La combustione completa delle biomasse `e un processo che prevede una
serie di reazioni, il cui risultato finale `e l’ossidazione della specie com-
bustibile a CO2 e acqua.
In condizioni ricche, cio`e in carenza di ossigeno, la combustione risulta
incompleta e, accanto ad idrocarburi incombusti si ha la formazione di composti tipici, quali CO, composti organici volatili (COV), idrocarburi poliaromatici (IPA), particolato carbonioso.
Dall’altro lato una combustione povera, ovvero in eccesso d’aria, com- porta temperature meno elevate ma permette di avere una combustione completa [16].
I prodotti di combustione e le condizioni operative dipendono anche
fortemente dalle propriet`a specifiche delle biomasse, molto variabili a
seconda dell’origine.
Quando una biomassa viene gradualmente scaldata ad elevata tempera- tura, dopo una prima fase di essiccamento, rilascia una serie di composti volatili. Queste specie si formano a causa di trasformazioni chimiche che avvengono all’interno della struttura della biomassa, con la rottura dei legami chimici presenti. E’ questa la fase di devolatilizzazione, duran- te la quale si viene a formare una fase gassosa, costituita da anidride
carbonica (CO2),ossido di carbonio (CO), alcuni idrocarburi (CxHy) ed
idrogeno (H2), e una frazione condensabile, contenente acqua e com- posti organici con basso peso molecolare, come le aldeidi, gli acidi, i chetoni e gli alcool che, con l’aumentare della temperatura, tendono a
I gas rilasciati incontrano quindi l’ossigeno dell’ambiente circostante e
la combustione avviene, almeno inizialmente, in fase gassosa. Ed `e du-
rante questa fase della combustione che viene rilasciata la maggior parte dell’energia termica proveniente dalla biomassa, circa il 70% [19]. Con- testualmente durante il rilascio delle specie volatili, si ha la formazione di un residuo carbonioso estremamente deidrogenato, usualmente defi-
nito ‘char’. Il char non `e pi`u in grado di rilasciare composti volatili,
ma il suo consumo avviene per ossidazione eterogenea prodotta dall’os- sigeno che, diffondendo all’interno della matrice porosa della biomassa, reagisce con il carbonio residuo. Questa ossidazione eterogenea risulta favorita dalla prima fase di volatilizzazione, in quanto il rilascio dei gas
incrementa la porosit`a del sistema e quindi aumenta la superficie per
unit`a di volume, migliorando in tal modo lo scambio tra gas e solido.
Le varie fasi della combustione vengono riportate di seguito [19]: biomassa umida→ riscaldamento/essiccazione→ biomassa secca
biomassa secca→ volatili (tar e gas)+ char volatili+aria→ CO+CO2+H2O
Char+aria→ CO+CO2
Volatili(N,S,K,etc.)→ inquinanti a base di N,K,S, etc. Char (N,S,K,etc.)→ inquinanti a base di N,K,S, etc.
Il comportamento della combustione dipende da molti fattori, ma in prima battuta, da come viene introdotta l’aria comburente rispetto al combustibile.
In base a ci`o si possono distinguere due tecniche di combustione: la
combustione convenzionale e quella upward. Per lo studio condotto, ci focalizzeremo sulla combustione ”tradizionale”, realizzata in un reattore a griglia a correnti incrociate, con l’aria primaria introdotta sotto al letto di combustibile e l’aria secondaria immessa attraverso ugelli al di sopra del letto.
La combustione avviene,come dice la parola stessa, in maniera con- venzionale: dopo l’ignizione, il fronte di fiamma si propaga dalla su-
perficie del combustibile fino alla griglia (muovendosi, cio`e, in direzione
opposta all’aria primaria, che sale verso l’alto).
Il calore generato `e poi trasportato dall’aria, ed asciuga e devolatilizza
La devolatilizzazione ha inizio una volta che tutta l’umidit`a del com-
bustibile `e evaporata. A questo punto la temperatura del combustibile
comincia ad aumentare e le specie volatili vengono rilasciate. Queste reagiranno poi con l’aria (in modo particolare con quella secondaria), dando luogo ad una combustione omogenea in fase gassosa [20].
Come gi`a detto, alla fine della volatilizzazione rimane un solido residuo,
ricco di carbonio e molto poroso, il char.
Quando la combustione `e avvenuta, i prodotti che si originano sono i
fumi, che contengono CO2, H2O, O2 e N2, a temperature elevate (in-
torno a 1000◦C), prodotti liquidi, come il tar, e prodotti solidi come le
ceneri, contenenti composti inorganici (CaO, M gO, SiO2).
Durante la combustione della biomassa si sviluppano anche sostanze inquinanti gassose, che dipendono principalmente dalla tipologia di bio-
massa alimentata, dalla quantit`a d’aria comburente e dal miscelamento
combustibile-comburente. In particolare le maggiori specie inquinanti sono:
• Monossido di carbonio CO, prodotto a seguito di una combustione in difetto di ossigeno e con bassi tempi di permanenza;
• Ossidi di zolfo SOx, derivanti dall’ossidazione dello zolfo presente
nella biomassa (comunque molto limitate);
• Ossidi di azoto N Ox, che nella combustione delle biomasse si for-
ma per l’ossidazione diretta dell’azoto presente nella biomassa
(N Ox − f uel), che `e presente nell’ordine dell’1% in peso, piut-
tosto che attraverso gli altri due processi di ossidazione dell’azoto
atmosferico (N Ox − termici) o quello cosiddetto “prompt”, in
quanto entrambe richiedono temperature relativamente alte (1200
÷ 1300◦C), non sempre raggiungibili nel caso delle biomasse.
L’azoto legato pu`o essere rilasciato insieme alle sostanze volatili,
siano esse gas o ‘tar’, oppure trattenuto nel ‘char’. La frazione di azoto che volatilizza dipende dal tipo di biomassa e quindi di legami, ma anche dalle condizioni operative. A bassa temperatu- ra o per bassi tempi di residenza l’azoto rimane preferenzialmente legato al residuo carbonioso, mentre alle alte temperature viene
• Particolato, costituito da ceneri volatili e fuliggine, prodotto dal- la combustione incompleta del carbonio.Su esso si vanno poi a depositare composti organici clorurati (PCDD/F) e idrocarburi aromatici.
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Impianto di combustione della biomassa del
CRIBE
Il seguente lavoro di tesi ha per oggetto lo studio e la caratterizzazione
della caldaia a cippato del centro di ricerca del CRIBE dell’Universit`a
di Pisa, situato a S.Piero a Grado. La suddetta caldaia fa parte di un
impianto per la sperimentazione la cui finalit`a `e la produzione di vapo-
re, in maniera indiretta, ricorrendo ad un ciclo ORC (Organic Rankine Cycle), in cui viene impiegato un apposito olio diatermico. L’olio dia- termico, scaldato all’interno dei fasci scambiatori della caldaia (di tipo
a correnti incrociate), ceder`a poi parte della sua energia termica in un
generatore di vapore, di tipo TEMA K (ribollitore Kettle).Il vapore pro- dotto vine poi fatto espandere in un prototipo di espansore volumetrico rotativo, ricavato da un motore Wankel.
La produzione di energia, avviene secondo il seguente schema d’impian- to.
5.1 Sistema di combustione
La caldaia,della Standerdkessel Italiana s.r.l.,dalla potenza nominale di
140kWth, progettata appositamente per bruciare combustibili solidi ve-
getali, `e costituita essenzialmente dal sistema di alimentazione del com-
bustibile, dalla camera di combustione e dallo scambiatore di calore.
Il sistema di alimentazione permette il trasporto del combustibile dal silo (nel quale esso viene stoccato, ed esterno al capannone in cui si trova
la caldaia) alla camera di combustione della caldaia: esso `e costituito da
un sistema di estrazione a balestra rotativa, che incanala il combustibile (in questo caso cippato) alla coclea di trasporto, per mezzo della quale il cippato arriva alla camera di combustione.
Figura 24: Sistema di alimentazione cippato in caldaia e condotti di alimentazione dell’aria comburente
La camera di combustione `e del tipo a griglia fissa: la biomassa si
deposita perci`o sulla griglia, formando un letto di combustibile.
L’aria necessaria alla combustione `e immessa, come visibile in Figura 24
attraverso due condotti, in parte al di sotto della griglia (aria primaria), ed in parte al di sopra (aria secondaria), attraverso 9 ugelli disposti lungo i bordi del braciere.
Figura 25: Sistema di alimentazione aria in caldaia
Le quantit`a di aria primaria e secondaria da immettere ad ogni istan-
te sono stabilite in base alla quantit`a di combustibile presente, in modo
tale da avere sempre un certo eccesso d’aria per garantire le condizioni necessarie ad una combustione completa.
La regolazione dell’aria avviene mediante valvole a sfera disposte lungo
i condotti d’alimentazione dell’aria(Figura 24): in questo modo `e stato
possibile variare in maniera indipendente la quantit`a di aria primaria e
secondaria immessa in caldaia (e quindi il loro rapporto), mantenendo comunque le volute condizioni d’eccesso d’aria (o di portata totale d’a- ria immessa).
Sotto la griglia si deposita la cenere, che si accumula in uno scomparti- mento ricavato sul fondo della camera di combustione, dal quale viene poi rimossa periodicamente, in maniera manuale.
La potenza termica sviluppata in caldaia, viene trasferita ad un fluido diatermico (Seriola 32i), che permette successivamente di ottenere va- pore in un apposito generatore.
Si ricorre all’uso di un fluido diatermico in quanto questo offre il van- taggio di lavorare con temperature abbastanza elevate ma a pressioni
d’esercizio contenute, evitando cos`ı che la produzione di vapore surri- scaldato avvenga per fiamma diretta, rendendo in questo modo anche
l’impianto pi`u sicuro.
L’unico svantaggio delle caldaie a fluido diatermico `e la viscosit`a piut-
tosto elevata del fluido a temperatura ambiente che pu`o costituire un
problema durante le partenze a freddo, quando si richiederebbe una maggiore potenza di pompaggio.