Impianti meccanici

Mattia Pompa

IMPIANTI MECCANICI M

Il P&I, ovvero Piping&Instrumentation, è il luogo in cui sono indicati tutti gli elementi circuitali di

un impianto e tutto ciò che serve a farlo funzionare correttamente.

Si differenzia dalla sigla PFD, Process Flow Diagram, un diagramma di principio che mostra quali

sono i componenti essenziali di un impianto ma non come questo impianto viene progettato.

Lo scopo del corso è quindi di quello di prendere degli impianti partendo da un PFD, identificando

la componentistica necessaria e sufficiente a far funzionare l’impianto.

BIOMASSE

La direttiva comunitaria del 2001, recepita nel 2003, definisce la biomassa come la parte

biodegradabile dei prodotti e i residui provenienti dall’agricoltura e della silvicoltura e industrie

connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali urbani.

Le biomasse sono una fonte di energia rinnovabile, cioè riescono a rinnovarsi in un tempo minore

o uguale a quello impiegato per consumarle. Le energie rinnovabili contano un problema

fondamentale, ovvero la discontinuità della fornitura di energia; naturalmente questo crea un

problema, che è quello dell’accumulo e crea una prospettiva di risoluzione che risiede nelle

cosiddette Smart grid, ovvero delle reti elettriche rigidissime: nella rete passa una certa potenza

destinata all’utente, e l’utente consuma esattamente l’energia fornita, non c’è quindi possibilità di

accumulo all’interno della rete elettrica.

Le biomasse immagazzinano energia solare mediante fotosintesi e la rilasciano in un secondo

momento; quindi la biomassa sostanzialmente è un serbatoio di carbonio: la pianta assorbe CO2 e

attraverso la luce e le macchine molecolari, l’anidride carbonica si scinde in O2 che se ne va via e

in carbonio C, che verrà incamerato nella lignina. Possiamo quindi stoccare la riserva energetica e

utilizzarla quando necessaria.

Le biomasse rispetto all’incremento di emissioni di gas serra sono classificate come fonte

energetica neutrale solo se durante il processo di generazione la biomassa contribuisce a sottrarre

una quantità di CO2 uguale o superiore a quello prodotta durante il processo di valorizzazione

energetica.

Le biomasse sono classificare secondo vari criteri:

1. Metodo di produzione:

biomassa residuale, proveniente da attività finalizzate ad altri scopi; sfrutto i residui per la

termovalorizzazione.

biomassa dedicata, prodotta esclusivamente a fini energetici; riguarda certe colture (come

ad esempio i pioppi) coltivate apposta per la termovalorizzazione.

2. Stato fisico.

3. Matrice organica di cui sono composte.

Inoltre le biomasse non vengono tutte valorizzate allo stesso modo dal punto di vista energetico,

ma ognuno ha un proprio processo.

▪ lignocellulosiche: soggette a diversi trattamenti, come pirolisi e gassificazione: scaldando

biomassa vegetale o comunque qualsiasi cosa contenente carbonio, idrogeno e in difetto di

ossigeno, non realizziamo una combustione ma semplicemente un riscaldamento, le

molecole di carbonio e idrogeno di scindono ad una temperatura sufficiente e si ottengono

le cosiddette SOV (sostanze organiche volatili). Così facendo riusciamo a liberare tutte le

componenti organiche in forma gassosa. Se invece raggiungiamo temperature più elevate

aumenta la produzione di syngas e avviene ciò che chiamiamo gassificazione. Questi due

processi hanno un grandissimo tallone d’Achille, che è la produzione di TAR, sostanze

organiche che condensano a temperature relativamente basse e vanno a generare un olio

(catrame) che intasa i tubi, aggiungendo un’ulteriore problematica da risolvere;

Le biomasse di origine forestale (quindi le biomasse lignocellulosiche) sono costituite da tre

elementi:

lignina: la parte più nobile dal punto di vista energetico, conferisce rigidità all’albero,

rappresenta il 20-30% in peso e contiene un potere calorifico di 25000 kJ/kg (circa la metà

del metano);

cellulosa: è il 50% in peso del legno e contiene un potere calorifico di 16000 kJ/kg;

emicellulosa: non da nessun contributo positivo alla densità energetica di combustibile.

▪ amidacee - zuccherine, come barbabietole, canna da zucchero, da cui facciamo estrazione

di zuccheri e fermentazione ad alcoli;

▪ oleaginose, come olive, mais, colza e tutti quei prodotti i cui semi danno olio, da cui, a

seguito dell’estrazione, ricaviamo il cosiddetto biodiesel;

▪ scarti di zootecnia, i quali producono, attraverso digestione anaerobica, i biogas

(contenenti frazioni di metano e idrogeno, grandi quantità di CO2), un prodotto che, se

opportunamente trattato, può alimentare motori a combustione interna.

Le caratteristiche fisico chimiche di una biomassa sono:

- Potere calorifico inferiore (PCI): il potere calorico di una biomassa si aggira fra i 10000-15000

kJ/kg (all’incirca un terzo del gas metano), ed esprime la quantità di calore generata dalla

combustione completa di 1 kg di biomassa, considerando l’acqua allo stato vapore di 100°C,

quindi considerando fumi che non condensano.

- Umidità: esprime la quantità di acqua contenuta in 1 kg di biomassa umida.

L’umidità è importante che sia basse nelle biomasse perché è considerata una zavorra poiché

in fase di combustione l’acqua presente all’interno della biomassa verrà completamente

vaporizzata (scaricata al camino), ma per vaporizzare 1 kg d’acqua dovremmo spendere

2500/2600 kJ/kg.

Se ad esempio io avessi 1 kg di biomassa con la metà in peso di acqua, anziché avere un potere

calorifico di 15000 kJ/kg, ne avrei circa 7500: una parte (2600 diviso 2) vanno impegnati per far

evaporare l’acqua.

Esiste una correlazione fra potere calorifico inferiore e percentuale di umidità presente nella

biomassa, ovvero:

Quindi dovendo pagare il potere calorifico della biomassa, un prodotto umido varrà

decisamente di meno, in quanto una più elevata percentuale di umidità diminuisce

bruscamente il rendimento della combustione. Un prodotto umido contiene un potere

calorifico più basso a causa della presenza di acqua, quest’acqua evapora portando via tanta

energia, per poi finire al camino.

In un impianto a biomassa la temperatura del camino dev’essere mantenuta relativamente

elevata (120 - 130°). Oggi si va verso le caldaie a condensazione, ovvero caldaie che scaricano

fumi a basse temperature, e queste non condensano tutto ciò che è all’interno, bensì una

parte del vapore.

Il vapore è presente come un gas all’interno dei fumi e quindi, se provo a condensare tutta

l’acqua presente non ci riesco poiché la pressione all’interno dei fumi è data dalla somma delle

pressioni parziali dei gas che lo contengono (ossigeno, azoto, gas nobili e vapor d’acqua);

condensando il vapore d’acqua lo vado ad estrarre e la sua pressione parziale diminuisce, di

conseguenza se all’inizio riusciamo a condensare a temperature relativamente basse, vuol dire

che abbiamo raggiunto la temperatura di condensazione alla pressione parziale del vapore che

è contenuto all’interno dei fumi.

Quando il fluido si trova all’interno di una miscela di fluidi, come ad esempio l’umidità che ho

nell’aria che respiro, questo fluido si comporta come se da solo occupasse l’intero sistema. Ha

quindi la pressione parziale che avrebbe se occupasse da solo l’intero volume.

Comincio a condensare e la presenza di acqua all’interno del volume diminuisce, diminuisce la

sua pressione di condensazione (o di saturazione) e di conseguenza se voglio condensare

ancora devo abbassare la temperatura, la pressione parziale diminuisce ancora perché ho

sottratto altra acqua e così via, con il risultato che non tutto il vapor d’acqua potrà essere

recuperato; recupero una certa quantità fino ad una temperatura di 60° a cui corrisponde una

pressione parziale di vapore di 0.15 bar. Ovviamente il limite della temperatura di

condensazione dipende dalla sorgente fredda in mio possesso.

Il calore specifico a pressione costante dell’aria è circa 1 kJ/kg°C, vuol dire che per una

variazione di 10° immetto 10 kJ/kg di energia nel sistema, quindi per variare di 10° la

temperatura dell’aria, ho 10 kJ/kg;

Per far evaporare 1 kg di acqua ho bisogno di 2600 kJ/kg, quindi quando abbasso la

temperatura di 10° e vedo la condensazione dell’acqua, la gran parte della potenza estratta dal

fumo è data dalla condensazione dell’acqua e non dal calore derivante dalla variazione di

temperatura dell’aria.

- Densità: abbiamo due tipi di densità

densità assoluta, ovvero quella misurata eliminando tutti gli interstizi e tutte le porosità

presenti all’interno della biomassa: massa biomassa/volume

densità in mucchio (BS = bulk soil) che tiene conto del volume comprensivo di interstizi (sarà

quindi all’incirca la metà della densità reale): massa biomassa/volume occupato.

- Rapporto C/N: rapporto ponderale, maggiore è la percentuale di carbonio, più sarà il potere

calorifico sviluppato dalla biomassa.

- Produzione media: rappresenta la quantità di biomassa prodotta con un ettaro di terreno, e si

misura in ton/ha oppure in GJ/ha (se mi interessa l’energia prodotta da un ettaro di terreno).

Per noi la densità energetica è più importante poiché c’è il problema del trasporto.

- Composizione chimica: influisce sul rendimento di combustione e sulle emissioni dei prodotti

di combustione. I metalli presenti in queste colture ci sono e non sono affatto trascurabili, per

cui la composizione chimica dev’essere nota, poiché quando facciamo la combustione di questi

oggetti dobbiamo sapere quali sono i prodotti della combustione, perché altrimenti non

riusciremmo a dimensionare il sistema di abbattimento (dato che la biomassa non è a impatto

zero).

- Area teorica di combustione (o stechiometrica): indica la quantità di aria contenente

esattamente tanto ossigeno quanto necessario per bruciare una quantità stabilita di

combustibile: kg aria/kg combustibile

- Eccesso d’aria: percentuale di aria alimentata in eccesso rispetto alla quantità teorica o

stechiometrica. L’eccesso d’aria dipende dalla condizione di funzionamento e influenza molto

sia il rendimento di combustione che le emissioni del camino.

Il diagramma seguente mette in relazione l’emissione di CO (uno dei principali incombusti) con

il rapporto aria – combustibile (λ) rispetto allo stesso rapporto in condizioni stechiometriche

(λst). I diversi andamenti sono relativi a diverse tipologie di caldaia:

a) caldaia semplice a carica manuale con ciocchi di legno. Alta produzione di incombusti con un

eccesso d’aria del 100% (λ/λst = 2) si ha la minima produzione di CO.

b) caldaia con carica dall’alto.

c) caldaia caricata automaticamente con tecnologia di combustione risalente agli anni ’90.

d) caldaia caricata automaticamente con tecnologia di combustione migliorata a partire dal

1995. Produzione di incombusti di CO più bassa. Il minimo si ha con eccesso d’aria del 20%

(λ/λst = 1.20).

La percentuale di gas incombusti ha un riflesso immediato e pesantissimo sul rendimento

perché è tutta parte di combustibile che non utilizzo e che non riesco a recuperare; il fumo si

porta via del calore sensibile, acqua allo stato vapore e degli incombusti. Guardando questo

→

grafico bisogna porre particolare attenzione al minimo (minima quantità di incombusti

massimo rendimento) e al fatto che migliore è la caldaia, più ci si sposta verso valori di eccesso

d’aria più bassi, questo vuol dire buttar via meno fumi.

Sono quindi due gli elementi che incidono negativamente sull’efficienza: la produzione di

incombusti, cioè energia sottratta al potere calorifico perché non sono riuscito a completare la

combustione di CO e la presenza di umidità.

Aumentare l’efficienza è molto importante in quanto, raddoppiando il rendimento della

combustione, si dimezza la quantità di combustibile utilizzato a parità di energia prodotta.

Quindi è sconsigliato di produrre vapore da combustione oltre quello strettamente necessario,

ovvero quello che compete all’ossidazione dell’H presente nelle biomasse; l’ossidazione

dell’idrogeno produce acqua e quella è oggettivamente ineliminabile come produzione. Diventa

utilizzabile se riesco a condensarlo, almeno parzialmente.

Ci sono due categorie di informazioni: quelle che riguardano il prodotto in senso stretto e quello

che ci consegnano, quindi: specifiche, classe del combustibile, campionamento, densità, ceneri.

È molto importante sapere quante ceneri produce il combustibile alla fine della combustione,

perché se è vero che devo portare il combustibile alla caldaia, è anche vero che devo smaltire le

ceneri prodotte portandole in discariche di rifiuti speciali, il tutto ad un costo non trascurabile.

Possiamo fare una classificazione fra i combustibili utilizzati per il riscaldamento in base al costo al

MWh: il GPL è il più costoso (250 €/MWh), seguono il Gasolio (125) e il Metano (82), dopodiché

abbiamo le biomasse come pellet in sacchi da 15 kg (65), legna da ardere sfusa (40) e cippato (26);

questo spiega il perché il cippato è un’ottima alimentazione per gli impianti di tipo industriale. Le

differenze di costo dipendono anche dal fatto che i combustibili fossili (GPL, gasolio e metano)

scontano tasse enormi (i 2/3 del costo della benzina è dato da tasse).

Si classificano combustibili solidi provenienti da biomassa, ognuno con determinate caratteristiche

fisiche e chimiche: Briquette, Pellet, Sansa esausta di olive, Chips di legno, Scaglie di legno, Legno

in tronchi, Segatura, Corteccia, Paglia in balle.

Pellet

Il pellet è una categoria di combustibile solido proveniente dalla biomassa: è la riduzione in

polvere delle fibre lignocellulosiche (quindi prodotti di segherie, scarti di legno, ecc) in modo da

rendere il materiale omogeneo e isotropo attraverso l’utilizzo di filiere.

La produzione di pellet avviene attraverso l’utilizzo di una trafila all’interno della quale ci va della

segatura e vi è un rullo che la comprime; infine all’uscita dalla trafila viene tagliato della misura

giusta. A seconda della pressione del rullo viene fuori un pellet più o meno denso: più è denso (a

parità di volume) e più è elevato il suo contenuto energetico. 3

1200 /

Nella produzione di una tonnellata di pellet la densità batte attorno ai (di densità

3

600 /

assoluta, non in mucchio), la densità apparente è circa la metà . Quindi ci voglio dai 6

3

agli 8 m di trucioli e segatura. Per questo motivo viene utilizzato il pellet dato che occupa un

volume dalle 6 alle 8 volte inferiore a quello della materia prima che lo genera: ci vuole un solo

camion di pellet al posto di 6/8 camion che trasportano segatura (che ha una densità in mucchio

3

che si aggira attorno ai 200 kg/m ), e quello che conta è il peso, poiché dal peso dipende il

contenuto energetico. Abbiamo bisogno di alta massa per produrre potenza, ma abbiamo bisogno

di densità alte per stoccare di meno.

La percentuale di umidità va controllata e garantita per norma. 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.

Il formato di un pellet è standardizzato e normato in base a diametro e lunghezza: secondo la

normativa EN ISO 17225-1:2014, stabilito un diametro, si sceglie una lunghezza compresa

all’interno di un certo range.

La combustione di un pellet integro è completamente differente da quella di un pellet frantumato,

questo è il motivo per cui per ogni diametro abbiamo un minimo valore di lunghezza del pellet.

Ciascuna categoria ha un determinato valore di umidità e produce un determinato valore di

cenere e sono due parametri fondamentali:

- la percentuale di umidità, a seconda della categoria di pellet, dev’essere inferiore al 10% o al

15%;

- le ceneri (ash): con esse ci si riferisce alla somma di due tipologie di ceneri, le bottom ash (le

ceneri di fondo, quelle pesanti) e le fly ash (le ceneri volanti, tutto quel particolato che

ritroviamo nei fumi);

La componente organica presente all’interno delle ceneri ci dà gli incombusti (vedi ad esempio

la fuliggine nera presente all’interno dei camini, anche detta carbon black); in ottica di

economia circolare, il recupero della fly ash, e quindi del carbon black, ha una potenziale

destinazione (utilizzato per le gomme delle automobili o per il toner delle stampanti) previa

spesa per la gassificazione e la successiva immissione nel mercato con diversi gradi di purezza.

Un altro parametro fondamentale è la durabilità, intesa come la capacità del pellet di rimanere

intatto se movimentato. Chiaro che un pellet con alta densità avrà una durabilità superiore

rispetto ad un pellet a bassa densità.

Molto importante è anche la quantità di fini, infatti se il particolato è molto fine ha una

caratteristica di combustione completamente diversa rispetto alla combustione del pellet: la

combustione del pellet è una combustione a superficie, è un processo che passa attraverso

fenomeni di essiccazione e gassificazione. Quando effettuo la combustione di una particella molto

piccola (sotto il mm), questa si scalda in maniera omogenea e istantane