Appunti di Sistemi avanzati per l'energia e l'ambiente su combustibili solidi e gassificazione

COMBUSTIBILI SOLIDI

Lo scopo del processo di combustione è quello di liberare tramite ossidazione l'energia chimicamente

contenuta nel combustibile e a trasformarla in calore sensibile.

Nel caso del combustibile solido, il processo di combustione è eterogeneo e quindi è più complesso della

combustione omogenea dei combustibili gassosi.

I combustibili solidi, come il carbone, sono composti da diverse frazioni di materia organica e materia

inorganica (minerali, che non partecipano al processo di ossidazione). Ad alta temperatura:

La materia organica viene convertita chimicamente.

La materia inorganica subisce trasformazioni chimiche e fisiche per formare la cenere (senza però

rilasciare energia chimica nel processo di ossidazione non possedendo ). Le composizioni delle

PCI

ceneri sono estremamente variabili ma saranno sicuramente composte da minerali.

Processo

oss: Tutte le fasi di seguito verranno discusse prendendo in considerazione come combustibile solido il

carbone (essendo quello più storicamente utilizzato e quindi conosciuto) ma hanno comunque validità

generale per qualsiasi processo di ossidazione di un qualunque combustibile solido.

> 100°C

Essiccazione (o riscaldamento, )

T

Man mano che il combustibile si riscalda nel forno, l'acqua inizia a vaporizzare (a temperature superiori a

100°C 300°C

). Fino a temperature pari a l'acqua interstiziale vaporizzata viene desorbita o rilasciata (sotto

100°C

forma di vapore acqueo). La fase di essiccazione essendo definita per una temperatura superiore ai

ed essendo la prima fase, presuppone un pre-riscaldamento del forno. Ovviamente il contenuto di acqua nel

combustibile varia dal materiale scelto ma qualsiasi esso sia si cerca di eliminare lʼacqua tramite questa prima

fase che comporta quindi una prima formazione di in fase vapore.

H O

2

> 300°C

Volatilizzazione ( )

T

Consiste nella decomposizione della materia organica di partenza che provoca la formazione di prodotti

gassosi durante il riscaldamento del combustibile solido. La volatilizzazione della materia volatile, mediante

300°C

cracking dei composti delle strutture del carbone organico, inizia a temperature superiori . Il contenuto

organico di un combustibile solido è il tenore di carbonio contenuto intrinsecamente nella struttura atomica

del combustibile solido stesso; il contenuto organico è fondamentale siccome è quello che ci permette di

trarre energia dalla combustione (è il carbonio lʼelemento fondamentale in questo caso). I composti che si

creano in questa fase sono decine e decine di composti chimici differenti. In un intervallo di temperature fino

600°C

a circa si trovano catrami e prodotti gassosi formati da metano ( ) e idrocarburi più leggeri come

CH

4

, e . I catrami sono composti idrocarburici complessi, che evaporano da sostanze

C H C H C H

2 6 2 4 2 2 > 500°C

contenute nel combustibile solido a .

T

La particella di carbone comincia ad ammorbidirsi formando il cosiddetto semi-char che ha una struttura

formata da cavità con un sistema di pori distinto e un'area superficiale estesa. Un ulteriore riscaldamento,

600°C

superiore a , converte il semi-char in char.

COMBUSTIBILI SOLIDI 1

Tutti i composti chimici che si creano in questa fase hanno una struttura con e variabili in strutture

C H x y

x y

molecolari più o meno complesse e pesanti (che variano in base al combustibile utilizzato). Nella fase di

volatilizzazione solo una parte di passa in fase gassosa (la percentuale di carbonio che passa in fase

C

gassosa cambia in base al combustibile utilizzato) mentre la restante parte resta in fase solida e si definisce

char (carbonio “fissoˮ). Visto che in questo modo si vanno a creare due composti organici, in due diverse fasi,

allora dovremo, in futuro, seguire due processi di combustione differenti.

La frazione e la composizione dei componenti volatili dipendono da:

Tipo di carbone.

Granulometria

Velocità di riscaldamento.

Temperatura finale del riscaldamento.

La resa in sostanze volatili (ovvero la perdita di peso del carbone) aumenta con lʼavvicinarsi alla temperatura

finale del riscaldamento (come mostrato nei grafici).

COMBUSTIBILI SOLIDI 2

In base alle diverse qualità di carbone avrò una perdita di massa differente, ovvero una parte di combustibile

che passa in fase gassosa differente. È importante definire quanto carbonio passa in fase gassosa, e quanto

no, siccome i due seguono processi di ossidazione differenti e inoltre lʼossidazione dei volatili è più semplice

(essendo anche il comburente in fase gassosa). La fase gassosa si creerà quindi nella parte superiore del

combustibile solido essendo meno pesante rispetto al carbonio solido. La quantità di volatile rilasciata

nellʼossidazione di un combustibile solido dipende dal contenuto di volatile rilevato dalle analisi proximate.

Da queste analisi notiamo che tramite lʼossidazione del carbone otteniamo una grande quantità di carbonio

fisso, in particolare, maggiore è questa quantità maggiore è la qualità del carbone analizzato. Questo spiega il

motivo per il quale in passato il carbone era fortemente utilizzato come combustibile solido; sicuramente un

altro motivo è legato al basso contenuto di acqua.

COMBUSTIBILI SOLIDI 3

La biomassa, rispetto al carbone, ha maggiore contenuto volatile e minor contenuto di carbonio fisso. Con

combustibili solidi intendiamo quelli tradizionali basati sui combustibili fossili ai quali vogliamo sostituire quelli

meno impattanti come per esempio la biomassa.

oss:

Le fasi discusse sono applicabili indipendentemente dal combustibile fossile considerato (in letteratura la

maggior parte delle informazioni sono disponibili per il carbone essendo il combustibile solido

maggiormente utilizzato dal punto di vista storico).

Con analisi ultimate si intende lʼanalisi basata sugli elementi chimici presenti nella combustione che non

permette di capire le quantità di volatili creati nella combustione di un determinato combustibile solido al

contrario delle analisi proximate.

> 500°C

Accensione ( )

T

L'accensione dà inizio al processo di combustione. Solo alla temperatura di accensione o al di sopra di essa la

velocità di reazione raggiunge un certo valore critico in cui la quantità di calore rilasciata supera la quantità

dissipata nell'ambiente circostante.

Componenti volatili gassosi Char solido residuo

I componenti volatili si infiammano non appena Le particelle di char residue, invece, per accendersi,

formano una miscela combustibile con l'aria devono raggiungere o superare la loro temperatura

> 800°C

comburente e viene raggiunta, o superata, la di accensione ( ) e ricevere sufficiente

T

500°C <

temperatura di accensione della miscela ( ossigeno.

< 700°C ).

T

La grande differenza tra le due vie è che: entrambe possono essere gestite correttamente, fino ad

unʼossidazione praticamente completa, ma lʼossidazione del solido richiede temperature molto maggiori

rispetto al gassoso.

Nella combustione del carbone, la storia e la sequenza dei processi di accensione dipendono principalmente

da: Heating rate: Esso rappresenta la rapidità con la quale vado a fornire il calore necessario affinché i due

processi avvengano, ovvero la potenza termica che introduco nel mio sistema per unità di tempo (velocità

di riscaldamento). Un heating rate alto (velocità di riscaldamento alta) comporta che le reazioni

avvengono molto velocemente introducendo però il rischio che esse non siano complete (le attivo

COMBUSTIBILI SOLIDI 4

velocemente); un heating rate basso, invece, comporta posporre lʼattivazione delle reazioni a vantaggio di

una ossidazione più completa possibile.

Granulometria: Essa prende in considerazioni le dimensioni della particella solida di combustibile.

Ogni forno quindi è caratterizzato da una certa dimensione delle particelle accettabile e da un heating rate

massimo (i due parametri vanno di pari passo) che possono comportare la presenza di sistemi per lʼaumento

della qualità del combustibile in ingresso quando non si utilizza più carbone ma, per esempio, biomassa

(riduzione della pezzatura tramite azione meccanica, ecc.).

I due processi di combustione sono diversi quindi sapere la quantità di carbonio volatile, che il combustibile

solido considerato è in grado di generare, è essenziale siccome i due processi richiedono quantità di

ossigeno diverse e quindi bisogna anche capire dove inserirlo nel forno (i reattori hanno tipicamente un

ingresso di aria poco al di sopra del letto solido dove si creano i volatili permettendo unʼossidazione rapida di

questi ultimi per formare ). Bisogna ricordare che per avere la minima quantità di incombusti devo

CO 2

distribuire nel modo più omogeneo possibile lʼossigeno e quindi come minimo avrò un ingresso dellʼaria sotto

e uno sopra il letto solido.

Esempio:

Nel caso del carbone, sapendo che gran parte del carbonio rimane in fase solida, immetterò una grande

quantità di ossigeno (ovvero aria) dal basso. È possibile quindi comprendere come disporre gli ingressi

dellʼaria direttamente dalla tabella che mostra le percentuali dei volatili.

Componenti volatili gassosi

La combustione omogenea dei componenti volatili gassosi è caratterizzata da una velocità di reazione molto

rapida, in modo che, il tempo di combustione, sia essenzialmente determinato dal loro rilascio e dal

miscelamento con l'aria. Le più alte concentrazioni di componenti volatili si

hanno sulla superficie delle particelle (letto solido), la concentrazione poi decresce con l'aumentare della

distanza dalle particelle. La combustione della materia volatile si stabilizza in una fiamma diffusa nelle zone in

cui è presente una concentrazione stechiometrica delle sostanze volatili e dellʼossigeno.

oss: Con bed si intende la parte dove è presente il carbonio solido mentre la splash zone è dove avviene la

combustione dei volatili; la freeboard è il volume di spazio dove si presuppone che la combustione sia

completa (gas combusti).

COMBUSTIBILI SOLIDI 5

Ovviamente anche in questo caso lʼossigeno deve essere in eccesso per avere

unʼossidazione più completa possibile, ovvero la formazione di senza

CO 2

fermarsi al . La scintilla che fa avvenire la reazione di combustione con il

CO

combustibile solido è il calore introdotto nel forno prima della combustione vera

e propria tramite reattori a metano (nessuna combustione solida parte a freddo,

una volta innescata si auto-sostiene). Nella combustione la temperatura può

800/1000°C

arrivare intorno ai nella zona del letto (dove rima