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Giuseppe Langella » 3.I combustibili solidi


I combustibili solidi fossili

I carboni fossili sono rocce sedimentarie costituite da sostanze organiche accompagnate da sostanze minerali e da acqua. La forma più povera energeticamente e più giovane geologicamente è costituita dalla torba.

Le ligniti sono da considerarsi il risultato di uno stadio intermedio tra le torbe e i carboni fossili veri e propri. In questa classe di combustibili si può quindi passare da prodotti di costituzione prossimi alla torba ad altri prossimi ai carboni fossili. In tutte le ligniti risulta più o meno evidente la costituzione del materiale di origine. Anche la lignite appena estratta può avere un notevole contenuto di umidità, sino al 50%, che si riduce in buona parte per essiccazione. Anche le sostanze minerali possono essere presenti in percentuale notevole potendo superare il 10%. Il C è contenuto in circa il 65-75%, l’H2 e lo S in circa il 5%, l’O2 in circa il 20%, l’N2 in circa l’1%. Il potere calorifico può essere molto vario: tra le 4000 e 7000 kcal/kg (16.500 -29.000 kJ/kg). Tale valore è riferito alla lignite priva di sostanze minerali e umidità. Le ligniti, a parte l’uso come combustibile, possono essere impiegate in processi per la produzione di gas, di combustibili liquidi e gassosi.

Il carbone fossile vero e proprio, si presenta in numerose varietà (litantrace, antracite) distinte soprattutto dal grado di carbonificazione (fossilizzazione). Dal punto di vista chimico, il carbone fossile è costituito da sostanze uminiche, derivanti prevalentemente dalla lignina del legno e da sostanze bituminose, cere e resine. Le sostanze uminiche rispondono alla formula grezza (C6H4O3)mentre le sostanze bituminose hanno prevalentemente carattere aromatico.

I combustibili solidi fossili

I combustibili solidi (carboni) normalmente impiegati nei GV degli impianti termoelettrici appartengono alla categoria dei litantraci. Le principali caratteristiche di un carbone sono il potere calorifico, la pezzatura, il tenore di umidità e di ceneri, la natura delle ceneri, il tenore di sostanze volatili. Il potere calorifico inferiore (sul secco) dei litantraci varia da circa 7.000 a 8.000 kcal/kg.

La pezzatura serve a classificare commercialmente i carboni nei seguenti tipi: tout venant (tal quale, come estratto dalla miniera), grosso (pezzi con dimensioni superiori a 80 mm), fine o minuto (pezzi grossi come noci), polverizzato. Il tenore di umidità non deve oltrepassare il 4 ÷5%, soprattutto per i carboni polverizzati. Il tenore di ceneri varia dal 2 al 10% nei buoni carboni e può raggiungere il 25% nei cattivi. Il punto di fusione delle ceneri deve essere superiore a 1.200°C per evitare che le ceneri fuse si depositino sui tubi di caldaia, soprattutto sui surriscaldatori e risurriscaldatori, e attacchino il metallo formando solfovanadati di ferro e cromo. Per combattere questa grave forma di corrosione si innalza il punto di fusione delle ceneri iniettando in caldaia additivi altofondenti, quali il magnesio sotto forma di ossido o di dolomite (carbonato di calcio e magnesio).

Il contenuto in sostanze volatili può variare, per i litantraci, da un 10% nei carboni magri antracitosi a un 32% nei grassi a lunga fiamma e a un 40÷50% nei carboni secchi a lunga fiamma.

I combustibili fossili solidi

Il carbone trasportato dalle navi viene scaricato per mezzo di gru ed inviato tramite nastri trasportatori ad una serie di apparecchiature che provvedono alla pesatura del quantitativo in arrivo, all’eliminazione dei corpi estranei in esso contenuti, alla frantumazione (per ridurre il carbone ad una determinata pezzatura), alla campionatura del carbone (per consentire i necessari controlli di laboratorio).

Successivamente esso viene inviato alla macchina di messa a parco e di ripresa, che provvede alla sua sistemazione nel parco. Con questa stessa macchina è possibile prelevare il carbone del parco e mediante un’altra serie di nastri inviarlo ai bunker dei gruppi che a loro volta alimenteranno i mulini. Anche il carbone prelevato dal parco, prima di giungere all’impianto, viene sottoposto a pesatura, campionatura e depurazione da eventuali materiali estranei.

I parchi carbone all’aria aperta, che raggiungono consistenze notevoli, presentano il pericolo di autocombustione: per ridurre tale pericolo conviene limitare l’altezza massima del deposito, disporre il carbone a strati successivi e non alla rinfusa, installare dei sensori di temperatura con segnalazione di allarme tarata a circa 70°C.

I combustibili fossili solidi

I bunker dei gruppi terminano, nella parte inferiore, in tante tramogge di scarico quanti sono i mulini da alimentare. All’uscita di ciascuna tramoggia sono installate delle saracinesche di intercettazione e quindi un condotto verticale che fa pervenire il carbone all’alimentatore. L’alimentatore ha il compito di assicurare costantemente un flusso di carbone al mulino e di variare la portata in funzione di quanto richiesto.

Vi sono diversi tipi di alimentatori: rotativi, a catena, a nastro. Questi ultimi sono i più usati: il loro funzionamento consiste nel raccogliere su di un nastro in movimento uno strato di carbone la cui altezza è preventivamente determinata. La variazione di portata è realizzata facendo variare opportunamente la velocità del nastro. Il carbone dall’alimentatore perviene al mulino dove viene macinato e contemporaneamente, entrando in contatto con una corrente di aria calda proveniente dai ventilatori dell’aria primaria, viene essiccato e trascinato allo stato di polvere fino ai bruciatori della caldaia.

L’aria primaria è prelevata a valle del preriscaldatore d’aria; la sua temperatura viene regolata sui 65÷85°C e deve essere tanto più bassa quanto più elevato è il contenuto in materie volatili del carbone, al fine di evitare il pericolo dell’autocombustione. Il controllo della temperatura dell’aria primaria è automatico e viene ottenuto temperando l’aria prelevata a valle del preriscaldatore con aria fredda prelevata direttamente sulla mandata del ventilatore principale.

I combustibili fossili solidi

Il sistema Babcock & Wilcox (B&W) prevede un ventilatore aria primaria, che spinge l’aria temperata nel mulino che a sua volta essicca e trasporta il polverino dal mulino ai bruciatori. Il sistema Combustion Engineering (C.E.) preleva l’aria temperata dalle condotte aria comburente e sull’uscita del mulino prevede un aspiratore (esaustore) che preleva la miscela aria-polverino e la invia ai bruciatori.

I due principali tipi di mulini, impiegati nelle centrali ENEL, sono quelli ad anelli e sfere Babcock & Wilcox e quelli a tazze e rulli Combustion Engineering. In ambedue i tipi la macinazione del carbone avviene per schiacciamento ed attrito tra due superfici rotanti una sull’altra.

Nel mulino ad anelli e sfere la pista inferiore, rotante, è di forma anulare e su di essa sono poggiate un certo numero di sfere che vengono trascinate in movimento dalla pista stessa. Una seconda pista, fissa, preme superiormente alle sfere, sotto l’azione di molle la cui registrazione è realizzata mediante un sistema di pistoni esterni alla carcassa. La pista superiore può essa pure essere rotante; le due piste, la superiore e l’inferiore, sono in tal caso poste in controrotazione a velocità diverse da motori separati. L’introduzione del carbone è laterale e viene realizzata in modo che questo venga a trovarsi schiacciato fra le due piste e le sfere. L’aria di essiccamento e trasporto entra dal basso e trascina con sé il polverino verso la parte alta del mulino, dove attraversa il classificatore, costituito da un certo numero di piccole serrande orientabili disposte secondo la generatrice di un tronco di cono o di un cilindro, il cui compito è quello di separare le particelle di polverino le cui dimensioni oltrepassano il valore desiderato.

I combustibili fossili solidi

Il mulino a rulli e tazze consiste essenzialmente in una tazza macinante sostituibile, entro la quale ruotano tre rulli conici sostenuti da un complesso posizionabile, che mantiene la superficie dei rulli ad una distanza ben determinata da quella della tazza, in funzione della portata di carbone desiderata.

La pressione per la macinazione viene esercitata da molle regolabili dall’esterno. Il carbone viene introdotto nella tazza che, ruotando, gli imprime una forza centrifuga; i pezzi di carbone vengono così portati alla periferia, nella zona di macinazione, dove sono schiacciati dai rulli; successivamente il prodotto, ridotto in polvere, giunge nella zona anulare di passaggio dell’aria calda. La finezza del polverino viene regolata da un classificatore. L’aria primaria entra nella parte bassa del mulino mentre la miscela aria-polverino viene aspirata dalla parte alta dello stesso ad opera di un esaustore.

In tutti i mulini le piriti e le parti in ferro, a causa del loro peso, non possono essere sollevati dall’aria calda che trascina il polverino: ricadono quindi nella parte inferiore del mulino, dove appositi raschiatori convogliano i pezzi alle tramoggette di scarico delle piriti.

I combustibili fossili solidi

La scelta del numero e della potenzialità dei mulini da installare in ogni caldaia viene fatta nell’ipotesi che si debba utilizzare carbone di determinate caratteristiche e si voglia ottenere una certa finezza di polverino. La finezza è misurata dalla percentuale di carbone che passa attraverso ciascun setaccio di una serie, fissata convenzionalmente (50, 100 e 200 mesh), e deve essere tale da assicurare un tempo di combustione delle particelle sufficientemente breve, per ottenere la combustione completa con un basso eccesso d’aria.

I bruciatori a carbone normalmente impiegati nelle centrali termoelettriche sono di tre tipi:

  • verticali
  • tangenziali
  • frontali.

I primi sono adatti per la combustione di carboni a bassa percentuale di materie volatili e realizzano una fiamma ad U particolarmente allungata. La miscela di polverino e aria primaria viene introdotta dall’alto della camera di combustione mediante un certo numero di tubi, all’interno dei quali un rilievo elicoidale conferisce alla miscela un moto vorticoso.

I combustibili fossili solidi

I secondi sono posti agli angoli della camera di combustione, in modo da produrre fiamme che formano un vortice il cui centro è l’asse della camera stessa. Un dispositivo, che permette di variare l’inclinazione dei bruciatori, consente di alzare o abbassare le fiamme per regolare la temperatura del vapore surriscaldato e risurriscaldato in uscita dalla caldaia.

I terzi si inseriscono sulla parete frontale e su quella posteriore della camera di combustione e la vorticosità della fiamma è ottenuta con alette sull’aria secondaria e con volute e deviatori sulla miscela aria primaria/polverino.

Le caldaie a carbone esistenti, equipaggiate con i vari tipi di bruciatori, raggiungono notevoli potenzialità.

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