 - non è evidenza specifica per la termovalorizzazione, ma la chimica di cloro e alcalini sottostante è direttamente rilevante, poiché la co-combustione di biomassa condivide gli stessi elementi corrosivi.
Perché sporcamento e corrosione si aggravano a vicenda nel corso di un ciclo operativo
Sporcamento e corrosione non sono due problemi separati che procedono in parallelo: si alimentano a vicenda. Lo strato di sale appiccicoso iniziale su un tubo del surriscaldatore cattura le ceneri volanti, e il deposito si ispessisce. Un deposito più spesso e isolante riduce lo scambio termico in quel punto del fascio tubiero, spingendo verso l'alto la temperatura dei fumi e della parete del tubo a valle per compensare. Una temperatura di parete più alta accelera la chimica di corrosione da sali fusi sotto il deposito. Così lo sporcamento, che inizia come un semplice fastidio di scambio termico, diventa nel giro di settimane la condizione che mantiene una superficie più calda e più corrosiva di quella che il tubo avrebbe altrimenti. Per questo i depositi vengono rimossi secondo un programma di pulizia con soffiatori di fuliggine o pulizia meccanica, non a posteriori: lasciato senza intervento, un deposito non si limita ad accumularsi, cambia il regime di corrosione sottostante.
Come la variabilità dei rifiuti aggrava specificamente il problema
Ampie oscillazioni del PCI impongono escursioni di regolazione più ampie
Nulla della chimica sopra descritta richiede rifiuti variabili per verificarsi. Ciò che la variabilità fa è allargare la finestra operativa entro cui la caldaia deve essere regolata. Quando il potere calorifico inferiore (PCI) oscilla tra i conferimenti, o all'interno dello stesso conferimento mentre viene caricato in griglia, la regolazione della combustione deve reagire: si agisce su velocità della griglia, rapporti aria primaria e secondaria e bruciatore ausiliario per mantenere temperatura in camera e parametri vapore entro i limiti di progetto. Oscillazioni più ampie e rapide significano interventi di regolazione più frequenti e più aggressivi, e più escursioni verso condizioni di combustione - localmente ricche o povere di combustibile, localmente più fredde o più calde - fuori dalla banda stretta per cui caldaia e metallurgia sono state progettate.
Perché una banda di PCI stabile è anche una leva di mitigazione della corrosione, non solo di throughput
La stabilità del PCI viene generalmente discussa come una questione di throughput e conformità autorizzativa. È anche, più di rado così definita, una variabile prossima alla corrosione. L'instabilità di combustione è un contributo documentato ai meccanismi di sporcamento e corrosione sopra descritti: genera escursioni di temperatura locali in camera e nel tratto surriscaldatore, e correla con periodi in cui variano anche i carichi di cloro e alcalini nei fumi, poiché gli stessi conferimenti eterogenei che fanno oscillare il PCI portano spesso, nello stesso momento, un contenuto di cloro disomogeneo (carichi ricchi di PVC, frazioni contaminate da sale). Restringere la banda di PCI non rimuove il cloro dal combustibile e non arresta da sola la corrosione. Quello che fa è ridurre quanto spesso la caldaia è costretta ad allontanarsi dal proprio punto operativo di progetto per compensare le oscillazioni del carico, e ridurre gli interventi manuali necessari agli operatori per mantenere una combustione stabile durante un turno. È un'affermazione più modesta di una cifra di riduzione dello sporcamento o della corrosione, ed è quella onesta: non esiste ancora una cifra datata e specifica del settore su quanto una banda di PCI più stretta riduca i tassi di sporcamento o corrosione, e qualsiasi cifra proposta senza una fonte indicata va trattata con sospetto.
Cosa riduce la variabilità dei rifiuti nel punto in cui entrano nel processo
La leva disponibile prima che i rifiuti raggiungano la griglia è il controllo in ingresso: conoscere composizione e PCI di ogni conferimento, carico per carico, abbastanza bene da poter sequenziare e miscelare prima del caricamento. La piattaforma Wasteer è già in uso in oltre 20 impianti per fare esattamente questo - miscelare i conferimenti in base alla composizione misurata per smussare ciò che arriva in caldaia, grazie alla misura continua del PCI al punto di conferimento invece del campionamento manuale periodico. La stessa visibilità in ingresso individua anche i materiali non conformi critici per la sicurezza che disturbano indipendentemente la stabilità di combustione, dalle bombole di gas agli eventi di innesco da batterie, e produce la documentazione per singolo conferimento che i regimi di monitoraggio regolatorio si aspettano sempre di più - vedi anche come il controllo in ingresso guidato dai dati si inserisce nel quadro più ampio. Nulla di tutto ciò sostituisce la pianificazione della manutenzione, i regimi di ispezione o le decisioni di metallurgia. Interviene su un contributo a monte dell'instabilità di combustione, essa stessa uno dei contributi documentati fra i vari a sporcamento e corrosione.
Cosa verificare: il vostro problema di sporcamento e corrosione è dei rifiuti o dei materiali?
Prima di attribuire un trend di sporcamento o corrosione ai rifiuti, verificate le evidenze che distinguono davvero i due casi. Prelevate campioni di deposito dal fascio tubiero interessato e fate analizzare il rapporto cloruri alcalini/solfati: un deposito a prevalenza di cloruri indica più un attacco attivo da cloro, su cui il controllo in ingresso può incidere; un deposito a prevalenza di solfati o con chimica insolita può indicare piuttosto una frazione specifica di combustibile o un disallineamento di metallurgia. Correlate il registro di regolazione della combustione (rapporti aria, cicli del bruciatore ausiliario, escursioni di temperatura) con i dati di PCI per singolo conferimento nello stesso periodo; una forte correlazione tra finestre ad alta variabilità ed escursioni di regolazione supporta una lettura guidata dai rifiuti. Monitorate l'andamento dello spessore parete tramite controllo a ultrasuoni negli stessi punti dei tubi su fermate successive: un tasso di corrosione che resta stabile indipendentemente dal mix di rifiuti o dai cambi di fornitore indica lega dei tubi, stadiazione del surriscaldatore o progetto della temperatura vapore come variabile dominante - placcatura, cambio lega o ristadiazione sono allora la soluzione più diretta rispetto al controllo in ingresso. La maggior parte degli impianti trova entrambi i fattori presenti in una certa proporzione; il valore diagnostico sta nel sapere dove investire per primo.
FAQ
Stabilizzare il PCI in ingresso elimina la necessità di placcatura del surriscaldatore o cambio di metallurgia? No. La stabilizzazione in ingresso interviene sull'instabilità di combustione come uno dei contributi a monte. Non rimuove il cloro dal combustibile, non cambia la chimica della lega dei tubi e non sostituisce ispezioni, programmi di pulizia o decisioni di metallurgia dove i dati di deposito e spessore parete mostrano che sono il fattore dominante.
La corrosione da HCl e cloruri alcalini è un meccanismo specifico della termovalorizzazione, o si presenta anche altrove? La chimica di base, cloro e metalli alcalini che formano depositi corrosivi a basso punto di fusione sui tubi del surriscaldatore, è documentata direttamente in esercizio di termovalorizzazione nello studio Corrosion Science del 2011 citato sopra. Un meccanismo strettamente correlato è documentato anche nelle caldaie a biomassa (ORNL/TM-2011/399); si tratta di evidenza da biomassa, non da termovalorizzazione, citata qui solo come riferimento di un settore adiacente per la chimica condivisa di cloro e alcalini.
Il monitoraggio continuo in ingresso può ridurre la frequenza di soffiatura fuliggine o pulizia meccanica? Esiste un percorso meccanicistico plausibile - meno escursioni di combustione dovrebbero significare condizioni di sporcamento locale meno aggressive - ma non esiste ancora una cifra datata e specifica del settore che quantifichi questo effetto, e questo articolo non ne propone una. Confrontate la vostra frequenza di pulizia con i vostri dati di variabilità in ingresso prima di assumere una riduzione.
Che ruolo ha la 17ª BImSchV tedesca in questo contesto? La 17ª BImSchV modificata (febbraio 2024) fissa i limiti di emissione in atmosfera per l'incenerimento e coincenerimento dei rifiuti in Germania; regola ciò che esce dal camino, non direttamente il meccanismo di sporcamento e corrosione all'interno della caldaia. È un riferimento rilevante per gli operatori tedeschi, ma non è il driver regolatorio del meccanismo qui descritto.