CALDIE A BIOMASSA REV. 2 del MARZO 2013 LE CALDAIE A BIOMASSA SECONDO GARIONI NAVAL.

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1 CALDIE A BIOMASSA REV. 2 del MARZO 2013 LE CALDAIE A BIOMASSA SECONDO GARIONI NAVAL

2 REV. 2 del MARZO 2013 CALDIE A BIOMASSAPage 2 PREMESSA Nel settore delle biomasse i modelli di caldaie costruiti da BABCOCK & WILCOX, STANDARD KESSEL, STEIN, GIROLA, CCT ecc. hanno fatto scuola. Il centro ricerca e sviluppo Garioni Naval, ha attentamente studiato le tecnologie presenti sul mercato, e sviluppato un prodotto all’avanguardia, pur rimanendo competitivo. A questo scopo, è stata studiata una la caldaia a tunnel con arpe verticali, per potenzialità fino a 6 -16 Ton/h di vapore sia in versione orizzontale che verticale. TIPOLOGIA CALDAIA Dopo attenta analisi e studio, indichiamo qui di seguitole considerazioni che hanno portato alla progettazione definitiva di tre serie di macchine.: Le caldaie a biomasse, non si possono considerare e calcolare come le caldaie a fiamma, ma sono dipendenti dalla biomassa stessa, il potere calorifico essendo molto variabile ci porta a considerare la portata dei fumi pertanto ne è dipendente, le caldaie in modo improprio si debbono considerare come caldaie a recupero. Biomasse per impianti di produzione energetica: Residui industriali Residui vegetali derivanti da colture erbacee Residui ligneo-cellulosici derivanti dalle colture arboree Residui ligneo-cellulosici derivanti dalla selvicoltura Colture erbacee specializzatte per la produzione di biomassa Sorgo da fibra Cardo Miscanto Canna comune Colture forestali specializzate per la produzione di biomasse Pioppo Douglasia (abete) e pini, Eucalipto Sul grafico sotto riportato si può vedere meglio come la sola umidità influisce sui parametri dimensionali della caldaia, si è tenuto fisso la quantità di combustibile, e la temperatura di ingresso caldaia, mentre variabile come si è detto l’umidità: Portata combustibile :1.000kg/h Temperatura fumi:950°C Umidità:10 – 50%

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4 REV. 2 del MARZO 2013 CALDIE A BIOMASSAPage 4 Come si nota la variazione di fumi, e conseguente energia, ha una varibilità prossima al 45%, pertanto, riportando i dati sulle caldaie si può pensare di stabilire tre modelli base di caldaia cosi divisi: Caldaia da 6 a 16 Ton/h modello orizzontaleVedi allegato 1 Caldaia da 6 a 16 Ton/h modello verticalevedi allegato 4 Caldaia da 18 a 35 Ton /h modello orizzontalevedi allegato 2 Caldaia da 40 a 60 Ton/hmodello orizzontalevedi allegato 3 Per coprire tutte le probabili potenzialità le caldaie 1. 2. 3. 4. verranno divise in tre caldaie base, che in funzione del potere calorifico soddisferanno tutte le esigenze dei probabili clienti in particolare: Caldaia al punto 1. Caldaia base da 6,0 Ton/h:Copertura da 4,0 Ton/h a 8,5 Ton/h Caldaia base da 10,0 Ton/h:Copertura da 6,5 Ton/h a 14,5 Ton/h Caldaia base da 16,0 Ton/h:Copertura da 11,0 Ton/h a 23,5 Ton/h Caldaia al punto 3. Caldaia base da 18,0 Ton/h:Copertura da 11,0 Ton/h a 26,0 Ton/h Caldaia base da 26,5 Ton/h:Copertura da 18,5 Ton/h a 38,5 Ton/h Caldaia base da 35,0 Ton/h:Copertura da 24,0 Ton/h a 50,5Ton/h Caldaia al punto 4. Caldaia base da 40,0 Ton/h:Copertura da 27,5 Ton/h a 55,0 Ton/h Caldaia base da 50,0 Ton/h:Copertura da 35,0 Ton/h a 70,5 Ton/h Caldaia base da 60,0 Ton/h:Copertura da 41,0 Ton/h a 80,5Ton/h Per quanto riguarda i rendimenti e gli aggiustaggi termici possiamo ricalcolare di volta in volta gli economizzatori o possiamo inserire eventuali riscaldatori di aria aggiuntivi, fermo restando i modelli base, in questo modo possiamo ipotizzare un listino per le caldaie a biomassa. Inoltre per i clienti che hanno necessità di mantenere i fumi a 900°C per due secondi, per le caldaie al punto 1., si inserirà sulla griglia un canale refrattariato aggiuntivo, per le caldaie ai punti 3.4.basta rivestire con tavelle, la camera di combustione fino ad una altezza derivante dai calcoli, (vedi allegato 5).

5 REV. 2 del MARZO 2013 CALDIE A BIOMASSAPage 5 Griglie Combustione diretta Tra i vari processi di utilizzazione energetica della biomassa, la combustione diretta è senza dubbio il più antico e più maturo. La combustione è un processo termochimico in cui un combustibile trasforma la propria composizione combinandosi con un comburente, generalmente aria, sprigionando calore. Per avviare la reazione chimica occorre fornire al combustibile, una forte quantità di calore iniziale tale da superare la temperatura di innesco della fiamma, propria del materiale stesso. Una volta innescata la fiamma, il calore che si svilupperà sarà sufficiente a mantenere il combustibile in fase di combustione, mantenendo così la reazione fino a quando il materiale da bruciare non sarà consumato. La combustione delle biomasse ligneocellulosiache avviene attraverso due fasi: riscaldamento e distillazione della biomassa. Una volta immessa nella camera di combustione la biomassa si riscalda fino al raggiungimento di una temperatura di circa 280°C perdendo l’acqua contenuta nella massa, fino alla completa essiccazione. Al termine dell’essicazione si ha la formazione di componenti gassose, il quale provoca un ulteriore aumento della temperatura fino a circa 400°C (fase di degasazione); 2) combustione vera e propria. Il gas prodotto aumenta di temperatura incendiandosi, contribuendo così a mantenere le condizioni di svolgimento dell’intero processo. Nelle moderne camere di combustione industriali vi è una netta distinzione tra le aree dove si svolgono le due fasi di combustione a cui si aggiunge una terza sezione per lo scarico delle ceneri. All’interno della camera di combustione vi sono diversi apporti di aria che prendono il nome di aria primaria, secondaria e terziaria. L’aria primaria viene insufflata direttamente sulla biomassa introdotta in caldaia, mentre quella secondaria e terziaria sono introdotte in una zona in cui confluiscono i gas sprigionati nella prima fase della reazione, al fine di completare la reazione di combustione. La combustione avviene con un eccesso d’aria, al fine di garantire una completa combustione della biomassa. Come per ogni impianto di conversione diretta, anche in questo caso la camera di combustione costituisce un elemento fondamentale sia dal punto di vista del rendimento di conversione che da quello ambientale, in termini di controllo delle sostanze inquinanti che si vengono a formare durante il processo di combustione.

6 REV. 2 del MARZO 2013 CALDIE A BIOMASSAPage 6 Attualmente sul mercato, esistono diverse soluzioni che trovano applicazione in base alla taglia degli impianti, tutte riconducibili a due tipologie fondamentali: 1) forno a griglia mobile (impianti di basse potenze); 2) combustione in sospensione (combustibili fini); Forno a grigia mobile E’ la soluzione che attualmente viene maggiormente adottata nei grandi impianti di nuova generazione, grazie anche all’interesse di alcuni dei massimi produttori mondiali. Uno dei suoi principali limiti è il maggior livello di emissione prodotta e la ridotta possibilità di funzionare con tipi diversi di combustibile. Comunque per caldaie di taglia medio - piccola, inferiore ai 40 MWth, con combustibile a elevato tasso di umidità e basso potere calorifico, la tecnologia a griglia resta una delle soluzioni più competitive anche per il fatto che richiede minori investimenti per i sistemi di pretrattamento dalla biomassa. Le camere di combustione a griglia mobile utilizzano temperature di funzionamento tra gli 850 °C e i 1000°C ; attraverso un sistema di movimentazione della biomassa, questa viene caricata sulla griglia che la trasporta all’interno del forno, e contemporaneamente, ne favorisce l’adeguato mescolamento con l’aria comburente la quale viene insufflata dal basso attraverso la griglia, aumentando così la turbolenza del sistema e raffreddando la griglia stessa. Le temperature massime raggiungibili sono limitate (950 – 1.000 °C), dalla temperatura di fusione delle ceneri, il che comporterebbe il pericolo di occlusione di fori da cui fuoriesce l’ aria. La configurazione più classica di un forno a griglia mobile è quella a scalini (moving grate), dove la griglia stessa è inclinata, tale da consentire l’avanzamento del combustibile. Essa è formata da una serie di file parallele di elementi fissi e mobili. Questo tipo di sistema di combustione è adatto a funzionare con diversi tipi di combustibile in un ampio campo di umidità e di dimensioni della biomassa, e con il limite di 18 MJ/kg di potere calorifico del combustibile in ingresso. Al fine di avere un buon rendimento, fondamentale è la regolazione delle grandezze che caratterizzano la combustione, quali la portata e distribuzione del comburente, il corretto mescolamento dal combustibile – comburente, la temperatura di combustione, ecc. In questo tipo di sistema di combustione, la biomassa scende lungo la griglia, attraversando le fasi del processo completo di conversione: essiccamento, gassificazione, accensione e combustione. Nel sistema griglia denominato travelling grate, la griglia mobile è costituita da elementi che formano una catena orizzontale, col meccanismo simile a quello della griglia appena vista. La biomassa viene fatta cadere all’estremità della griglia e trasportata fino all’altra estremità, con continua caduta delle ceneri.

7 REV. 2 del MARZO 2013 CALDIE A BIOMASSAPage 7 In questo sistema la biomassa non ha moto relativo rispetto alla griglia bensì è solidale con essa, a differenza del sistema moving grate dove la massa di combustibile si muove lungo la griglia stessa. Nel caso travelling grate, è possibile variare con continuità le velocità di spostamento del combustibile in modo da cercare una combustione il più possibile completa. Combustione in sospensione Si parla di combustione in sospensione quando la combustione avviene totalmente, o almeno in buona parte mentre le particelle di biomassa, di pezzatura molto fine, sono in fase di caduta. Nel caso di combustione parziale, questa si completa sulla griglia sottostante che può essere di un tipo qualsiasi, dei modelli precedentemente esaminati. Esistono diverse tecnologie per la combustione in sospensione. Nelle camere di combustione cosiddette “spreader – stoker” la combustione avviene solo parzialmente in sospensione, ovvero le particelle di dimensione compresa tra il 6 e i 10 cm bruciano fino al 50% mentre sono in sospensione e per il resto, bruciano nella sottostante griglia. Il vantaggio di questa tecnologia deriva dalla possibilità di ridurre la superficie in pianta della griglia, ma con l’inconveniente di una concentrazione di carbonio incombusto nei fumi. L’umidità dovrà essere abbastanza contenuta e generalmente non dovrà superare il 25-30%. principio di funzionamento di una “travelling grate

8 REV. 2 del MARZO 2013 CALDIE A BIOMASSAPage 8 TIPO CALDAIATIPO GRIGLIA Caldaia da 6 a 16 Ton/h travelling grate moving grate Caldaia da 18 a 35 Ton /h moving grate Caldaia da 40 a 60 Ton/h spreader – stoker Nella camera di combustione del tipo “suspension burning” vera e propria, il combustibile dovrà avere dimensioni rigorosamente inferiori ai 4-6 mm, e la combustione avviene totalmente in sospensione grazie alla portata di aria primaria ad alta temperatura, che assolve alla funzione di trasporto. In questo tipo di caldaie molto importante è l’utilizzo di una biomassa di caratteristiche costanti, in termini sia di pezzatura che di umidità ( non dovrebbe superare il 20% ). Anche in questo caso, come nel precedente, un grosso inconveniente è rappresentato dal fenomeno del char carry-over (carbonio incombusto). Pertanto le arie sopra griglia dovranno essere iniettate con appositi ugelli ad alto grado di penetrazione nei fumi, creando nel moto una turbolenza molto spinta, l’apporto di aria in questo caso dovrà essere la più calda possibile in modo da accelerare l’essiccazione del combustibile in sospensione, e con analogo sistema l’iniezione di aria nei fumi sopra la camera di combustione dovrà avere una temperatura inferiore per non alimentare la formazione di biossido di azoto (NO2). Dopo le considerazioni sopra esposte propongo: Per l’approvvigionamento delle griglia, con riferimento alle decisioni prese durante le riunioni per la commessa “BELGIO”, dopo attenta analisi propongo: travelling grate, acquisto in Cina, con modifica in Italia per sistemare la combustione con sistema automatico, la griglia è formata da molti pezzi particolari in fusione, la disegnazione e progettazione richiede molto tempo, in futuro se le stesse si scopriranno favorevoli a biomasse particolari, si progetteranno in G.N. moving grate, sono facili da progettare, i barrotti sono di limitati modelli, il 90% è carpenteria facilmente costruibile in officina, propongo di sviluppare in G.N. tale griglia. spreader – stoker, prodotto da acquistare. Allegati: Caldaia da 6 a 16 Ton/h, orizzontale allegato 1 Caldaia da 6 a 16 Ton/h, verticale allegato 4 Caldaia da 18 a 35 Ton /h, orizzontale allegato 2 Caldaia da 40 a 60 Ton/h, orizzontale allegato 3 Parete caldaie tavellate. Allegato 5

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