Il costo dell'energia è la voce di spesa operativa più consistente per una caldaia a gas con focolare a carrello. Per una caldaia da 5 MW che opera 6000 ore all'anno con gas naturale a 0,35 dollari al metro cubo, la bolletta annuale del gas si aggira tra i 400.000 e i 500.000 dollari. Riducendo tale importo del 15-25%, si possono risparmiare dai 60.000 ai 125.000 dollari all'anno sul budget operativo, una cifra sufficiente a coprire un ammodernamento completo del sistema di controllo entro due o tre anni.
MONTE INTELLIGENCE ha condotto audit energetici su decine di forni a focolare a carrello installati sul campo. Abbiamo riscontrato che la maggior parte dei forni con più di cinque anni di vita presenta opportunità di miglioramento dell'efficienza energetica di cui gli operatori non sono a conoscenza. Questo articolo illustra la nostra metodologia di audit e i risultati più comuni.
L'audit energetico inizia con il calcolo del bilancio termico. Per un forno a lotti che lavora un carico per ciclo, gli apporti di calore sono l'energia derivante dalla combustione del combustibile, il calore sensibile dell'aria comburente (se preriscaldata) e il calore rilasciato dall'ossidazione del carico (piccolo, solitamente trascurato). Le uscite di calore sono il calore utile assorbito dal carico, il calore disperso nei fumi di combustione, il calore disperso attraverso le pareti e lo sportello del forno, il calore disperso per infiltrazione d'aria, il calore immagazzinato nella struttura del forno (rilasciato durante il raffreddamento ma disperso tra i cicli) e il calore disperso attraverso aperture, guarnizioni e altri percorsi.
Il calore utile, ovvero l'energia che effettivamente riscalda i pezzi in lavorazione, si calcola a partire dalla massa del pezzo, dal calore specifico e dall'aumento di temperatura. Per un carico di acciaio di 20 tonnellate riscaldato da 20 °C a 850 °C con un calore specifico medio di 0,55 kJ/kg·K, il calore utile è pari a 20.000 × 0,55 × 830 = 9.130 MJ, ovvero circa 2.536 kWh, equivalenti a circa 260 metri cubi di gas naturale.
Il consumo totale di gas per ciclo viene misurato dal contatore del gas della caldaia. Se il contatore indica un consumo di 520 metri cubi, l'efficienza della caldaia è pari a 260/520 = 50%. I restanti 260 metri cubi, pari a circa 90 dollari di gas per ciclo, vengono dispersi attraverso le varie vie di dispersione del calore. L'analisi identifica e quantifica queste dispersioni per determinare dove si trovano le opportunità di risparmio.
La perdita di calore dei fumi è in genere la principale causa di dispersione, rappresentando il 30-50% del consumo totale di gas. I fumi escono dalla caldaia a una temperatura prossima alla temperatura di esercizio della caldaia stessa (se la caldaia è a 1000 °C, i fumi potrebbero essere a 900-950 °C), trasportando una grande quantità di calore sensibile. Il contenuto di calore può essere calcolato a partire dalla portata, dalla temperatura e dalla composizione dei fumi.
La riduzione delle perdite di gas di combustione si basa su due strategie: ridurre l'aria in eccesso e recuperare il calore dai gas di combustione. Per aria in eccesso si intende l'aria fornita in aggiunta al fabbisogno stechiometrico per la combustione. Con un eccesso d'aria del 50% (un'impostazione comune), il volume dei gas di combustione è circa il 30% superiore rispetto a un eccesso d'aria del 10%, e l'aria in eccesso deve essere riscaldata dalla temperatura ambiente alla temperatura dei gas di combustione. Ridurre l'eccesso d'aria dal 50% al 10% può migliorare l'efficienza della caldaia del 3-5%. Ciò richiede il controllo della miscela di ossigeno sul bruciatore, tramite un sensore lambda nel condotto dei gas di combustione che fornisce un feedback in tempo reale alla serranda dell'aria di combustione.
Il recupero del calore di scarto utilizza un recuperatore o un rigeneratore per trasferire il calore dai fumi di combustione all'aria comburente. Il preriscaldamento dell'aria comburente a 400 °C può migliorare l'efficienza della caldaia del 15-25%, poiché l'aria preriscaldata riduce la quantità di combustibile necessaria per raggiungere la temperatura di combustione. I recuperatori, ovvero scambiatori di calore gas-gas, tipicamente a fascio tubiero o a piastre, sono la tecnologia più comune e possono raggiungere un'efficienza di recupero del calore del 50-60%. I bruciatori rigenerativi, che utilizzano letti di materiale ceramico che assorbono e rilasciano calore alternativamente, possono raggiungere un recupero dell'80-90%, ma a un costo di investimento maggiore.
La dispersione di calore attraverso le pareti dipende dallo spessore del materiale refrattario, dalla conduttività termica e dalla temperatura esterna della parete. Per un forno che opera a 1000 °C con 300 mm di isolamento in fibra ceramica (conduttività 0,15 W/m·K alla temperatura media), la dispersione di calore attraverso le pareti è di circa 500 W per metro quadrato. Per un forno con una superficie delle pareti di 100 metri quadrati, ciò corrisponde a una dispersione continua di 50 kW, ovvero circa 4,3 metri cubi di gas all'ora, o circa 1,50 dollari all'ora.
Misurare la temperatura della superficie esterna della parete con un termometro a infrarossi è una semplice tecnica di verifica. Qualsiasi area della parete che superi di oltre 20 °C la temperatura media indica una lacuna nell'isolamento, un ancoraggio difettoso o un punto caldo causato dalla fiamma di un bruciatore interno che colpisce la parete. Questi punti caldi possono essere riparati durante un fermo programmato sostituendo i moduli isolanti interessati.
Le perdite attraverso porte e guarnizioni rappresentano la via di dispersione più difficile da quantificare, ma spesso anche la più semplice da riparare. Una fessura di 3 mm lungo il perimetro di una porta di 4 metri per 3 metri ha una superficie di circa 0,042 metri quadrati. A una pressione tipica del forno di 10 Pa, la perdita di gas caldo attraverso questa fessura disperde una quantità significativa di energia, circa 10-15 kW per un forno a 1000 °C. La soluzione consiste nella sostituzione della guarnizione della porta, un intervento che richiede a una squadra di manutenzione circa quattro ore e ha un costo di poche centinaia di dollari per i materiali.
L'infiltrazione d'aria – ovvero l'aria fredda che penetra nella caldaia attraverso fessure nella struttura, intorno allo sportello, intorno alle griglie del bruciatore e attraverso gli sportelli di ispezione – è il principale responsabile della dispersione di energia. L'aria infiltrata non solo disperde calore (l'aria fredda in ingresso sposta il gas caldo che deve fuoriuscire), ma provoca anche l'ossidazione del materiale di scarto e può creare zone di temperatura non uniformi. L'analisi della combustione fornisce una prova indiretta dell'infiltrazione d'aria: se il contenuto di ossigeno nei fumi di combustione è superiore al previsto in base alle impostazioni del bruciatore, l'ossigeno in eccesso proviene dall'infiltrazione.
La relazione di audit dovrebbe includere un elenco prioritario di misure di risparmio energetico (ECM) con stima dei costi, dei risparmi e del periodo di ammortamento. Le tipiche ECM per una caldaia a focolare a carrello, in ordine di periodo di ammortamento crescente, sono: riparazione delle guarnizioni dello sportello (ammortamento <1 mese), regolazione del rapporto aria/gas del bruciatore (ammortamento <3 mesi), riparazione dei punti caldi refrattari (ammortamento 3-6 mesi), installazione di un sistema di controllo della regolazione dell'ossigeno (ammortamento 6-12 mesi) e installazione di un recuperatore (ammortamento 12-24 mesi).
MONTE INTELLIGENCE offre servizi di audit energetico che includono misurazioni in loco, calcolo del bilancio termico, identificazione di ECM e supporto all'implementazione.
Per programmare una valutazione energetica della vostra caldaia a focolare aperto, contattate helenxu@cnlymonte.com.
