PROPRIETÀ e CARATTERISTICHE del COMBUSTIONE del LEGNO

Le caratteristiche e la qualità del legno utilizzato come combustibile dipendono dal tipo di legno e dal

pretrattamento, tra cui: composizione chimica, potere calorifico, umidità, densità, durezza, materiale

volatile, carbonio solido, contenuto e composizione delle ceneri, comportamento alla fusione delle ceneri,

impurità, polveri e spore di funghi.

Composizione del legno

I principali componenti delle molecole del legno sono la cellulosa, l’emicellulosa e la lignina, che

compongono il 99% del peso. Cellulosa ed emicellulosa sono formate da lunghe catene di carboidrati, simili

al glucosio, mentre la lignina è costituita da fenoli polimerici. La lignina ha una stretta relazione con

l’emicellulosa, si comporta come una colla fissante le catene di cellulosa e fornisce resistenza meccanica

alla pianta. La lignina è ricca di carbone e idrogeno, che sono i principali elementi che forniscono calore. Il

legno e la corteccia contengono anche grassi e fenoli, solubili in solventi organici (acetone ed etanolo) e in

acqua calda.

Il 50% del peso degli alberi appena tagliati è costituito dall’acqua, il restante è legno secco, di cui l’85% è

materiale volatile, il 14.5% è carbonio solido e il 0.5% cenere. Quando il legno è combusto sono rilasciati

vapore d’acqua, anidride carbonica, ossidi nitrosi, ossidi solfuri e cenere.

La cellulosa (C6H10O5) è un polisaccaride, costituito da una catena di molecole di glucosio non ramificata (40-

45% del peso secco). L’emicellulosa è un polisaccaride strettamente associato alla cellulosa, insieme alla

quale costituiscono le fibre del legno (20-35% del peso secco). La lignina (C40H44O6) è un polimero non

zuccherino e costituisce il 15-30% del peso secco. Il contenuto di azoto è in media dello 0.75% e varia in

base al tipo di legno: la corteccia contiene più azoto del materiale legnoso.

Il legno, rispetto agli altri combustibili, ha un basso contenuto di carbonio (50% del peso secco) e un alto

contenuto di ossigeno (40%), ciò comporta un basso potere calorifico per unità di peso secco. Il legno secco

e la corteccia hanno un basso contenuto di ceneri: un metro cubo di combustibile legnoso produce in

media solo 3-5 kg di ceneri pulite.

I combusti dei combustibili solidi si dividono in due gruppi: materiale volatile e carbonio solido. Il legno ha

un’elevata quota di materiale volatile e una bassa quota di carbonio solido. L’80% dell’energia del legno è

data dalla combustione di materiale volatile o gas, il restante 20% deriva dalla combustione di carbonio

solido. Infatti il legno brucia con fiamme lunghe e necessita di grandi spazi per la combustone (come la

torba).

Proximate and Ultimate analysis

La proximate analysis determina il contenuto di umidità, di materiale volatile, di ceneri e di carbonio fisso.

- Ceneri: il contenuto è espresso in peso% su base secca e materiale ricevuto (ar).

Ash content (wt% dry) = ash content (wt% ar) * 100 / [100 - moisture content (wt%)]

- Contenuto di umidità: è misurato in peso % su base umida (ar). Varia in base al tempo che intercorre tra il

taglio e l’analisi.

- Carbonio fisso e volatile: l’ammontare del volatile è espresso in peso% su base secca, su materiale ricevuto

e su peso secco più ceneri (daf).

Dry fixed C = 100 - ash (dry) - volatiles (dry)

Daf fixed C = 100 - volatiles (daf)

Ar fixed C = 100 - ash (ar) - water content - volatiles (ar)

La ultimate analysis fornisce la composizione elementare di un combustibile.

Dry C + H + O + N + S +Cl +F + Br + ash = 100

Daf C + H + O + N + S +Cl +F + Br = 100

Ar C + H + O + N + S +Cl +F + Br + water + ash = 100

Il contenuto di ossigeno non è misurato ma ottenuto come differenza tra 100 e gli altri elementi.

Confrontando la biomassa legnosa con gli altri combustibili solidi, questa contiene più idrogeno e più

ossigeno.

Contenuto di umidità e potere calorifico

Il contenuto di umidità del legno varia tra il 20 e il 65 % ed è influenzato dalle condizioni climatiche, dalla

specie di albero, dalla stagione e dalla fase di stoccaggio.

Il potere calorifico è espresso sia come potere calorifico lordo (GCV) o come potere calorifico netto (NCV).

Entrambi sono espressi per unità di combustibile secco (Normal- kg o m3) oppure per unità di combustibile

inclusa l’umidità, la quale contraddistingue il GCV dal NCV. Il GCV è calcolato con l’ipotesi che l’umidità

venga condensata e l’NCV è calcolato con l’ipotesi che l’umidità venga saturata completamente in vapore

(MJ/kg). Il GCV si riferisce al potere calorifico superiore (HHV) mentre l’NCV al potere calorifico inferiore

(LHV).

Wood (dry) 18.5- 21 MJ/kg

Peat (dry) 20- 21 MJ/kg

Carbon 23.3- 24.9 MJ/kg

Oil 40- 42.3 MJ/kg

GCV= 0.3941 XC + 1.1783 XH + 0.1005 XS - 0.0151 XN - 0.1034 XO - 0.0211 XASH [MJ/kg su base secca]

Xi = [peso%]

L’effetto dell’umidità sul potere calorifico è rappresentato in figura. NCV (in rosso) e GCV (in blu) del legno

privo di corteccia sono funzione del contenuto di umidità in % del peso totale.

Teoria della combustione del legno

Le emissioni causate da una combustione incompleta sono principalmente causate da:

- Inadeguato mix di combustibile e comburente in camera di combustione

- Perdite di ossigeno

- Temperature di combustione basse

- Brevi tempi di residenza

- Basse concentrazioni di radicali (stadio finale della combustione)

Fasi della combustione

- ESSICAZIONE: l’umidità evapora a basse temperature (50-100°C). La vaporizzazione utilizza l’energia

rilasciata dal processo di combustione, abbassa la temperatura in camera di combustione e rallenta il

processo di combustione. Il legno umido richiede più energia per evaporare il suo contenuto di umidità e

per scaldare il vapore acqueo, quindi le temperature diminuiscono anche al di sotto del minimo richiesto

per sostenere la combustione.

- PIROLISI: può essere definita come una degradazione termica (devolatilizzazione) in assenza di un agente

ossidante esterno. I prodotti della pirolisi sono catrame, carbonella e gas con basso peso molecolare.

- DEVOLATILIZZAZIONE: del legno comincia a 200 °C e la velocità di devolatilizzazione aumenta con la

temperatura. I primi componenti del legno ad essere degradati sono le emicellulose e successivamente la

cellulosa. A 400°C la maggior parte delle sostanze volatili sono liberate e il processo evaporativo decresce

rapidamente. Tuttavia una certa perdita di peso del legno si ha ancora tra i 400-500 °C dovuta alla

degradazione della lignina, la quale si decompone durante tutto il processo di evaporazione, ma la

maggior parte della sua degradazione avviene alle più alte temperature.

- GASSIFICAZIONE: può essere definita come una degradazione termica (devolatilizzazione) in presenza di

un agente ossidante esterno. La temperatura è compresa tra 800-1100 °C ei gas contengono

principalmente CO, CO2, H2O, H2, CH4.

- COMBUSTIONE: può essere definita come una completa ossidazione del combustibile. I gas caldi

provenienti dalla combustione possono essere usati a scopo di riscaldamento diretto in piccole unità di

combustione per l’acqua e in unità più grandi per produrre elettricità.

Variabili di combustione di biomassa

- Meccanismi di trasferimento del calore

Per raggiungere bassi livelli di emissioni provenienti da una combustione incompleta è necessario

minimizzare le perdite della camera di combustione: questo può essere ottenuto variando la tipologia di

trasferimento del calore.

- Storage di calore

Una parte significativa del calore è accumulata nelle pareti della camera di combustione nella fase di start

up: questo comporta combustioni incomplete e un alto livello di emissioni.

- Isolamento

Migliorando l’isolamento termico della camera di combustione possono essere raggiunte temperature più

alte. L’isolamento può essere migliorato aumentando lo spessore del materiale o usando isolanti migliori.

- Preriscaldamento dell’aria

L’aria entrante in camera di combustione può esser riscaldata sfruttando il calore dei fumi in uscita dalla

camera di combustione.

- Eccesso d’aria

Per la combustione della biomassa è necessario avere un rapporto aria combustibile > di 1, per assicurare

un sufficiente mix di aria entrante e gas combustibile. La temperatura di combustione è inferiore rispetto

al caso in cui si abbia aria stechiometrica, a causa della presenza di azoto inerte nell’aria.

- Composizione del combustibile

È importante per quanto riguarda il GCV e le emissioni. La densità varia in modo significativo in base al

tipo di biomassa (hardwood e softwood): la porosità del combustibile influenza la perdita di massa per

unità di tempo (Reactivity) del combustibile e il comportamento di devolatilizzazione; le dimensioni delle

particelle di combustibile variano il tempo di residenza in camera di combustione; infine l’omogeneità del

combustibile consente di controllare meglio il processo.

- Contenuto di umidità

- Temperatura di combustione

Il contenuto di umidità e la composizione del combustibile variano continuamente in funzione del

consumo di combustibile. Questo influenza la temperatura adiabatica di combustione, che aumenta in

funzione al grado di consumo ad eccesso di aria costante. Tuttavia, essendo la carbonella meno reattiva

rispetto alla frazione volatile della biomassa, la velocità di consumo del combustibile e l’ossigeno richiesto

sono inferiori. Il tempo di residenza richiesto per una combustione completa è influenzato dalla

temperatura di combustione e in parte dal miscelamento.

- Scambio di calore

È necessario un opportuno scambio di calore per raggiungere un alta efficienza termica, utilizzando il

calore dei fumi in uscita.

- Air staging

Applicando una combustione a stadi di aria si ottiene una riduzione degli incombusti e degli NOx,

attraverso una separazione del processo di devolatilizzazione e combustione in fase gas. Questo migliora il

mix tra gas combustibile e aria secondaria di combustione, che riduce l’ammontare di aria necessaria,

fornendo un minore eccesso di aria e temperature di combustione più alte. La distribuzione di aria

primaria e secondaria in camera di combustione e nella zona di fiamma influenza la qualità del mix tra aria

e combustibile, il tempo di residenza e la temperatura richiesta per una completa combustione.

- Alimentazione del combustibile

Ogni combustione all’interno di un reattore trae beneficio da un processo di combustione continuo, nel

quale l’effetto negativo della fase di strat up è ridotto. La distribuzione del combustibile in camera di

combustione, può ridurre od aumentare la superficie attiva, influenzando il processo di combustione,

riducendo o aumentando la reattività.

CONCETTI di COMBUSTIONE di BIOMASSA a LIVELLO INDUSTRIALE

Le tecnologie di combustione possono essere distinte in:

1) Combustione a letto fisso

Le fornaci a griglia sono appropriate per combustibili a biomassa con un elevato contenuto di umidità, in

diverse pezzature e con alto contenuto di ceneri. Possono essere utilizzati mix di diversi tipi di legno, ma

non sono consentiti mix di paglia, cereali ed erba, a causa del loro diverso comportamento di

combustione, basso contenuto di umidità e basso melting point delle ceneri.

Mantenere controllate le griglie garantisce una omogenea distribuzione del combustibile e la presenza di

un letto di carbonella sopra l’intera superficie della griglia.

Una rifornimento di aria disomogeneo può causare slagging, aumentare l’ammontare delle ceneri in aria

e la richiesta di ossigeno per la combustione completa. Il trasporto del combustibile sulla griglia deve

essere omogeneo per evitare la formazione di buchi e l’elutriazione delle ceneri e delle particelle

incombuste. A tale scopo sono necessarie grate in continuo movimento, un sistema di controllo

dell’altezza del letto di carbonella e un frequente controllo dei ventilatori di aria primaria per le varie

sezioni della griglia. La richiesta di aria primaria deve essere suddivisa in sezioni per adeguare

l’ammontare di aria necessaria alle zone di essicazione, gassificazione e combustione di carbonella.

Un altro importante aspetto dei forni a griglia riguarda il fatto che per ottenere una combustione a stadi è

necessario separare camera di combustione primaria e secondaria per evitare back mixing dell’aria

secondaria e per separare la zona di gassificazione da quella di ossidazione. Il mix di aria e fumi nella

camera di combustione primaria non è ottimale perché è necessaria una bassa turbolenza per mantenere

un letto di carbonella calmo sulla griglia, la geometria della camera di combustione secondaria e

l’iniezione di aria secondaria devono garantire un mix il più completo possibile. Minore è l’eccesso di

ossigeno richiesto per una combustione completa maggiore è l’efficienza.

Il mix può essere migliorato con piccoli canali, in cui i fumi raggiungono elevate velocità e nei quali l’aria

secondaria è iniettata ad alta velocità in ugelli distribuiti sulla sezione trasversale dei canali.

Basandosi sulla direzioni dei flussi di combustibile e dei fumi, ci sono vari sistemi per impianti di

combustione a griglia:

Combustione contro-corrente

È adatto per combustibili con basso potere calorifico (corteccia umida, trucioli di legno, segatura). I fumi

caldi passano attraverso la biomassa fresca e umida entrante nel forno: l’essicazione e il trasporto di

vapore acqueo dal letto è aumentato dalla convezione. Questo sistema richiede un buon mix di fumi e

aria secondaria in camera di combustione per evitare la formazione di strains arricchiti di gas incombusti

entranti in caldaia ed aumento delle emissioni.

Combustione equi-corrente

È applicata in presenza di combustibili essiccati come legno di scarto o paglia o di sistemi con pre-

riscaldamento di aria primaria. Questo sistema aumenta il tempo di residenza di gas incombusti rilasciati

dal letto di combustibile e consente di ottenere una riduzione degli NOx.

Combustione cross-flow

È una combinazione di unità di combustione equi corrente e controcorrente ed è applicata a impianti di

combustione con camere di combustione secondaria verticali. Per raggiungere temperature adeguate

sono utilizzate la ricircolazione dei fumi e camere di combustione raffreddate ad acqua. Il raffreddamento

ad acqua ha il vantaggio di ridurre il volume dei fumi, impedendo la sinterizzazione delle ceneri sulle

pareti del forno, aumentando la vita utile dei mattoni di isolamento. Combustibili a biomassa umida

necessitano di camere di combustione con mattoni di isolamento che operino come accumulatori di

calore, contengano l’umidità e le fluttuazioni della temperatura di combustione per assicurare un buon

surriscaldamento dei fumi.

La ricircolazione dei fumi può migliorare il mix tra aria e gas combustibili e può regolare più

accuratamente che le superfici ad acqua fredda. Questo ha lo svantaggio di incrementare il volume dei

fumi nel forno e in caldaia. La ricircolazione dei fumi deve essere fatta dopo la precipitazione delle ceneri

volatili per evitare il deposito di polveri nei canali di ricircolazione. La ricircolazione non deve essere

operata in modalità stop & go per evitare la condensazione e la corrosione nei canali o sulle pale dei

ventilatori.

Forno a doppia camera

La combustione primaria e secondaria avvengono in due moduli separati. La doppia camera è utilizzata

quando il combustibile è truciolo di legno umido. I forni a doppia camera hanno una coclea per

l’alimentazione con protezione dal ritorno di fiamma, una camera isolata con griglia (equi corrente) e una

caldaia separata. La combustione o gassificazione parziale prende luogo all’interno di un preforno dove

l’aria primaria è alimentata da un ventilatore. Usando aria secondaria preriscaldata, i gas combustibili e i

fumi passano attraverso una flangia a valle della caldaia. L’ossidazione avviene nella caldaia prima che i

gas caldi siano portati nello scambiatore di calore. La zona di pirolisi e quella di gassificazione sono

separate dalla zona di ossidazione.

I preforni possono essere connessi ad una caldaia esistente, nel caso si voglia convertire un impianto a

combustibile fossile e il preforno è installato di fronte o sotto la caldaia esistente. È un impianto che

occupa più spazio rispetto ad altri ed ha più emissioni di NOx.

Sistemi a travelling grate

Sono dotate di un sistema apposito di avanzamento della griglia verso la camera di combustione. Il

combustibile è alimentato da un’estremità della camera di combustione o è distribuito sulla griglia da un

spreader- stokers che inietta il combustibile nella camera di combustione. Il letto di combustibile non si

muove, ma è trasportato attraverso la camera di combustione dalle griglie, contrariamente alle moving

grate dove il letto si muove sopra la griglia. Alla fine della camera di combustione la griglia è pulita dalle

ceneri e il nastro si ribalta. Sulla via del ritorno, le griglie sono raffreddate dall’aria primaria per evitare

surriscaldamento. La velocità delle travelling grate è modificabile per esaurire la carbonella.

Il vantaggio di questo tipo di griglie è una combustione uniforme per trucioli di legno e pellet e una bassa

emissione di polveri. Questo sistema necessita di una maggiore quantità di aria primaria in ingresso per

una combustione completa, implicando una riduzione della capacità di abbattimento di NOx attraverso le

misure primarie. Combustibili a biomassa non omogenea comportano una distribuzione irregolare sulla

griglia perché non si verifica il miscelamento, ma questo può essere evitato utilizzando spreader-stokers

che facilitano il mix.

Sistemi a griglia fissa

Sono utilizzati in applicazioni di piccola scala. Il trasporto di combustibile è gestito da un alimentatore di

combustibile e dalla gravità (a causa dell’inclinazione delle griglie). Questa tecnologia non consente di

controllare la distribuzione sulla griglia del combustibile.

Sistemi a griglia mobile inclinata

Sono costituiti da una griglia inclinata costituita da sezioni fisse e mobili, alternando movimenti in avanti e

indietro e il combustibile è trasportato lungo la griglia. In questo modo le particelle di combustibile

combuste ed incombuste sono mescolate, la superficie del letto di combustibile è rinnovata e il

combustibile è distribuito meglio sulla griglia. L’intera griglia è divisa in diverse sezioni, che possono

muoversi a differenti velocità, in accordo con i differenti stadi di combustione. La griglia è fornita di piccoli

canali per la richiesta di aria primaria, che deve essere distribuita il più possibile attraverso il letto.

I forni a griglia mobile raffreddati ad aria utilizzano l’aria primaria per raffreddare la griglia e sono adatti

per trattare corteccia umida, segatura e trucioli di legno. Per biomassa secca o biomassa le cui ceneri

sinterizzano a bassa temperatura sono raccomandati forni a griglia raffreddati ad acqua. In contrasto con

il sistema a travelling grate, la regolazione della frequenza di movimento è più complessa. Se la frequenza

è troppo alta si ha un alta concentrazione di carbonio incombusto nelle ceneri. La rimozione delle ceneri

in forma sia umida che secca avviene al di sotto della griglia.

Sistemi a griglia mobile orizzontale

Il vantaggio di tale tecnologia riguarda il fatto che i movimenti incontrollati di combustibile sulla griglia

dovuti alla gravità sono impediti e l’effetto dato dall’alimentazione attraverso i movimenti della griglia

sono incrementati, determinando una distribuzione più omogenea del combustibile e impedendo la

formazione di punti caldi. Per evitare che particelle di cenere o di combustibile cadano attraverso le barre

della griglia, la griglia mobile deve essere precaricata in modo tale che non ci siano spazi liberi.

Sistemi a griglia vibrante

La griglia è composta da una parete inclinata di tubi alettati posizionata su delle molle. L’alimentazione

avviene tramite spruzzatori, sistemi a vita o sistemi idraulici. Due o più vibratori trasportano combustibile

e cenere verso la zona di rimozione. L’aria primaria è insufflata attraverso i fori della griglia. Grazie alla

vibrazione ad intervalli brevi è evitata la formazione di scorie di grandi dimensioni, questa è la ragione per

cui tale griglia è applicata a combustibili che presentano problemi di sinterizzazione e formazione di scorie

ed agglomerati (paglia e scarti legnosi).

Questi sistemi presentano elevate emissioni di ceneri volatili causate dalle vibrazioni, maggiori emissioni

di CO a causa di disturbi periodici indotti sul letto di combustibile, combustione incompleta delle ceneri

(bottom ash) per la difficoltà di controllo del trasporto di combustibile e ceneri.

Sistemi a griglia rotante sottoalimentata

L’aria primaria è insufflata dal basso nella camera di combustione primaria: questo crea un ottimo mix tra

combustibile che brucia e combustibile fresco ed umido. I gas combustibili che si formano sono bruciati in

una camera di combustione secondaria che può essere verticale od orizzontale. Il combustibile è

alimentato dal basso tramite i sistemi a vite, quindi necessitano dimensioni medie della biomassa in

ingresso (< 50 mm). Con questo sistema si possono bruciare mix di legno e fanghi di origine biologica, il

sistema di controllo e gestione è automatico.

Sistemi a forno a cono rotante

La griglia è conica, invertita ed in lenta rotazione: questo consente un continuo rifornimento di

combustibile e una veloce accensione della biomassa, oltre che un adeguato mix aria/combustibile. sono

sistemi compatibili con biomassa a diversa percentuale di umidità e pezzatura. Tali sistemi possono essere

costituiti da una caldaia con capacità che varia da 0,4 a 50 MWth.

L’aria primaria entra solo nella parte di griglia coperta da combustibile, permettendo un ottimo mix della

carbonella e un rapporto aria primaria/combustibile= 0,3 - 0,6.

L’aria secondaria è iniettata tangenzialmente ad elevata velocità nella sezione cilindrica della camera di

combustione: il flusso rotazionale permette un ottimo mix tra gas combusti e aria e un’efficiente

separazione delle ceneri volatili. Il raffreddamento delle pareti del forno è ad acqua per assicurare il

controllo della temperatura. Il rapporto totale aria/combustibile è mantenuto tra 1,2 e 1,4 (elevato

rendimento per essere un forno a letto fisso).

È necessario un bruciatore ausiliario all’avvio e necessita di un arresto periodico per la rimozione di grossi

agglomerati di cenere al centro della camera di combustione. Questa operazione può essere

automatizzata con l’utilizzo di un raschiatore.

Underfeed stokers

È un sistema economico ed affidabile per impianti piccoli e medi (< 6 MWth). Il combustibile è alimentato

dal basso tramite sistemi a vite e trasportato da una griglia. L’aria primaria passa attraverso la griglia,

mentre l’aria secondaria è iniettata prima della camera di combustione secondaria. Questo sistema è

adatto a biomassa con basso contenuto di cenere come truciolo, pellet e segatura. Possono insorgere

problemi a causa della cenere fusa o sinterizzata coprente la parte superiore del letto di combustibile.

Questo sistema si adatta facilmente a modifiche del carico, grazie alla facilità di controllo

dell’alimentazione di combustibile.

2) Combustione a letto fluidizzato

I forni sono composti da camere cilindriche verticali con pareti refrattarie e con la base perforata e

riempita con un letto mantenuto in sospensione e composto da materiale caldo, inerte e granulare

(sabbia). Il materiale del letto rappresenta il 90-98% della miscela letto-combustibile ed è mantenuto in

sospensione da un flusso di aria primaria, proveniente dal basso attraverso i fori della base. Vi è un

intenso scambio termico e mixing e ottime condizioni per una combustione completa con basso eccesso

d’aria. Per un’elevata efficienza di combustione è necessario garantire una certa turbolenza e un tempo di

residenza di 5-6 secondi. La temperatura di combustione deve essere mantenuta al di sotto di 800°C per

evitare la sinterizzazione del letto, utilizzando scambiatori di calore interni, ricircolo dei gas combusti e

iniezione di acqua.

Rispetto ai forni a letto fisso, sono più flessibili a miscele di combustibili diversi, meno predisposti a

combustibili con diverse pezzature e impurità. Il combustibile necessita quindi di un pretrattamento per

ridurre le dimensioni degli elementi di (40 mm per il CFC e 80 mm per il BFB). Hanno tempi di avvio fino a

15 ore e si usano bruciatori a olio e a gas.

Le emissioni contengono meno NOx grazie a una buona combustione a stadi, un’ottima miscelazione, una

bassa richiesta di eccesso di aria, la quale inoltre aumenta l’efficienza di combustione e riduce il volume

dei gas. Si ha un elevato contenuto di polveri nei fumi ed è quindi necessario adottare precipitatori e

sistemi di pulizia della caldaia. È necessario un reintegro periodo del materiale del letto, poiché questo si

perde nelle ceneri.

Letto fluido bollente (BFB)

È localizzato nella parte inferiore del forno. Il materiale del letto è sabbia silicea di 1 mm di diametro, la

velocità di fluidizzazione è 1-2,5 m/s. L’aria primaria è fornita tramite una lastra distributrice a ugelli e

fluidizza il letto. L’aria secondaria è iniettata attraverso una serie di ugelli orizzontali all’inizio della parte

superiore del forno, per dar luogo ad una combustione air staged e ridurre gli NOx. A differenza dei BFB a

carbone, la biomassa non è introdotta sopra il letto ma dentro, a causa della sua maggiore reattività della

rispetto al carbone. Il combustibile costituite l’1-2% del letto e deve essere preriscaldato prima di essere

introdotto in camera di combustione.

Letto fluido ricircolante

È ottenuto tramite un aumento della velocità di fluidizzazione (5-10 m/s) e tramite la riduzione della

pezzatura del letto a 0,2-0,4 mm. Le particelle sono trasportate con i fumi, separate tramite cicloni e

reintrodotte in camera di combustione.

La temperatura del letto è tra 800-900 °C ed è controllata tramite scambiatori esterni che raffreddano la

sabbia e pareti raffreddate ad acqua. La maggiore turbolenza dei CFB comporta un migliore scambio

termico ed una distribuzione omogenea della temperatura nel letto. In questo modo si creano condizioni

di combustione stabili, maggiore facilità di controllo del sistema air-staging e la possibilità di includere

scambiatori di calore nella parte superiore della camera di combustione. Rispetto ai BFB occupano

maggiori dimensioni e quindi maggiori costi, hanno un maggior contenuto di sabbia nei fumi, che

sfuggono al separatore, i combustibili devono avere minore dimensioni e quindi maggiori costi di

pretrattamento, hanno una migliore efficienza di combustione e un minore volume di gas combusti.

3) Combustione di polverino di biomassa (“dust”)

I combustibili vengono frazionati finemente (segature e trucioli di legno) e iniettati pneumaticamente nel

forno tramite l’aria di combustione primaria. La qualità del combustibile deve essere il più possibile

omogenea, la dimensione massima ammissibile è 10-20 mm e il contenuto di umidità non deve essere

superiore a 20% wb.

Lo start up avviene tramite un bruciatore ausiliario. Il mix combustibile-aria è iniettato tangenzialmente

nella fornace cilindrica per ottenere un moto vorticoso. Il moto di rotazione può essere ottenuto tramite il

ricircolo dei fumi in camera di combustione. A causa dell’elevata densità energetica, in forno si

raggiungono alte temperature di combustione ed è quindi necessario un raffreddamento ad acqua. La

gassificazione e la combustione di carbonella hanno luogo nello stesso tempo a causa delle piccole

dimensioni delle particelle.

Si possono mantenere bassi eccessi d’aria 1,3-1,5 e quindi contenere le emissioni di NOx, tramite l’air

staging. Lo svantaggio dei bruciatori a polverino di biomassa è che i materiali isolanti si consumano

rapidamente per erosione e stress termico, perciò si sono realizzati sistemi che non utilizzano il moto

vorticoso.

Sistemi di recupero del calore e incremento dell’efficienza di un impianto

I vantaggi che si possono trarre dall’essicazione della biomassa consistono in: prevenzione di auto ignizione

nelle pile di corteccia umida, riduzione della perdita di biomassa a causa di processi di degradazione

microbiologica durante lo stoccaggio e riduzione del volume occupato. Per l’essicazione è necessario

valutare le scelte dal punto di vista economico (costo di macchine, uomini ed elettricità), nonostante in

molti casi l’essicazione avvenga tramite l’utilizzo di collettori solari o di aria preriscaldata dai fumi.

Ridurre l’eccesso di ossigeno contenuto nei fumi è utile per incrementare l’efficienza di combustione.

Esistono due tipologie di tecnologia per diminuire l’eccesso d’aria e per assicurare una combustione

completa: un sensore di ossigeno e un sensore di CO sono posizionati all’uscita dei fumi dalla caldaia per

ottimizzare la richiesta di aria secondaria; migliore mix tra fumi e aria nel forno. Basse concentrazioni di

ossigeno nei fumi aumentano il punto di rugiada e il calore latente recuperabile dalla condensazione

dell’acqua.

Diminuire la concentrazione di ossigeno nei fumi ne riduce la portata volumetrica, limitando le perdite di

carico e riducendo la taglia della caldaia e delle unità di pulitura dei fumi, incrementando la temperatura di

combustione.

Bassi contenuti di carbonio nelle ceneri hanno minore importanza per l’efficienza dell’impianto ma

importanza maggiore per la riutilizzazione delle ceneri poiché la concentrazione di contaminanti organici

nelle ceneri della biomassa aumenta con la concentrazione di carbonio.

Il miglior modo per il recupero dell’energia è la condensazione dei fumi. In aggiunta all’elevato recupero

energetico potenziale di questo processo (maggiore del 20% dell’energia in ingresso dalla biomassa) , la

precipitazione delle polveri può raggiungere il 40-75%. L’intero impianto di condensazione dei fumi consiste

in tre parti: economizzatore (recupero di parte del calore dai fumi), condensatore (recupero del calore

latente) e preriscaldatore dell’aria (preriscaldo dell’aria di combustione e dell’aria utilizzata per diluire i

fumi saturi prima della ciminiera).

L’energia che può essere recuperata dai fumi dipende dal contenuto di umidità nella biomassa,

dall’ammontare dell’eccesso di ossigeno e dalla temperatura di ritorno dai tubi. Minore è la temperatura

dell’acqua di ritorno, maggiore è l’ammontare del calore latente che può essere recuperato quando i fumi

sono raffreddati al di sotto del punto di rugiada. Il recupero energetico potenziale dipende fortemente dalla

qualità dello scambiatore di calore (effetto θ), dalle installazioni idrauliche e dal processo di controllo.

L’efficienza di precipitazione delle polveri (40-75%) può essere aumentata significativamente mediante un

semplice filtro elettrostatico ad aerosol o a gocce di acqua dietro all’unità di condensazione, abbassando la

diluizione dell’aria che deve essere aggiunta ai fumi saturi che lasciano l’unità di condensazione.

Il fango di condensazione deve essere separato dal condensato, tramite unità di sedimentazione, poiché

questo contiene elevate quantità di metalli pesanti.

Essendo la pressione parziale dell’acqua pari a 0.37 bar, per condensare i fumi è necessaria una

temperatura di 56 °C, ovvero temperatura di condensazione dell’acqua a 0.37 bar e non 1 bar.

Legge di Daltonp=∑

i

p i

Per i fumi p=pCO 2+¿ pH2O+ pN

2¿= 1 bar

Aumentando la concentrazione di ossigeno nei fumi, aumenta quella dell’azoto e quindi diminuisce la

pressione parziale dell’acqua: la temperatura di condensazione dell’acqua diminuisce, recuperando il calore

latente, sfruttando quindi l’HHV della biomassa (e non LHV) che aumenta il rendimento del ciclo.

Standard progettuali ed economici per impianti a biomassa

Sono stati definiti per assicurare un investimento ragionevole dal punto di vista economico.

- Simultaneity factor [%]:

(Effective peak heat load - District heating network) / (∑ consumer nominal connection capacity)

Per fattori di simultaneità elevati l’investimento è buono, l’ammortamento richiede meno tempo.

- Boiler full load operating hours[h]:

Boiler heat produced per year / boiler nominal capacity

- Annual utilisation rate [%]:

Boiler heat produced per year / NCV

- Network heat utilisation rate [kWh/m]:

Heat sold per year / length of pipe network

- Specific investment boiler [€/kW]:

Investment costs of total system / nominal capacity of biomass boiler

- Heat generation costs [€/MWh]:

(capital costs + payments) per year / heat sold per year

La domanda di energia (calore) non è costante lungo l’anno: raggiunge un massimo nella stagione invernale

ed un minimo durante l’estate. È quindi necessario fare una distinzione tra carico base e carico di picco per

raggiungere un elevato numero di ore di funzionamento dell’impianto a biomassa a pieno carico e per

diminuire i costi di generazione di calore. La corretta determinazione della taglia della caldaia dipende dai

costi del capitale dell’unità di combustione oltre che da quelli operativi.

Vi sono quattro tipi di costi:

_Costi del capitale (deprezzamento, costi di interessi)

_Costi legati al funzionamento (combustibile, oli lubrificanti)

_Costi operativi (costi del personale e del mantenimento)

_Altri costi (amministrazione e assicurazione)

Rispetto ai combustibili fossili, i costi di investimento per le caldaie a biomassa includono il sistema di

alimentazione e il sistema di pulizia dei fumi.

Per una utilizzazione ottimale dell’impianto è necessario diminuire i costi di generazione del calore.

L’impiego di una caldaia operante a pieno carico influisce sui costi del capitale: la caldaia a biomassa deve

operare almeno 4000 ore all’anno, per gli impianti CHP il target è di 5000 ore.

COMBUSTIONE e CO-COMBUSTIONE della BIOMASSA

Il legno è il bio-combustibile più indicato per il basso contenuto di ceneri e N, mentre la biomassa erbosa ha

un elevato contenuto N, S, K e Cl. La combustione della biomassa è un complesso processo che consiste in

una serie di reazioni consecutive eterogeneo ed omogenee: essicazione, devolatilizzazione, gassificazione,

combustione della carbonella e ossidazione in fase gas. Il tempo utilizzato da ogni reazione dipende dalla

pezzatura del combustibile e dalle sue proprietà, dalla temperatura e dalle condizioni di combustione.

La combustione inizia con una fase di evaporizzazione del combustibile (essicazione), in seguito alla quale si

liberano i gas volatili (devolatilizzazione), passando dall’85 al 18%. Se il processo di devolatilizzazione

avviene in tempi rapidi (1 sec) non ottengo gas ma vapori condensabili e convertirli in combustibile liquido

fino ad un massimo di 70%. La restante parte (30%) è costituita da carbonella che viene ossidata

producendo CO2 e ceneri.

I principali parametri di combustione sono l’eccesso d’aria, che descrive il rapporto tra l’aria localmente

disponibile e l’aria stechiometrica di combustione. Tipicamente per la biomassa, la reazione di combustione

può essere descritta dalle equazioni seguenti:

Tecnologie di co-combustione

Utilizzare biomassa insieme ad altri combustibili (carbone) può essere vantaggioso dal punto di vista dei

costi, dell’efficienza e delle emissioni. È necessario evitare la formazione di depositi in caldaia e limitare la

presenza di metalli alcalini nelle ceneri e per limitare la variazione della composizione delle ceneri è

necessario introdurre non più del 10% di biomassa rispetto al combustibile in input. Vi sono tre opzioni di

co- utilizzazione di biomassa e carbone.

(a) Co-firing diretto: la biomassa è alimentata direttamente nella fornace e sono necessaria processi fisici

come essicamento, macinazione e rimozione dei metalli.

(b) Co-firing indiretto: la biomassa è gassificata e il gas prodotto alimenta il forno, come una combinazione

tra gassificazione e combustione. A differenza della combustione parallela la separazione tra ceneri e fumi,

provenienti dai due combustibili diversi, non può essere fatta.

(c) Combustione parallela: la biomassa è bruciata in una caldaia separata per la generazione di vapore. Il

vapore è usato in un impianto in combinazione col combustibile principale.

La co-combustione ha diversi effetti sulle emissioni e sull’operatività dell’impianto. L’effetto positivo è la

diminuzione delle emissioni di NOx ed SOx dovuta al fatto che la biomassa ha un minore contenuto di N e S

rispetto al carbone, inoltre componenti alcalini delle ceneri della biomassa hanno effetti sulla rimozione

degli NOx. Il contenuto volatile della biomassa può essere usato per la riduzione degli NOx dalla

combustione del carbone.

Gli effetti negativi della co-combustione sono gli investimenti addizionali per il pretrattamento della

biomassa e retrofit della caldaia per la prevenzione di effetti corrosivi (poiché il legno contiene K) e il

possibile decadimento del rendimento elettrico.

Vantaggi della co-combustione

- Le centrali a carbone hanno η = 40 %, mentre quelle a biomassa hanno η = 20 %. Le centrali che sfruttano

la combustione raggiungono rendimenti pari a quelli delle centrali a carbone.

- Costruendo un impianto a co-combustione si può usufruire di incentivi, agevolazioni previste dal

Protocollo di Kyoto.

- Se si dispone di vaste aree di coltivazione di biomassa a crescita rapida, alta biodiversità e bassa umidità al

taglio, sfruttando l’essicazione solare, il contributo energetico diventa pari a ½ di quello del carbone

- La biomassa contiene ossigeno e non azoto. Se non ho azoto, ho ossigeno di legame che si libera a circa

500 °C e quindi favorisco i processi ossidativi e non pirolitici. La combustione di biomassa emette meno

inquinanti, rispetto al carbone, ma è necessario prestare attenzione ai depositi di K sulla griglia.

GENERAZIONE e CO-GENERAZIONE di POTENZA

La generazione di potenza attraverso la combustione può essere divisa in cicli termodinamici aperti e chiusi.

I cicli aperti sono usati per combustibili liquidi e gassosi per motori a combustione interna e turbine a gas. Il

combustibile è bruciato all’interno del motore o in una camera di combustione e dopo è portato in turbina

per l’espansione. Nei cicli chiusi, la combustione e la generazione di potenza sono separati attraverso il

trasferimento di calore dai gas caldi di combustione da un ciclo secondario.

PROCESSI CHIUSI

Combustibili a biomassa e i relativi fumi contengono elementi che potrebbero danneggiare il motore, tra i

quali particelle di ceneri volatili, metalli e componenti con Cl. Le tecnologie per la generazione di potenza,

attraverso la combustione di biomassa, sono basati su cicli chiusi. I tipi di processi e di motori sono:

1) Turbine a vapore

Il calore generato da un processo di combustione è usato per produrre vapore ad alta pressione in una

caldaia (20-200 bar) e nel caso di turbine a vapore supercritiche per aumentare l’efficienza e produrre

vapore secco. Il vapore è espanso tramite un motore ad espansione e fornisce potenza meccanica ad un

generatore di corrente. Per turbine piccole, esistono macchine a flusso assiale e radiale, mentre per quelle

grandi vi sono solo macchine a flusso assiale.

Nelle turbine a multistadio sono raggiunti alti rapporti di pressione tra ingresso e uscita, mentre in quelle a

singolo stadio questo rapporto è limitato. In corrispondenza dello statore la velocità assiale di 60 m/s è

convertita in velocità radiale di 300 m/s, mentre la pressione del vapore decresce. Questa energia cinetica

di vapore è convertita in energia rotazionale dal rotore. Il vapore espanso lascia la turbina in direzione

assiale e in corrispondenza della pala il ΔH è basso.

L’acqua è usata come fluido di lavoro in un ciclo di vapore convenzionale per produzione di energia.

L’efficienza elettrica nel ciclo Rankine dipende dalla differenza di entalpia prima e dopo la turbina, quindi

dalla differenza tra pressione e temperatura in ingresso e in uscita.

ηel=Pel

M c ∙H i

Per combustibili a biomassa ad alto contenuto di Cl, la temperatura nel surriscaldatore deve essere limitata

a causa della corrosione alle alte temperature.

1-2 Aumento della pressione adiabatica dell’acqua nella pompa di alimento

2-3 Riscaldamento dell’acqua alla temperatura di evaporazione nel preriscaldatore

3-4 Vaporizzazione dell’acqua in caldaia

4-5 Surriscaldamento del vapore nel surriscaldatore

5-6 Espansione politropica (pv = cost) del vapore in turbina

5-6’ Espansione isoentropica del vapore (processo ideale)

6-1 Condensazione del vapore, utilizzazione di calore nel condensatore (1 bar)

2) Motori a vapore

Dipendentemente dai parametri del vapore è applicata un’espansione singolo stadio o multistadio. Il

rapporto di pressione tra ingresso e uscita è tipicamente intorno a 3. Il rendimento dipende dai parametri

del vapore (6-10% per singolo stadio, 12-20% per multistadio). Rispetto alle turbine a vapore, i motori sono

meno sensibili alle gocce di acqua all’uscita, possono operare a basse pressioni e a vapore saturo. Per

motori a vapore che operano con vapore surriscaldato e in cogenerazione il ciclo di riferimento è quello

Rankine. Se il motore opera con vapore saturo il ciclo è il seguente: la trasformazione 3-4 opera in una

regione bifase con contenuto di umidità del 12%.

I motori a vite si basano sul processo convenzionale descritto dal ciclo Rankine. Il vapore è espanso in un

motore tipo vite, connesso ad un generatore di energia elettrica. Questo motore può essere utilizzato per

impianti a biomassa CHP da 200 a 2500 kWe. Il volume della camera di lavoro cambia ciclicamente col

diminuire dell’energia contenuta nel combustibile.

3) Organic Rankine Cycle

La sostanziale differenza con il ciclo Rankine convenzionale consiste nel fatto che il fluido di lavoro non è

acqua ma un fluido organico. Le temperature vanno dai 70 ai 300 °C. L’impianto ORC è connesso alla caldaia

con un ciclo termico ad olio siliconico. Questo fluido pressurizzato è vaporizzato e surriscaldato lentamente

dall’olio nell’evaporatore e successivamente espanso in una turbina assiale, connessa ad un generatore

asincrono. Successivamente l’olio siliconico espanso passa in un rigeneratore prima di entrare nel

condensatore.

Nell’evaporatore (3) il fluido organico di lavoro evapora grazie all’olio diatermico (3-4). Il vapore espande

(4-5) in una turbina bi-stadio, successivamente è raffreddato nel preriscaldatore (5-9) e infine condensa nel

condensatore (6). Il ciclo si chiude dopo l’incremento della pressione (1-2), preriscaldamento (2-8) e

alimentazione del fluido organico nell’evaporatore (8-3).

I sistemi ORC sono molto flessibili e possono essere usati in differenti applicazioni come riscaldamento

residenziale, fabbriche di pellet, sistemi a mulino e tri-generativi con refrigeratori ad assorbimento.

È preferibile avere vapori di idrocarburi e non gas, che abbiano elevate temperature di condensazione e

basse pressioni di evaporazione. Se utilizzo un idrocarburo o un mix, ad elevata massa molecolare, ottengo

alte temperature di condensazione (100°C) e basse pressioni di evaporazione (0.9-1 bar), contrariamente

all’acqua che per condensare a 30°C devo avere 0.05 bar di pressione. Quindi se il fluido di lavoro a 0.8 bar

condensa a 95 °C è sufficiente un fluido di raffreddamento a 85 °C, il quale può successivamente essere

impiegato per il teleriscaldamento.

I fluidi ad alta massa molecolare consentono basse velocità in turbina, poiché trasmettono molto lavoro alle

pale (infatti alte masse molecolari significano moli più pesanti),riducendo quindi le perdite, che viaggiano

col quadrato della velocità, ottenendo un rendimento dell’8-9% (Ciclo di Carnot). Gli oli diatermici sono

idrocarburi paraffinici saturi quasi inerti (tipo optano ed ottano) e trasmettono calore a basse temperature.

La figura seguente mostra come il Pay Back Time di un impianto ORC dipende dalla taglia dell’impianto di

cogenerazione e dal prezzo dell’energia elettrica prodotta.

4) Motori Stirling

Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico, solitamente aria o azoto,

oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento. Quando è raggiunta un'opportuna differenza di

temperatura tra punto caldo ed punto freddo, si innesca una pulsazione ciclica, normalmente trasformata

in moto alternato dei pistoni, che fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura,

somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo.

L’elemento che contraddistingue il motore Stirling da quelli convenzionali è il rigeneratore, ovvero un

accumulatore di calore, interposto nel flusso alternato del fluido tra punto caldo e punto freddo, il quale

limita la perdita netta di calore nel punto freddo, sottratto dalla refrigerazione.

Il motore Stirling è a combustione esterna, il che significa che le parti calde non sono a contatto con le parti

in movimento o rotanti (cuscinetti e pistoni), pertanto le sollecitazioni sono minori.

Il motore inoltre non ha valvole e non subisce scoppi, quindi è costruttivamente più semplice, quasi privo di

vibrazioni e molto meno rumoroso di un motore a combustione interna.

La somministrazione del calore per il funzionamento è continua: nel caso in cui il calore sia prodotto

mediante combustione (di legno, carbone, gas, biogas, combustibili liquidi), questa può avvenire in maniera

continua, con rapporto stechiometrico aria-combustibile che può essere mantenuto ottimale.

Poiché il calore non è prodotto all'interno del motore ma proviene dall'esterno, occorre trasferirlo

all'interno e occorre sottrarre calore per creare un punto freddo. Il riscaldamento e il raffreddamento del

fluido di lavoro rendono necessaria la presenza di estese superfici (fasci tubieri o radiatori) per riscaldarlo e

raffreddarlo. All'avviamento del motore, il flusso di calore dalla sorgente termica al fluido interno non è

improvviso, rendendo l'avviamento lento.

La potenza erogata è proporzionale al dislivello di temperatura tra sorgente calda e punto freddo, con un

limite di temperatura per il punto freddo dato dalla temperatura ambiente: aumentare il dislivello significa

quindi innalzare la temperatura del punto caldo.

Una maniera per aumentare la potenza erogata è quella di aumentare la pressione del fluido interno,

aumentando così la mole del fluido di lavoro: mescolare in pressione all'interno del motore aria e liquidi

lubrificanti derivati di idrocarburi può produrre miscele esplosive. Il problema è stato risolto preferendo

l'utilizzo di gas riducenti (idrogeno) o neutri (elio, azoto) come fluidi di lavoro, che risultano più sicuri ma

anche più costosi.

L'integrazione fra il motore Stirling e il processo della gassificazione permette l'utilizzo della biomassa come

combustibile per la produzione di energia. L'utilizzo della biomassa permette di avere un ciclo di produzione

ad impatto zero per le emissioni di CO2.

Ciclo Stirling

Il ciclo Stirling ideale consiste in quattro fasi termodinamiche che agiscono sul fluido di ciclo:

1-2: Espansione isoterma, in cui il vano di espansione è riscaldato dall'esterno ed il gas contenuto ha

un'espansione isoterma.

2-3: Trasferimento del gas caldo a volume costante, o trasformazione isocora; il gas passa attraverso

il rigeneratore cedendo a questo una parte del calore, che resterà disponibile per una successiva fase.

3-4: Compressione isoterma, il fluido nello spazio di compressione è raffreddato, la compressione si

immagina isoterma.

4-1: Trasferimento del calore a volume costante; il fluido scorre indietro attraverso il rigeneratore,

recuperando il calore dal rigeneratore stesso.

Configurazione “Alpha”

Si può considerare basato su 4 fasi:

Il pistone in basso spinge l'aria verso il pistone in alto (1), che quindi si sposta, lasciando entrare l'aria;

l'aria si scalda (2), si espande (3) e il pistone in basso si sposta. Lo spostamento del pistone in basso fa

arrivare l'aria calda a contatto col dissipatore di calore, che quindi si raffredda (4) e di conseguenza si

contrae, facendo spostare verso destra il pistone in alto. Lo spostamento verso destra del pistone in alto,

aiutato dall'inerzia accumulata dal volano, fa sì che il perno, continuando a girare, faccia abbassare il

pistone inferiore, spingendo di nuovo l'aria verso il pistone in alto, e il ciclo ricomincia.

Configurazione “Beta”

La testata del cilindro è collegata ad una camera dotata di una parete calda mentre il corpo del cilindro ad

una parete fredda. All'interno della camera è collocato il dislocatore, che è costituito da un materiale

isolante, non a tenuta, in grado di coprire alternativamente la parete calda e la parete fredda. Il ciclo

compiuto dal motore è il seguente:

1) ll dislocatore (a) copre la parete fredda (e) della camera;

2) Il gas della camera, essendo riscaldato, si espande;

3) Il pistone (b) si muove verso l'esterno della camera (in questo caso verso l'alto): nel suo moto spinge la

giunzione (c) che ruota e che a sua volta sposta il dislocatore sulla parete calda (d), isolando dal calore la

camera che inizia a raffreddarsi;

4) Il gas si contrae richiamando il pistone;

5) Il pistone si muove verso l'interno (in questo caso verso il basso): analogamente a prima, nel suo moto,

sposta il dislocatore sulla parete fredda.

Configurazione “Gamma”

È sostanzialmente analoga alla Beta, ma con la variante di non avere i pistoni coassiali, che quindi possono

essere a corsa parallela affiancata ovvero perpendicolare, cercando di minimizzare gli spazi volumetrici

morti tra i due pistoni, diminuendo le perdite per filettatura ed attriti delle tenute.

In tutte le configurazioni descritte si utilizza sempre un volano posizionato sull'asse di rotazione, che

accumula energia durante le fasi attive e la rilascia in quelle passive, rendendo possibile il moto rotatorio

sostanzialmente uniforme.

5) Turbine a gas a ciclo chiuso

Le TG convenzionali sono a ciclo aperto e seguono il ciclo Joule che ha un rendimento pari a circa 27-29%.

1-2: Compressione adiabatica isoentropica (compressore)

2-3: Riscaldamento isobaro (camera di combustione: 1100°C)

3-4: Espansione adiabatica isoentropica (TG)

4-1: Raffreddamento isobaro

Nei TG a ciclo chiuso il calore non è fornito al gas, compresso tramite una combustione, ma tramite uno

scambiatore di calore ad alta temperatura.

PROCESSI APERTI

Oltre ai processi chiusi, per la biomassa sono considerati i seguenti processo di combustione:

- Turbine a gas alimentata direttamente da combustione pressurizzata di biomassa con espansione dei fumi

in turbina.

- Turbine a gas alimentate direttamente da combustione atmosferica di biomassa con espansione a vuoto,

seguita da raffreddamento e compressione dei gas freddi per consentirne il rilascio in atmosfera.

EMISSIONI da COMBUSTIONE di BIOMASSA

Riduzione delle emissioni

I principali parametri per ottenere una combustione completa sono temperatura (850°C), tempo (0.5 s) e

turbolenza (TTT). Il miscelamento tra i gas combustibili e l’aria è considerato il fattore che più milita la

qualità del burnout. Nelle camere di combustione a letto fisso può essere raggiunto un buon mix utilizzando

la combustione a stadi. Nei letti fluidizzati e combustione di polverino di biomassa il miscelamento è di per

sé ottimale.

Emissioni da combustione completa

- CO2

È il maggior prodotto di combustione della biomassa, derivante dal contenuto di carbonio nel

combustibile. L’emissione in atmosfera crea effetto serra. Durante la combustione la biomassa rilascia la

CO2 che ha catturato durante la crescita.

- NOx

Thermal NOx sono formati ad alte temperature tramite l’ossidazione di azoto in aria. Prompt NOx sono

formati durante la combustione di idrocarburi di azoto molecolare con radicali liberi. Fuel NOx sono

formati da azoto contenuto nel combustibile.

Per quanto riguarda la biomassa, la quale è combusta a 800-1200 °C, i fuel NOx sono di maggiore

importanza. Questi aumentano all’aumentare dell’azoto nella biomassa, dell’eccesso di aria e della

temperatura di combustione. La frazione di azoto convertito in NOx (N/NOx) decresce con l’aumentare

dell’azoto contenuto nel combustibile.

Per la combustione di biomassa, l’azoto del combustibile è la principale fonte di emissione di NOx, mentre

thermal e prompt NOx non sono rilevanti a causa delle basse temperature. L’azoto del combustibile è

convertito in HCN e NHi con i = 0,1,2,3 i quali possono essere ossidati e diventare NOx, in presenza di

ossigeno e quindi in una combustione convenzionale. Se non vi è ossigeno, i prodotti intermedi possono

interagire nella zona di riduzione, formando N2 (NO + NH2 = N2 + H2O).

- Ossido nitroso (N2O)

È il risultato della completa ossidazione dell’azoto nel combustibile e può essere abbattuto utilizzando

misure primarie di rimozione.

- SOx

Sono il risultato della completa ossidazione dello zolfo nel combustibile. Si forma principalmente SO2 (più

del 95%) e a basse temperature anche SO3. Lo zolfo proveniente dalla combustione di biomassa proviene

dai composti solforosi, assorbiti dall’albero durante la crescita.

Lo zolfo contenuto nel combustibile non è completamente convertito in SOx, una frazione significativa

rimane nelle ceneri, mentre una frazione minore è emessa come sale K2SO4 o H2S a basse temperature.

- Acido cloridrico (HCl)

Un significativo apporto di HCl può essere dato da biomassa contenente alte quantità di cloro, come il

miscanto, l’erba, la paglia o il legno proveniente da zone vicine al mare. Il cloro del combustibile non è

convertito completamente in HCl, la maggior parte forma Sali quali KCl e NaCl, mentre alcune tracce sono

emesse come diossine e composti organici del cloro.

- Particolato

È originato da ceneri volatili, trattenuto dai fumi e dai sali di K, Na, Cl e S. Altro particolato può essere

prodotto da una combustione incompleta. L’emissione di particolato può essere evitato attraverso un

design ottimale di caldaia, ad esempio rimuovendo le ceneri dal basso.

- Metalli pesanti

Ogni tipo di combustibile a biomassa contiene metalli pesanti in diverse quantità, come Cu, Pb, Cd e Hg.

Questi possono rimanere nelle ceneri o evaporare attaccandosi alle altre particelle. Il legno pitturato o

impregnato è una ricca fonte di metalli pesanti.

Emissioni da combustione incompleta

- Monossido di carbonio (CO)

La velocità alla quale CO è ossidato a CO2 dipende soprattutto dalla temperatura. Il CO è un indicatore

della qualità della combustione. Inoltre il livello di emissione di CO è funzione dell’eccesso d’aria e del tipo

di biomassa combusta. Elevati eccessi di aria conducono ad una temperatura di combustione inferiore,

mentre un basso eccesso d’aria non consente di ottenere un buon mix. È importante mantenere un

sufficiente tempo di residenza per ridurre al minimo le emissioni di CO.

- Idrocarburi incombusti

Il metano è un importante prodotto di combustione intermedio nella conversione del carbonio del

combustibile in anidride carbonica e dell’idrogeno in acqua, inoltre è uno dei principali gas ad effetto

serra. Gli altri idrocarburi incombusti a causa di una combustione incombusta sono spesso detti Non-

Methane Volatile Organic Components (NMVOC) e provengono dalla volatilizzazione del combustibile. Gli

idrocarburi aromatici policiclici (PAHs) sono un gruppo di centinaia di composti organici costituiti da due o

più anelli aromatici e costituiscono una speciale categoria di idrocarburi a causa dei loro effetti

cancerogeni. NMVOC e PAH sono il risultato di temperature di combustione basse, bassi tempi di

residenza e perdite di ossigeno.

- Particolato

La combustione di biomassa è soggetta ad elevate emissioni di particolato, le cui particelle sono più

piccole di 10 µm (PM 10) con un’elevata quota di particelle PM 1.

La composizione di queste particelle, nei letti fluidizzati, è data da: K,Cl,S, Na, Ca, Si, K, Al, P, Fe. Nel letti

fissi il diametro medio di tali particelle aumenta: K, S, Cl, Zn, Ca. Se è raggiunto un bornout completo con

forni appropriati, il particolato risulta composto da ceneri e sali (KCl).

Può essere trovato sotto forma di fuliggine, char o idrocarburi pesanti condensati (tar). La fuliggine

consiste principalmente in carbonio ed è il risultato di perdite di ossigeno nella zona di fiamma.

Le particelle di “char” possono essere trattenute nei fumi a causa di una densità specifica bassa e di

un’elevata velocità dei fumi. Anche il particolato è il risultato di temperature di combustione basse, bassi

tempi di residenza e perdite di ossigeno. Il particolato non è così chiaramente evitabile come la

produzione di CO.

- Diossine e Furani (PCDD/F)

Si sviluppano durante la combustione di biomassa contenente cloro, ad una temperatura di 180-500 °C, in

presenza di carbonio, rame e ossigeno. La combustione di legno impregnato, pitturato, contenente cloro e

rame può facilmente portare alla formazione di PCDD/F.

- Ammoniaca

Piccole quantità di ammoniaca provengono dal risultato di una combustione incompleta conversione di

NH3 in componenti ossidati contenenti azoto, a causa di una temperatura di combustione bassa.

Misure primarie di riduzione delle emissioni

1) Modifica del contenuto di umidità del combustibile

Un elevato contenuto di umidità nel combustibile rende difficile il raggiungimento di temperature elevate

in camera di combustione (che deve essere almeno 850°C). Senza recuperare calore da un altro processo, il

costo di essicamento del legno è elevato. Il design della camera di combustione ha molta importanza in

caso di biomassa ad elevato contenuto di umidità. Si può migliorare la qualità della combustione usando

ceramiche per ricoprire lo stato interno e un buon isolamento della camera di combustione. Queste misure,

insieme ad un preriscaldamento dell’aria di combustione, può consentire l’utilizzo di biomassa ad elevato

contenuto di umidità correttamente dal punto di vista ambientale, con una leggera diminuzione del

rendimento di combustione. Tale diminuzione è dovuta al fatto che i fumi, in presenza di un elevato

contenuto di umidità, hanno una velocità maggiore, contenendo vapore d’acqua, in uscita dalla caldaia,

causando una perdita di energia. La combustione di biomassa umida può costituire un vantaggio se

combinata ad un sistema di condensazione dei fumi.

2) Modifica della dimensione delle particelle di combustibile

La pezzatura del combustibile è particolarmente decisiva in impianti a larga scala, con sistema di

alimentazione automatizzato. La biomassa eterogena dal punto di vista delle dimensioni può essere resa

omogenea attraverso questo metodo. La riduzione della dimensione delle particelle deve costituire un

beneficio che supera i costi di investimento e i costi dell’energia.

3) Selezione delle tecnologie di combustione

Il primo aspetto da tenere in considerazione è dato dalla composizione del combustibile, dal contenuto di

umidità e dalla pezzatura. L’impiego di combustibili provenienti dal legno, contenenti azoto, può limitare la

scelta della tecnologia di combustione. Il contenuto di umidità è decisivo per combustibili legnosi, come

cippato e corteccia, se l’essicamento non è previsto. Anche il contenuto di ceneri, potassio, cloro e zolfo

può influenzare tale scelta.

4) Ottimizzazione del processo di controllo della combustione

Lo scopo principale di un processo di controllo della combustione riguarda l’adeguamento della produzione

di calore in accordo con la richiesta, inoltre è necessario per minimizzare le emissioni e massimizzare

l’efficienza. I parametri che hanno fondamentale importanza nel processo di controllo sono le

concentrazioni di CO, CxHy e ossigeno nei fumi, la temperatura in camera di combustione e in caldaia. Le

variabili di processo che possono essere modificate per raggiungere determinati targets sono

l’alimentazione del forno e la quantità di aria primaria e secondaria.

Riduzione delle emissioni

La qualità della combustione può essere migliorata modificando la quantità di combustibile, aria

primaria e secondaria, basandosi sulla misura di CO, CxHy, ossigeno e temperatura in camera di

combustione.

Nel caso di un processo di controllo diretto, CO e CxHy sono misurati continuamente e le variabili di

controllo sono modificate. Nel caso di un processo di controllo indiretto, l’eccesso di aria ideale è

stabilito per tutte le condizioni di processo per ottenere il minimo di emissioni. In seguito la quantità di

ossigeno è usata come un parametro di controllo di processo.

Controllo del calore in uscita

Spesso è mantenuta sotto controllo la temperatura dell’acqua in caldaia e la relazione tra l’input di

combustibile e l’aria di combustione è stabilita al momento dell’installazione della caldaia. Tali parametri

possono essere modificati per mantenere la temperatura dell’acqua su un certo valore.

Modifica di una caldaia a biomassa esistente

Le caldaie esistenti possono essere modificate per raggiungere una riduzione dei livelli di emissione,

un’efficienza termica maggiore e migliorare il controllo del calore in uscita.

5) Combustione a stadi di aria

Nell’ air staging, l’eccesso d’aria cambia per ciascuna sezione. La combustione a due stadi avviene quando è

iniettata aria primaria nel letto di combustibile e conseguentemente aria secondaria in camera di

combustione. Questo consente un miscelamento ottimale tra aria di combustione e gas combustibile

derivante dalla devolatilizzazione e gassificazione. Se il mix è ottimale, è possibile operare a bassi eccessi di

aria (<1.5) ottenendo alta efficienza , alta temperatura e combustione completa. Inoltre le concentrazioni di

emissioni di inquinanti incombusti possono essere ridotti quasi a zero.

In aggiunta alla combustione convenzionale a due stadi, è necessario che l’aria primaria sia sotto

stechiometrica (<1). Inoltre è utile avere un tempo di residenza rilevante tra il letto di combustibile e

l’ingresso dell’aria secondaria.

L’azoto del combustibile è convertito in NO e NO2 attraverso una serie di reazioni elementari (fuel NOx

mechanism). I componenti più importanti che contengono azoto sono l’ammoniaca e HCN, inoltre una

quantità significativa di NO e N2 è contenuta nei gas di pirolisi. Se vi è ossigeno sufficiente, ammoniaca e

HCN sono convertiti in NO. In condizioni di combustibile ricco NO reagisce con NH3 e HCN formando N2.

Questo meccanismo è utilizzato come misura di riduzione primaria degli NOx.

6) Combustione a stadi di combustibile e ri-combustione

Il combustibile primario è combusto con un eccesso di aria superiore a 1 e non occorrono significative

riduzioni di NOx. Il combustibile secondario è iniettato nei fumi dopo la zona di combustione primaria, senza

ulteriore richiesta di aria. È creata un’atmosfera sotto stechiometrica nella quale gli NOx formati nella zona

primaria sono ridotti, reagendo con NH3 e HCN formati dal combustibile secondario. NO è convertito in HCN

reagendo con HCCO e CHi radicali formati dal combustibile secondario (processo definito reburning). Infine,

è aggiunta una quantità di aria sufficiente dopo la zona di riduzione per raggiungere una buona

combustione con un eccesso di aria superiore a 1.

Una riduzione del 52-73 % di NOx è raggiunta dall’impiego di combustibile primario pari al 70% del totale e

combustibile secondario pari al 30%, con una temperatura in zona di riduzione di 700 °C, mentre l’eccesso

d’aria del 0,7 - 0,9.

La combustione a stadi richiede un’alimentazione di combustibile primario e secondario automatico e il

secondario può essere facilmente adeguato. Questo limita l’utilizzo di combustione a stadi di combustibile

per impianti di combustione di biomassa a larga scala dal momento che questo necessita di

un’alimentazione di combustibile doppia e un controllo della combustione. Gas naturale, olio combustibile,

gas di pirolisi, polverino di biomassa o segatura possono essere utilizzati come combustibili secondari.

Misure secondarie di riduzione delle emissioni

Sono applicate per rimuovere le emissioni dai fumi, una volta che questi hanno lasciato la caldaia.

Tra i fattori determinanti vi è la dimensione delle particelle, l’efficienza di raccolta, la taglia del flusso di gas,

la natura del particolato e la presenza di “tar” nei fumi. Le seguenti regole possono aiutare la scelta della

tecnologia di controllo del particolato da combustione di biomassa:

- Le particelle viscose (tar) devono essere raccolte in un liquido, ad esempio uno scrubber, o in un ciclone o

in un filtro a manica o in un filtro elettrostatico, la cui superficie di raccolta è rivestita da un film di liquido

fluente.

- Le particelle che aderiscono tra loro ma non ad una superficie solida sono raccolte più facilmente. Quelle

che fanno il contrario hanno bisogno di superfici speciali (fibre rivestite in teflon) rilasciano le particelle

durante la pulizia.

- Le proprietà elettriche delle particelle hanno fondamentale importanza nei filtri elettrostatici.

- Per particelle non viscose (> 5 µm) si prende in considerazione solo il separatore a ciclone.

- Per particelle più piccole di 5 µm si considerano filtri elettrostatici, filtri a manica e scrubber.

- Per elevati flussi, i costi di pompaggio rendono molto costosi gli scrubber.

- La resistenza alla corrosione e il punto di rugiada devono essere presi in considerazione.

Camera di sedimentazione

La separazione in una camera di sedimentazione si basa sul principio di gravità. Ha una bassa efficienza di

raccolta ma è ancora ampliamente applicata per la sua capacità di spegnimento della fiamma.

Cicloni

La separazione si basa sulla combinazione di forza di gravità e centrifuga. Particelle gassose e solide sono

esposte a forze centrifughe che possono essere create in due modi: 1) flussi di gas nel ciclone in direzione

tangenziale, 2) flussi di gas nel ciclone in direzione assiale, portati in rotazione da un ventilatore.

A causa delle forze centrifughe, le particelle colpiscono le pareti e scivolano in un contenitore. I cicloni

hanno una maggiore efficienza di raccolta rispetto alle camere di sedimentazione.

Multicicloni

L’efficienza di separazione di un ciclone può essere migliorata aumentando la forza centrifuga mediante la

riduzione del diametro del ciclone, al fine di evitare perdite di capacità possono essere usati diversi cicloni

in parallelo. Gli svantaggi dei multicicloni riguardano il costo, la caduta di pressione e maggior consumo di

energia.

Filtri elettrostatici

Le particelle vengono prima caricate elettricamente, poi sottoposte ad un campo elettrico dove sono

attirate da un elettrodo. Questo filtro viene pulito attraverso la vibrazione, per cui la polvere cade in

un’unità di raccolta. La separazione può essere fatta in uno o due stadi.

Filtri a manica

Sono costituiti da filtro o panno (in goretex), strettamente intrecciato con fibre speciali, appeso in una

costruzione chiusa nella quale passano i fumi. L’efficienza di separazione è abbastanza elevata, anche con

elevate portate di fumi e contenuto di particelle. Il primo strato di particelle infatti migliora l’efficienza di

filtrazione, più le particelle si depositano sul tessuto più aumentano le perdite di carico. Il tessuto viene

pulito tramite vibrazione o aria pressurizzata. La temperatura di funzionamento è limitata a 250 °C, al di

sopra di questa l’eventuale presenza di carbonio incombusto nelle ceneri volatili aumenta il rischio di

incendio. Al fine di limitare la quantità di particelle che si depositano sul filtro può essere usato un ciclone.

Quando si utilizzano temperature di esercizio troppo basse, il tar presente nei fumi può ostruire il panno.

Scrubber

Negli scrubber, le particelle sono rimosse dai fumi attraverso goccioline di acqua di varie dimensioni, a

seconda dello scrubber utilizzato. Le particelle vengono rimosse attraverso collisioni e interazione tra gocce

e particelle. Al momento dell’impatto, le particelle vengono bagnate e trasportate dalla goccia di acqua,

effettuando la rimozione. Gli ugelli con diametro piccolo forniscono piccole gocce, aumentando l’efficienza

ma anche le cadute di pressione. La pulitura dei fumi e la condensazione sono fatte in un impianto di

scrubber- condensazione, che contribuisce ad abbassare le emissioni di particolato e aumentare l’efficienza

energetica dell’impianto.

Separatori rotazionali

La tecnologia può essere utilizzata insieme ad un multiciclone convenzionale o al posto di un filtro

elettrostatico. L’efficienza di separazione dipende dalla dimensione delle particelle, per diametri maggiori di

un µm l’efficienza è del 99,9%. I fumi assumono moto circolare mediante un ventilatore, le particelle

pesanti cadono, mentre quelle leggere passano attraverso un filtro rotante. Esso è costituito da una

molteplicità di canali assiali. Le particelle liquide e solide sono spinte contro le pareti del canale e sono

periodicamente rimosse, facendo passare aria o acqua ad alta velocità nei canali.

Carboni attivi

La produzione di carbone attivo può essere fatta in forni rotativi, fornaci multiple, fornaci ad albero

verticale o del tipo a letto fluido. I più usati sono i forni rotativi, adatti alla produzione di particelle di

dimensioni che vanno dalla polvere al materiale granulare ai pellet cilindrici.

La proprietà principale del carbone attivo è l'elevata superficie specifica (da 500 a 2500 m2/g), dovuta alla

sua elevata porosità. L'accumulo di inquinanti sulla superficie del carbone attivo determina la perdita

graduale del potere di adsorbimento fino al suo annullamento. A questo punto il carbone attivo esausto

deve essere sostituito oppure rigenerato attraverso un processo di rigenerazione.

+

Tecnologie di controllo degli NOx e degli SOx

Gli ossidi di zolfo, rimossi dal controllo di inquinamento o dalla pulizia dei fumi, sono convertiti in CaSO4,

che è innocuo, solido poso solubile, depositato in discarica. È relativamente facile rimuovere l’SO2 dai gas di

combustione, attraverso la dissoluzione in acqua e a causa della reazione con gli alcalini. L’SO2 in forma

acquosa forma acidi solforici, che reagiscono con gli alcalini che ossidano il solfato.

Le misure secondarie di abbattimento degli NOx sono eseguite attraverso l’applicazione di SCR e SNCR, ), le

quali utilizzano la seguente riduzione: NO + NH2 = N2 + H2O

- SCR (Selective Catalytic Reduction)

Riducono gli NOx in N2, attraverso una reazione con ammoniaca o urea, in presenza di ossidi di platino,

titanio o vanadio. Operano in un range di temperatura di 220-270°C usando ammoniaca e 400-450°C

usando urea. Per la combustione di legno più dell’95% degli NOx sono ridotti a 250°C. Le proprietà del

catalizzatore dipendo dalle caratteristiche delle impurità del combustibile. Gli SCR possono essere posti

prima o dopo la rimozione del particolato.

- SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction)

Non richiedono un catalizzatore per l’attivazione della reazione, infatti questa avviene ad alte

temperature. Negli SNCR, l’ammoniaca o urea vengono iniettate nei fumi a 850-950°C. Circa il 60-90%

degli NOx possono essere ridotti. A temperature troppo alte l’ammoniaca si ossida in NO e a temperature

troppo basse non reagisce ed è emessa insieme agli NOx.