Controllo della combustione in una caldaia a gas naturale: rapporto aria-combustibile, eccesso d'aria e analisi della combustione.
Il controllo della combustione è l'aspetto più trascurato nel funzionamento di una caldaia a gas. La maggior parte delle caldaie a gas funziona con un eccesso d'aria, sprecando combustibile e riducendo l'efficienza. Un bruciatore ben regolato con il corretto rapporto aria-combustibile consente un risparmio di combustibile dal 5 al 15% e una riduzione delle emissioni di CO dal 20 al 50%. La regolazione è semplice, ma richiede attenzione ai dettagli e verifiche periodiche. Ecco il metodo che utilizzo per analizzare il funzionamento di una caldaia a gas.
Nozioni di base sulla chimica della combustione
Il gas naturale è composto principalmente da metano (CH4) con piccole quantità di etano, propano e gas inerti. La reazione di combustione completa con ossigeno puro è:
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O
In pratica, l'aria comburente è una miscela di ossigeno (21%) e azoto (79%). Il rapporto stechiometrico aria-combustibile per il gas naturale è di 9,5-10,5 metri cubi di aria per metro cubo di gas, a seconda della composizione del gas. Il rapporto aria-combustibile effettivo in una fornace è sempre superiore a quello stechiometrico, perché è necessaria una certa quantità di aria in eccesso per garantire una combustione completa.
L'aria in eccesso è l'aria fornita oltre il fabbisogno stechiometrico. Viene espressa in percentuale rispetto all'aria stechiometrica. Ad esempio, il 10% di aria in eccesso significa che il rapporto aria-combustibile effettivo è 1,10 volte il rapporto stechiometrico.
Perché l'aria in eccesso è importante
Una certa quantità di aria in eccesso è necessaria per garantire una combustione completa. Con una quantità insufficiente di aria, la combustione è incompleta e i gas di scarico contengono CO e idrocarburi incombusti. Il CO e gli idrocarburi incombusti rappresentano una perdita di carburante e un problema normativo.
Con un eccesso d'aria, quest'ultima assorbe calore dalla fiamma e lo espelle attraverso i gas di scarico. La temperatura dei gas di scarico aumenta e l'efficienza del carburante diminuisce. L'eccesso d'aria ottimale è il valore minimo che garantisce una combustione completa con basse emissioni di CO.
Per i bruciatori a gas naturale, l'eccesso d'aria ottimale è compreso tra il 5 e il 10% per i bruciatori ad alta velocità e tra il 10 e il 20% per i bruciatori atmosferici a bassa velocità. Le emissioni di CO dovrebbero essere inferiori a 50 ppm (corrette al 3% di O2) in condizioni ottimali.
Come l'aria in eccesso influisce sull'efficienza
La relazione tra eccesso d'aria ed efficienza è significativa. Passare da un eccesso d'aria del 20% a uno del 10% migliora l'efficienza del carburante dal 3% al 5%. Passare dal 10% al 5% migliora ulteriormente l'efficienza dell'1-2%. Al di sotto del 5% di eccesso d'aria, le emissioni di CO aumentano rapidamente e il rischio di combustione incompleta diventa un problema di sicurezza e qualità.
Su una caldaia a gas da 5 MW in funzione per 6000 ore all'anno, un miglioramento dell'efficienza del 5% consente un risparmio di 250 kW di combustibile, pari a 1,5 milioni di kWh di gas naturale all'anno. Considerando un costo del gas di 0,40 dollari al metro cubo, ciò si traduce in un risparmio sui costi del combustibile compreso tra 150.000 e 200.000 dollari all'anno.
Procedura di analisi della combustione
L'analisi della combustione viene effettuata con un analizzatore portatile dei gas di scarico. L'analizzatore misura O2, CO, CO2, NO, NO2 e la temperatura dei gas di scarico. L'analisi richiede dai 30 ai 60 minuti per bruciatore e la procedura è la seguente:
Avviare la caldaia e portarla alla temperatura di esercizio.
2. Inserire la sonda nel flusso dei gas di scarico in prossimità del bruciatore.
3. Registrare la composizione dei gas di scarico alla velocità di combustione attuale.
4. Regolare il rapporto aria-carburante per portare l'O2 al valore target.
5. Verificare che il CO sia al di sotto del limite (in genere 50 ppm, corretto al 3% di O2).
6. Ripetere per ogni cadenza di fuoco nell'intervallo operativo.
Il valore target di O2 per un bruciatore a recupero ad alta velocità è compreso tra il 3 e il 5% (equivalente a un eccesso d'aria del 15-25%). Per un bruciatore a basse emissioni di NOx con FGR, il valore target di O2 è compreso tra il 5 e l'8%. La concentrazione di CO dovrebbe essere inferiore a 50 ppm al valore target di O2.
Se la concentrazione di CO supera le 50 ppm al valore target di O2, il bruciatore necessita di manutenzione. Le cause più comuni di elevati livelli di CO sono: ugelli del bruciatore usurati (sostituire il bruciatore), ugelli del bruciatore sporchi (pulire il bruciatore) e rapporto aria-combustibile errato (ricalibrare il regolatore di rapporto).
Problemi comuni di combustione
Problema 1: L'eccesso d'aria è eccessivo. Il sintomo è un'elevata concentrazione di O2 nei gas di scarico (superiore al 5% per un bruciatore ad alta velocità), un'alta temperatura dei gas di scarico e una bassa efficienza del combustibile. La causa è solitamente un rapporto aria-combustibile non regolato correttamente, una valvola di regolazione dell'aria difettosa o un bruciatore disallineato. La soluzione consiste nel regolare nuovamente il rapporto, riparare la valvola o riallineare il bruciatore.
Problema 2: Il livello di CO è troppo elevato. Il sintomo è una concentrazione di CO superiore a 50 ppm nei gas di scarico, fumo nei gas di scarico e, eventualmente, fuliggine sul carico di lavoro. La causa è solitamente un basso rapporto aria-combustibile (troppa poca aria), un bruciatore usurato o una presa d'aria ostruita. La soluzione consiste nell'aumentare l'aria, sostituire il bruciatore o pulire la presa d'aria.
Problema 3: Livello di NOx troppo elevato. Il sintomo è una concentrazione di NO superiore a 100 ppm nei gas di scarico. La causa è solitamente un'elevata velocità di combustione con un FGR insufficiente, un bruciatore disallineato o un'eccessiva regolazione dell'aria in eccesso. La soluzione consiste nell'installare o regolare il FGR, riallineare il bruciatore o ridurre l'aria in eccesso.
Problema 4: Accensione irregolare. Il sintomo è la fluttuazione della temperatura della caldaia, la fluttuazione dell'ossigeno nei gas di scarico e il riscaldamento non uniforme. La causa è solitamente un regolatore di rapporto usurato, una serranda dell'aria che perde o una pressione del gas fluttuante. La soluzione consiste nel sostituire il regolatore, riparare la serranda o installare un regolatore di pressione del gas.
Sistemi di controllo del rapporto aria-carburante
I moderni sistemi di controllo delle caldaie a gas utilizzano un regolatore a rapporto di limitazione incrociata per mantenere il rapporto aria-combustibile al valore ottimale in tutto il campo di funzionamento. Il design a limitazione incrociata interblocca le valvole dell'aria e del gas in modo che l'aria sia sempre leggermente in anticipo rispetto al gas (o leggermente in ritardo, a seconda del tipo di bruciatore). Ciò impedisce che il bruciatore diventi troppo magro durante un aumento della potenza o troppo ricco durante una diminuzione.
Il regolatore del rapporto aria-carburante utilizza un flussometro del carburante (o un segnale di pressione del gas) e un flussometro dell'aria per calcolare il rapporto aria-carburante effettivo. Il rapporto calcolato viene confrontato con il valore target e la valvola di regolazione dell'aria viene modulata per mantenere tale valore. Il regolatore riceve anche un segnale di regolazione dall'analizzatore di O2, che corregge le derive a lungo termine del rapporto aria-carburante.
Un regolatore di rapporto aria-carburante ben tarato mantiene il rapporto aria-carburante entro il 2% del valore target su tutta la gamma di tiro. Un regolatore mal tarato può presentare una deriva del 10-20%, con conseguenti perdite di efficienza e aumento delle emissioni.
Revisione annuale del sistema di combustione
MONTE INTELLIGENCE raccomanda una messa a punto annuale della combustione per tutti gli impianti di riscaldamento a gas. La messa a punto viene eseguita da un tecnico specializzato e comprende: analisi della combustione di ciascun bruciatore a tre diverse velocità di funzionamento (bassa, media e alta), calibrazione del regolatore di rapporto, ispezione dell'accenditore e della resistenza di fiamma, nonché ispezione della serranda dell'aria e della valvola del gas. La messa a punto richiede da 1 a 2 giorni per ogni impianto e il risparmio energetico tipico è del 3-8% nei successivi 12 mesi di funzionamento.
Il costo della messa a punto viene ammortizzato in 1-3 mesi grazie alla riduzione dei costi del combustibile. La messa a punto individua inoltre eventuali problemi al bruciatore e al sistema di controllo che, se non corretti, possono causare fermi macchina imprevisti.
Contatta MONTE INTELLIGENCE per informazioni sulla messa a punto della combustione.
Per gli acquirenti interessati a una messa a punto della combustione su una caldaia a gas esistente, l'ingegneria MONTE INTELLIGENCE può programmare una visita di assistenza e fornire un rapporto scritto con i risultati dei test e le regolazioni consigliate. Visitawww.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html Per le specifiche del prodotto, per richiedere un intervento di assistenza, inviare un'e-mail a helenxu@cnlymonte.com con oggetto "Revisione della combustione" e dettagli sul tipo di caldaia, il modello del bruciatore e il costo attuale del combustibile.
