"Problematica dei depositi di cenere nella combustione delle

UNIVERSITA’ POLITECNICA DELLE MARCHE
FACOLTA’ DI AGRARIA
DIPARTIMENTO SAIFET
Dottorato di Ricerca in
PRODUZIONI VEGETALI E AMBIENTE
XXI Ciclo (VII Ciclo n.s.)
"Problematica dei depositi di cenere
nella combustione delle biomasse:
aspetti teorici e sperimentali"
Dottorando:
Tutore:
Dott. Fabrizio Corinaldesi
Prof. Ing. Giovanni Riva
(Dip.to SAIFET)
Coordinatore del Corso di Dottorato:
Prof.ssa Oriana Silvestroni
Anno Accademico 2007-2008
ABSTRACT
Durante questi ultimi anni si è assistito ad un forte incremento dei consumi di biomassa per
uso energetico. La conseguente necessità di reperire nuove risorse ha portato ad un
ampliamento delle tipologie di materiali grezzi utilizzati a questo scopo.
A sua volta, la variabilità dei materiali, in termini di caratteristiche chimico-fisiche, ha
aumentato le problematiche tecnico-pratiche legate alla gestione degli impianti di
combustione per la produzione energetica.
A questo riguardo, contenuto in ceneri (CC) e comportamento termico della frazione
inorganica della biomassa sono i parametri che presentano maggiori implicazioni di natura
tecnica ed economica. Infatti il CC influenza il potere calorifico della biomassa e
l’importanza delle problematiche di gestione e smaltimento dei residui delle centrali. Il
comportamento termico delle ceneri è invece rilevante in relazione ai fenomeni di
“slagging” e “fouling”, a cui conseguono problematiche di riduzione dell’efficienza di
scambio termico e di sporcamente delle parti interne degli impianti di combustione.
In particolare le basse temperature di fusione delle ceneri di alcuni materiali sono uno degli
aspetti alla base di questi fenomeni; spesso associati ad un elevato contenuto di metalli
alcalini (Na e K) ed altri elementi: Si, P, S e Cl. Questi elementi in combustione possono
portare alla formazione di particelle di cenere fuse o parzialmente fuse, che tendono ad
aderire alle parti interne degli impianti.
Nel corso della sperimentazione sono state caratterizzate 40 differenti biomasse. Per
ognuna di queste sono stati determinati CC e temperatura di deformazione delle ceneri (Td),
secondo le corrispondenti normative tecniche (CEN/TS 14775 e CEN/TS 15370).
Sulla base dei dati di laboratorio, le corrispondenti biomasse sono state classificate in 12
classi di qualità mediante uno schema che considera entrambi i parametri studiati.
Successivamente, per valutare la possibilità di ridurre i fenomeni connessi alle basse
temperature di fusione di alcuni materiali, si è proceduto a testare quattro additivi minerali
(MgO, CaO, SiO2 e CaCO3) e varie tipologie di miscele di biomasse, al fine di valutarne
l’efficacia di azione rispetto alla problematica affrontata.
Infine, 90 campioni di cenere derivanti da materiali diversi sono stati caratterizzati
chimicamente secondo la corrispondente normativa tecnica (CEN/TS 15290). Sugli stessi
campioni sono state determinate le Td. I valori ottenuti sono stati quindi rielaborati con
l’obiettivo di individuare delle relazioni matematiche tra queste due serie di dati.
A questo scopo sono stati utilizzati 2 programmi di elaborazione matematica: il Minitab,
con il quale sono state condotte delle analisi di regressione lineare multipla; il NeuroShell,
programma basato su algoritmi sviluppati con la tecnica delle reti neurali, in grado di
sviluppare relazioni di regressione multipla non lineare.
Dall’osservazione dei risultati ottenuti relativamente alla caratterizzazione qualiquantitativa della frazione minerale delle biomasse osservate è stato possibile identificare
gruppi omogenei di materiali. I risultati ottenuti hanno evidenziato come le biomasse
legnose, caratterizzate da ridotti CC e da alte Td, siano risultate essere dal punto di vista
qualitativo migliori delle biomasse di origine erbacea e oleaginosa. Al contrario le
biomasse amidacee sono risultate essere di scarsa qualità in conseguenza delle ridotte Td
delle ceneri.
I risultati delle prove effettuate sulle miscele di biomasse hanno dimostrato che questa
soluzione tecnica è molto interessante per attenuare i problemi di fusibilità delle ceneri. La
tecnica di miscelazione delle biomasse consente infatti di recuperare materiali bassofondenti riducendone o eliminandone gli effetti negativi legati alla fase di combustione.
L’affinamento di questo criterio di impiego dei combustibili può ovviamente favorire
l’utilizzo di certe miscele di biomasse rispetto ad altre.
Anche l’uso di additivi ha portato a dati incoraggianti rispetto alle problematiche in
questione. In tutte le prove effettuate è stata dimostrata la possibilità di ottenere incrementi
della Td sufficienti a scongiurare il verificarsi di fenomeni di fusione delle cenere. A questo
riguardo, l’ossido di magnesio si è dimostrato l’additivo più efficace rispetto a quelli presi
in considerazione.
Inoltre i risultati delle analisi chimiche sulle ceneri di biomassa hanno evidenziato, a loro
volta, come materiali di origine comune abbiano una composizione chimica delle ceneri
simile tra loro. In particolare sono state riscontrate: elevate quantità di silicio nella maggior
parte dei materiali erbacei; elevate quantità di fosforo e potassio nei materiali amidacei e
oleaginosi; elevate quantità di calcio nei materiali legnosi.
I risultati relativi alla correlazione tra composizione chimica e Td hanno confermato alcuni
aspetti bibliografici, come la corrispondenza di basse Td con elevate quantità di potassio,
silicio e fosforo nelle ceneri. L’analisi statistica ha inoltre evidenziato come questi tre
elementi insieme a Ca e Mg abbiano una influenza significativa sulla Td delle ceneri stesse.
Molto interessante è risultato essere anche l’impiego delle reti neurali nel trattamento dei
dati. Il NeuroShell ha infatti restituito un modello di previsione, i cui dati di output si sono
caratterizzati per un errore medio di circa 60°C. Inoltre, alcuni test effettuati fanno
presumere che la precisione nella fase di predizione da parte di questo modello possa
essere significativamente migliorata ampliando il dataset dei dati chimici e termici fornito
come input.
In definitiva, si ritiene che la metodologia sviluppata in questo lavoro possa rappresentare
una interessante base per un sistema di supporto alla valutazione tecnico-energetica delle
biomasse solide e alla soluzione delle principali problematiche tecniche legate al loro uso
come combustibili.