Combustore

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Per combustore si intende un sistema atto alla realizzazione della combustione allo scopo di produrre energia sotto forma di calore.

Esistono varie tipologie di combustore, a seconda delle caratteristiche del combustibile che può venire utilizzato.

[modifica] Combustore a letto trascinato

Il combustore a letto trascinato è probabilmente la tipologia di combustore più diffusa attualmente. Le temperature tipiche che si raggiungono possono arrivare anche a 1600-1700°C

La camera di combustione di un combustore a letto trascinato è un prisma a base rettangolare, profondo una decina di metri ed alto un centinaio (nel caso di polverino di carbone). I combustori per olio combustibile sono generalmente caratterizzati da altezze minori. In generale le dimensioni della camera regolano:

• L' altezza definisce il tempo di permanenza del combustibile all'interno della camera
• La larghezza è determinata in base a calcoli di natura fluidodinamica, posti ad ottenere una appropriata distribuzione di temperature all'interno della camera di combustione
• La profondità determina generalmente le potenzialità termiche del combustore

I sistemi a letto trascinato possono bruciare:

• polverino di carbone (50-200 μm)
• olio combustibile

Le particelle di combustibile vengono immesse, insieme all'aria primaria, da dei bruciatori posti sui lati della camera. Questi bruciatori possono essere posizionati secondo tre differenti schemi:

• single wall: I bruciatori sono posti in fila lungo un unico lato della camera. È il sistema più semplice, adatto anche a combustori di piccole dimensioni, ma genera un campo di temperature fortemente asimmetrico
• opposed walls: I bruciatori sono posti su file contrapposte gli uni di fronte agli altri. Questo sistema consente di ottenere un campo di temperature più uniforme
• tangential: I bruciatori sono posti agli angoli della camera, e immettono il combustibile in modo che il getto risulti tangente ad una circonferenza coassiale con la camera di combustione. Questo sistema, anche se risulta essere il più complesso, permette di ottenere una migliore miscelazione tra l'aria e il combustibile, e un campo di temperature più uniforme

Dal basso viene immessa invece l'aria secondaria, con velocità dell'ordine di 20-30 m/s. Questa aria trascina con sè le particelle di combustibile presenti nella camera (da qui la denominazione "letto trascinato"), portando a tempi di permanenza (e dunque di combustione) compresi tra i 2 e i 4 secondi.

I combustori a letto trascinato si dividono in due principali categorie, DBB (Dry Bottom Boiler) o WBB (Wet Bottom Bolier) a seconda che le ceneri si tendano o meno a fondere all'interno del combustore. I sistemi WBB avranno dunque performance migliori (si potranno raggiungere al loro interno temperature maggiori) ma, poiché devono essere internamente ricoperti di superfici refrattarie, avranno anche costi più alti

[modifica] Combustori a letto Fluido

Il limite principale dei combustori a letto trascinato sta nel basso tempo di permanenza delle particelle di combustibile nella camera di combustione. Questi sistemi richiedono dunque combustibili liquidi o, se solidi, di piccola pezzatura, e con buone proprietà di combustione.

Queste caratteristiche non si addicono, ad esempio, non soltanto al carbone di dimensioni più grossolane, ma in particolare alle biomasse, il cui potere calorifico è limitato e la cui possibilità di frammentazione non arriva alle dimensioni "in polvere" tipiche dei combustori a letto trascinato.

Da queste considerazioni nasce l'idea dei combustori a letto fluido, sistemi a temperature operative più basse (800°C-900°C) e che operano con pezzature che vanno da 1 a 10 mm, di cui esistono tre varianti principali:

Letto fluido atmosferico (AFBC)

In questi sistemi l'aria secondaria immessa dal basso, che nei combustori tradizionali trascina le particelle di combustibile alla velocità di 20-30 m/s, ha invece velocità molto minori. In particolare lo scopo è quello di controbilanciare esattamente la forza di gravità, che tenderebbe a fare cadere le particelle sul fondo, con la forza di attrito generata dall'interazione tra la corrente di aria secondaria e le particelle, in modo tale da mantenere il combustibile sostanzialmente fermo all'interno della camera. Man mano che le dimensioni delle particelle di combustibile diminuiscono, a causa della suo progressivo consumo per combustione, tenderà sempre più a prevalere la forza di attrito (che cala con il quadrato del raggio) sulla forza di gravità (che cala col cubo del raggio). In questo modo le particelle, una volta che hanno completato la combustione, sono sufficientemente piccole da abbandonare la camera di combustione.

La sezione della camera di combustione non è costante. In particolare nella parte alta essa diminuisce, mentre aumenta nella parte più bassa della camera. Questo perché si vuole evitare da un lato che particelle piccole ma non ancora completamente combuste escano precocemente dal combustore, dall'altro per evitare che particelle di pezzatura eccessivamente grande cadano sul fondo senza avere la possibilità di bruciare. Questo perché ovviamente allargare o restringere la sezione di un condotto provoca, a parità di portata, rispettivamente ad un calo e ad un aumento della velocità del fluido, con conseguenti variazioni della forza di attrito.

Questo sistema, potenzialmente molto efficace, ha rivelato principalmente due limiti operativi:

• Una frammentazione precoce del combustibile porta alla sua uscita dalla camera di combustione senza il tempo necessario per completare la combustione

• La presenza di sabbia nel combustore (utilizzata per aumentare l'inerzia termica del sistema), insieme alle ceneri, tende a generare degli agglomerati. Questi, non potendo cadere sul fondo perché sostenuti dal letto fluido, tendono ad aumentare di dimensioni fino a provocare la caduta dell'intero letto, e la conseguente necessità di fermare e riavviare l'impianto.

Da queste problematiche, che hanno fortemente limitato lo sviluppo dei combustori a letto fluido atmosferico, nasce l'idea del letto fluido ricircolante

Letto fluido ricircolante (CFBC)

Nel letto fluido ricircolante la velocità dell'aria secondaria, pur non essendo alta come quella dei letti trascinati, non è tale da mantenere fermo il letto fluido, ma genera un trasporto delle particelle. Esse tenderanno dunque, pur avendo tempi di permanenza superiori, a venire trascinate lungo la camera combustione in un unico passaggio.

Tuttavia, a valle della camera di combustione, è presente un ciclone separatore, che permette di separare le particelle aventi diametro superiore ad un certo valore dai fumi. Queste particelle (composte prevalentemente da sabbia, incombusti e, come vedremo in seguito, calce), verranno poi ricircolate nella camera di combustione, per permettere loro di completare la combustione.

Questo sistema è uno dei più validi e attualmente utilizzati per la combustione delle biomasse, senza che queste debbano venire sottoposte a particolari interventi di lavorazione (se non una omogeneizzazione della pezzatura).

Ulteriore vantaggio di questi sistemi è la possibilità di limitare le emissioni di SOx direttamente in camera di combustione. Immettendo infatti opportuni reagenti assieme al combustibile (i più comuni sono il carbonato di calcio, l'idrossido di calcio, il carbonato di sodio e l'idrossido di sodio) essi tenderanno a reagire con l'anidride solforosa prodotta durante la combustione, formando dei sali inerti che possono essere abbattuti assieme al particolato.

La particolare applicabilità di questo sistema di desolforazione ai combustori a letto fluido ricircolante è legato al fatto che in generale è difficile che i reagenti immessi in camera di combustione riescano ad essere interamente consumati in un unico passaggio. In un sistema a letto ricircolante essi possono però essere reimmessi più volte in camera di combustione tramite il ricircolo delle particelle fino a che non hanno interamente reagito, il che permette ad essi di reagire quasi interamente.