Appunti del corso impianti meccanici M

Nomenclatura di base

PFD (process flow diagram) è un diagramma che pone in evidenza quali sono le apparecchiature necessarie alla realizzazione del processo.

P&ID (piping and instrumentation diagram) è un diagramma in cui sono indicati tutti gli elementi necessari per il funzionamento di un impianto, compresa quindi la strumentazione (valvole, termostati, …).

Definizione di biomassa (direttiva 2001/77/CE)

La biomassa è una risorsa energetica rinnovabile con il vantaggio di poter essere immagazzinata e quindi utilizzata al bisogno (svincolata dalle condizioni ambientali a differenza di solare, eolico, idrico). Si definisce biomassa la parte biodegradabile dei prodotti e dei rifiuti provenienti dall’agricoltura, dalla silvicoltura e dalle industrie connesse nonché la frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU – umido in gergo) e industriali. In questa definizione rientrano tantissime tipologie di materiali aventi in comune una matrice organica, ossia a base di atomo di carbonio.

Biomassa residuale e biomassa dedicata

• Biomassa residuale: Proveniente da attività finalizzate ad altri scopi (sfalci di potatura);
• Biomassa dedicata: Prodotta per essere utilizzata come fonte energetica.

Classificazione delle biomasse

• Lignocellulosiche: Cippato, pellet, … sono le biomasse che andremo a studiare;
• Amidacee – zuccherine: Barbabietole, canne da zucchero;
• Oleaginose: Mais, semi di girasole e tutte quelle che contengono olio.

Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse

Le normative definiscono le caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse ed i metodi per quantificarle:

• Potere calorifico inferiore (PCI): Quantità di calore che si sviluppa dalla combustione di 1kg di biomassa senza tenere conto del calore contenuto nei fumi generati. Spesso il PCI esprime la quantità di energia effettivamente utilizzabile perché i fumi contengono composti acidi e quindi a volte risulta problematico condensarli per ricavare energia. Per le biomasse i valori sono circa 1/3 di quelli dei combustibili fossili.
• Potere calorifico superiore (PCS): Quantità di calore che si sviluppa dalla combustione di 1kg di biomassa sommata a quella data dalla condensazione dei fumi.
• Produzione media: Rappresenta la quantità di biomassa (e quindi di energia) prodotta da un ettaro di terreno.
• Umidità: Esprime i kg di acqua contenuti in un kg di biomassa umida.
• Densità assoluta: Densità misurata eliminando interstizi e porosità.
• Densità in mucchio: Densità del materiale eterogeneo considerando interstizi e porosità (bulk density) (solitamente circa la metà di quella assoluta).
• Rapporto C/N: Ci interessa avere questo rapporto alto perché rappresenta una zavorra che libera degli inquinanti durante la combustione, mentre rappresenta la fonte energetica.
• Aria teorica (o stechiometrica): Quantità di aria necessaria per bruciare in maniera completa una determinata quantità di combustibile.
• Eccesso d’aria: Quantità di aria che si aggiunge a quella teorica per essere sicuri di avere combustione completa. Considerando che l'aria in eccesso assorbe parte del calore della combustione, in genere si cerca di ridurre l'eccesso d'aria al minimo necessario. Per i combustibili fossili = 3÷4%, mentre per le biomasse arriviamo anche al 30%. L’eccesso d’aria influenza notevolmente la produzione di CO: sperimentalmente si vede quale rapporto consente la minor produzione.
• Composizione chimica: Necessaria per determinare i prodotti inquinanti della combustione.
• Residui in cenere della combustione: Necessaria per dimensionare il sistema di stoccaggio delle ceneri.
• Durabilità: Definisce la capacità della biomassa di rimanere intatta durante le movimentazioni. (1 – umidità massima = 50 – 60% che consente di avere combustione (oltre la biomassa non prende fuoco) condizione migliore per il rendimento di combustione circa 5%.)

Esempio numerico

Consideriamo di avere metano come combustibile: CH₄ = 17,2 g/mol, CO₂ + 2H₂O = 18 g/mol, H₂O = 50,000 J/mol, CO₂ = 120,000 J/mol in condizioni normali (per un gas perfetto il volume occupato è 22,4 L/mol a 0°C):

• Pesi atomici: C = 12 + 4 x 1 = 16, O₂ = 32 g/mol
• CH₄ = 0,714 mol/L → 50,000 x 0,714 = 35,700 J/mol
• CO₂ = 0,089 mol/L → 120,000 x 0,089 = 10,700 J/mol

A parità di volume produco una energia 3,3 volte superiore con il metano.

Le biomasse in Italia

La superficie agricola destinata a colture energetiche in Italia è circa l’1% della SAU (superficie agricola utile), approssimativamente 13.000.000 ha. Domanda di energia: 180,2 Mtep. Densità energetica superficiale media da coltivazione dedicata di biomassa: 200 GJ/ha x 10.000 = circa 42000 Mtep.

Tep = tonnellata equivalente di petrolio, 1 Tep = 42 GJ x 1000 = 42 MJ x 10 = 42 MJ. Supponendo di sfruttare tutta la SAU per la produzione energetica (cosa impossibile perché poi non si avrebbero prodotti alimentari) soddisferemmo circa un terzo dalla domanda energetica annuale: 913.000.000 ha x 200 GJ/ha = 2,6 PJ. Attualmente la produzione di energia elettrica da biomassa copre lo 0,8% del fabbisogno nazionale.

Il processo di combustione della biomassa

Riscaldando la biomassa l’umidità comincia ad uscire ad una temperatura di circa 105°C (leggermente sopra i 100°C perché le goccioline che escono devono vincere l’attrito delle pareti e quindi evaporano a 100°C + ΔT).

Pirolisi

Riscaldamento in assenza di ossigeno. Una volta che la biomassa è stata completamente essiccata, la temperatura comincia ad aumentare e un po’ alla volta si liberano le sostanze volatili. Tra i 200°C e i 400°C abbiamo la devolatilizzazione del 90% delle sostanze volatili e si forma il char (carbone vegetale). Fornendo ancora calore al char, otteniamo la gassificazione con produzione di syngas e con tar come prodotto di scarto.

Equazione di Darcy-Weisbach

Un valore comune per tubi in acciaio è 0,02 e un valore tipico di velocità economica per acqua in una condotta è 2-3 m/s.

Caminetti, stufe e caldaie

Tre sistemi per produrre energia da combustione di biomassa:

• Caminetti: Riscaldamento area circostante per irraggiamento.
• Stufe: Riscaldano l’area circostante per irraggiamento.
• Caldaie: Attraverso la produzione di acqua calda permettono di trasferire il calore anche in altri ambienti.

Tiraggio del camino

Il tiraggio del camino indica la pressione con cui i fumi prodotti dalla combustione risalgono verso la canna fumaria per poi essere dispersi verso l'esterno. Un cattivo tiraggio del caminetto può portare a concreti rischi di intossicazione da monossido di carbonio o addirittura di incendio. Sia l’altezza della canna fumaria che il tiraggio sono fondamentali. Supponendo Δh, si ricava ΔP. È fondamentale riscaldare molto i fumi per aumentare il tiraggio del camino (solitamente riscaldiamo fino a 320°C). Il tiraggio medio di un camino può essere nell’ordine dei 10 m.

Determinato il ΔP, applicando Darcy-Weisbach posso calcolare la portata dei fumi conoscendo la sezione del camino e viceversa.

Caldaie: classificazione e caratteristiche

Il combustibile utilizzato è prevalentemente cippato o pellet, ossia pezzi opportunamente trattati di biomassa in modo da essere il più omogenei possibile.

• Classe A1: Combustibili con basso contenuto di inerti (ceneri, azoto, cloro);
• Classe A2: Combustibili con più alto contenuto di inerti.

Tipologie di caldaie

• Caricamento manuale
• Caricamento automatico
• Fiamma diretta
• Fiamma inversa: La caldaia a fiamma inversa presenta la camera di combustione sotto al vano di caricamento del combustibile in modo che la fiamma si sviluppi verso il basso. La fiamma inversa riduce il fronte di fiamma ad una superficie costante che è quella di appoggio della legna nella griglia aumentando il rendimento e riducendo le emissioni inquinanti.

Sonda lambda: Regola la quantità di eccesso d’aria da inserire per favorire una combustione ottimale.

Scambiatore di calore: Contiene l’acqua di raffreddamento necessaria per la regolazione della caldaia.

Le caldaie a caricamento automatico si distinguono per la tipologia di griglia:

La griglia mobile, a fronte di una maggiore complessità impiantistica (richiede la presenza di un impianto di raffreddamento per le parti in movimento), presenta numerosi vantaggi grazie al continuo rimescolamento del letto:

• Temperatura più uniforme;
• Migliora il rendimento;
• Riduce la quantità di incombusti.

Nelle caldaie a fiamma diretta, l’aria è introdotta dal basso e incontra le unità in avanzato stato di combustione che richiederebbero meno aria. Il risultato è una combustione con eccesso di aria fredda che facilita la formazione delle diossine.

Nelle caldaie a fiamma inversa, invece, l’aria è introdotta dall’alto e prima di arrivare al combustibile si miscela con i fumi, realizzando un preriscaldamento dell’aria che limita la formazione degli inquinanti.

P&ID semplificati di caldaie a fiamma inversa

P&ID caldaia a fiamma inversa con caricamento manuale: La valvola è un trasduttore di temperatura che regola l’immissione di aria primaria nella camera di combustione.

P&ID caldaia a fiamma inversa con caricamento automatico

Stoccaggio della biomassa

Nelle caldaie a caricamento automatico si rende necessario un silos per lo stoccaggio del combustibile che viene movimentato con coclee motorizzate. I locali tecnici di stoccaggio sono soggetti a normative che prevedono:

• Motore delle coclee collocati fuori dai locali che contengono il combustibile;
• Rispetto di opportune distanze minime e massime;
• Presenza di porte tagliafuoco con opportuno valore REI (il valore REI indica i minuti che la porta tagliafuoco può resistere al fuoco).

Durante lo stoccaggio bisogna evitare che la biomassa acquisisca umidità. Dal diagramma di Mollier possiamo quantificare l’umidità acquisita dalla biomassa. Per evitare l’umidificazione della biomassa posso usare dei gas di scarico caldi che attraversando lo stoccaggio essiccano la biomassa.

Oltre all’impatto ambientale bisogna considerare l’impatto sociale e logistico che l’impianto comporta. Un impianto di grossa taglia richiede un rifornimento di biomassa molto elevato, soprattutto se e questo significa avere dei bilici che fanno avanti indietro verso la zona dell’impianto. Per ridurre il viaggio dei bilici realizzo gli impianti vicino alla fonte della biomassa (bosco o campo), ma bisogna considerare che spesso queste zone non sono servite da strade adatte ad essere percorse da bilici.

Formazione delle diossine

Conoscere la composizione elementare della biomassa è molto importante perché ci fornisce informazioni sulle possibili emissioni inquinanti. In particolare, dobbiamo stare attenti a:

• Cloro: Formazione di diossine e furani;
• Azoto: Formazioni di ossidi di azoto;
• Zolfo: Formazione delle rugiade acide dalla condensazione dei fumi.

La tossicità di una miscela di diossine è espressa come tossicità equivalente rispetto a quella che si considera la più tossica, ossia la diossina Seveso che per definizione ha TEQ = 1. I limiti fissati per legge nell’emissione di diossine corrispondono a 0,1 ng/m³, si tratta di un valore talmente piccolo che non esistono sensori in grado di rilevarlo in linea, ma bisogna necessariamente controllarlo filtrando una quantità molto alta di fumi allo scarico.

Per una miscela di diossine con TEQ, il limite sarà: TEQ x 0,1 ng/m³ = 1 ng/m³.

Abbiamo 2 processi fondamentali con i quali si possono formare le diossine:

• De novo synthesis: Produzione a basse temperature (200-400 °C) da parte di particolati solidi come fuliggine e ceneri volanti.
• Pyrosynthesis: Produzione ad alte temperature (500-800 °C) a partire da precursori gassosi come clorofenoli o clorobenzeni.

I due processi si differenziano sia per il range di temperatura, ma anche per il tipo di precursore (particelle solide nel primo caso), composti gassosi nel secondo. Dobbiamo normalizzare le unità di misura in ng/m³ per poter confrontare i due processi. Nel caso della de novo synthesis posso farlo conoscendo quanta cenere si forma per kg di combustibile (circa 33% negli impianti moderni), nel caso della pyrosynthesis devo conoscere a quanti kg corrispondono i precursori gassosi del combustibile, e questo è semplice nel caso di pellet con caratteristiche definite da normative, meno semplice in caso di biomasse eterogenee.

Dalla letteratura emerge che la quantità di diossina prodotta dalla pyrosynthesis è 10^-4 volte inferiore rispetto a quella prodotta dalla de novo synthesis (osserviamo le scale differenti delle ordinate). Le curve sono delle gaussiane perché la formazione di diossina è un processo aleatorio dovuto allo scontro tra le molecole presenti nel volume considerato. Questo grafico evidenzia come all’aumentare della quantità di precursori aumentano notevolmente le diossine.