Utilizzo del calore di combustione per l’energia

Il risultato finale della combustione è energia utile, tipicamente sotto forma di calore, potenza o calore e potenza. Questo può essere utilizzato per fornire il riscaldamento degli ambienti per edifici, il riscaldamento di processo per esigenze industriali, l’elettricità per l’uso in loco o la vendita alla rete, o la produzione simultanea di calore ed elettricità (la cosiddetta “cogenerazione” o cogenerazione). Più comunemente, il calore di combustione viene catturato sotto forma di acqua calda, aria calda o vapore.

La maggior parte delle aziende agricole non ha un fabbisogno significativo di calore di combustione, ad eccezione del riscaldamento della fattoria durante l’inverno in climi freddi. Tuttavia, le aziende agricole dovrebbero considerare la possibilità di fornire combustibile di combustione a clienti residenziali, commerciali o industriali.

Apparecchiature di combustione

Le apparecchiature di combustione sono disponibili in una varietà di dimensioni e configurazioni, anche se la selezione tende ad essere più piccola rispetto alla combustione di combustibili fossili. Di solito è più costoso del petrolio o dei dispositivi alimentati a gas naturale, ma il combustibile da biomassa è solitamente meno costoso, con conseguente risparmio a lungo termine per l’utente. Ci sono molti esempi di sistemi di combustione della biomassa utilizzati per riscaldare le serre nelle aziende agricole.

Le due principali categorie di apparecchiature per la combustione della biomassa sono sistemi residenziali e sistemi commerciali/industriali.

Apparecchiature di combustione residenziali

Un camino è la forma più comune di apparecchiature di combustione residenziale-tuttavia, tende anche ad essere molto inefficiente (la maggior parte del calore viene perso fino al camino). Sono disponibili molti altri tipi di stufe e forni che forniscono un metodo di maggiore efficienza per l’utilizzo del calore di combustione in casa. Di solito l’apparecchiatura è adatta per un solo tipo di combustibile da biomassa, quindi è importante selezionare la stufa appropriata per il carburante che si desidera bruciare.

Le stufe a legna sono un mezzo più efficiente per bruciare la legna: controllano la velocità del flusso d’aria e massimizzano l’estrazione del calore dal combustibile in combustione. Tuttavia, questi dispositivi sono generalmente adatti solo per la masterizzazione di cordwood.

Inserti camino sono essenzialmente solo stufe a legna che vengono installati nell’apertura di un camino esistente. Si comportano molto come una stufa a legna e hanno valutazioni di efficienza simili.

Le stufe a pellet sono progettate per la combustione di pellet di combustibile di legno appositamente fabbricati. Questi pellet sono fabbricati secondo specifiche attente, che consentono alle stufe di funzionare in modo più efficiente e bruciare in modo più pulito rispetto alle tipiche stufe a legna. Alcune stufe a pellet sono in grado di alimentare automaticamente il carburante nella stufa, il che le rende un po ‘ più facili da usare.

Le stufe a biomassa sono progettate per bruciare pellet di combustibile realizzati con materiali diversi dal legno, come paglia di grano, mais o erbe. Assicurati di conoscere il tipo di carburante che una stufa è in grado di bruciare, poiché altri tipi di carburante potrebbero danneggiare la stufa o portare a condizioni operative non sicure.

Stufe di mais-in alcune parti del paese, è popolare bruciare mais sgusciato come combustibile di combustione. In qualche modo, i chicchi di mais sono un pellet di combustibile prodotto naturalmente. Il mais brucia sorprendentemente bene, ma produce quantità abbastanza elevate di cenere che è più incline a “slagging” (formando pezzi duri) rispetto alla cenere di legno. A differenza della maggior parte degli altri combustibili da biomassa, il mais contiene quantità misurabili di zolfo (~0,1%, che è ancora molto inferiore al carbone, ad esempio). Pertanto, stufe a pellet non sono generalmente adatti per il mais, e stufe di mais appositamente costruiti devono essere utilizzati invece. Alcuni rapporti hanno suggerito che le stufe di mais funzionano bene anche per la biomassa, ma verificare con il produttore della stufa per essere sicuri.

Apparecchiature di combustione commerciale / industriale

Le apparecchiature di combustione commerciale sono più grandi e più complesse dei dispositivi residenziali. Tipicamente, la consegna di alimentazione nel combustore è automatizzata attraverso l’uso di nastri trasportatori e/o coclee. Il flusso di carburante e aria viene attentamente controllato e le condizioni all’interno del combustore vengono regolate automaticamente per garantire la massima efficienza. I dispositivi avanzati di controllo dell’inquinamento (tipicamente un separatore ciclonico come minimo) vengono utilizzati per mantenere le emissioni di particelle entro i limiti regolati per le apparecchiature di grandi dimensioni.

Questi sistemi sono solitamente costruiti su misura, in base alle esigenze di riscaldamento e al carburante disponibile. Mentre la maggior parte dei sistemi residenziali produce aria riscaldata, le apparecchiature su scala commerciale sono solitamente progettate per produrre acqua calda o vapore.

Efficienza di combustione

L’efficienza delle apparecchiature di combustione è pari alla quantità di calore utile prodotto diviso per la quantità totale di calore disponibile nel carburante.

L’efficienza di un dispositivo dipende dalla qualità dell’apparecchiatura e dal modo in cui viene utilizzata. La maggior parte delle apparecchiature di combustione ha la massima efficienza quando viene eseguita a piena potenza-l’efficienza diminuisce man mano che il carico termico si abbassa. Le tipiche efficienze di combustione a pieno carico di diversi tipi di apparecchiature sono mostrate nella seguente tabella.

Attrezzature	Efficienza Tipica (%)
Camino Residenziale	-10 20	Una grande quantità di aria calda “perdite” fuori il camino
Residenziale Interna forno a Legna	40-70	i modelli più Recenti tendono ad avere un’efficienza molto più elevata rispetto vintage stufe. Combustibile secco e calore elevato necessari per la massima efficienza.
Residenziale Stufa a Pellet	70-80	Coerente qualità del combustibile, consente di ottenere un’elevata efficienza complessiva
all’Aperto, Bruciatore Legno	40-70	l’Efficienza è inferiore durante l’avvio e il rifornimento di carburante
Commerciale di trucioli di Legno Combustore	70-90	Controllati dal Computer – funziona bene con una varietà di combustibili e il contenuto di umidità

Questi i valori di efficienza sono basati sul “riscaldamento più alto valore” del carburante. Inoltre, tieni presente che l’efficienza di questi dispositivi diminuisce se la potenza termica è bassa: sono progettati per funzionare al meglio al picco o al picco di calore.

Inquinamento e problemi di qualità dell’aria

La biomassa è un combustibile relativamente pulito, in termini di inquinamento atmosferico, SE viene bruciato in modo efficiente. Questo può sembrare sorprendente per le persone che sono abituate a fuochi fumosi o bruciatori a legna. Tuttavia, il fumo di quei sistemi inefficienti contiene grandi quantità di carburante non polverizzato, il che è un segno di bassa efficienza. L’attrezzatura di alta efficienza non ha generalmente emissioni visibili del fumo e nessun odore rilevabile.

Ci sono quattro tipi principali di inquinamento atmosferico che può essere prodotta da combustione di biomassa: 1) normale prodotti di combustione (anidride carbonica e acqua), 2) “extra” composti chimici formatisi durante la combustione, come biossidi di zolfo (SOx) e di azoto (NOx), 3) uncombusted molecole di biomassa, come la fuliggine, e 4) particelle di cenere che sono abbastanza piccolo per galleggiare in aria (ceneri e particolato).

Anidride carbonica e acqua

Anidride carbonica e vapore acqueo sono i due gas primari emessi da un combustore. La combustione tipica della biomassa produce circa 1,8 kg di CO2 e 0,5 kg di vapore acqueo per kg secco di combustibile.

L’anidride carbonica e il vapore acqueo non sono stati tradizionalmente considerati inquinanti. Tuttavia, le crescenti preoccupazioni sul riscaldamento globale hanno portato a preoccupazioni governative sulle emissioni di anidride carbonica. Alcuni governi hanno imposto limiti di emissione di CO2 per gli impianti di combustione. Tuttavia, la combustione della biomassa è generalmente considerata “carbon neutral”, il che significa che l’anidride carbonica emessa dalla combustione della biomassa viene riassorbita dalle colture in crescita che verranno successivamente utilizzate come combustibile. Per questo motivo, le emissioni di anidride carbonica derivanti dalla combustione della biomassa non sono generalmente limitate.

Le “ciminiere” a combustione di biomassa hanno spesso pennacchi di nuvole bianche e ondulate che si alzano dalle loro cime. Questo è il vapore acqueo nello scarico della combustione che si condensa in gocce d’acqua mentre si raffredda. Alcune persone pensano erroneamente che la nube sopra un combustore a biomassa sia un segno di inquinamento; in realtà, i gas dal combustore sono spesso molto puliti.

NOx e SOx

Mentre i moderni combustori a biomassa hanno generalmente basse emissioni rispetto a molti altri combustibili, ci sono alcuni inquinanti dalla combustione della biomassa che sono di preoccupazione.

I principali inquinanti di cui preoccuparsi quando si brucia la biomassa sono gli ossidi di azoto – NO2 e NO3. Sono tipicamente indicati come emissioni di” NOx ” e si formano quando l’azoto nell’aria si combina chimicamente con l’ossigeno durante il corso della combustione. NOx nell’atmosfera può combinarsi con vapore acqueo per formare acido nitrico, ed è stato identificato come una fonte significativa di piogge acide. La combustione più calda produce più NOx, mentre le condizioni più fredde producono meno. Le emissioni di NOx di un combustore a biomassa sono in genere simili a quelle di un combustore a carbone o di un altro sistema a combustibili fossili e generalmente dipendono più dalla progettazione dell’apparecchiatura di combustione che dal tipo di combustibile.

Composti di ossido di zolfo (“SOx”) sono un altro prodotto di combustione che si ritiene essere una fonte di pioggia acida – le molecole si combinano con l’acqua per formare acido solforico. I composti di SOx si formano quando lo zolfo nel combustibile si combina con l’ossigeno durante il processo di combustione. Il carbone ha tipicamente alti livelli di zolfo, mentre la maggior parte della biomassa ha molto poco.

Fuliggine e creosoto

“Fuliggine” è un termine generico per particelle non polverizzate o parzialmente bruciate nei gas di scarico. “Creosoto”, d’altra parte, si riferisce a un liquido catramoso che si condensa dopo una combustione incompleta della biomassa (il carbone può anche produrre creosoto). Mentre caminetti residenziali e stufe a legna sono stati a lungo fonti di questi inquinanti, apparecchiature di combustione ad alta efficienza produce poco o nessuno di questi materiali.

Particolato (ceneri)

La maggior parte delle ceneri provenienti dalla combustione rimane nel combustore. Tuttavia, piccole quantità della cenere più fine (chiamata “cenere volante”) viene espulsa dal combustore con il gas di scarico. Le apparecchiature di combustione su scala commerciale utilizzano dispositivi di cattura della cenere come” separatori a ciclone “e” case a sacco ” per rimuovere la maggior parte di questa cenere prima che venga rilasciata nell’atmosfera.

Norme sulla qualità dell’aria

Le emissioni atmosferiche di impianti di combustione di grandi dimensioni (ad esempio centrali elettriche) sono regolate dalla legge federale. Le apparecchiature più piccole sono regolate da regole statali e locali. Questi regolamenti richiedono generalmente l’autorizzazione anticipata e test regolari dei gas di pila per garantire la complicanza con le regole. Spesso, la più piccola apparecchiatura di combustione (cioè residenziale) non è regolata in questo modo. Invece, i produttori di piccoli dispositivi possono essere tenuti a certificare che le loro apparecchiature soddisfano determinati requisiti minimi.

Per ulteriori informazioni

Combustione: Intro | Materie prime | Lavorazione | utilizzo

• Risorse da Wood2Energy, Università del Tennessee:
  • Uno stato della scienza e della tecnologia. Pubblicazione approfondita sulle tecnologie di combustione. 2010.
  • Database degli utenti della biomassa degli Stati Uniti e del Canada. Database del legno per le industrie energetiche, produttori e utenti, ricerca-able da diverse caratteristiche. 2010.

• Risorse dal BERC, il Centro di ricerca sull’energia da biomassa:
  • Panoramica della tecnologia su scala comunitaria.
  • Benefici dell’utilizzo dell’energia da biomassa per scuole e comunità. Scheda informativa.
  • Energia da biomassa e anidride carbonica. Scheda informativa.
  • Scheda informativa sulle emissioni di combustione della biomassa. Scheda informativa.
  • 50+ casi studio di sistemi energetici a biomassa best-in-class in tutto il mondo.
  • Guida al riscaldamento del cippato per ambienti commerciali e istituzionali.
  • Banca dati nazionale dei progetti energetici a biomassa su scala comunitaria

• Risorse da Penn State Cooperative Extension:
  • Apparecchiature di riscaldamento a biomassa su scala commerciale.
  • Co-combustione di biomassa con carbone.
• Risorse da Cornell Cooperative Extension, Riscaldamento a legna:
  • Confronto attrezzature di combustione
  • Stufa a legna di sicurezza
  • Corretta manutenzione
  • Best Burn Practices
  • Acquisto di legna da ardere
• Pellet Fuels Institute: Standard di settore e disponibilità.
• Inquinanti di combustione. Utah State University, Estensione cooperativa.

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• Quanto calore ha il biocarburante?
• Introduzione alla Combustione della Biomassa
• Trattamento delle Biomasse per la Combustione
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• Utilizzando il Calore della Combustione per l’Energia
• Calore di Legno per Serre

Collaboratori di Questo Articolo

Autore

• Daniel Ciolkosz, Estensione di Socio, Penn State

Revisori