Tecnologia dei materiali nelle camere di combustione delle centrali a biomassa

Le sfide specifiche dei combustibili biogenici

La combustione della biomassa si differenzia radicalmente da quella dei combustibili fossili. Cippato, legno di recupero, corteccia e altri combustibili biogenici presentano composizioni molto variabili. Umidità, contenuto di ceneri e composizione chimica cambiano non solo tra un tipo di combustibile e l’altro, ma anche tra singole forniture dello stesso tipo. Questa variabilità pone al rivestimento refrattario della camera di combustione sfide particolari, che i concetti di materiale standardizzati non riescono a gestire adeguatamente.

Le ceneri da biomassa contengono elevate quantità di alcali come potassio e sodio, che alle temperature di combustione formano fasi fuse aggressive. Queste fasi fuse attaccano chimicamente il rivestimento refrattario e ne accelerano l’usura. Particolarmente critica è la combinazione di alto tenore di alcali e bassa temperatura di rammollimento delle ceneri, tipica della combustione di paglia o residui di cereali.

La scelta dei materiali come fattore chiave

• I materiali refrattari ad alto tenore di allumina sono altamente refrattari e resistenti all’abrasione, ma sotto l’azione degli alcali formano fasi espansive come kalsilite o leucite, che possono far distaccare la struttura; nelle zone esposte agli alcali, le qualità dense e resistenti agli alcali a base di chamotte o andalusite sono di solito la scelta migliore
• I materiali contenenti carburo di silicio uniscono un’elevata resistenza all’usura a una buona resistenza agli shock termici, ma hanno un costo d’acquisto maggiore
• I materiali speciali contenenti ossido di cromo vengono impiegati nelle zone più estreme, ma richiedono canali di smaltimento dedicati
• I calcestruzzi da colata con sistemi leganti a basso tenore di cemento consentono rivestimenti senza giunti anche in geometrie complesse

Zonizzazione della camera di combustione

Un moderno rivestimento della camera di combustione non viene realizzato con un unico materiale, ma suddiviso in zone, ciascuna rivestita con il materiale più adatto. La zona della griglia e dell’avanzamento è soggetta a forti sollecitazioni meccaniche e termiche e richiede materiali resistenti all’abrasione e agli shock termici. La zona di post-combustione è esposta all’attacco chimico più intenso delle ceneri fuse e necessita di materiali resistenti alla corrosione. La sezione radiante e la strozzatura sono sollecitate soprattutto termicamente e vengono realizzate con materiali ad alta refrattarietà.

Nella progettazione del rivestimento di una camera di combustione collaboriamo strettamente con i gestori per determinare i profili di sollecitazione specifici. Quali combustibili vengono impiegati? Qual è il contenuto di ceneri? La qualità del combustibile varia con le stagioni? Sulla base di queste informazioni sviluppiamo un concetto di materiale su misura, che massimizza la durata in esercizio e riduce al minimo i costi di manutenzione.

I dettagli costruttivi come leva per la durata in esercizio

Oltre alla scelta dei materiali, sono i dettagli costruttivi a decidere il successo o il fallimento del rivestimento di una camera di combustione. La configurazione dei giunti di dilatazione, l’esecuzione del sistema di ancoraggio, l’eliminazione dei ponti termici e il raccordo con i componenti adiacenti richiedono anni di esperienza e una profonda conoscenza dei fenomeni termomeccanici. Un dettaglio spesso sottovalutato è la configurazione delle zone di transizione tra materiali diversi, dove si incontrano materiali con un diverso comportamento di dilatazione termica. Senza adeguate soluzioni di compensazione delle dilatazioni, in questi punti si formano fessure da tensione che diventano vie d’accesso per i fluidi aggressivi e portano a un cedimento precoce.