Miglioramenti dell efficienza termica e delle performance ambientali di caldaie industriali tramite l ottimizzazione dell eccesso di aria di combustione In molte nazioni con una economia in via di sviluppo la produzione di energia elettrica è basata generalmente sulla combustione di combustibili fossili di qualità relativamente bassa (lignite) oppure di combustibili ad alto potere calorifico ma con un elevato contenuto di zolfo e azoto, i quali, tuttavia, causano la formazione di pericolosi inquinanti e quindi un significativo impatto ambientale. Le due maggiori esigenze nell utilizzo delle caldaie industriali sono quella di provvedere l efficienza termica più alta possibile insieme a un minimo impatto ambientale. Per una particolare caldaia, l eccesso di aria di combustione (o rapporto di aria in eccesso) è la variabile operativa chiave che incide simultaneamente sulla sull efficienza termica, sull affidabilità operativa e sulle performance ambientali. Nei sistemi convenzionali di combustione alimentati con combustibili fossili, la diminuzione dell eccesso di aria di combustione porta a una riduzione del tasso di formazione di NO x nella fornace della caldaia, e inoltre promuove la diminuzione della formazione di SO 3 nelle regioni della fornace ad alta temperatura. Poiché l SO 3 si forma a causa dell ossidazione di piccole quantità di diossido di zolfo, il tasso di formazione e di emissione di SO 2 è solo leggermente influenzato dall eccesso di aria di combustione. Inoltre per i combustibili a basso contenuto di zolfo, così come per le tecnologie di combustione a bassa temperatura, la formazione di SO 2 è comunemente considerata indipendente dall eccesso di aria. Tuttavia, a valori del rapporto di aria di eccesso minori del rapporto critico di combustione α cr, generalmente dipendente dal tipo di combustibile e dal carico, nella fornace della caldaia si ha la formazione e l emissione di CO (in proporzione inversa al rapporto di aria) dovuta all incompleta combustione nella fornace. Conseguentemente per questi valori del rapporto di aria, il tasso di produzione di CO 2 è leggermente ridotto, poiché una parte del carbonio del combustibile è coinvolto nella formazione di CO. Al contrario la produzione di CO può essere trascurata per portate di aria sufficienti (α> α cr ). Come risultato, per un eccesso di aria superiore al 5-15% (il limite inferiore in corrispondenza ad unità ad alta capacità) il tasso di emissione di CO 2 diventa indipendente dal rapporto di aria in eccesso ma è dovuto al consumo di carburante della caldaia e dalla presenza di carbonio nel combustibile. Per quanto riguarda le performance della caldaia, con la diminuzione dell aria in eccesso, la perdita di calore con i gas di scarico, q 2, diventa più bassa il che porta a una maggiore efficienza
termica operativa, cioè a un risparmio di combustibile per unita di potenza termica o elettrica prodotta. Tuttavia il funzionamento della caldaia con bassi rapporti di eccesso di aria (α> α cr ) è accompagnato ad elevate perdite di calore di combustione che sono associate a una combustione incompleta, q 3, e di carbonio incombusto, q 4. La perdita di calore q 3 punta alla presenza di qualche specie gassosa combustibile (CO, CH 4, H 2 ecc. ) nei gas di scarico che lascino la caldaia, mentre la perdita q 4 è associata al carbonio nelle polveri volanti e nelle ceneri di scarico (quando si brucia carbone) o nelle particelle di soot trasportate in atmosfera dai gas di scarico. La formazione di soot (causata dalla mancanza di aria in differenti zone di fiamma) è presa in considerazione nella quantificazione di q 4 per le caldaie alimentate con combustibili liquidi de gassosi. Come trovato sperimentalmente, per combustibili liquidi o gassosi un aumento dell eccesso di aria nella regione α> α cr porta a una significativa diminuzione delle perdite di calore q 3 e q 4. Tuttavia con α> α cr la somma totale di q 3 e q 4 è piuttosto bassa e quasi indipendente da α e,quindi, trascurabile nel bilancio energetico della caldaia, soprattutto per grandi unità. Invece per le caldaie che bruciano carboni polverizzati l andamento di q 4 ha un punto di minimo per rapporti di eccesso di aria vicini ad α cr, e qualsiasi deviazione da questi valori causa un incremento di questa perdita. Il valore di q 3, per caldaie alimentate a carbone, è trascurabile a causa dei relativamente alti rapporti di eccesso di aria. Per raggiungere la più alta efficienza termica possibile le perdite di calore in caldaia devono essere minimizzate. Per una caldaia alimentata con combustibili fossili, la somma totale delle perdite di combustione e delle perdite attraverso i gas di scarico ha un minimo proprio in corrispondenza del rapporto di eccesso di aria ottimo. Un approccio del genere è utilizzato nel metodo convenzionale del rapporto ottimo di combustione; tuttavia in questo approccio l impatto ambientale della caldaia è ignorato quando si determinano le condizioni ottime di combustione. Apparentemente, le perdite di calore causano consumi extra di combustibile, e questi ultimi possono essere espressi come parametri di costo (attraverso l utilizzo del prezzo del combustibile) e incorporati nei costi interni della caldaia, cioè associati con il funzionamento della caldaia stessa. Inoltre, l impatto ambientale di ciascun inquinante gassoso o particolato emesso può essere stimato come un parametro di costo e incluso nei costi esterni della caldaia, inevitabilmente pagati a causa del danneggiamento fatto all ambiente e agli esseri umani. La minimizzazione dei costi totali comprendenti sia i costi interni che esterni è considerata tramite l utilizzo di una funzione obiettivo per una ottimizzazione cost-based dell eccesso di aria. Nel corso della discussione verranno proposti dei modelli avanzati di ottimizzazione dell eccesso di aria che, combinando i costi esterni insieme a quelli
interni, possono comparare i costi esterni o ambientali a quelli del combustibile. Quindi si può calcolare il rapporto di eccesso di aria di compromesso, il quale può essere applicato per i miglioramenti sia dell efficienza termica che delle performance ambientali di una caldaia. MODELLI DI OTTIMIZZAZIONE DELL ECCESSO DI ARIA L eccesso di aria ottimo per una determinata caldaia può essere ottenuto attraverso differenti opzioni che portano alla minimizzazione di: 1. perdite di calore totali dipendenti dall eccesso di aria, 2. costi interni dovuti al consumo extra di combustibile dovuti alle perdite, 3. costi interni totali dovuti al consumo di combustibile della caldaia, 4. costi esterni dovuti all impatto ambientale della caldaia, 5. costi totali, combinazione dei costi interni ed esterni. Diverse funzione obiettivo possono essere utilizzate per determinare il rapporto di eccesso di aria ottimo. 1. Minimizzazione delle perdite totali di calore in caldaia Dato un determinato carico della caldaia, con un approccio di questo genere si ottiene la massima efficienza termica della caldaia. Tuttavia la funzione obbiettivo può includere solamente le perdite di calore dovute all eccesso di aria, quindi le perdite termiche dovute alla convezione e all irraggiamento esterno, q 5, così come quelle dovute alle ceneri di fondo e alle scorie, q 6, sono omesse poiché indipendenti dall eccesso di aria. La funzione obbiettivo è rappresentata da: J ( α ) = min( q + q + q ) hl 2 3 4 Il metodo è piuttosto semplice ed è associato con la determinazione della dipendenza delle perdite q 2 (perdita di calore con i gas di scarico), q 3 (perdite di calore di combustione associate a una combustione incompleta) e q 4 (perdite di calore di combustione associate al carbonio incombusto) da α. Tuttavia il metodo è applicabile ad una singola unità e non tiene in nessun conto dell impatto ambientale, inoltre non fornisce alcun parametro di costo da tenere in conto dal power plant management.
2. Minimizzazione degli extra fuel cost dovuti alle perdite di calore dipendenti dall eccesso di aria La funzione obbiettivo include la variabile dei costi interni (nominalmente gli extra fuel cost, /s, causati dalle perdite di calore): ( ) J ( α ) = min 10 q + q + q P 2 ef 2 3 4 f f, a Dove q i è la perdita di calore relativa percentuale rispetto al potere calorifico inferiore del combustibile, è il consumo istantaneo di combustibile in kg/s per l alimentazione della caldaia, e P f è il prezzo m f, a del combustibile in /kg. Per una caldaia, è determinato, per ciascun carico istantaneo, tenendo in conto le proprietà m f, a di input e di output del fluido di processo, il potere calorifico del combustibile e il rendimento termico della caldaia, η b, così come influenzato dalle perdite di calore q 2, q 3, q 4, q 5 e q 6. La semplicità dell applicazione del metodo a un gruppo di unità operanti a differenti carichi e/o con differenti combustibili (con l obbiettivo di trovare il rapporto di eccesso di aria ottimo per ciascuna unità) sono i migliori vantaggi di questo modello di ottimizzazione. Il modello inoltre fornisce una previsione dei potenziali risparmi del costo del combustibile quando si opera con rapporti di eccesso di aria vicini a quello ottimo. Tuttavia anche questa opzione non tiene in conto degli impatti ambientali della caldaia. 3. Minimizzazione dei costi totali del carburante relativi ai consumi della caldaia Per l opportunità di determinare sia i costi totali del combustibile sia i potenziali risparmi di combustibile per una particolare unità, la funzione obiettivo include i costi interni della caldaia, /s, trovati con l uso del consumo di carburante reale della caldaia: J ( α ) = min P fc f f, a L applicazione delle funzioni obiettivo date dalle equazioni (2) o (3) portano agli stessi risultati in termini di rapporto di eccesso di aria ottimizzato, tuttavia, l ultimo modello fornisce dati per il confronto dei costi totali del combustibile con gli altri possibili cost items così come per stime di possibili risparmi relativi di combustibile.
4. Minimizzazione dei costi esterni di combustibile relativi all impatto ambientale della caldaia In questo caso sono minimizzati i costi esterni (o ambientali) in /s, i quali includono gli effetti delle emissioni scaricate dalla caldaia dipendenti dal rapporto di eccesso di aria. La corrispondente funzione obiettivo è Dove Jec( α ) = min PNO x NO + P x SO 2 SO + P 2 SO 3 SO + P 3 CO CO + PCO 2 CO + P 2 soot soot i è il tasso di emissione dell i-esimo inquinante in kg/s, P i è il costo esterno specifico in /kg, ossia il costo del danno fatto da 1 kg dell i-esimo inquinante atmosferico. Per grandi caldaie industriali che bruciano combustibili gassosi o liquidi con un eccesso di aria relativamente basso, il tasso di formazione di soot è considerato essere piuttosto basso a causa dell effetto del tempo di residenza nella fornace. Nelle caldaie alimentate a carbone la formazione di soot è trascurabile a causa del sufficiente eccesso di aria. Considerando questi fattori, così come il relativo basso valore del P soot, l ultimo termine nell equazione (4) può essere omesso, e la funzione obbiettivo include solo gli effetti della emissione gassosa. Quando necessario la funzione obiettivo può essere applicata a un gruppo di caldaie operanti a differenti carichi e/o alimentati con differenti carburanti. 5. Minimizzazione dei costi totali del combustibili e dei costi esterni In questo modello più generale, si tiene in conto sia dei costi interni (combustibile) che dei costi esterni (ambientali). Trascurando l impatto del particolato, i costi totali in /s, possono essere minimizzati attraverso la seguente funzione obiettivo: Jtc( α ) = min Pf f, a + PNO x NO + P x SO 2 SO + P 2 SO 3 SO + P 3 CO CO + PCO 2 CO2 Questo modello è applicabile per analisi sia teoriche che sperimentali rivolte alla determinazione delle condizioni operative ottime per unità individuali o per gruppi di caldaie. DETERMINAZIONE DEI TASSI DI EMISSIONE IN UNO STUDIO SPERIMENTALE Per NO x, SO 2, SO 3, CO e CO 2, i tassi di emissione, in kg/s, sono determinati tenendo in conto le concentrazioni delle emissioni misurate in ppm nei gas di scarico secchi nei punti di campionamento:
Dove = 2.05 10 NO V 6 NOx f x dg = 2.93 10 SO V 6 SO2 f 2 dg = 3.57 10 SO V 6 SO3 f 3 dg = 1.25 10 COV 6 CO f dg = 1.98 10 CO V 6 CO2 f 2 dg f è il consumo stimato di combustibile in kg/s, cioè riferito al combustibile bruciato in caldaia, per carboni altamente volatili o per combustibili di tipo gassoso o liquido si può assumere = ; f f,a V dg è il volume specifico dei gas di scarico secchi (in condizioni standard) per unità di massa di combustibile in m 3 /kg, nel punto di campionamento. In realtà Vdg è funzione del rapporto di aria in eccesso nel punto di campionamento così come della composizione del carburante ed è generalmente calcolato nell ipotesi di perfetta combustione del combustibile. Tuttavia per calcoli di massima V dg può essere approssimato da V dg o α spv o,dove V in m 3 /kg è il volume di aria teorico (in condizione standard) richiesto per la completa combustione di 1 kg di combustibile, α sp è il rapporto di aria in eccesso quantificato tramite la percentuale di O 2 nei gas di scarico secchi nel punto di campionamento. Come V o dg, V è facilmente determinabile tramite l uso della composizione del carburante e quando le proprietà del combustibile non sono facilmente disponibili, il valore di o V può essere facilmente trovato grazie alla sua correlazione statistica con il LHV, fornendo in questa maniera la possibilità di stimare V dg. Il tasso di produzione del diossido di carbonio (kg/s) per una caldaia che brucia combustibili o carboni altamente volatili può essere predetto senza il bisogno di determinare la concentrazione di CO 2 nei gas di scarico, ignorando tuttavia la formazione di CO, come Dove CO2 r = 0.03667 C r C è il contenuto di carbonio, in percentuale in peso, del combustibile. Un approccio di questo genere assicura la più alta accuratezza nella determinazione di CO2 f. Quando non è disponibile la composizione del combustibile, il contenuto di carbonio può essere comunque stimato dalla sua correlazione statistica con il potere calorifico del particolare combustibile.
Perdite di calore dipendenti dall eccesso di aria Le perdite di calore q 2, q 3 e q 4 sono variabili importanti nell ottimizzazione dell eccesso di aria, perché i loro valori sono profondamente influenzati da α. Nello studio sperimentale, queste perdite sono trovate con l utilizzo di metodi comuni impiegati nei test di performance delle caldaie, basati su dati raccolti che includono le variabili operative principali e le proprietà del combustibile. Nello studio numerico, questi contributi possono essere trovati tramite modelli empirici che includono gli effetti delle proprietà del combustibile così come del rapporto dia aria in eccesso nel bruciatore. CASI DI STUDIO 1. Caldaia da 150 MW alimentata con lignite In questo studio sperimentale una caldaia da 150 MW alimentata con lignite è stata selezionata per l ottimizzazione dell eccesso di aria. A pieno carico la caldaia produce 120 kg/s di vapore surriscaldato a 535 C e 140 bar. Inoltre viene effettuato un risurriscaldamento di un flusso di vapore di 110 kg/s, che è riportato in caldaia a 34 bar con lo scopo di riscaldarlo a 535 C. Tabella 1: composizione e potere calorifico della lignite utilizzata durante i test sperimentali La fornace garantisce la combustione convenzionale di lignite polverizzata con un LHV di 10MJ/kg, il tasso di calore rilasciato in fornace per unità di area trasversale è di circa 2.7 MW/m 2. Per un carico del 100% era specificato un rapporto di aria in eccesso all uscita della fornace pari a 1.28. Per determinare le caratteristiche termiche e ambientali, i test sperimentali sono stati effettuati a pieno carico per cinque differenti valori del rapporto di aria in eccesso. La tabella 1 mostra le proprietà del combustibile considerato e la tabella 2 riporta le più importanti variabili operative così come le
emissioni misurate in ciascun test sperimentale. Per ottenere le emissioni, i gas di scarico sono stati campionati all uscita dell economizzatore (per NO x e CO) e all uscita dell unita di desulfurizzazione per SO 2. Inoltre la quantità di carbonio non combusto nelle polveri volatili è stata determinata in laboratori di analisi per ciascun run, tale misura è essenziale per quantificare la perdita q 4. Tabella 2: variabili operative e emissioni gassose misurate nei test sperimentali per vari valori dell eccesso di aria Come si vede nella tabella 2, con l incremento di ossigeno, aumentala concentrazione delle emissioni di NO x, mentre la concentrazione di SO 2 a valle dell unità di desolfurizzazione rimane a valori relativamente bassi grazie all efficienza dell unità stessa. Le emissioni di CO sono di piccola entità e inoltre esse sono state misurate solo per bassi valori dell eccesso di ossigeno. A questo punto sono stati applicati due metodi di ottimizzazione con lo scopo di determinare il rapporto di eccesso di aria ottimo: (1) il metodo convenzionale con le funzioni obbiettivo data nelle equazioni 1, e (2) il metodo cost-based che tiene in conto solo dei costi esterni con la funzione obbiettivo dell equazione 4, ignorando comunque le emissioni di SO 3 e di soot.
La tabella 3 mostra la portata del combustibile di alimentazione insieme con le caratteristiche di efficienza termica e di performance ambientale della caldaia, in funzione dell eccesso di aria nel punto di campionamento all uscita dell economizzatore. Questi dati indicano un significativo impatto ambientale della CO 2 e dell NO x. Tabella 3: perdite termiche, performance ambientali, consumo di combustibile per vari valori del rapporto di eccesso di aria Nell ottimizzazione cost-based, i costi specifici esterni per gli inquinanti sono stati assunti pari a P = 7.495 $/kg, P = 1.719 $/kg, P = 0.992 $/kg, P = 0.03 $/kg. NOx SO2 CO CO2 I risultati dell ottimizzazioni sono riportati in figura 1, nonostante un basso valore di PCO 2 contributo delle emissioni di CO 2 è stato preponderante (63-65%), la quota degli NO x raggiunge il 29-35%, mentre la contribuzione delle emissioni di SO 2 è la meno importante in assoluto. Come si vede nella figura 1 il rapporto di aria ottimizzato trovato con il metodo delle perdite di calore (equazione 1) è di 1.11 e 1.12 mentre esso era leggermente inferiore, cioè pari a 1.09-1.10, se determinato con il metodo cost-based (equazione 4). La variazione del rapporto di eccesso di aria dal valore utilizzato come set point prima dell analisi (1.28), a un valore all interno del range ottimo trovato (ad esempio 1.1), ha come risultato una riduzione significativa dell impatto ambientale della caldaia (del costo equivalente di circa 3.3 /MWh) con il simultaneo aumento della efficienza termica della stessa di circa lo 0.8%. Quindi, per questa unità di 150 MW operante a pieno carico per un il
periodo di circa 7000 h/anno, può essere raggiunta una riduzione annuale dei costi esterni di circa 3 500 000 /anno. Figura 1: perdite totali di calore e costi esterni in funzione del rapporto di eccesso di aria 2. Caldaia industriale da 90 t/h alimentata a olio o gas combustibile La caldaia considerata è progettata per fornire 90 t/h di vapore surriscaldato a 80 bar e 470 C per differenti processi di raffineria, tuttavia questa caldaia è utilizzata a carico ridotto per la maggior parte del tempo, infatti i carichi istantanei variano dal 65-80% della capacità della caldaia, in dipendenza delle richieste dei processi di raffinamento. È stato specificato, per tutti i carichi previsti, un singolo valore dell eccesso di ossigeno all uscita dell economizzatore (nominalmente il 2% di O 2 a cui corrisponde un rapporto di eccesso di aria di circa 1.1). Inoltre a questa caldaia non è stata applicato alcun ricircolo di gas combusti, il che porta a un alta temperatura del core della fiamma, specialmente agli alti carichi. Sebbene la caldaia fosse alimentata con una miscela di olio combustibile e gas, il consumo della caldaia e altre caratteristiche rilevanti cono state determinate per la caldaia come alimentata solo da olio combustibile, questa assunzione è stata fatta poiché la percentuale di energia dovuta al combustibile gassoso (sottoprodotto di raffineria) era inferiore al 20%, inoltre tale combustibile
gassoso aveva caratteristiche piuttosto variabili. La composizione dell olio combustibile usato nello studio è riportata in tabella 4. Tabella 4 : propriètà (% in peso) e potere calorifico (MJ/kg) dell'olio combustibile usato nello studio sperimentale L obbiettivo principale dello studio era di determinare il rapporto di eccesso di aria all interno del range di funzionamento della caldaia. Per raggiungere questo obbiettivo, la caldaia è stata testata in tre carichi 84, 70, 64 t/h (93.3, 77.8, 73.3% del carico nominale rispettivamente). Nei test sperimentali la concentrazione delle emissioni è stata misurata per differenti valori dell eccesso di ossigeno. Come esempio i dati relativi all efficienza termica della caldaia e al consumo di combustibile per un carico di 70 [t/h] sono riportati per differenti valori dell eccesso di aria nella tabella 5. Come risulta dai dati sperimentali l effetto del carico e del rapporto di eccesso di aria sulle perdite termiche e sulla efficienza termica (e quindi sul consumo di combustibile) sono notevoli. Nei test sperimentali sono state trovate emissioni di CO per bassi valori dell eccesso di ossigeno, inoltre la concentrazione di CO era dipendente dai carichi della caldaia. Per i carichi considerati, 84, 70 e 64 [t/h], sono stati determinati i rispettivi valori del rapporto di aria critico pari a 1.06, 1.09, 1.14, dimostrando, quindi, l effetto del carico sul rapporto critico di eccesso di aria. Tabella 5: dati relativi all efficienza termica della caldaia e al consumo di combustibile per un carico di 70 [t/h] riportati per differenti valori dell eccesso di aria Le emissioni di NO x dipendo sia dal carico della caldaia che dall eccesso di ossigeno, per i carichi di 84, 70 e 64 [t/h] queste emissioni erano nei range 261-319, 186-216 e 148-200 ppm,
rispettivamente, per diversi valori dell eccesso di aria. I profili dell emissioni di SO 2 risultavano indipendenti dall eccesso di aria e dal carico della caldaia, poiché essi erano solo influenzati dalla variazione del contenuto di zolfo nel combustibile durante il test. Per i carichi considerati, si è cercato il rapporto di aria di compromesso con l uso della funzione obbiettivo data dall equazione 5, ignorando però le emissioni di SO 3 e di particolato. Gli oggetti di costo ambientali sono stati calcolati considerando i seguenti costi specifici esterni: P SO2 = 3 /kg, P CO2 =0.03 /kg, P NOx =7.495 /kg e P CO =0.992 /kg. Mentre il costo del carburante è stato assunto al prezzo di costo della raffineria P f =0.136 /kg. La figura 2 mostra i costi del combustibile e quelli ambientali per gli stessi carichi e rapporti di eccesso di aria considerati in precedenza. Figura 2. costi del carburante e ambientali incorporati all'interno dei costi totali per la caldaia operante al 77.8% del carico e per due differenti valori del rapporto di eccesso di aria Nella figura 3 sono mostrate le dipendenze dei costi totali dalla concentrazione di ossigeno per la caldaia studiata ai carichi di 84,70 e 64 [t/h]. Il costo minimo si ha per valori della concentrazione di ossigeno di 1.2, 1.8 e 2.7 a cui corrispondono rapporti ottimi di eccesso di aria pari 1.06, 1.09 e 1.15 rispettivamente. Tuttavia per evitare il rischio della formazione di particolato la concentrazione di ossigeno in eccesso deve essere mantenuta al di sopra del 1.5%, cui corrisponde un rapporto di eccesso di aria di 1.08. Questo valore sembra essere il set point di compromesso per i carico più alto (84 [t/h]), mentre per i carichi più basi devono essere specificati i valori trovati precedentemente.
Come segue dall analisi dei costi per il carico di 84 [t/h], cambiare il rapporto di eccesso di aria da quello attuale a quello di compromesso potrebbe portare a risparmi fino a circa 47300 /anno per ogni singola unità di caldaia per una riduzione sia dei costi di combustibile che di quelli ambientali. L utilizzo di un rapporto di compromesso di 1.15 per il carico di 64 [t/h] porta a un risparmio fino a 189200 /anno per unità di caldaia. Figura 3: costi totali al variare della concentrazione di ossigeno per i diversi carichi specificati 3. Caldaia industriale di 310 MW alimentata a olio combustibile Per questo studio si è considerata una caldaia di 310 MW che a pieno carico produce circa 1000 [t/h] di vapore surriscaldato a 540 C e 160 bar con un ulteriore risurriscaldo di 860 [t/h] a 40 bar fino a una temperatura di 540 C. Si utilizza, nel caso di pieno carico, una ricircolazione del 10% del volume totale dei gas combusti (estratti dall uscita dell economizzatore) sia per mantenere le temperature del vapore surriscaldato e risurriscaldato così come per la riduzione degli NO x. Ai carichi parziali la quantità di gas ricircolato rimane la stessa il che porta a percentuali maggiori di gas ricircolato. L ottimizzazione dell eccesso da aria è stata fatta per due diversi carichi in caldaia 100% e 80%, applicando il metodo riportato nell equazione 5 che tiene in conto sia dei costi di combustibile sia di
quelli ambientali, per entrambi i carichi la variabile indipendente, e cioè il rapporto di aria in eccesso, è stata fatta variare nel range 1.02-1.14. Tabella 6: perdite termiche previste, efficienza termica e consumi di combustibile per il carico del 100% e per diversi valori del rapporto di eccesso di aria Nella tabella 6 sono riportati le perdite termiche previste, l efficienza termica e i consumi di combustibile per il carico del 100% e per diversi valori del rapporto di eccesso di aria. Come si vede il massimo dell efficienza termica della caldaia si ottiene per un rapporto di eccesso di aria pari a 1.04. La figura 4 mostra vari costi ambientali comparati con quelli di combustibile per il massimo carico e per due diversi rapporti dell eccesso di aria. Il maggior contributo dei costi totali è dato dal combustibile, dalla CO 2 e dall SO 2, mentre l impatto sui costi totali di NO x, SO 3 e CO è apparentemente minoritario. Effetti simili sono stati riportati per il carico parziale dell 80%. Figura 4: costi di combustibile e ambientali per la caldaia operante a pieno carico e per due differenti valori dell'eccesso di aria Nella figura 5 sono mostrate le dipendenze dei costi totali della caldaia in dipendenza del rapporto di eccesso di aria per i due carichi considerati (80% e 100%). Entrambe le curve hanno un
punto di minimo in corrispondenza di 1.04 per il 100% di carico e 1.055 per l 80% di carico. Sebbene entrambi i valori fossero vicini all α cr per entrambi i carichi (1.04 e 1.045 rispettivamente), e tenendo in conto di una certa deviazione standard dei risultati, si è raccomandato un a rapporto di compromesso pari a 1.06 (invece di 1.08) anche per evitare la formazione di soot per questo range di carichi. Figura 5: costi totali al variare del rapporto di aria per carichi del 100% e 80% Come si può vedere in figura 5 passare da 1.08 a 1.06 porta a un risparmio di 0.1 /s per entrambi i carichi e quindi a un risparmio annuale di circa 250000. Questo beneficio economico può essere raggiunto sia per risparmi sul costo del combustibile che sui costi ambientali. CONCLUSIONI Il metodo cost-based può essere applicato con successo per l ottimizzazione dell eccesso di aria per caldaie industriali alimentate con vari combustibili fossili, inoltre possono essere applicate diverse funzioni di ottimizzazione a seconda dei particolari obbiettivi da perseguire. Utilizzare un rapporto di eccesso di aria pari a quello ottimizzato assicura una riduzione dei costi totali della caldaia associati sia al consumo di combustibile (costi interni) sia all impatto ambientale (costi esterni).