Principi di combustione - Fondamenti

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1 Principi di combustione - Fondamenti Versione: Last update: 15 Maggio 2008 Realizzato da: G. Manfrida A. Andreini Testi di Riferimento I. Glassmann; Combustion S. Kuo: Combustion and flames Culp: Energy Conversion Pag. 1

2 Definizione di combustione Da un punto di visto chimico-fisico la combustione è una reazione di ossidazione fortemente esotermica. La reazione è accompagnata da emissione luminosa nel campo del visibile (fiamme) Il combustibile è costituita da sostanze contenenti principalmente C e H (idrocarburi) mentre la specie ossidante è in pratica sempre O 2 (aria). La reazione si sviluppa in ogni caso in fase gassosa. la miscela di gas può essere considerata una miscela di gas perfetti Nei processi reali, la combustione si realizza con tempi caratteristici dell ordine dei ms. Velocità di propagazione della fiamma dell ordine dei m/s (inferiore alla velocità del suono) E possibile classificare i processi di combustione in base alle caratteristiche del campo di moto nel quale si sviluppano Combustione laminare Combustione turbolenta Pag. 2

3 Combustibili La maggior parte dei combustibili tecnici sono di origine fossile, e derivano dalla decomposizione di sostanze organiche (carboidrati, a base C-O-H), che con il tempo tendono a perdere naturalmente il contenuto in acqua ed ossigeno per dare origine ai combustibili fossili. Esistono anche combustibili derivanti da processi industriali (es. Gas d altoforno, RDF o CDR per Combustibile Derivato dai Rifiuti) è molto importante conoscere la composizione del combustibile soprattutto il tenore di sostanze contaminanti dall elevato impatto ambientale (zolfo, composti azotati, metalli pesanti) E possibile classificare i combustibili in base a numerosi criteri campi di applicazione destinazione di utilizzo (TAG, caldaie etc.) potere calorifico impiego terrestre o aeronautico, civile o industriale stato di aggregazione combustibili liquidi, solidi e gassosi Pag. 3

4 Combustibili gassosi Trovano largo impiego sia in ambito civile che industriale semplicità nell ottenere una combustione stabile e ad alta efficienza facilità di trasporto e pulizia negli apparati di combustione bassi tenori di contaminanti. Ridotto impatto ambientale Classificazione combustibili gassosi naturali il più noto è il gas naturale, costituito prevalentemente di metano è largamente usato anche il GPL (Gas di Petrolio Liquefatto) ottenuto dalla distillazione del petrolio e dalla purificazione del gas naturale; è costituito prevalentemente da propano e butano Idrogeno combustibili gassosi artificiali sono ottenuti dai processi gassificazione di combustibili liquidi o solidi (olii combustibili, carbone) o come sottoprodotto di altre lavorazioni (gas di coke o d altoforno); hanno come componenti principali H 2 e CO Pag. 4

5 Caratteristiche combustibili gassosi Pag. 5

6 Combustibili liquidi Costituiscono la quota più rilevante fra i combustibili di interesse tecnico Sono ottenuti prevalentemente dalla lavorazione del petrolio greggio garantiscono generalmente combustioni estremamente efficienti facilità di stoccaggio e trasporto scelta obbligata nell ambito dei mezzi di trasporto le caratteristiche di pulizia e l impatto ambientale sono fortemente dipendenti dal tipo di combustibile Parametri di classificazione: densità, distillazione, punto di infiammabilità e viscosità Benzine Kerosene Gasolio Oli combustibili Pag. 6

7 Caratteristiche combustibili liquidi Pag. 7

8 Combustibili solidi Nel panorama mondiale il combustibile solido più usato in ambito industriale e civile è il carbone estrema difficoltà nell ottenere una combustione ad alta efficienza e ridotto impatto ambientale ulteriore complicazione dovuta alla formazione di residui solidi (ceneri) basso costo e larghissima disponibilità La classificazione dei carboni può essere effettuata seguendo numerosi criteri (composizione chimica, origine petrografica, potere calorifico, umidità etc.) Combustibili solidi sono anche le biomasse di origine vegetale, i residui petroliferi ( Petcoke ), sabbie e scisti bituminosi, e i combustibili derivanti dalla quota non riciclabile del Rifiuto Solido Urbano (RSU) Pag. 8

9 Caratteristiche combustibili solidi Pag. 9

10 Combustibili - Densità La densità dei combustibili si esprime comunemente in kg/m 3. La misura é diretta nel caso di combustibili liquidi. Nel caso di un gas con composizione nota si ricorre alla legge dei gas perfetti misurando pressione e temperatura: ρ = p/(rt) Per i solidi é necessario distinguere la densità individuale della fase solida ( Lump density ) da quella complessiva ( Bulk density ) del campione ρ L = (massa del solido)/(volume occupato dalla fase solida) ρ B = (massa del solido)/(volume occupato dal campione) Le due diverse definizioni sono dovute alla presenza di spazi vuoti negli interstizi tra le particelle, la cui entità dipende chiaramente dalla distribuzione granulometrica della fase solida. Un metodo pratico per ricavare ρ L é costituito dalla pesata in successione del campione solido in aria ed in acqua. Dalla differenza di peso é possibile ricavare il volume degli spazi interstiziali. Pag. 10

11 Combustibili Potere Calorifico -Definizioni Il potere calorifico (Heating Value) HV dei combustibili rappresenta l energia chimica connessa all unità di massa di combustibile e si esprime in J/kg. La definizione termodinamica corretta é data dal calore che occorre asportare dai prodotti della combustione completa dell unità di massa di combustibile per riportarli nelle condizioni iniziali dei reagenti (p, T per sistemi aperti; V, T per sistemi chiusi). In base a tale definizione operano i calorimetri, che sono gli strumenti di laboratorio utilizzati per la determinazione sperimentale del potere calorifico. Nel caso di gas o di miscele di gas é naturale riferire il potere calorifico all unità di volume; più propriamente si dovrebbe parlare di Energy Density, espressa in MJ/m 3. Pag. 11

12 Densità e LHV di alcuni combustibili sintetici e naturali Pag. 12

13 Termochimica di base Elementi Frazione in massa y k, frazione molare x k (W massa molecolare) della generica specie k: y k W = = 1 mk m = ρk ρ K k = 1 y k W k x k = kg kmol ( n ) k Equazione di stato (gas perfetto) per la singola specie e Legge di Dalton: Σn k = p k p = y k W W Massa molecolare della miscela k p k = ρk RT W k p K = k = 1 p k Equazione di stato (gas perfetti) per la miscela di gas: Pag. 13 ρrt p = R = W J K kmol

14 Richiami di termodinamica Energia interna ed entalpia: u = u( T ) h( T ) = u( T ) + p ρ = u( T ) + u(t) e h(t) si ricavano, per i gas perfetti, tramite i calori specifici: c p = h T p Pertanto le espressioni generalizzate per entalpia e energia interna per unità di massa sono: h 0 c v = u T v RT T T ( T ) = c dt p ( T ) = c dt kj v u 0 kg Pag. 14

15 Elementi di Termochimica - 1 Il calore (entalpia) standard di formazione di una sostanza, H of, è definito come il calore che si sviluppa quando una mole di sostanza si forma dai suoi elementi, nei rispettivi stati standard: P 0 = Pa e T 0 = K. Per convenzione gli elementi hanno calore standard di formazione pari a zero. I calori di reazione/formazione negativi indicano reazioni che avvengono con rilascio di energia (esotermiche), in base alla convenzione sul segno delle variabili energetiche comune nella chimica (quantità uscenti negative). C + O 2 CO MJ/kmol Il potere calorifico corrispondente é ricavabile dividendo il calore di reazione per il peso molecolare del combustibile, nel caso di esempio: HV C = - (-394)/12 = 32,83 MJ/kg C Richiamando la definizione di entalpia della generica specie k, per una generica T: h Entalpia fisica k ( T ) T = c 298 p k dt + h 0 k (298) Entalpia di formazione o chimica Entalpia della miscela h( T ) K = k = 1 y k h k ( T ) sommatoria dei contributi di ogni specie k dove y k è la loro frazione in massa e K è il numero totale di specie Pag. 15

16 Elementi di Termochimica - 2 Una reazione chimica generica può scriversi nella forma: ν A + ν B ν C + ν D a b Il Calore di Reazione corrisponde alla variazione di entalpia tra i prodotti C e D ed i reagenti A e B: c d H 0 = ν H c 0 f ( C) + ν H d 0 f ( D) ν H a 0 f ( A) ν H b 0 f ( B) In cui si adotta segno per i reagenti (entranti nel sistema) e + per i prodotti (uscenti dal sistema). La legge di Hess afferma che il calore scambiato a volume o pressione costante in una data reazione chimica è lo stesso se la reazione avviene in uno o più stadi. Ciò significa che il calore scambiato in una reazione dipende solo dagli stati iniziale e finale e quindi le equazioni termochimiche possono essere sommate o sottratte tra loro come equazioni algebriche. Con la formula esemplificata, conoscendo i calori di formazione (tabelle JANAF) é quindi possibile calcolare i calori di reazione. Pag. 16

17 Termochimica - Esempio applicativo della legge di Hess La determinazione del calore standard di formazione del monossido di carbonio risulta più complessa di quella dell'anidride carbonica, poiché durante la combustione del carbonio in ossigeno od aria si ha la formazione di una miscela molto più ricca di anidride carbonica CO2 che di monossido di carbonio CO. Risulta invece più semplice fare riferimento al seguente processo ipotetico: C( s) + O2 CO2 394 MJ / kmol CO + O2 2 2 CO 284 MJ / kmol Sottraendo i prodotti e i reagenti delle due equazioni, con semplici operazioni risulta: C( s) + O2 CO 110 MJ / kmol 2 che rappresenta la reazione di formazione del CO, praticamente impossibile da realizzarsi sperimentalmente in laboratorio. Pag. 17

18 Calore di reazione Potere calorifico Il calore rilasciato dalla generica reazione di combustione è pari a: h P s ( T P 0 P 0 R R ) hs ( TR ) = h (298) h (298) Variazione entalpia sensibile Calore rilasciato dalla reazione P prodotti R - reagenti Per come è stata definita,, l entalpia - somma del contributo sensibile e di formazione - si conserva in una combustione adiabatica Il termine a destra nell eq. precedente, riferito all unità di massa del combustibile, rappresenta il Potere Calorifico. Quando si considera l H 2 O nei prodotti di reazione in fase aeriforme, si parla di Potere Calorifico Inferiore (LHV]), altrimenti di Potere Calorifico Superiore (HHV). Nei combustibili tecnici, di interesse pratico, il potere calorifico viene calcolato tramite, ad esempio, la formula di Dulong Pag. 18

19 Calore di Reazione e Potere Calorifico - Esempio Combustione adiabatica del metano: CH O2 CO2 + 2H 2O Entalpia di formazione reagenti: H 0 R= = kj/kmol di CH 4 Entalpia di formazione prodotti (H 2 O vapore) H 0 P= ( ) = kj/kmol di CH 4 Il calore rilasciato dalla reazione è pertanto: H 0 = kj/kmol di CH 4 Il potere calorifico inferiore del metano è pertanto: LHV = H 0 /W CH4 =50134 kj/kg Entalpie di formazione delle principali sostanze kj/kmol O 2 gas 0 N 2 gas 0 H 2 gas 0 C sol. 0 CO 2 gas E+3 H 2 O gas E+3 H 2 O liq E+3 CH 4 gas -74.9E+3 C 3 H 8 gas E+3 Pag. 19

20 Potere Calorifico Formula di Dulong Per la stima approssimata del potere calorifico (in particolare di quello superiore) di una sostanza combustibile si può utilizzare la formula di Dulong (semplificata): HHV= C (H - O/ 8) S[kJ/kg] Tale formula è riferita alla composizione in massa del combustibile (analisi finale). Convenzionalmente nella formula di Dulong si assume che la presenza di ossigeno nel combustibile sia legata alla specie H 2 O (umidità del combustibile), per cui è necessaria una correzione sull'idrogeno in quanto una parte di questo risulta già legata all'ossigeno. I termini numerici della formula di Dulong sono approssimativamente collegati ai calori di formazione già visti, tramite il peso molecolare dell elemento reagente: = /12 (C + O 2 CO MJ/kmol) = /2, ,016/2,016*2442 (H 2 + ½ O 2 H 2 O MJ/kmol) = /32 (S + O 2 SO MJ/kmol) Pag. 20

21 Temperatura adiabatica di fiamma In assenza di scambio termico con l esterno (combustione adiabatica), l entalpia (fisica + chimica) si conserva. Il bilancio entalpico comporta: h h P s R s ( T ( T ad R 0 P 0 R R ) hs ( TR ) = h (298) h (298) ) + h 0R (298) = h P s ) + h Nota la temperatura dei reagenti, e supponendo una combustione completa, la temperatura raggiunta dai prodotti di reazione viene detta temperatura adiabatica di fiamma T ad T ad è funzione della temp. iniziale e della pressione, nonché del rapporto effettivo aria/combustibile ( T T ad non tiene conto del reale meccanismo di reazione, ed è pertanto una grandezza ideale ad 0P (298) = cost Temp. adiabatica di fiamma per alcune miscele in condizioni stechiometriche a partire dallo stato standard K CH 4 / Aria 2222 H 2 / Aria 2380 C 2 H 2 / Aria 2523 Pag. 21

22 Equilibrio chimico - Definizione Lo stato di equilibrio chimico di una reazione, implica la costanza delle quantità di reagenti e prodotti nel tempo Il sistema è in equilibrio dinamico N 2 +O 2 2NO all equilibrio vede una ugual produzione, nell unità di tempo, di N 2, O 2 in un senso e di NO nell altro Ricordando il concetto di Energia libera di Gibbs (G=h-Ts), e l enunciato del 2 principio della termodinamica, si può affermare che ogni sistema evolve spontaneamente verso la condizione di equilibrio alla quale compete il minimo valore di energia libera di Gibbs La temperatura e la composizione all equilibrio dipendono, unicamente, dalla composizione, dalla temperatura e dalla pressione iniziali La costante di equilibrio di una reazione, dipendente unicamente dalla temperatura, permette di stabilire quanto lo stato finale è spostato verso i reagenti o verso i prodotti La costante di equilibrio da sola non è sufficiente a determinare la composizione all equilibrio Pag. 22

23 Equilibrio chimico - effetti La temp. adiabatica di fiamma NON coincide con la temperatura di equilibrio La temperatura di equilibrio tiene conto dei fenomeni di dissociazione che occultano parte del calore di reazione, ed è quindi inferiore alla T ad Reazione Temperatura, K CO 2 CO+ ½O H 2 O ½H 2 +OH 2080 H 2 O H 2 +½O H 2 2H 2430 O 2 2O 2570 N 2 2N 3590 Composizione all equilibrio di una fiamma propano-aria (T ad = costante) Pag. 23 Principali reazioni di dissociazione nei processi di combustione con aria e indicazione della temperatura alla quale si ha una dissociazione dell 1% Confronto fra T ad e T di equilibrio (T ad e rapp. Equivalenza variabili)

24 Pag. 24 Stechiometria Elementi - 1 Dalle reazioni di ossidazione di C, H, S si può ricavare la massa di ossigeno necessaria per l ossidazione completa. Ad esempio, con riferimento al carbonio: 1 kmole C + 1 kmole O2 = 1 kmole CO2 in termini di unità di massa, ricordando i pesi molecolari delle singole sostanze: 12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2 Ogni kg di C richiede per la sua ossidazione completa a CO 2 32/12 = 2.67 kg di ossigeno. Pertanto, dall analisi elementare di un combustibile si può calcolare la massa minima di ossigeno comburente, aggiunto dall esterno, strettamente necessaria per la combustione completa dell unità di massa del combustibile, che si indica con M O2s e prende il nome di rapporto stechiometrico ossigeno/combustibile: M O2s = 2.67 C + 8 H + S O [kgo 2 /kg combustibile ] C, H ed S sono le frazioni in massa degli elementi di carbonio idrogeno e zolfo nel combustibile Esempio metano CH 4 C = 1x12/16 = 0.75 H=4x1/16 = 0.25 M O2s_metano = [kgo 2 /kg combustibile ] Nella formula O è la frazione in massa di ossigeno nel combustibile (combustibili

25 Stechiometria Elementi - 2 In generale nei processi di combustione non si utilizza ossigeno puro, ma aria. Il rapporto stechiometrico aria/combustibile si può ricavare da M O2s, tenendo presente che la frazione di massa dell ossigeno nell aria atmosferica secca è kg O 2 /kg a α S = M O2s /0.233 Per il metano (CH 4 ) si ha α S =17.23 Per un generico idrocarburo C x H y, in condizioni stechiometriche, la reazione di combustione completa può scriversi: C x H y + x + dove 1/3.773 è il rapporto molare O 2 /N 2 nell aria standard (in volume: 21% O 2, 78% N 2 e 1% gas nobili), per la quale risulta un peso molecolare medio di W Air =28.96 [kg/kmol] E quindi possibile valutare il rapporto stechiometrico aria combustibile anche a partire dalla seguente espressione: α y 4 S ( O N2 ) xco2 + H 2O + x N2 m mc x H y S = x + y 4 ( ) air = 773 y 2 W W y 4 C Air x H y Pag. 25

26 Stechiometria Elementi - 3 La composizione nominale della miscela reagente viene spesso espressa mediante il rapporto di equivalenza: m air φ>1 miscele ricche m CxH y S α S φ = = φ=1 miscele stechiometriche m α air φ<1 miscele magre m CxH y Per garantire la completa ossidazione del combustibile, nei comuni processi di combustione la massa di aria è quasi sempre superiore al valore stechiometrico (α>α S ) Si definisce Eccesso d aria il coefficiente adimensionale: ε = [α α s ]/ α s Tramite α e ε è possibile valutare: Massa totale dei gas di scarico per unità di combustibile (R frazione di ceneri solide) M f = α + 1 R = (1+ε) α s + 1 R [kg g / kg combustibile ] Pag. 26

27 Rendimento di combustione Come ogni processo reale, la combustione non presenta efficienza unitaria. il rendimento di combustione η b è definito come il rapporto fra la variazione di entalpia fisica (prodotti reqagenti) effettivo e quello massimo ottenibile da una combustione completa nella quale i gas lascino il sistema a T=T ad il massimo salto di entalpia fisica coincide con il potere calorifico inferiore η b = ( ) ( P R 1+ α h ( T ) h ( T )) s LHV anche in condizioni di equilibrio e di perfetta adiabaticità del sistema si ha sempre η b <1. Nei comuni campi di impiego η b 98-99% s R Pag. 27

28 Cinetica chimica 1 Nelle condizioni tipiche dei processi di combustione, non si ha a disposizione un tempo sufficiente per il raggiungimento delle condizioni di equilibrio tempo di residenza tipico di un combustore per TAG inferiore a ms Tempo tipico della combustione in un MCI 1 3 ms l equilibrio completo del sistema richiede tempi prossimi al secondo risultano lontane dall equilibrio soprattutto alcune specie chimiche inquinanti (ossidi d azoto) Una corretta valutazione dei processi di combustione richiede pertanto un analisi di tipo cinetico L analisi mediante la cinetica chimica è indispensabile nello studio dei processi di formazione delle principali sostanze inquinanti (ossidi d azoto, monossido di carbonio) L analisi cinetica dei processi di combustione richiede la definizione di opportuni meccanismi di reazione che descrivano la reattività del sistema Lo studio si basa in gran parte sulla sperimentazione che consente spesso di ricavare i parametri fondamentali per simulare poi la situazione reale. Pag. 28

29 La cinetica chimica viene studiata come un caso più generale dell equilibrio; in sostanza, la reazione generica viene studiata nei due versi, associando (nelle condizioni operative (T, p, φ, irraggiamento) opportune velocità di reazione che indicano la rapidità con la quale i reagenti si trasformano in prodotti: a)reazione diretta (Forward) Cinetica chimica 2 ν A + ν B ν C + ν D b)reazione inversa (Backward) ν C + ν D ν A + ν B a c b d c a d b L equilibrio si ha quando la velocità della reazione inversa eguaglia quella della reazione diretta (in queste condizioni, la composizione delle specie A, B, C e D non cambia nel tempo). Velocità di reazione (variazione nel tempo della conc. molare della specie A). dc dt A ω F = = α K CC A A A B F β La velocità di reazione risulta funzione della concentrazione dei reagenti, della temperatura ed in genere della pressione. Gli esponenti α e β definiscono l ordine della reazione (α + β). Il termine K FA (costante cinetica) dipende dalla temperatura. Si fa generalmente riferimento al: A fattore di frequenza Ea Modello di Arrhenius β - esponente di T RT KF = AT β f e E a energia di attivazione A Le tre grandezze sono costanti caratteristiche della reazione. L energia di attivazione E a rappresenta l energia che è necessario fornire per provocare la compenetrazione delle atmosfere elettroniche dei reagenti, con la conseguente formazione di un complesso attivato. Pag. 29

30 Cinetica chimica 3 Per un sistema chiuso contenente inizialmente un numero dato di moli di reagenti, all inizio la velocità della reazione inversa è molto bassa, perché le concentrazioni delle specie C e D (prodotti) sono ridotte; con il passare del tempo diminuisce la concentrazione dei reagenti (A e B) ed aumenta quella dei prodotti, fino a che le velocità di reazione (diretta ed inversa) diventano uguali e la concentrazione di A non cambia più: si è quindi raggiunto l equilibrio chimico. K α β TA è la costante di equilibrio per le ωf = ω 0.0 A F CC KF concentrazioni, in genere funzione di A ω A B = A B = = K A T p e T. Essa risulta dal rapporto delle γ δ A CC C D KB costanti cinetiche delle due reazioni, A Generalmente si esprime la costante in funzione delle pressionidiretta parziali. ed inversa. Applicando la legge di Dalton: Pag. 30 T νc νd ( νc+ νd νa νb) PC PD = A P = A νa νb K K P P P A B K pa = K TA solo se ν c + ν d = ν a + ν b, ovvero se il numero di moli totali non cambia tra reagenti e prodotti. In tal caso la reazione risulta insensibile alla pressione (e sensibile solo alla temperatura). Se il numero di moli dei prodotti ν c + ν d risulta inferiore a quello dei reagenti ν a +ν b la reazione risulta favorita dall aumento della pressione (la volumetria dei prodotti si riduce rispetto ai reagenti). Se il numero di moli dei prodotti ν c +ν d risulta superiore a quello dei reagenti ν a +ν b la reazione risulta sfavorita dall aumento della pressione (la volumetria dei prodotti aumenta rispetto ai reagenti).

31 Fiamme La fiamma è il processo termo-fluidodinamico in cui si sviluppa la reazione di combustione La reazione di combustione può svilupparsi solo in presenza di una miscelazione a livello molecolare dei reagenti è possibile classificare le fiamme in base alle modalità con cui aria e combustibile vengono preparati al processo di combustione ulteriore suddivisione in base al regime di moto (laminare o turbolento) Fiamme premiscelate fiamme che si sviluppano a partire da miscele omogenee aria combustibile sono realizzabili solo con combustibili gassosi o liquidi (con preventiva evaporazione) Fiamme non premiscelate (o diffusive) aria e combustibile vengono immessi nell ambiente di reazione in correnti distinte e il processo di miscelazione si realizza contestualmente all evento reattivo Fiamme parzialmente premiscelate (o ibride) la fiamma si sviluppa solo parzialmente a partire da miscele omogenee aria combustibile Pag. 31

32 Campi di applicazione Pag. 32

33 Fiamme premiscelate - 1 Fronte di fiamma idealmente è la superficie che delimita la miscela fresca dai gas combusti la velocità con cui il fronte di fiamma tende a risalire verso la miscela fresca è detta velocità di propagazione della fiamma S F il valore di S F dipende dal regime di moto ed è influenzato dalle caratteristiche termochimiche della fiamma (composizione, temperatura, pressione) Per avere una fiamma stabile occorre garantire l equilibrio fra la velocità della miscela fresca e la velocità di fiamma la realizzazione di una combustione stabile è l aspetto più critico delle fiamme premiscelate fronte di fiamma miscela fresca gas combusti V ref S F Regime laminare S F <2 m/s Regime turbolento S F =5-15 m/s Pag. 33

34 Fiamme premiscelate - 2 Esempio pratico Bruciatore ( Becco ) Bunsen Usato in numerose applicazioni; in esso si convoglia unicamente il combustibile, e l apporto del comburente avviene per trascinamento viscoso ( Entrainment dell aria esterna). Determinazione della posizione del fronte di fiamma conico Distribuzione di reagenti, prodotti e temperatura attraverso il fronte di fiamma δ L <<δ V δ V <<δ L In caso di regime turbolento il fronte di fiamma viene alterato dalla presenza di vortici Aumento della reattività Pag. 34

35 Fiamme non premiscelate (diffusive) - 1 Non si individua un fronte di fiamma distinto la reazione di combustione si realizza contestualmente al processo di miscelazione dei reagenti diversamente dalle fiamme premiscelate la reazione è interessata da un vasto range di composizioni e temperature La composizione della miscela al momento della reazione è sostanzialmente indipendente dal rapporto ariacombustibile complessivo, e dipende dalle caratteristiche fluidodinamiche della fiamma la forma della fiamma è descritta dal luogo dei punti che presentano composizione stechiometrica (φ=1) Nel caso del semplice getto laminare di combustibile in atmosfera ossidante, il fronte di fiamma assume la tipica conformazione a candela Le fiamme diffusive presentano generalmente migliori doti di stabilità rispetto alle fiamme premiscelate il parametro geometrico caratteristico è in questo caso la lunghezza della fiamma Zˆ Y F F2 = frazione di miscela Y F 1 Y Y F 2 Pag. 35

36 Fiamme non premiscelate (diffusive) - 2 Le fiamme diffusive interessano la gran parte dei dispositivi che operano con combustibili liquidi o solidi La combustione dei liquidi richiede che nel bruciatore venga realizzata l atomizzazione, ovvero la riduzione del liquido in goccioline di piccolo diametro (~µm), che devono evaporare prima della combustione. L atomizzazione può essere semplicemente per pressione, ma spesso per ottenere risultati migliori in termini di finezza e di omogeneità di distribuzione dimensionale é assistita da aria o vapore, o realizzata mediante dispositivi meccanici atomizzatori. La combustione dei solidi dipende moltissimo dalle loro caratteristiche : la pezzatura, le proprietà delle ceneri (temperatura di fusione), la modalità superficiale di combustione (con crosta solida o caking o friabile), l umidità, il contenuto di sostanze volatili (che vengono liberate per pirolisi prima dell effettiva combustione, e bruciano superiormente nel freeboard ),... Tra i dispositivi più versatili le Griglie, che possono essere di vario tipo: fisse ( Stoker ), a settori, a catena o nastro, rotanti,... Sono adatte per carboni (in particolare la lignite), ma anche per legno, rifiuti e CDR,... Per potenzialità elevate e combustione di carbone la soluzione più diffusa sono i bruciatori a polverino (finemente macinato, mesh, e trasportato dall aria primaria adeguatamente compressa, riscaldata e distribuita). Pag. 36

37 Bruciatori per combustibili liquidi - Esempi Bruciatore per liquidi a lancia con miscelazione sulla testina. Bruciatore per liquidi a coppa rotante (potenzialità medio/basse). Pressure swirl atomizer per turbogas AirBlast atomizer per turbogas Pag. 37

38 Bruciatori per combustibili solidi - Esempi Griglia L aria secondaria é immessa sopra la griglia ( Overfire ) L aria primaria é immessa da sotto la griglia ( Underfire ) Bruciatore a polverino Pag. 38

39 Dispositivi alternativi per la combustione di solidi Le principali alternative alla combustione su griglia od ai bruciatori a polverino, per i solidi, sono rappresentate da: a) Combustione in letto fluido (bollente o circolante) b) Gassificazione con letto fisso, fluido o trascinato c) Forno a tamburo rotante d) Torcia a plasma (con combustione in ossigeno) Schema di gassificatore a letto fluido bollente. Il bruciatore del tipo Cyclone furnace si presta per applicazioni di media potenzialità con necessità di scarico delle ceneri allo stato fuso (es. Carboni con ceneri a bassa Temperatura di fusione; residui industriali che necessitano di produzione di scorie fuse da vetrificare con raffreddamento per quench;...) Pag. 39

40 Emissioni inquinanti Sostanze incombuste prevalentemente CO ed UHC(Unburned HydroCarbons) comuni a tutti i dispositivi di combustione emissioni generalmente contenute nei dispositivi ad alta efficienza idrocarburi UHCresponsabili dello smog fotochimico (insieme ad Ozono) Ossidi d azoto, NOx Sono originati: per ossidazione dell azoto atmosferico ad alte temperature Per ossidazione parziale dell azoto legato all interno del combustibile (Fuel NOx) A seguito di meccanismi cinetici di ossidazione in zone a bassa reattività della fiamma (Prompt NOx) comuni a tutti i dispositivi di combustione con aria NO 2 fortemente tossico colore bruno, smog cittadino, pogge acide, smog fotochimico (Insieme ad Ozono) Ossidi di Zolfo (limitati ai combustibili solforati) Particolato solido (di forte rilievo per i combustibili solidi e liquidi) Pag. 40

41 Unità di misura e regolamentazione Normalizzazione delle emissioni E 21 O = (21 O ( E M emissione misurata R M ) E ) Unità di misura M O M tenore % di ossigeno rilevato nei gas di scarico O R tenore % di ossigeno di riferimento (esempio 15% per i turbogas) unità volumetriche ppm ppb = = kmol kmol kmol kmol e tot e tot unità di massa mg Nm µ g Nm 3 3 = = We ppm We ppb Normalmente vengono riferite alla massa di gas secchi (ottenuti detraendo il contenuto di vapore acqueo) Normativa nazionale italiana (turbine a gas) monossido di carbonio ossidi d azoto mg 100 (~90 ppm@15% O 2 ) 3 Nm vd mg (~ ppm@15% O 2 ) 3 Nm vd A livello regionale vige, di fatto, il principio della miglior tecnologia disponibile Pag. 41

42 Limiti di infiammabilità Si riferiscono ad una miscela aria-combustibile omogenea in quiete Per la maggior parte dei combustibili si hanno i seguenti valori limite: φ=0.5 weak limit (miscele magre) φ=3.0 rich limit (miscele ricche) Estrema sensibilità alla pressione Specialmente il rich limi tende ad aumentare nel range 10kPa 5 MPa Un aumento della Temperatura allarga il campo di infiammabilità anche se in misura minore della pressione Pag. 42

43 Stabilizzazione del processo di combustione Stabilità della combustione Nei sistemi energetici caratterizzati da combustione stazionaria a pressione costante (TAG e caldaie) devono essere garantite opportune condizioni fluidodinamiche per l ancoraggio e la stabilizzazione della fiamma Campi di moto interessati da vaste zone di ricircolazione aumento del tempo di residenza effettivo nella zona di reazione ricircolazione dei gas caldi sulla miscela fresca per sostenere la reazione Realizzazione Corpi non aerodinamici Swirler Porous plates α air mass flow kg/s Esempio di curva di stabilità di una TAG: in funzione di portata d aria, T e P, la curva varia con la dimensione caratteristica del combustore Disposizione iniettori in una caldaia BluffBody burner Campo di moto in un tipico combustore di TAG Pag. 43