del processo di combustione di biomasse legnose

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1 Ottimizzazione del processo di combustione di biomasse legnose Ing. Roberta ROBERTO, PhD ENEA TER ENE-BIO Pagina 1 24/09/ /10/2009

2 Fenomenologia della combustione Combustione della biomassa: processo complesso costituito da reazioni consecutive eterogenee ed omogenee Può essere distinto in 4 fasi: essicazione (drying) devolatilizzazione (devolatilisation) gassificazione (gasification) combustione del carbone (char combustion) e ossidazione dei gas (gas-phase oxidation). (il tempo necessario per ogni reazione dipende dal tipo di biomassa, dalle dimensioni, dalla temperatura e dalle condizioni della combustione) Pagina 2 24/09/ /10/2009

3 Fenomenologia della combustione Essiccazione (drying): evaporazione dell acqua H 2Oliq ( s) H 2Ovap ( g) Devolatilizzazione (devolatilisation): degradazione termica senza ossigeno carbonio fisso ( s) C ( s) fraz volatile ( s) C H O ( g) a b c Gassificazione (gasification): reaz. omogenee e eterogenee con ossigeno libero e agenti ossidanti Combustione (char combustion + gas phase oxidation): ossidazione di C e dei composti volatili in eccesso di ossigeno 2C + O CO C 2 2CO + O2 2 2 ah boc (( 2a + 0.5b) 2) O a CO + 0. b H O Pagina 3 24/09/ /10/2009

4 Impianti a biomassa Impianti a biomassa legnosa (combustione): efficienza/rendimento combustibile (tipologia, disponibilità locale, reperimento) aspetti ambientali (emissioni al camino, ceneri, acque reflue) costi (investimento, combustibile, gestione/manutenzione, incentivi, ) Pagina 6 24/09/ /10/2009

5 Impianti a biomassa Aspetti ambientali: combustibile rinnovabile CO 2 neutro emissioni in atmosfera da combustione completa: anidride carbonica (CO 2 ) ossidi di azoto (NO x ) ossido nitroso (N 2 O) ossidi di zolfo (SO x ) cloruro di idrogeno particolato (fly-ash, aerosols) metalli pesanti da combustione incompleta: monossido di carbonio (CO) composti organici volatili non metanigeni (NMVOC) idrocarburi policiclici aromatici (PAH) TOC (Total Organic Carbon) particolato diossine e furani (PCDD/F) ammoniaca (NH 3 ) ozono (O 3 ) ceneri (contenuto in ossidi e metalli) acque reflue (nel caso di condensazione) Pagina 7 24/09/ /10/2009

6 Impianti a biomassa Aspetti ambientali: combustibile rinnovabile CO 2 neutro emissioni in atmosfera ceneri (contenuto in ossidi e metalli) acque reflue (nel caso di condensazione) Altri aspetti: gestione del territorio economie locali e filiera corta Pagina 8 24/09/ /10/2009

7 Impianti a biomassa Variabili che influenzano il processo di combustione Il processo di combustione dipende da: caratteristiche e qualità del combustibile (potere calorifico, tenore idrico, composizione, omogeneità, contenuto di cenere, presenza di corpi estranei o sporcizia, presenza di corteccia, etc ); Temperatura, Turbolenza e Tempo di residenza (regola delle 3 T); tipologia di apparecchio e parametri progettuali (particolarità del focolare, griglia, camera primaria, camera secondaria, aria primaria, aria secondaria, sistemi di controllo e regolazione, sistemi automatici di pulizia (estrazione ceneri, pulizia automatica superfici di scambio termico)); gestione del processo (aria, combustibile, ); manutenzione Pagina 9 24/09/ /10/2009

8 Impianti a biomassa Variabili che influenzano direttamente o indirettamente emissioni e efficienza: meccanismi di scambio termico accumulo termico (e inerzia iniziale nella fase di avviamento) isolamento delle pareti della camera di combustione preriscaldamento dell aria eccesso d aria tipo di combustibile portata di combustibile modalità di alimentazione del combustibile distribuzione del combustibile contenuto di umidità temperatura di combustione tempo di residenza tiraggio scelte progettuali air staging distribuzione aria distribuzione del calore schermi radianti regolazioni del processo di combustione Pagina 10 08/10/ /09/2009

9 Caratteristiche e qualità del combustibile Composizione della biomassa Caratterizzazione della biomassa: sulla base della struttura fisico-chimica (cellulosa, lignina, emi-cellulosa, estratti, ceneri) sulla base della natura atomica (umidità, ceneri, C, H, O, N, S, K, Na, Cl, etc.) sulla base della volatilità (umidità intrinseca, umidità estrinseca, materia volatile, carbonio fisso, ceneri) Combustione: biomassa con contenuto idrico < 60%. Costituenti che non siano C, H e O sono indesiderati formazione di inquinanti, depositi, corrosione, cenere. Pagina 11 08/10/ /09/2009

10 Caratteristiche e qualità del combustibile Contenuto di umidità Contenuto di umidità nei combustibili da biomassa varia in funzione del tipo di biomassa e della modalità di stoccaggio. umidita : U = (peso umido peso anidro) 100 peso anidro tenore idrico: w = (peso umido peso anidro) 100 peso umido All aumentare del contenuto di umidità: si abbassa la massima temperatura di combustione (temperatura adiabatica di combustione) ed aumenta il tempo di residenza necessario all interno della camera di combustione difficile contenere le emissioni di sostanze dannose dovute a combustione incompleta; aumenta il volume dei gas prodotti dalla combustione; diminuisce l efficienza Pagina 12 08/10/ /09/2009

11 Caratteristiche e qualità del combustibile All aumentare del contenuto di umidità: si abbassa la massima temperatura di combustione (temperatura adiabatica di combustione) ed aumenta il tempo di residenza necessario all interno della camera di combustione difficile contenere le emissioni di sostanze dannose dovute a combustione incompleta; aumenta il volume dei gas prodotti dalla combustione; diminuisce l efficienza Pagina 13 08/10/ /09/2009

12 Caratteristiche e qualità del combustibile Caratteristiche di alcune biomasse legnose % in peso su sostanza secca biomassa materia carbonio umidità volatile fisso ceneri PCI [MJ/kg] ss legno 20,0 62,0 17,0 1,0 18,6 paglia di frumento 16,0 59,0 21,0 4,0 17,3 paglia d orzo 30,0 46,0 18,0 6,0 16,1 biomassa % su ss volatile % ceneri PCI C H O N S su ss [MJ/kg] ss betulla 48,8 6,0 44,2 0,5 0,01 0,5 20,0 pioppo 49,8 5,9 44,4 0,6 0,04 1,9 18,3 paglia di frumento 0,6 n.a. 49,6 6,2 43,6 (Danimarca) 4,7 18,6 miscanto (Italia) 49,5 6,2 43,7 0,6 n.a. 3,3 18,5 canna da zucchero 0,5 n.a. 49,5 6,2 43,8 (Italia) 3,7 18,5 carbone bituminoso 73,1 5,5 8,7 1,4 1,7 9,0 27,2 McKendry P. (2002), Energy production from biomass: Conversion technologies, Bioresource Technology Pagina 14 08/10/ /09/2009

13 Caratteristiche e qualità del combustibile Biomassa legnosa: da specie arboree ciocchi, briquettes, cippato, pellet, Biomassa erbacea: erbacee annuali (sorgo da fibra, kenaf, canapa, ) erbacee poliennali (canna comune, miscanto, panico, cardo, ) Biomassa agricola: residui agricoli e colturali (stocchi, residui di potature, paglie ) semi e granaglie residui agroindustriali Pagina 15 08/10/ /09/2009

14 Caratteristiche e qualità del combustibile Paglia, cereali ed erba: ceneri (basse concentrazioni di Ca e alte concentrazioni di K) fondono a T più basse e tendono a sinterizzare depositi e difficoltà di controllo e gestione del processo g () POLVERI CO NOx stufa a pellets caldaia a cippato caldaia a mais (50%) % O2 prove di laboratorio effettuate presso hall sperimentale THEXAS, C.R. ENEA di Saluggia (VC) Pagina 16 08/10/ /09/2009

15 Caratteristiche e qualità del combustibile Potere calorifico [MJ/kg] Potere Calorifico Superiore (PCS) Potere Calorifico Inferiore (PCI) (PCI = PCS calore condensazione acqua) energia termica, riferita alla massa di combustibile, che viene liberata dalla reazione di ossidazione completa a p costante, essendo i reagenti nelle condiz. di riferimento ed i prodotti della combustione riportati alle condiz. di riferimento con acqua allo stato vapore Per la biomassa con riferimento: sul secco senza cenere (sssc), sul secco (ss), sul tal quale (stq) (altre unità di misura: kcal/kg, kwh/kg, ) PCS biomassa: ca MJ/kg (su base secca) PCI biomassa: ca MJ/kg su base secca. Pagina 17 08/10/ /09/2009

16 Caratteristiche e qualità del combustibile Potere calorifico legno (C 50%, H 6%, O 44% in peso su base secca) PC [MJ/kg] W [%] PCS PCI Pagina 20 08/10/ /09/2009

17 Caratteristiche e qualità del combustibile Potere calorifico legno (C 50%, H 6%, O 44% in peso su base secca) PC [MJ/kg] W [%] PCS PCI Pagina 21 08/10/ /09/2009

18 Temperatura-Turbolenza-Tempo residenza, Stechiometria Regola delle 3T: Temperatura: temperatura adiabatica di combustione reazioni chimiche e formazione composti Turbolenza: miscelamento tra aria e gas combustibili volume di combustione Tempo di residenza: completamento reazioni di ossidazione Tc ad T 0 + c f PCI λ a λ: indice d aria c f : capacità termica massica fumi media a t : aria teorica T 0 : temperatura di riferimento t Stechiometria (aria teorica/stechiometrica, CO 2 massima teorica, fumi teorici/stechiometrici, portate necessarie alla combustione, bilanci di massa e di energia) Emissioni causate da combustione incompleta dovute a: - miscelamento non adeguato tra aria comburente e gas combustibili; - carenza di ossigeno; - temperatura troppo bassa; - tempi di residenza troppo brevi; - bassa concentrazione di radicali Pagina 22 08/10/ /09/2009

19 Ottimizzazione del processo di combustione Misure primarie: progettazione e conduzione impianto (camera di combustione ben isolata, particolarità focolare, camere di combustione, combustione a più stadi, punti di immissione aria, quantità e velocità aria, flusso/turbolenza in camera, ricircolo fumi in camera di combustione, pre-riscaldamento aria comburente, sistemi automatici di regolazione, ventilazione forzata, dispositivi pulizia automatici); impiantistica correlata (sistema accumulo inerziale, impianto idraulico, ) combustibile (qualità del combustibile e utilizzo combustibili ammessi); manutenzione Misure secondarie: sistemi di contenimento delle emissioni Sistemi di controllo e regolazione Pagina 23 08/10/ /09/2009

20 Misure primarie per riduzione di NO x possibile riduzione del 50% delle emissioni di NO x per biomasse con basso contenuto di N e dell 80% per biomasse con alto contenuto di N Two-stage combustion Iniezione aria primaria nel letto di brace e iniezione aria secondaria nella camera di combustione buon miscelamento aria comburente con gas combustibili (basso eccesso d aria λ<1.5) Necessario un accurato controllo del processo (sonda Lambda o sonda CO) per assicurare un ottimale eccesso d aria in tutte le fasi del processo. Air staging Aria iniettata a due livelli. Aria primaria sotto-stechiometrica (λ primaria <1). Necessari lunghi tempi di residenza e grandi volumi della camera di combustione. Fuel staging Combustibile introdotto nella fornace a due differenti livelli. Il combustibile primario è bruciato con eccesso d aria (λ>1). In una seconda zona viene introdotto il combustibile secondario e iniettata l aria secondaria. Pagina 24 08/10/ /09/2009

21 Misure primarie per riduzione di particolato La combustione di biomassa porta ad emissioni piuttosto rilevanti di particolato. La maggior parte del particolato è costituito da particelle più piccole di 10 micron (PM10) con un ampio spettro di particelle di diametro inferiore a 1 micron (submicron particles, PM1). Durante la combustione di biomassa le particelle si formano principalmente con meccanismi di nucleazione, coagulazione e condensazione. regola 3T (temperatura, tempo, turbolenza) dimensioni camere di combustione staged combustion Low particle concept staged combustion con fase iniziale di gassificazione, gestione ottimizzata del processo Pagina 25 08/10/ /09/2009

22 Ottimizzazione del processo di combustione Progettazione impianto Camera di combustione Low NO x Camera di combustione standard Pagina 26 08/10/ /09/2009

23 Ottimizzazione del processo di combustione Progettazione impianto Camera di combustione Low NO x verticale Camera di combustione Low NO x orizzontale Pagina 27 08/10/ /09/2009

24 Ottimizzazione del processo di combustione Progettazione impianto Pulizia automatica delle superfici di scambio termico Aria primaria e aria secondaria con regolazioni Elevato spessore isolante del focolare Pagina 28 08/10/ /09/2009

25 Ottimizzazione del processo di combustione Sistemi di controllo e regolazione Sonda Lambda Sonda CO e incombusti Sonda temperatura Pagina 29 08/10/ /09/2009

26 Ottimizzazione del processo di combustione Sistemi di controllo e regolazione Sistemi a fiamma inversa combustione a due stadi Pagina 30 08/10/ /09/2009

27 Ottimizzazione del processo di combustione Sistemi di controllo e regolazione Pagina 31 08/10/ /09/2009

28 Ottimizzazione del processo di combustione Indici di buona combustione: fumo non visibile assenza di odori poco residuo di cenere cenere di colore grigio chiaro/bianco poca fuliggine nello scambiatore di calore Indici di cattiva combustione: fumo visibile odori grande quantità di cenere (si possono avere per non più di 15 minuti nella fase di accensione) cenere pesante di colore grigio scuro deposito di cenere nelle vicinanze del camino fuliggine nello scambiatore di calore Pagina 32 08/10/ /09/2009

29 Ottimizzazione del processo di combustione Influenza sulle emissioni del metodo di accensione: metodo tradizionale dal basso metodo corretto dall alto (riduzione dal 50 all 80% dell emissione di particolato) Pagina 33 08/10/ /09/2009

30 Ottimizzazione del processo di combustione Influenza sulle emissioni del metodo di accensione: metodo tradizionale dal basso metodo corretto dall alto (riduzione dal 50 all 80% dell emissione di particolato) Per apparecchi in cui non c è una camera secondaria non mettere tanta legna L effetto negativo di legna umida può essere ridotto utilizzando ciocchi più piccoli Legame tra CO e PM ( ) PM = 42,134 exp X CO Pagina 34 08/10/ /09/2009

31 Conclusioni Misure per ottimizzare la combustione aumentare il rendimento e ridurre le emissioni: NO incenerimento domestico! NO utilizzo di biomassa qualsiasi! SI controllo ottimizzato della combustione SI gestione ottimizzata dell impianto Pagina 35 08/10/ /09/2009

32 Conclusioni Misure per ottimizzare la combustione aumentare il rendimento e ridurre le emissioni: qualità e prestazioni dei generatori presenti sul mercato (buona progettazione, sistemi di controllo e regolazione); definizione test standards; progettazione e installazione (puffer, impianto idraulico); informazioni all utilizzatore; corretta conduzione e manutenzione Pagina 36 08/10/ /09/2009

33 Pagina 37 08/10/ /09/2009 Grazie per l attenzione