Caldaie alimentate con Rsu - Accorgimenti per ridurre la corrosione
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Termoutilizzazione
Caldaie alimentate con Rsu
Accorgimenti per ridurre la corrosione
di Antonio Carminati
Sostenuti da una remunerazione incentivata
dell’energia prodotta, gli impianti di incenerimento
si stanno trasformando in vere e proprie centrali
termoelettriche alimentate con rifiuti solidi urbani.
Il maggiore problema incontrato in questo
sviluppo evolutivo è la corrosione delle superfici
di scambio delle caldaie. L’articolo analizza
la causa del fenomeno e suggerisce gli
accorgimenti per ridurne gli effetti negativi.
a corrosione è a tutt’oggi il problema principale delle
L caldaie che recuperano il calore dall’incenerimento dei
rifiuti. Purtroppo i fenomeni corrosivi sono di molteplice na-
tura, si modificano nel tempo con il variare della composi-
zione merceologica del rifiuto e dipendono dalle caratteristi-
che del vapore prodotto. Già nei primi anni Settanta sono Figura 1 - Relazione tra tensione di vapore
state realizzate in Germania e Francia delle caldaie con e temperatura di composti metallici
pressioni superiori a 60 bar e temperature del vapore surri-
scaldato tra i 430 e 500 °C; in proposito è il caso di ricorda- alogenati secchi e i sali basso fondenti generatisi in caldaia
re quelle dell’impianto di Ivry a Parigi e dell’impianto di dalla reazione degli alogeni con gli alcali e con vari metalli.
Flingern a Düsseldorf. Krause [1] fa una panoramica dei ri- Altri fattori di minore importanza ma presenti sono l’attacco
sultati ottenuti in questi impianti e confronta l’esperienza eu- da solfuri e l’attacco di tipo elettrochimico che viene gene-
ropea con quella americana. I risultati pratici di durata delle rato, durante i transitori e in presenza di umidità, dall’idrolisi
parti in pressione, in special modo dei surriscaldatori, sono dei composti clorurati e la conseguente formazione di acido
sconsolanti. Negli anni che seguirono la strada delle elevate cloridrico [2]. Lai, a pag. 161 del suo splendido libro [3], ri-
caratteristiche del vapore è stata in parte abbandonata do- porta un esempio di corrosione superficiale dovuta a solfuri
vendo garantire lo smaltimento dei rifiuti senza troppe fer- e corrosione profonda da cloruri metallici che essendo vola-
mate e nel contempo dato il modesto ritorno economico de- tili lasciano dei vuoti e delle cavità tra i grani.
rivante dalla vendita dell’energia elettrica. Solo recentemen- Nelle normali condizioni di marcia della caldaia, cioè esclu-
te e in special modo in Italia, si è ritornati, sospinti da con- dendo i transitori e le fermate, la cinetica della corrosione è
tratti di vendita dell’energia prodotta assai favorevoli, a rea- influenzata da due parametri fondamentali:
lizzare caldaie di recupero con pressioni superiori a 40 bar - la temperatura di parete del tubo scambiante;
e temperature oltre i tradizionali 400 °C. La corrosione non - la temperatura dei fumi caldi che lambiscono la superficie
solo si è ripresentata ma, con le nuove condizioni operative interessata.
dei combustori, (basso eccesso d’aria ed elevata tempera- Le caratteristiche del vapore, pressione e temperatura, gio-
tura di fiamma) il fenomeno ha assunto una valenza impor- cano quindi un ruolo determinante anche se recentemente si
tante per la continuità di esercizio degli impianti. è portati a dare più importanza alla temperatura dei fumi. La
ragione è da attribuirsi alla sempre maggiore influenza dei
sali aventi una bassa temperatura di fusione ed una elevata
Le cause della corrosione tensione di vapore. I cloruri metallici e i cloruri alcalini forma-
no una serie di composti tutti basso fondenti; a titolo esem-
Sull’argomento esiste una letteratura vastissima che analiz- plificativo in Tabella 1 si elencano alcuni eutettici e le relative
za tutte le possibili cause di un degrado spesso assai rapi- temperature di fusione [3]. Il secondo fattore negativo è l’ele-
do. Cercando di sintetizzare una materia così complessa si vata tensione di vapore dei sali che impone, per la loro con-
può affermare che i principali agenti corrosivi sono gli acidi densazione, di raffreddare molto i fumi. Ad esempio il cloruro
di zinco, forse il sale più presente in tutti i depositi di cenere
Dott. ing. Antonio Carminati, Forni Engineering Srl, Milano, forneng@iol.it analizzati, bolle a 732 °C e ha ancora una discreta tensione
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Termoutilizzazione
di vapore sotto i 600 °C. Sul diagramma alla tanti pericoli corrosivi sono tre:
Figura 1 sono riportate le tensioni di vapore in Tabella 1 - le pareti laterali del focolare scherma-
funzione delle temperature per i due cloruri prin- te con refrattario;
cipali cioè quello di zinco e quello di piombo. Le Rapporto Punto di - le pareti nude laterali e il tetto che
molteplici esperienze pratiche hanno permesso molare (%) fusione (C°)* compongono la parte superiore del I
di tracciare un diagramma di corrosione, riporta- 25NaCl-75FeCl3 156 e del II canale radiante;
to in Figura 2, sulla base delle due temperature 37PbCl2-63FeCl3 175 - i banchi del surriscaldatore.
dei fumi e di parete del tubo. Anche se l’approc- 60SnCl2-40KCl 176 Altri componenti, di minor importanza
cio è piuttosto elementare, esso individua un 70SnCl2-30NaCl 183 e non tali da imporre un fuori servizio
confine sotto il quale la corrosione è nulla o 70ZnCl2-30FeCl3 200 della caldaia, sono soggetti a corrosio-
bassa mentre al contrario nella zona superiore 20ZnCl2-80SnCl2 204 ne e rappresentano pur sempre un co-
essa risulta alta. Più avanti, quando si affron- 55ZnCl2-45KCl 230 sto per la gestione:
terà l’argomento dei surriscaldatori, apparirà più 70ZnCl2-30NaCl 262 - le guaine delle termocoppie;
chiara l’importanza di questo diagramma. 60KCl-40FeCl2 355 - le lance degli eventuali soffiatori di fu-
58NaCl-42FeCl2 370 liggine.
70PbCl2-30NaCl 410 Completano il quadro della corrosione i
Le zone della caldaia 52PbCl2-48KCl 411 fenomeni che si manifestano durante le
soggette a corrosione 72PbCl2-28FeCl2 421 fermate e i transitori di accensione.
90PbCl2-10MgCl2 460
80PbCl2-20CaCl2 475
Praticamente la totalità delle moderne caldaie Le pareti laterali del focolare
49NaCl-50CaCl2 500
installate sugli inceneritori è dotata di più canali
dove lo scambio avviene per irraggiamento e °Punto di fusione (C°) Il focolare è formato, in quasi tutti gli
da un canale a volte verticale, ma più spesso della miscela eutettica impianti, da una camera bassa che av-
orizzontale, dove sono installati i banchi convet- volge la griglia e da un plenum superio-
tivi che completano l’evaporazione, surriscalda- re avente la funzione di post-combu-
no il vapore e preriscaldano l’acqua di alimentazione. store; tra le due camere viene insufflata l’aria secondaria in-
I vantaggi del canale orizzontale sono due: dispensabile per assicurare una efficace turbolenza.
- i banchi sono pendenti e possono essere puliti con martelli Nelle caldaie moderne le pareti laterali di ambedue i vani
percussori; sono realizzate con membranature evaporanti rivestite con
- l’estrazione dei banchi o delle arpe che li compongono refrattario in genere costituito da un mono o bistrato di ta-
può essere eseguita con facilità dall’alto. velle e/o calcestruzzo in carburo di silicio. Non tutti i costrut-
In siffatto schema impiantistico le zone interessate ad impor- tori rivestono completamente il focolare di refrattario; spes-
Figura 2 - Diagramma di corrosione
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Termoutilizzazione so, con lo scopo di ridurre la formazione di depositi di cene- daie di Milano, sottostanti la malta, non ha evidenziato alcun re semifusa, vengono lasciate delle fasce di parete con la attacco chimico pur dopo una marcia di vari mesi senza lo membranatura direttamente affacciata alla fiamma; è il caso strato di tavelle lato processo. dei fianchi del forno appena sopra la griglia dove le scorie agglomerate possono rendere difficoltoso l’avanzamento Le parti alte del I e II canale del rifiuto e delle zone di insufflaggio dell’aria secondaria dove l’elevata temperatura localizzata fonde la cenere e de- Già da parecchi anni è noto che la fascia di parete membra- termina l’ostruzione degli ugelli. nata nuda posta appena sopra la fine del rivestimento refrat- L’atmosfera del focolare basso, contraddistinta da una tem- tario è soggetta ad attacco chimico. Quando la pressione del peratura elevata (> 1.200 °C) e da condizioni variabili ossi- vapore è inferiore o uguale a 40 bar, in genere l’attacco è danti e riducenti, è particolarmente aggressiva. La superficie consistente per una altezza che varia da 1 a 2 m; con pres- membranata deve quindi essere protetta. Il sistema più col- sioni e quindi temperature di parete più elevate la corrosione laudato è quello di saldare sui tubi un riporto in Inconel 625; si estende per molti metri interessando anche il tetto del I e poiché tale accorgimento è suggerito per proteggere altre II canale. Oltre alle cause di corrosione già illustrate in pre- zone della caldaia, il tema è stato approfondito e ad esso è cedenza vi è un altro fattore di rischio collegato con una ca- dedicato il penultimo paragrafo al quale si rimanda. La foto- renza di turbolenza in camera di combustione e con l’alter- grafia in Figura 3, scattata sull’inceneritore di Dalmine, in- narsi di condizioni ossidanti/riducenti; questo effetto è sicu- quadra la paretina laterale griglia composta da tubi evapo- ramente riscontrabile nella zona delle fiamme mentre è an- ranti protetti con il riporto saldato in Inconel. Un discorso a sé riguarda la corrosione delle pareti membranate protette dal rivestimento refrattario; purtroppo i sali in fase vapore penetrano nel refrat- tario, lo saturano e lentamente migrano verso la sottostante parete. Può capitare che il rivestimento appaia integro mentre la parete metallica sottostan- te è già interessata all’attacco corrosivo. Spiegel con la società Chemin ha studiato il fenomeno [4] manifestatosi in più impianti tedeschi tra cui men- ziona quello di Augsburg. L’attacco più rilevante si evidenza all’altezza dei bruciatori di post-combu- stione per estendersi fino alla fine della parte refrat- tariata. È interessante notare come la concentrazio- ne più elevata di sali sia presente negli strati profondi del refrattario e meno sul lato processo; l’elevata tensione dei vapore dei sali gioca un ruolo in questo senso. La tavella, sempre che non si stac- chi, è meno infiltrata dai sali in quanto meno porosa del calcestruzzo refrattario. Sempre Spiegel sugge- Figura 3 - Superfici evaporanti sui lati griglia con riporto in Inconel risce di prelevare annualmente dei campioni di re- frattario carotandoli dal rivestimento e di analizzarli in modo cora controverso se un tenore di ossido di carbonio piuttosto da verificare la penetrazione del deposito salino; quando elevato aumenti la corrosione delle prime superfici di scam- questo ha raggiunto la parete metallica il refrattario va sosti- bio scoperte all’uscita della zona refrattariata. La geometria tuito anche se in apparenza non molto danneggiato. dei canali gioca un ruolo non trascurabile e in particolare tre Alcuni fornitori di refrattari propongono soluzioni diverse che aspetti vanno tenuti in considerazione: hanno dato risultati promettenti. La società Junger+Gräter - la temperatura dei fumi al termine del rivestimento refratta- propone delle tavelle fissate alla parete ma da essa legger- rio deve essere abbastanza alta da superare il limite di mente distanziate in modo che l’intercapedine possa essere legge (850 °C) ma non elevatissima (> 1.000 °C) in quanto ventilata con aria; l’esperienza dell’impianto di Schwandorf, la corrosione tende a spostarsi avanti; dove la soluzione è operativa, viene considerata positiva- - il tratto del I° canale senza rivestimento refrattario deve mente. La società RHI ha applicato sull’impianto Amsa di estendersi per vari metri (meglio 8÷10 m) oltre la fine dello Milano una soluzione che prevede un doppio strato refratta- stesso in modo che l’impatto dei fumi e delle polveri contro rio; lo strato lato processo è formato da tavelle o da un cal- il tetto e l’inversione al II canale avvenga a temperature re- cestruzzo refrattario mentre quello lato parete metallica è lativamente contenute; sempre costituito da una malta autolivellante. - la parete divisoria tra il I e il II canale deve essere dotata di L’opportunità di utilizzare la malta si è rilevata ottimale ai fini più tubi di ritorno che, attraversando l’apertura tra i due ca- di difendere la parete dalla corrosione anche in caso di di- nali, assicurano un’ottima circolazione naturale e quindi il stacco di tavelle; la malta rimane incollata alla parete e, es- miglior raffreddamento della parete scambiante su ambo i sendo penetrata in ogni interstizio, la protegge capillarmen- lati; spesso proprio la parete divisoria è la zona, maggior- te. La foto della Figura 4 [5], illustra la composizione del ri- mente soggetta da attacco. vestimento refrattario con la malta autolivellante interposta La soluzione tecnica che risolve il problema, seppur costosa, tra le tavelle, che funzionano anche da cassero, e la parete è quella di saldare un riporto in Inconel 625 che oggi viene membranata. Il controllo delle pareti membranate delle cal- garantito per un periodo di 40.000÷60.000 ore di esercizio. 70 La Termotecnica - Novembre 2003
Termoutilizzazione
L’impianto di Milano è nato con una fascia rivestita in Inconel due zone speculari poste a circa 60° rispetto alla direzione
dell’altezza di circa 1 m; dopo un anno di esercizio le verifi- del flusso dei fumi. Un’analisi superficiale induce a ritenere
che spessimetriche hanno dimostrato una riduzione di spes- che l’erosione, dovuta alle polveri trascinate dai fumi, favori-
sore, nella zona superiore senza Inconel, di circa 0,7÷0,8 sca il distacco dell’ossido protettivo e inneschi un effetto di
mm, lasciando prevedere una durata della parete di circa 3 accelerazione della corrosione. Senza voler escludere che
anni. Con questa prospettiva si è deciso di prolungare il rive- l’erosione giochi un ruolo, sembra ormai consolidato che la
stimento di altri 14 m cioè per un totale di 15 m che interes- ragione fondamentale sia un fenomeno di completamento
sano tutto il primo canale, il tetto del I e II canale, i tubi di ri- della combustione di particelle carboniose trascinate dai fumi.
torno della parete divisoria e 5 m discendenti del II canale. Krüger [6] non solo conferma la presenza del fenomeno ma
La soluzione è cautelativa ma permette di guardare al futuro allega anche una sequenza fotografica dove si evidenzia co-
con sufficiente tranquillità. Un altro accorgimento e cioè il si- me la favilla incandescente continui a bruciare una volta che
stema automatico di pulizia dei canali, riduce ulteriormente si è depositata sul tubo determinando una fusione puntifor-
l’attacco corrosivo in quanto elimina i depositi di cenere sotto me dei sali bassofondenti ivi depositati. Il continuo bombar-
i quali la corrosione si sviluppa e mantiene bassa la tempe- damento di particelle determina una serie di crateri di corro-
ratura dei fumi evitando di estenderla fuori dalla zona con il sione da sali fusi molto ravvicinati che distruggono il tubo.
riporto. Del lavaggio dei canali si parlerà nel paragrafo ri- Sull’impianto di Milano è stata fatta una prova con due tubi
guardante i surriscaldatori. Le Figure 5 e 6 riproducono le fa- rivestiti con un riporto saldato in Inconel 625; dopo 4.700 ore
si di saldatura del riporto in Inconel sulle pareti del I canale e di esercizio i campioni sono stati prelevati ed inviati in labo-
ratorio. Il riporto era perfetto tranne nelle due fasce
critiche già sopra menzionate dove, per una lar-
ghezza di circa 1 cm, erano presenti piccoli crateri
ravvicinati della profondità massima di 0,18 mm. I
depositi di sali all’interno dei crateri sono stati ana-
lizzati e si è confermata la presenza di elevati quan-
titativi di cloruri di zinco e piombo legati con alcali in
particolare potassio. In Figura 7 è riportato il risulta-
to dell’analisi eseguita con il microscopio elettronico
a scansione [7]. La migliore conoscenza del feno-
meno conferma quanto ben noto e cioè il primo
banco della sezione convettiva non deve essere un
surriscaldatore ma un evaporatore o un economiz-
zatore che con la sua bassa temperatura di parete
risenta poco della post-combustione delle faville vo-
lanti e funga da schermo per i banchi che seguono.
La localizzazione e la disposizione dei banchi surri-
scaldatori deve inoltre tener conto del diagramma di
corrosione riportato in Figura 2. Su di esso sono
Figura 4 - Malta autolivellante interposta tracciate due rette che indicano le temperature tipi-
tra la parete membranata e le tavelle refrattarie che di un surriscaldatore in equicorrente e di uno in
controcorrente; dal diagramma appare chiaro che
sui tubi di ritorno della parete divisoria. Accertata la validità solo il flusso in equicorrente permette di rimanere sotto il
della soluzione tecnica è utile accennare alla strategia di sal- confine della corrosione. Inoltre, sempre per rimanere sotto
datura del riporto: conviene applicarlo tutto subito oppure la zona pericolosa, a pari temperatura di parete la tempera-
saldarlo in fasi successive durante le fermate programmate tura dei fumi deve essere mantenuta bassa, indicativamente
solo dove l’attacco corrosivo lo richiede? La tendenza ameri- minore di 600 °C. Stabilita la geometria della caldaia e l’allo-
cana, dove è facile reperire società molto ben organizzate cazione dei surriscaldatori nel corretto intervallo di tempera-
che assicurano tempi contenuti di saldatura del riporto, è tura è indispensabile mantenere nel tempo le condizioni del
quella di procedere per passi successivi anche per diluire progetto. Sull’impianto di Milano il progettista delle caldaie
l’investimento; l’aspetto negativo è quello che a volte lo stato ha escogitato alcuni accorgimenti tecnologici che, oltre ad
della parete rende difficoltosa la saldatura del riporto e ri- essere complicati, non hanno risolto il problema.
chiede un intervento anche sulla parte in pressione. Nel caso specifico il primo banco convettivo può funzionare
come surriscaldatore, quando la caldaia è pulita, o da eco-
I surriscaldatori nomizzatore man mano che i canali si sporcano; il surriscal-
datore è poi frazionato in 5 banchi con ben 3 attemperatori
Le superfici di scambio dedicate al surriscaldamento del va- intermedi. Dopo un breve periodo di marcia il primo banco è
pore sono, negli impianti di incenerimento, tristemente famo- stato commutato da surriscaldatore in economizzatore e co-
se per la loro breve durata dovuta ad attacchi corrosivi spes- sì è rimasto per il resto dei suoi giorni; dopo qualche mese i
so così importanti da richiedere fermate di frequenza inaccet- canali radianti si sono sporcati e la temperatura dei fumi
tabile. Come si manifesta la corrosione dei tubi del surriscal- all’ingresso della convettiva ha raggiunto il valore di 730 °C
datore? La riduzione dello spessore non è costante su tutto il senza che vi fossero mezzi per ridurla (salvo fermare la cal-
diametro ma si localizza in maniera assai evidente sulla metà daia). A questo punto il destino dei surriscaldatori più caldi
tubo che si oppone al flusso dei fumi e più precisamente in era segnato. Prima di continuare è opportuno aprire una pa-
La Termotecnica - Novembre 2003 71Termoutilizzazione rentesi su un argomento in apparenza inspiegabile: come domanda quale è la vita di surriscaldatori funzionanti con mai in quasi tutti i settori (produzione vapore da biomasse e una temperatura del vapore ancora più alta cioè nell’interval- da lignite, caldaie di recupero calore da processi metallurgici lo 440÷470 °C. Una vera casistica su tempi lunghi di eserci- e chimici ecc..) le caldaie sono dotate di sistemi automatici zio non esiste in letteratura. Metschke illustra [12] le espe- di pulizia dei canali radianti mentre nell’incenerimento, dove rienze effettuate a Schwandorf con diverse leghe speciali sono indispensabili, si sta arrivando solo ora ad adottarli ma senza però arrivare ad una definizione univoca dei materiali la stragrande maggioranza degli impianti europei ne è suggeriti. Sono attualmente in fase di programmazione in sprovvista. Per fare un esempio la Clyde-Bergemann, nota vari Paesi europei delle prove con riporti saldati realizzati società fornitrice di sistemi di pulizia delle caldaie, dispone di con la lega Hastelloy C-2000, già utilizzata per i piatti delle centinaia di referenze dei propri cannoni ad acqua applicati colonne di lavaggio, e con la lega HR-160 di cui si accenna alle caldaie per lignite ma solo di alcune sugli inceneritori. Al al capitolo seguente. È probabile che la scelta di materiali di là dei misteri rimane il fatto che uno degli accorgimenti sofisticati dia dei risultati brillanti, prima di scegliere è però fondamentali per prolungare la vita dei surriscaldatori è quel- opportuno fare una attenta analisi costi-benefici e seleziona- lo di installare un sistema di pulizia dei canali radianti. Già re con attenzione le superfici che devono essere protette. all’inizio degli anni Novanta la Snamprogetti montava sui ca- nali della seconda caldaia dell’inceneritore di Bolzano una Le parti metalliche non raffreddate serie di soffiatori a vapore retrattili che assolvevano egregia- mente il compito di mantenere bassa la temperatura dei fumi Oltre alle superfici di scambio raffreddate vi sono nelle cal- all’ingresso dei banchi convettivi. Con l’evolversi della tecni- daie delle parti metalliche non raffreddate, o solo parzial- ca la soluzione oggi consigliabile è quella dei cannoni ad ac- mente raffreddate, ed esposte ai fumi ad elevate temperatu- qua che consentono una pulizia precisa ed efficace senza creare effetti negativi dovuti allo shock termi- co; un po’ meno performante è quella di entrare con un flessibile metallico dal tetto e, mediante un ugello a corona circolare, irrorare di acqua le quattro pareti del canale. Questa soluzione, messa a punto dai tecnici dell’impianto di Schwandorf, è l’unica applica- bile nel caso nel canale vi siano inseriti dei platten. Sull’impianto di Milano è stata adottata quest’ultima tecnologia con risultati che possono essere definiti buoni; il lavaggio dei canali, solo il II e III nel caso specifico, viene ripetuto ogni 5 o 6 giorni e permette di contenere la temperatura dei fumi a monte del banco surriscaldante più caldo sotto i 600 °C con una temperatura del vapore di 425 °C. Tutti gli ac- corgimenti fino a qui descritti non sono però tali da garantire una vita sufficientemente lunga dei surri- scaldatori allorché la temperatura del vapore è su- periore a 400÷410 °C. Se la temperatura è più alta si pongono due alternative: Figura 5 - Saldatura del riporto in Inconel su pareti membranate verticali - mantenere, come materiale di costruzione, un acciaio basso legato e prevedere un sistema di estrazio- re. Rientrano fra questi componenti le guaine delle termo- ne dei banchi molto rapido ed economico ad esempio coppie, le lance dei soffiatori di fuliggine (laddove sono mon- montando un carroponte di servizio sopra la convettiva; tati), le eventuali coppelle di protezione dei tubi dei surriscal- se il costo del banco è ridotto e la sostituzione veloce, la datori, i setti ripartitori di flusso e la supporteria varia dei scelta può essere corretta; banchi. In apparenza il problema è secondario ma ha, in - adottare dei materiali di costruzione alto legati o saldare di special modo per quanto riguarda le termocoppie, una va- riporti delle medesime leghe. lenza economica nell’esercizio dell’impianto. L’impianto dell’AVR di Rotterdam è stato il primo in Europa a Negli Stati Uniti sono state eseguite parecchie prove su di- montare dei banchi surriscaldatori realizzati in acciaio basso versi inceneritori con leghe Ni-Co-Cr-Si e Fe-Ni-Co-Cr [9, legato con saldato un riporto in Inconel 625. Dopo 5 anni di 10]. La prima lega ha dato ottimi risultati dopo un tempo di esercizio e oltre 40.000 ore di marcia con rispettivamente esposizione di circa 6 mesi ad una temperatura di 980-1.150 temperature dei fumi di 600 °C e del vapore di 405 °C, il ri- °C. Nei moderni inceneritori europei temperature così eleva- sultato è stato entusiasmante come evidenziato dalla foto- te sono di scarso interesse in quanto le termocoppie più cal- grafia in Figura 8 (foto Mentegari); inoltre in detto lungo pe- de sono posizionate sul cielo del primo canale dove le tem- riodo non si è mai avuta una perdita. perature oscillano tra 800 e 900 °C. Sull’impianto di Milano Sull’esempio di Rotterdam, anche a Milano è stato deciso di verrà a breve sostituita una termocoppia originale, con guai- rivestire con un riporto saldato in Inconel 625 i due banchi na in Inconel 625, con una nella lega Ni-Co-Cr-Si; il confron- surriscaldatori più caldi, cioè il IV e V banco. La soluzione to sperimentale darà una risposta sulla convenienza econo- permette di dimenticare per anni uno dei maggiori problemi mica di adottare leghe così sofisticate. degli inceneritori ma purtroppo ha un costo giustificato solo Un discorso diverso riguarda le termocoppie montate a ca- da un rimborso elevato del kWh venduto. Ci si pone ora la vallo dei banchi convettivi dove la temperatura dei fumi si 72 La Termotecnica - Novembre 2003
Termoutilizzazione
Nella sostanza il circuito prevede la possibilità di ricircolare
Tabella 2 - Composizione dell’HR-160 una parte o tutta l’acqua di alimentazione dall’uscita (lato
acqua) dell’economizzatore al degasatore che deve essere
C Cr Ni Co Fe Si tenuto caldo con vapore prodotto da altre caldaie.
0,05 28 Balance 29 1,5 2,75 L’apporto di calore esterno per il riscaldamento dell’econo-
mizzatore è in questo caso fornito dal degasatore. Lo sche-
ma impiantistico è interessante perché permette di mantene-
mantiene nell’intervallo 500 ÷ 650 °C. A queste temperatu- re in esercizio la sezione trattamento fumi anche durante le
re l’Inconel 625 ha fornito già risultati accettabili con durate manutenzioni ed il lavaggio delle superfici di scambio assi-
che superano i 6 mesi di esercizio; ciò non toglie che an- curando all’interno della caldaia la necessaria ventilazione.
che sotto i 650 °C la lega Ni-Co-Cr-Si abbia confermato le
proprie eccezionali caratteristiche tanto da essere consi-
gliata, come prima scelta tecnica, nel caso si decida di in- L’Inconel 625
stallare delle coppelle di sacrificio sui tubi del surriscaldato-
re. La formazione di una scaglia ricca di ossido di cromo e Questa lega, ormai diventata di uso comune negli impianti di
ossidi di silicio è la presumibile ragione dell’ottima resisten- incenerimento, ha delle ottime caratteristiche di resistenza
za alla corrosione di questo materiale in un ampio spettro alla corrosione ad alta temperatura. L’affermazione non è
di temperature. La Haynes International produce la lega Ni- vera in senso universale e l’uso dell’Inconel richiede atten-
Co-Cr-Si con la sigla commerciale HR-160 la cui analisi ca- zione dato il costo assai elevato. La composizione chimica
ratteristica è illustrata in Tabella 2. della lega primaria è descritta in Tabella 3.
Commercialmente si trovano tubi e lamiere oppure il mede-
La protezione della caldaia durante le fermate e i transitori simo materiale può essere applicato su altre superfici metal-
liche per saldatura in atmosfera di Argon o mediante torcia
Le caldaie si degradano non solo durante il normale eserci- al plasma; è inoltre reperibile sul mercato il tubo coestruso
zio ma anche quando sono inattive. L’igroscopicità delle ce- con la doppia guaina acciaio basso legato (interno) e Inconel
neri depositate e l’idrolisi dei composti clorurati ne sono la (esterno). Tra le varie alternative solo due hanno dato dei ri-
causa. Ci si chiede perché mai le caldaie debbano rimanere sultati validi e cioè il tubo in massello di Inconel e il riporto
ferme al di là del tempo necessario per la manutenzione? In saldato dello spessore di 1,8-2 mm. Il riporto applicato con
Italia, pur essendovi un enorme quantitativo di rifiuti da altri sistemi è in genere molto sottile e quindi, poiché anche
smaltire, la ragione è spesso dovuta ad un limite massimo l’Inconel si corrode, la sua durata è breve. Il tubo coestruso
di immondizie, imposto dall’autorizzazione all’esercizio, che
l’impianto può incenerire; all’estero, in particolare in Ger-
mania, vi è a volte una sovracapacità di smaltimento rispet-
to alle specifiche necessità.
Accertata l’esigenza, il miglior sistema per conservare le
caldaie è quello di tenerle calde mediante l’immissione di
vapore esterno prodotto dalle altre caldaie dell’impianto o
da una caldaietta di riserva a combustibile tradizionale. Il
vapore può essere alimentato attraverso i collettori più bas-
si con un sistema a “barbotage” stando attenti che non de-
termini colpi d’ariete o vibrazioni che potrebbero danneg-
giare i refrattari. Metschke [8] raccomanda anche di riscal-
dare la caldaia da freddo con vapore esterno al fine di sol-
lecitare meno il rivestimento refrattario rispetto al metodo
tradizionale con i bruciatori ausiliari che con le loro fiamme
localizzate non assicurano una uniforme distribuzione del
calore. Un discorso a sé riguarda il riscaldamento dell’eco-
nomizzatore; indipendentemente dalla fermata, avere la
possibilità di far circolare acqua calda nell’economizzatore
è molto importante nella fase di avviamento della linea di
incenerimento. Le moderne leggi antinquinamento impon-
gono il rispetto dei limiti delle emissioni anche durante i
transitori per cui diventa problematico aprire il by-pass dei
filtri in tutto il lasso di tempo necessario per riscaldare la
caldaia con i bruciatori del forno ed avere dei fumi, in usci-
ta dall’economizzatore, ad una temperatura tale da non
creare problemi di condensazione. Per ottenere tutto ciò è
indispensabile che la caldaia, ma più che altro l’economiz-
zatore e logicamente i filtri siano già caldi prima che venga-
no accesi i bruciatori. I tecnici dell’impianto di Schwandorf
hanno brevettato un circuito originale per riscaldare l’eco- Figura 6 - Saldatura del riporto in Inconel sui tubi di ritorno
nomizzatore che viene illustrato da Krüger [11]. della parete divisoria tra il I e II canale
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ha dato cattivi risultati su vari impianti tra cui il primo incene-
ritore di Milano [12] e quello a letto fluido di Scarlino dove la Tabella 3 - Composizione dell’Inconel 625
guaina esterna si è staccata dal tubo interno e in breve tem-
po corrosa. Il vantaggio del riporto saldato è che esso può C Cr Ni Fe Mo Nb
essere applicato in campo su caldaie già da tempo operative 0,1 21,5 Balance 2,5 9 3,6
e nelle zone dove il controllo dello spessore residuo lo ri-
chiede. La saldatura del riporto è una operazione piuttosto
difficile che va demandata solo a poche società specializza- • Deve essere assicurato che le passate di saldatura siano
te; sull’impianto di Milano il lavoro è stato eseguito dalla perfettamente ricoperte fra di loro.
Welding Services Europe. • Sia che i tubi della caldaia o le pareti membranate siano
Le premesse fondamentali per una buona riuscita sono: saldate in officina sia in cantiere, si deve garantire un
- perfetta sabbiatura del metallo base; riempimento d’acqua in grado di neutralizzare ogni distor-
- saldatura omogenea per spessore e ricopertura del metal- sione e tensione.
lo base; • Per quanto possibile, la saldatura deve essere fatta dall’al-
- contenuto residuo di ferro nel riporto il più basso possibile to verso il basso. Anche nel caso di saldatura in officina, la
e omogeneamente distribuito. regola base è che le pareti membranate devono essere
Metschke nel suo articolo sulla prevenzione dalla corrosio- saldate in posizione verticale.
ne sull’impianto di Schwandorf [8] elenca una serie di “re- • Ogni particella di ferro e di ruggine dovuta al taglio o alla
gole” da tenere ben presenti quando si ordina un riporto saldatura deve essere rimossa dallo strato di Inconel, pri-
saldato in Inconel: ma di avviare la caldaia, per mezzo di sabbiatura o di pro-
• Lo spessore minimo del riporto e il valore massimo am- cedure similari.
missibile di ferro devono essere specificati in modo chiaro. Il medesimo autore fa un’altra affermazione da tenere in at-
• L’ispezione del riporto, per verificare il contenuto di ferro e tenta considerazione: “se la temperatura di parete elevata,
altri difetti, deve essere demandata ad un ente indipen- per esempio dei surriscaldatori, coincide con una tempera-
dente. Le analisi devono essere effettuate non solo sulla tura dei fumi superiore a 650 °C anche la corrosione
generatrice mediana dei tubi che formano la parete mem- dell’Inconel 625 non è trascurabile”.
branata, ma anche sui lati. Il contenimento della temperatura dei fumi rimane la condi-
• Non è permesso formulare valori di analisi medi su aree zione indispensabile per prolungare la vita dei surriscalda-
estese. tori pur se adeguatamente protetti. Ulteriori aspetti secon-
• Deve essere concordata una penale per le aree dove il dari non vanno trascurati:
contenuto di ferro è superiore a quello contrattualmente - se vi sono delle zone particolari con soluzioni di conti-
assicurato (6-7%), sebbene solamente fino ad un valore nuità della parete e piccoli rivestimenti refrattari (portelle,
massimo ancora accettabile (9%). Sopra questo valore prese di pressione e temperatura ecc.) è consigliato ap-
devono essere intrapresi lavori correttivi. plicare il riporto prima del refrattario e, in caso di caldaia
• Possibilmente le procedure di lavoro, come riempire le già operativa, demolire il rivestimento, saldare il riporto e
porosità o applicare un ulteriore strato, devono essere in- ripristinare il refrattario;
traprese immediatamente. Il rivestimento deve essere - se la caldaia viene esercita senza il riporto in Inconel è in-
eseguito da società specializzate che hanno un buon si- dispensabile monitorare, almeno ogni anno, gli spessori
stema di assicurazione qualità e hanno perfezionato il residui dei tubi; la saldatura del riporto diventa difficile al-
controllo qualità. lorché lo spessore del tubo si riduce a 2,5-3 mm;
• I materiali di apporto per la saldatura in Inconel 625 sono - il controllo del riporto in Inconel deve essere almeno bien-
forniti con contenuti di ferro tra 0,5-3,0%. In ogni caso, de- nale; purtroppo può capitare che, localmente, il riporto non
ve essere selezionato il più basso contenuto di ferro possi- sia stato eseguito al meglio ed è necessaria una riparazio-
bile. I certificati di produzione devono essere forniti col ne; l’ispezione programmata è una condizione per il man-
prodotto dall’appaltatore. tenimento della garanzia da parte del fornitore.
Figura 7 - Analisi al microscopio dei depositi di sali
su un campione di tubo surriscaldante
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Conclusioni si vuole funzionare e produrre energia elettrica dai rifiuti con
un elevato rendimento questa è oggi la strada conosciuta.
Alla domanda se si possono costruire delle caldaie con carat- Per quanti devono realizzare un nuovo impianto, il sapere
teristiche del vapore medio-alte (pressione 60-65 bar, tempe- come comportarsi permette di inserire nel budget iniziale dei
ratura 420÷440 °C) che garantiscano una durata apprezzabi- costi che altrimenti, dato il loro peso non trascurabile, è poi
le senza fermate e manutenzioni frequenti, la risposta è oggi, difficile sopportare nel corso di realizzazione dell’opera.
dal punto di vista tecnico, affermativa. Pur potendo scegliere A titolo indicativo i maggiori oneri, finalizzati a difendere le
tra varie opzioni tecnologiche gli accorgimenti fondamentali caldaie dalla corrosione, possono raggiungere il 30÷35% del
per raggiungere l’obiettivo sono di seguito riassunti: costo del gruppo forno-caldaia e il 10÷12% dell’importo
- inserire una malta autolivellante o una intercapedine venti- dell’intero impianto. Solo un adeguato ritorno dalla vendita
lata tra le tavelle in carburo di silicio e le pareti membrana- dell’energia giustifica l’investimento; se il bilancio economico
te che formano la camera di combustione; dell’impianto non lo permette è meglio abbandonare senza
- saldare un riporto di Inconel 625 sulle pareti e sul tetto del- rimpianti gli elevati rendimenti termoelettrici e rientrare nelle
le zone superiori dei primi due canali radianti; tradizionali e più gestibili condizioni del vapore e cioè 40 bar
- installare un sistema di lavaggio dei canali radianti atto a e 400 °C. I rifiuti sono un combustibile difficile che sconsiglia
mantenere la temperatura dei fumi sempre sotto 650 °C di imbarcarsi in avventure tecniche poco suffragate
all’ingresso della sezione convettiva e sotto 600 °C all’in- dall’esperienza operativa. ●
gresso dei surriscaldatori;
Bibliografia
[1] H. H. Krause, I. G. Wright, Boiler Tube Failures In
Municipal Waste-To-Energy Plants, Battelle, Columbus, 1996.
[2] A. Colombo, G. Rocchini, G. P. De Gaudenzi, F. Uberti,
Processi corrosivi negli impianti di incenerimento dei rifiuti, Enel
SpA Dsr/Cram Milano, Cse SpA Segrate.
[3] G. Y. Lai, High temperature corrosion of engineering al-
loys, Asm International.
[4] W. Spiegel, E. Barth, H. Wagner, Demaging Processes at
Refractory Linings in Waste Incineration Plants - Precaution
Through Periodic Control, PowerTech 10/98.
[5] Bugajski, Wilhelmi, Horn, Refractory non basic mixes and
systems for applications in waste incinerator units, RHI
Refractory- Cn Refractories Special Issues, volume 5, 2001.
[6] J. Krüger, Operation experience and future perspectives
with degradation at high steam parameters in WTE-plants, 3rd
International Workshop on “Life Cycle Issues in Advanced
Energy Systems”, 2002, Woburn UK.
[7] Welding Services Inc., Evaluation of alloy 625 overlay su-
perheater tube sample from AMSA WTE Boiler in Milan.,
Figura 8 - Tubi del surriscaldatore finale dell’impianto AVR Internal report.
Rotterdam dopo 40.000 h di esercizio [8] J. Metschke, Prevention of Corrosion, Problems in the
WTE Plant Schwandorf, Abb Enertech Ltd, International
- prevedere, come primo banco della sezione convettiva, un Customer Conference 1998 Zurich.
evaporatore o un economizzatore; [9] C. M. Antony, G.Y. Lai, S. K. Srivastava, Materials Selec-
- disporre i banchi finali di surriscaldamento del vapore in tion for Waste Incineration/Resource Recovery Equipment,
equicorrente; Haynes International Inc. , Kokomo USA, 1991.
- proteggere il banco finale ed eventualmente il penultimo [10] C. M. Antony, G. Y. Lai, M. D. Kannair, Alloy performance
banco di surriscaldamento con un riporto saldato in in municipal solid waste incinerations, Haynes International
Inconel 625 o in altro materiale in rapporto alle temperatu- Inc., Ogden Projects of Wallingford, L.P.
re di parete attese; [11] J. Krüger, Die MSB - Economiserschaltung aus thermody-
- sviluppare un disegno dei banchi surriscaldatori che per- namischer Sicht, Jahresbericht 1999, MSB Müllkraftwerk
mette una sostituzione rapida; Schwandorf Betriebsgesellschaft mbH.
- montare, sopra tutta la sezione convettiva, un carroponte [12] A. Reggiani, Esperienze operative in relazione all’impiego
di servizio con una baia di scarico in modo da agevolare le di leghe innovative nella costruzione ed esercizio di surriscal-
manutenzioni e ridurre i tempi di fermo impianto; datori per il recupero di energia nell’impianto di termovalorizza-
- prevedere un sistema di preriscaldo della caldaia median- zione Amsa/Zama, Associazione Italiana di Metallurgia,
te vapore esterno e collegare con un circuito ad anello Giornata di Studio, Milano 1994.
l’economizzatore con il degasatore. [13] J. Metschke, Korrosion in Müllverbrennungsanlagen,
Per chi non ha vissuto direttamente le pesanti conseguenze Erfahrungsbericht aus dem Müllkraftwerk Schwandorf,
dovute dalla corrosione, alcuni suggerimenti possono appa- Jahresbericht 1999, MSB Müllkraftwerk Schwandorf
rire ridondanti e troppo cautelativi; purtroppo non è così, se Betriebsgesellschaft mbH.
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