Sicurezza nell uso dell idrogeno come combustibile: interazione con superfici metalliche

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1 Stazione Sperimentale per i Combustibili Sicurezza nell uso dell idrogeno come combustibile: interazione con superfici metalliche C. Morreale, S. Marengo, G. Migliavacca, A. Maggioni IX Convention nazionale ARG 1

2 combustione e cella a combustibile IX Convention nazionale ARG 2

3 IX Convention nazionale ARG 3

4 Finalità progetto* attualmente in corso presso la Stazione Sperimentale per i Combustibili *Ricerca realizzata con il contributo del Ministero del Lavoro e della Previdenza Sociale, Progetto N Valutare i principali aspetti di sicurezza legati alla produzione e impiego dell idrogeno per uso energetico; Effettuare misure della reattività dell idrogeno in presenza di materiali metallici ad alta temperatura Valutare i fattori chimico-fisici che sono alla base della elevata infiammabilità dell idrogeno.

5 Studio statistico sui luoghi in cui sono avvenuti gli incidenti (dal 1937 al 2008) laboratorio 17% 4% 4% 8% veicoli 6% industria stoccaggio 61% altro sconosciuto IX Convention nazionale ARG 5

6 cause dei rilasci di idrogeno sconosciuto 3% 3% 14% 41% corrosione-rottura parti meccaniche errore umano 10% reazione chimica 29% embrittlement malfunzionamentoequipaggiamento inadeguato IX Convention nazionale ARG 6

7 Sorgenti di accensione sconosciuto 7% 15% 5% 1% 2% 70% fiamme-saldatura elettricità staticascintille superfici caldecatalitiche evento naturale autoignizione IX Convention nazionale ARG 7

8 misure di concentrazione N 2 aria H 2 Micro-GC IX Convention nazionale ARG 8

9 confronto tra acciaio AISI 316 e reattore in zaffiro conversione% conversione % a 400 C zaffiro 11,5 AISI 316 9,8 Velocità del flusso di gas 20 ml/min. Concentrazione iniziale di idrogeno 3% T ( C) AISI 316 zaffiro conversione 2% zaffiro 266 C AISI C AISI 316 (Fe/Cr18/Ni10/Mo3) IX Convention nazionale ARG 9

10 conversione% confronto tra acciaio AISI 316 e acciaio al carbonio T ( C) conversione 2% AISI 316 AISI 316 (Fe/Cr18/Ni10/Mo3) Acciaio al carbonio (Fe/C0.12/Mn0.6) conversione % a 400 C AISI 316 9,8 acciaio al carbonio 35,6 acciaio al carbonio Velocità del flusso di gas 20 ml/min. Concentrazione iniziale di idrogeno 3% acciaio al carbonio 204 C AISI C IX Convention nazionale ARG 10

11 confronto acciaio al carbonio-acciaio al carbonio ossidato conversione% conversione % a 400 C acciaio al carbonio ossidato 58,9 acciaio al carbonio 35, T ( C) acciaio al carbonio acciaio al carbonio ossidato Acciaio al carbonio (Fe/C0.12/Mn0.6) Velocità del flusso di gas 20 ml/min. Concentrazione iniziale di idrogeno 3% conversione 2% acciaio al carbonio 204 C acciaio al carbonio 193 C ossidato Acciaio al carbonio ossidato (Fe/C0.12/Mn0.6) ossidato in sol dil H 2 SO 4 IX Convention nazionale ARG 11

12 Confronto fra tre velocità di flusso materiale: acciaio al carbonio ossidato concentrazione iniziale di idrogeno 3% conversione% conversione % a 400 C 100 ml/min 23,9 50 ml/min 39,3 20 ml/min 58, T ( C) 20 ml/min 100ml/min 50 ml/min IX Convention nazionale ARG 12

13 misure di temperatura lamina Termocamera IR IX Convention nazionale ARG 13

14 Lamina di acciaio al carbonio ossidata concentrazione H 2 5.7% (velocità flusso 100 ml/min) Apertura 693 C chiusura apertura 795 C T( C) ora 20 C/s IX Convention nazionale ARG 14

15 Lamina di acciaio al carbonio ossidata concentrazione H 2 6.5% (velocità flusso 100 ml/min) 850 Apertura 662 C Apertura 674 C Apertura 704 C chiusura chiusura chiusura Apertura 745 C T( C) C/s ora IX Convention nazionale ARG 15

16 Lamina di acciaio inox concentrazione H 2 8% (velocità flusso 50 ml/min) 788 Apertura 784 C chiusura Apertura 785 C chiusura ora IX Convention nazionale ARG 16 T ( C)

17 Rilascio di idrogeno da ugello temperature di accensione 1 l/min 700 C 1,5 l/min 685 C 2 l/mn 675 C IX Convention nazionale ARG 17

18 Conclusioni Superfici in acciaio inox non favoriscono l innesco della reazione tra idrogeno e ossigeno L invecchiamento di alcuni metalli facilita la reazione ossidativa Comuni materiali metallici (acciai al carbonio) possono promuovere l ossidazione dell idrogeno a temperature molto inferiori a quelle di autoaccensione riportate in letteratura. Questa elevata reattività può portare a inaspettate accensioni delle miscele di idrogeno/aria IX Convention nazionale ARG 18

19 Grazie per l attenzione IX Convention nazionale ARG 19

20 Micro-GC della Varian a due canali Colonne: colonna PPU 10m per matrici di idrocarburi gassosi colonna MSA 10m per la misurazione della concentrazione di idrogeno e ossigeno con precolonna in cui dopo 6 secondi è invertito il flusso dell eluente detector TCD con limite inferiore di rivelabilità di 1 ppm IX Convention nazionale ARG 20

21 Termografia infrarossa Thermovision SC4000 HS MW caratteristiche tecniche: DETECTOR 320X256 insb, banda spettrale 1,5-5mm Sensibilità 18 mk Frequenza immagini da 420 Hz a 48kHz filtro BBP per misure da 10 a 350 C filtro BP per temperature da 200 a 1500 C 4 extender rings IX Convention nazionale ARG 21

22 IX Convention nazionale ARG 22

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