PROCESSO DI COMBUSTIONE DELLA LEGNA

Fase 1 - Essiccazione
Per poter iniziare l’essiccazione della legna bisogna creare in camera di combustione le condizioni necessarie affinché possa iniziare il ciclo di asciugatura. Questo tipo di trasformazione termodinamica è di tipo adiabatica cioè caratterizzata dall’assenza di scambio di calore: Q=0.
Ciò significa che questa fase avviene senza che venga scambiato calore con l’ambiente esterno, che nel nostro caso è la caldaia, e dura fino a quando non è evaporata tutta, per questo è importante riservare alla stagionatura della legna la giusta rilevanza e cercare di avere a disposizione legna da ardere con umidità inferiore al 20%.
Con lo stazionamento a temperature inferiori ai 100°C inizia l’evaporazione dell’acqua contenuta nella legna e questa fase prosegue e termina al raggiungimento dei 200÷/220°C.
E noto che questo processo per evolversi ha bisogno di un apporto d’energia e questa viene autoalimentata dalla combustione della stessa legna in asciugatura. Una parte dell’energia sviluppata serve per far evaporare l’acqua ed una parte per far progredire la combustione che a sua volta permetterà l’asciugatura della legna stessa, e così via facendo.
Se ne deduce che la stagionatura della legna da ardere incide pesantemente su questa fase, più è stagionata, meno energia viene assorbita per l’asciugatura lasciandone molta di più a disposizione per velocizzare il processo e permettere il passaggio alla fase successiva, quella della pirolisi e/o gassificazione.
Da studi eseguiti sembra che il livello d’equilibrio tra umidità della legna e processo di combustione lo si possa fissare intorno al valore massimo del 60% di contenuto idrico, limite oltre il quale l’energia necessaria a far evaporare l’acqua contenuta nella legna non sia più sufficiente a sostenere la combustione, cioè non si riesca più a mantenere la temperatura minima necessaria affinché il processo possa continuare, in poche parole si giunge allo spegnimento.

Fase 2 - Pirolisi
In questa seconda fase tra i 200÷270 °C il legno inizia a subire una degradazione termica che porta alla formazione di grandi quantità di sostanze aeriformi, e termina a circa 500°C. Alla fine il 75÷85% dell’intera massa si è trasformata in composti volatili altamente infiammabili. I primi componenti del legno che subiscono la trasformazione sono i polisaccaridi (emicellulose e cellulosa) e poi la lignina. E’ utile sapere che mediamente il legno è composto da:
15÷25% di lignina
23÷32% di emicellulose
38÷50% di cellulosa
A circa 400°C termina il processo di gassificazione delle emicellulose e della cellulosa e a 500°C anche la lignina ha terminato il passaggio dallo stato solido allo stato gassoso.

Fase 3 - Gassificazione e combustione
La terza ed ultima fase è la combustione, l’ossidazione dei prodotti inizia tra i 500÷600°C e termina oltre i 1000°C con la liberazione di calore. Alla temperatura intermedia di 800÷900°C anche il carbone solido e il catrame bruciano entrando a far parte della combustione..

Qualità della combustione

Per una ottimale combustione bisogna far sì che la combustione della legna sia completa e che le emissioni inquinanti siano ridotte al minimo, più semplicemente che venga soddisfatta la regola empirica delle Tre T, cioè: Tempo, Temperatura e Turbolenza.
Tempo di residenza: è importante avere un lungo tempo di permanenza a cavallo del vano di carico e la camera di combustione, per favorire la massima gassificazione, un lungo periodo di permanenza in camera di combustione per dare tempo di incendiare tutti i gas volatili liberatisi dalla pirolisi e un lungo percorso negli scambiatori al fine di avere il tempo di poter scambiare al massimo il calore con le pareti di scambio termico. Un buon indicatore di questa regola è il valore del rendimento certificato con metodo diretto (allo scarico dei fumi, non al focolare) e la temperatura dei fumi di scarico (più sono bassi maggiore è il calore che hanno ceduto agli scambiatori).
Temperatura
La temperatura massima che si deve raggiungere in combustione deve essere tale da poter incendiare tutti i composti aeriformi, completandone la loro ossidazione, e tutte le altre fasi dei componenti solidi.
Turbolenza
Al fine di avere una combustione ottimale è importante favorire la mescolanza dell’ossigeno con i gas generati dalla pirolisi e giungere alla più completa ossidazione dei composti volatili. La combustione completa dei combustibili solidi qual è la legna naturalmente esiste solo in teoria perché è difficile, se non impossibile, il raggiungimento del perfetto grado di mescolanza in un lasso di tempo relativamente breve qual è il ciclo di combustione.
Per questo è di basilare importanza che l’aria comburente primaria, secondaria, terziaria ed eventualmente quaternaria venga apportata in modo sufficiente nelle varie zone e nelle varie fasi della combustione, al limite in leggero eccesso piuttosto che in difetto.
L’apporto di poca aria comburente dà luogo a una combustione incompleta e con la produzione di incombusti che fanno aumentare il contenuto di CO e di polveri nei fumi di scarico.

E’ interessante notare che sopra ai 900°C quasi tutti i composti inquinanti vengono bruciati e da questo si capisce perché una buona combustione deve essere: continua senza fasi alterne, completa che bruci tutta la carica contenuta nella caldaia e alla massima potenza della caldaia senza “modulazione”, perché solo così è possibile avere ridotte emissione inquinati. Questo spiega ampiamente perché è assolutamente consigliato abbinare un accumulatore e di rispettare il rapporto potenza caldaia/volume accumulo indicato dal fabbricante, volume che varia notevolmente in base alla qualità della caldaia. A parità di volume del vano di carico più una caldaia ha un alto rendimento, maggiore deve essere il volume di stoccaggio.