Controllo tecnico-analitico delle emissioni prodotte da impianti di combustione degli scarti di legno e raffronto con il quadro normativo di settore
A cura di: Provincia di Treviso – Arpav
IMPIANTI TERMICI A SCARTI DI LEGNO – CENNI DI TECNOLOGIA DEL PROCESSO DI COMBUSTIONE
Gli scarti legnosi possono essere convertiti in energia attraverso processi termochimici e/o biochimici, i primi particolarmente indicati per le biomasse legnose come gli scarti industriali della lavorazione del legno. Tra i processi termochimici di conversione si ricordano i seguenti:
Combustione diretta – Consiste nel bruciare la biomassa in presenza di aria, avviando il processo con un apporto esterno di calore. La combustione diretta viene attuata in apparecchiature (caldaie) in cui avviene anche lo scambio di calore tra i gas di combustione e i fluidi di processo (acqua, olio diatermico, ecc.). La combustione di residui legnosi può essere attuata con buoni rendimenti se si utilizzano come combustibili sostanze ricche di cellulosa e lignina e con contenuti di acqua inferiori al 35%.
Carbonizzazione – Consente la trasformazione di materiale legno-cellulosico, per azione di calore, in carbone (carbone di legna o carbone vegetale), mediante l’eliminazione dell’acqua e delle sostanze volatili;
Gassificazione – Processo in cui il materiale ligno-cellulosico è convertito in un gas a basso o medio potere calorifico inferiore, tramite la vaporizzazione dei componenti più volatili;
Pirolisi – Decomposizione di materiali organici, per mezzo di calore e in completa assenza di ossigeno, in prodotti gassosi, liquidi e solidi.
Nel gruppo di aziende oggetto di studio, la tecnologia utilizzata per il recupero di energia dagli scarti di lavorazione del legno è quella basata sulla combustione diretta, che sfrutta diverse soluzioni tecnologiche per la realizzazione del focolare.
Un impianto a combustione diretta può essere generalmente schematizzato nei seguenti componenti:
sistema di stoccaggio del combustibile
sistema di alimentazione del combustibile
sistema di alimentazione del comburente
camera di combustione
sistema di estrazione delle ceneri
sistema di recupero del calore
sistema di abbattimento di polveri e fumi
sistema di abbattimento dei componenti gassosi (eventuale)
sistema di controllo delle emissioni in continuo (eventuale)
SISTEMA DI STOCCAGGIO/ALIMENTAZIONE
I sistemi di estrazione del materiale possono utilizzare rastrelli interni, se il combustibile è particolarmente umido, spingitoi e coclee. Se il combustibile è stoccato in silos, viene prelevato e trasportato ad una tramoggia di alimentazione della caldaia, con un sistema che comprende:
un nastro trasportatore,
un sistema per la dosatura del materiale,
un sistema elevatore a coclea.
Nelle caldaie di ridotta potenzialità le coclee hanno piccole dimensioni, determinando la possibilità che materiali di grandi dimensioni e filamentosi o, comunque, contenenti corpi estranei quali fili di ferro, pezzi di corda, stoffe, si attorciglino attorno alle parti in movimento e ne provochino il blocco. Questo viene evitato invece nelle grandi caldaie dove le coclee di alimentazione sono molto grandi oppure vengono sostituite da spintori o nastri trasportatori di dimensioni considerevoli.
Schema tipico di un impianto di combustione alimentato a scarti legnosi [tratto da Tecnoair Srl, Casale sul Sile]
Tale problema non si pone usualmente negli impianti alimentati a scarti legnosi di origine industriale in quanto il materiale presenta normalmente un elevato grado di omogeneità e un ridotto contenuto di umidità. Le caldaie ad alimentazione automatica possono essere sottoo sovra-alimentate, in quanto il combustibile legnoso può giungere nella camera di combustione dal basso o dall’alto.
CAMERA DI COMBUSTIONE
Si possono distinguere vari tipi di camere di combustione, come ad esempio:
in sospensione
a tamburo rotante
a doppio stadio
a letto fluido
a griglia (fissa o mobile).
La combustione in sospensione è indicata nel caso di utilizzo di biomasse leggere e polverulente quali lolla di riso, segatura o paglia, che vengono inserite nella parte superiore del combustore e bruciano durante la caduta sulla griglia sottostante. La soluzione a tamburo rotante viene utilizzata per combustibili con scarse caratteristiche termofisiche, in quanto il rimescolamento della biomassa dovuto alla rotazione del tamburo migliora la combustione facendola avvenire in maniera più completa. Nella tecnologia a doppio stadio si effettua preliminarmente la gassificazione e la pirolisi, mentre la completa combustione dei prodotti gassificati avviene in una seconda camera separata. Con il sistema a letto fluido possono essere trattati materiali come ligniti, torbe, RSU e fanghi, anche in presenza di un forte tenore di umidità. La camera di combustione è parzialmente riempita con un materiale inerte fluidificato dall’aria comburente in modo da costituire un letto bollente che viene recuperato e reimmesso in circolazione nella camera di combustione. Nella combustione a griglia si possono distinguere sistemi a griglia fissa o a griglia mobile. Anche se concettualmente simili a quelle impiegate per il carbone, le griglie per la combustione di biomasse sono specifiche, in quanto caratterizzate da un’adeguata pendenza, analogamente a quanto previsto per la combustione dei rifiuti. Esse possono inoltre essere di tipo fisso o mobile; quest’ultime garantiscono migliori condizioni di combustione. Le caldaie a griglia fissa sono generalmente di media e piccola potenza: esse possono essere alimentate solo tramite materiale secco e caratterizzato da una pezzatura piccola e omogenea. Il contenuto idrico non può superare il 30-35%, in quanto in presenza di materiale umido possono andare incontro a malfunzionamenti più o meno significativi, fino allo spegnimento. Questi sistemi sono inoltre adatti alla combustione di biomasse con un basso contenuto in ceneri.
Sistema di trasporto e alimentazione del combustibile – Stoccaggio degli scarti legnosi in cumulo (cippato) e in silos
Le caldaie a griglia mobile sono utilizzate soprattutto per la maggiore facilità di rimescolamento del combustibile e rimozione delle ceneri. Sono in grado di bruciare sia materiale secco che molto umido, anche caratterizzato da una pezzatura che può essere anche grossolana e disomogenea.Il funzionamento si basa sul movimento delle sezioni della griglia, costituite in barre in lega di acciaio, le quali determinano lo spostamento della biomassa lungo la griglia stessa e quindi il progressivo essiccamento, sino alla completa combustione; le ceneri vengono rimosse automaticamente dal movimento della griglia per un efficace controllo dello spessore del letto anche in condizioni di rammolimento e parziale fusione delle ceneri.
REGOLAZIONE DELLA COMBUSTIONE
La regolazione riguarda sia la potenza erogata, sia la correttezza dei parametri di combustione. Le caldaie sono dotate di dispositivi di ottimizzazione elettronica della combustione e di regolazione basati sulla misura dell’O2 residuo nei fumi. La regolazione mediante sonde specifiche corregge l’apporto di combustibile e di comburente, permettendo quindi una combustione ottimale anche in presenza di biomassa di qualità diversa. L’uso di ventilatori di fumi a frequenza regolata riduce inoltre il consumo di corrente elettrica e garantisce una depressione costante del focolare. Sviluppi nella regolazione della combustione permettono anche di influire sulla concentrazione di CO ottenendo un funzionamento più regolare e costante dell’unità termica.
Sistema di alimentazione e regolazione dell’aria comburente
Bruciatore pilota
RECUPERO CALORE
Le caldaie a biomassa industriali sono caratterizzate da una elevata superficie degli scambiatori, per garantire un adeguato recupero energetico e per abbassare la temperatura dei fumi di scarico da depurare. Il calore sviluppato dal processo di combustione può essere recuperato in modo diretto tramite le pareti del dispositivo o in modo indiretto per mezzo di un fluido termovettore. Durante la combustione di assortimenti legnosi molto umidi i gas che ne derivano contengono ancora una considerevole quantità di energia, sotto forma di vapore. Quando la temperatura di ritorno dell’acqua dall’utenza sia a bassa temperatura (T < 45°C) è possibile condensare parzialmente il vapor d’acqua contenuto nei fumi, con un aumento del rendimento ed una riduzione delle polveri nei fumi.
ESTRAZIONE DELLE CENERI
La quantità di ceneri dipende dalla tipologia di biomassa, ad esempio il legno di faggio produce lo 0,2% di cenere, mentre la corteccia di frassino ne produce il 7%. Negli impianti di riscaldamento senza la griglia mobile in caso di quantità di cenere superiore al 1% esistono problemi di rimozione delle ceneri prodotte. I sistemi di estrazione delle ceneri comprendono sia l’abbattimento del particolato dai fumi, sia l’estrazione vera e propria dalla camera di combustione. Per allontanare le ceneri si adottano sistemi manuali (per piccoli impianti) o automatici (per impianti mediograndi), fra i quali si ricordano i sistemi di estrazione a coclea e quelli pneumatici.
