Teoria completa esame Impianti di energia solare e da energia di biomasse

PROCESSI DI CONVERSIONE TERMOCHIMICA: COMBUSTIONE DIBIOMASSE

Diversamente dai gas o dai liquidi, la biomassa non può essere facilmente maneggiata, immagazzinata o trasportata. Questo è il motivo principale per cui la biomassa solida è in diverse applicazioni convertita in combustibili liquidi o gassosi attraverso una delle seguenti metodologie: processi biochimici o processi termochimici. In particolare:

• I processi di conversione termochimica come la combustione, la gassificazione e la pirolisi, sono basati sull'azione del calore, che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia;
• I processi di conversione biochimica come la fermentazione alcolica e la digestione anaerobica, consentono di ricavare energia attraverso reazioni chimiche dovute alla presenza di enzimi, funghi e altri microrganismi che si formano nella biomassa mantenuta in particolari condizioni.

I biocombustibili solidi (biomasse solide) trovano impiego nei...

processi di trasformazione di tipo termochimico, processi nei quali si ha la liberazione dell'energia di legame immagazzinata nelle molecole organiche che costituiscono i tessuti vegetali delle biomasse stesse tramite l'azione di opportune quantità di calore (energia termica). Una classificazione dei processi termochimici, estremamente più rapidi dei processi biochimici, può essere fatta in base al quantitativo di aria utilizzata per sostenere la trasformazione energetica: - combustione, attuata con un rapporto d'aria in eccesso rispetto al valore stechiometrico di ossidazione completa - gassificazione, attuata con un rapporto d'aria in difetto rispetto al valore stechiometrico di ossidazione completa - pirolisi, attuata in assenza di aria Un processo termochimico di conversione energetica di biomassa può svilupparsi coinvolgendo tutti o solo alcuni dei processi specifici elencati. COMBUSTIONE: IL PROCESSO La combustione dila biomasse è un processo che prevede una serie di reazioni chimiche che portano all'ossidazione del carbonio a CO e dell'idrogeno ad H2O, oltre alla produzione di energia termica. Durante il riscaldamento graduale della biomassa, dopo una fase di essiccamento, vengono rilasciati composti volatili. Questi composti si formano a causa di trasformazioni chimiche che avvengono all'interno della struttura della biomassa stessa, con la rottura dei legami chimici presenti. Questa fase è chiamata devolatilizzazione o pirolisi. Dalle reazioni pirolitiche si formano molecole più piccole che costituiscono la fase gassosa, mentre nella fase solida si forma un composto carbonioso chiamato "char". In sintesi,i passi tipici della combustione della biomassa risultano:

1. Riscaldamento del solido
2. Essiccamento
3. Pirolisi con rilascio di composti volatili (devolatizzazione)
4. Combustione primaria in fase gas
5. Combustione secondaria eterogenea gas-solido

Al termine della pirolisi le reazioni in fase gassosa e quelle eterogenee gas-solido procedono indipendentemente. I composti leggeri gassosi rilasciati, in presenza di ossigeno si ossidano. La combustione delle particelle di char, che non è più in grado di rilasciare composti volatili, avviene in fase eterogenea gas-solido, sia sulla superficie che all'interno delle particelle.

La combustione consiste in una serie di reazioni chimiche che interessano i vari componenti del combustibile in reazione con l'ossigeno dell'aria. Vediamo tali reazioni per i principali componenti:

1. C+O2 = CO2
2. S+O2 = SO2
3. 2H2+O2 = 2H2O
4. 2CO+O2 = 2CO2
5. CH4+2O2 = CO2+2H2O

Vediamo qual è la quantità di ossigeno che i vari componenti,

assunti nella quantità di 1 kg, necessitano. In termini di kg di aria, sapendo che ogni kg di aria contiene 0.232 kg di O e che quindi per avere 1 kg di O2 mi servono 4.31 kg di aria: →1 kg C 2.664 x 4.31=11.484 kg di aria →1 kg S 0.9981 x 4.31=4.302 kg di aria →1 kg H 7.936 x 4.31=34.204 kg di aria2 →1 kg CO 0.5712 x 4.31=2.462 kg di aria →1 kg CH 3.989 x 4.31=17.193 kg di aria4 Quelle appena viste, sono le quantità d'aria stechiometricamente necessarie per la combustione, quantità che però non sono sufficienti per assicurare la combustione completa. Ad esempio, per combustibili gassosi si ha n=1.05-1.20, per olio combustibile n=1.10-1.30 (eccesso d'aria).

TECNOLOGIE PER LA COMBUSTIONE DELLE BIOMASSE Il potere calorifico della biomassa è sensibilmente inferiore a quello dei combustibili fossili, ed è variabile in funzione del tipo di biomassa (specie legnosa, presenza di corteccia, biomassa erbacea ecc.)

fortemente influenzato dal tenore idrico. Il potere calorifico inferiore medio su base secca della biomassa legnosa è variabile indicativamente tra 17 e 19 MJ/kg. La quantità di acqua contenuta nella biomassa, influenza non solo il potere calorifico, ma anche le condizioni all'interno dei generatori di calore, in quanto provoca una diminuzione della massima temperatura di combustione ed un aumento del tempo di residenza necessario per il completamento delle reazioni chimiche. In questo modo risulta difficile contenere le emissioni di sostanze dannose dovute a combustione incompleta, aumenta il volume dei gas prodotti e diminuisce l'efficienza del processo e quindi dell'apparecchio. La biomassa contiene anche una frazione costituita da specie alcaline, metalli pesanti e altri elementi, indicata come cenere, che si ritrovano come residuo a valle del processo di combustione e possono dare origine a frazioni del particolato emesso al camino.

APPLICAZIONI

INDUSTRIALICi riferiamo alle applicazioni in cui la conversione della biomassa è attuata con la finalità di produzione diretta di calore (grandi centrali termiche al servizio di reti di teleriscaldamento, ad esempio) o per la produzione combinata di calore ed energia elettrica (assetto cogenerativo, certamente il più diffuso). In quest'ultimo caso, le soluzioni disponibili, nel range in esame, sono essenzialmente caldaie per la produzione di vapore al servizio di turbine a ciclo Rankine.

Per camera di combustione/caldaia/forno si intende la zona in cui avviene la combustione vera e propria oltre all'insieme dei tubi vaporizzatori ossia di quei tubi all'interno dei quali avviene la trasformazione dell'acqua in vapor saturo. Fanno quindi parte del generatore di vapore e non della caldaia il surriscaldatore, il risurriscaldatore e l'eventuale economizzatore.

I generatori di vapore possono essere classificati in base a:

• combustibile

impiegato• trasmissione di calore• circolazione• contenuto d'acqua• pressione in camera di combustione. Circa il combustibile impiegato, i generatori si possono distinguere in generatori ad olio combustibile, gas naturale (anche biogas), a carbone, a RSU, a biomasse. I generatori, classificati in base alla forma in cui avviene la trasmissione di calore in caldaia (forno), si distinguono in generatori a convenzione, a irraggiamento e a riscaldamento indiretto. Ai generatori a riscaldamento indiretto appartengono le caldaie a fluido diatermico: nei tubi all'interno della camera di combustione non circola acqua/vapore ma un fluido che ha la particolarità di poter essere portato ad alta temperatura a pressione atmosferica (a differenza di quanto avviene con l'acqua). In base al tipo di circolazione, si distinguono generatori a circolazione naturale, generatori a circolazione accelerata e generatori a circolazione forzata. Nei primi la

La circolazione avviene in modo naturale per la differenza di densità fra vapore e acqua. L'esigenza di trovare una diversa soluzione alla circolazione naturale compare con l'aumentare della pressione. In generale il limite per l'adozione della circolazione naturale è individuato con pressioni attorno ai 160 bar (si inserisce nei tubi di discesa del corpo cilindrico una pompa che sostiene la circolazione - circolazione accelerata). Diversa è invece la soluzione costruttiva detta a circolazione forzata: tutta l'acqua entra nei tubi e si trasforma in vapore alle condizioni volute, con però una serie di accortezze progettuali e di esercizio.

TIPOLOGIE FORNI CHE UTILIZZANO BIOMASSE COME COMBUSTIBILE

Forno a griglia: rappresentano la tecnologia più diffusa e sperimentata nella combustione delle biomasse. La combustione nel forno a griglia viene realizzata in tre fasi: la prima fase consiste nell'essicamento del combustibile,

L'accensione e la combustione in fase solida hanno luogo sopra alla griglia nella sua parte iniziale; la seconda fase di combustione consiste nella completa ossidazione delle sostanze volatili combustibili liberatesi per pirolisi dalle biomasse che si muovono sopra alla griglia (questa fase ha luogo nella parte centrale e nella parte alta della camera di combustione); nella terza ed ultima fase del processo di combustione, che avviene sopra alla griglia nella sua parte terminale, si realizza l'esaurimento della combustione dei residui solidi, cui segue la precipitazione delle scorie nella zona sottostante la griglia.

La griglia può essere fissa o mobile: su di essa, attraverso una tramoggia, viene formato il letto di fluidi sottoposto a successiva combustione. L'aria viene iniettata sottogriglia, in quantitativi che risultano definiti in base alla quantità di rifiuto presente sul letto; sopra alla griglia viene inviata l'aria necessaria per il completamento

.dalla griglia in giù è realizzata con pareti in refrattario. In questo caso, la parte superiore dellacamera di combustione funziona come una caldaia, mentre la parte inferiore è adiabatica. Le diverse soluzioni costruttive delle camere di combustione dipendono dalle esigenze specifiche dell'impianto e dalle caratteristiche del combustibile utilizzato. La scelta del tipo di camera di combustione influisce sulla resa termica, sull'efficienza e sulle emissioni dell'impianto. È importante sottolineare che la corretta progettazione e costruzione delle camere di combustione è fondamentale per garantire un funzionamento sicuro ed efficiente degli impianti. Inoltre, è necessario effettuare regolari controlli e manutenzioni per assicurare il corretto funzionamento nel tempo.Il re