La combustione delle biomasse è un processo termochimico complesso che prevede una serie di reazioni chimiche, il cui risultato ideale finale è l’ossidazione del carbonio in CO2 e dell’idrogeno in H2O.

Lavorando in condizioni ricche di combustibile, cioè in carenza di ossigeno, la combustione risulta incompleta ed accanto all’anidride carbonica e all’acqua compaiono idrocarburi incombusti, CO, composti organici volatili (COV), idrocarburi policiclici aromatici (IPA), particolato carbonioso (soot) ed altri ancora.

Al contrario, una combustione povera di combustibile, che lavora in eccesso di aria, comporta temperature di combustione inferiori.

I prodotti della combustione, le loro concentrazioni e le condizioni operative dipendono fortemente dalle proprietà specifiche delle biomasse utilizzate, molto variabili da una sostanza all’altra.

Fornendo calore ad una biomassa questa si riscalda ed inizia ad essiccare (fase di essiccamento o essiccazione), emettendo l’umidità residua che contiene intrinsecamente. Tale fase è ovviamente endotermica e prosegue fino ad una temperatura di circa 100-130 °C.

Continuando a riscaldare la biomassa si arriva alla fase di devolatilizzazione, compresa tra i 200 ed i 600 °C. Essa comprende un primo stadio di decomposizione termica della biomassa detta fase di pirolisi, in cui avviene la distillazione distruttiva dei composti carboniosi in assenza di ossigeno ed un secondo stadio detto fase di gassificazione, in cui si assiste alla formazione di sostanze gassose quali CH4, CO, CO2, H2 e composti catramosi detti tar.

Contestualmente al rilascio delle sostanze volatili si ha la formazione di una matrice solida estremamente deidrogenata e ricca di carbonio comunemente denominata char. Il char non è più in grado di rilasciare sostanze volatili, se non in ridottissime quantità, tuttavia può bruciare. La sua combustione avviene per ossidazione eterogenea prodotta dall’ossigeno che, diffondendo all’interno della matrice porosa, reagisce con il carbonio presente. Questa combustione è favorita dalla devolatilizzazione poiché il rilascio di sostanze volatili incrementa la porosità del sistema e contemporaneamente fa aumentare le superfici esposte all’ossigeno per unità di volume, migliorando così lo scambio tra solido e gas. Le prime reazioni di combustione del char iniziano dall’esterno e portano alla formazione di una miscela di CO e CO2 ed innalzano di circa 100-200 °C la temperatura interna.

Le sostanze volatili rilasciate durante la devolatilizzazione, bruciano non appena si raggiunge la temperatura di ignizione. La combustione delle sostanze gassose inizia a temperature comprese tra i 500 ed i 700 °C e fornisce una quantità di calore che, sommata a quello prodotto dalla combustione del char, portano la temperatura all’interno del combustore a valori compresi tra i 900 ed i 1100 °C. A fine combustione oltre ai gas combusti, rimangono le ceneri e le particelle incombuste in quantità variabili a seconda delle caratteristiche del combustibile, della tecnologia utilizzata e delle condizioni operative del dispositivo.

Le tipologie di combustibili

Le biomasse più adatte alla combustione diretta sono quelle legnose. Queste possono essere utilizzate in varie forme e pezzature a seconda del materiale di partenza e della tecnologia di combustione utilizzata. Solitamente nei dispositivi domestici si utilizza legna da ardere in pezzatura piuttosto grossolana, mentre nelle caldaie più grandi è richiesta una pezzatura più fine per migliorare il rendimento del sistema.

Le forme/pezzature della biomassa più diffuse per l’utilizzo energetico in impianti di taglia superiore ai dispositivi domestici sono il cippato, il pellet, il bricchette e la segatura.

  • Il cippato è legname ridotto in scaglie di dimensioni in genere attorno ai 5-15 cm di lunghezza.cippato La sua densità media (apparente) oscilla tra i 250 e i 350 kg/m3, ma dipende dal tipo di materiale di partenza. L’umidità anche dipende dal tipo di biomassa utilizzata e dalle condizioni di stoccaggio. In genere una biomassa legnosa appena tagliata ha un’umidità di circa il 45-55%, con un PCI corrispondente di circa 8000 kJ/kg (2,2 kWh/kg). Per poter essere bruciato vantaggiosamente, il cippato deve presentare un’umidità di circa il 35%, pertanto dopo il taglio del legno è sempre necessario un periodo di stoccaggio/stagionatura.
  • Il pellet è un’altra forma di biomassa molto utilizzata, specie in città, negli impianti condominiali o nelle abitazioni.pellet
    Il pellet non è altro che legno ridotto in dimensioni molto fini (simili alla segatura), essiccato e poi pressato, tramite opportune macchine, fino a formare cilindretti di circa 0,5-1,0 cm di diametro e 2,5-3,0 cm di lunghezza. Le caratteristiche del pellet dipendono dal tipo di materiale di partenza e dal processo utilizzato per la sua produzione, ma in genere il potere calorifico inferiore si aggira attorno ai 17,0-18,0 MJ/kg (4,7-5,0 kWh/kg), con una densità di circa 130-150 kg/m3, un contenuto di cenere attorno all’1%, ed umidità inferiore al 10%.
  • Si possono realizzare anche cilindri più larghi da utilizzare in caldaie domestiche per legna da ardere, ottenendo le cosiddette bricchette.bricchette
    Il processo di produzione è simile a quello del pellet, ma in questo caso la biomassa di partenza viene ridotta a pezzature più grossolane.

Utilizzare cippato o pellet, piuttosto che bricchette o segatura, non è del tutto indifferente, se si pensa alla spesa energetica necessaria a produrre quel tipo di combustibile. Pertanto la scelta ottimale sarà dettata da un compromesso tra il costo di produzione, la praticità di trasporto, la disponibilità di volumi di stoccaggio, ecc.

Il cippato è la tipologia di combustibile che tra tutte quelle citate richiede la minore spesa energetica e dunque ha un costo per unità di energia più basso. La segatura richiede una lavorazione maggiore, in quanto si devono ottenere dimensioni più fini; infine il pellet e le bricchette sono le tipologie che richiedono il maggior dispendio di energia, poiché oltre a essere ridotta in dimensioni molto fini, la biomassa deve subire un trattamento termico e poi una pressatura meccanica.

Le tecnologie di combustione

Esistono differenti tecnologie utilizzate per la combustione delle biomasse e più in generale dei combustibili solidi, ma i vari sistemi possono essere tutti ricondotti a tre categorie principali ossia caldaie a griglia, caldaie a letto fluido e caldaie a polverino.

 

Caldaie a griglia

Le caldaie a griglia rappresentano il sistema classico di combustione dei combustibili solidi.

Per le biomasse sono molto utilizzate sia per piccoli impianti sia per impianti più grandi sino alle centrali di alcune decine di MW. Ne esistono di diverse tipologie: a griglia fissa, a griglia mobile, a griglia vibrante, a tamburo rotante e a griglia a catena.

Il combustibile immesso sulla griglia da un adeguato sistema di alimentazione assorbe il calore di irraggiamento prodotto dalla fiamma e dalle pareti della caldaia che innesca le varie fasi della combustione.

A fine combustione le ceneri pesanti vengono raccolte sulla griglia e asportate con opportuni sistemi meccanici di estrazione. Le ceneri leggere, trasportate dal flusso di gas combusti attraversano la caldaia e vengono poi trattenute, in parte, negli opportuni filtri disposti lungo il condotto di aspirazione e estrazione fumi. I problemi fondamentali delle caldaie a griglia per biomasse sono il basso punto di fusione delle ceneri e l’elevato livello di emissioni inquinanti. La presenza di ceneri bassofondenti può provocare seri problemi di sporcamento della caldaia e della griglia stessa, peggiorando l’efficienza dello scambio termico e della combustione.

Per quanto riguarda le emissioni inquinanti c’è da dire che la combustione non perfetta, legata in particolar modo alla pezzatura del combustibile, il mescolamento non ottimale con l’aria di combustione (soprattutto nelle caldaie a griglia fissa), l’umidità del combustibile spesso elevata, fanno sì che le emissioni di incombusti, di particolato e altri inquinanti raggiungano livelli elevati che, per essere ridotti ai limiti di legge, richiedono una certa accortezza progettuale.

 

Caldaie a letto fluido

Al momento rappresentano la tipologia che mostra una maggiore flessibilità dal punto di vista dei combustibili utilizzabili dal momento che possono bruciare combustibili solidi e semi-solidi purché abbiano un adeguato potere calorifico.

Il principio di funzionamento è semplice. All’interno della camera di combustione c’è un letto di sabbia o di materiale inerte simile dove il combustibile viene immesso e mescolato per azione dell’aria di combustione.

Le caldaie a letto fluido vengono classificate proprio in base alla velocità dell’aria di combustione. Le classi principali sono: letto fluido fisso, letto fluido bollente, letto fluido turbolento e letto fluido circolante. Il combustibile viene immesso nella caldaia in prossimità del letto inerte, o dall’alto, da un opportuno sistema di alimentazione (in genere a coclea), e viene mescolato al letto di sabbia che si trova ad una temperatura abbastanza costante di circa 850 °C. L’aria di combustione è inserita in più stadi in modo da ridurre le emissioni di NOx. In questo caso la maggior parte delle particelle solide del letto vengono trasportate dai gas attraverso la caldaia; rimosse dal flusso tramite un semplice ciclone vengono poi reinserite nel letto.

 

Caldaie a polverino

Le caldaie a polverino sono attualmente le più comuni per la combustione di carbone in impianti di potenza. Sono caratterizzate da un’elevata efficienza di combustione e basse emissioni di CO, ma richiedono particolari attenzioni per l’abbattimento di SOx e NOx.

Per quanto riguarda le biomasse, non sono molto diffuse perché richiedono la riduzione della biomassa a dimensioni piuttosto fini. Il combustibile finemente polverizzato, al di sotto dei 2 mm di diametro, viene immesso nella camera di combustione insieme all’aria primaria di combustione, tramite particolari iniettori, comportandosi quindi come un getto di combustibile liquido o gassoso. Una particella fine brucia più velocemente di una di dimensioni grossolane, dunque la combustione è più completa; ciò si riflette in minore produzione di CO, e limitata formazione di fuliggine che va a sporcare la caldaia. Le ceneri pesanti vengono raccolte sul fondo della caldaia la cui geometria (a V) è disegnata in modo da facilitarne l’estrazione; per quanto riguarda le ceneri volanti invece, si ricorre ai filtri comunemente utilizzati anche nelle altre tipologie di caldaie.

 

FONTI:

 

LA COMBUSTIONE DELLE BIOMASSE LIGNOCELLULOSICHE DI NATURA ERBACEA, Luca Ferro, Michela Pin, Alessia Vecchiet, Giovanna Furlan, Veneto Agricoltura; http://www.venetoagricoltura.org/;

Utilizzo energetico delle biomasse, F. Rispoli, ing. P. Venturini. 

ph. courtesy of: abar srl

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