Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale

1. Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale Modulo 1. Biomasse Sezione1.2 Analisi dei processi di combustione: formazione di diossine 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

2. Agenda Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Analisi della combustione di una singola unità di biomassa La regolazione in camera di combustione

3. 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, segnala in particolare il rischio della formazione di diossine. 3

4. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine 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. Secondo l’inventario europeo sulle emissioni relative alle diossine (1995), realizzato su incarico della Commissione, le principali fonti industriali di diossina in Europa possono essere così stimate: inceneritori per rifiuti urbani (26%), fonderie (18%), inceneritori rifiuti ospedalieri (14%), attività metallurgiche diverse dal ferro (4%), impianti riscaldamento domestico a legna, incendi e traffico (38%) 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

5. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Il processo di combustione della biomassa legnosa è caratterizzato da varie fasi, nella prima delle quali il combustibile perde la sua umidità e viene essiccato. Questa fase inizia in modo significativo già a temperature prossime ai 100°C e procede a temperatura pressoché costante (≈ 105 °C). A seguire si ha il processo di pirolisi: il combustibile, a partire da temperature intorno ai 400 - 450°C, libera i composti volatili che raggiunti dall’ossigeno bruciano fino a completa ossidazione. Al termine di questa fase, sopra agli 800°C, l’ossigeno tende a raggiungere il nucleo carbonioso residuato e ricco di frazioni combustibili pesanti (char) e ne completa la combustione. In caso non siano raggiunte alte temperature, la combustione può risultare incompleta e tra le ceneri si troveranno anche frazioni incombuste più o meno tossiche. 5

6. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Anche se i processi di formazione delle diossine sono particolarmente complessi si fa spesso riferimento a due principali meccanismi [4, 6, 8, 10]: •La produzione a temperature relativamente basse (200-400 °C) per reazione sulle superfici di particolato carbonioso come la fuliggine (soot) e ceneri volanti (flyash) contenenti metalli che fungono da catalizzatori (“de novo synthesis”). •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” e composti gassosi per la “pyrosynthesis”. La letteratura si è concentrata particolarmente sullo studio della produzione di diossine a basse temperature in quanto sono quelle prodotte in quantità maggiori. 6

7. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Grafico qualitativo normalizzato della velocità di formazione delle diossine in funzione della temperatura per i meccanismi di formazione di pyrosyntesis e de novo syntesis. Il grafico deriva da una attività di ricerca sui processi di formazione di diossine, nelle due modalità descritte, ad alte temperature. In generale le concentrazioni di diossine rilevate, vengono normalmente espresse in ng/g di cenere volatile (fly-ashes) nel processo di de novo synthesis e 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. 7

8. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Per la curva della de novo synthesis (rossa), sono stati elaborati i dati 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), dividendo quindi le concentrazioni di Stanmore per 33,3, si ottengono i ng/gc di combustibile. 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 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/gcformati in 2 ore) I dati sperimentali indicati dagli autori sono ben rappresentati da una curva di interpolazione gaussiana all’interno dell’intervallo di temperatura T (K) considerato. 8

9. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Generica curva gaussiana: Ricordiamo che l’espressione della distribuzione normale di probabilitàè: μ = valore medio σ2= varianza • Il parametro «a» agisce sulla funzione con un cambio di scala rispetto all’asse y (valore massimo della funzione) • Il parametro «c» agisce sulla funzione con un cambio di scala rispetto all’asse x (ampiezza della curva, legata al concetto di varianza) • 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) 9

10. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Concentrazione di precursori per la pyrosynthesis: 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]. L’esperienza è stata condotta con una concentrazione iniziale di precursori attivabili (triclorofenolo) pari a 300 μg/Nm3. Il secondo studio è relativo all’esperienza di Sidhudove la concentrazione iniziale di precursori è assai più elevata (68700 μg/Nm3). È evidente come la velocità di formazione di diossine per pyrosynthesis è 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 e ciò suggerisce come la de novo synthesis possa essere considerata come il principale meccanismo di formazione da diossine. 10

11. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Anche per la pyrosynthesisè necessaria un’elaborazione 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/kgcombe pertanto risultano noti i μg/kgcombdal prodotto In figura è mostrata la posizione del combustibile considerato (PCI 17,4 MJ/kg) all’interno del Diagramma triangolare di Tanner. 11

12. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine 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 assumono dinamiche simili, sono però molto differenti: circa 5 ordini di grandezza. 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. 12

13. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Si consideri, ad esempio, un’unità di combustibile di forma cilindrica e 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. 13

14. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine L’obiettivo della regolazione in camera di combustione è quello di mantenere la temperatura non solo mediamente, bensì anche localmente alta, per evitare di scendere sotto la temperatura di inizio formazione delle diossine per pyrosynthesis (800 : 850 °C). 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 poterli tenere controllati , a livello di caldaia, si può agire in due direzioni: • Modulare la portata di aria in funzione dello stato di avanzamento della combustione • 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). 14

15. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Per poter controllare i parametri di combustione è necessario individuare alcune caratteristiche del combustibile: • il rapporto superficie/volume del singolo elemento non può essere, al suo inserimento, troppo diverso dalla 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. • un valore del rapporto superficie volume molto alto (ad es. 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: dalle 3 alle 4 volte inferiore al pellet. Ben si adatta, pertanto, alle situazioni in cui la segatura è prodotta in loco. • 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. 15

16. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine • • Il pelletè • per rapporto superficie/volume (circa due ordini di grandezza superiore alla legna da ardere in ciocchi), • per densità energetica (dalle 3 alle 4 volte superiore alla segatura, se riferita alla densità in mucchio), • per ripetitività dei rapporti dimensionali (EN 14961), • 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 16

17. Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Per la produzione di una tonnellata di pellet (densità circa 1200 kg/m3, densitàapparente 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 dell’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. 17

18. Agenda Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Analisi della combustione di una singola unità di biomassa La regolazione in camera di combustione

19. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa 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 un coefficiente che esprime il rapporto di forma k=h/r, che viene considerato costante durante la combustione, il volume V dell’unità di combustibile si può dunque scrivere come: 19

20. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Se l’unità di combustibile fosse di dimensioni infinitesimali, la combustione procederebbe interessando in ciascun istante ogni punto della particella combustibile, ovvero generando una combustione di massa. Nella realtà il volume di combustibile interessato alla ossidazione è costituito solamente dalla superficie esterna la quale, col procedere della combustione e nell’ipotesi che la cenere si allontani dal combustibile in modo pressoché istantaneo, andrà, via via, riducendosi. Con riferimento alla figura si può quindi definire il volume elementare di combustibile effettivamente coinvolto nel processi di combustione in un determinato istante come: Indicando con ρla densità del combustibile e con Gc la portata in massa di combustibile coinvolto nel processo di combustione in un determinato istante, risulta: 20

21. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Il rapporto dr/dtè proporzionale alla velocità di propagazione della combustione che, nel seguito, viene identificata con la velocità di propagazione della fiamma (vpf) in direzione normale alle superfici del cilindro. νpf è definita come il rapporto tra la portata volumetrica istantanea di combustibile dV/dt e la superficie del cilindro Sc esposta alla fiamma. Essendo h = k r , Il coefficiente k’= 3k/2(k+1) si può intendere come un rapporto di forma normalizzato e rappresenta la funzione di trasferimento tra la velocità di propagazione della fiamma vpf e l’avanzamento radiale dr/dt. Il coefficiente k’ tende asintoticamente ad 1.5 per k che tende ad infinito e assume valore zero per k=0 (h=0, ovvero corpi di forma piatta). 21

22. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa La velocità di propagazione della fiamma vpf dipende fondamentalmente dalla qualità del combustibile, dalla quantità di inerti e di acqua presenti. Quindi, in condizioni stazionarie e a valle di un processo di essicazione, si può assumere costante. Ipotizzando che il solido interessato alla combustione mantenga la forma geometrica iniziale (cioè k=costante) e che le condizioni di processo (strato superficiale di cenere, concentrazione minima di ossigeno, velocità dell’aria che investe il combustibile, ecc.) restino invariate durante la combustione, allora anche dr/dt può essere assunto costante. Dalla precedente equazione,si nota che per 0≤k<2 si ha un dr/dt elevato a parità di vpf(la forma del combustibile tende a schiacciarsi, assomigliando ad un disco come mostrato in Figura a). Per k = 2 risulta h=2r: l’altezza del cilindro è uguale al diametro e quindi 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. Per k > 2 il coefficiente k’ assume un valore maggiore di 1, tende asintoticamente ad 1,5 e quindi anche il dr/dt tende ad un valore costante. 22

23. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Dalla equazione precedentemente introdotta: risulta evidente come la portata istantanea di combustibile coinvolto nella combustione Gc diminuisca 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 etl’eccesso d’aria stabilito per la combustione (valore che manteniamo costante al procedere della combustione), la portata di aria totale Gac si esprime come segue: La portata d’aria Gac dipende quindi direttamente anche dalle dimensioni dell’unità del combustibile, ovvero dal raggio r e dal rapporto di forma k, oltre che dalla composizione chimica dello stesso. 23

24. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Durante la combustione, ad ogni instante t, ovvero per ogni valore di r(t), il volume del singolo elemento si riduce con una velocità istantanea proporzionale a dr/dt, mentre la portata d’aria di combustione introdotta, essendo solitamente fornita con circolazione forzata, fluisce a portata costante, Gar; l’eccesso di aria “e”, varia di conseguenza ed assume valori via via diversi da et. Definendo l’indice d’aria come = 1+ e, si può scrivere anche: Anche l’altezza corrente h diminuisce rispetto al valore h0 dell’altezza iniziale. Il volume iniziale V0 si riduce fino ad un valore minimo correlato alla presenza di incombusti e incombustibili: le ceneri. Obernberger e Thek [16] hanno condotto analisi su 21 campioni differenti di pellet trovando come contenuto medio di ceneri lo 0,51% del peso iniziale (su base secca). 24

25. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Poiché la portata d’aria realmente introdotta Garresta costante (si pensi, ad esempio, ad una caldaia in cui l’aria viene forzata da un ventilatore che tratta una portata costante durante tutto il suo esercizio) e non varia col raggio dell’unità di combustibile, si genera un rapporto variabile tra la quantità d’aria necessaria, ovvero ad eccesso costante, e quella effettivamente presente Gar. Ne consegue che l’eccesso di aria non rimane costante ma aumenta al diminuire del raggio dell’unità e quindi della portata di combustibile interessata alla combustione . L’incremento dell’eccesso d’aria porta ad una variazione del rapporto aria/combustibile e quindi un cambiamento della temperatura di combustione, essendo quest’ultima direttamente legata a tale rapporto. Infatti, scrivendo il bilancio di massa e di energia entro una superficie chiusa S, in condizioni adiabatiche attorno alla zona di combustione (vedi figura ), 25

26. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa • posto: • - Gfla portata dei prodotti della combustione (comprendente sia la fase gassosa che quella solida in sospensione); • - Δha, Δhc , Δhf le variazioni di entalpia di aria, combustibile e prodotti di combustione rispetto ad una condizione di riferimento comune (identificata da una temperatura di riferimentoTrif); • kiil potere calorifico inferiore del combustibile espresso in kJ/kg • ta la temperatura di ingresso dell’aria. Si ha (massa): ed inoltre (energia) : 26

27. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Si trascura il contributo entalpico del combustibile Si considera 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: Come si può vedere dall’espressione della temperatura dei fumi, essa diminuisce all’aumentare del rapporto Gar/Gc il quale, a parità di Gar, aumenta al diminuire di Gc. Ricordiamo che, poiché si sta analizzando la combustione di un singolo pellet, mentre Gar è una costante (data dalla ventilazione forzata della caldaia), Gc varia in funzione delle dimensioni del pellet che sta bruciando. Quindi, mentre per una caldaia correttamente alimentata in continuo il rapporto Ga/Gc a regime deve risultare costante, in questo caso non lo è. 27

28. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Si consideri ora un’unità di combustibile cilindrica, di raggio iniziale r0 e di volume iniziale V0. Si indichi con %Vrla percentuale di combustibile residuo diviso 100 (cosicché %Vrè un 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 di combustione 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 (che rimane costante, essendo l e dr/dt variabili).

29. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa ki, cpf, gat sono valori legati alle caratteristiche del combustibile e in prima approssimazione possono essere assunti invarianti durante il processo una volta noto il combustibile. La temperatura dei prodotti di combustione dipende quindi dalla percentuale di volume di combustibile residuo e dall’eccesso di aria.

30. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Tf Dall’equazione precedente è possibile dedurre come, fissato %Vr, l’andamento di Tfsia teoricamente antitono per valori di λ≥1. Questo accade in quanto la portata di aria è costante e pertanto al procedere della combustione diminuisce la portata di combustibile ed aumenta l’eccesso d’aria, provocando un raffreddamento dei fumi. Per λ<1, Tf si abbassa perché il combustibile viene ossidato solo parzialmente. λ Naturalmente, 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). Considerando la figura si può notare quanto l’umidità contenuta all’interno del combustibile influisca sulle massime temperature di combustione raggiungibili, facendole diminuire sensibilmente, sia perché l’umidità non apporta alcun contributo in termini di ki, sia perché il processo di vaporizzazione richiede una grande quantità di energia e non viene più recuperato a meno che non si realizzi una condensazione totale o parziale allo scarico dei fumi (a differenza delle ceneri che raffreddandosi sotto il focolare, rilasciano buona parte del calore sensibile assorbito). 30

31. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Come esempio pratico si consideri un pellet con le seguenti caratteristiche descritte in tabella: Ricordiamo che Vpf è la velocità di propagazione della fiamma, et è l’eccesso di aria costante durante tutto il processo di combstione, cpf è il calore specifico dei fumi a pressione costante, Trif è la temperatura di riferimento. Siano: vpf= 4mm/min [18], et= 5%, cpf= 1 kJ/(kgK), Trif = 20 °C Le temperature calcolate, sono riportate nel seguente grafico in funzione di %Vr. Si sceglie di riportare valori di %Vr fino allo 0.5%, contenuto residuo di ceneri stimato [16]. Con Tpyr è indicato il valore di 800°C sotto il quale iniziano i processi di pyrosynthesis. 31

32. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa 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 fatto che la combustione avviene in un volume finito e non infinitesimo). 32

33. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa 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), ovvero della portata di aria realmente immessa (Gar) che rimane costante durante tutta la combustione, mentre quella ottimale (Gac) cala perché la portata di combustibile residuo diminuisce. Si ha quindi un’ eccesso di aria che aumenta iperbolicamente (e). Gar , Gac e 33

34. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Nel modello utilizzato, assimilabile a quello della fase di spegnimento del combustibile (ove il braciere non viene più alimentato), 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, pertanto, la temperatura dei fumi va diminuendo. 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. Il grafico di prima mostra l’andamento della temperatura dei fumi raggiunta durante la combustione di una singola unità. Si osserva come, oltrepassata la combustione di circa l’80% del volume iniziale, la temperatura teorica scenda sotto gli 800°C, entrando quindi nella finestra favorevole alla formazione di diossine(in realtà, tenendo conto delle condizioni reali di combustione questa temperatura viene raggiunta quando il volume di combustibile residuo è maggiore del 20%). 34

35. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Risulta determinante valutare quanto sia rilevante l’intervallo di 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 può variare fra 0 e 1,5 e, pertanto, influenza non poco il tempo necessario alla completa combustione. In termini pratici, un corpo di forma piatta brucia in modo molto più rapido di uno di forma allungata. 35

36. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Andamenti nel tempo della temperatura dei fumi in funzione della raggio iniziale r0 con k=4 secondo la: , con 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: 36

37. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa r0↑ 37

38. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa Andamenti nel tempo della temperatura dei fumi in funzione della rapporto di forma k con r0=5mm. 38

39. Analisi della combustione di una singola unità di biomassa 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. Fermo restando che si può avere un aumento di volume iniziale aumentando il raggio iniziale r0 anche quando k diminuisca, entro certi limiti, o viceversa aumentando k anche quando r0 diminuisca entro certi limiti. 39

40. Agenda Introduzione: meccanismi di formazione delle diossine Analisi della combustione di una singola unità di biomassa La regolazione in camera di combustione

41. La regolazione in camera di combustione CALDAIA A FIAMMA INVERSA Nei processi a fiamma diretta, il combustibile viene caricato dall’alto e l’aria viene introdotta dal basso. Questa 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 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 SolarfocusGmbh) 41

42. La regolazione in camera di combustione 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 che diminuisce miscelandosi con i fumi che si stanno formando e, allo stesso tempo, aumenta di temperatura. 42

43. La regolazione in camera di combustione Caratteristiche prese da catalogo (modello PelletTop 15 kW prodotto da SolarFocusGmbh): 43

44. La regolazione in camera di combustione Consideriamo una caldaia a fiamma inversa. Il braciere è alimentato dall’alto sia con la portata di combustibile che con quella di aria. Si può schematizzare il braciere suddiviso in nlivelli orizzontali, ovvero di sezione pari a quella del braciere in senso perpendicolare alla direzione del flusso di aria, nei quali viene inserita una portata di combustibile (Gc) che brucia parzialmente, si consuma aria (inserita con una portata Ga) e si producono corrispondenti portate di gas di combustione (Gg) e ceneri (Gs). 44

45. La regolazione in camera di combustione Riferendosi, ad esempio, al primo livello (n=1) e, ipotizzando una perfetta combustione in un sistema adiabatico, è possibile scrivere i seguenti bilanci (considerando come gas ideali l’aria e i fumi): • 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 Trifè 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 cpfè pari a quello dell’aria cpa nelle stesse condizioni termodinamiche (cpa1=cpf1=cp1). 45

46. La regolazione in camera di combustione Dall’equazione precedente è possibile ricavare T2: È da osservare che cp2 è funzione di T2. Il calcolo viene pertanto eseguito con iterazioni partendo da una soluzione di primo tentativo cp2(I tentativo)= cp1. Per descrivere la dipendenza di cpdalla temperatura, è stata utilizzata la seguente espressione: 46

47. La regolazione in camera di combustione Il procedimento iterativo utilizzato per ricavare il profilo di temperatura dei fumi è il seguente: • Gc2 è fissato in quanto si è scelto di dividere la zona di combustione in livelli e per ogni livello si considera un consumo di combustibile pari all’1%; • (); ; ; 47

48. La regolazione in camera di combustione Per il secondo livello si ha: 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 fondodella camera di contenimento del combustibilestesso). 48

49. La regolazione in camera di combustione Ga: portata in massa dell’aria; Gc: portata in massa di combustibile; Gf: portata in massa dei fumi; 49

50. La regolazione in camera di combustione Ricircolo parziale dei fumi di combustione Il metodo di calcolo seguito è analogo al precedente con alcune differenze: ( a differenza del precedente caso dove ) ( a differenza del precedente caso dove ) Come Tfe Gf in prima approssimazione si è scelto di prendere il risultato finale relativo al precedente caso di semplice caldaia a fiamma inversa. Ga: portata in massa dell’aria; Gc: portata in massa di combustibile; Gf: portata in massa dei fumi; φr : frazione di fumi ricircolati; 50