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Combustione biomasse solide

Bioenergy Polveri NOx-Gas acidi Generale Strategia

LA COMBUSTIONE DI BIOMASSE 

Aspetti generali

La combustione è un fenomeno complesso: l’output di questa violenta reazione è, in prima istanza, il calore e, contemporaneamente, una serie di sottoprodotti e scarti che, in molti casi, possiedono caratteristiche e proprietà nocive per l’uomo e per l’ambiente circostante.

La combustione avviene all’interno di impianti dedicati: le caldaie a biomassa, ovvero caldaie progettate con accorgimenti tali da poter gestire le specificità del combustibile.

Le caldaie alimentate con biomassa legnosa necessitano di una specifica filosofia costruttiva che permetta di avere un efficiente utilizzo di un combustibile dal potere calorifico variabile e comunque tendenzialmente medio-basso, caratterizzato da un elevato tenore di umidità (fino al 60% di umidità massica relativa) e da una discreta variabilità delle caratteristiche nel medio periodo e nelle stagionalità (umidità, PCI, pezzatura, percentuale di inerti, etc.).

Impianti di combustione biomasse

Alimentare una caldaia con combustibile solido necessita di:

  • un silo di stoccaggio
  • un sistema di movimentazione del materiale combustibile
  • un sistema di controllo e dosatura del combustibile
  • una camera di combustione adiabatica per il processo di ossido-riduzione
  • una linea di trattamento fumi

Non ci soffermiamo qui sugli aspetti relativi a stoccaggio, movimentazione ed alimentazione, anche se di fondamentale importanza sotto il profilo della qualità finale dell’impianto. Passiamo agli aspetti di combustione e di trattamento delle emissioni.

Possiamo schematizzare i passi tipici del processo di combustione di biomassa solida come segue:

  1. Riscaldamento ed essicazione
  2. Pirolisi e rilascio di composti volatili
  3. Combustione in fase gassosa
  4. Combustione secondaria del residuo carboniso
  5. Scarico ceneri

È importante sottolineare che il parametro principale affinché sottoprodotti ed inquinanti siano limitati è la qualità e stabilità della combustione. Tale parametro, in linea generale, dipende dal livello di controllo e stabilità che caldaia e impianto possono mantenere sulla reazione stessa, ovvero dal livello qualitativo della progettazione della caldaia e dall'utilizzo di combustibile adeguato alle caratteristiche d’impianto. Gli inquinanti che si producono possono essere trattati con un'apposita linea di abbattimento.

I principali controlli che un impianto di combustione a biomassa solida deve poter effettuare finemente, per gestire una reazione di combustione di qualità, sono: 

  • La quantità e la distribuzione dell’ossigeno presente durante la reazione: questo parametro influenza la stabilità delle temperature, la creazione di monossido di carbonio, l’efficienza e la produzione di inquinanti specifici.
  • la quantità e la modalità di alimentazione del combustibile. Questo controllo dipende dalla presenza di un sistema di alimentazione automatica ed è cruciale per una corretta accensione, per la stabilizzazione del regime di combustione, per controllare l’erogazione di calore (parzializzando i carichi) e per un corretto controllo delle temperature.
  • Il ricircolo dei fumi, che permette il controllo delle temperature e favorisce una diminuzione delle emissioni di ossidi di azoto, NOx, influendo in maniera diretta sulla cinetica della reazione di ossidazione. Questo permette di ridurre a monte la concentrazione dell’agente inquinante.

A livello impiantistico, inoltre, è bene considerare:

  • La presenza di accumulatori che, cedendo/accogliendo la propria riserva di energia termica, facilitino la gestione dei picchi/cadute di richiesta di calore e quindi consentano di “smussare” repentine modificazioni violente del regime di combustione. Tali variazioni infatti, oltre a diminuire l’efficienza media dell’impianto, contribuirebbero a produzioni più elevate di inquinanti.
  • Ultimo, ma non per questo meno importante, l’aspetto manutentivo: sia per la parte di combustione che, a maggior ragione, per quella di abbattimento, devono essere garantite manutenzioni programmate e, in taluni casi, preventive.  

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I sottoprodotti, gli inquinanti della combustione di biomassa legnosa

In linea generale è accettato che il legno sia un combustibile pulito ed ecologico. Infatti possiamo concordare con il fatto che esso sia neutrale sotto il profilo della produzione di CO2, così come sostenibile (anche se alcune precisazioni debbono essere tenute presente, come la necessità di prevedere un opportuno ciclo di crescita e consumo ed un “sourcing” del combustibile in aree limitrofe all’impianto).

Nonostante l'elevata qualità, anche questa forma di combustibile genera sottoprodotti e scarti (inquinanti e non) per l’ambiente e per l’uomo. Per comodità li suddividiamo in :

  • Ceneri   
  • Particelle solide e composti condensabili 
  • Composti in fase gassosa 

Le ceneri

La gestione delle ceneri da biomassa è disciplinata in Italia dalla parte IV del D.Lgs. 152/2006 (norme in materia ambientale) che le classifica come «rifiuti speciali non pericolosi», nella categoria rifiuti inorganici provenienti da processi termici. 

In quanto tali, il conferimento in discarica è solamente l’ultima scelta attuabile per il loro smaltimento; esistono infatti procedure semplificate che consentono il recupero delle ceneri.

Infatti, limitatamente per le ceneri derivanti dalla combustione di legno vergine, ai sensi del D.M 186/2006, esiste la possibilità del recupero del sottoprodotto. Inoltre, recependo il regolamento CEE 2092/91, lo Stato Italiano accorda l’utilizzo di questo scarto, o meglio, sottoprodotto, quale concime ed ammendante per l’agricoltura biologica ( D.Lgs. 220/95).

Le particelle solide e i composti condensabili

Per quanto concerne le particelle solide, è bene ricordare che la combustione di biomassa è una fonte rilevante di particolato inalabile ovvero con dimensioni inferiori a 10 micron (PM10). Ai fini di quanto segue chiameremo tali particelle aerosol, proprio in virtù del fatto che risultano inalabili e, in un tempo relativamente breve, possono entrare nei tessuti (anche nel tessuto sanguigno) di animali e umani.

Queste particelle possono essere suddivise in:

  • aerosol primari: emessi direttamente dalla combustione

  • aerosol secondari: derivanti dalla ricombinazione in atmosfera delle molecole primarie.

La letteratura riconduce la formazione degli aerosol primari a tre fenomeni:

  • I minerali presenti nel combustibile conducono alla formazione di ceneri volatili inorganiche, principalmente composte da sali ed ossidi. In regime normale di combustione (fase ottimale) ed in impianti moderni ed automatici, rappresentano la maggior parte delle emissioni di particelle solide.

  • Una combustione che avvenga in condizioni povere, ovvero in eccesso di aria, è caratterizzata da un abbassamento delle temperature ed è per questo incompleta. Ciò può condurre alla formazione di composti organici condensabili (COC) nelle emissioni. In fase di combustione non controllata, i COC possono superare in quantità le ceneri volatili inorganiche.

  • Una combustione che avvenga in condizioni «ricche», cioè con locale o parziale mancanza di ossigeno (fiamma soffocata), conduce alla formazione di particolato carbonioso, ovvero carbonio elementare (black carbon). Inoltre, si rileva la formazione di COV ed IPA, di composti catramosi (TAR) e, inevitabilmente, di CO.

Gli aerosol secondari, invece, derivano dalla ricombinazione di COV e composti carboniosi nell’atmosfera. Da notare che, contrariamente a quanto ci si può attendere, gli aerosol secondari (SOA Secondary Organic Aerosol - SIA Secondary Inorganic Aerosol) contribuiscono in modo determinante alla formazione delle polveri fini inalabili nell’atmosfera e, grazie ad un effetto di riflessione ed autoriscaldamento, all’amplificazione dell’inquinamento luminoso e del riscaldamento dell’aria.

È rilevante sottolineare come i livelli di tossicità delle classi di inquinanti sopra indicate siano parecchio differenti fra loro. 

A ciò va aggiunto che, trattandosi di categorie di inquinanti che “emergono” in regimi di combustione non ottimale, anche il comportamento dei sistemi di abbattimento più utilizzati tende a peggiorare e a non essere uniforme durante tali regimi.

I composti in fase gassosa

In aggiunta a quanto sopra, ogni reazione di combustione, tipicamente, produce talune categorie di molecole allo stato gassoso:

  • Monossido di carbonio (CO)
  • Anidride carbonica e vapore acqueo (prodotti di combustione)

In particolare la combustione di biomassa legnosa, sotto l’aspetto degli inquinanti gassosi, è relativamente innocua. Sono comunque da notare emissioni di gas acidi, che usualmente hanno concentrazioni limitate, ma possono variare in modo consistente a seconda dell’effettivo tipo di biomassa in utilizzo. Tra questi gas acidi possiamo riscontrare:

  • Ossidi di azoto (NOx)
  • Ossidi di zolfo (SOx)

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Pubblicato il 24/01/2016
Autore Tecnosida S.r.l.

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