Reazioni della fase gassosa e reazioni di ossidazione del carbonio Con la

frammentazione dei prodotti della pirolisi si da inizio alla catena di reazioni di questa fase. Attraverso innumerevoli reazioni di propagazione, il carbonio è fissato e rimosso come monossido di carbonio, bruciando con ossigeno per formare CO2.

Una conoscenza approfondita dei processi di combustione è importante, perchè a partire da questa, è possibile manipolare il processo per indirizzarlo nelle direzioni volute, massimizzare l’efficienza termodinamica, diminuire la produzione di inquinanti, ridurre l’usura ed i guasti ed aumentare l’affidabilità degli impianti (Vogel, 2003).

A) La Combustione diretta

Il più antico metodo di conversione è rappresentato dalla combustione diretta, nel corso della quale il combustibile è bruciato in presenza di un eccesso di aria che ne assicuri un’ossidazione completa. Diffusamente la combustione diretta è praticata con le tradizionali installazioni (fornelli, focolari in materiale refrattario, caminetti, stufe ecc…) per bruciare legna da ardere, la cui efficienza di combustione difficilmente raggiunge il 30% e per i quali non ci sono particolari problemi di tipo tecnico economico. Vi sono invece oggi sistemi che si differenziano da quelli tradizionali per la presenza di una camera di combustione e un sistema di convezione. Nella camera di combustione avviene la prima

fase della combustione ed il calore prodotto viene trasferito dalla fiamma alla sezione contenente il fluido utilizzatore; qui avviene la seconda fase della combustione e il calore dei gas caldi è trasferito per convezione al fluido contenuto nei tubi di scambio. In questo modo il calore assorbito può essere trasmesso in luoghi diversi da quello di produzione. Tali impianti sono in grado di raggiungere rendimenti termodinamici elevati, a volte superiori all’80%, in ragione di innovazioni tecnologiche introdotte negli ultimi anni e rese possibili da più approfondite conoscenze della dinamica della combustione.

Gli impianti possono essere di piccole dimensioni (al di sotto di 100.000Kcal/h), destinati alle utenze domestiche e private. In questa categoria d’impianti, il combustibile legnoso utilizzato è generalmente di provenienza aziendale, di grossa pezzatura (tronchi , ramaglie provenienti dal bosco o da residui di lavorazione di coltivazioni agricole); sono caratterizzati dalla mancanza di sistemi di automazione delle operazioni e da rendimenti più bassi rispetto a quelli di potenza superiore. L’energia prodotta è prevalentemente usata per il riscaldamento di ambienti residenziali o di lavoro e per la produzione di acqua calda sanitaria.

Gli impianti di medie e grandi dimensioni (al di sopra di 100.000 Kcal/h e fino a qualche milione di Kcal/h) per usi collettivi ed industriali. Si tratta di dispositivi dotati di accorgimenti tecnologici maggiori rispetto ai piccoli, automatismi delle operazioni, maggiore sicurezza migliore qualità dei combustione e rendimenti termodinamici più elevati. Le utenze sono rappresentate molto spesso da industrie di lavorazione del legno e del settore agroalimentare che dispongono di grosse quantità di scarti di lavorazione o da industrie di altri settori che possono acquistare il combustibile a costi contenuti. Attualmente si stanno comunque diffondendo usi di queste caldaie nell’ambito civile e residenziale. Questi impianti utilizzano polvere di legno, segatura, trucioli, chips, cortecce, refili di legno, vinaccia essiccata, sansa di olive, gusci di nocciole, lolla di riso, lignite, carbone, scarti di imballaggi o qualsiasi altro materiale lignocellulosico di umidità contenuta. L’energia prodotta è utilizzata per la produzione di acqua calda, aria calda o anche elettricità.

B) La combustione a griglia

E’ il sistema di combustione più diffuso, adatto sia negli impianti piccoli che in quelli di alta potenza. L’elemento principale è costituito dalla griglia, posta sul fondo della camera di combustione; la sua funzione è quella di separare la camera di combustione con il combustibile dal cinerario in cui si raccoglie la cenere. Essa è costituita da barre in acciaio

o ghisa, piene di aria o acqua. La griglia può essere inclinata ed in combinazione con una piana, fino al 60%. In questo caso il combustibile entra dalla sommità e subisce una essiccazione man mano che si avvicina agli strati più bassi dove interviene la combustione. Nel complesso gli impianti che utilizzano questi sistemi di combustione si caratterizzano per la possibilità di utilizzare combustibili con elevata umidità e disomogenei.

C) La combustione a letto fluido

Per gli impianti di grossa taglia, può essere usato questo tipo di combustione che consiste in un flusso di gas e sabbia calda che investe i chips di legno che subiscono rapidamente il processo di ossidazione. Un flusso d’aria dal basso verso l’alto mantiene in costante movimento un letto di sabbia, la cui funzione è quella di mantenere una temperatura uniforme all’interno dell’impianto. Inoltre, quando il combustibile subisce la pirolisi, la sabbia esercita un azione di mescolio continuo e di abrasione sulle particelle legnose (di diametro inferiore a 10 mm), col risultato che le superfici esterne combuste vengono continuamente rimosse ed il materiale incombusto viene esposto ad ossidazione (Hos et al, 1980).

Tale sistema ha il vantaggio di una gassificazione più efficace, maggiore flessibilità sul tipo di combustibile e, data l’elevata temperatura dei gas in uscita, risulta bassa la quantità di composti condensabili e corrosivi. Si tratta di una tecnica di combustione in grado di usare combustibili umidi, secchi, ricchi di ceneri e di composti inorganici inquinanti. Le alte temperature che si raggiungono (900 – 1000°C) riducono le ceneri allo stato polverulento e limitano gli ossidi di azoto a valori inconsistenti (Hakkila, 1989).

1.9.2 Pirolisi

La differenza tra i processi di combustione è abbastanza sottile: essi sono estremamente veriabili e flessibili, in relazione alla dimensione di alcuni parametri quali temperatura, tempo di permanenza della biomassa a una determinata temperatura, rapporto ossigeno – biomassa, presenza di alcuni catalizzatori ecc…La selezione dei parametri citati permette di stabilire le condizioni di trattamento del materiale e, conseguentemente dei prodotti finali (Soltes e Milne, 1988). Con il termine “pirolisi” si intende un processo di trasformazione termochimica che consiste in una degradazione a carico dei polimeri organici, e delle sostanze minerali del legno, sotto l’azione del calore ed in assenza di ossigeno, in cui l’olio pirolitico (bio-olio), liquido, è il prodotto principale rispetto al

carbone ed al gas che si formano nel corso dello stesso processo (http:/www.iea.rg/publs/proc/files/bioend/52p6tro.pdf). Il bio olio è un liquido scuro, viscoso e può essere usato in sostituzione dei combustibili convenzionali in diversi tipi di applicazioni (caldaie, motori, turbine ecc…), ha un potere calorifico pari a circa il 40% di quello del gasolio se riferito a peso.

1.9.3 Gassificazione

La gassificazione è un processo termochimico di conversione di combustibili solidi (legna) in combustibili gassosi. Alcune peculiari proprietà chimico-fisiche delle biomasse lignocellulosiche, quali l’elevata volatilità, la spiccata reattività del carbonio, il basso contenuto di ceneri e di zolfo, le rendono particolarmente adatte al processo di gassificazione (Hakkila, 1989). Inoltre la gassificazione del legno, rispetto ad altri materiali, ha il vantaggio di poter essere condotta a temperature più basse, in minor tempo, con minori problemi di emissioni e corrosione delle pareti dell’impianto. La gassificazione è una forma di combustione che consiste in una prima fase di essiccazione del combustibile solido, a cui segue una parziale ossidazione, con formazione di prodotti pirolegnosi e residui carboniosi; successivamente ha luogo una rottura dei pirolegnosi e una complessa serie di reazioni , i prodotti risultanti dalla combustione di una parte dei pirolegnosi, l’ossigeno e i vapori d’acqua introdotti nel gasogeno (Robert, 1984). La composizione del gas prodotto varia in funzione del tipo di biomassa utilizzato, della temperatura e delle altre condizioni di processo.

1.9.4 Liquefazione

La liquefazione è un processo di conversione di combustibili solidi in combustibili liquidi. Diversi sono i processi di liquefazione fin qui sviluppati, distinti in base alle caratteristiche chimiche e fisiche dei differenti materiali; in particolare per le biomasse agricole, umide e ricche di zuccheri e amidi, vengono impiegati processi bio-chimici o bio-tecnologici; per le biomasse lignocellulosiche, invece, sono generalmente utilizzati procedimenti termo- chimici.

1.9.5 I processi biochimici

La produzione di combustibili liquidi quali l’etanolo e il metanolo a partire da materiali lignocellulosici è possibile grazie a processi fermentativi tradizionali e al determinante supporto delle biotecnologie (McCloy e O’Conner,1998). Le prospettive di fermentazione per la produzione di alcool a partire da materiali cellulosici o lignocellulosici consentono di ottenere prodotti che possono essere usati in alternativa ai combustibili fossili tradizionali o integrativi della benzina, ma anche come composti di partenza per la produzione di butilene ed etilene. La conversione della cellulosa in molecole ricche di energia , come l’etanolo, si può ottenere dalla idrolisi (acida ed enzimatica) della cellulosa in zuccheri, seguita dalla loro fermentazione in etanolo (Kintisch,2001).

1.10 La cogenerazione

Per cogenerazione si intende la possibilità di usare biomasse per la generazione combinata di elettricità e calore. Il processo di cogenerazione si propone di realizzare un più razionale uso dell’energia primaria rispetto ai sistemi separati di generazione. Un impianto finalizzato alla produzione di energia elettrica ha una efficienza di conversione energetica che può variare dal 20 % per gli impianti a vapore con basse prestazioni, al 60 % per i cicli combinati gas-vapore più recenti. Dal 40 all’80% dell’energia primaria utilizzata viene ceduta sotto forma di calore all’ambiente. In un impianto di cogenerazione, invece il calore prodotto dalla combustione non viene disperso, ma recuperato per gli altri usi. Grazie a questo sistema, l’efficienza di conversione energetica può raggiungere anche il 90%, con conseguente risparmio di energia primaria, diminuzione delle emissioni inquinanti e dei costi di produzione dell’energia (Desideri, 2003).

CAPITOLO 2 - PIANTAGIONI A BREVE ROTAZIONE (SRF) PER LA