Le caldaie industriali a tubi d’acqua combinate
L’integrazione efficiente degli impianti termici rappresenta una soluzioni tecnica ottimale per le cartiere. In particolare, l’impiego di una caldaia a tubi d’acqua combinata consente di valorizzare il recupero energetico, integrare più fonti di calore e garantire una produzione di vapore flessibile ed efficiente, riducendo consumi di combustibile, costi operativi ed emissioni in atmosfera.
Figura 1: la caldaia a tubi d’acqua combinata a recupero WT-CB di Garioni Naval, gruppo Svecom-P.E.
L’idea di fondo è di superare una visione frammentata degli impianti, ancora molto diffusa nelle cartiere, per arrivare a un sistema integrato in grado di valorizzare tutte le fonti energetiche disponibili all’interno dello stabilimento. Come sottolinea Baroni, «oggi non è più sufficiente aggiungere un impianto per risolvere un problema contingente, bisogna pensare a come quell’investimento si inserisca nel quadro complessivo dell’efficienza energetica della cartiera».
Le sfide energetiche della carta
L’enorme fabbisogno di vapore, indispensabile per le diverse fasi del processo produttivo, dall’essiccazione fino ai trattamenti finali, è il primo elemento che caratterizza gli impianti cartari. Accanto al vapore, sottolinea Baroni, «la richiesta di energia elettrica è altrettanto elevata», rendendo le cartiere fortemente esposte alle dinamiche dei mercati energetici. A questi aspetti si aggiunge il tema dell’efficienza. «Ogni cartiera è chiamata a ottimizzare i propri consumi non solo per ridurre i costi operativi, ma anche per mantenere un adeguato livello di competitività», soprattutto in un mercato sempre più globalizzato.
Negli ultimi anni, inoltre, la sostenibilità ambientale ha assunto un ruolo centrale. «Le aziende devono rispettare normative nazionali e internazionali sempre più severe, ma soprattutto devono rispondere alle aspettative dei clienti», che chiedono prodotti con un minore impatto ambientale e una filiera energetica più trasparente. Sulla base di queste esigenze, spiega il direttore, molte realtà industriali si sono progressivamente dotate di diverse tecnologie.
In una prima fase sono stati installati uno o più generatori di vapore a fiamma per coprire il fabbisogno termico. Successivamente, per mitigare il costo di acquisto dell’energia elettrica, sono stati introdotti sistemi di autoproduzione come turbogas, motori a combustione interna o microturbine, spesso abbinati a caldaie a recupero. Il problema, come evidenzia Baroni, è che «nella maggior parte dei casi questi investimenti non sono stati pianificati in maniera coordinata».
L’obiettivo immediato di risolvere una singola criticità ha spesso prevalso su una visione d’insieme, generando impianti ridondanti, costi di gestione e manutenzione elevati, e un livello di efficienza complessiva inferiore al potenziale.
Ne deriva «la necessità di individuare un sistema capace di integrare tutte le fonti energetiche presenti in cartiera e di rispondere in modo flessibile alle esigenze produttive».
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La caldaia a tubi d’acqua combinata
Secondo Garioni Naval, la risposta a queste criticità è rappresentata dalla caldaia a tubi d’acqua combinata WTCB (Figura 1). «Si tratta di una soluzione progettata per massimizzare la produzione di vapore e integrare in modo intelligente le diverse fonti energetiche disponibili all’interno della cartiera» prosegue Baroni.
L’obiettivo è ottenere una produzione di vapore efficiente sfruttando, in primo luogo, il recupero energetico e ricorrendo alla combustione solo quando necessario, con tecnologie a basse emissioni. «La WT-CB è una caldaia a recupero modulare, dotata di una sezione di combustione integrata. La combustione avviene tramite un bruciatore a basse emissioni, che può essere a #amma diretta oppure in vena d’aria, in funzione delle specifiche esigenze impiantistiche».
Il layout è pensato per adattarsi alla presenza di diverse fonti di recupero, come turbogas o microturbine, mentre la sezione di combustione entra in funzione nei momenti di picco della richiesta di vapore o in caso di squilibri degli impianti a monte.
I moduli della caldaia
La caldaia WT-CB, dunque, è formata da diversi moduli (Figura 2). Il primo modulo che caratterizza la caldaia è il generatore di vapore ad alta pressione.
Questa componente «consente di produrre vapore destinato direttamente al processo produttivo della cartiera oppure, nella configurazione più completa con economizzatore, vaporatore e surriscaldatore, di generare vapore fino a 60 bar, utilizzabile per alimentare una turbina a vapore». In questo modo, sottolinea il direttore, la cartiera può disporre di un’ulteriore opportunità di recupero energetico e di produzione di energia elettrica.
Il secondo modulo è il generatore di vapore a bassa pressione. La sua funzione varia in base alla configurazione dell’impianto. «Se il generatore ad alta pressione è dedicato al processo produttivo, quello a bassa pressione può fornire vapore per servizi ausiliari come la degasazione termica. Nel caso opposto, quando il primo modulo alimenta la turbina a vapore, il secondo garantisce il vapore necessario al processo produttivo».
Segue poi il modulo economizzatore, «uno scambiatore a tubi d’acqua alettati che consente di preriscaldare l’acqua di alimento della caldaia, aumentando ulteriormente l’efficienza complessiva dell’impianto». A questo si affianca un modulo dedicato al recupero in acqua calda, sempre basato su uno scambiatore a tubi d’acqua alettati, che «permette di riscaldare acqua destinata al riscaldamento degli ambienti o a specifici processi produttivi interni alla cartiera».
L’ultimo modulo è il flue condenser (condensatore dei fumi), che «recupera il calore residuo dai fumi provenienti dagli impianti a monte e dalla condensa del vapore acqueo. L’acqua riscaldata in questa sezione può essere utilizzata come acqua calda sanitaria oppure, in abbinamento a un sistema di preriscaldo dell’aria, per riscaldare l’aria comburente necessaria al bruciatore».
Figura 2: i moduli che compongono la caldaia a tubi d’acqua combinata WT-CB
1 Generatore di vapore alta pressione
2 Generatore di vapore bassa pressione
3 Economizzatore
4 Recupero in acqua calda
5 Flue condenser (condensatore dei fumi) / preriscaldo aria
Figura 3: le tre modalità di funzionamento della caldaia WT-CB
HRSG (heat recovery steam generator): recupero fumi da turbogas
HRSG + DF (direct flame): recupero fumi + bruciatore attivo
DF: solo funzionamento con bruciatore
Le modalità di funzionamento
Le tecnologie impiegate nella caldaia WT-CB sono consolidate e ampiamente conosciute. Il vero valore aggiunto, come sottolinea Baroni, «non sta nel singolo componente, ma nell’integrazione di tutti questi moduli in un unico sistema». La modularità consente alla cartiera di installare inizialmente una configurazione essenziale e di aggiungere successivamente nuovi moduli in base all’evoluzione delle proprie esigenze produttive ed energetiche. In questo senso, la caldaia diventa un sistema che si evolve insieme allo stabilimento. Dal punto di vista operativo, la WT-CB può funzionare secondo tre modalità (Figura 3). Nella modalità a recupero (HRSG – heat recovery steam generator), il vapore è prodotto esclusivamente sfruttando l’energia recuperata dai fumi caldi provenienti dagli impianti a monte, per esempio da una turbogas. Nella modalità combinata, al recupero fumi si affianca la sezione di combustione a fiamma diretta DF (direct flame), permettendo di rispondere efficacemente ai picchi di richiesta di vapore. Infine, nella modalità solo combustione, la caldaia opera come un generatore di vapore tradizionale tramite combustione diretta, garantendo la continuità del processo produttivo anche in caso di fermo degli impianti di recupero.
Applicare le diverse configurazioni
Per comprendere in modo concreto i benefici di questa soluzione, Baroni presenta un esempio applicativo. Prendendo come riferimento una caldaia WT-CB 10000 con una produzione di vapore di 10 t/h a una pressione di 18 bar, composta da una sezione a recupero HRSG fino a 5 t/h e da una sezione a fiamma diretta DF da 5-10 t/h in grado di coprire l’intero fabbisogno, emergono dati significativi. Nella configurazione base, ipotizzando un funzionamento di (7.800 ore all’anno, il rendimento si attesta intorno all’89%, con un consumo annuo di oltre 6 milioni di Nm+/anno di gas naturale e più di 12mila tonnellate di CO2 emesse in atmosfera. L’aggiunta del solo modulo economizzatore consente di portare il rendimento al )’%, con una riduzione dei consumi di gas pari a circa il 6,3% e una diminuzione delle emissioni di circa 760 tonnellate di CO2 all’anno. Integrando anche il secondo economizzatore si arriva a un rendimento del 98%, con un risparmio di gas vicino al 9% e oltre 1.000 tonnellate di CO2 evitate ogni anno. Nella configurazione completa, comprensiva di flue condenser, il rendimento può superare il 102% grazie al recupero del calore di condensazione, con un risparmio di gas superiore all’11% e una riduzione delle emissioni che supera le 1.300 tonnellate annue di CO2. In quest’ottica, «ogni modulo aggiuntivo non rappresenta più un semplice optional tecnico, ma un vero e proprio investimento,
in grado di generare valore economico e ambientale nel tempo».
I vantaggi per il settore cartario
L’adozione di una caldaia a tubi d’acqua combinata offre diversi vantaggi al settore della carta (Figura 4).
Il primo, spiega il direttore, è legato all’efficienza e al risparmio economico, ottenuti grazie alla riduzione del consumo di combustibile e all’integrazione delle diverse fonti termiche.
La flessibilità nel recupero del calore consente all’impianto di valorizzare simultaneamente più flussi energetici, mentre le dimensioni compatte facilitano l’inserimento anche in centrali termiche esistenti, limitando la necessità di interventi strutturali invasivi.
Il design modulare permette di adattare l’impianto nel tempo, accompagnando la crescita e l’evoluzione della cartiera.
La flessibilità operativa, garantita dalle diverse modalità di funzionamento, assicura continuità produttiva e affidabilità.
Infine, l’attenzione alla sostenibilità ambientale, grazie all’impiego di bruciatori a basse emissioni e al recupero energetico che consentono una significativa riduzione delle emissioni in atmosfera.
«La caldaia a tubi d’acqua combinata rappresenta, quindi, una soluzione concreta per quelle cartiere che vogliono ridurre i costi e avviare un percorso di decarbonizzazione, senza rinunciare alla massima flessibilità operativa» conclude Baroni. Una risposta tecnica, dunque, che risponde ai bisogni attuali del settore cartario e che, soprattutto, guarda al suo futuro.
Figura 4: risultati del caso di studio
| 1 | EFFICIENZA E RISPARMIO | Minor consumo di combustibile |
| 2 | FLESSIBILITÀ NEL RECUPERO TERMICO | Possibilità di integrare diverse fonti di calore |
| 3 | DIMENSIONI COMPATTE | Possibilità di inserimento in centrali termiche esistenti |
| 4 | DESIGN MODULARE | Possibilità di ampliare l’impianto in tempi diversi |
| 5 | FLESSIBILITÀ OPERATIVA | Tre modalità di funzionamento |
| 6 | SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE | Bruciatore low-NOx con riduzione delle emissioni |
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