COMBUSTIONE, CALDAIE E PRODUZIONE DEL VAPORE

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1 COMBUSTIONE, CALDAIE E PRODUZIONE DEL VAPORE

2 La combustione è una reazione chimica di ossidazione, fra un combustibile ed un comburente in genere l ossigeno), con sviluppo di energia termica ovvero è una reazione esotermica). Da questa reazione si generano nuovi componenti, i prodotti della combustione. La conoscenza del fenomeno della combustione ha un enorme importanza sia in termini di risparmio energetico che ecologico, per l inquinamento atmosferico prodotto dai fumi.

3 Gli elementi chimici contenuti nei combustibili fossili che reagendo con l ossigeno danno luogo a reazioni esotermiche sono, principalmente, il carbonio, l idrogeno e lo zolfo: C + O2 = CO MJ/kg di C) 4H + O2 = 2H2O MJ/kg di H2) S+O2 = SO MJ/kg di S) Durante il processo di combustione la massa di ciascun elemento rimane invariata per cui può essere eseguito un bilancio di massa che nel caso della reazione di ossidazione del carbonio fornisce: 12 kg di C + 32 kg di O = 44 kg di CO2

4 C + O2 = CO2 12 kg di C + 32 kg di O = 44 kg di CO2 Quindi, 1 kg di carbonio puro per una combustione stechiometricamente completa richiede 32/12=2.667 kg di ossigeno. Essendo poi l aria costituita da circa il 23,2 % in massa da ossigeno per la combustione di 1 kg di carbonio è necessario, teoricamente, 2.667/0.232=11.56 kg di aria. Procedendo in modo analogo si trova che per la combustione di 1 kg di idrogeno puro sono necessari kg di aria, mentre per 1 kg di zolfo puro sono necessari 4.31 kg di aria.

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6 %+,%&508&//&>0270--&)0,'8%)0/-&50.&20%:0/-.6&8;%2.%&-02.'%&//&1&,+ A causa del non perfetto mescolamento dei reagenti, l aria teorica non è sufficiente a portare a termine completamente la reazione di combustione: è pertanto necessario aggiungere un eccesso d aria. Si ottiene così il valore della cosiddetta aria pratica:./0& ')>80-%)0/-0& 8%& 20%3./0& 5.& ')*+,-./0C& 1& >02-%/-& /0'0,,,,&5;%2.%?&P.&--.0/0&',W&.8&=%820&5088%&',.550--%&!"#!$)"!%#!* ) " = /" # ) " # - n= eccesso di aria 4 n dipende dal tipo di costruzione del bruciatore e dalla natura fisica del combustibile. In genere: - n=10% in eccesso per combustibili gassosi - n=15-25% per combustibili liquidi - n=25-40% per combustibili solidi a grossa pezzatura. L eccesso d aria per combustibili solidi si può ridurre al 15-20% per solidi finemente suddivisi

7 IL POTERE CALORIFICO DEI COMBUSTIBILI D E F : L A Q U A N T I TA M A S S I M A D I C A L O R E SVILUPPATA DALLA COMPLETA COMBUSTIONE DI 1 Nm 3 DI COMBUSTIBILE SE E GASSOSO) O DI 1 kg DI COMBUSTIBILE SE LIQUIDO O SOLIDO) SI DEFINISCONO DUE POTERI CALORIFICI SUPERIORE P.C.s. INFERIORE P.C.i. La differenza sta nello stato fisico in cui si considera l acqua

8 ESEMPIO: COMBUSTIONE DEL METANO P.C.i = 8480 kcal/nm 3 P.C.s = 9510 kcal/nm 3 SE H2O DI REAZIONE E CONSIDERATA ALLO STATO LIQUIDO, AL CALORE DI COMBUSTIONE DEVE ESSERE AGGIUNTO IL CALORE LATENTE DI CONDENSAZIONE DELL ACQUA

9 TABELLA DEI POTERI CALORIFICI DEI PRINCIPALI COMBUSTIBILI

10 La temperatura teorica di combustione è la temperatura raggiunta dai prodotti della combustione quando questa è completa ed avviene adiabaticamente. La temperatura di combustione dipende dal potere calorifico e dall aria pratica. Occorre stabilire a priori il tipo di combustibile, il tipo di comburente aria oppure ossigeno) e l eccesso di aria. Esempio: TEMPERATURA TEORICA DI COMBUSTIONE Ipotesi: comburente O2 puro e stechiometrico Ipotesi: comburente aria stechiometrica Ipotesi: comburente aria con eccesso del 20%

11 Definita la stechiometria della reazione, si procede per tentativi: 1) si ipotizza una T 2) si calcolano le Entalpie dei prodotti a quella T 3) si sommano le Entalpie: il risultato deve essere numericamente uguale al P.C.i. IL CALCOLO DELLE ENTALPIE DEI PRODOTTI PUNTO 2) SI EFFETTUA CON LA TABELLA SEGUENTE

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13 COMBUSTIBILI I combustibili commerciali si distinguono in genere in solidi, liquidi e gassosi. Tranne poche eccezioni, i combustibili hanno una composizione chimica prefissata: la loro composizione e quindi anche il loro potere calorifico) varia a seconda del processo produttivo o della zona di estrazione. Tra i combustibili solidi si annoverano la legna, i carboni lignite, antracite, litantrace, coke), e quelli non convenzionali: rifiuti solidi urbani RSU), sanse, vinacce, destinati ad usi industriali. I combustibili liquidi sono in genere miscele di idrocarburi: le benzine, il gasolio, il kerosene, gli oli combustibili, che contengono frazioni via via più pesanti dei prodotti liquidi ottenuti dalla distillazione o dalla lavorazione del petrolio. I combustibili liquidi si distinguono a seconda del tenore di zolfo in ATZ alto tenore di zolfo, < 3 %) BTZ basso tenore di zolfo < 1 %), STZ senza tenore di zolfo < 0.3 %, ammesso per usi civili). N.B. Nessun combustibile liquido è costituito da un unico componente: tuttavia in prima approssimazione si può considerare la benzina come costituita unicamente da ottano C8H18) e il gasolio come costituito da dodecano C12H26). I combustibili liquidi sono caratterizzati dalla curva di distillazione, che indica per ogni temperatura la frazione che è convertita in vapore. Ad esempio la benzina inizia a vaporizzare a C ed è completamente convertita in vapore a 200 C, mentre il gasolio distilla indicativamente tra i 200 ed i 350 C.

14 I combustibili gassosi annoverano i GPL o gas di petrolio liquefatti miscele di propano e butano ed altri prodotti leggeri di distillazione del petrolio, che sottoposti a moderate pressioni circa 10 bar passano allo stato liquido e sono contenuti in bombole), il gas di città miscela di idrogeno, metano e monossido di carbonio prodotto dalla distillazione o dalla gassificazione del carbone) il gas naturale quasi integralmente metano, che ha sostituito il gas di città). Altri gas come l acetilene ed il gas d altoforno monossido di carbonio) hanno impieghi unicamente industriali. La tabella seguente riporta le caratteristiche più salienti dei principali combustibili. Il costo per unità di energia prodotta è quasi invariante, tranne per i combustibili soggetti a prelievo fiscale. Dato che l anidride carbonica è il maggiore responsabile dell effetto serra, per alcuni combustibili viene anche riportato il valore della CO2 generata per unità di energia prodotta.

15 N+., 'G&, -O+)0*/0*&, '+/=)0'+, M, 0-, A+FF0/&, /&%B)%+=0-&, *&--O&22&.., %&//+7, B&/, +-'C)0 'A=C%.0=0-0,D0&)&,+)'G&,/0B/.+.,0-,D+-/&,*&--+,PQ +*,&'-! " # $!.# $ /*#012+!8 9 2:*,1!"#$%&'$)* RSFTA 9 344*,&",* U RVWTSFU RSF + TSF ' U RVWTSFU 56!7 RSFTVWU K&F)+,%&''+ X??#$??!$#"? X@$#Y@Z 9@!?@?[Y K0F)0.& "?@X K0.+)./+'& "Y 3)./+'0.& 9?@X PS&!??? 9?@"!?@! "@[[?@!?9 \>]6^;!?? $ "@Z "@[Y?@!?9 <&)10)+ Z9?#ZY?!_@Z "@[[ _?? `+%-0 $!X#$XX _9@9!_@Z "@[X "X??@?Z9 Q-0,*&)% [X? _!@!!9@$ "@[$?@?ZZ `+%,*0,'0..J?@XY?@Y! 9?!? 9@?? `ak "@"X _Y!X@X "@[Z _???@?YX `+%,)+.C/+-&?@$9 _Z@Z!Z@9 "@ZY XY??@?XY <C.+) "@Z _X@Z!X@_ "@[Z 9YX 3'&.0-&)&!@!Z _$@!!9@9 9@Y! 9?X =>?%@.:.+-.%A5.3.%B2*"/. /3$*))32;b,a/0)'0B+-0,'+/+..&/0%.0'G&,*&0,'A=C%.0=0-0,'AA&/'0+-0@

16 LE CALDAIE E LA PRODUZIONE DEL VAPORE

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22 CALDAIA CORNOVAGLIA

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28 CALDAIE TIPO CORNOVAGLIA

29 CALDAIA TIPO CORNOVAGLIA

30 CALDAIA BABCOCK-WILCOX

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