PREPARAZIONE DEL COMBUSTIBILE Nella fase di miscelamento tra aria e combustibile i processi di atomizzazione ed evaporazione dei getti liquidi sono

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1 PREPARAZIONE DEL COMBUSTIBILE Nella fase di miscelamento tra aria e combustibile i processi di atomizzazione ed evaporazione dei getti liquidi sono di fondamentale importanza. La qualità dello spray influenza infatti i limiti di stabilità, la efficienza di combustione ed i livelli di emissioni inquinanti. Gli atomizzatori si distinguono in: Atomizzatore a pressione con swirl (Pressure-Swirl Atomizer). Un comune metodo per ottenere l atomizzazione del getto di combustibile è quello di iniettare a pressione attraverso piccoli fori del polverizzatore opportunamente sagomato. Per ridurre al minimo la lunghezza del combustore, l angolo di apertura dello spray si aggira intorno ai 90. Si necessita allora di un moto di swirl per favorire la frammentazione del getto in tempi brevi. Nelle TG aeronautiche ad alta quota (combustione meno efficiente) con bassi flussi, il combustibile non atomizza in modo soddisfacente, specialmente se i fori sono grandi. Una soluzione può essere quella del doppio foro (dual-orifice atomizer) che prevede 2 fori concentrici. Il più interno è piuttosto piccolo (getto pilota) mentre quello esterno (getto principale) ha una superficie maggiore. A bassi flussi opera solo il getto pilota e l atomizzazione risulta efficiente, quando il flusso di combustibile aumenta con la pressione di iniezione, si apre anche il foro esterno. Il vantaggio di tale metodo è la sua affidabilità e capacità di sostenere la combustione anche con miscele molto povere. Airblast Atomizer. Il combustibile è iniettato a pressioni contenute in una zona dove il flusso d aria è ad alta velocità in modo da favorire l atomizzazione. La distribuzione del combustibile è regolata dal flusso di aria. Il principale vantaggio è quello di avere una combustione con basse emissioni inquinanti di soot e fumo. Di contro lo svantaggio è alla partenza quando la velocità del flusso di aria è più bassa e l atomizzazione è così penalizzata. Per evitare tale inconveniente si combina l airblast con un pressure-swirl con getto pilota. Air-Assist Atomizer. E un pressure-swirl in cui l aria ad alta velocità è usata per favorire l atomizzazione. In linea di principio lavora come un 21

2 airblast con la sola differenza che il funzionamento si basa sull uso intermittente dell aria e non continuo come l airblast. Combustore premix-prevaporize. Il combustibile è iniettato in forma atomizzata in un flusso di aria ad alta velocità e fluisce poi nella zona di combustione. In questo modo le emissioni di NO decrescono perché le temperatura di fiamma sono più basse. Lo svantaggio di tale sistema può consistere nell avere una evaporazione del combustibile non completa nella zona di premix oppure il rischio di autoaccensione nei canali di premix. 22

3 Figura 0.1-Disegni di atomizzatori (a )simplex, (b) Duplex, (c) con doppio orifizio; (d) Airblast; (e) premixprevaporize. Figura 0.2-Simplex 23

4 Figura 0.3-Duple Figura 0.4-Airblast 24

5 Figura 0.5-Evoluzione dello spray all'aumentare della pressione di iniezione 25

6 METODI PER RIDURRE LA FORMAZIONE DI EMISSIONI DA TG I fattori principali che controllano le emissioni inquinanti da turbine a gas sono di seguito riassunte: - temperatura della zona primaria; - rapporto di equivalenza; - tempo di residenza nella zona primaria; - caratteristiche di raffreddamento del liner; - il ruolo della zona intermedia. In Figura 0.6 viene riportato l effetto contrastante della temperatura nella zona primaria sulla formazione di CO e NOx: alle alte temperature si ha una alta formazione di NOx ma una bassa formazione di CO e viceversa, pertanto le emissioni risultano limitate slo in un ristretto range di funzionamento. Figura 0.6-Influenza della temperatura della zona primaria sulle emissini di CO e NOx 26

7 Figura 0.7- Effetto della variazione di carico I metodi per ridurre le emissioni di CO e HC si basano essenzialmente sul miglioramento dell atomizzazione dello spray di combustibile e sul favorire l evaporazione rapida dello stesso (ciò può avvenire con l uso di atomizzatori di tipo airblast); sulla ridistribuzione del flusso di aria per mantenere il rapporto di equivalenza (Figura 0.8) prossimo a quello ottimale (0.7); aumentare il volume della zona primaria e allungare i tempi di residenza in questa zona; ridurre l aria di raffreddamento perché si possano completare le reazioni di ossidazione senza che i prodotti parziali congelino; distribuzione dell iniezione in stadi. Figura 0.8-Effetto del rapporto di equivalenza sui CO 27

8 I metodi per ridurre le emissioni di NO si basano essenzialmente sulla riduzione della temperatura di reazione e sull eliminazione di punti caldi (hot spots) nella zona di reazione; infatti gli NO hanno una concentrazione elevata nelle regioni ricche ad alta temperatura (mentre si ha bassa formazione per T<1850K). La zona primaria, infatti, che presenta le massime temperature è anche responsabile della presenza di NOx, così Figura 0.9-Dipendenza degli NO dalla temperatura come mostrato in figura 0.29 dove si riporta la distribuzione di temperatura e degli NOx in una sezione di un combustore anulare aeroderivativo alimentato con gas naturale. Figura 0.10-Influenza della pressione e del rapporto aria/combustibile sugli NO Un metodo per ridurre gli NO consiste nella riduzione dei tempi di residenza nella zona primaria; in Figura 0.12 si vede che essi aumentano al crescere dei tempi di residenza e che nelle condizioni di funzionamento tipiche degli attuali combustori, gli NOx aumentano linearmente con il tempo di residenza ma non arrivano al loro valore di equilibrio. Per miscele povere (ϕ<0.5), la formazione di NOx diventa indipendente dal tempo di residenza. 28

9 Un altra causa di formazione di NOx è la presenza di combustibile non ben atomizzato. Figura 0.12-Formazione degli NO con il tempo di residenza I metodi per sviluppare combustori a Figura Esempio di produzione di NO nella zona basso tenore di NOx si basano su primaria modifiche al disegno convenzionale della camera, alla geometria del liner, alla distribuzione del flusso di aria, a sistemi più sofisticati di iniezione e tecniche nuove di raffreddamento delle pareti. Tra le tecniche abbiamo l iniezione di acqua ed il ricircolo dei gas di scarico, in grado di diluire la miscela aria/combustibile abbassando le temperature di fiamma, soluzione applicabile anche a combustori preesistenti ed utilizzabile anche con combustibile liquido. Dalla Figura 0.13 si vede l effetto benefico dell iniezione sulla formazione di NO. 29

10 Figura 0.13-Effetto dell'iniezione L acqua si dimostra essere il diluente più efficace, riducendo drasticamente le temperature di picco e quindi gli NO, provocando di contro un aumento di CO. Inoltre, l iniezione di acqua presenta degli svantaggi in termini di consumi e in alcune località anche problemi di approvvigionamento. Inoltre, l acqua deve essere demineralizzata, processo costoso e comunque la vita media del combustore tende a diminuire a causa di sporcamento delle pareti. Meno drastico è l abbattimento di NO con l iniezione di vapore, sebbene l aumento di CO sia minore e siano ridotti sono anche i problemi legati all invecchiamento del combustore. Infine, per superare i problemi di iniezione di acqua e vapore, la diluizione si può ottenere anche con azoto o aria 1 e si parla di combustori DLN (Dry Low NOx, Figura 0.14). In generale, utilizzare aria come diluente per il combustibile già nella zona primaria significa effettuare una combustione premiscelata con eccessi d aria. L impiego di fiamme premiscelate presenta i seguenti problemi: Difficoltà nel realizzare un miscelamento perfetto tra aria e combustibile (specialmente con combustibili liquidi); Difficoltà nell evitare che la combustione avvenga prima della camera (flashback); Difficoltà nell avere una combustione stabile (priva di pulsazioni); Difficoltà nel mantenere le condizioni desiderate a tutti i carichi. 1 In questo caso si parla di diluizione a secco per distinguerla dalla diluizione a umido in cui si ha consumo di acqua. 30

11 Figura 0.14-Combustore DLN (Dry-Low-NOx) a fiamma premiscelata impiegato su TG industriali della GE: Schema e modalità di funzionamento ai vari carich.i 31

12 STATO DELL ARTE DELLE CAMERE DI COMBUSTIONE COMBUSTORI DI MODERNA CONCEZIONE DLE Per poter ridurre sia la formazione di CO e HC che di NO x (la cui formazione è dovuta a fattori spesso opposti) è necessario trovare un compromesso e quindi operare nella zona primaria in un range di temperature che vanno dai 1600 ai 1730 K circa, ossia laddove tutte le emissioni gassose sono al disotto dei limiti ammessi (Figura 0.6). I principali tipi di combustori di moderna concezione DLE (Dry-Low-Emission) realizzati a tale scopo sono: 1. Combustori a Geometria variabile; 2. Combustori con combustione a stadi (staged combustion); 3. Combustori LPP (Lean Premixed Prevaporized); 4. Combustori catalitici; 1. Combustori a Geometria variabile. La soluzione della geometria variabile comporta una netta riduzione delle emissioni con una conseguente complicazione meccanica del motore. Nel caso in cui sia totalmente variabile, una grande quantità di aria è introdotta nel combustore in condizioni di massima potenza per minimizzare la quantità di NOx e particolato carbonioso e provvedere ad un adeguato raffreddamento. 32

13 Al ridursi della potenza del motore una parte di questa aria viene inviata alla zona di diluizione (Figura 0.1) per mantenere la temperatura della zona primaria entro i limiti per ridurre le emissioni, diminuendo anche il flusso di combustibile. I combustori a geometria variabile dovrebbero almeno teoricamente essere utilizzati insieme ai sistemi di iniezione premixed prevaporized in modo da evitare i massimi di temperatura che tipicamente favoriscono la formazione di NO,nonché i valori minimi che invece permettono la formazione degli CO. 2. Combustione a stadi. Con questa tecnica il processo di Figura 0.1- Combustore a geometria variabile combustione avviene in più stadi, in modo che invece di iniettare il combustibile in una unica zona, lo si inietti in vari punti della camera dove realizzare zone ad alta temperatura. Naturalmente anche l ingresso dell aria dovrà essere suddiviso in varie parti perché si possano ridurre le emissioni inquinanti. Il tipico approccio si basa sul realizzare una zona primaria con iniezione di combustibile ben miscelato per ottenere le giuste temperature al minimo di funzionamento (fiamma Main di tipo premiscelata) ed agire come sorgente di calore pilota alle altre zone del combustore per gli altri carichi (fiamma Pilot diffusiva). La variazione percentuale della portata pilota è del 5-15% ed è funzione del carico: m PILOT o m o TOT = 5 15% = F( CARICO) (0.1) 33

14 Si prevede che ci sia una o più zone di combustione, ognuna con una sua alimentazione di aria e combustibile autonoma. I tipi di immissione possibili sono: Circonferenziale: gli ugelli sono su una circonferenza. E adatta per combustori tuboanulari e anulari, ma l effetto di raffreddamento dell aria circostante penalizza le emissioni. Radiale: due gruppi di iniettori sono posti al centro e in posizione periferica. Ai bassi regimi, vengono attivati solo quelli in posizione periferica (Figura 0.2-b). Assiale: la zona primaria è progettata per i bassi regimi, mentre l iniezione si verifica a valle della zona primaria (ancora in fase di studio) (Figura 0.2-a). Figura 0.2- Combustore "Staged Combustion" a 2 stadi: (a) assiale; (b) radiale. In questa maniera si ottiene una ottima distribuzione del combustibile, mentre nella geometria variabile è migliore la distribuzione dell aria in ingresso, ma in entrambe lo scopo ultimo è quello di 34

15 regolare le temperature di combustione per rientrare con i valori di emissione nei limiti ammessi in tutte le condizioni di funzionamento(figura 0.3). Figura 0.3-Differenza tra la combustine a singolo stadio e a tre stadi In Figura 0.4 la premiscelazione è ottenuta mediante tre schiere di iniettori/premiscelatori (per 75 moduli complessivi) disposti su tre corone concentriche,che costituiscono i tre stadi paralleli. Il funzionamento è sempre in modalità premiscelata, la regolazione avviene mediante alimentazione selettiva dei vari moduli. Figura 0.4-Schema di combustore " Staged Combustion" 35

16 3. Combustori LPP (Lean Premixed Prevaporized). Il principio di funzionamento di questicombustori con premiscelamento e prevaporizzazione del combustibile (Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.) è quello di realizzare una completa evaporazione del combustibile e un completo mescolamento con l aria prima che inizi la combustione. In tal modo nella zona primaria si lavora con rapporti combustibile/aria bassi e temperature di reazione piuttosto contenute eliminando picchi di temperatura nella zona di Figura 0.5- Schema di un combustore Lean-Premixed. combustione con drastica diminuzione di NOx. Il sistema LPP perché sia realmente efficiente si dovrebbe usare congiuntamente alla geometria variabile, come detto sopra, poiché operando da solo ai bassi carichi potrebbe trovarsi in condizioni troppo magre tali da provocare lo spegnimento. Spesso si necessita di una accensione pilota che faciliti l inizio combustione e sostenga la fiamma in condizioni di funzionamento difficili. Figura 0.6-Combustore LPP 36

17 1. Combustori catalitici. Il processo di catalisi permette l ossidazione del combustibile a temperature ben più basse di quelle ai limiti in infiammabilità del combustibile. Per tal motivo, l uso del catalizzatore (Figura 0.7) nelle turbine a gas permette una combustione stabile con picchi di temperatura di circa 1000 K più bassi rispetto a quelle che abbiamo abitualmente, riducendo drasticamente gli NOx. Di solito il combustibile è iniettato a monte del reattore per evaporare e mescolasi con l aria e poi la miscela entrerà nel reattore catalitico dove ci sarà l ossidazione. Un problema che può sorgere con il combustore catalitico è l auto-accensione del combustibile a monte del catalizzatore nelle zone più ricche vicino all iniettore, e perciò è di fondamentale importanza che il miscelamento ariacombustibile avvenga in tempi estremamente ridotti. Figura 0.7-Schema di combustore catalitico 37