La combustione della legna è il riscaldamento della biomassa in presenza di ossigeno:
Invece la combustione in assenza di ossigeno è la pirolisi.
Le fasi della combustione della legna
Entro i 200 °C la legna si asciuga, anzi viene completata l’essicazione biomassa legnosa (*k), entro i 500 °C si forma gas e carbonio solido (pirolisi), infine avviene la combustione vera e propria con liberazione del calore.
L’energia chimica del legno
Il legno anidro è il legno senza acqua, ha un valore energetico di 17.85-18.35 MJ/kg, le conifere sono un po’ più energetiche delle latifoglie di un altro 2,5% : a parità d’acqua contenuta l’energia dei diversi tipi di pianta varia molto poco.
Le equivalenze energetiche
| MJ | cal | kWh | |
| min | 17.85 | 4.263 | 4.958 |
| max | 18.35 | 4.382 | 5.097 |
1 kg di legno anidro
Potere calorico superiore e inferiore
Il calore sprigionato durante la combustione dipende dalla quantità di acqua presente nella legna:
il potere calorifero superiore è l’energia chimicamente presente,
il potere calorifero inferiore sottrae al potere calorifero superiore l’energia termica necessaria all’evaporazione.
I legni dolci o teneri a bassa densità sono più igroscopici dei legni duri ad alta densità, la conseguenza è che i primi trattengono più acqua dei secondi e quindi il loro potere calorico inferiore e minore.
L’evaporazione dell’umidità del legno
Parte dell’energia liberata nel processo di combustione è persa con l’evaporazione dell’acqua e quindi non è disponibile per l’uso termico, cioè non scalda.
L’evaporazione dell’acqua “consuma” 2,44 MJ ogni kg di acqua (0,68 kWh).
Essicazione del legno all’aria aperta
Per aumentare il potere calorico, la legna viene stagionata, cioè essiccata all’aperto. L’acqua evaporata naturalmente farà risparmiare calore durante la combustione.
Se la legna fresca ha un un 50% d’umidità, la legna stagionata che ha atteso più anni per essiccarsi ha solo un 13% finale di acqua, ha più che raddoppiato il suo potere calorifero inferiore passando da 2 a 4 kWh/kg.
Calcolare il potere calorifero inferiore del legno
La formula per calcolare preventivamente il calore che otterrò è la seguente:
legenda:
PCI potere calorifero minimo
18,5 è l’energia del legno anidro in joule
2,44 è l’energia per l’evaporazione di 1 kg di acqua
Il faggio al 13% di umidità è il legno di riferimento con 4 kWh/kg.
In realtà dalla combustione in una caldaia di media qualità si ottiene un 85% di calore reale: 3,4 kWh/kg reali.
I rapporti H/C e O/C
Quanto maggiore è la quantità di carbonio rispetto all’idrogeno e all’ossigeno, tanto maggiore è il potere calorico del combustibile. Questa relazione è ben descritta dal diagramma di van Krevelen.
Paragone con altre fonti energetiche
Approssimativamente 2,3 kg di legno secco sostituiscono un litro di gasolio e 1 m3 di gas naturale.
| P.c.i. kcal/kg | carbonio | idrogeno | ceneri | |
| 5.000 | Legno anidro | 50 | 6 | 0,35 |
| 5.500 | Torba anidra | 62 | ||
| 10.500 | Gasolio | 86 |
Composizione chimica del legno anidro cioè senza acqua
Problemi nella combustione da cloro e zolfo
I pellet prodotti con biomasse agricole residuali non legnose contengono elevate concentrazioni di cloro, zolfo e ceneri dette bassofondenti, a basso punto di fusione, quindi potenzialmente dannose per le griglie e le parti mobili della camera di combustione, si cerca di ovviare al problema con alcuni additivi.
Gli additivi della combustione industriale
Il pellet viene additivato con la calce, ossido di calcio OCa, o con ossido di magnesio OMg. Questi ossidi neutralizzano i gas acidi del cloro e dello zolfo, alzano il punto di fusione delle ceneri e si previene la corrosione nella caldaia.
Nella combustione industriale il carbone va triturato finemente e poi additivato con ossido di calcio cioè la calce, per cui lo zolfo reagisce formando gesso innocuo. Invece le biomasse hanno un basso tenore di zolfo, per cui si può usare del diossido di silicio cioè sabbia.
Un additivo che rende più efficiente e più pulita la combustione industriale è l’ossido di titanio e ferro FeTiO3 o ilmenite: vedi Chalmers University.
Le ceneri della combustione della legna
Esistono due tipologie di ceneri: ceneri pesanti che restano sopra e sotto la griglia della camera di combustione che rappresentano il 95% delle ceneri e le ceneri leggere che rappresentano solo il 5%, sono quelle che tendono a fuggire coi fumi e che più spesso sono intrappolate nei filtri di abbattimento dei fumi.
Nel 95% di ceneri leggere il contenuto di metalli pesanti è basso, mentre nel 5% di ceneri pesanti che si ritrovano nei filtri la concentrazione di metalli pesanti è almeno il triplo.
Dopo la combustione completa del Legno anidro, restano 0,35% di ceneri, la gran parte sono carbonati calcio e allumosilicati.
