Dimensionamento degli Impianti di Produzione di Pellet

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Capitolo I:“Definizione del Pellet” 
Il presente lavoro di tesi tratta del pellet prodotto da materiale 
vegetale. 
Essendo questo un combustibile solido, prima di farne una 
esaustiva descrizione, mi sembra d’obbligo dedicare, in questo 
capitolo, un breve spazio alla descrizione ed alla 
caratterizzazione dei combustibili in generale. 
A tal fine farò una sintesi di ciò che ho imparato durante il mio 
travagliato iter di studi in Ingegneria Meccanica. 
In particolare faccio riferimento a quanto appreso nel corso di 
“Macchine” e durante la mia recente esperienza lavorativa in RBM. 
Userò come linea guida il testo del Cornetti: “Macchine a Fluido”, 
testo al quale rimando per un ulteriore approfondimento. 
 
1.1 I Combustibili 
 
Per combustibili si intendono tutte quelle sostanze che, sotto 
opportune condizioni, sono in grado di reagire con un comburente 
(o agente ossidante)sviluppando una notevole quantità di calore. 
Requisiti di un combustibile, sono il costo relativamente basso, 
la facilità di estrazione o di preparazione, la velocità di 
combustione elevata, l’assenza di prodotti di combustione nocivi. 
 
I combustibili si possono classificare: 
• In relazione al loro stato di aggregazione.  
Distinguiamo infatti tra combustibili solidi, liquidi, 
gassosi. 
 
I solidi, vanno frantumati in modo da facilitarne il 
trasporto e l’utilizzo negli impianti di combustione.  
 
I liquidi, sono i migliori dal punto di vista del trasporto 
(ed è per questo che sono così diffusi) e non pongono 
particolari problemi di miscelazione con l’ossidante.  
 
I gassosi, presentano le migliori caratteristiche di 
miscibilità con l’ossidante, ma possono presentare problemi 
di trasporto insuperabili sia nel trasferimento dal luogo di 
produzione, sia nella distribuzione all’utilizzatore. 
 
• In relazione al processo di trasformazione subito.  
Distinguiamo infatti tra combustibili fossili e combustibili 
artificiali o alternativi.  
 
I combustibili fossili o naturali, sono materiali organici 
che rappresentano i resti di sostanze vegetali sintetizzati 
dal calore solare nelle prime ere geologiche.  
 
I combustibili artificiali o alternativi, sono prodotti che 
derivano o da processi di trasformazione di sostanze che di 
per sé non sarebbero in grado di bruciare (come per esempio 
il biogas che proviene dalla decomposizione dei Rifiuti 
Solidi Urbani), oppure vengono ricavati con trasformazioni 
rilevanti dei combustibili naturali in modo da renderli 
adatti all’utilizzo. 
Balzani Danilo  pagina  
Capitolo I  Definizione del Pellet 
Costituenti dei combustibili sono essenzialmente il carbonio e 
l’idrogeno, a cui si possono aggiungere l’ossigeno e piccole 
percentuali di zolfo ed azoto (bisogna però fare particolare 
attenzione a tali elementi perché, durante la combustione, possono 
generare prodotti estremamente pericolosi, quali gli NO
x
, ed i SO
x
, 
come l’anidride solforosa SO
2
 e solforica SO
3
) 
Altri dati interessanti per la valutazione del combustibile, sono 
i residui incombustibili (le cosiddette ceneri), e la quantità di 
acqua presente inizialmente nel combustibile stesso(l’umidità). 
 
Tutto ciò viene riassunto in tre tabelle, estratte principalmente 
dal libro del Cornetti, ma rielaborate ai fini del presente lavoro 
ed integrate, laddove ritenuto necessario, con nozioni prese dallo 
stesso libro del Cornetti ma anche dal libro del Ghetti 
(“Idraulica”), dai miei appunti del corso di Idraulica ed 
acquisite durante il lavoro in RBM. 
 
 
 
In tabella 1, vengono riportati i valori medi della composizione 
di alcuni combustibili solidi (i valori effettivi oscillano tra un 
minimo ed un massimo e possono essere anche molto diversi dai 
valori menzionati) 
 
Composizione di alcuni combustibili solidi 
Umidità Ceneri Carbonio Idrogeno Ossigeno Azoto Zolfo 
Sostanza 
Valori medi [percentuale in massa] 
Temp.* di 
accensione
[°C] 
P.C.I. 
[KJ/Kg] 
Legno asciutto 20 1 39,5 4 35 0,5 - - 15000 
Torba secca 30 5 36,0 3,6 23,1 1,6 0,7 - 13000 
Lignite 10 6 48,9 4,3 27,8 1,7 1,3 - 22000 
Carboni secchi 8 3 55,7 5,5 25,4 1,1 1,3 - 24000 
Carboni grassi 2,2 5 76,8 5,3 8,4 1,3 1,0 410 31300
Carboni magri 2,1 5,2 80,9 4,7 4,8 1,3 1,0 465 32400 
Antracite 1,3 5 83,1 3,9 4,4 1,5 0,8 
450÷600 
33500 
Coke metallurgico 0,4 9 87,5 0,7 0,1 1,3 1,0 - 30000 
Coke di petrolio 1,1 1,2 90,4 3,0 2,8 0,7 0,8 - 34200 
* La temp. di accensione del combustibile solido è di difficile caratterizzazione rispetto al combustibile fluido. 
Un dato importante del combustibile solido, è il contenuto di acqua: esso condiziona la quantità di calore che può 
essere ottenuta nella combustione di quel determinato tipo di combustibile.  
 
Il legno e la torba presentano un contenuto di acqua estremamente alto: il legno appena tagliato, contiene fino al 
50% di umidità; invece la torba (combustibile che proviene dalla trasformazione di piante acquatiche), risulta 
impregnata con quantità di acqua che arrivano fino al 90%.  
Mediante stagionatura all’aria, si riesce ad essiccare il combustibile fino a raggiungere valori accettabili del 
contenuto di acqua. 
 
Anche per questo, tra i combustibili solidi naturali, i più importanti sono i carboni fossili propriamente detti, 
indicati col nome di litantrace e di antracite.  
Secondo la terminologia Italiana (tra parentesi è indicata quella Americana), i carboni fossili si distinguono in: 
- Carboni secchi (sub-bituminosi), molto ricchi di sostanze volatili come acqua, gas e vapori catramosi; 
- Carboni grassi (bituminosi) con contenuto di sostanze volatili alto, medio oppure basso, ma comunque 
inferiore a quello dei carboni secchi.  
- Carboni magri antracitosi e antraciti (semiantracite, antracite e meta-antracite), ossia i carboni più 
vecchi e che contengono molto carbonio e pochissime sostanze volatili. 
 
Come combustibili solidi artificiali, è invece doveroso ricordare il carbone di legna ed il coke, derivante dalla 
distillazione ad alta temperatura di carboni grassi (coke delle cokerie o coke metallurgico) oppure dalla pirolisi
(riscaldamento in assenza di ossigeno) del petrolio (coke di petrolio).  
Quest’ultima sostanza, per la notevole purezza, viene utilizzata per impieghi speciali come, per esempio, la 
fabbricazione di elettrodi per forni elettrici industriali. 
G. Cornetti: “Macchine a fluido”; pagina 761 (Appendice A9) 
-Tabella 1- 
Balzani Danilo  pagina  7
Capitolo I  Definizione del Pellet 
In tabella 2, vengono riportate le caratteristiche dei principali 
combustibili liquidi, classificabili, in prima analisi, mediante 
il loro intervallo di distillazione (la temperatura cui avviene 
l’ebollizione dei diversi componenti del combustibile) e sulla 
base della loro applicazione. 
 
Composizione di alcuni combustibili liquidi 
Limiti di 
accensione 
Massa 
Volumica 
Costituenti 
principali 
Intervallo di 
distillazione
Calore latente di 
vaporizzazione 
P.C.I. 
Temp. di 
accensione 
Aria 
Teorica 
richiesta
[α
st
] 
Inf. Sup. Sostanza* 
[Kg/m
3
] [% in massa] [°C] [KJ/Kg] [KJ/Kg] [°C] [Kg/Kg] 
[% in volume di 
vapori in aria]
Benzina 
normale 
715÷755 
86C, 14H 
25÷215 380÷500 
43600 
≈300 
14,8 
≈0,6 ≈8 
Gasolio 
815÷855 
86C, 14H 
180÷360 ≈250 
43300 
≈250 
14,7 
≈0,6 ≈6,5 
Petrolio 
greggio 
700÷1000 80÷83C,10÷14H 25÷390 222÷352 
39800 
÷ 
46100 
≈220 
- 
≈0,6 ≈6,5 
Oli pesanti 
di catrame 
850÷900 
84C, 11H 
200÷390 
- 
40200 
÷ 
41900 
- 13,5 - - 
Olio 
combustibile 
1000÷1100
85C, 12H 
200÷390 
- 
40000 
÷ 
42000 
- - - - 
* - Benzina: Il combustibile più leggero, costituito da idrocarburi che bollono tra i 25 ed i 215°C; si 
 usa nei motori ad accensione comandata.  
Viscosità cinematica ν misurata alla temperatura di 20°C: ν=0,6mm
2
/s (0,6 centistokes). 
  - Cherosene: Combustibile leggero che bolle tra i 70 ed i 220°C; si usa nei turboreattori degli aerei da 
trasporto.
  - Gasolio: Combustibile di media densità, che bolle tra i 180 ed i 360 °C; si usa nei motori ad 
 accensione per compressione e nel riscaldamento di abitazioni ed uffici.  
Viscosità cinematica ν misurata alla temperatura di 20°C: ν=4 mm
2
/s (4 centistokes). 
  - Olio Combustibile: Prodotto pesante con punti finali di ebollizione fino a 390°C;si usa nel riscaldamento 
 industriale e, soprattutto, negli impianti termoelettrici.  
 In particolare, gli oli combustibili si distinguono in funzione della viscosità cinematica 
 ν, misurata alla temperatura di 50°C, in: 
- Fluidissimo (ν≤21,2 mm
2
/s) - Fluido (21,2≤ν≤37,4 mm
2
/s) 
- Semifluido (37,4≤ν≤53 mm
2
/s) - Denso (ν≥53 mm
2
/s) 
 
Quando un fluido si muove, lo scorrimento dei suoi vari strati determina la comparsa di forze tangenziali che 
agiscono in seno al fluido e che dipendono dalla velocità con cui il fluido stesso si deforma.
La viscosità dinamica µ (che si misura in centipoise - 10
-3
Pa x sec -), è una costante del fluido e fornisce 
informazioni sul grado di scorrimento dei suoi vari strati, ossia sugli attriti interni che si sviluppano durante 
il moto del fluido: maggiore è la viscosità, maggiore è l’attrito alle pareti (per esempio della tubazione in cui 
il fluido scorre) ed il conseguente gradiente di velocità che si può osservare nella direzione perpendicolare alla 
direzione del moto, sicché anche il fluido non direttamente a contatto con la parete, ne subisce gli influssi 
perché rallentato dal fluido a contatto mediante le τ che si formano tra strato e strato: 
 Talvolta, è possibile trascurare la viscosità del fluido: in 
tal caso il fluido è detto ideale, l’attrito alle pareti 
è nullo e la velocità v del fluido sarà la stessa in ciascun 
punto della sezione della condotta (ipotizzando di osservare 
il moto del fluido all’interno di una condotta). 
Quando però tra strato e strato del fluido esistono forti 
variazioni di velocità, non è più lecito trascurare la 
viscosità ed il fluido deve essere considerato reale.
In tal caso la velocità passa dal valore zero, nella regione 
immediatamente a contatto delle pareti della condotta, ad un 
valore massimo e diverso da zero al centro della condotta, 
secondo un profilo che risulta diverso a seconda delle 
condizioni di moto del fluido: 
- Addolcito nel caso di moto laminare 
- Più ripido nel caso di moto turbolento a causa del 
forte rimescolamento prodotto dalla maggiore velocità, 
tra gli strati del fluido in prossimità della parete. 
La viscosità cinematica ν (rapporto tra la viscosità dinamica 
e la massa volumica), ha lo stesso significato di quella 
dinamica. 
Viene usata l’una oppure l’altra qualora si vogliano studiare 
le leggi che governano il moto a prescindere della massa 
(viscosità cinematica) oppure tenendo conto della massa 
(viscosità dinamica). 
 
“Tipologie di Fluidi” – Appunti di Idraulica
-Figura 1- 
G. Cornetti: “Macchine a fluido”; pagina 762 (Appendice A10) 
Balzani Danilo  pagina  8
-Tabella 2- 
Capitolo I  Definizione del Pellet 
In tabella 3, vengono riportate le caratteristiche dei principali 
combustibili gassosi. 
 
Composizione di alcuni combustibili gassosi 
P.C.I.****** 
Limiti di 
accensione Massa 
Volumica 
Costituenti 
principali 
Punto di 
ebollizione a 
101,325 Kpa 
Combustibile
Miscela aria-
combustibile
Temp. di 
accensione 
Aria 
Teorica 
richiesta 
[α
st
] 
Inf. Sup. Sostanza 
[Kg/Nm
3
*] [% in massa] [°C] [KJ/Kg] [KJ/m
3
] [°C] [Kg/Kg] 
[% in volume di 
gas in aria] 
G.P.L. **(Gas 
di Petrolio 
Liquefatto) 
2,25 C
3
H
8
, C
4
H
10
-30 46100 3390 
≈400 
15,5 1,5 15 
Gas di 
Città*** 
0,56÷0,61
50H, 8C, 
30CH
4
-210 
≈30000 ≈3250 ≈560 
10 4 40 
Gas 
naturale**** 
≈0,83 
76C, 24H -162 47700 - - - - - 
Metano (CH
4
) 0,72 75C, 25H -162 50000 3220 650 17,2 5 15 
Monossido di 
Carbonio (CO) 
1,25 100CO -191 10050 3480 605 2,5 12,5 75 
Idrogeno (H
2
) 0,090 100H -253 120000 2970 560 34 4 77 
Biogas***** - 46CH
4,
 54CO
2
- 27200 3220 - - - - 
* Nm
3
: normal metro cubo, ossia volume del gas misurato a T=0°C e p=101,325 Kpa 
** Il G.P.L. è una miscela composta dal 20÷30% di Propano e dal 70÷80% di Butano. Il G.P.L. è quindi un gas 
 più pesante dell’aria: la densità rispetto all’aria (per densità si intende il rapporto tra la massa 
 volumica della sostanza e la massa volumica di una sostanza di riferimento) è di 1,56 per il Propano e 2 
 per il Butano.  
 Nelle ordinarie condizioni di pressione e temperatura,il Propano ed il Butano sono idrocarburi gassosi, 
 ma passano facilmente allo stato liquido per compressione a temperatura ambiente; vengono poi facilmente 
 ricondotti allo stato gassoso per essere utilizzati come combustibili domestici ed industriali nelle zone 
 sprovviste di reti di distribuzione del metano. Allo stato liquido comunque: 
- Massa volumica del G.P.L.:  540 [Kg/m
3
]; 
-  Massa volumica del propano (C
3
H
8
): 510 [Kg/m
3
]; 
-  Massa volumica del butano (C
4
H
10
): 580 [Kg/m
3
]. 
*** Il Gas di città è gas ottenuto dal trattamento del carbone ed è stato largamente utilizzato in passato in 
 Europa, ma attualmente è stato sostituito col gas naturale. 
**** Il Gas naturale è composto prevalentemente da metano ed è il più importante dei combustibili gassosi, sia 
 in termini di caratteristiche di impiego e sia, soprattutto, in termini di disponibilità. 
***** Il Biogas purificato, contiene il 95% di metano (CH
4
) ed ha un P.C.I.=37700 KJ/Kg. 
****** La massa volumica ρ
miscela
 della miscela aria-combustibile, si può esprimere in funzione della massa 
 volumica ρ
a
 dell’aria, avente massa m
a
 e della massa volumica ρ
b
 del gas combustibile, avente massa m
b
, 
 come rapporto tra m
a
 + m
b
 ed il volume corrispondente di aria + combustibile: 
  - Utilizzando quantità stechiometriche, 
lecombustibi
aria
ricostechiomet rapporto il  
m
m
α  con indicato avendo
ρ
1
ρ
α
1α
ρ
b
a
st
ba
st
st
stmiscela
=
+
+
=
 
  - Utilizzando quantità effettive, 
lecombustibi
aria
 effettivo rapporto il  
m
m
α  con indicato avendo     
ρ
1
ρ
α
1α
ρ
b
a
ba
miscela
=
+
+
=
 
 Poiché infine il potere calorifico inferiore [P.C.I.
(combustibile)
], è riferito alla massa di combustibile, se 
 si vuole ottenere il potere calorifico [P.C.I.
(massa miscela)
]riferito alla massa di aria più la massa di 
 combustibile, basta moltiplicare il P.C.I.
(combustibile)
 per m
b
 e dividerlo per m
a
 + m
b
 (m
a
 e m
b
sono quantità 
effettive), ossia:
  
1α
P.C.I.
P.C.I.
lecombustibi
stmiscelamassa
+
=
 
 Se invece si vuole il potere calorifico [P.C.I.
(volume miscela stechiometrica)
] riferito al volume della miscela 
 stechiometrica, bisogna passare a quantità stechiometriche ed utilizzare la seguente formula: 
 
ba
st
lecombustibi
stmiscela
st
lecombustibi
stmiscelavolume
ρ
1
ρ
α
P.C.I.
ρ
1α
P.C.I.
P.C.I.
+
=×
+
=
 
 A titolo d’esempio, il calcolo per il Metano [α
st
=17,2 ρ
b
=0,72 Kg/Nm
3
 P.C.I.
(combustibile)
=50000 KJ/Kg] 
 fornisce il seguente risultato: 
 
33
stmiscelavolume
Nm
KJ
3220
Nm
KJ
0,72
1
1,23
17,2
50000
P.C.I. ≅
+
=
 
G. Cornetti: “Macchine a fluido”; pagina 763 (Appendice A11) 
-Tabella 3- 
Balzani Danilo  pagina  9
Capitolo I  Definizione del Pellet 
1.2 I parametri fondamentali per l’innesco della combustione 
 
I dati di maggiore interesse ai fini della valutazione e della 
utilizzazione di un combustibile sono: la quantità di aria 
necessaria per la combustione, la temperatura di accensione ed i 
limiti di infiammabilità, il potere calorifico, i prodotti della 
reazione e la temperatura cui avviene la combustione. 
 
Si rammenti infatti che affinché possa avvenire la reazione di 
combustione [reazione chimica di ossido-riduzione in cui una 
sostanza combustibile viene ossidata all’ossigeno (sostanza 
comburente) dando luogo a sviluppo di calore, fiamma, gas, fumo e 
luce], tre sono gli “ingredienti” fondamentali: 
 
•  La presenza del combustibile, che deve 
essere entro il proprio campo di 
infiammabilità. 
10
• La presenza del comburente*, che deve 
raggiungere un minimo di concentrazione. 
• La temperatura di accensione del 
combustibile: ci deve essere una fonte di 
calore che fornisca l’energia (di 
ignizione) minima necessaria a provocare 
l’innesco della reazione. 
 
“Il Triangolo del fuoco” - Agip 
-Figura 2a- 
Se anche uno solo di questi tre parametri non raggiunge i 
requisiti necessari, la reazione di combustione non avviene. 
 
 
COMBUSTIONE NON INNESCATA (per la mancanza di uno dei tre fattori) 
 
 
 
 
 
 
 
“Il Triangolo del fuoco” – Agip gas, manuale GPL pagina 26 
-Figura 2b- 
 
 
Tutto ciò viene riassunto indicando i limiti di infiammabilità 
della miscela aria-combustibile, ossia indicando l’intervallo in 
cui tale miscela può accendersi. 
 
Una volta che però la reazione di combustione è stata innescata, 
ciò che realmente interessa è quanto calore viene sprigionato 
dalla reazione stessa, la composizione ed il volume dei prodotti 
di combustione e la temperatura raggiunta nella combustione. 
 
 
 
 
* Si parla di comburente e non di ossigeno per evidenziare il fatto che l’ossigeno reagisce così come si 
 trova in natura: il comburente più utilizzato è l’aria, l’ossigeno in essa  contenuto reagisce col 
 combustibile dando luogo alla combustione. 
Balzani Danilo  pagina  
Capitolo I  Definizione del Pellet 
Analizziamo più in dettaglio quanto appena esposto: 
• Principali reazioni di ossidazione, quantità di aria teorica 
[α
  st
] ed eccesso di aria. 
Il processo di combustione coinvolge l’ossidazione di tutti 
quei costituenti del combustibile che sono in grado di essere 
ossidati. 
Durante il processo la massa di ciascun elemento rimane 
costante: la scrittura delle equazioni chimiche e la 
soluzione dei problemi relativi a quantità diverse dei vari 
elementi che costituiscono il combustibile, avviene 
essenzialmente attraverso il rispetto della conservazione 
della massa di ciascun elemento.  
 
Le principali reazioni di ossidazione da considerarsi nella 
combustione dei combustibili fossili sono:  
 
  
  
 
2
O2HO2H
222
→+
CO2O2C
2
→+
2
CO2O2CO →+  
  
 
Per 
22
SOOS →+
combustione completa, si intende quel processo di 
combustione nel corso del quale tutto l’idrogeno H
2
, sotto 
qualunque forma si trovi nel combustibile originale, viene 
trasformato in H
2
O, tutto il carbonio C in CO
2
* e tutto lo 
zolfo S in SO
2
**.  
 
Sulla base delle reazioni precedenti, si può quindi ricavare 
il rapporto stechiometrico α
o
  st
 tra la massa di ossigeno m
o 
e 
la massa di combustibile m
b
: il minimo rapporto che rende 
possibile la combustione completa.  
Considerando inoltre la composizione dell’aria: 
 
Composizione semplificata dell’aria considerata nella combustione 
Massa Volumica 
Massa molecolare 
equivalente 
% Azoto % Ossigeno Azoto/Ossigeno Aria/Ossigeno 
[Kg/Nm
3
] Kg/kmole Volume Massa Volume Massa Volume Massa Volume Massa 
1,23 
≈29 
79,0 76,8 21,0 23,2 3,76 3,31 4,76 4,31 
 G. Cornetti: “Macchine a fluido”; pagina 763 (Appendice A12) 
 -Tabella 4- 
 
 Si ottiene immediatamente la dosatura stechiometrica α
  st
, che 
 rappresenta la minima quantità d’aria che fornisce l’ossigeno 
 sufficiente affinché avvenga la combustione completa: 
  
st
o
b
a
st
x
b
o
st
o
α4,31
m
m
α
100
OS2,667C8H
m
m
α ×==⇒
−++
==
 
 Essendo: 
  H percentuale in massa di H
2
 nel combustibile; 
  C percentuale in massa di C nel combustibile; 
 
* Il meccanismo di formazione della CO
2
 è abbastanza complesso, ma può essere sintetizzato ricordando che 
 prima si forma il monossido di carbonio [2C+O
2
Æ2CO] e quindi si forma l’anidride carbonica [2CO+O
2
Æ2CO
2
]. 
 Se tale reazione non è tutta sbilanciata verso destra (per esempio a causa di un difetto di aria) il 
 monossido di carbonio precedentemente creato non viene completamente combusto. 
 Questo è molto grave sia da un punto di vista energetico (la combustione del CO produce molto calore e 
 perciò si ottiene un minor rendimento dalle sostanze utilizzate come combustibili), sia perché il 
 monossido di carbonio (gas incolore, inodore, insapore e non irritante) è un gas di difficile 
 individuazione (senza appropriati strumenti di misura) altamente tossico per l'organismo. 
11
** In questa definizione di combustione completa, bisognerebbe aggiungere che tutto l’azoto (contenuto nel 
 combustibile solitamente in quantità molto modeste) viene trasformato in azoto elementare N
2
. 
Balzani Danilo  pagina