biomasse per lacombustione direttain caldaie
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biomasse per lacombustione direttain caldaie
T ECNICA MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE di Marco Bentini e Matteo Zucchelli FEEDING FURNACES: BIOMASS HARVEST EQUIPMENT by Marco Bentini and Matteo Zucchelli iomass for direct combustion in boiler furnaces can come from herbaceous crops or the products of short rotation forestry. In the northern Italian plains, the annual or perennial crops originate from the sub-tropical belt, for example, fibre sorghum (Sorghum bicolor), miscanthus grass (Miscanthus giganteus), kenaf (Ibiscus cannabinus), hemp (Cannabis sativa) and switchgrass (Panicum virgatum). Identified more recently as another potential biomass crop is Arundo donax, the giant reed, hitherto considered a simple weed in the zone. Studies are currently under way to define which varieties and agronomic techniques will give the highest productivity from the chosen species. Compared to annuals, the perennials offer a number of advantages. They can guarantee raw material for the biomass industry over a period of years, and they also provide a longer amortisation period for the energy and economic costs of tilling the land, fertilising it and planting. The main characteristics required of crops for biomass must in fact include high production capacity, low production cost, low humidity when harvested, high calorie potential, low emission of pollutants during burning and a low ash content. The main trees used for biomass are poplars, willow, robinia and eucalyptus, and the principal cropping technique is short rotation forestry (SRF), on an annual or two-yearly cycle. In experimental B 32 – MMW n. 1/2008 BIOMASSE PER LACOMBUSTIONE DIRETTAIN CALDAIE a produzione di biomassa per l’alimentazione diretta delle caldaie può essere eseguita utilizzando sia colture erbacee sia colture arboree a breve rotazione (Short Rotation Forestry). Le colture erbacee annuali e perenni introdotte per gli ambienti di pianura del Nord Italia sono quelle della fascia subtropicale, come il sorgo da fibra (Sorghum bicolor), il miscanto (Miscanthus giganteus), il kenaf (Ibiscus cannabinus), la canapa (Cannabis sativa) ed il panico (Panicum virgatum). Si è poi individuata come coltura di possibile utilizzazione anche l’Arundo donax o canna comune, che fino a poco tempo fa nelle nostre zone era considerata esclusivamente un’infestante. Attualmente sono in via di studio e definizione le varietà e le tecniche agronomiche atte ad esaltare la capacità produttiva delle specie individuate. Le specie perenni rispetto alle annuali presentano van- L La filiera per la combustione diretta è quella che attualmente pone i maggiori problemi. Se in futuro ci sarà un aumento delle superfici coltivate la meccanizzazione dovrà orientarsi su macchine specializzate soprattutto per quanto riguarda le operazioni di taglio e sfibratura del prodotto Harvesting biomass for direct combustion in boilers remains one of the trickiest areas in biomass production and use. Further research is needed to create specialised equipment when biomass gets mechanised taggi quali la possibilità di garantire all’industria la disponibilità di materia prima per più anni e di ammortizzare su un periodo più lungo la spesa energetica ed economica delle lavorazioni del terreno, della concimazione e dell’impianto. Le caratteristiche qualitative principali che devono essere possedute dalle specie destinate alla produzione di biomassa sono: alta capacità produttiva; basso costo di produzione; basso contenuto di umidità al momento della raccolta; alto potere calorifico; qua- lità del materiale (basso contenuto di ceneri, di silice, di cloro ecc.); ridotte emissioni di inquinanti. Le colture arboree energetiche principalmente utilizzate sono il pioppo, il salice, la robinia e l’eucalipto. La principale tecnica di coltivazione utilizzata con queste specie è la Short Rotation Forestry (SRF) annuale o biennale che a livello sperimentale ha dimostrato di produrre nell’arco di breve tempo quantitativi elevati di biomassa. Nella meccanizzazione della filiera per la produzione di MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE In apertura e a lato: coltivazione di canapa. Sotto: falcia-trincia-caricatrice per la raccolta del sorgo da fibra/Openings and beside: hemp cultivation. Below: mower cum chopper and loader for fibre sorghum biomassa, di colture erbacee o arboree da utilizzare direttamente come combustibile per l’alimentazione delle caldaie, i maggiori problemi si sono riscontrati nella fase di raccolta. Nella raccolta delle colture erbacee le due linee principali sono la trinciatura del prodotto tal quale (umidità che varia dal 50% al 70% a seconda se la raccolta viene fatta in periodo invernale o estivo) e l’imballatura del prodotto essiccato in campo (umidità inferiore al 30%). Nel primo caso il prodotto può essere conservato tramite insilamento mentre nel secondo caso il prodotto secco imballato può essere stoccato e conservato tal quale. Se valutiamo i vantaggi e gli svantaggi di queste due tipologie di raccolta possiamo osservare che nella linea di trinciatura si utilizzano falcia-trincia-caricatrici che possono montare anche una testata universale. Abbiamo però un prodotto con una bassa massa volumica (60 kg/m3 sulla sostanza secca), dovuta all’alta percentuale di umidità (60%), che porta ad un costo elevato di trasporto. Si può supporre che l’operazione sia anti-economica per distanze superiori ai 25 km e che perciò i campi di produzione debbano essere nei pressi dello stabilimento di trasformazione. L’insilamento del prodotto porta poi ad occupare con i sili a platea ampie superfici coltivabili. Il prodotto trinciato inoltre deve essere utilizzato in caldaia in miscela con altri prodotti (es. paglia) che presentino una bassa umidità, in modo da ottenere una miscela con una percentuale d’acqua non superiore al 40% che è il limite del buon rendimento delle attuali caldaie. Questa linea di raccolta ha il vantaggio che si può intervenire in qualunque momento dell’anno, sia in estate sia in inverno, non essendo legati all’essiccamento in campo del prodotto. Nella linea di imballatura i maggiori problemi sono riscontrabili alla raccolta, che projects, this approach has been shown to produce high quantities of biomass within a short period of time. When designing equipment for herbaceous biomass or from trees for direct combustion, the main problems arise in harvesting in which the main choice is between two main approaches: chopping when humidity can vary from 50% to 70% according to whether it is summer or winter; and on-field baling of the dried crop with less than 30% of humidity. Chopped material can be preserved in silos, while bales can be warehoused in the normal way. The two approaches have different advantages and disadvantages. Choppers combine a mower with the chopping device and a loader and may also use a universal cutting head. Yet the final product has a low volume mass (60 kg/m3) thanks to the high humidity (60%), which means high transport costs. It is reasonable to think that the operation ceases to be economically viable at distances of over 25 km, so cropping areas have to be near processing plant. Silos will also occupy extensive areas that could otherwise be cultivated. Chopped biomass must also be used in a mixture with other material such as straw. This should have low humidity so that the percentage is no higher than 40%, the limit for a good yield from boilers of the current design. The advantage of this approach is that harvesting is possible in summer or winter since it requires no onfield drying of the crop. The main issues in the second approach concern harvesting techniques – cutting, windrowing, baling – of plants which in many dedicated crop cycles may grow as high as 2-4 meters with a diameter of more than 2 cm. In these cases, it is impossible, as some would like to suggest, to use traditional forage mowers and mower-conditioners. One limitation on the approach is onfield drying which reduces the harvesting season. In northern Italy, this cannot be prolonged beyond mid-September and, where large areas are under cultivation, should be started after the first ten days of August, a time of year when many biomass crops are, however, still not fully developed. Winter harvesting with the crop left in the ground to dry offers a partial solution of the problems, but keeps the crop MMW n. 1/2008 – 33 MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE Falcia-condizionatrice per la sfibratura del sorgo da fibra/ Mower-conditioner for cutting and softening fibre sorghum area under cultivation for long periods and, in the case of sorghum for fibre, often results in the plants turning to manure. Turning and windrowing may also dirty the crop with soil. The advantages of the approach lie after the harvest, in transport, storage and low humidity, so that the crop can be fed directly into the furnace. The volume mass of the bales and their shape are also appropriate for transport over large distances. As regards bale form, whether round or rectangular, giant rectangular bales have greater volume mass and they are better suited to transport and storage since a truck and trailer can hold 20-35% more crop. But the bales cannot be left in the field for long because they get impregnated with rain. Round bales can be left out in the open for a couple of months, which reduces the logistical problems. deve avvenire in più fasi (taglio della pianta, ranghinatura del prodotto, imballatura) su piante, in molte colture dedicate, di dimensioni elevate (dai 2 ai 4 metri di altezza con fusti di diametro anche superiore ai 2 cm). In questi casi non si possono utilizzare, come alcuni ipotizzano, le classiche falciatrici e falcia-condizionatrici da foraggio. L’elemento limitante di questa linea di raccolta è l’essiccamento in campo che riduce il periodo utile di intervento e sconsiglia di proBaling fibre sorghum trarlo, nel Nord Italia, oltre il Sorghum for fibre can be har- 15 di settembre. Con elevate vested with a combine harvester superfici da raccogliere l’ocorn husking head for the cutting perazione dovrebbe iniziare and a flail mower-conditioner subsequently. The husker whose rollers are fitted with blades crush the stems, inflicting deep discontinuous cuts across them. The mower completes the job by cutting the stalks left standing, and the conditioner conditions all the harvested material. An alternative to the mower-conditioner is a stalk crusher working with its rear casing open, although this results in more energetic treatment of the stems and in greater loss of the crop, some of which is missed by the baler’s pickup. In good weather, drying may be complete in two to three days in northern Italy if harvesting is in August or the first ten days of September. A rake must be used on the harvest at least once during drying. The bales can be giant rectangles or round. Work rates depend on the equipment and, in any case, baling excluded, come out at over a 34 – MMW n. 1/2008 dopo la prima decade di agosto, un periodo in cui però molte colture da biomassa non si sono completamente sviluppate. La raccolta invernale con essiccamento della coltura in piedi risolve in parte i problemi della raccolta ma impegna i campi per un lungo periodo di tempo e spesso porta, come nel caso del sorgo da fibra, all’allettamento delle piante. Le fasi di rivoltamento e andanatura del prodotto aumentano poi il pericolo di inquinamento del prodotto dalla terra. I vantaggi di questa linea Trinciastocchi per la sfibratura del sorgo da fibra/Stem chopper for fibre sorghum fibres d’intervento sono da ricercare nelle fasi successive alla raccolta e cioè nel trasporto, nello stoccaggio del prodotto e nel basso livello di umidità del prodotto che può essere utilizzato direttamente per l’alimentazione delle caldaie. La massa volumica delle balle e la loro forma permette il trasporto anche su distanze rilevanti. Per quanto riguarda la forma (cilindrica o parallelepipeda), le balle parallelepipede giganti hanno una maggiore massa volumica e la loro forma si presta meglio al trasporto e allo stoccaggio, su un autotreno può essere caricato dal 20 al 35% in più di prodotto, ma non possono essere lasciate in campo a lungo perché durante le piogge si impregnano di acqua. Le rotoballe invece possono venire conservate, anche per qualche mese, all’aperto ponendo minori problemi alla logistica dell’operazione. MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE Rotoimballatrice in lavoro sul sorgo da fibra/ Fibre sorghum round baler at work Linea di imballatura del sorgo da fibra (Sorghum bicolor) Per quanto riguarda la raccolta del sorgo da fibra, si può utilizzare per il taglio una testata spannocchiatrice da mietitrebbia ed in successione una falcia-condizionatrice a flagelli. La testata spannocchiatrice, con rulli emungitori dotati di lame, esegue lo schiacciamento del fusto recando profonde fessurazioni trasversali discontinue. La falcia-condizionatrice completa il lavoro tagliando gli stocchi che sporgono dal terreno ed esegue il condizionamento di tutto il prodotto. In alternativa alla falcia-condizionatrice si può utilizzare un trinciastocchi fatto lavorare con il carter posteriore aperto che però ha un’azione più energica sui fusti e induce maggiori perdite per prodotto non raccolto dal pick-up dell’imballatrice. L’essiccamento può completarsi in 2 o 3 giorni di tempo sereno, se la raccolta viene eseguita in agosto o nella prima decade di settembre. Nella fase di essiccazione è necessario almeno un intervento con il ranghinatore. L’imballatura hectare an hour. Currently, the main problems are harvest losses of over 10% and dirtying of the crop with soil. Various tests of the proposed harvesting method have been carried out by Bologna University’s agrarian engineering department as part of projects funded by Emilia Romagna’s regional government and coordinated by the CRPC, the Vegetable Production Research Centre. Baling kenaf and hemp Tests carried out as part of research into harvesting fibre and cellulose crops under the aegis of MMW n. 1/2008 – 35 MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE Rotoballa di panico Switchgrass bale the Italian ministry for agriculture have shown that problems arise above all because the fibres tend to get wrapped round rotating parts of the equipment and may also cause greater combustion problems than other crops, which with equal biomass produced, it is thus wiser to consider. But the two plants can be harvested in winter or summer. Winter harvesting has advantages but also disadvantages compared to the summer. The advantages are: flexibility in when harvesting is possible since there is an ample period when the crop will not deteriorate; rapid harvesting, since the crop is at an ideal 25-30% humidity for storing, no conditioning is needed, and the harvest phases can follow one after the other without any interval; less mass to be treated since the crop has already been dried; less crop loss; lower harvesting costs because there is less crop to be handled and no conditioning is needed. The disadvantages include the longer period the crop is required to remain in the field, up until March-April and the need for quick harvesting since the crop will only enjoy lower humidity if it is brought in during the hotter part of the day. Baling giant reed Giant reed is a perennial which grows back after each harvest. Nobili from Molinella near Bologna has made a special stem chopper to harvest the plant, front-mounted on a tractor and including the functions of a windrower. No other type of machine can be used because the crop quickly covers spaces between the rows. The plant’s single rhizome quickly spreads to form a deeply rooted mat, invading an exten- 36 – MMW n. 1/2008 del prodotto può essere eseguita formando sia balle parallelepipede giganti sia rotoballe. Le capacità operative delle fasi del cantiere variano a seconda delle macchine impiegate, e comunque si attestano, a parte l’imballatura, su valori superiori all’ettaro all’ora. Al momento attuale i problemi che devono essere ancora risolti sono quelli delle perdite che superano il 10% e quelli dell’inquinamento del prodotto dalla terra. Diverse prove con questa linea di rac- colta sono state svolte dal Deiagra dell’Università di Bologna nell’ambito di progetti finalizzati della regione Emilia-Romagna e coordinati dal Crpv (Centro Ricerche produzioni vegetali) Linea di imballatura del kenaf ( Ibiscus cannabinus) e della cana pa (Cannabis sativa) Prove effettuate nell’ambito di ricerche sulla raccolta di colture da fibra e cellulosa (Citeca del Cnr, Prisca del Mipaf, Tisen del Mipaf, ecc.) hanno evidenziato una maggiore difficoltà ad eseguire questa operazione a causa soprattutto dell’avvolgimento delle fibre sugli organi in rotazione. A parità di biomassa prodotta sarebbe meglio orientarsi verso altre tipi di colture anche perché, sempre a causa delle fibre, vi sono maggiori problemi di combustione in caldaia. Queste piante possono essere raccolte sia in estate sia in inverno. La raccolta invernale comporta alcuni vantaggi ed alcuni fattori limitanti rispetto a quella estiva. Per quanto riguarda i vantaggi possiamo elencare: flessibilità nel periodo di raccolta cioè possibilità di eseguire l’operazione in un periodo utile ampio, senza che il prodotto si degradi; rapidità nell’esecuzione della raccolta (il prodotto si trova nelle condizioni ideali per la conservazione – 25Prototipo di trinciastocchi per il taglio e andanatura dell’arundo/Prototype stem chopper for cutting and windrowing giant reed MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE 30% di umidità – perciò le fasi d’intervento sono sequenziali senza intervalli, inoltre non è necessaria la fase di condizionamento); minore quantità di massa trattata, essendo il prodotto già essiccato; minori perdite di prodotto, minori costi di raccolta, sia perché si lavora su una minore quantità di prodotto sia perché non si condiziona. Gli aspetti negativi sono legati alla maggiore permanenza in campo della coltura, fino a marzo-aprile, e la necessità di interventi tempestivi dovendo raccogliere nelle ore più calde della giornata per avere minore umidità della pianta. Linea di imballatura della canna comune (Arundo donax) L’arundo è una pianta perenne che dopo ogni raccolta ricaccia e si sviluppa nuovamente. Per la raccolta dell’arundo è stato costruito, dalla ditta Nobili di Molinella (BO), un apposito trinciastocchi montato anteriormente al trattore e capace di mettere già in andana il prodotto sfibrato. Non si sono potute utilizzare altre tipologie di macchine perché lo sviluppo della coltura porta ad una rapida occupazione delle interfile. Infatti la pianta da un unico rizoma emette diversi culmi che negli anni successivi tendono ad allargarsi e ad invadere l’intera superficie. Per evitare un eccessivo sminuzzamento del prodotto, siccome non si poteva lavorare con il carter mobile aperto perché la macchina era montata anteriormente, si è dovuto riprogettarla aumentando la distanza fra il carter fisso ed i flagelli.Anteriormente è stato poi predisposto un elemento abbattitore-convogliatore, necessario per inclinare la pianta nella direzione d’avanzamento in modo da facilitarne l’ingresso verso l’apparato (le piante avevano alla raccolta un’altezza superiore ai tre metri). In sive surface area. With the machine in question, the mobile casing could not be kept open while at work because it was front-mounted, so it had to be redesigned to increase the distance between the flails and the fixed casing, thus avoiding excessive chopping of the plants. A device to beat down and channel the crop was introduced at the front, bending the plants forward so they enter the machine more easily, even though the plants being harvested were over three meters high. The prototype registered a low work rate of 0.4 hectares an hour, primarily because its working width was only 2 meters. The crop already in rows was baled by a chain round baler a day after harvesting. This type of machine was chosen because the points at which the stem broke produced cutting surfaces capable of damaging the rubber MMW n. 1/2008 – 37 MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE Rotoimballatrice in lavoro sull’arundo Round baler at work on giant reed lavoro il prototipo ha fatto registrare una bassa capacità operativa (0,4 ha/h) doBaling switchgrass vuta soprattutto alla limitata There are no particular problems in larghezza di lavoro (2 m). belts of the more common round balers. harvesting switchgrass for biomass since the crop is relatively low, with small, hollow stems that are easy to dry and bale. Tests over a number of years by Bologna University have shown that switchgrass can be harvested with traditional forage mower and conditioners, rotary rakes and round or giant rectangular balers. The same machines have also been tested on hilly, steep land. punti di frattura del fusto generavano superfici taglienti capaci di intaccare le cinghie di gomma delle più comuni rotoimballatrici. Raccolta di colture forestali Falcia-condizionatrice per lo sfalcio del panico/Mower-conditioner for switchgrass mowing Harvesting forest crops Short rotation forestry is used on plantations for an annual or twoyearly cycle. Machines to cut and chip the trunks over a number of rows have been available for years. The biggest problems under Italian conditions are how to store the chips and transport costs. The current trend is to drop annual cultivation cycles because the crop produces too much bark and to extend the cycle to two years or more. In this case, the choice should fall on forestry, rather than modified farm equipment. Self-propelled, large-capacity equipment for extensive plantations on flat areas of land is already available. Conclusions Biomass crops for direct combustion currently pose the major problems for the harvest and later handling. If the crop is chopped, it is difficult to store, and the high humidity may make burning problematic, but if the crop is baled with a humidity right for storage, the harvest is only possible in the summer, at least in northern Italy, but many biomass plants have at that time not yet achieved maturity. Modified 38 – MMW n. 1/2008 Il prodotto già in andana è stato imballato dopo un giorno di permanenza in campo con una rotoimballatrice a catene. Questa tipologia di macchina è stata scelta perché i Imballatrice in lavoro sul panico Switchgrass baler at work fusti esili e cavi all’interno e perciò facilmente essiccabili ed imballabili. Prove pluriennali eseguite dal Dista dell’Università di Bologna hanno messo in evidenza che questa coltura può essere raccolta con le tradizionali macchine da fienagione falcia-condizionatrici, ranghinatori rotativi e imballatrici sia per balle parallepipede giganti sia per rotoballe. Queste macchine sono state fatte lavorare anche in zone collinari con terreni declivi. Linea di imballatura del panico ( Panicum virgatum) Il panico da biomassa non pone particolari problemi alla raccolta essendo una pianta relativamente bassa, con Le colture forestali a breve rotazione SRF possono essere a ciclo annuale e biennale. Per la raccolta sono in commercio già da anni macchine che lavorano su più file che eseguono il taglio e la cippatura dei fusti. I maggiori problemi nel nostro clima sono legati alla conservazione del cippato e ai costi di trasporto. La tendenza attuale è quella di abbandonare il ciclo annuale, perché nel prodotto vi è un’eccessiva presenza di corteccia,ed allungarlo anche oltre i due anni. In questo caso la scelta si dovrebbe orientare verso macchine forestali e non su macchine agricole modificate. Per il ciclo biennale sono state studiate e già in commercio macchine semoventi a grande capacità MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE Coltivazione di pioppi Poplar trees cultivation operativa orientate verso coltivazioni estese di pianura. Conclusioni La filiera per la combustione diretta è quella che attualmente pone i maggiori problemi. Infatti se il prodotto viene trinciato è difficile da conservare e l’alto grado di umidità pone problemi di combustione, invece se il prodotto viene imballato, all’umidità di conservazione, può essere raccolto solo in estate quando molte piante da biomassa dedicate non hanno ancora raggiunto la maturità fisiologica. In questa filiera si possono utilizzare raccoglitrici dedicate alla raccolta di altre colture con opportuni adattamenti (ag- giunta di spartitori,abbattitori, convogliatori ecc.). Le superfici coltivate attualmente sono ancora limitate ed il contenimento dei costi di raccolta può essere perseguito cercando di utilizzare i cantieri già presenti sul mercato. Se in futuro ci sarà un aumento delle superfici coltivate la meccanizzazione dovrà orientarsi su macchine specializzate soprattutto per quanto riguarda l’operazione di taglio e sfibratura del prodotto. La sperimentazione deve perciò proseguire con la collaborazione di enti di ricerca, agricoltori, aziende agro-meccaniche, costruttori di macchine ed industrie di trasformazione. Marco Bentini Matteo Zucchelli harvesters designed for other crops can often be used, with the addition of devices to separate rows, beat down the plants, channel the stems into the machine and so on. Only limited areas have so far been cultivated with biomass crops in Italy, and costs can still be contained by making use of what is already on the market. If the cultivated areas increases in the future, specialised equipment will be needed, especially to cut the crops and soften the fibres. Further testing is thus needed in cooperation with research bodies, farmers, agricultural equipment manufacturers and the crop processing industry. Marco Bentini Matteo Zucchelli MMW n. 1/2008 – 39
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