Ottimizzazione del processo di combustione

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viesmann
24/09/2009
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Ing. Roberta ROBERTO, PhD
ENEA TER ENE-BIO
[email protected]
La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile
Ottimizzazione
del processo di combustione
di biomasse legnose
Combustione della biomassa:
processo complesso costituito da reazioni consecutive eterogenee ed
omogenee
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Fenomenologia della combustione
Può essere distinto in 4 fasi:
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(il tempo necessario per ogni reazione
dipende dal tipo di biomassa, dalle
dimensioni, dalla temperatura e dalle
condizioni della combustione)
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essicazione (drying)
devolatilizzazione (devolatilisation)
gassificazione (gasification)
combustione del carbone (char combustion) e
ossidazione dei gas (gas-phase oxidation).




 Essiccazione (drying):
evaporazione dell’acqua
H 2Oliq (s)  H 2Ovap ( g )
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 Devolatilizzazione (devolatilisation):
degradazione termica senza ossigeno
carbonio fisso ( s)  C ( s)
 Combustione (char combustion + gas phase oxidation):
ossidazione di C e dei composti volatili in eccesso di ossigeno
2C  O2  2CO  O2  2CO 2
Ca H bOc  2a  0.5b 2  O2  a  CO2  0.5b  H 2O
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reaz. omogenee e eterogenee con ossigeno libero e agenti
ossidanti
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 Gassificazione (gasification):
fraz volatile(s)  Ca HbOc ( g )
 conservazione della massa
 conservazione dell’energia
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Reazione elementare di combustione:
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Eccesso/indice d’aria (l):
rapporto tra l’aria comburente localmente presente e l’aria
comburente stechiometrica
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per composizione media biomassa legnosa
Equazione globale di combustione:
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Impianti a biomassa legnosa (combustione):
 efficienza/rendimento
 combustibile
(tipologia, disponibilità locale, reperimento)
 aspetti ambientali
(emissioni al camino, ceneri, acque reflue)
 costi
(investimento, combustibile, gestione/manutenzione, incentivi,…)
Impianti a biomassa
–
–
–
–
–
–
•
da combustione incompleta:
–
monossido di carbonio (CO)
–
–
–
–
–
–
–


ossidi di azoto (NOx)
ossido nitroso (N2O)
ossidi di zolfo (SOx)
cloruro di idrogeno
particolato (fly-ash, aerosols)
metalli pesanti
composti organici volatili non metanigeni (NMVOC)
idrocarburi policiclici aromatici (PAH)
TOC (Total Organic Carbon)
particolato
diossine e furani (PCDD/F)
ammoniaca (NH3)
ozono (O3)
ceneri (contenuto in ossidi e metalli)
acque reflue (nel caso di condensazione)
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combustibile rinnovabile
CO2 neutro
emissioni in atmosfera
• da combustione completa:
–
anidride carbonica (CO2)
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


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Aspetti ambientali:
Impianti a biomassa
Aspetti ambientali:

combustibile rinnovabile

CO2 neutro

emissioni in atmosfera

ceneri (contenuto in ossidi e metalli)

acque reflue (nel caso di condensazione)
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Impianti a biomassa

economie locali e filiera corta

…
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gestione del territorio
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
Altri aspetti:
Variabili che influenzano il processo di combustione
Il processo di combustione dipende da:
•
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Impianti a biomassa
caratteristiche e qualità del combustibile
•
tipologia di apparecchio e parametri progettuali
(particolarità del focolare, griglia, camera primaria, camera secondaria, aria
primaria, aria secondaria, sistemi di controllo e regolazione, sistemi
automatici di pulizia (estrazione ceneri, pulizia automatica superfici di
scambio termico));
•
gestione del processo
(aria, combustibile,…);
•
manutenzione
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Temperatura, Turbolenza e Tempo di residenza (regola delle 3 T);
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•
(potere calorifico, tenore idrico, composizione, omogeneità, contenuto di
cenere, presenza di corpi estranei o sporcizia, presenza di corteccia,
etc…);
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Variabili che influenzano direttamente o indirettamente emissioni e
efficienza:
 meccanismi di scambio termico
 accumulo termico (e inerzia iniziale nella fase di avviamento)
 isolamento delle pareti della camera di combustione
 preriscaldamento dell’aria
 eccesso d’aria
 tipo di combustibile
 portata di combustibile
 modalità di alimentazione del combustibile
 distribuzione del combustibile
 contenuto di umidità
 temperatura di combustione
 tempo di residenza
 tiraggio
 scelte progettuali
 air staging
 distribuzione aria
 distribuzione del calore
 schermi radianti
 regolazioni del processo di combustione
Impianti a biomassa
Combustione: biomassa con contenuto idrico < 60%.
Costituenti che non siano C, H e O sono indesiderati
 formazione di inquinanti, depositi, corrosione, cenere.
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Caratterizzazione della biomassa:
 sulla base della struttura fisico-chimica
(cellulosa, lignina, emi-cellulosa, estratti, ceneri)
 sulla base della natura atomica
(umidità, ceneri, C, H, O, N, S, K, Na, Cl, etc.)
 sulla base della volatilità
(umidità intrinseca, umidità estrinseca, materia volatile,
carbonio fisso, ceneri)
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Composizione della biomassa
Caratteristiche e qualità del combustibile
Contenuto di umidità
Contenuto di umidità nei combustibili da biomassa varia in
funzione del tipo di biomassa e della modalità di stoccaggio.
w
(peso umido – peso anidro)
100
peso umido
All’aumentare del contenuto di umidità:
 si abbassa la massima temperatura di combustione (temperatura
adiabatica di combustione) ed aumenta il tempo di residenza
necessario all’interno della camera di combustione  difficile
contenere le emissioni di sostanze dannose dovute a combustione
incompleta;
 aumenta il volume dei gas prodotti dalla combustione;
 diminuisce l’efficienza
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tenore idrico:
(peso umido – peso anidro)
100
peso anidro
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U
umidita’:
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All’aumentare del contenuto di umidità:
 si abbassa la massima temperatura di combustione (temperatura
adiabatica di combustione) ed aumenta il tempo di residenza
necessario all’interno della camera di combustione  difficile
contenere le emissioni di sostanze dannose dovute a combustione
incompleta;
 aumenta il volume dei gas prodotti dalla combustione;
 diminuisce l’efficienza
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Caratteristiche di alcune biomasse legnose
% su ss volatile
% ceneri
PCI
C
H
O
N
S
su ss
[MJ/kg]ss
48,8 6,0 44,2 0,5 0,01
0,5
20,0
49,8 5,9 44,4 0,6 0,04
1,9
18,3
0,6 n.a.
49,6 6,2 43,6
4,7
18,6
49,5 6,2 43,7 0,6
0,5
49,5 6,2 43,8
n.a.
n.a.
3,3
18,5
3,7
18,5
73,1 5,5
1,7
9,0
27,2
8,7
1,4
McKendry P. (2002), Energy production from biomass: Conversion technologies, Bioresource Technology
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betulla
pioppo
paglia di frumento
(Danimarca)
miscanto (Italia)
canna da zucchero
(Italia)
carbone bituminoso
18,6
17,3
16,1
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biomassa
PCI [MJ/kg]ss
% in peso su sostanza secca
biomassa
materia
carbonio
umidità
ceneri
volatile
fisso
legno
20,0
62,0
17,0
1,0
paglia di frumento
16,0
59,0
21,0
4,0
paglia d’orzo
30,0
46,0
18,0
6,0
Biomassa legnosa:
 da specie arboree ciocchi, briquettes, cippato, pellet, …
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Biomassa agricola:
 residui agricoli e colturali (stocchi, residui di potature, paglie…)
 semi e granaglie
 residui agroindustriali
Biomassa erbacea:
 erbacee annuali (sorgo da fibra, kenaf, canapa, …)
 erbacee poliennali (canna comune, miscanto, panico, cardo,…)
* Round Robin
mg/Nm3
@ 13%tests
O2 prodotti nord europei
* Round Robin tests prodotti nord europei
CO
NOx
210 CO
- 2.640 27NOx
- 160
210 -352.640 27 55
- 160
250 -351.000 12555
- 500
250 -151.000 125830
- 500
15
830
prove di laboratorio effettuate presso
hall sperimentale THEXAS, C.R. ENEA di Saluggia (VC)
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POLVERI
POLVERI
stufa a legna (*)
110 - 535
pellets(*)
stufa a legna
11040
- 535
caldaia
a cippato
35 40
- 150
stufa
a pellets
caldaia a cippato
- 150
mais (50%) 35150
mg/Nm3 @
caldaia
a 13%
maisO2(50%)
150
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Paglia, cereali ed erba:
ceneri (basse concentrazioni di Ca e alte concentrazioni di K) fondono a
T più basse e tendono a sinterizzare
 depositi e difficoltà di controllo e gestione del processo
Potere calorifico [MJ/kg]
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Potere Calorifico Superiore (PCS)
(altre unità di misura: kcal/kg, kWh/kg, …)
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Per la biomassa con riferimento:
• sul secco senza cenere (sssc),
• sul secco (ss),
• sul tal quale (stq)
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energia termica, riferita alla massa di combustibile, che viene liberata
dalla reazione di ossidazione completa a p costante, essendo i
reagenti nelle condiz. di riferimento ed i prodotti della combustione
riportati alle condiz. di riferimento con acqua allo stato vapore
Potere Calorifico Inferiore (PCI)
(PCI = PCS – calore condensazione acqua)
PCS biomassa: ca.18÷22 MJ/kg su base secca.
Determinazione PCS:
– bomba calorimetrica secondo procedura standardizzata
– formule empiriche conoscendo le frazioni in peso di C, H, S, N,
O e cenere su base secca.
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[MJ/kg ss]
PCS  0.3491 X C 1.1783  X H  0.1005  X S  0.0151 X N  0.1034  X O  0.0211 X ceneri
Potere calorifico inferiore [MJ/kg]
PCI  PCIss  1  xum   h  xum  PCIss  xum  PCIss  h
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per biomassa erbacea)
W
X
 W 
 W 
PCI  PCS  1 
 2.443  H  8.936  1 
  2.443 

100
100
100
100




[MJ/kg tal quale]
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Determinazione PCI:
calcolato conoscendo il potere calorifico superiore su base
secca, il contenuto in peso di umidità e la concentrazione di
idrogeno in peso su base secca (ca. 6% per biomassa legnosa, 5.5%
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PCI biomassa: ca.17÷19 MJ/kg su base secca.
• ss: sul secco;
• xum: contenuto di umidità in massa sul tal quale;
• h: calore di evaporazione dell’acqua a 25°C (2,44 MJ/kg)
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Potere calorifico legno (C 50%, H 6%, O 44% in peso su base secca)
24
20
4
0
0
5
10
W [%]
15
20
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PCS
PCI
12
PC [MJ/kg]
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Potere calorifico legno (C 50%, H 6%, O 44% in peso su base secca)
24
20
4
0
0
10
20
30
W [%]
40
50
60
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PCS
PCI
12
PC [MJ/kg]
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Regola delle 3T:
 Temperatura:
temperatura adiabatica di combustione
reazioni chimiche e formazione composti
 Turbolenza:
miscelamento tra aria e gas combustibili
volume di combustione
Tcad  T0 
PCI
c f  l  at
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Temperatura-Turbolenza-Tempo residenza, Stechiometria
n: indice d’aria
cf: capacità termica massica fumi media
at: aria teorica
T0: temperatura di riferimento
 Tempo di residenza:
Emissioni causate da combustione incompleta dovute a:
- miscelamento non adeguato tra aria comburente e gas combustibili;
-
carenza di ossigeno;
temperatura troppo bassa;
tempi di residenza troppo brevi;
bassa concentrazione di radicali
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fumi teorici/stechiometrici, portate necessarie alla combustione,
bilanci di massa e di energia)
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Stechiometria (aria teorica/stechiometrica, CO2 massima teorica,
completamento reazioni di ossidazione
Misure primarie:
 progettazione e conduzione impianto (camera di combustione ben
isolata, particolarità focolare, camere di combustione, combustione a più
stadi, punti di immissione aria, quantità e velocità aria, flusso/turbolenza in
camera, ricircolo fumi in camera di combustione, pre-riscaldamento aria
comburente, sistemi automatici di regolazione, ventilazione forzata,
dispositivi pulizia automatici);
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 impiantistica correlata (sistema accumulo inerziale, impianto idraulico, …)
sistemi di contenimento delle emissioni
Sistemi di controllo e regolazione
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Misure secondarie:
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 manutenzione
 combustibile (qualità del combustibile e utilizzo combustibili ammessi);
possibile riduzione del 50% delle emissioni di NOx per biomasse con basso
contenuto di N e dell’80% per biomasse con alto contenuto di N
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Misure primarie per riduzione di NOx
Two-stage combustion
Iniezione aria primaria nel letto di brace e iniezione aria secondaria nella
camera di combustione  buon miscelamento aria comburente con gas
combustibili (basso eccesso d’aria l<1.5)
Fuel staging
Combustibile introdotto nella fornace a due differenti livelli. Il combustibile
primario è bruciato con eccesso d’aria (l>1). In una seconda zona viene
introdotto il combustibile secondario e iniettata l’aria secondaria.
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Aria iniettata a due livelli. Aria primaria sotto-stechiometrica (lprimaria<1).
Necessari lunghi tempi di residenza e grandi volumi della camera di
combustione.
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Air staging
Necessario un accurato controllo del processo (sonda Lambda o sonda CO)
per assicurare un ottimale eccesso d’aria in tutte le fasi del processo.
La combustione di biomassa porta ad emissioni piuttosto rilevanti di particolato.
La maggior parte del particolato è costituito da particelle più piccole di 10 micron
(PM10) con un ampio spettro di particelle di diametro inferiore a 1 micron (submicron particles, PM1).
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Misure primarie per riduzione di particolato
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 Low particle concept
staged combustion con fase iniziale di gassificazione, gestione ottimizzata del
processo
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 regola 3T (temperatura, tempo, turbolenza)
 dimensioni camere di combustione
 staged combustion
Durante la combustione di biomassa le particelle si formano principalmente con
meccanismi di nucleazione, coagulazione e condensazione.
Camera di combustione standard
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Camera di combustione Low – NOx
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Progettazione impianto
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Camera di combustione Low–NOx
orizzontale
Camera di combustione
Low–NOx verticale
Pulizia automatica delle superfici di
scambio termico
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Elevato spessore isolante
del focolare
Aria primaria e aria
secondaria con regolazioni
 Sonda Lambda
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 Sonda CO e incombusti
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 Sonda temperatura
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Sistemi a fiamma inversa
 combustione a due stadi
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Indici di cattiva combustione:
(si possono avere per non più di 15 minuti nella
• fumo visibile
fase di accensione)
• odori
• grande quantità di cenere
• cenere pesante di colore grigio scuro
• deposito di cenere nelle vicinanze del camino
• fuliggine nello scambiatore di calore
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Indici di buona combustione:
• fumo non visibile
• assenza di odori
• poco residuo di cenere
• cenere di colore grigio chiaro/bianco
• poca fuliggine nello scambiatore di calore
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Influenza sulle emissioni del metodo di accensione:
• metodo tradizionale dal basso
• metodo corretto dall’alto (riduzione dal 50 all’80%
dell’emissione di particolato)
Influenza sulle emissioni del metodo di accensione:
• metodo tradizionale dal basso
• metodo corretto dall’alto (riduzione dal 50 all’80%
dell’emissione di particolato)
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PM  42,134  exp3.5536  XCO 
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Legame tra CO e PM
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L’effetto negativo di legna umida può essere ridotto utilizzando
ciocchi più piccoli
Per apparecchi in cui non c’è una camera secondaria
 non mettere tanta legna
Misure per ottimizzare la combustione  aumentare il
rendimento e ridurre le emissioni:
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NO incenerimento domestico!
NO utilizzo di biomassa qualsiasi!
SI’ controllo ottimizzato della combustione
SI’ gestione ottimizzata dell’impianto
•
•
•
•
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Conclusioni
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• qualità e prestazioni dei generatori presenti sul mercato
(buona progettazione, sistemi di controllo e regolazione);
• definizione test standards;
• progettazione e installazione (puffer, impianto idraulico);
• informazioni all’utilizzatore;
• corretta conduzione e manutenzione
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Misure per ottimizzare la combustione  aumentare il
rendimento e ridurre le emissioni:
Conclusioni
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Grazie per l’attenzione
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Ottimizzazione del processo di combustione

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