Fusibilità delle ceneri e scorie

Che cosa sono le scorie

La cenere nel bruciatore non resta sempre sciolta. Se alla temperatura della camera di combustione inizia ad ammorbidirsi, le sue particelle si attaccano tra loro e, raffreddandosi, formano blocchi duri, spesso vetrosi: le scorie (Agglomerati di cenere parzialmente fusa che si formano nel bruciatore. Una volta raffreddati sono duri e difficili da rimuovere.)Agglomerati di cenere parzialmente fusa che si formano nel bruciatore. Una volta raffreddati sono duri e difficili da rimuovere.. Le scorie ostruiscono i fori della griglia attraverso cui passa l'aria comburente, ostacolano l'avanzamento del combustibile e la rimozione delle ceneri. Il risultato è una combustione instabile, più particelle incombuste e, nei casi estremi, il blocco della caldaia.

Come si analizza la fusibilità delle ceneri (ISO 21404)

Il comportamento delle ceneri ad alta temperatura si analizza secondo la norma ISO 21404:2020, che ha sostituito la precedente specifica tecnica CEN/TS 15370-1:2006^[24]. Dal campione di combustibile si prepara prima la cenere. Nello schema ENplus la cenere si ottiene a 815 °C^[1]. Con la cenere si forma poi un piccolo provino, che viene riscaldato in un forno osservandone le variazioni di forma. Le temperature a cui si verificano i successivi cambiamenti sono le temperature caratteristiche (Temperature a cui il provino di cenere, nella prova secondo la ISO 21404, raggiunge determinati stadi: ritiro, deformazione, emisfera e fluidità.)Temperature a cui il provino di cenere, nella prova secondo la ISO 21404, raggiunge determinati stadi: ritiro, deformazione, emisfera e fluidità.:

• SST (ingl. shrinkage starting temperature) — temperatura di inizio ritiro: il provino comincia a contrarsi;
• DT (ingl. deformation temperature) — temperatura di deformazione: primi segni di rammollimento, gli spigoli si arrotondano;
• HT (ingl. hemisphere temperature) — temperatura di emisfera: il provino assume una forma vicina a una semisfera;
• FT (ingl. flow temperature) — temperatura di fluidità: la cenere si spande sul supporto.

Per chi utilizza la caldaia la più importante è la temperatura di deformazione: da lì inizia il rischio che la cenere nel bruciatore si agglomeri. Più alta è la DT, maggiore è il margine di sicurezza.

Requisiti ENplus e della norma

ENplus richiede inoltre che nel rapporto di prova siano riportate tutte le temperature caratteristiche previste dalla ISO 21404, non solo la DT^[1]. Nella norma ISO 17225-2 il comportamento delle ceneri ad alta temperatura è diventato un requisito obbligatorio solo con l'edizione del 2021, che ha introdotto le soglie di DT nella tabella delle classi^[11]; il progetto di questa norma riporta gli stessi valori di ENplus^[12].

Perché ceneri simili si comportano in modo diverso

Due pellet con un contenuto di ceneri quasi identico possono comportarsi nel bruciatore in modo del tutto diverso. A determinare la fusibilità è infatti la composizione chimica delle ceneri, cioè le proporzioni dei principali elementi che si determinano secondo la ISO 16967: tra gli altri calcio, magnesio, potassio, sodio, silicio, fosforo e ferro^[25].

Le relazioni generali sono ben note, anche se la loro intensità dipende dalla composizione specifica:

• Calcio e magnesio di solito innalzano la temperatura di fusione delle ceneri: una cenere ricca di questi elementi resta sciolta a temperature più alte.
• Potassio e sodio l'abbassano. Particolarmente sfavorevole è la combinazione di potassio e silicio, che forma silicati facilmente fusibili.
• Il silicio nel legno proviene soprattutto da impurità minerali, cioè sabbia e terra che finiscono nella materia prima insieme alla corteccia, durante l'esbosco o lo stoccaggio a terra.

Per questo il solo contenuto di ceneri non determina la tendenza a formare scorie. Una piccola quantità di cenere con una composizione sfavorevole può creare più problemi di una quantità un po' maggiore di cenere ricca di calcio.

Che cosa mostrano le misurazioni

Lo studio finlandese VTT raccoglie le temperature di deformazione delle ceneri (in atmosfera ossidante) di diversi combustibili legnosi. L'intervallo complessivo per le ceneri di legno è di 1150–1490 °C^[44].

Da questi dati emergono due osservazioni importanti. Primo: in questa raccolta persino la segatura di pino pulita aveva una DT inferiore alla soglia della classe A1 (1200 °C); il «legno pulito» non garantisce quindi automaticamente un'alta temperatura di deformazione. Secondo: qui la corteccia aveva una DT nettamente più alta della segatura, pur contenendo molte più ceneri^[44]. La corteccia aumenta quindi soprattutto la quantità di ceneri, mentre il suo effetto sulla fusibilità dipende dalla composizione; in pratica il problema maggiore sono spesso le impurità minerali che arrivano nella materia prima insieme a essa.

Nell'analisi di 30 campioni di pellet dal mercato polacco, una temperatura di fusione delle ceneri troppo bassa era uno dei problemi riscontrati, insieme a un contenuto di ceneri elevato e a componenti indesiderati come corteccia, materia inorganica e prodotti derivati dal petrolio^[47].

Che cosa può fare l'utente

L'analisi di laboratorio misura le ceneri in condizioni controllate, mentre nel bruciatore le condizioni variano: localmente la temperatura può essere più alta e l'afflusso d'aria non uniforme. Sulla formazione delle scorie influiscono quindi anche la caldaia e le sue regolazioni.