Evoluzione dei sistemi d`analisi fumi

Evoluzione dei sistemi d’analisi fumi
La situazione riscontrata su impianti termici esistenti, soggetti alla legislazione vigente fino alla
pubblicazione del DPCM 8/03/2002, era caratterizzata dalla presenza di sistemi d’analisi vetusti, a
scansione, costituiti da armadi ingombranti contenenti apparecchi indicatori e registratori grafici
malfunzionali, guasti e inutilizzabili. Le ragioni che hanno condotto all’inefficienza dei vecchi
sistemi d’analisi sono legate a costi elevati delle apparecchiature e a una scarsa reperibilità dei
ricambi, oltre alla necesità di figure tecniche professionali adeguate, in grado di gestire
correttamente le apparecchiature e interpretarne i dati registrati, allo scopo di garantire una corretta
conduzione degli impianti, attraverso le attività di manutenzione necessarie. Successivamente al
DPCM 8/03/2002 e in particolare con l’entrata in vigore del D.L. 152/2006, la situazione si è
evoluta a favore dell’impiego dei sistemi d’analisi in continuo, anche grazie all’intensificazione
dell’attività ispettiva espletata dagli Enti preposti. L’industria dei sistemi d’analisi fumi ha dovuto
fronteggiare le esigenze legislative realizzando sistemi d’analisi in continuo con l’impiego delle più
recenti tecnologie. Nonostante la disponibilità di nuovi prodotti, reperibili a costi più accessibili, le
società di gestione d’impianti termici sono costantemente alla ricerca di sistemi in grado di
soddisfare le moderne filosofie dicontrollo nel pieno rispetto della legislazione vigente. Il mercato è
caratterizzato dall’offerta di prodotti eterogenei:
1- strumenti mirati all’analisi specifica dei parametri caratteristici dei gas esausti emessi dagli
impianti a combustione (sonde di varie tecnologie, registratori, trasmettitori di segnali, etc.);
2- soluzioni complesse e costose realizzate appositamente per grandi impianti industriali a
combustione aventi potenza superiore a 50 MW;
3- sistemi di misura e controllo realizzati integrando dispositivi d’analisi e misura standard con
schede elettroniche prodotte in pochi esemplari;
4- sistemi d’analisi in continuo completi, in grado di misurare i parametri previsti dalla legislazione
vigente.
L’insieme dei prodotti citati al punto 1 è adatto all’impiego nei sistemi di controllo di processo e si
presta a realizzazioni impiantistiche che richiedono verifiche puntuali dei parametri fisici dei fumi.
I sistemi citati al punto 2 sono caratterizzati da costi inaccettabili per le realtà impiantistiche aventi
potenze comprese tra 1,5 e 50 MW. I sistemi descritti al punto 3, essendo assimilabili ai quadri di
controllo realizzati su scala artigianale, non garantiscono standard di uniformità delle specifiche
caratteristici dei prodotti realizzati in serie. Per le ragioni suddette la scelta dei gestori è quasi
obbligatoriamente orientata verso i prodotti citati al punto 4, a condizione che sia possibile disporre
di servizi affidabili per la revisione semestrale e le verifiche di taratura annuali dei sistemi forniti.
Tecnologie impiegate per la realizzazione dei sistemi d’analisi fumi in continuo
La valutazione della qualità di un processo di combustione è misurabile in base al contenuto delle
seguenti sostanze nei gas effluenti:
- monossido di carbonio (CO)
- ossigeno libero (O2)
- anidride carbonica (CO2)
- monossido d’azoto (NO)-motori a combustione interna
- biossido d’azoto (NO2)-motori a combustione interna
- ossidi d’azoto (NOx)-motori a combustione interna
- anidride solforosa (SO2)-combustibile liquido
- contenuto di polveri nei fumi (per impianti aventi potenza superiore a 50 MW)
I componenti principali costituenti i sistemi d’analisi fumi sono:
- sensori in campo (incluse temperature e pressioni al camino)
- linee di prelievo dei fumi
- sistemi di raffreddamento e decantazione delle condense
- sistemi di filtraggio dei fumi
- elettropompe d’aspirazione dei fumi
- elettrovalvole di sicurezza e di ricalibrazione periodica
- sensori su quadro
- unità d’interfaccia dedicata ai sensori
- unità di gestione dei sensori e dei dispositivi ausiliari (elettropompa, valvole, etc.)
- unità d’elaborazione statistica dei dati acquisiti
- unità di trasferimento dati
- unità di memorizzazione dati
- complesso di regolazione del rapporto stechiometrico
L’intero sistema deve essere fornito in configurazione facilmente installabile, certificato per
garantire l’attendibilità dei dati registrati.
Sensori
Le tecnologie disponibili per la misura delle concentrazioni di gas emessi in atmosfera dagli
impianti a combustione sono basate su principi chimici e fisici che permettono di realizzare sensori
affidabili nel tempo a fronte di programmi di manutenzione poco onerosi. I sistemi di misura
prevalentemente adottati impiegano celle elettrochimiche, sonde all’ossido di zirconio o dispositivi
basati sull’assorbimento della radiazione della radiazionbe infrarossa; quest’ultimo sistema è
particolarmente efficace per rilevare la concentrazione di monossido di carbonio e anidride
carbonica. I sensori costituiti da celle elettrochimiche sono affidabili ma devono essere sostituiti
almeno ogni due anni ; l’esaurimento delle celle è più rapido se le concentrazioni dei gas da
analizzare sono elevate e concentrazioni eccessive possono danneggiare irreversibilmente le celle di
misura, a meno che queste non siano protette mediante sistemi di deviazione o di diluizione dei
fumi campionati con aria. Per la misura del contenuto d’ossigeno nei fumi è possibile utilizzare
sonde all’ossido di zirconio, in grado di rilevare la differenza di concentrazione d’ossigeno tra aria
ambiente (20,9%) e fumi (circa 3%). Tali dispositivi, oltre a essere affidabili nel tempo e precisi,
sono in grado di rilevare anche rapide variazioni delle concentrazioni, consentendo regolazioni
efficienti del arpporto stechiometrico.
I dispositivi basati sull’assorbimento della radiazione infrarossa sono caraterizzati da precisione
superiore rispetto alle celle elettrochimiche e da tempi di vita media tali da consentire
l’ammortamento dei costi d’investimento entro il periodo di circa tre anni. I dispositivi realizzati
con le moderne tecnologie sono estremamente compatti e non richiedono installazione diretta nei
camini, con conseguente riduzione delle sollecitazioni termiche. Le scelta delle tecnologie, ove non
vincolata ai termini di legge (per generatori di calore aventi potenza superiore a 6 MW non sono
consentiti sistemi di misura mediante celle elettrochimiche), dipende da considerazioni economiche
relative all’acquisto e alla manutenzione del sistema.
Aspetti energetici e controllo della combustione
L’importanza dei sistemi d’analisi in continuo dedicati ai processi di combustione nasce
principalmente dalla necessità di garantire l’efficienza delle centrali termiche, ottimizzando i
consumi di combustibile e garantendo il miglior funzionamento generale dei generatori di calore nel
tempo, a fronte della riduzione delle attività di manutenzione straordinaria.
Le percentuali di monossido di carbonio e ossigeno contenute nei fumi esausti, costituiscono gli
indici che permettono di valutare la qualità del processo di combustione; un impianto efficiente
deve garantire emissioni in atmosfera praticamente nulle di monossido di carbonio con percentuali
minime d’ossigeno libero.
Per ridurre la percentuale di monossido di carbonio nei gas esausti è necessario fornire quantità
d’aria comburente in eccesso rispetto al rapporto stechiometrico ideale.
La reazione chimica tra metano (CH4) e ossigeno (O2) richiede due molecole d’ossigeno per ogni
molecola di gas metano; ne consegue che per bruciare un m3 standard di gas metano è necessario
fornire due m3 standard d’ossigeno (il m3 standard “st.m3” è riferito alla pressione di 1,013 bar e
alla temperatura di 15 °C ed è l’unità di misura tecnica adottata per la fornitura di gas metano).
L’aria è composta d azoto (78,0%), ossigeno (20,9%) e altri gas (1,1%). In condizioni ideali, per
fornire due m3 standard d’ossigeno è necessario disporre di 9,57 m3 standard d’aria, che nel
processo di combustione assorbono parte dell’energia utile a scapito del rendimento globale.
L’eccesso d’aria “!” rappresenta il rapporto tra rapporto stechiometrico reale e teroico ed è dato
dalla seguente relazione:
! = 20,9 / (20,9 " % #2 mis.)
Le perdite energetiche percentuali al camino “Qs” sono espresser dalla seguente relazione in
funzione della concentrazione d’ossigeno rilevata nei gas esausti:
Qs=(0,68/(21 " %O2mis)+0,010)(Tf-Ta)[%]
Riducendo al limite minimo l’eccesso d’aria si riduce l’effcienza per difetto di combustione, con
conseguente produzione di monossido di carbonio, gas tossico, infiammabile e inodore.
Un sistema efficace per la regolazione del rapporto stechiometrico permette di mantenetre la
massima efficienza dell’impianto perseguendo due obiettivi contrastanti: la riduzione dell’eccesso
d’aria e della quantità di monossido di carbonio nei gas esausti.
I sistemi di controllo della combustione regolano l’eccesso d’aria per garantire la massima
efficienza dell’impianto di produzione termica e qualsiasi regime di funzionamento possibile.
Il regime di funzionamento dei generatori di calore può essere:
° costante (mono-stadio)
° a gradini (multi-stadio)
° a regime modulante, variabile tra il 25 e il 100% della potenza nominale (il regime minimo è
vincolato dall’entità delle dispersioni termiche al mantello del generatore rispetto alla potenza utile
generata. Le perdite al mantello sono rapportate alla potenza nominale del generatore; per regimi di
funzionamento ridotti, la percentuale d’energia dissipata può raggiunmgere valori eccessivi in
relazione all’energia utile prodotta.)
Nei generatori di calore a regime mono-stadio o multi-stadio la regolazione dell’eccesso d’aria è
realizzata attraverso tarature periodiche, effettuate intervenendo su dispositivi manuali di
regolazione in base ai dati forniti da strumenti calibrati per la misura dell’ossigeno e del monossido
di carbonio presenti nei fumi; la regolazione è mirata a garantire la miglior qualità possibile del
processo di combustione per ogni stadio di potenza.
Nei generatori di calore a fiamma modulante il controllo dell’eccesso d’aria è ottenuto mediante un
dispositivo meccanico costituito da camma di regolazione a geometria variabile, che permette di
correggerre il rapporto aria/combustione in funzione del regime di potenza erogata; la calibrazione
della camma è effettuata mediante viti con testa a incasso esagonale che permettono di modificarne
il profilo in modo da ottimizzare l’efficienza del sistema sull’intero campo di variazione
ammissibile della potenza erogata.
Entrambi i metodi suddetti offrono risultsati soddisfacenti ma costituiscono sistemi di controllo non
retro-azionati (detti ad anello aperto o open loop), che non garantiscono l’efficienza massima al
variare delle condizioni atmosferiche (temperatura, umidità e pressione atmosferica).
L’introduzione delle leggi recenti, unita alla necessità di ottenere la massima efficienza energetica,
ha spinto alcuni produttori di generatori di calore e bruciatori a introdurre criteri di controllo più
sofisticati che gestiscono la regolazione del rapporto stechiometrico in base alla quantità d’ossigeno
libero presente nei fumi.
In questo caso il sistema di regolazione migliora il controllo tradizionale del rapporto
stechiometrico, riducendo sempre al minimo la quantità d’aria immessa in camera di combustione.
Il controllo avviene in base ai valori percentuali d’ossigeno libero rilevati nei fumi esausti mediante
sonda all’ossido di zirconio (le celle elettrochimiche sono caratterizzate da tempi di risposta troppo
elevati per attuare regolazioni efficaci).
Recentemente sono stati introdotti sensori di nuova generazione, realizzati in ossido di zirconio, che
permettono di rilevare quantità minime di monossido di carbonio con tempi di risposta molto rapidi
e che, abbinati ai sensori per l’ossigeno, permettono di realizzare sistemi di regolazione
estremamente efficienti, in grado di ridurre al minimo l’eccesso di aria, garantendo emissioni
praticamentge nulle di monossido di carbonio.
La tecnologia suddetta, certificata ed estremamente efficace per la regolazione dei bruciatori, non è
idonea al monitoraggio e alla registrazione in continuo delle emissioni, in quanto i sensori impiegati
sono realizzati appositamente per prestazioni di controllo, con campi di lavoro e misura inadatti
all’analisi e al monitoraggio emissioni.
Abbinando le tecnologie di regolazione esposte all’impiego di ventilatori azionati mediante inverter,
è possibile ottimizzare i processi di combustione a fronte di un maggior risparmio termico ed
elettrico.
Le moderne tecnologie consentono anche la riduzione dei costi di produzione dei bruciatori grazie
alla semplificazione dei componenti meccanici e degli assiemi di controllo.
Per ottenere regolazioni efficaci è indispensabile che la potenza massima dei corpi caldaia dei
generatori di calore sia compatibile con la potenza massima dei rispettivi bruciatori.
Considerazioni finali e prospettive future
I sistemi d’analisi in continuo dei fumi forniscono ai gestori le informazioni necessarie per
verificare l’efficienza degli impianti.
Prescindendo dal fatto che la legge ne richiede l’installazione a fronte di condizioni già descritte
nelle sezioni dedicate agli aspetti normativi e legali, il loro impiego, abbinato al controllo
dell’eccesso d’aria in funzione della percentuale d’ossigeno libero presente nei fumi, permette di
conseguire risparmi economici proporzionali alla spesa energetica media sostenuta per il
funzionamento degli impianti.
Qualora la potenza d’impianto risultasse uguale o poco superiore ai valori di soglia che prevedano
l’obbligo d’installazione del sistema d’analisi (1,5 MW), potrebbe essere interessante valutare un
ricondizionamento mirato a ridurre la potenza termica complessiva per rientrare nei limiti di
potenza inferiori a 1,5 MW.
Si consideri che in molte realtà impiantistiche, i generatori di calore originari sono stati sostituiti
utilizzando modelli di potenza via via crescente.
Considerando l’obiettivo di riduzione delle emissioni in atmosfera attraverso l’incremento
dell’efficienza energetica degli impianti, si auspica che i sistemi d’analisi raggiungano standard
qualitativi crescenti a garanzia dell’ottenimento delle prestazioni attese, dell’affidabilità nel tempo e
del contenimento dei costi complessivi d’installazione e manutenzione.
I gestori sono alla costante ricerca di soluzioni compatte, semplici da installare e certificate, a
garanzia del pieno rispetto della legislazione vigente, con elevati indici di affidabilità raggiungibili
soltanto attraverso produzione in larga scala.
Di fatto, la sezione più critica dei sistemi d’analisi è costituita dai sensori e dagli apparati di
convogliamento e aspirazione dei fumi, con i relativi sistemi d’evacuazione delle condense.
Le sezioni elettroniche, raggiunto lo standard qualitativo atteso in termini di funzionalità,
compatibilità elettromagnetica, interfacciamento ai sensori e connettività verso il mondo gestionale,
possono essere ottimizzate per perseguire gli obiettivi di prestazione già raggiunti e consolidati.
Analogamente, i sensori dovranno subire un’evoluzione che permetta di definire con maggiore
precisione il tempo di vita media, allo scopo di poter pianificare al meglio l’erogazione delle attività
di sostituzione e ricalibrazione.
Alcuni strumenti portatili, recentemente oggetto di notevole sviluppo, sono stati realizzati per
l’impiego di sensori intelligenti pre-calibrati e certificati, che comunicano allo strumento valori
numerici in forma digitale, consentendo di prescindere dalla calibrazione della catena di misura
elettrica tra sensore e strumento.
Si auspica che anche nel campo dei sistemi d’analisi in continuo sia possibile disporre di sensori
con le caratteristiche suddette, onde evitare attività onerose che richiedono trasferte periodiche di
personale tecnico qualificato.
Gli aspetti relativi alla manutenzione e alla verifica periodica dei sistemi potranno beneficiare delle
recenti tecnologie trasformando l’assetto organizzativo degli attuali processi aziendali attraverso
l’impiego di figure tecniche con livello di professionalità ponderato in base alle reali necessità
operative, lasciando che calibrazioni e certificazioni siamo eseguite negli stabilimenti di
produzione, mentre le sostituzioni potranno essere curate direttamente dai gestori, senza dover
ricorrere a complesse procedure di verifica.
La qualità dei sistemi e del servizio di manutenzione sarebbe intrinsecamente certificata grazie al
valore aggiunto della strumentazione e alle tecnologie d’interfacciamento dei rispettivi componenti,
con conseguenti vantaggi economici, organizzativi e di raggiungimento dei risultati attesi da parte
di aziende produttrici, gestori di calore ed enti proprietari d’impianti.
A cura di Davide Peli e Ing. Federico Van der Velden