CogenDay by ASCOMAC Cogena

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1 CogenDay by ASCOMAC Cogena IL PESO DELLE EMISSIONI KEY ENERGY - Rimini Fiera, 8 novembre

2 LA COMBUSTIONE La combustione è la rapida ossidazione di un combustibile con sviluppo di energia termica. CC C2 C CC2 H2C H C2 C H2C C CALCRE Nei motori a combustione interna l energia termica viene convertita in energia meccanica. La combustione ideale avviene con proporzioni definite di combustibile (fonte di carbonio e idrogeno) e comburente (ossigeno dell aria). Il rapporto ideale viene definito come «stechiometrico». 2

3 LA COMBUSTIONE Le principali variabili che influenzano la qualità della combustione sono: Rapporto comburente/ combustibile. Nel caso di eccesso di comburente la combustione viene definita «magra» (lean burn), nel caso opposto si parla di combustione «grassa» (l intervallo di concentrazione del comburente è in ogni caso limitato). Composizione del combustibile alimentato; Temperatura e umidità dell aria in ingresso al motore; Geometria della camera di combustione; Tipo di accensione applicata; Velocità di rotazione del motore. 3

4 IL RAPPORTO ARIA/COMBUSTIBILE Il rapporto di miscela (LAMBDA λ) tra massa d aria e massa di combustibile incide direttamente sulla qualità delle emissioni. CH4+2 O2+7,52 N2CO2+2 H2O+7,52 N2 Bilancio di massa (g) entrata uscita PM CH4 16, ,71 290,71 PM O2 31,9988 Bilancio in volume (L) PM N2 28, ,80 235,80 PM CO2 44,0103 PM H2O 18,0153 rapporto p/p CO2/CH4 2,743 λ=1 rapporto p/p aria/ch4 17,12 * λ>1 (1,46) rapporto p/p aria/ch4 25 * λ<1 (0,88) rapporto p/p aria/ch4 15 Rapporto CC2/gasolio = 3,11 g CC2/g gasolio 4

5 COSA SUCCEDE NELLA COMBUSTIONE REALE Esempio di curva caratteristica di combustione in motori alternativi senza pre-camera 5 Punto di lavoro ottimale per minori emissioni di inquinanti

6 Combustibile Formula bruta COMPOSIZIONE DEL COMBUSTIBILE ED EMISSIONI Comparazione del CCR (critical compression ratio), il minor rapporto di compressione al quale avviene l ignizione per compressione di diversi combustibili e dei vapori del lubrificante Peso molecolare Punto di ebollizione CCR 2000 rpm 212 F (100 C) Potere calorifico MJ/kg Potere calorifico MJ/m 3 Potere calorifico MJ/mole metano CH4 16,04-161,0 15, ,80 etano C2H6 30,07-88,0 9,7 47,5 64 1,43 etilene C2H4 28,05-104,0 6,5 47,1 59 1,33 propano C3H8 44,1-42,1 9 46,3 93 2,10 propene C3H6 42,08-47,7 7,85 45,8 89 2,00 butano C4H10 58,13-0,5 7,55 45, ,76 butene 1 C4H8 56,11-6,3 6,4 45, ,67 butene 2 (cis) C4H8 56,11 3,7 6,95 44, ,67 butene 2 (trans) C4H8 56,11 1,0 7 43, ,67 isobutano C4H10 58,13-12,0 8,45 45, ,67 isobutene C4H8 56,11-6,9 9,1 43, ,67 pentano C5H12 72,15 36,0 4,75 45, ,43 2 metilbutano C5H12 72,15 30,0 7, ,43 2,2 dimentilpropano C5H12 72,15 9,0 5, ,43 vapori lubrificante C30H62 422,84 > ,09 La variabilità della composizione del combustibile alimentato incide sulla qualità della combustione e quindi delle emissioni. 6

7 REGOLAZIONE DELLA COMBUSTIONE ED EMISSIONI ESEMPIO DI ANTICIPO DI ACCENSIONE PMS Se si considera: una corsa del pistone di 170 mm; un anticipo di accensione di 20 rispetto al Punto Morto Superiore (PMS); l accensione della scintilla avviene con 1,11*10-4 secondi di ritardo pari a 19 mm di distanza del pistone rispetto al PMS. L anticipo di accensione incide sulle temperature del fronte di fiamma, sui prodotti di reazione e quindi sugli inquinanti presenti nelle emissioni 7

8 INQUINANTI NELLE EMISSIONI DEI MOTORI A GAS IN IN Gas di rete Biogas da digestore Biogas da discarica CUT OUT Monossido di carbonio (CO), idrocarburi incombusti (HC), aldeidi, ossidi di azoto (NOx) Monossido di carbonio (CO), idrocarburi incombusti (HC), aldeidi, ossidi di azoto (NOx), ossidi di zolfo (SOx) Monossido di carbonio (CO), idrocarburi incombusti (HC), aldeidi, ossidi di azoto (NOx), ossidi di zolfo (SOx), polveri (SiO2), acido cloridrico (HCl) 8 Olio lubrificante

9 ESEMPIO DI QUANTITIFICAZIONE DEGLI INQUINANTI NELLE EMISSIONI DEI MOTORI A GAS ESEMPIO CON COGENERATORE DA 600 KW ELETTRICI IN Biogas di discarica con 50% di metano (CH4) Inquinante Concentrazione nel biogas in ingresso al motore Quantità giornaliera in ingresso al motore Silicio organico (Si) 10 mg/ Nm3 41 g/d Cloro (Cl) 20 mg/ Nm3 82 g/d Zolfo (come solfuro di idrogeno H2S) 200 mg/ Nm3 821 g/d OUT..? 9

10 ESEMPIO DI QUANTITIFICAZIONE DEGLI INQUINANTI NELLE EMISSIONI DEI MOTORI A GAS.. OUT Inquinante Quantità oraria nelle emissioni Quantità giornaliera nelle emissioni Silice (SiC2) 7 g/h 176 g/d Acido cloridrico (HCl) 7 g/h 169 g/d Cssidi di zolfo (SCx) 129 g/h 3087 g/d 10

11 INFLUENZA DEL LUBRIFICANTE SULLE EMISSIONI Se si considera: OLIO LUBRIFICANTE un consumo orario di olio lubrificante di 0,1 kg/h pari a 800 kg/anno; un contenuto di ceneri nell olio lubrificante dello 0,5%; nelle emissioni si ritrova un quantitativo di polveri di 12 g al giorno, che cumulate in un anno di 8000 ore di lavoro del motore, sono pari a 4 kg di polveri. Le polveri si depositano su catalizzatore riducendone l efficacia di funzionamento 11

12 METODI DI RIDUZIONE DEGLI INQUINANTI NELLE EMISSIONI Per ridurre la concentrazione di ossido di carbonio e idrocarburi incombusti presenti nelle emissioni si può favorire il completamento della reazione di ossidazione mediante: letti catalitici di ossidazione; post combustori. La rimozione degli ossidi di azoto (NCx) può essere invece effettuata attraverso la riduzione selettiva catalitica (SCR). 12

13 METODI DI RIDUZIONE DEGLI INQUINANTI NELLE EMISSIONI (CO,HC, aldeidi) LETTI CATALITICI DI OSSIDAZIONE Si utilizzano metalli nobili come platino, palladio, rodio, iridio e/o ossidi di metalli delle terre rare depositati su uno strato sottile ad ampia superficie di un materiale di supporto di natura ceramica o metallica. Grazie a tali catalizzatori può avvenire l ossidazione degli inquinanti a temperatura minore e in tempi più rapidi. 13

14 POST COMBUSTORI METODI DI RIDUZIONE DEGLI INQUINANTI NELLE EMISSIONI (CO, HC, aldeidi) Nei post combustori il metano e gli idrocarburi incombusti, la formaldeide e il monossido di carbonio vengono ossidati per formare anidride carbonica (CC2) e acqua (H2C). I gas di emissione del motore sono riscaldati a circa 800 C e successivamente reagiscono con l ossigeno, contenuto negli stessi gas. CC HC controllo temperatura e tempi di reazione POST COMBUSTIONE H2C CCC2 14

15 METODI DI RIDUZIONE DEGLI INQUINANTI NELLE EMISSIONI (NOx) RIDUZIONE SELETTIVA CATALITICA Un agente chimico riducente (ammoniaca o urea) viene aggiunto ai gas di scarico in presenza di un catalizzatore, costituito da ossidi di metalli - pentossido di vanadio (V2C5), ossido di tungsteno (WC3) supportati su ossido di titanio (TiC2). Nella reazione gli ossidi di azoto (NCx) vengono trasformati in azoto molecolare (N2) e vapore acqueo (H2C). Grazie al catalizzatore la reazione può aver luogo a minori temperature ( C) e con rendimenti maggiori (circa 80%). 15

16 METODI DI RIDUZIONE DEGLI INQUINANTI NELLE EMISSIONI (NOx) RIDUZIONE SELETTIVA CATALITICA NCx C NH3 N2 C H2C NCx C CC(NH2)2 N2 C H2C CCC2 NH3 Gas dalla combustione NCx NCx NCx NCx NCx NH3 NH3 NH3 NCx N2 H2C H2C N2 N2 Gas dopo SCR 16

17 Grazie per l attenzione KEY ENERGY - Rimini Fiera, 8 novembre