1.2 Combustione delle biomasse - Dipartimento di Ingegneria

Transcript

Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale
Modulo 1. Biomasse
Sezione 1.2: Analisi del processo di combustione di
biomassa solida
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIN) - University of Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy
Agenda
Introduzione:
diossine
meccanismi
di
formazione
delle
Analisi della combustione di una singola unità di
biomassa
La regolazione in camera di combustione
2
Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine
La composizione delle biomasse in termini di costituenti principali (cellulosa,
emicellulosa e lignina) è in realtà difficilmente ottenibile, data l’elevata complessità
dell’analisi. E’ molto più frequente una conoscenza della composizione elementare in
termini di atomi costituenti, di cui un esempio è riportato in tabella. Questa composizione
elementare fornisce quindi informazioni su precursori di emissioni inquinanti quali azoto,
zolfo o cloro. La presenza di cloro, carbonio, idrogeno e ossigeno in processi di
combustione segnala il rischio della formazione di diossine.
3
Le diossine sono una classe di composti organici aromatici
clorurati la cui struttura fondamentale consiste in due anelli
benzenici legati da due atomi di ossigeno e legati con uno o più
atomi di cloro.
La diossina è tra le sostanze di sintesi più tossiche in assoluto.
Le diossine vengono generate come sottoprodotti non voluti di numerosi processi di
produzione, utilizzazione e smaltimento del cloro e dei suoi derivati. Le emissioni
industriali di diossine possono essere trasportate per grandi distanze dalle correnti
atmosferiche, e, in misura minore, dai fiumi e dalle correnti marine.
Le diossine sono chimicamente degradabili in pochi giorni dalla radiazione solare
ultravioletta in presenza di donatori di ioni idrogeno; se invece vengono dilavate nel
terreno, si legano al materiale organico ivi presente e permangono per lunghi periodi di
tempo (anni); vengono così trasferite tramite la catena alimentare e possono accumularsi
nei tessuti grassi, tanto degli animali quanto dell’uomo.
4
Le diossine sono un gruppo di 75 composti noti come policlorodibenzo-p-diossine
(PCDD). Allo stesso modo, furani (PCDF o policlorodibenzofurani) e policlorobifenili
(PCB) sono un gruppo di 135 e 209 composti, rispettivamente. Queste sostanze chimiche
sono gruppi di composti clorurati con caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche
simili.
Di queste sostanze chimiche, 7 diossine, 10 furani e 12 PCB «dioxin-like» (DL-PCB),
contenenti da 4 a 8 atomi di cloro, sono tra i più tossici e bioaccumulabili, e
rappresentano un grave rischio per la salute.
La tossicità di questi composti varia di oltre cinque ordini di grandezza e dipende in larga
misura dal numero e dalla posizione degli atomi di cloro. La tossicità complessiva di una
miscela di diossine è generalmente espresso come tossicità equivalente (TEQ, Toxic
Equivalent) al componente 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina (2,3,7,8-TCDD), che è la
più tossica di queste 29 diossine, furani e composti «dioxin-like».
A partire dal 1990 diversi paesi europei hanno fissato limiti di emissione rigorosi per le
diossine. In particolare, è stato fissato un limite di 0,1 ng-TEQ/Nm3 nei fumi prodotti dagli
impianti di termovalorizzazione.
5
Table: Most important dioxin and dioxin-like air emission sources (Quaß et al., 2000).
Source type
Emissions
TEQ
[g/year]
MSW incineration
1,437-174 Decreasing trend.
Sinter plant for recycled materials 1,010-115
Residential wood combustion
945
Extend of contaminated wood
uncertain.
Clinical waste incineration
816
Few plant data and statistics.
Wood preservation
381
From pentachlorophenol treated goods.
Fires
380
Non-ferrous metals
136
Cu, Al, Zn.
Road transport
111
Mainly leaded fuel, decreasing trend.
Total
5,545
used
6
Il processo di combustione della biomassa
del tar
7
I processi di formazione delle diossine sono particolarmente complessi ed ancora non
completamente noti. In generale, si fa riferimento a due principali meccanismi di
formazione [4, 6, 8, 10]:
i.
La produzione a temperature relativamente basse (200-400°C) per reazione sulle
superfici di particolato carbonioso come la fuliggine (soot) e ceneri volanti (fly ash)
contenenti metalli che fungono da catalizzatori (“de novo synthesis”).
ii. La produzione a temperature relativamente alte (500-800°C) in fase gassosa
(omogenea) a partire da sostanze chiamate precursori, come clorofenoli o
clorobenzeni (“pyrosynthesis”).
I meccanismi di produzione si differenziano quindi per due importanti aspetti: il range di
temperatura nel quale avviene formazione di diossine e il tipo di precursore (particelle
solide nel caso della “de novo synthesis”, composti gassosi per la “pyrosynthesis”).
La letteratura si è concentrata particolarmente sullo studio della produzione di diossine
a bassa temperatura in quanto sono quelle prodotte in quantità maggiori.
8
Grafico qualitativo normalizzato della velocità di formazione delle diossine in funzione
della temperatura per i meccanismi di formazione di pyrosyntesis e de novo syntesis
In generale, le concentrazioni di diossine rilevate vengono normalmente espresse in ng/g
di cenere volatile (fly-ashes) nel processo di de novo synthesis, ed in μg/Nm3 di fumi allo
scarico per quanto riguarda il processo di pyrosynthesis. Tali dati, così espressi, non
sono immediatamente confrontabili tra loro se non attraverso un procedimento di
normalizzazione. Il grafico in figura deriva da una attività di analisi della letteratura sui
processi di formazione delle diossine e successiva normalizzazione dei parametri con
cui sono espresse le emissioni di diossine.
9
Per la curva della de novo synthesis (rossa in figura), sono stati elaborati i valori
presentati da Stanmore [24], che esprime i dati in ng/g di cenere volante. Considerando
che circa il 3% in peso del combustibile si trasforma in fly-ashes (dato medio del
termovalorizzatore di rifiuti solidi urbani di Forlì), si dividono le concentrazioni di
Stanmore per 33,3, cosicché, detta gc la portata di combustibile, si ottiene la
concentrazione espressa come ng/gc. Dal momento che i precursori di partenza (elementi
che favoriscono la formazione di diossine e talvolta le ospitano, come ad esempio
particelle solide) e i tempi di residenza sono i medesimi per i vari esperimenti condotti da
Stanmore alle diverse temperature, si può ipotizzare che, per una data temperatura, la
concentrazione di diossine rilevata sia proporzionale alla velocità di formazione delle
diossine stesse. Tale velocità è stata graficata in figura in forma adimensionale rispetto
alla velocità massima. La formazione di diossine raggiunge un massimo per temperature
di circa 300°C (108 ng/gc formati in 2 ore, secondo quanto riportato da Stanmore).
10
I dati sperimentali sono ben rappresentati da una curva di interpolazione gaussiana
all’interno dell’intervallo di temperatura T (K) considerato.
i.
Il parametro «a» agisce sulla funzione con un cambio di scala rispetto all’asse y
(valore massimo della funzione);
ii. Il parametro «c» agisce sulla funzione con un cambio di scala rispetto all’asse x
(ampiezza della curva, legata al concetto di varianza);
iii. Il parametro «b» agisce sulla posizione dell’asse di simmetria della curva (valore di
temperatura corrispondente alla massima velocità di formazione delle diossine,
legata al concetto di valore medio).
De novo synthesis
a
(altezza della curva)
b
(Temperatura in
corrispondenza
massimo)
σ2: varianza
μ: valor medio
c
(ampiezza curva)
1
K
in
del
573,15
55
11
Per
la
pyrosynthesis,
vengono
riportati, su scale diverse, i risultati di
due differenti studi. Un primo studio
(già graficato in precedenza) è relativo
all’esperienza di Shaub e Tsang [25]
(curva blu). L’esperienza è stata
condotta con una concentrazione
iniziale
di
precursori
attivabili
(triclorofenolo) pari a 300 μg/Nm3.
V/Vmax‐de novo
Concentrazione di precursori per la
pyrosynthesis
0,00007
3,00E+00
0,00006
2,50E+00
0,00005
2,00E+00
0,00004
1,50E+00
0,00003
1,00E+00
0,00002
0,00001
5,00E‐01
0
0,00E+00
1000
0
200
400
600
Temperatura [°C]
800
Il secondo studio è relativo all’esperienza
di Sidhu (curva arancione), dove la
concentrazione iniziale di precursori è assai più elevata (68700 μg/Nm3). È evidente come
la velocità di formazione di diossine per pyrosynthesis sia fortemente condizionata dalla
quantità di precursori in gioco. Infatti, all’aumentare della concentrazione di precursori
diminuisce la distanza che le molecole devono percorrere per interagire tra loro ed
aumenta la probabilità di dare luogo alla formazione di diossina. Secondo Huang e
Buekens [26] la concentrazione di precursori in gioco in un inceneritore è dell’ordine di
10 μg/Nm3: ciò suggerisce come la de-novo synthesis possa essere considerata come il
principale meccanismo di formazione da diossine.
12
Anche per la pyrosynthesis è stata necessaria un’elaborazione dei dati per riportare le
concentrazioni solitamente espresse in μg/Nm3 in μg/kgcomb. Per fare questo si è
utilizzata l’analisi chimica di un campione di materiale da rifiuto solido urbano (RSU
#2920 del Phyllis database) al fine di calcolare il rapporto stechiometrico
aria/combustibile. Tale rapporto viene poi incrementato del 75% per tenere conto
dell’eccesso d’aria (valore medio nella combustione nel caso di rifiuti solidi urbani). A
questo punto sono noti i Nm3fumo/kgcomb e pertanto risultano noti i μg/kgcomb dal prodotto:
In figura è mostrata la posizione del
combustibile considerato (PCI 17,4 MJ/kg)
all’interno del Diagramma triangolare di
Tanner.
13
La figura evidenzia tre zone di relativa
“calma”: non si verificano problemi di
formazione di diossine quando le
temperature permangono sotto i 150°C,
o restano in un intorno tra 400 e 500°C o
quando le temperature salgono sopra gli
800°C.
E’ da notare che se anche gli andamenti
delle reazioni di de-novo synthesis e
pyrosynthesis assumono dinamiche
simili, sono però molto differenti: circa 5
ordini di grandezza di differenza!
V/Vmax
1,00E+00
1,00E‐04
8,00E‐01
8,00E‐05
6,00E‐01
6,00E‐05
4,00E‐01
4,00E‐05
2,00E‐01
2,00E‐05
0,00E+00
0,00E+00
1000
0
200
400
600
800
Temperatura [°C]
De novo
synthesis
Pyrosynthesis
a
(altezza della curva)
1
5,8E-05
b
(Temperatura in K
in corrispondenza
del massimo)
573,15
923,15
55
220
c
(ampiezza curva)
14
Agenda
Introduzione:
diossine
meccanismi
di
formazione
delle
biomassa
15
Analisi della combustione di una singola unità di biomassa
La temperatura di combustione della biomassa è, tuttavia, un parametro difficile da
controllare a causa della natura disomogenea, anisotropa e morfologicamente irregolare
del combustibile. Oltre a ciò esistono numerosi fattori, impiantistici e di processo, che
possono allontanare notevolmente le condizioni reali di combustione da quelle
teoricamente ottimali previste in sede progettuale.
Si consideri, ad esempio, un’unità di combustibile di forma cilindrica investita dall’aria
comburente come indicato, in un caso specifico, in figura, ove sono trascurati gli effetti
derivanti dall’altezza finita dell’oggetto. Si può comprendere immediatamente come la
vena fluida dell’aria che lambisce la biomassa generi zone a temperatura diversa in ogni
punto della superficie interessata dalla fiamma, a causa della diversa portata di aria che
interagisce, in ogni punto, con la superficie laterale del cilindro.
16
L’obiettivo della regolazione in camera di combustione è quello di mantenere la
temperatura non solo mediamente, bensì anche localmente alta (800 : 850 °C), per
evitare di scendere sotto la temperatura di inizio formazione delle diossine per
pyrosynthesis.
Per poter fare ciò è necessario mantenere il più possibile costante il rapporto
aria/combustibile, che, come verrà mostrato nelle slide successive, cambia al variare
della superficie di combustione e della velocità di combustione.
Per poter tenere controllati i suddetti parametri, a livello di caldaia, si può agire in due
direzioni:
i.
Modulare la portata di aria in funzione dello stato di avanzamento della combustione;
ii. Omogeneizzare il più possibile i parametri termo-fluidodinamici in camera di
combustione al fine di far coincidere i valori medi con quelli puntuali (portata di
combustibile, portata di aria, temperatura di combustione).
17
Per poter controllare i parametri di combustione è necessario individuare alcune
caratteristiche del combustibile:
i.
il rapporto superficie/volume del singolo elemento non può modificare, al suo
inserimento, la media degli elementi che, ad un certo istante, partecipano alla
combustione, altrimenti l’introduzione del nuovo elemento andrebbe a variare
significativamente il rapporto aria/superficie dell’intera massa di combustibile.
ii. un valore molto alto del rapporto superficie / volume (ad esempio, segatura dalla
lavorazione del legno) e, quindi, di fatto poco variabile durante la combustione, è utile
per una corretta gestione dei parametri in camera di combustione, ma potrebbe
introdurre alcune complicazioni gestionali come i costi di trasporto elevati per la
bassa densità energetica: difatti, la segatura ha una densità energetica dalle 3 alle 4
volte inferiore al pellet. Ben si adatta, pertanto, alle situazioni in cui la segatura è
prodotta in loco.
iii. quando il rapporto superficie/volume del singolo elemento combustibile è, all’origine,
molto basso (ad esempio, legna da ardere in tronchi), al procedere della ossidazione
la sua dimensione si riduce, aumentando il rapporto stesso. Pertanto, esso varia
notevolmente anche in funzione delle modalità di alimentazione del combustibile.
18
Il pellet è
i.
per rapporto superficie/volume (circa due ordini di grandezza superiore alla legna da
ardere in ciocchi),
ii. per densità energetica (dalle 3 alle 4 volte superiore alla segatura, se riferita alla
densità in mucchio),
iii. per ripetitività dei rapporti dimensionali (EN 14961),
iv. per facilità di gestione all’interno dell’impianto,
uno degli elementi che meglio si presta ad una combustione ad elevata efficienza
energetica e ridotto impatto ambientale.
I pellet sono piccoli cilindretti di legno pressato. La
materia prima è costituita da resti naturali del legno,
come trucioli o segatura. I tipici produttori di pellet sono
grandi segherie e falegnamerie, dove la materia prima
per il pellet è un prodotto secondario e grazie a questo
nascono delle sinergie nel ciclo di produzione.
Trafila per la produzione di pellet
19
Per la produzione di una tonnellata di pellet (densità circa 1200 kg/m3 , densità apparente
circa 600 kg/m3), occorrono dai sei agli otto metri cubi di trucioli e segatura (densità
apparente circa 200 kg/m3).
La differente umidità presente nei diversi tipi di legno e la grandezza dei trucioli e della
segatura sono variabili di fondamentale importanza. Per raggiungere una qualità
costante della materia prima con un’umidità residua ben determinata, la segatura è
anticipatamente essiccata e pulita dalle impurità.
Dopo la preparazione della materia prima, il materiale è trasportato tramite una coclea
alle presse. Degli appositi cilindri pressano il materiale attraverso i fori di una matrice.
Dopo la pressatura, i pellet caldi sono tagliati alla lunghezza desiderata e raffreddati con
l’aria ambiente.
Il consumo d’energia necessario alla produzione e alla distribuzione del pellet partendo
da resti secchi del legno è molto minore a quello richiesto dal metano o dal gasolio. Il
consumo d’energia per la produzione e la distribuzione del pellet corrisponde a solo il
2,7% dell’energia finale, rispetto al 10% del metano e al 12% del gasolio (valori
orientativi). Se per la pellettizzazione si usa segatura umida o resti della lavorazione del
bosco, il dispendio d’energia aumenta a causa dell’alto contenuto d’acqua.
20
Per comprendere il processo di combustione di una biomassa ligneo – cellulosica si
propone un modello semplificato.
Si consideri una generica unità di combustibile cilindrica (UNI EN 14961-1) di raggio r e
altezza h.
Introducendo il rapporto di forma k=h/r, considerato costante durante la combustione, il
volume V dell’unità di combustibile si può dunque scrivere come:
21
Il volume di combustibile interessato dall’ossidazione è costituito solamente dalla
superficie esterna la quale, nell’ipotesi di allontanamento istantaneo della cenere, andrà
riducendosi progressivamente col procedere della combustione.
Con riferimento alla figura si può quindi definire il
volume elementare di combustibile effettivamente
coinvolto nel processo di combustione in un
determinato istante come:
r
dr
Indicando con ρ la densità del combustibile e con Gc
la portata in massa di combustibile coinvolto nel
processo di combustione in un determinato istante,
risulta:
22
Si definisce velocità di propagazione della fiamma (vpf) in direzione normale alle superfici
del cilindro il rapporto tra la portata volumetrica istantanea di combustibile dV/dt e la
superficie del cilindro Sc esposta alla fiamma. Essendo h = k r ,
In cui si è introdotto il coefficiente k’= 3k/2(k+1) che rappresenta la funzione di
trasferimento tra la velocità di propagazione della fiamma vpf e l’avanzamento radiale
dr/dt.
La velocità di propagazione della fiamma vpf dipende fondamentalmente da:
1. qualità del combustibile,
2. quantità di inerti,
3. quantità di acqua.
Quindi, a valle di un processo di essiccazione, si può assumere costante.
23
Influenza del fattore di forma k sull’avanzamento radiale dr/dt
Considerando costante vpf, dalla prima espressione si nota una relazione di
proporzionalità inversa tra k’ e la velocità di avanzamento radiale della fiamma.
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Rapporto k’/k∞
Coefficiente k’
Andamento del coefficiente k’
1,50
1,40
1,30
1,20
1,10
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Fattore di forma k=h/r
Come si nota dalla figura a lato:
• Bassi valori di k (k<2) comportano
k’<1  elevati dr/dt
• k=2  k’=1  vpf=dr/dt
• Per elevati valori di k si ottiene che
k’ tende al valore asintotico 1,5 
dr/dt minimo
24
Bassi valori di k (k<2) pellet di
combustibile di forma schiacciata
(vedi fig. a)  elevati dr/dt
ii. Per k=2  h del cilindro è uguale a
d  la forma è quella che più si
avvicina ad una sfera (massimo
rapporto tra volume e superficie
esterna come mostrato in figura b),
il coefficiente k’ assume il valore 1
e dunque vpf=dr/dt.
Andamento del coefficiente k’
1,50
1,40
1,30
1,20
1,10
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Rapporto k’/k∞
i.
Coefficiente k’
Risulta quindi che:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Fattore di forma k=h/r
iii. Per elevati valori di k  pellet di
combustibile di forma allungata
(vedi fig. c)  dr/dt minimo
25
Dalla espressione già vista in precedenza:
risulta evidente come la portata istantanea di combustibile coinvolto nella combustione
Gc diminuisca in modo assai significativo al diminuire del raggio dell’unità di
combustibile.
Detti gat il valore dell’aria stechiometrica per la combustione di 1 kg di prodotto
(kgaria/kgcombustibile), ed et l’eccesso d’aria stabilito per la combustione ( che deve
rimanere complessivamente costante al procedere della combustione), la portata di aria
totale Gac si esprime come segue:
La portata d’aria Gac dipende quindi direttamente da:
i. dimensioni dell’unità del combustibile, ovvero dal raggio r e dal rapporto di forma k,
ii. composizione chimica dello stesso.
26
Durante la combustione, ad ogni instante t il volume del singolo elemento si riduce,
mentre la portata d’aria di combustione introdotta, essendo solitamente fornita con
circolazione forzata, resta costante (Gar = costante).
Di conseguenza, l’eccesso di aria “e” varia ed assume valori diversi da et , aumenta al
diminuire del raggio dell’unità e quindi della portata di combustibile interessata alla
combustione.
Definendo l’indice d’aria come
λ = 1+ e,
si può scrivere:
L’incremento dell’eccesso d’aria porta ad una variazione del rapporto aria/combustibile e
quindi un cambiamento della temperatura di combustione.
27
Ponendo:
- Gf : portata in massa dei prodotti della combustione (comprendente sia la fase gassosa
che quella solida: fly ash, ceneri volanti, e bottom ash, ceneri di fondo);
- ∆ha , ∆hc , ∆hf le variazioni specifiche di entalpia (in kJ/kg) di aria, combustibile e
prodotti di combustione rispetto ad una condizione di riferimento comune (temperatura
di riferimento Trif);
-ki : potere calorifico inferiore del combustibile espresso in [kJ/kg]
-Ta la temperatura di ingresso dell’aria.
Si ottiene (bilancio di energia) :
28
Si trascura il contributo entalpico del combustibile Gc·∆hc. Si consideri la temperatura di
riferimento Trif, pari alla temperatura ambiente Tamb. Nel caso in cui non ci sia
preriscaldamento dell’aria in ingresso, la temperatura di ingresso Ta è pari a quella
ambiente Tamb. Si ottiene quindi:
Si noti che la temperatura dei fumi Tf diminuisce all’aumentare del rapporto Gar/Gc il
quale, a parità di Gar, aumenta al diminuire di Gc.
29
Si consideri ora un’unità di combustibile cilindrica, di raggio iniziale r0 e di volume
iniziale V0. Si indichi con %Vr la frazione di combustibile residuo (numero compreso fra 0
ed 1) rispetto al volume iniziale. Esprimendo V(t) = k π r3, si ha:
Riprendendo ora l’espressione relativa alla temperatura dei fumi Tf, si sostituiscono le
seguenti espressioni per la portata di combustibile disponibile Gc (variabile nel tempo) e
la portata di aria reale Gar, la quale è funzione delle dimensioni iniziali dell’unità di
combustibile.
30
ki, cpf, gat sono valori legati alle caratteristiche del combustibile e in prima
approssimazione possono essere assunti invarianti durante il processo.
La temperatura dei prodotti di combustione dipende quindi dalla percentuale di volume
di combustibile residuo e dall’eccesso di aria.
31
Dall’equazione
precedente
dedurre, a fissato %Vr, che:
è
possibile
L’andamento di Tf è antitono per valori di
λ≥1.
ii. Per λ<1, Tf diminuisce perché il
combustibile
viene
ossidato
solo
parzialmente.
iii. Il
valore
teorico
massimo
della
temperatura si ha per combustioni in
condizioni stechiometriche, in cui l’indice
d’aria λ vale 1 (in realtà, per λ=1, Tf non
raggiunge il valore massimo a causa della
non
completa
ossidazione
del
combustibile).
Tf
i.
λ
Osservando la figura si può notare quanto l’umidità (u) contenuta all’interno del
combustibile influisca sulle massime temperature di combustione raggiungibili,
facendole diminuire sensibilmente.
32
Esempio numerico:
Si consideri un pellet con le seguenti caratteristiche descritte in tabella:
Wood pellet #1 (wp1)
Densità biomassa [kg/m3]
Potere calorifico inferiore ki [MJ/kg]
Rapporto aria/combustibile stechiometrico gat [kga/kgc]
Siano:
vpf = 4mm/min [18],
et = 5%,
cpf = 1 kJ/(kgK),
1180
16.3
5.79
Tamb = 20 °C.
33
Le temperature calcolate sono riportate nel seguente grafico in funzione di %Vr. Con Tpyr
è indicato il valore di 800°C sotto il quale iniziano i processi di pyrosynthesis.
Le temperature massime reali, quando l’eccesso di aria non superi il 10-20% devono
essere moltiplicate per un fattore correttivo pari a 0,7-0,8 (questi coefficienti tengono
conto della combustione non adiabatica, della perdita di potenza per irraggiamento e del
34
fatto che la combustione avviene in un volume finito e non infinitesimo).
Gar , Gac
e
Nel grafico seguente sono rappresentati gli andamenti delle portate di aria comburente
(per il caso k=4 e r0=5 mm; pellet D10 secondo le normative UNI EN 14961-1:2010, vedi
modulo 1.1 slide 19), della portata di aria realmente immessa, Gar (che rimane costante
durante tutta la combustione), e della ottimale (Gac).
La quantità di combustibile residuo diminuisce  eccesso di aria (e) aumenta
iperbolicamente.
35
Formazione diossine a combustibile esausto
Nel
modello
utilizzato,
verosimile
nella
fase
di
spegnimento del combustibile,
la portata di combustibile in
fase di ossidazione tende a 0,
mentre la portata di aria
rimane costante.
Per quanto detto il rapporto
aria/combustibile cresce al
procedere della combustione e
la temperatura diminuisce
Al di sotto di 800°C, temperatura limite per l’innesco di fenomeni di pyrosynthesis, si
entra in una zona a rischio di produzione di diossine già all’interno della camera di
combustione.
36
Risulta fondamentale quantificare il tempo in cui la combustione avviene al di sotto degli
800°C. L’equazione seguente permette di calcolare il tempo necessario a raggiungere i
diversi valori di %Vr, al procedere della combustione.
con k’= 3k/2(k+1) che può variare fra 0 e 1,5
All’istante iniziale t0 la percentuale di massa incombusta è il 100%, ovvero %Vr = 1.
ΔT risulta quindi uguale a 0 (istante iniziale).
Al termine della combustione (trascurando la massa residua di cenere) si ha %Vr = 0 e
pertanto il tempo per l’intera combustione risulta Δt = k’ ro / vpf.
Tale intervallo di tempo è ovviamente proporzionale a r0 ed inversamente proporzionale a
vpf, ma si noti che esso è proporzionale anche a k’ (che varia da 0 e 1,5)  un corpo di
forma piatta si consuma in modo molto più rapido di uno di forma allungata.
37
Di seguito verranno ricavati gli andamenti nel tempo della temperatura dei fumi in
funzione della raggio iniziale r0 (con k=4):
Essendo dr/dt=-vpf/k’ risulta: dr=-vpf/k’*dt che integrata da r0 al generico raggio r e da t0
iniziale (uguale a zero) al tempo t in cui si arriva al raggio r, dà la seguente equazione:
Pertanto:
38
r0 ↑
39
Andamenti nel tempo della temperatura dei fumi in funzione della rapporto di forma k con
r0=5mm.
Andamento della temperatura dei fumi al variare di k (r0=5mm)
2400
2200
2000
1800
Temperatura dei fumi [°C]
1600
1400
1200
1000
800
Tpyr
600
400
k=2 k'=1
k=4
k'=1,2
k=10k'=1,36
200
0
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
Tempo [min]
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
40
All’aumentare del volume di combustibile, i tempi di permanenza dello stesso a
temperatura dei fumi inferiore a 800°C aumenta. Ciò risulta evidente dal grafico seguente
ove vengono diagrammati i tempi di permanenza sotto gli 800°C al variare del raggio
iniziale r0 e di k.
Tempi di permanenza dei fumi al di sotto degli 800°C durante la combustione
completa di un pellet in funzione delle caratteristiche geometriche del pellet
Tempi di permanenza sotto 800°C [min]
7,00
6,00
5,00
4,00
k=10
3,00
k=4
k=2
2,00
1,00
0,00
0
10
20
30
Raggio iniziale [mm]
40
50
60
41
Agenda
Introduzione:
diossine
meccanismi
di
formazione
delle
biomassa
42
CALDAIA A FIAMMA DIRETTA VS FIAMMA INVERSA
Nei processi a fiamma diretta, il combustibile viene
caricato dall’alto e l’aria viene introdotta dal basso.
L’aria incontra le unità in avanzata fase di combustione
che si trovano sul fondo del braciere, le quali
teoricamente richiederebbero un minor quantitativo di
aria. Il risultato è una combustione in abbondante
eccesso di aria fredda che comporta il rischio di
produzione di diossine.
Viceversa le caldaie a fiamma inversa sono così
chiamate per la posizione della camera di combustione,
situata al di sotto del vano nel quale viene caricato il
combustibile (solitamente legna da ardere, ceppi,
bricchetti, pellets).
In questo caso l’aria viene introdotta dall’alto verso il
basso.
L’inversione della fiamma consente di ottenere una
combustione progressiva del combustibile, il quale
brucia gradualmente mentre si porta in prossimità della
griglia.
Sezione di una caldaia a
fiamma inversa (catalogo
Solarfocus Gmbh)
43
Con la tecnologia a fiamma inversa la regolazione dell’aria disponibile in funzione dello
stato di avanzamento della combustione risulta più agevole. Il processo a fiamma inversa
determina una progressiva diminuzione della pezzatura del combustibile lungo il
percorso dell’aria di combustione. L’aria proseguendo verso il basso si miscela con i
fumi che si stanno formando nella combustione ed aumenta di temperatura.
In tal modo si riesce a garantire una maggiore temperatura dei fumi con conseguente
riduzione del rischio di formazione di diossine.
44
Caratteristiche prese da catalogo (modello PelletTop 15 kW prodotto da
SolarFocus Gmbh ):
Caratteristiche del pellet di forma cilindrica
Potere calorifico inferiore ki [kJ/kg]
Densità ρ [kg/m3]
Raggio iniziale r0 [mm]
Rapporto di forma k
Velocità di propagazione della fiamma [mm/min]
Caratteristiche caldaia
Potenza termica [kW]
Rendimento
Parametri combustione
Portata di combustibile [kg/h]
Rapporto aria/combustibile stech. [kga/kgc]
Eccesso aria %
Portata di aria totale [kga/h]
Temperatura di riferimento (ambiente) [°C]
16300
1180
3
4
4
15
0,949
3,5
5,79
25%
25,3
20
45
Esempio: Calcolo della temperatura dei fumi in uscita da una caldaia a fiamma
inversa
Consideriamo una caldaia a fiamma inversa.
L’aria e il combustibile sono introdotti nel
braciere dall’alto.
Si può schematizzare il braciere costituito da n
livelli orizzontali, uno di seguito all’altro in cui
avviene la combustione. La sezione di ciascuno
degli n livelli può essere considerata uguale a
quella del braciere vista frontalmente dalla
portata di aria che lo attraversa.
In ciascuno degli n livelli vengono introdotte
una portata di combustibile (Gc), una di aria (Ga)
oltre che una di ceneri (Gs) e una di gas di
combustione (Gg) dal livello n-1 precedente.
Di conseguenza le portate al livello n dipendono
da come è avvenuto il processo al livello n-1,
essendo, per esempio, il combustibile e l’aria al
livello n, la quota parte dei reagenti che non
hanno reagito al livello n-1.
46
Ipotizzando una combustione perfetta e l’adiabaticità del
sistema, per il primo livello (n=1) è possibile scrivere i seguenti
bilanci (considerando come gas ideali l’aria e i fumi):
Bilancio di massa:
Bilancio di energia:
Le ipotesi semplificative che vengono assunte sono le seguenti:
• Si trascurano le variazioni di entalpia del combustibile: in questo modo è possibile
trascurare il calore utilizzato per scaldare il combustibile.
• La temperatura di riferimento Trif è assunta pari a 20°C.
• La temperatura dei fumi e quella dell’aria coincidono ( Ta1=Tf1=T1, Ta2=Tf2=T2 ).
• Il calore specifico a pressione costante dei fumi cpf è pari a quello dell’aria cpa nelle
stesse condizioni termodinamiche (cpa1=cpf1=cp1 ).
• La portata di fumi al livello n=1 è nulla perché a monte di tale livello non si ha avuto
nessun processo di combustione
47
48
Si ottiene:
È da osservare che cp2 è funzione della temperatura T2 che è l’incognita del problema.
Il calcolo viene pertanto eseguito con iterazioni partendo da una soluzione di primo
tentativo cp2(I tentativo)= cp (T1)
Per descrivere la dipendenza di cp dalla temperatura, è stata utilizzata la seguente
espressione:
49
Il procedimento iterativo utilizzato per ricavare il profilo di temperatura dei fumi è il seguente:
amb
amb
amb
50
amb
51
Per il secondo livello si ha:
amb
amb
amb
amb
Ripetendo i calcoli per tutti gli n livelli nel quale è stato diviso il braciere è possibile
tracciare un andamento della temperatura dei fumi in funzione della percentuale di
combustibile residuo (0% in corrispondenza del fondo della camera di contenimento
del combustibile stesso), e dunque stimare la temperatura dei fumi in uscita dalla
camera di combustione.
Questo ci permette di stimare il rischio di formazione delle diossine.
52
Caldaia a fiamma inversa-Temp. dei fumi al
variare della portata di combustibile residuo
1.800
1.600
1.400
1.200
1.000
800
600
400
Ga: portata in massa dell’aria;
Gc: portata in massa di combustibile;
Gf: portata in massa dei fumi;
200
0
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Portata di combustibile residuo
(0% in corrispondenza del fondo della camera di contenimento del materiale)
53
Caldaia a fiamma inversa. Temperatura dei fumi in caso di ricircolo parziale dei fumi di
combustione
φr : frazione di fumi ricircolati;
amb
amb
54
In prima approssimazione per Tf e Gf si è scelto di prendere il risultato finale relativo al
precedente caso di semplice caldaia a fiamma inversa, senza ricircolo.
Per il livello 1 si ha:
Bilancio di massa:
Bilancio di energia:
amb
amb
amb
amb
amb
amb
Dall’equazione precedente è possibile ricavare T2, ricordando che Ta1=Tf1=T1, Ta2=Tf2=T2
amb
amb
amb
amb
amb
amb
55
Si raccoglie
:
Trascurando la variazione di entalpia del combustibile, e raccogliendo alcuni termini è
possibile semplificare ulteriormente l’espressione precedente:
Si ottiene:
La temperatura nel caso con ricircolo in uscita dal primo livello di combustione è
maggiore rispetto al caso in assenza di ricircolo come si vede dall’ espressione sopra.
Infatti si ha:
56
Per quanto riguarda la quantità di fumo ricircolato, occorre verificare (diagramma di Tanner)
che questa non sia superiore ad un certo valore per cui la combustione non può avere luogo
essendo il fumo prevalentemente costituito da sostanze inerti (il contenuto di ossigeno
residuo nei fumi è in relazione all’eccesso d’aria in partenza).
È interessante notare come l’effetto di aumento della temperatura diminuisca a crescere del
ricircolo, causa la maggior quantità di materia inerte nel processo di combustione.
57
Caldaia a fiamma inversa. Calcolo della temperatura dei fumi in presenza di
preriscaldamento dell’aria in ingresso
amb
58
Andamento della temperatura dei fumi nel caso di
preriscaldamento dell’aria in ingresso alla camera di combustione
2.400
2.200
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
1.000
800
600
400
200
0
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
(0% in corrispondenza del fondo della camera di contenimento del materiale)
59
60
Parzializzazione aria
Parzializzazione aria +
ricircolo parziale dei
prodotti di combustione
Parzializzazione aria +
Pre-riscaldamento
dell’aria
: frazione di fumi ricircolati;
61
Andamento della temperatura dei fumi in funzione della portata di combustibile
residuo per i casi con parzializzazione dell’aria
Temperatura dei fumi
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
1.000
800
600
Parz. aria
400
Parz. Aria + Ric. Fumi (100%)
200
Parz. Aria + prerisc.
0
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
(0% in corrispondenza del fondo della camera di contnimento del materiale)
È importante osservare che questo tipo di sistema permane sempre al di sopra
degli 800°C senza però oltrepassare i 1800°C come accadeva nel caso senza
parzializzazione dell’aria.
62
α
Fino a quando la temperatura dei fumi non raggiunge gli 800°C si producono diossine.
Se il tempo di permanenza in camera di combustione non è sufficientemente lungo per
essere distrutte, vengono emesse in atmosfera.
L’obiettivo deve quindi essere quello di permanere sempre al di sopra di questa soglia,
possibilmente con un certo margine di sicurezza α. (T2>Tpyr *(1+α))
Il valore minimo di α si ha nel periodo iniziale ed oscilla tra l’8 e il 10% per i casi con
ricircolo e/o preriscaldamento dell’aria.
200%
180%
160%
140%
120%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
-20%
-40%
-60%
-80%
-100%
100%
Coefficiente di sicurezza
90%
Parz. aria
80%
70%
Parz. Aria + Ric. fumi
60%
50%
40%
Parz. Aria + prerisc.
30%
Standard
20%
Ric.fumi
10%
0%
Prerisc. aria
Andamento del coefficiente di sicurezza α in funzione della portata di combustibile residuo per i diversi casi.
63
CALDAIA CON CARICA DEL COMBUSTIBILE DAL FONDO
Per ottenere un analogo risultato si può pensare di utilizzare una caldaia in cui il
caricamento del combustibile e l’iniezione dell’aria avvengano entrambi dal fondo.
Alimentando il combustibile nella parte inferiore del braciere si realizza una zona di
combustione a “strati” che, a differenza del caso precedente, prevede il combustibile
di pezzatura maggiore sul fondo e quello ormai esaurito in cima.
64
CALDAIA A LETTO FLUIDO
È possibile ottenere temperature di combustione sufficientemente elevate
omogeneizzando i parametri termo fluidodinamici in camera di combustione.
Puntualmente si hanno situazioni eterogenee, ma movimentando il più possibile il
braciere è possibile ottenere una temperatura media omogenea in tutta la camera di
combustione.
Il principio di funzionamento delle caldaie a letto fluido è quello di massimizzare la
superficie di biomassa esposta all’aria comburente, operando la combustione
all’interno di una sospensione di materiale granuloso inerte (tipicamente sabbia
silicea e dolomite) mantenuta in agitazione da aria o gas insufflato dal basso
attraverso il fondo della caldaia. Il ruolo del materiale inerte è di conferire una discreta
inerzia termica, mantenendo il più possibile omogenea la temperatura del letto fluido.
Si consideri, per esempio, l’utilizzo di una caldaia a pellet a letto fluido in condizioni
nominali con rendimento ηc. La potenza P è garantita da una fornitura costante di
combustibile, solitamente attraverso una coclea di alimentazione. Fissata la densità
del combustibile ρc e il suo potere calorifico inferiore ki, la portata volumetrica di
combustibile sarà:
65
Conoscendo il volume V della singola unità di combustibile si può determinare il
periodo di inserimento ti, cioè il tempo che intercorre tra due inserimenti di
combustibile in camera di combustione.
Per le differenti unità di combustibile precedentemente considerate sono stati calcolati
i tempi necessari alla completa combustione tc. Si definisca n il numero di unità di
combustibile inserite in camera di combustione durante la completa combustione di
una di esse.
Essendo la derivata del raggio in funzione del tempo costante, ricavando la legge
oraria di variazione del raggio, si ha che il raggio decresce linearmente dal valore
iniziale r0 fino a 0 in un tempo tc.
66
Il volume medio Vm della particella all’interno della camera di combustione sarà
definito dalla media pesata dei valori dei singoli volumi di ogni unità che partecipa alla
combustione.
Calcolando la somma della serie si è osservato che, indipendentemente dal raggio
iniziale o dal rapporto di forma, il volume medio della singola particella durante la
combustione corrisponde al 25% del valore iniziale. Questo è anche confermato se si
calcola lo stesso utilizzando un integrale.
67
Considerando quindi un volume medio all’interno della camera di combustione della
singola unità che partecipa alla combustione pari al 25% del volume iniziale si può
definire una temperatura media dei fumi.
amb
Questa temperatura è sopra le condizioni di rischio per la produzione di diossine,
quindi qualora si riuscissero a mantenere condizioni il più possibili omogenee
all’interno della camera di combustione si riuscirebbe a restare lontani dalle
condizioni di rischio per la produzione delle stesse.
68
Formazione di diossine alle utenze
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Influencing the production of dioxin/furan in solid waste plants by measures affecting the
combustion as well as he flue gas cleaning systems - H. Vogg, H. Hunsinger, A. Merz, L. Stieglitz
- Chemosphere, Vol. 25, Nos. 1-2, 1992, pp. 19-152
Emission control of dioxin compounds in plastic waste incineration - K. Watanabe, K. Tsukamoto Organohalogen Compounds, vol. 19, pp. 431–434, 1994.
Scheda tecnica scambiatore a fascio tubiero fumi/acqua TEMPCO
http://www.tempco.it/static/images/pdf/TST%20EXH.pdf
Physical characterisation and chemical composition of densified biomass fuels with regard to their
combustion behaviour – I. Obernberger, G. Thek – Biomass and Bioenergy, Volume 27, Issue 6,
December 2004, Pages 653-669
Operational Limits of Ignition Front Propagation against Airflow in Packed Beds of Different
Wood Fuels - M. Horttanainen, J. Saastamoinen,P. Sarkomaa - Lappeenranta University of
Technology, Department of Energy and Environmental Technology, Energy Fuels, 16 (3), pp 676–
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Chemosphere, Vol. 31, No.9, pp.4099-4117, 1995
70

1.2 Combustione delle biomasse - Dipartimento di Ingegneria

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