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Cenni sulle caratteristiche fisico-chimiche del carbone energetico - Giorgio Ruscito -
Le caratteristiche del carbone FOSSILE che nelle diverse fasi della sua utilizzazione vanno ad incidere sulle modalità di funzionamento in centrale e che sono quindi utilizzate come parametri per la scelta, negoziazione ed acquisto del carbone, sono essenzialmente:
• Il POTERE CALORIFICO,
• Il contenuto e tipo di ceneri,
• Il contenuto di sostanze volatili,
• Il contenuto di zolfo,
• La macinabilità,
• Il contenuto di umidità.
I relativi contenuti sono misurati in laboratorio su 3 basi :
AR – as received – ovvero in condizioni tal quale
AD – air dried – ovvero a seguito di essiccazione all’aria
DB – dry – ovvero a seguito di essiccazione completa in forno
Il POTERE CALORIFICO definisce la quantità di calore che è possibile far sviluppare da un’unità di peso di carbone in un processo di combustione completo.
Questa grandezza stabilisce il valore commerciale del prodotto e la potenzialità degli impianti.
Il POTERE CALORIFICO si esprime in chilocalorie per chilogrammo (Kcal/kg); la chilocaloria è la quantità di calore necessaria per portare 1kg d’acqua distillata da 14.5°C a 15.5°C.
Il POTERE CALORIFICO si distingue in:
• POTERE CALORIFICO Superiore (PCS) o Gross Calorific Value (GAR)
• POTERE CALORIFICO Inferiore (PCI) o Net Calorific Value (NAR)
o Il POTERE CALORIFICO superiore indica la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa, a pressione costante, della massa unitaria del combustibile quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e dell’aria comburente. Il PCS può essere indicato tramite la “bomba calorimetrica” di Mahler che è un recipiente cilindrico di acciaio, chiuso ermeticamente con un coperchio avvitato. In esso si fa bruciare in atmosfera di ossigeno una certa quantità di combustibile (2 grammi), provocandone l’accensione e la combustione con CORRENTE elettrica. La “bomba” è immersa in un recipiente pieno d’acqua che viene riscaldata dal calore prodotto dalla combustione. In funzione dell’aumento di temperatura dell’acqua si risale al POTERE CALORIFICO superiore.
o Il POTERE CALORIFICO inferiore è dato dal POTERE CALORIFICO superiore diminuito del calore di condensazione del vapor d’acqua formatosi durante la combustione. In pratica il PCI è il calore che cede 1Kg di combustibile al netto di quanto è perso nell’evaporazione del contenuto di umidità del carbone.
Il POTERE CALORIFICO inferiore è ovviamente più basso rispetto a quello superiore, ad esempio, se consideriamo il calore di condensazione del vapor d’acqua pari a 572 Kcal/Kg risulta che:
PCI = PCS – 572 x (U/100 + 9H/100)
U = Percentuale di umidità del combustibile
H = Contenuto percentuale di idrogeno
Tipicamente è richiesto un PCI superiore a 5,900-6,000 kcal/kg.
Il contenuto di ceneri definisce la quantità di sostanza minerale che non partecipa al processo di combustione e pertanto la quantità di residui solidi che si è costretti ad eliminare.
È costituito dai minerali presenti nei vegetali originari e da quelli presenti negli strati geologici delle rocce in cui si trova il GIACIMENTO.
Le ceneri, che rappresentano la parte incombusta del carbone, sono costituite essenzialmente da silicio, alluminio e ferro che sono presenti in rapporto variabile secondo il tipo di carbone da cui provengono.
Quando si bruciano carboni ad alto tenore di cenere sono necessari tempi di evacuazione lunghi e sono frequenti problemi di gestione quali l’usura alle parti macinanti dei mulini.
È importante valutare non solo la quantità ma anche la temperatura di fusione, in quanto le eventuali colate di materiali fusi potrebbero incrostare i forni e le CALDAIE.
La composizione delle ceneri è importante perché va ad influenzare il funzionamento dell’elettrofiltro.
La cenere prodotta dalla combustione di carbone polverizzato si divide in due parti:
• Cenere Pesante (Bottom Ash), pari generalmente ad un massimo di 10% del totale di cenere generato nel caso della CALDAIE a cenere secca (Dry Ash Furnace) e pari ad un massimo del 5% in quelle a cenere liquida (Slag Tap Furnace) nelle quali la temperatura del fondo della camera di combustione è tenuta tanto elevata da ottenere la fusione di parte apprezzabile della cenere, facendola colare allo stato fuso;
• Cenere Volante (Fly Ash), viene trasportata dai gas in particelle minutissime nel loro moto dalla camera di combustione alla ciminiera.
La cenere volante possiede caratteristiche chimiche e fisiche, che in maniera diversa tendono a favorire:
a) L’erosione delle parti meccaniche cui vengono a contatto;
b) Lo sviluppo di concrezioni refrattarie nei tubi;
c) Bassa resa di filtraggio nei precipitatori (o filtri) elettrostatici.
Per erosione si intende l’usura d’attrito per cui frammenti di metallo sono strappati o tagliati via dalla superficie colpita dalla CORRENTE erosiva.
Anche il carbone esercita una notevole erosione, che dipende essenzialmente da dimensione, forma, peso, durezza, fragilità e velocità d’impatto delle particelle sospese nella corrente.
Lo sviluppo di concrezioni refrattarie nei tubi si verifica quando la particella di cenere che si trova allo stato fuso incontra una superficie a temperatura più bassa della sua solidificazione, da liquida diventa solida.
Da qui la tendenza a ricercare carboni con ceneri ad alto punto di fusione, di modo che la combustione produca cenere secca che non si agglomeri sulle superfici dei tubi d’acqua e di vapore. Poiché la temperatura nella camera di combustione può raggiungere anche i 1300°C, la temperatura di fusione della cenere non deve essere inferiore a quel limite di modo da garantire sempre cenere allo stato secco, e non liquido pastoso.
La temperatura di fusione della cenere (Ash Fusion Temperature) viene comunemente misurata rilevando le temperature alle quali un cono di cenere pressata cambia la propria forma.
Generalmente si considerano due temperature in atmosfera riducente:
o IDT, Initial Deformation Temperature, o temperatura iniziale di deformazione alla quale il cono comincia a deformarsi;
o Hemispherical Temperature, temperatura di rammollimento alla quale il cono si è abbassato ed allargato sino a formare una semisfera.
Si preferisce assumere come dato indicativo le temperature rilevate con riscaldamento in ambiente riducente piuttosto che in ossidante perché queste ultime sono generalmente più elevate e possono trarre in inganno in quanto meno delle prime risentono dell’effetto fluidificante (flussante in termine tecnico) del contenuto di ferro (Fe2O3) della cenere.
Tornando allo sviluppo di concrezioni refrattarie sulle pareti dei tubi, possiamo suddividerle in due tipi:
o Depositi di cementi fusi (Slags) che si verificano sulle superfici esposte all’irraggiamento e sulle prime schiere dei tubi bollitori e surriscaldatori;
o Depositi di cenere legata da componenti chimici sulle tubazioni soggette al riscaldamento per convenzione.
Il primo tipo, detto Slagging in inglese, è causato principalmente dall’impatto delle particelle di cenere, anche solo parzialmente fuse, sulle pareti dei tubi d’acqua al cui contatto si raffreddano e solidificano.
Il secondo fenomeno, detto Fouling, avviene in particolari condizioni a temperature sempre alte ma inferiori alla temperatura di fusione della cenere.
Per prevedere tali fenomeni è importante valutare il rapporto fra le quantità di elementi basici ed acidi, il contenuto di zolfo e di ossidi di sodio nelle ceneri.
Altro inconveniente della cenere è la predisposizione ad inquinare l’ambiente; le sue particelle di finissime dimensioni, che restano in sospensione nell’aria, una volta emesse dai camini ed immesse nell’atmosfera ricadono nell’ambiente.
Per cercare di ridurre al minimo l’emissione di cenerei nell’ambiente, è necessaria un’azione di filtraggio.
A questo proposito si utilizzano prevalentemente due sistemi, i filtri a manica e i precipitatori elettrostatici.
Dei due metodi, quello che garantisce un’efficienza più elevata è il secondo.
Il principio di funzionamento del precipitatore si basa sull’attrazione esercitata sulle particelle di cenere immesse in un campo elettro-magnetico generato tra due poli contrapposti.
La particella che passa attraverso questo campo è sollecitata da tre forze: il proprio peso (pressoché nullo), l’azione dei gas di trascinamento che spingono la particella (questa spinta prevale sulla forza esercitata dal peso della particella), e la forza di attrazione trasversale; la particella muovendosi dunque in diagonale, incontrerà la parete polarizzata restandovi attaccata fino al momento della pulizia.
In questo processo, se le dimensioni delle particelle di cenere sono troppo ridotte, risultando una particella troppo leggera, la forza di attrazione, e quindi la velocità laterale, è limitata rispetto alla velocità imposta dai gas, consegunetemente la particella non viene deviata a sufficienza per incontrare e restare attaccata alla piastra magnetizzata.
La particella prosegue dunque la sua corsa nel letto del gas di trasporto e fuoriesce dal camino.
Le dimensioni delle particelle di cenere dipendono dalla genesi del carbone e dalla temperatura di caldaia.
Un altro fattore determinante è la sensibilità del PARTICOLATO al campo elettrico, valutata attraverso la caratteristica di resistività della cenere.
La resistività indica l’indifferenza al campo elettrico della cenere in esame ed è strettamente dipendente dai costituenti della cenere.
Tanto per citarne qualcuna, il ferro ha una resistività bassissima, la silice altissima, più elevata dell’argilla; mentre lo zolfo, ad esempio ha una resistività debole, abbastanza prossima a quella del ferro.
Pertanto una cenere a basso silicio, alto ferro, ed alto zolfo sarà meno resistiva e più facilmente trattenuta dai precipitatori elettrostatici che non un’altra ad alto silicio, basso ferro e zolfo ridotto.
Quest’ultima infatti godrebbe di un miglior comportamento agli effetti dello slagging e fouling ed alla emissione di anidride solforosa.
Tipicamente si richiede contenuto di ceneri sotto il 15% e temperatura di fusione emisferica in ambiente riducente superiore a 1,300-1,350 °C.
Il contenuto di sostanze volatili definisce la quantità di idrocarburi saturi e non saturi ed altri composti organici che sono contenuti nella matrice solida del carbone.
La quantità di queste materie volatili attribuisce lunghezza alla fiamma dei bruciatori e stabilità alla combustione; di fatti un carbone con alto contenuto di volatili ha una combustione più rapida e stabile, inoltre richiede una polverizzazione meno spinta.
Permette stabilità di fiamma con combustione al 100% di carbone anche a bassi carichi.
Il risvolto negativo è che un eccessivo tenore di materiali volatili potrebbe favorire incendi e causare scoppi nei mulini.
Tipicamente si richiede un contenuto di materie volatili fra 22-24% e 35%.
Il contenuto di zolfo è la quantità di zolfo presente in un’unità di peso di carbone.
Lo zolfo (S) è un combustibile e la sua reazione con l’ossigeno comburente dà luogo a calore secondo la formula:
S + O2 = SO2 + calore
e, in misura molto minore, secondo la formula:
SO2 + ½O2 = SO3 + calore
I gas della sua combustione sono però dannosi alla respirazione e, nel caso dell’SO3, corrosivi se CONDENSATI con l’acqua alle temperature inferiori a quella di rugiada di 149°C circa.
Lo zolfo, unito agli alcali della cenere, favorisce la formazione di cementi refrattari (slags) che riducono la TRASMISSIONE del calore in camera di combustione.
Altra zona a rischio per l'elevato contenuto di zolfo, è il parco carbone.
Di fatti un carbone con contenuto di zolfo troppo elevato permette reazioni chimiche con l’acqua tendenti a produrre gas ed acidi con sviluppo di calore e surriscaldamento dei cumuli.
Pertanto un valore basso di zolfo è apprezzato non solo ai fini ambientali ma anche impiantistici.
D’altra parte, un livello troppo basso del tenore di zolfo, unito ad un alto contenuto di silice (SiO2) nella cenere volante, può determinare un insoddisfacente funzionamento dei filtri elettrostatici.
Contratti standard richiedono generalmente zolfo fra 0.3-1% mentre alcuni impianti dotati di desolforazione e possibilità di miscelazione si spingono anche a 3.5-4% (più normalmente 1.5-2%).
La macinabilità è una caratteristica puramente tecnologica che serve a quantificare il grado di macinazione del prodotto in rapporto all’energia meccanica applicata.
Si esprime con un indice utile per il dimensionamento degli impianti di macinazione (HGI ovvero Hardgrove index).
Più alto è l’indice, più facilmente macinabile è il carbone.
In realtà questo indice non tiene conto di altri fattori, quali l’umidità, che possono condizionare la polverizzazione del carbone.
La pezzatura del carbone ha diretti riflessi sulla macinabilità: un carbone costituito prevalentemente da pezzi grossi, in particolare in misura maggiore di 5 cm, richiederà più energia per la sua macinazione, e conterrà anche più probabilmente un certo rifiuto attraverso il sistema di scarico dei corpi non frantumabili (piriti).
La finezza del carbone è importante ai fini della sua completa combustione.
In genere è richiesto HGI > 50, anche se in genere si tollera fino a 47.
Il contenuto di umidità è la quantità di acqua che accompagna il carbone.
È una grandezza molto importante in quanto concorre alla determinazione del prezzo del combustibile e la sua componente superficiale può condizionare l’utilizzo del carbone, soprattutto se ricco di fini.
Negli impianti in cui è prevista la macinazione del carbone è essenziale conoscere l’umidità per poter stabilire la quantità dell’aria calda necessaria per poterlo essiccare e macinare.
L’umidità, in effetti, influenza negativamente il processo di polverizzazione facendo diminuire la potenzialità dei mulini, riducendone il carico continuo che il mulino può ottenere.
Nel fenomeno della combustione ha influenza solo l’umidità intrinseca del carbone, in quanto quella superficiale viene eliminata con l’aria calda di trascinamento ai bruciatori.
L’essicazione così realizzata serve inoltre a:
• Migliorare la combustione,
• Facilitare la polverizzazione,
• Evitare intasamenti.
Se l’umidità è molto elevata:
• Diminuisce di molto la potenzialità dei mulini per eventuali intasamenti e perché l’aria calda può risultare insufficiente per essiccare il polverino.
• Diminuisce il rendimento della caldaia per il calore perduto per vaporizzare l’acqua contenuta nel carbone.
• Aumenta i rischi di intasamento nelle tramogge .
• Influenza la regolarità di portata del polverino e quindi il carico del gruppo.
In genere il consumatore preferisce mantenere l’umidità al di sotto del 12%, anche se i valori in realtà dipendono molto dalle fonti, non sono controllabili e variano stagionalmente.
Dal Sud Africa il carbone giunge generalmente con umidità totale sotto il 9% mentre il colombiano può assestarsi al 12-14% e l’indonesiano può superare agevolmente quest’ultimo valore.