Combustione

Dove è l’eccesso di aria, ̂ = + − è il rapporto molare ossigeno/combustibile.

Una volta detta la composizione della biomassa da questa reazione posso calcolare l’eccesso d’aria e la misura dell’ossigeno residuo nei gas di combustione necessario per calcolare la concentrazione di inquinanti allo scarico:

se ho un eccesso d’aria elevato l’inquinante sarà diluito per cui la concentrazione è minore anche se il quantitativo è il medesimo (ho un valore di di eccesso di riferimento dato dalla normativa).

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Il processo di combustione prevede una prima perdita di massa dovuta all’essiccazione liberando un quantitativo di acqua. La seconda perdita è dovuta alla separazione della parte volatile e la terza è relativa all’ossidazione del residuo carbonioso solido (char). Questi intervalli mostrano tempi caratteristici diversi: una delle fasi di questo processo coinvolge combustibile e comburente nella stessa fase (char oxidation) e prevede tempi più lunghi e quindi porzioni più grandi di volume. Il char deve andare a contatto con il comburente e quindi bisogna avere delle condizioni termiche definite.

La camera di combustione deve essere progettata sia per garantire una combustione completa, anche di tutto il char in quanto, per le “contenute”

temperature massime, non ho limiti tecnologici e quindi non servono scambiatori di calore nella camera che viene considerata “adiabatica”, sia per non far avvenire il rammollimento delle ceneri compromettendone il funzionamento corretto. Il tutto considerando la variabilità, intrinseca ed estrinseca, della composizione della biomassa in ingresso.

All’interno della camera possono verificarsi tutti i processi di conversione termochimica:

 Quando in ingresso entra biomassa in assenza di aria ma sottoposta ad un flusso termico radiativo può avvenire il processo di pirolisi;

 Per valori sub-stechiometrici si verifica la gassificazione;

 Per valori stechiometrici o superiori si ha la combustione vera e propria della VM e del char.

L’aria primaria ha la funzione di innalzare la temperatura e dare luogo all’essiccazione mentre la secondaria mi garantisce la combustione completa: non devo avere residuo ossidabile e quindi devo controllare il sistema affinché le ceneri non siano attaccate al letto. In generale, chiamando il rapporto stechiometrico, si può definire:

Pirolisi = Gassificazione < < Combustione >

Drying Drying Drying

- Devolatilisation Devolatilisation

- Char gasification Char combustion

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Il processo di combustione può essere schematizzato in due fasi:

a) Una prima fase in cui viene immessa aria in condizioni sub-stechiometriche ( < 1) durante la quale si verifica l’essiccazione e la devolatizzazione della biomassa e quindi rimane solo char (solido);

b) Una seconda fase di aria super-stechiometrica ( > 1) con la quale avviene sia l’ossidazione omogenea del gas sia l’ossidazione del char (eterogenea).

Identifichiamo il luogo in cui avvengono le trasformazioni chimiche con la struttura di fiamma:

Tutti questi processi avvengono in serie per una singola particella di combustibile ma in parallelo per il sistema. si parla quindi di overlap tra i diversi stadi di conversione del combustibile solido (essiccazione, devolatizzazione/pirolisi e combustione). Questa “sovrapposizione” dipende da diversi fattori, quali la pezzatura del combustibile, l’andamento della temperatura, rilascio del calore, condizioni di flusso dell’aria, dei volatili e dei gas combusti e la geometria del reattore. I sotto-processi che controllano la velocità di combustione sono il mixing, determinato dalla geometria e dal flusso della fase gassosa (turboleza, interazioni particelle), scambio di calore e di massa (convezione e radiazione), pezzatura e velocità delle reazioni chimiche.

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Osservando una particella di combustibile che sta attraversando la struttura di fiamma, essa subisce un pre-riscaldamento per irraggiamento avviando l’essiccazione; a seguire (nell’interno della

“flame-zone”) la temperatura della particella aumenta per riscaldamento conduttivo avviando la pirolisi liberando la parte volatile; infine, all’uscita della post-flame zone, la particella fornirà calore per irraggiamento alle successice. Contemporaneamente, nella flame-zone la parte volatile si miscela con l’aria comburente così da ossidarsi e alzare la temperatura, si ha la separazione della componente volatile che reagisce con l’ossidante e valle della post-combustione ho le ceneri. La particella crea un campo di moto ed

“espelle” la parte volatile da cui avviene la combustione.

2.2.1. D

ESIGN DEL COMBUSTORE

L’essiccazione avviene in un range di temperatura di 100-200 °C a seconda della pressione, della porosità e della pezzatura del combus tibile, in 5 stage:

a) Scambio di calore dall’ambiente caldo della particella;

b) Processo di scambio conduttivo della particella;

c) Evaporazione e desorbimento dell’acqua;

d) Diffusione del vapore acqueo nella struttura porosa della particella;

e) Scambio di massa dell’acqua dalla particella in ambiente.

Per la combustione omogenea è molto importante il rapporto di dosatura che dipende dal range di infiammabilità del combustibile. Un valore di dosatura “magra” non fornisce sufficiente ossidante per stabilizzare in modo continuo la reazione, uno troppo “ricco” fornisce trooppo inerte da assorbire il calore necessario per la reaizone. Dal basso della griglia viene immessa l’aria primaria (PA), caratterizzata da un dosaggio sub-stechiometrico, che ha il ruolo sia di trasporto di massa (ossidante) sia energetico se viene pre-riscaldata (dalla griglia stessa). L’ossidazione verrà completata in fase omogenea aggiungendo l’aria secondaria che, inoltre, deve fornire necessario alla combustione eterogenea. Infine, può essere prevista un’ulteriore immissione di aria detta over-fire air (OFA). L’aria può essrre aggiunta (PA) in equicorrente, controcorrente o cross-corrent. Le diverse configurazioni si diversificano per la direzione del fronte di reazione e per la posizione delle diverse reazioni della combustione.

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Il design del sistema di alimentazione di aria (aria primaria e aria secondaria) gioca un ruolo molto importante per l’ottenimento di un processo di combustione efficiente e completo della biomassa. Normalmente la dosatura è in eccesso almeno del 25%. Il rapporto di suddivisione tra aria primaria e secondaria è dell’ordine di 40/60 in moderne caldaie a griglia, e di 80/20 in unità più vecchie. La distribuzione dell'aria primaria, insieme al movimento della griglia, influenza in modo significativo il mixing e l’efficienza di combustione. Il meccanismo di accensione può essere descritto come segue:

a) Dopo l’accensione, il fronte di reazione propaga verso valle in senso contrario alla direzione dell’aria primaria.

b) Il calore generato dal fronte di reazione consente di essiccare e devolatilizzare il combustibile.

c) Grazie al design controcorrente il calore è preferenzialmente confinato nella parte a monte del letto, e il fronte è piuttosto sottile.

2.2.2. S

UDDIVISIONE DEI DIVERSI REGIMI DI COMBUSTIONE IN GRIGLIA

Si ritiene che il processo di combustione della biomassa appena entrata nel combustore abbia inizio grazie al flusso termico radiativo da parte della fiamma e delle pareti del combustore. Il calore generato è trasportato in senso opposto rispetto al moto dell’aria, consentendo l’essiccazione e la devolatilizzazione del combustibile. Il fronte di reazione è sottile e si muove lentamente in senso contrario al flusso di aria.

Thunman and Leckner hanno suggerito che l’accensione possa venire mediante la griglia (conduzione del calore attraverso la grata). In questo modo si forma uno strato sottile di char sulla griglia, e il calore prodotto viene trasportato nella stessa direzione del moto dell’aria e nelle altre zone della griglia attraverso le grate-bars. Il gas caldo generato riesce ad essiccare e a devolatilizzare il combustibile in maniera molto efficiente al di sopra del char layer. Il fronte di reazione inoltre risulta notevolmente più esteso, e si muove in direzione equicorrente (co-current).

Il sistema di alimentazione dell’aria secondaria è molto importante per l’ottimizzazione del funzionamento e l’ottenimento di una efficienza elevata con ridotte emissioni. È necessario che essa abbia energia cinetica e quantità di moto tali da garantire una miscelazione efficace per la combustione in fase omogenea e per apportare ossigeno al char. Si possono in tal senso formare ricircoli locali o moti rotatori anche per ottenere aree con dosatura diversa (ricca o magra). I gas rilasciati dalla griglia (con particelle trasportate in sospensione) continuano a bruciare nel freeboard, dove viene addotta l’aria secondaria. Si può gestire l’aria secondaria in staging per la riduzione della formazione degli , riducendo la disponibilità di nella zona di fiamma, e abbattendo i picchi di temperatura.

Il processo di combustione è completato aggiungendo aria nella OFA dove la temperatura è più ridotta.

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2.2.3. M

ODELLAZIONE

È possibile descrivere e prevedere il processo di combustione attraverso due modelli di reattori e da cui è possibile schematizzare tutte le diverse fasi:

 Reattore perfettamente miscelato (Perfectly Stirred Reactor) I prodotti della reazione sono perfettamente miscelati e si ricavano ad una concentrazione che dipende da un fattore riferito alla particolare reazione,

, e d una costante di tempo necessaria a farla avvenire :

− = ∙

In condizioni stazionarie allora possiamo scrivere le equazioni di conservazione della massa, della specie e dell’energia, considerando lo stato stazionario e la temperatura uniforme:

La velocità è costante ma devo tenere in considerazione le perdite (esponenziali con ) e i tempi di reazione:

=

, − _, = − _, ∙ ∙ + → =

Da queste relazioni, ipotizzando che la velocità venga mantenuta costante (compromesso per la velocità di reazione e perdite di carico contenute) è possibile dimensionare il reattore per avere una determinata efficienza di conversione della specie :

 Reattore con flusso a pistone (Plug-Flow Reactor) La reazione si propaga lungo una dimensione spaziale :

̇ =

= ∙

( ) = _, ∙

∙ ∙

Ancora, fissando una certa efficienza di reazione, è possibile dimensionare il reattore:

= −

∙

∙ ln ( )

,

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Sfruttano questi modelli posso considerare che:

 Nel letto avviene l’ossidazione del char omogeneizzato con l’aria primaria (PSR);

 La combustione della parte volatile ad opera della PA (PFR);

 Aggiunta di aria secondaria ai prodotti della prima combustione (PFS);

 Seconda combustione (PFR).

Le variabili di progetto sono geometria (lunghezza, area di passaggio e volume totale) e velocità (pendenza e/o velocità della griglia, attrito…). Spingendo più nel dettaglio più nel dettaglio la modellazione, è possibile valutare la fisica della combustione di solidi attraverso il flusso bifase (tra solido e gas). In una quantità di volume avremo un volume occupato dal gas e uno da n solido. Si introduce quindi il concetto di porosità , che permette di considerare le due fasi come due continui distinti e per ciascuno dei quali valgono le equazioni di bilancio:

= +

Valgono le seguenti ipotesi:

 Combustione in equicorrente;

 Schematizzazione 1D;

 Stato stazionario (in un sistema mobile di coordinate);

 Lo scambio di calore è prevalentemente convettivo (conduzione e radiazione trascurate);

 Il sistema di riferimento si muove con il fronte di reazione (si sottrae la velocità del fronte e il solido appare muoversi con velocità negativa).

Le tre equazioni rappresentano rispettivamente la fase solida che non si conserva ma si trasforma in gas (1), la fase gassosa che oltre ad aumentare per la trasformazione del solido (2), può anche reagire chimicamente (3):

⎩

⎪

⎨

⎪

⎧(1) (1 − ) = − (2) =

(3) = +

Per lo scambio termico si ha convezione e passaggio di stato → per il solido, mentre il gas si ha la stessa convezione e contributo legato alle reazioni chimiche:

(1 − ) = − − + Δ

= − − ℎ

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2.2.4. C

OMBUSTIONE DEL CHAR

L’ossidazione del char è una reazione chimica eterogenea e quindi limitata dalla temperatura e dalla diffusione.

Tuttavia, una volta raggiunte le condizioni stazionarie, l’ossidazione del char è sostanzialmente controllata dalla diffusione, e quindi indipendente dalla reattività chimica del materiale. La temperatura nella parte sottostante del letto è quasi indipendente dal flusso di aria primaria: infatti se da un lato una maggiore portata di aria potrebbe aumentare la velocità di reazione chimica, dall’altro senz’altro aumenta la quantità di calore rimossa per convezione. Fissati tutti i parametri, la velocità di reazione dipende dalla temperatura e dal tipo di regime. Infatti, durante una combustione eterogenea avvengono

tre processi in serie:

i. Trasporto di massa di ossidante verso il char;

ii. Ossidazione chimica del char;

iii. Trasporto dei prodotti di reazione.

Essendo dei processi in serie, allora la velocità di reazione è stabilita dal processo più lento. Infatti, la velocità di reazione del char può essere espressa in funzione dei due fattori che descrivono i due fenomeni diversi che si

verificano: la costante di velocità chimica relativa alla reazione chimica, e la diffusività , relativa al trasporto di massa. Per cui la velocità di combustione è espressa tramite la formula:

=1

+ 1 kg m

= ∙

= ∙ ℎ ℎ = Numero di Sherwood Lo scambio di massa dipende dalle condizioni fluidodinamiche, la

chimica dalla temperatura. Allora a bassa temperatura è la reazione chimica che governa la velocità di combustione, indipendentemente dalla quantità di ossidante che trasporto. Analogamente, ad elevate temperature la chimica è molto rapida ma devo garantire una quantità di ossidante sufficiente. Si parla quindi di due regimi: uno in cui si ha un controllo della temperatura e uno di controllo della diffusione.

Questo fondamentale aspetto si può osservare anche dal profilo di concentrazione di che si ha all’interno di una particella rappresentativa di char. Nel caso di temperature base (temperature control) la concentrazione di si mantiene costante, indipendentemente dal trasporto di massa imposto in quanto la velocità di reazione chimica è bassa. Nel caso di elevata temperatura (diffusion control) la reazione chimica è così rapida che avviene in modo istantaneo; allora la concentrazione sulla superficie sarà nulla ( = 0) e devo garantire un continuo apporto di ossidante per continuare la reazione. Non appena l’ossidante raggiunge la superficie reagisce immediatamente.

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La modellazione del combustore può essere condotta anche in modo più spinto (CFD) per poter valutare le distribuzioni dei parametri termofluidodinamici in tutto il dominio. Infatti, per esempio, conoscendo la cistribuzione dell’ e della temperatura posso conoscere dove può avvenire con maggior probabilità la formazione degli NOx (principalmente fuel NOx) e far in modo che vi sia un agente riducente. Per quanto riguarda le emissioni di inquinanti sono presenti: tutti i derivati da combustione incomplata quali CO, idrocarburi incombusti, catrame, IPA e char incombusto; la presenza di CL, S e metalli pesanti nel combustibile può produrre HCl, SOx e altri; fuel NOx. In particolare, la biomassa ricca di Cl come la paglia è causa di deposizione e corrosione compromettono il corretto scambio termico delle superfici del combustore; è necessario, dunque, prevedere un sistema di pulizia.

Nel documento SISTEMI E COMPONENTI PER LA CONVERSIONE DELL ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI (pagine 14-22)