Combustione in letto fluido

I due tipi di combustori attualmente in uso nell’ambito della produzione energetica per capacità superiori ai 500 kW sono quello a griglia mobile (o vibrante) che, come già è stato detto, è ormai superato, e quello a letto fluido, adottato ormai per quasi tutti i tipi di combustibili. La combustione su griglia vibrante (Figura 3.5) ha il suo unico punto di forza nel minore costo di investimento. In questi combustori le biomasse vengono alimentate in continuo su una griglia, dove ha luogo la combustione primaria, in eccesso d'aria e a temperature usualmente comprese tra 850 e 950 °C. Al termine della griglia vengono scaricate le scorie.

Le tecnologie di combustione a letto fluido dei combustibili solidi si sono fortemente sviluppate negli ultimi anni e sono attualmente molto competitive.

Come è noto, per letto fluido, si intende un letto di particelle sostenuto da un flusso verticale di un gas che può essere aria, prodotti della combustione o qualsiasi altra corrente gassosa. Un combustore di questo tipo è costituito da una camera di combustione sul cui fondo è sistemata una piastra forata dotata di speciali ugelli per l’ingresso del gas; sopra la piastra è posto uno strato di materiale inerte (solitamente sabbia). La fluidizzazione del letto avviene con l’immissione dell’aria attraverso gli ugelli.

In un sistema a letto fluido il primo parametro avente importanza critica è la velocità del gas normalmente quantificata in termini di portata per unità di superficie. Il sistema a letto fluido introduce il concetto di turbolenza fra solidi nei processi di combustione; la turbolenza ha una influenza molto elevata nello scambio di massa e di calore e nei meccanismi di combustione ad essa associati.

Le tecnologie su letto fluido forniscono altresì il metodo di rendere la temperatura di combustione una variabile indipendente piuttosto che una conseguenza della stechiometria e della temperatura dell’aria di combustione. Infine, il letto fluido consente il controllo acido sul reattore primario attraverso l’introduzione di materiali assorbenti nella camera di combustione.

Rispetto alle tecnologie convenzionali i sistemi a letto fluido presentano una serie di vantaggi che possono essere così sintetizzati:

• semplificazione del sistema di preparazione del combustibile specialmente per quanto riguarda i combustibili polverizzati;

• riduzione dei tempi di permanenza di molti combustibili all’interno del reattore dovuta alla turbolenza solida che modifica i meccanismi di combustione e minimizza le caratteristiche isolanti dello strato superficiale carbonioso delle particelle solide;

• introduzione del concetto di temperatura di combustione come parametro indipendente e controllabile che permette la combustione dei materiali con alti valori di potere calorifico senza generare quantitativi apprezzabili di NO_x ;

• possibilità del controllo dell’emissione degli NOx mediante iniezione di NH₃ piuttosto che l’impiego di camere di post combustione;

• necessità di eventuali sistemi di post combustione più semplici in relazione alla capacità di captazione da parte dei materiali del letto fluido attraverso le relazioni di assorbimento dello zolfo e del cloro nel meccanismo di controllo acido;

• applicabilità di sistemi quali la tecnologia PFBC (pressurized fluidized bed combustion) a sistemi di produzione di energia quali il ciclo Brayton.

Lo svantaggio principale consiste nella scarsa flessibilità operativa verso i bassi carichi;

questo svantaggio è legato all’impostazione normativa di mantenere una temperatura minima in camera di combustione: in questi casi si deve ricorrere al preriscaldamento dell’aria di fluidizzazione e/o all’impiego di combustibile ausiliario.

La tecnologia del letto fluido è oggi di gran lunga la più impiegata ove si consideri la sua grande flessibilità in ordine al combustibile usato. Anche dal punto di vista della potenzialità non esistono limitazioni; si hanno infatti installazioni che vanno da potenzialità di 1046,5 MJ/h a 167440 MJ/h. Usate in sistemi di produzione di energia possono alimentare generatori in grado di produrre vapore fino a 160 bar e 550 °C. I rendimenti di combustione e di conversione in caldaia per sistemi a letto fluido applicati ad impianti di produzione di energia sono comparabili a quelli dei sistemi a combustione pressurizzata e superano quelli dei sistemi ad alimentatore continuo.

All’interno del sistema di combustione a letto fluido si distinguono diverse tecnologie caratterizzate da differenti velocità superficiali, come mostrato in Tabella 3.12:

Tipologia Velocità superficiale tipica (m/s)

Letto bollente atmosferico 0.90 ÷ 2.75 Letto fluido ricircolato 4.60 ÷ 9.20 Letto fluido pressurizzato 0.8 ÷ 3.15

Tabella 3.12 – Velocità superficiali tipiche per combustori a letto fluido (Fonte: Enea)

Il sistema a letto bollente atmosferico tende a mantenere virtualmente tutto il materiale solido in letto fluido a fase densa e di conseguenza la velocità dell’aria deve essere in grado di fornire una pressione dinamica atta a mantenere il materiale in sospensione.

L’aria primaria viene iniettata al di sotto del letto fluido; l’aria secondaria può essere iniettata a diversi livelli sopra l’interfaccia fra il letto fluido e il lato libero, mantenendo la combustione nel reattore e assicurando la combustione completa della parte volatile e delle particelle solide trascinate.

Il combustibile può essere iniettato (in funzione della tipologia del combustibile stesso e della potenzialità del combustore) da una serie di distributori all’interno del letto fluido e attraverso alimentatori dall’alto. Allo stesso modo l’alimentazione della calce può essere effettuata sia nel letto fluido che mediante spandimento dall’alto.

Il ricircolo delle parti carboniose e delle ceneri avviene direttamente nel letto fluido.

Le portate di alimentazione di combustibile, ceneri e parti carboniose ricircolate e calce possono essere controllate in maniera indipendente per mantenere i rapporti stechiometrici desiderati. La calce viene introdotta sulla base del rapporto molare Ca/S o del rapporto molare Ca/S + Cl.

parete deflettrice

materiali non combustibili fluido in pressione

fumi biomasse

Figura 3.17 – Combustore a letto fluido