il caso di Hayat Kymia in Turchia

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1 Utilizzo di energia residua in una moderna cartiera tissue: il caso di Hayat Kymia in Turchia ALL INIZIO DEL 2006 PMT ITALIA HA AVVIATO CONGIUNTAMENTE AL GRUPPO HAYAT UNA NUOVA CARTIERA NELL AREA DI IZMIT IN TURCHIA PER LA PRODUZIONE DI CARTE TISSUE DI ALTA QUALITÀ E SOFFICITÀ CHE VENGONO CONVERTITE E VENDUTE NEL MERCATO IN CRESCITA DI QUESTA IMPORTANTE NAZIONE. IL PROGETTO COMPLETO SU BASE TURN KEY È STATO SVILUPPATO DALLE DUE SOCIETÀ IN UN PERIODO DI TEMPO PARI A 18 MESI (DALLA FIRMA DEL CONTRATTO SINO ALLA PRODUZIONE INDUSTRIALE DEL PRODOTTO FINITO). di: D. Mainardi - Product Manager Tissue Lines - PMT Italia Spa O. Lopez - R&D Manager - Brunnschweiler Sa è considerato uno dei più moderni nel suo genere in L impianto Turchia ed include una macchina crescent former PMT (da 5,5 m di formato all arrotolatore e con velocità operativa di 2000 m/min) per la produzione di tissue di alta qualità ed una bobinatrice PMT con quattro svolgitori per la realizzazione di prodotto multistrato. La fornitura comprende altresì due linee di preparazione impasto per fibra vergine PMT ed è completata da tutti i sistemi ausiliari necessari per l operatività della macchina (impianto I principali dati tecnici dell impianto Produzione al converting: tonn/a AD Produzione media giornaliera: 180 tonn/g AD Produzione massima giornaliera: 230 tonn/g AD Velocità di progetto: m/min Massima velocità operativa: m/min Grammature prodotte all arrotolatore g/m² La tipologia di carta essenzialmente prodotta è toilet tissue e kitchen towel vapore, cappa ad alto rendimento predisposta per utilizzo di gas provenienti da cogenerazione, sistema di lubrificazione, DCS etc...) La peculiarità dell impianto di Hayat consiste nel fatto che la progettazione del macchinario è stata realizzata in maniera tale da ottimizzare il ciclo di produzione, la qualità della carta tissue prodotta e i fattori di risparmio energetico. Per tali ragioni i seguenti elementi chiave della fornitura PMT devono essere tenuti in considerazione: 40

2 La cassa multistrato (che permette la produzione di tissue soffi ce) è stata corredata di un sistema di diluizione che permette di ridurre il valore di 2σ del profilo di grammatura garantendo inoltre un risparmio delle fibre utilizzate nel processo nonché l ottimizzazione delle operazioni di avvolgimento del tissue all arrotolatore; Il disegno del girofeltro è stato realizzato con una soluzione monopressa che può essere facilmente riconvertita in pressa scarpa (shoe press); La pressa aspirante di grande diametro presenta una configurazione senza comando, utile ai fini manutentivi; Lo YD (PMT Ind.) è stato fornito del tipo rinforzato che permette di lavorare con nip sino a 170 KN/m; Il coltello crespatore permette la possibilità di regolazione in marcia; L arrotolatore è provvisto di centre wind assist sui bracci secondari per migliorare le operazioni di avvolgimento mantenendo nel contempo la sofficità del tissue; La cappa Brunnschweiler è stata progettata per poter utilizzare l energia residua proveniente dai gas di scarico di due turbine installate per la produzione della potenza elettrica necessaria all esercizio dell impianto. In tale modo, in condizioni standard di esercizio, si elimina il consumo di gas necessario per l alimentazione dei bruciatori della cappa; I gas residui provenienti dalla cappa sono utilizzati inoltre in caldaia per la produzione di vapore necessario all alimentazione dello YD nonché degli altri sistemi ausiliari della cartiera (ventilazione e riscaldamento sala, pulper ad alta consistenza); A loro volta i gas residui della caldaia vengono utilizzati per alimentare una unità refrigerante il cui scopo è quello di garantire l asservimento di aria per l impianto di condizionamento delle sale elettriche di cartiera. In relazione a quanto sopra riassunto si comprende come la peculiarità più importante dell impianto sia il livello di ottimizzazione dei consumi energetici nonché l incremento dell efficienza energetica dell intera installazione. Il seguente articolo descrive il principio della cogenerazione applicato ad Hayat con particolare attenzione all esercizio della cappa ad alto rendimento. Disegno 1: Schema di principio del sistema cogenerazione di Hayat. La cogenerazione nella Cartiera di Hayat L asciugamento del tissue utilizzando alte temperature è un processo altamente inefficiente. Per poter ridurre i costi di tale processo sono stati effettuati molti tentativi in diverse cartiere. Proprio per tale motivo, come indicato in precedenza, presso la cartiera di Hayat Yenikoy è stato progettato un sistema di cogenerazione per poter ridurre i costi dell energia termica. Uno schema di principio della installazione del sistema cogenerazione viene presentato nel Disegno 1. L efficienza elettrica presso Hayat è pari al 33,7% mentre il restante 66,3% è utilizzato come energia termica in ingresso del processo. Tale energia è ottenuta dal calore residuo proveniente dai gas di scarico delle turbine. Questi gas di scarico hanno un alta temperatura (500 C) che associata alle notevoli portate, permette il loro utilizzo in una cappa opportunamente progettata riducendo se non addirittura eliminando, per determinate produzioni, il consumo del gas nel sistema ad aria. L energia termica può essere utilizzata in tale modo per poter asciugare la carta e successivamente, secondo un processo a cascata, per poter generare vapore, utilizzato sempre nel processo cartario, nonché aria fredda (secondo il principio di funzionamento del refrigeratore) per l impianto di condizionamento delle sale elettriche. L installazione prevede quindi la neces- 41

3 sità di avere un opportuna distribuzione dell energia elettrica prodotta dalle turbine abbinata in parallelo a quella proveniente dalla rete esterna di distribuzione (lo scambio è reciproco: si può assorbire e nel contempo cedere energia dalla/alla rete). Gli elementi di base del sistema descritto sono i seguenti: due turbine a gas da 7.5 MW alimentate con gas naturale; la cappa Brunnschweiler; due caldaie a vapore; quattro bruciatori addizionali (due bruciatori di riserva per la cappa e due bruciatori di riserva per le caldaie); chiller ad assorbimento; un sistema innovativo di controllo nei circuiti ad aria della cappa che permette l integrazione tra le operazioni della cappa e delle turbine. La turbina a gas è disegnata per poter Grafico 1 Grafico 2 lavorare in continuo sino alla condizione di pieno carico. La tipologia di turbina installata presenta il sistema SoLoNO x che è un premiscelatore con un sistema a combustione con bassa emissione per il controllo del valore di NO x progettato appunto per garantire bassi valori di NO x e CO. Valori differenti di portata e temperatura dei gas di scarico delle turbine possono essere ottenuti in base alle necessità di asciugamento e quindi di produzione di differenti grammature di tissue desiderate. La condizione ideale è quella di poter utilizzare solamente i gas residui delle turbine per poter garantire la piena produzione senza l utilizzo addizionale di bruciatori sulle cappe, contenendo in tale modo i consumi energetici. E chiaro che tutto il sistema cogenerazione, inclusi quindi i ventilatori, i condotti, il chiller, le caldaie, etc. sono stati progettati per potersi adattare, rispetto ad un sistema convenzionale, alle dovute portate e temperature in gioco. Nel seguito vengono forniti, attraverso opportuni diagrammi, gli elementi per poter confrontare le differenti modalità di funzionamento ed i rendimenti operando sia in modalità convenzionale sia in modalità cogenerazione. Per un sistema che utilizza una cappa convenzionale viene fornito il diagramma di Sankey del Grafi co 1, che permette di valutare i flussi di energia nell aria di processo. Per una cappa operante in modalità cogenerazione (come descritto in precedenza) il diagramma di Sankey corrispondente e quello del Grafico 2. Possiamo inoltre integrare il diagramma di Sankey completo (Grafico 3) che considera il processo complessivo che include quindi le turbine, la cappa, e le caldaie utilizzanti i gas di scarico. Se verifichiamo il Grafico 1 possiamo notare che le portate di gas di scarico resi in atmosfera sono ridotte nel caso in cui i tre processi sopra citati (generazione di elettricità, asciugamento del tissue e generazione del vapore) siano stati integrati, rispetto al caso in cui il processo cogenerativo non presenti la soluzione integrata. Il che significa che l efficienza energetica del sistema in questa configurazione è sicuramente migliorata. Le migliorie apportate dall adozione del sistema cogenerativo sono inoltre molto più evidenti se si considera che l energia ceduta all atmosfera, in tale caso, è associata a gas che presentano portate a bassa temperatura e sono caratterizzati da bassa qualità o capacità di generare lavoro o qualsiasi altro effetto utile. Questo può essere facilmente dedotto dall analisi del diagramma di Grassman (Grafico 4) che indica i flussi exergetici anziché quelli energetici. In conclusione possiamo quindi asserire che i principali vantaggi dell adozione del sistema sono un migliore risparmio energetico e un minore scarico in atmosfera di gas residui attraverso le ciminiere a causa del riutilizzo dei medesimi per il processo di asciugamento del tissue e delle successive utilizzazioni descritte. 42

4 Grafico 3 Grafico 4 Calcoli Nel seguito vengono riassunti i principali parametri della produzione ad Hayat: Diametro YD (Monolucido): 5486 mm Larghezza foglio carta allo YD: 5600 mm Velocità YD: 2000 m/min Produzione oraria allo YD: ( ) kg/h Rapporto crespatura: (15-20) % Grammatura all arrotolatore considerata: (13-28 ) gr/m² L installazione prevede due turbine a gas ognuna delle quali produce 7,315 kw a 15 C (e 97,000 kg/h di gas residui a 490ºC). Nello scenario energetico turco (come per quasi tutti i paesi) l energia elettrica è più costosa dell energia termica (per esempio di quella derivante dal gas naturale). 3 kw di energia elettrica possono essere prodotti utilizzando 1 Nm³/h di gas naturale. È quindi conveniente pensare di produrre tale energia partendo dal gas naturale che alimenta le turbine considerando poi che la parte restante dell energia nel caso della cogenerazione viene utilizzata per la generazione di vapore e per la produzione di acqua fredda oltre che per l alimentazione della cappa yankee. Nel caso di Hayat inoltre la produzione di energia elettrica a mezzo delle turbine è maggiore rispetto alla richiesta dettata dal fabbisogno della cartiera per cui tale eccesso di energia può essere venduto alla rete pubblica oppure potrà essere utilizzato in un prossimo futuro per l alimentazione parziale di una seconda linea di produzione di carta tissue. L efficienza della produzione di energia elettrica è pari al 33,7%. Considerando invece l energia termica ceduta dai gas di scarico delle turbine per alimentare le cappe è da notare, che in base al dimensionamento dell impianto di Hayat, tale energia riesce a raggiungere l apporto del 78% rispetto alla quantità di calore richiesta per garantire l asciugamento della carta nel caso di produzione massima giornaliera (230 t/g). Nel caso di produzione media giornaliera di 192 t/g invece tale apporto garantisce il funzionamento della cappa al 100% senza la necessità di dover integrare l energia termica a mezzo dei bruciatori installati come riserva nell impianto delle cap- 43

5 pe. Tali bruciatori possono viceversa essere messi in funzione per reintegrare il 22% di energia termica mancante nel caso di produzione massima (quando cioè si producono carte pesanti con una grammatura a partire dai 28 g/m 2 ). In quest ultimo caso vengono quindi utilizzati Nm³/h di gas naturale a 15 C in ogni turbina più 210 Nm³/h totali nei bruciatori della cappa (uno per Sistema ad aria Cappa convenzionale la parte umida ed un altro per la parte secca) per garantire la massima produzione. Tale valore di richiesta addizionale viene tabulato nel Grafico 5. È inoltre chiaro che il quantitativo dei gas residui provenienti dalla turbina è un dato caratteristico del costruttore e dipende dalla taglia della turbina stessa. Aumentando tale taglia è possibile aumentare corrispettivamente il quantitativo di tali gas a scapito però dei costi di investimento iniziali nonché dell esubero dell energia elettrica prodotta dalla turbina. Nel seguito vengono forniti due esempi di calcolo di costo dell esercizio dell impianto cogenerativo considerando proprio le due tipologie di produzione sopra menzionate: massima produzione di tissue pari a 230 t/g e produzione Cappa con cogenearzione BRUNNSCHWEILER Tipo Duo-cascata Duo-parallelo Ricircolazione 80% 0%-20% Portata gas scarico 20% % Temperatura gas scarico ºC (dopo recupero calore) ºC (senza recupero calore) Umidità gas scarico gh gh 2 Potenza termica gas scarico Portata aria di impingement Temperatura aria di impingement Umidità aria di Impingement Portata aria di Make up Temperatura aria di Make up Umidità aria di Make up Temperatura di processo Grafico 5 Tabella comparativa tra cappa convenzionale e cappa con cogenerazione Bassa Stessa Alta Stessa o più bassa 510ºC 510ºC gh gh 2 10% % ºC ºC 5-10 gh gh ºC ºC media di tissue pari a 192 t/g. Il calcolo del costo di esercizio viene inoltre messo a confronto, nei due casi, con il costo derivante dall utilizzo di una cappa convenzionale cioè di una cappa alimentata con gas prodotti da bruciatori utilizzanti gas naturale anche in questo caso. Conclusioni Le condizioni di esercizio di una cappa operante in modalità cogenerazione, come descritte nell articolo sono definite da alcune regole fondamentali che vengono nel seguito indicate: La cappa deve avere una disposizione in parallelo in modo tale da semplificare il controllo e permettere una integrazione tra le turbine e le due semicappe (umida e secca); È necessario il controllo della pressione di esercizio nelle turbine; È necessario il controllo del bilanciamento della cappa; È necessario il controllo della temperatura dei gas di ingresso; È necessario il controllo del Δp nei ventilatori di combustione; Non è necessario il controllo dell umidità dei gas di scarico della cappa; È necessario prevedere un bypass per i condotti in modo tale da poter passare dalle differenti condizioni di esercizio; È necessario il controllo della pressione dei gas caldi che alimentano la caldaia. In sintesi nella Tabella 1 vengono presentate a confronto le comparazioni tra una cappa convenzionale ed una cappa predisposta ad operare in modalità cogenerative. Come è stato dimostrato da un punto di vista dell efficienza globale del sistema la tipologia di asciugamento con gas provenienti da cogenerazione è la scelta giusta ed apre un nuovo campo di azione per tali applicazioni. La principale innovazione del progetto descritto risulta nel fatto che è stato per la prima volta realizzato con una estensione di tale tipo (100% riutilizzo dei gas della turbina in cappa e successivo miglioramento del rendimento utilizzando in cascata i gas residui). Diverse altre considerazioni possono essere fatte considerando comunque che ogni applicazione risulta influenzata dal tipo di turbina adottata e dal tipo dei parametri di progetto. 44