Relazione specialistica
Dipl.-Wirtschaftsing. (FH), Dipl.-Informationswirt (FH)
Markus Tuffner, Bosch Industriekessel GmbH
Un moderno condizionamento ed analisi
dell‘acqua
In tutte le applicazioni, nelle quali l‘acqua viene portata a temperatura elevata, è possibile che si presentino delle difficoltà a causa delle sostanze ivi contenute. La causa più frequente dei danni nell‘esercizio
delle caldaie è da ricercare nelle insufficienze a livello di condizionamento e di analisi dell‘acqua.
Sostanze corrosive contenute nell‘acqua di alimentazione o nella
condensa possono danneggiare il serbatoio dell‘acqua di alimentazione, la caldaia o la rete della condensa. Tali danni sono causati
prevalentemente da corrosione da ossigeno e da anidride carbonica. Inoltre ci sono determinate sostanza contenute nell‘acqua
che comportano la formazione di depositi indesiderati. Il deposito
più noto è quello calcare. Se la formazione di depositi non viene
riconosciuta in tempi utili, verrà ostacolato il passaggio del calore
con conseguente riduzione del rendimento. Se poi gli spessori dei
depositi continuano a crescere, è possibile che le superfici
scaldanti si surriscaldano, con conseguenti gravi danni che possono arrivare fino all‘esplosione della caldaia. Spesso si possono
creare problemi anche nei processi a valle, a causa della formazione di schiuma e del passaggio d‘acqua di caldaia insufficientemente condizionata. Oltre al peggioramento della qualità del
vapore, le conseguenze sono in parte drammatiche per quanto
riguarda la vita utile degli elementi a valle, quali valvole, condutture e le utenze collegate.
E‘ per questo motivo che il legislatore ha ratificato ampie normative per il mantenimento di una qualità d‘acqua ben definita. DIN
EN 12953-10 stabilisce norme precise per l‘aspetto, la conducibilità, il valore pH, la durezza complessiva, il grado di acidità nonché
la concentrazione di ferro, rame, acido silicico, olio, grasso, fosfati
ed ossigeno. Inoltre l‘acqua deve essere esente da sostanze
organiche.
A seconda della potenza e della dimen-sione dell‘impianto caldaia,
trovano ap-plicazione diversi metodi di condizio-namento dell‘acqua.
L‘acqua grezza utilizzata viene di norma messa a disposi-zione da
enti erogatori comunali, e viene, oltre ad altri metodi, preparato
all‘uso nelle caldaie con una delle procedure di seguito descritte.
2 | Un moderno condizionamento ed analisi dell‘acqua
Addolcimento o demineralizzazione
I metodi di uso più frequente sono quelli dell‘addolcimento con
scambiatore di ioni e della demineralizzazione con osmosi inversa.
Su impianti di dimensioni ridotte o con elevati tassi di riflusso di
condensa, si preferisce spesso l‘addolcimento, che comporta costi
minori. Nel corso di questo processo le sostanze che induris-cono
l‘acqua (prevalentemente ioni di Ca e Mg) vengono sostituite con
ioni di Na. Il contenuto di minerali nell‘acqua resta quasi costante
durante tale processo. Gli scambiatori di ioni vengono rigenerati
con soluzione di sale (NaCl).
L‘osmosi inversa è una procedura dai costi più elevati, per cui
trova applicazione prevalentemente su impianti con elevati tassi di
acqua pulita o in quei casi in cui per altri motivi (ad es. per la qualità
del vapore) è necessaria acqua di caldaia a bassa conducibilità.
Per questo metodo si usano membrane permeabili in una sola
direzione, che a livello molecolare lavorano come filtri. Facendo
passare una soluzione acquosa sotto alta pressione (maggiore
della pressione osmotica) attraverso una delle suddette membrane, la maggior parte dei sali ed altre sostanze vengono trattenute, mentre la membrana viene attraversata soltanto da acqua
pura. A seconda delle dimensioni, per l‘osmosi è necessario
Figura 1: Lo scarso trattamento delle acque ha determinato
la formazione di un sedimento duro, che in casi estremi può
causare l‘esplosione della caldaia.
prevedere un addolcimento preliminare o successivo. L‘addolcimento preliminare lavora come l‘addolcimento più sopra
descritto, e viene utilizzato preferibilmente per piccole portate.
Se invece si tratta di demineralizzare notevoli quantità d‘acqua
per mezzo dell‘osmosi, di norma, prima dell‘ingresso nel modulo
d‘osmosi, si aggiungono agenti chimici opportunamente dosati
per impedire che i moduli d‘osmosi vengano intasati dai minerali.
A valle dell‘osmosi si prevede un addolcimento successivo per
eliminare le sostanze alcalino-terrose (ioni di Ca e Mg) residue
La cosiddetta demineralizzazione parziale, un procedimento a
metà strada tra addolcimento ed osmosi, è nota anche con il
nome di decarbonizzazione, e trova meno applicazione die due
metodi sopra descritti.
Si tratta di un metodo che lavoro con il sistema dello scambio di
ioni, simile all‘addolcimento. Si interviene sull‘equi-librio calcio/
anidride carbonica ag-giungendo ioni di idrogeno (H+). In questo
modo viene liberato il biossido di carbonio presente nei composti
di carbonato (HCO3). Gli ioni di calcio e di magnesio (durezza non
derivante da carbonati) vengono sostituiti da sodio nel successivo
procedimento di sostituzione degli ioni. Gli scambiatori di ioni
vengono rigenerati con acido cloridrico e/o cloruro di sodio (NaCl).
Figura 2: Modulo di trattamento dell‘acqua WTM per
l‘addolcimento dell‘acqua di alimentazione della caldaia
Un moderno condizionamento ed analisi dell‘acqua | 3
Degassificazione termica
(riduzione di O2 e / o CO2)
Grafico 1: La solubilità di ossigeno in funzione della temperatura a
1 bar (a) in acqua pura
A valle dell‘addolcimento o della demineralizzazione
abbiamo la degassi-ficazione termica. Questo procedimento
si basa sul principio chimico-fisico, secondo il quale la
solubilità dei gas nei liquidi diminuisce coll‘aumento della
temperatura, andando verso lo zero quando si raggiunge il
punto di ebollizione .
Per gli impianti più grandi e/o per gli impianti con ridotto
ritorno di condensa, per questo motivo si usano normalmente impianti di degassifica-zione completa. Questi lavorano con una gamme di temperatura tra 100 °C e 110 °C.
Un duomo di degassificazione o un degassificatore a spray
incrementa, appoggiato sul serbatoio di acqua di alimentazione, la superficie dell‘acqua aggiunta oppure della
condensa di ritorno. Con iniezione diretta di vapore,
l‘acqua di alimentazione all‘interno del relativo serbatoio
viene riscaldata fino alla temperatura di ebollizione. Il
vapore così prodotto riscalda l‘acqua in ingresso, separandone i gas contenuti. Questi gas fuoriescono attraverso il
diaframma del vapore di sfiato nella testata del degassificatore. Fuoriesce anche vapore come mezzo di trasporto
(vapore di sfiato). Il diaframma del vapore di sfiato deve
essere dimensionato in maniera tale che anche nelle condizioni più sfavorevoli vengano scaricati tutti i gas liberati.
Secondo la letteratura, il flusso di vapore di sfiato necessario può raggiungere lo 0,5 % della potenza in vapore
della caldaia. La quantità residua di ossigeno e di biossido
di carbonio a valle della degassificazione completa sono
trascurabili. Un basso dosaggio di agenti chimici a valle è
necessario soltanto per motivi di sicurezza e per una più
facile misurazione.
14
O² in mg /l
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Temperatura en °C
Fonte: WABAG-Handbuch Wasse
Grafico 2: La solubilità di biossido di carbonio in funzione della
temperatura a 1 bar (a) in acqua pura
3 500
3 000
2 500
O² in mg /l
A causa dei minori costi d‘investimento, sugli impianti più
piccoli e/o sugli impianto con elevato ritorno di condensa
trova spesso applicazione un impianto di degassificazione
parziale. In considerazione della gamma di temperature
basse, tra i 85 °C ed i 90 °C, nel caso della degassificazione parziale non è necessario usare un serbatoio a pressione come serbatoio per l‘acqua di alimentazione. I gas
disciolti nell‘acqua vengono separati per riscaldamento ed
escono dal sistema con il cosiddetto vapore di sfiato. A
causa delle temperature d‘esercizio impostate, tale processo non viene completamente concluso. Resteranno
presenti piccole concen-trazioni di gas, in particolare di
ossigeno e biossido di carbonio. E‘ pertanto indispensabile
un successivo tratta-mento chimico.
16
2 000
1 500
1 000
500
0
0
10
20
30
40
50
60
Temperatura en °C
Fonte: TÜV Nord
70
80
90
100
4 | Un moderno condizionamento ed analisi dell‘acqua
Dosaggio di agenti chimici
(legame di O2 e / o CO2)
A seconda dei diversi metodi di condizionamento fisico dell‘acqua,
è necessario il legame chimico della durezza residua o
dell‘ossigeno residuo. Inoltre occorre eseguire un‘alcalinizzazione
(incremento del valore pH). In passato è spesso avvenuto un
dosaggio eccessivo degli agenti chimici. I motivi sono da ricercare
essenzialmente nella sorveglianza discontinua ed in un dosaggio
impostato in maniera empirica. Per quanto riguarda il tenore di
ossigeno residuo, il motivo consisteva nella mancanza di un sistema
di analisi e di misurazione diretta a costi convenienti. Per questo
motivo non si usava misurare l‘ossigeno residuo, ma l‘eccesso di
agenti chimici nell‘acqua della caldaia, per poter garantire almeno
ciclicamente l‘assenza di ossigeno. Oltre ad eccessivi oneri per
agenti chimici, ne deriva anche un importante svantaggio energetico. Il sovradosaggio di agenti chimici comporta spesso un
incremento della conducibilità (contenuto di sale), e/o la sedimentazione di fanghi, con un enorme importanza per le perdite di
energia in occasione dei cicli di demineralizzazione o di sfangatura.
Inoltre possono anche presentarsi problemi a causa della formazione di schiuma nell‘acqua della caldaia. Ne conseguono anomalie
sotto forma di interruzioni a causa di mancanza d‘acqua e/o a
causa di eccesso d‘acqua. L‘acqua trascinata peggiora la qualità
del vapore, è possibile la formazione di colpi di vapore e di danni
alle utenze a valle.
Figura 4: Modulo di trattamento
dell‘acqua WSM per la degassificazione, l‘approvvigionamento e il condizionamento chimico dell‘acqua di
alimentazione della caldaia e per il
trattamento e il raffreddamento
dell‘acqua della caldaia riscaldata
Figura 3: Attacco
dell‘ossigeno sulla sezione
di un tubo
Un moderno condizionamento ed analisi dell‘acqua | 5
Analisi e misurazione
Per poter garantire un‘idonea qualità dell‘acqua, è necessario
verificare su base continua e/o periodica i parametri dell‘acqua.
L‘acqua di alimentazione e l‘acqua nelle caldaie a vapore nonché
l‘acqua di circolazione negli impianti d‘acqua calda deve essere
controllata per verificarne i parametri di rilevanza (valore pH,
conducibilità diretta, acidità, durezza e tenore di ossigeno). La
frequenza di tali verifiche dipende dalle istruzioni del produttore,
del gestore e delle autorità competenti. Finora quanto sopra viene
effettuato, ad eccezione della conducibilità, manualmente con
dispiego di tempo e di mano d‘opera conseguentemente elevato.
Le singole analisi dell‘acqua devono essere eseguite giornalmente,
ovvero nel caso di impianti equipaggiati per l‘esercizio senza
sorveglianza, ogni tre giorni.
Per permettere la realizzazione delle misurazione occorre prevedere punti di prelievo campioni in posizioni rap-presentative del
sistema.
Punti di prelievo tipici sono il serbatoio dell‘acqua di alimentazione alla caldaia, il bocchettone di demineralizzazione sulla caldaia
e l‘acqua di aggiunta, a valle dell‘impianto di condizionamento
acqua. I suddetti punti di prelievo campioni dovranno essere
equipaggiati di idonei dispositivi di raffreddamento (raffreddatori
campioni d‘acqua) che permettano il prelievo corretto dell‘acqua
in tutta sicurezza.
Bild 5: Nuova apparecchiatura per l‘analisi dell‘acqua
WA per il rilevamento e il controllo completamente
automatici della qualità dell‘acqua della caldaia
La conducibilità viene misurata in continuo per mezzo di un elettrodo di conducibilità montato a contatto con la superficie
dell‘acqua di caldaia. La durezza complessiva, oltre all‘acidità
(valore pH), in passato sono state misurate normalmente per mezzo
della titolazione con soluzioni di misura e/o per via fotometrica
con idonei strumenti di misura. Nella titolazione si aggiungono
all‘acqua del campione da analizzare, goccia dopo goccia, soluzioni
reattive fino a quando non inizia a virare il colore. Dalla quantità
della soluzione reattiva è possibile risalire all‘acidità e/o alla durezza
complessiva. Le procedure fotometriche si basano su principi
similari, misurando però l‘intensità del viraggio cromatico dopo
l‘aggiunta di una determinata quantità di soluzione reattiva. La
quantità d‘ossigeno contenuta nell‘acqua, invece, finora ha potuto
essere analizzata soltanto con strumenti analitici molto costosi.
Comune a tutti i metodi di misura è il grande dispendio di tempo
e la facilità di errori.
6 | Un moderno condizionamento ed analisi dell‘acqua
Analizzatore acqua
WATER ANALYSER WA
Il nuovo analizzatore d‘acqua sviluppato, il WATER ANALYSER WA
supera i problemi di cui sopra e provvede alla misurazione continua, pienamente automatica, di quanto segue:
f valore pH nell‘acqua di alimentazione
f valore O2 nell‘acqua di alimentazione
f durezza residua nell‘acqua aggiunta
f valore pH nell‘acqua di caldaia
A tale scopo sono state sviluppate appositamente nuove procedure di misura:
L‘assenza di ossigeno non viene più garantita con un eccesso di
legante di ossigeno, ma misurando il valore effettivo del tenore di
O2. Come elettrodo di misura serve un micro-capillare di vetro
riempito di liquido reattivo, che in base all‘ossigeno ivi presente
produce un determinato flusso di corrente elettrica. Tale flusso di
corrente viene misurato, permettendo di documentare il preciso
tenore di ossigeno all‘interno della gamma di misura interessante
ai fini della tecnologia delle caldaia, cioè da 0,001 a 0,1 mg/l.
La misurazione della durezza avviene per mezzo di un elettrodo di
misura basato su membrana polimerica a selezione di ioni. Tale
membrana è permeabile soltanto agli ioni Ca e Mg responsabili della
durezza. In base alla quantità degli ioni viene indotto un voltaggio
dal quale è possibile effettuare deduzioni sul grado di durezza
dell‘acqua. Nella gamma di misura da 0,0018 a 0,18 mmol/l
(0,01 – 1 °dH) tutti gli scostamenti vengono misurati con precisione.
Il valore pH nell‘acqua di alimentazione e di caldaia viene rilevato
con un elettrodo di misura pH di riferimento, che rileva gli ioni di
idrogeno positivi presenti nell‘acqua. Anche qui si induce una
piccola tensione, con la quale è possibile esprimersi con sicurezza
sul valore pH nella gamma di misura tra 7 e 14.
Tutti gli elettrodi sono in versione ad autocontrollo. A determinati
intervalli di tempo vengono automaticamente effettuate delle
misurazioni di riferimento, sull‘acqua grezza o su se stessi, per
accertarne il perfetto funzionamento. I singoli elettrodi di misura
sono soggetti ad usura naturale. I costi degli elettrodi di ricambio
corrispondono all‘incirca ai costi delle soluzioni di indicatore ed alle
cartine di test nel caso di analisi manuali dell‘acqua.
Figura 6: L‘integrazione modulare del WATER ANALYSER WA in un sistema globale di impianti caldaie
Segnalazione
Apparecchiatura
per misurare la
conducibilità
Anst. A1 – A4
Dosaggio
A4
ZLT
A1
Controllo
della torbidità
SCO
A3
A2
WSM
O2
WA
TH
pH
BCO
Apparecchiatura
per misurare la
conducibilità
Caldaie 1
BCO
WAB
Apparecchiatura
per misurare la
conducibilità
Caldaie 2
O2
pH
Un moderno condizionamento ed analisi dell‘acqua | 7
Tutti i dati vengono trasmessi al sistema di controllo impianto di
livello superiore SYSTEM CONTROL SCO per mezzo di un sistema
di bus. In questo modo, assieme alla conducibilità dell‘acqua di
caldaia ed ai valori di conducibilità e/o opacità dei flussi di condensa si avranno così tutti i parametri significativi dell‘acqua a
disposizione dell‘ SCO.
L‘analizzatore acqua WA offre una moltitudine di vantaggi nei
confronti della sorveglianza tradizionale manuale:
f Meno danni alle caldaie ed agli impianti grazie ad una maggiore
sicurezza d‘esercizio
f Le misurazioni manuali producono risultati di misurazione corretti
soltanto se eseguite da personale ben addestrato. Spesso
avvengono errori nel prelievo delle diverse acque o nella manipolazione delle soluzioni reattive, con falsificazioni drammatiche
dei risultati.
f L‘analisi coll‘analizzatore WA, invece, si svolge completamente
automaticamente senza alcun intervento esterno, garantendo
risultati di misurazione corretti e precisi.
f Nel caso in cui determinati valori limite della qualità dell‘acqua
vengono superati, l‘impianto caldaia protegge se stesso. A
seconda del tipo di superamento vengono iniziate determinate
sequenze di controllo. Se ad esempio si rischia l‘ingresso di
una grande quantità d‘acqua dura, la valvola d‘acqua aggiunta
viene chiusa immediatamente.
Potenziali di risparmio
Il potenziale di riduzione di costi offerto dall‘analizzatore acqua
WA è enorme.
A seconda della dimensione e dell‘equipaggiamento degli impianti,
grazie ai risparmi di personale, combustibile ed acqua il dispositivo verrà ammortizzato dopo un periodo che va da 6 mesi a 3 anni.
La considerazione di cui sopra non tiene conto della sicurezza
d‘esercizio garantita dalla correttezza dei risultati d‘analisi, e della
riduzione dei danni agli impianti per insufficienza dei parametri
d‘acqua.
Management dei segnali d‘anomalia
Tutti i parametri al momento misurati, non appena superano il
valore limite, vengono trasmessi alla memoria dei segnali
d‘anomalia dell‘ SCO. In questo modo è più semplice analizzare le
cause delle anomalie.
Creazione del protocollo
E‘ anche possibile creare un protocollo continuo dei dati. Questi
potranno, a determinati intervalli di tempo, essere trasmessi via
Profibus ad un sistema di controllo di livello superiore oppure
tramite interfaccia definita potranno essere trasmessi ad una
stampante locale o ad un sistema di scrittura a video. E‘ possibile
fare a meno delle misurazioni manuali e della registrazione manuale dei valori dell‘acqua nel libretto d‘esercizio della caldaia. Ne
conseguono risparmi di personale non trascurabili.
Figura 7: L‘unità di comando della caldaia SCO
raccoglie e memorizza i principali dati dell‘acqua e
attiva funzioni di protezione, regolazione e comando
Funzioni di regolazione e di sicurezza
A seconda della qualità misurata dell‘acqua vengono regolate le
varie pompe di agenti chimici. E‘ possibile rinunciare ad un
dosaggio in eccesso, visto che i parametri dell‘acqua vengono
misurati con metodo diretto. Ne conseguono risparmi notevoli di
agenti chimici nonché minori perdite nel contesto di operazioni di
demineralizza-zione e di sfangatura.
Il flusso di vapore di sfiato nella modalità d‘esercizio tradizionale
è previsto con circa 0,5 % della potenza nominale della caldaia. Ne
consegue una perdita continua di energia a causa del vapore di
sfiato in uscita. La misurazione del tenore di ossigeno
coll‘analizzatore WA permette di azionare la valvola del vapore di
sfiato solo in precisi momenti. All‘interno dei valori limite ammessi
è possibile chiudere la valvola. Solo se i valori limiti indicati vengono
superati, cioè se l‘intervento del degassificatore dovesse essere
effettivamente necessario, la valvola del vapore di sfiato viene
aperta e il vapore di sfiato arricchito di ossigeno ed biossido di
carbonio potrà uscire dal sistema. Ne conseguono enormi risparmi
di combustibile.
Figura 8: I parametri dell‘acqua memorizzati nell‘
SCO (SYSTEM CONTROL) possono essere rappresentati con un intuitivo diagramma a curve
Sintesi
Nella descrizione dei metodi di condizionamento d‘acqua per
mezzo di addolcimento, demineralizzazione, degassificazione e
dosaggio viene evidenziato con chiarezza, quanto complesso e a
volte anche difficile può essere garantire una corretta qualità
dell‘acqua di caldaia usando gli attuali mezzi manuali.
L‘analisi acqua completamente automatizzata per mezzo
dell‘analizzatore acqua offre pertanto i seguenti vantaggi:
f Un dosaggio di agenti chimici su misura per le esigenze, a
seconda del valore pH e O2 dell‘acqua di alimentazione, senza
costose aggiunte in eccesso che comporterebbero maggiori
perdite nell‘ambito della demineralizzazione e della sfangatura
f Monitoraggio automatico della durezza residua degli impianti di
dolcificazione su base di scambio di ioni, installati a monte
f Comando della valvola per il vapore di sfiato a seconda del
contenuto d‘ossigeno nel serbatoio d‘acqua di alimentazione si
evitano inutili perdite d‘energia
f Incremento della sicurezza d‘esercizio grazie a precisi risultati
di misurazione analitica
f Risparmio di tempo grazie alla misurazione automatica
f Riduzione di danni causati da errati parametri d‘acqua
f Tutti i dati dell‘analisi acqua continua e pienamente automatizzata possono essere trasmessi via bus a video o ad una stampante e potranno essere visualizzati, stampati o memorizzati è
possibile fare a meno della tenuta manuale del registro caldaia.
Figura 9: Impianti con più caldaie, analisi dell‘acqua, trattamento dell‘acqua, impianti di degassificazione,
impianti a condensazione, alimentazione di combustibile SCO ha tutto sotto controllo.
Teleservice
Sistema di controllo del processo
Sistema di
gestione
impianto
SCO
Gestione di esercizio e di
segnalazione delle anomalie
BCO
BCO
UL-S
UNIVERSAL Caldaia per vapore
Impianti di produzione:
Stabilimento di produzione 1 Gunzenhausen
Bosch Industriekessel GmbH
Nürnberger Straße 73
91710 Gunzenhausen
Germania
WA
Modulo analisi
acqua
WTM
Modulo trattamento acqua
WSM
Modulo servizio
acqua di alimento
Stabilimento di produzione 3 Bischofshofen
Bosch Industriekessel Austria GmbH
Haldenweg 7
5500 Bischofshofen
Austria
www.bosch-industrial.com
Stabilimento di produzione 2 Schlungenhof
Bosch Industriekessel GmbH
Ansbacher Straße 44
91710 Gunzenhausen
Germania
© Bosch Industriekessel GmbH | Figure solo
a titolo di esempio | Con riserva di modifiche |
07/2012 | TT/SLI_it_FB-Wasseraufbereitung_01
CSM
Modulo servizio
condense