Energia e trattamento dei rifiuti

Questa è l’area dove la biomassa viene immessa nella camera di combustione. I principali fattori di rischio per il rivestimento sono gli effetti termici (fino a 750 °C), l’elevata umidità, la gassificazione iniziale, l’atmosfera riducente e la temperatura moderatamente bassa. Sono adatti rivestimenti in mattoni, elementi prefabbricati o calcestruzzi refrattari. Si utilizza solitamente un sistema a due o tre strati: strato di lavoro e uno o due strati isolanti. I materiali più utilizzati sono mattoni chamottati ad alta resistenza (Al₂O₃ > 45%) con basso contenuto di ossido di ferro.

Questa zona si estende lungo la griglia della caldaia ed è soggetta a temperature molto elevate, shock termici e forti gradienti termici (da 200 a 1200 °C). L’attrito causato dal movimento del combustibile sulla griglia rappresenta un ulteriore rischio di usura. Si utilizzano tipicamente sistemi a due strati; le soluzioni raccomandate includono elementi prefabbricati in calcestruzzo rinforzato e strati protettivi isolanti.

La volta intermedia separa la zona di combustione da quella di post-combustione. Consente la combustione completa della biomassa nella parte inferiore e dirige i prodotti della combustione verso l’uscita della caldaia. Separa inoltre due zone termiche: ~850 °C al di sotto e >1200 °C al di sopra. La zona inferiore è molto più aggressiva di quella superiore. A causa della differenza di temperatura tra le due parti, si raccomanda l’uso di prodotti a base di andalusite, che offrono resistenza agli shock termici e all’abrasione causata dal flusso dei gas.

Questa zona presenta temperature elevate, superiori al punto di rammollimento delle ceneri. L’atmosfera è ossidante, favorendo una combustione completa, e possono essere presenti ugelli per l’aria secondaria che intensificano la miscelazione dei gas. Le temperature vanno da ~900 °C sopra la griglia a ~1100 °C dopo gli ugelli; biomassa secca può causare picchi fino a 1400 °C. Il rivestimento può essere realizzato con mattoni cotti o calcestruzzi colati. I materiali devono resistere alle alte temperature, all’atmosfera ossidante e all’impatto degli ugelli.

La zona di post-combustione, spesso completata dalla volta intermedia, è dove il processo di combustione viene finalizzato ad alte temperature in un’atmosfera ossidante. Qui si verificano intense reazioni chimiche. Le soluzioni sono simili a quelle della zona di combustione – mattoni cotti o calcestruzzi colati. La forma e lo spessore del rivestimento devono essere adeguati per temperature comprese tra 950 e 1200 °C, così da mantenere la continuità del processo.

Questa zona è caratterizzata da temperature inferiori (650–850 °C) rispetto alle precedenti, ma con elevato attrito dovuto al movimento dei materiali. Spesso si verifica anche la post-combustione dei carbonati. Poiché le esigenze termiche sono minori, si impiegano materiali resistenti all’usura meccanica, che assicurino durata nel tempo. I materiali devono offrire alta resistenza all’abrasione e mantenere stabilità chimica a temperature relativamente basse.

Questa sezione trasferisce il calore dalla camera al generatore di calore a recupero. Le dimensioni dell’uscita e dell’ingresso devono essere compatibili per mantenere il flusso e limitare le perdite di pressione. Si preferiscono rivestimenti in calcestruzzo per la facilità di applicazione. Le temperature nella camera adiabatica possono arrivare fino a 1200 °C. Sono adatti i calcestruzzi ad alto tenore di allumina, spruzzati o prefabbricati

La volta di accensione è uno degli elementi più importanti per il corretto funzionamento della caldaia. La sua funzione è assorbire il calore della fiamma e trasferirlo alla griglia sottostante, dove avviene l’essiccazione e l’innesco del combustibile. Il materiale della volta è esposto ai prodotti della gassificazione del combustibile e all’atmosfera riducente, oltre a rapidi aumenti di temperatura durante l’avviamento (fino a 1100 °C). Può essere realizzata con elementi sospesi, colati in casseratura oppure prefabbricati a segmenti. Un funzionamento inadeguato della volta costringe gli operatori a mantenere la fiamma sotto la struttura, compromettendo la durata dei materiali, la qualità dei fumi e l’efficienza generale della caldaia.

I cassoni di deviazione dei tubi schermanti (botole, visori, sensori di pressione e temperatura ecc.) richiedono una “tenuta” con materiali refrattari. Qui si impiegano principalmente calcestruzzi refrattari con temperatura di classificazione di almeno 1350 °C.

Le pareti della caldaia (rivestite con materiali densi) sono sottoposte a condizioni diverse a seconda della loro posizione: nella camera di combustione, le temperature sono significativamente più alte rispetto al secondo passaggio e possono raggiungere i 1100 °C. Le pareti devono trattenere i fumi all’interno della caldaia ed evitare l’ingresso di aria esterna (la caldaia opera in depressione), che ridurrebbe l’efficienza. Sono esposte ai gas di combustione, all’irraggiamento della fiamma e all’accumulo di scorie (nel caso di una combustione non ottimale).

Questa zona è soggetta a forti variazioni di temperatura e a usura per attrito dovuta al passaggio del combustibile. Si utilizzano prevalentemente mattoni cotti, meno frequentemente elementi prefabbricati in calcestruzzo. La costruzione deve tenere conto delle dinamiche termiche e dell’attrito, spesso imponendo l’uso di sistemi multistrato. È necessaria un’elevata resistenza meccanica e agli shock termici; in caso di “soffiaggio” localizzato, la temperatura può salire fino a 1600 °C.

Attraverso questo fondo, l’aria a circa 220 °C viene immessa da numerosi ugelli per fluidizzare il letto. Lo spazio tra gli ugelli è colato con calcestruzzo refrattario. Gli ugelli dirigono l’aria verso il basso, provocando erosione. È presente spesso una soglia di passaggio verso le pareti. Le temperature in quest’area sono relativamente basse (~600 °C).

Queste pareti si trovano a contatto diretto con il letto fluido; ospitano bruciatori di avviamento, ingressi per combustibile e sorbente, ritorni dal separatore, botole, ecc. Il rivestimento protegge le parti in pressione dall’abrasione del letto. Le temperature non superano i 900 °C. Nei punti discontinui, il rivestimento può avere spessori elevati; sulle superfici schermate è spesso di 50–80 mm sopra le sommità dei tubi. Qui si formano fitte reti di fessurazioni — un'adeguata densità di ancoraggio è fondamentale per garantirne la durabilità.

Si tratta dei condotti tra i separatori (nelle caldaie CFB) o tra la camera di combustione (nelle caldaie BFB) e la zona convettiva della caldaia. Trasportano fumi poco contaminati e debolmente erosivi, a temperature tra 850 e 950 °C.

Questi condotti collegano la camera di combustione ai separatori (nelle caldaie CFB). Trasportano fumi fortemente erosivi (850–950 °C), e l’effetto erosivo è amplificato dal cambiamento di sezione che accelera i gas. Possono essere schermati o isolati. Nei condotti schermati, il soffitto è solitamente spruzzato, il pavimento colato, le pareti possono essere spruzzate, colate o prefabbricate, con rivestimenti sottili. Per rivestimenti sottili si usano calcestruzzi autolivellanti come PCOCAST BNAB Fl o MULCAST BN80M Fl; per spessori maggiori (es. compensatori), calcestruzzi vibrati come PCOCAST BMAB160 o PCOCAST BN160AZS.

I cicloni caldi (per caldaie CFB) dirigono i fumi pre-puliti verso la sezione convettiva. L’atmosfera è fortemente riducente, le temperature variano da 850 a 950 °C. Nei cicloni schermati, il soffitto è spruzzato, le pareti colate, rullate con impasti plastici o prefabbricate, con rivestimento sottile. Nei cicloni isolati, il soffitto è spruzzato, le pareti possono essere murate con cunei, colate o prefabbricate, con strato di lavoro spesso e isolamento efficace contro la dispersione di calore.

È il cuore del processo, dove avvengono la gassificazione e la combustione parziale dei rifiuti. Grazie alla rotazione, il rivestimento si riscalda quando si trova nella parte superiore e trasferisce calore al carico quando ruota sotto di esso. Le esigenze del rivestimento dipendono dai parametri progettuali, come l’aggressività dell’ambiente e la temperatura di processo. Il rivestimento è generalmente monostrato, realizzato con mattoni a cuneo ad alto tenore di allumina, di tipo andalusitico o corindonico. Le zone attorno a botole o ugelli vengono rivestite con calcestruzzi refrattari classificati per temperature superiori a 1600 °C.

Questa sezione ha lo scopo di trattenere carbonati e ceneri per completare la gassificazione/combustione prima che il materiale esca dal forno. Il rivestimento è composto da mattoni cotti ad alto contenuto di allumina nella zona di lavoro (andalusite o corindone) e mattoni chamottati o isolanti negli strati protettivi.

La testata del forno introduce il carico/combustibile nell’impianto. A seconda del tipo di processo (corrente parallela o controcorrente), può includere un bruciatore e ugelli per l’aria. Questa zona è soggetta a variazioni termiche e a forti gradienti di temperatura, oltre all’azione dei gas e vapori dei rifiuti. È realizzata con materiali monolitici, solitamente calcestruzzi ad alto contenuto di allumina colati o elementi prefabbricati.

È una zona critica dove i gas vengono trasportati verso le fasi successive, mentre le frazioni più pesanti – scorie, ceneri e residui incombusti – precipitano. Le condizioni operative prevedono temperature moderate (fino a 950 °C) e atmosfera leggermente ossidante. L’erosione meccanica è intensa, dovuta al movimento del materiale e alla caduta delle particelle pesanti dal cilindro del forno. Per gli impianti alimentati a biomassa forestale si consiglia MULCAST BN50M; per i rifiuti urbani o medici, MULCAST BN80MZr.

In questa zona avviene la combustione finale dei carbonati – residui solidi e carboniosi dalla gassificazione e combustione nel forno rotante. La temperatura non supera i 950 °C. Nonostante le condizioni erosive siano difficili per il contatto con i solidi e l’aria in movimento, l’ambiente chimico è meno aggressivo poiché i composti reattivi vengono evacuati nelle fasi precedenti. Si usano solitamente i calcestruzzi MULCAST BN50MZr e PCOCAST BNAK160, ideali per alta resistenza all’usura e stabilità dimensionale.

In questa sezione il processo ossidativo si intensifica. Le temperature sono mantenute generalmente sotto i 1000 °C per evitare incrostazioni dovute alla carenza di ossigeno. Qui i composti gassosi si mescolano con l’aria terziaria, provocando rapidi aumenti di temperatura. Si raccomanda l’uso di mattoni ABRAL con aggiunta di carburo di silicio o calcestruzzi speciali BNSiC, altamente resistenti dal punto di vista chimico e termico, adatti ad atmosfere ossidanti ad alta temperatura.

Responsabile della fase finale dell’ossidazione dei gas, questa zona assicura un sufficiente tempo di permanenza alle alte temperature e una completa miscelazione con l’aria secondaria o terziaria. Le temperature possono superare i 1050 °C. Come nella zona precedente, si utilizzano i prodotti della linea ABRAL e i calcestruzzi BNSiC.

I deflettori svolgono un ruolo essenziale nella fase finale della combustione. Prolungano il tempo di permanenza dei fumi nell’ambiente ossidante e ne favoriscono la miscelazione con l’aria. Le temperature possono superare i 1050 °C; spesso vengono attivati bruciatori ausiliari per mantenere il profilo termico. In queste condizioni si utilizzano mattoni refrattari con elevato contenuto di SiC.