Ottimizzazione del processo di combustione
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Ottimizzazione del processo di combustione
viesmann 24/09/2009 Pagina 1 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 viesmann Fenomenologia della combustione Può essere distinto in 4 fasi: Pagina 2 (il tempo necessario per ogni reazione dipende dal tipo di biomassa, dalle dimensioni, dalla temperatura e dalle condizioni della combustione) 24/09/2009 essicazione (drying) devolatilizzazione (devolatilisation) gassificazione (gasification) combustione del carbone (char combustion) e ossidazione dei gas (gas-phase oxidation). La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Essiccazione (drying): evaporazione dell’acqua H 2Oliq (s) H 2Ovap ( g ) viesmann Fenomenologia della combustione 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 24/09/2009 reaz. omogenee e eterogenee con ossigeno libero e agenti ossidanti Pagina 3 Gassificazione (gasification): La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile fraz volatile(s) Ca HbOc ( g ) conservazione della massa conservazione dell’energia viesmann Fenomenologia della combustione Reazione elementare di combustione: 24/09/2009 Eccesso/indice d’aria (l): rapporto tra l’aria comburente localmente presente e l’aria comburente stechiometrica Pagina 5 per composizione media biomassa legnosa La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Equazione globale di combustione: viesmann 24/09/2009 Pagina 6 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,…) La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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) viesmann combustibile rinnovabile CO2 neutro emissioni in atmosfera • da combustione completa: – anidride carbonica (CO2) 24/09/2009 Pagina 7 Aspetti ambientali: La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Impianti a biomassa Aspetti ambientali: combustibile rinnovabile CO2 neutro emissioni in atmosfera ceneri (contenuto in ossidi e metalli) acque reflue (nel caso di condensazione) viesmann Impianti a biomassa economie locali e filiera corta … 24/09/2009 gestione del territorio Pagina 8 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Altri aspetti: Variabili che influenzano il processo di combustione Il processo di combustione dipende da: • viesmann 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 24/09/2009 Temperatura, Turbolenza e Tempo di residenza (regola delle 3 T); Pagina 9 • La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile (potere calorifico, tenore idrico, composizione, omogeneità, contenuto di cenere, presenza di corpi estranei o sporcizia, presenza di corteccia, etc…); viesmann 24/09/2009 Pagina 10 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 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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. viesmann 24/09/2009 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) Pagina 11 Composizione della biomassa La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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 24/09/2009 tenore idrico: (peso umido – peso anidro) 100 peso anidro Pagina 12 U La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile umidita’: viesmann Caratteristiche e qualità del combustibile viesmann 24/09/2009 Pagina 13 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 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Caratteristiche e qualità del combustibile viesmann Caratteristiche e qualità del combustibile 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 24/09/2009 betulla pioppo paglia di frumento (Danimarca) miscanto (Italia) canna da zucchero (Italia) carbone bituminoso 18,6 17,3 16,1 Pagina 14 biomassa PCI [MJ/kg]ss La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile % 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, … viesmann Caratteristiche e qualità del combustibile 24/09/2009 Pagina 15 Biomassa agricola: residui agricoli e colturali (stocchi, residui di potature, paglie…) semi e granaglie residui agroindustriali La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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) viesmann 24/09/2009 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 Pagina 16 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 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Caratteristiche e qualità del combustibile Potere calorifico [MJ/kg] viesmann Caratteristiche e qualità del combustibile Potere Calorifico Superiore (PCS) (altre unità di misura: kcal/kg, kWh/kg, …) 24/09/2009 Per la biomassa con riferimento: • sul secco senza cenere (sssc), • sul secco (ss), • sul tal quale (stq) Pagina 17 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 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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. viesmann Caratteristiche e qualità del combustibile 24/09/2009 Pagina 18 [MJ/kg ss] La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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 viesmann Caratteristiche e qualità del combustibile 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] 24/09/2009 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% Pagina 19 PCI biomassa: ca.17÷19 MJ/kg su base secca. La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile • 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) viesmann Caratteristiche e qualità del combustibile Potere calorifico legno (C 50%, H 6%, O 44% in peso su base secca) 24 20 4 0 0 5 10 W [%] 15 20 24/09/2009 8 Pagina 20 PCS PCI 12 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile PC [MJ/kg] 16 viesmann Caratteristiche e qualità del combustibile 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 24/09/2009 8 Pagina 21 PCS PCI 12 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile PC [MJ/kg] 16 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 viesmann 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 24/09/2009 fumi teorici/stechiometrici, portate necessarie alla combustione, bilanci di massa e di energia) Pagina 22 Stechiometria (aria teorica/stechiometrica, CO2 massima teorica, La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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); viesmann Ottimizzazione del processo di combustione impiantistica correlata (sistema accumulo inerziale, impianto idraulico, …) sistemi di contenimento delle emissioni Sistemi di controllo e regolazione 24/09/2009 Misure secondarie: Pagina 23 manutenzione La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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 viesmann 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. 24/09/2009 Aria iniettata a due livelli. Aria primaria sotto-stechiometrica (lprimaria<1). Necessari lunghi tempi di residenza e grandi volumi della camera di combustione. Pagina 24 Air staging La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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). viesmann Misure primarie per riduzione di particolato 24/09/2009 Low particle concept staged combustion con fase iniziale di gassificazione, gestione ottimizzata del processo Pagina 25 regola 3T (temperatura, tempo, turbolenza) dimensioni camere di combustione staged combustion La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Durante la combustione di biomassa le particelle si formano principalmente con meccanismi di nucleazione, coagulazione e condensazione. Camera di combustione standard viesmann 24/09/2009 Camera di combustione Low – NOx Pagina 26 Progettazione impianto La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Ottimizzazione del processo di combustione Progettazione impianto viesmann Ottimizzazione del processo di combustione 24/09/2009 Pagina 27 Camera di combustione Low–NOx orizzontale La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Camera di combustione Low–NOx verticale Progettazione impianto Pulizia automatica delle superfici di scambio termico viesmann Ottimizzazione del processo di combustione 24/09/2009 Pagina 28 Elevato spessore isolante del focolare La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Aria primaria e aria secondaria con regolazioni Sistemi di controllo e regolazione Sonda Lambda viesmann Ottimizzazione del processo di combustione Sonda CO e incombusti 24/09/2009 Pagina 29 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Sonda temperatura viesmann 24/09/2009 Sistemi a fiamma inversa combustione a due stadi Pagina 30 Sistemi di controllo e regolazione La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Ottimizzazione del processo di combustione Pagina 31 24/09/2009 viesmann Sistemi di controllo e regolazione La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Ottimizzazione del processo di combustione viesmann 24/09/2009 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 Pagina 32 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 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Ottimizzazione del processo di combustione viesmann 24/09/2009 Pagina 33 Influenza sulle emissioni del metodo di accensione: • metodo tradizionale dal basso • metodo corretto dall’alto (riduzione dal 50 all’80% dell’emissione di particolato) La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Ottimizzazione del processo di combustione Influenza sulle emissioni del metodo di accensione: • metodo tradizionale dal basso • metodo corretto dall’alto (riduzione dal 50 all’80% dell’emissione di particolato) viesmann Ottimizzazione del processo di combustione PM 42,134 exp3.5536 XCO 24/09/2009 Legame tra CO e PM Pagina 34 L’effetto negativo di legna umida può essere ridotto utilizzando ciocchi più piccoli La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile 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: Pagina 35 24/09/2009 NO incenerimento domestico! NO utilizzo di biomassa qualsiasi! SI’ controllo ottimizzato della combustione SI’ gestione ottimizzata dell’impianto La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile • • • • viesmann Conclusioni viesmann 24/09/2009 • 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 Pagina 36 Misure per ottimizzare la combustione aumentare il rendimento e ridurre le emissioni: La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Conclusioni Pagina 37 24/09/2009 La biomassa legnosa come risorsa energetica ecocompatibile Grazie per l’attenzione viesmann