1
La sostanza combustibile può essere: Solida Liquida o Gassosa. I combustibili utilizzati negli impianti di riscaldamento sono quelli visti precedentemente cioè: Biomasse Oli Combustibili di vario tipo Gasolio GPL Metano Biogas 5 I combustibili tradizionali sono costituiti principalmente da Carbonio (C) e Idrogeno (H) e hanno le le seguenti qualità: Bruciando producono una grande quantità di calore Subiscono una combustione completa con una minima produzione di inquinanti Sono facilmente disponibili e hanno un basso costo. 6
I combustibili sono composti da carbonio ed idrogeno che vengono appunto detti elementi utili, perché con la loro ossidazione si produce il calore ricercato, sviluppando nella combustione una ridotta quantità di inquinanti. Nei combustibili possono essere presenti anche tracce di zolfo che invece è considerato negativamente perché produce una minore quantità di energia e perché nella combustione produce anidride solforosa o solforica. Per poter bruciare un combustibile occorre portarlo a contatto con una determinata quantità d aria (ossigeno) detta aria comburente 7 Il comburente è rappresentato dall ossigeno (O 2 ) presente nell aria. L aria si considera costituita dal 21% di ossigeno e 79% di azoto e altri gas che non partecipano al fenomeno La quantità d aria strettamente necessaria alla combustione è definita aria stechiometrica, il valore della quantità di aria necessaria dipende dalle caratteristiche del combustibile. La quantità d aria è tanto maggiore quanto più elevato è il potere calorifico del combustibile. 8
Nella pratica non risulta sufficiente garantire il solo afflusso dell aria strettamente necessaria alla combustione (aria stechiometrica o teorica), perché non tutte le molecole del combustibile possono venire a contatto con il comburente, occorre quindi aggiungere un quantità d aria in eccesso, per essere certi che tutto il combustibile partecipi al fenomeno. L aria in eccesso da fornire dipende dalla natura del combustibile, è minima per i combustibili gassosi che tendono naturalmente a miscelarsi con l aria, è maggiore per i combustibili liquidi che devono essere nebulizzati ed è ancora maggiore per i combustibili solidi e le biomasse. Il differenza tra la quantità d aria effettivamente utilizzata e quella necessaria (stechiometrica) e definito come Eccesso d aria e viene solitamente individuato con la lettera e. e = aria effettiva - aria teorica 9 Perché al combustione possa avere inizio è necessario che siano contemporaneamente presenti combustibile e comburente e che siano raggiunte le condizioni di accensione, cioè che sia raggiunta la temperatura di accensione. Deve esserci un innesco Antracite 450 C Legno secco 250 C Olio combustibile 330 C Metano 645 C 10
Ogni combustibile è costituito da carbonio ed idrogeno ed in alcuni casi anche da zolfo. Per COMBUSTIONE TEORICA COMPLETA si intende la combustione di questi elementi utilizzando unicamente l aria teorica. C + 1/2 O2 = CO + 111 kj/mol C + O2 = CO2 + 394 kj/mol S + O2 = SO2 + 297 kj/mol 2 H2 + O2 = 2 H20 + 242 kj/mol 1CO + 1/2 O2 = CO2 + 283 kj/mol CH4 + 2 O2 = 2 H20 + CO2 + 803 kj/mol CmHn + (m + n/4) O2 = m CO2 + n/2 H20 mole come il valore della quantità (ad esempio espressa in grammi) di particelle uguale al peso molecolare di ogni singola molecola Forza: unità di misura è il Newton: forza necessaria per imprimere ad un corpo di massa di un kg un'accelerazione di 1 metro al secondo per secondo. Lavoro-Energia : unità di misura è il Joule 1 Joule = lavoro compiuto da forza di 1 newton per produrre spostamento di un metro. Potenza: unità di misura è il Watt : è definito come lavoro/tempo; 1 Watt: 1 Joule in 1 secondo Energia 3600J = 1 W/h Potenza 11 Il valore del potere calorifico inferiore (è presente acqua sotto forma di vapore a fine combustione) per alcuni di questi idrocarburi è: propano, C 3 H 8, 2.045 kj/mol butano, C 4 H 10, 2.660 kj/mol esano, C 6 H 14, 3.889 kj/mol eptano, C 7 H 16, 4.504 kj/mol n-dodecano, C 12 H 26, 7.580 kj/mol 12
Composizione media dell aria atmosferica (aria secca a 273 K e 1013 mbar) %v/v %m/m Azoto 78,08 75,52 Ossigeno 20,95 23,15 Argon 0,93 1,28 Anidride carbonica, 0,03 0,046 Altro 0,01 0,00 13 Calcolo dell aria teorica per combustibili gassosi (monocomponenti) Per tutti i gas, in condizioni TPN, una mole occupa 22,4 litri: è possibile interpretare un equazione chimica anche come una relazione tra volumi (litri o metri cubi) di gas purchè tutti siano riferiti alle stesse condizioni di TPN. Per esempio l equazione di combustione del metano, in condizioni TPN, 1 CH 4 + 2 O 2 = 2 H 2 0 + CO 2 + 803 kj/mol può essere interpretata affermando che 22,4 litri (1 mole) di metano bruciano con 2(22,4) 44,8 litri di ossigeno e si producono 44,8 litri di acqua (vapore) e 22,4 litri di anidride carbonica. 14
Calcolo dell aria teorica per combustibili gassosi (monocomponenti) Dalle equazioni (precedenti si ricavano i seguenti volumi di ossigeno. necessari per la combustione stechiometrica: 1 m 3 di CH 4 richiede 2 m 3 di O 2 1 m 3 di H 2 richiede 0,5 m 3 di O 2 1 m 3 di CO richiede 0,5 m 3 di O 2 1 m 3 di C 3 H 8 richiede 5 m 3 di O 2 1 m 3 di C m H n richiede (m + n/4) m 3 di O 2 15 Calcolo dell aria teorica per combustibili gassosi (monocomponenti) Con riferimento all aria, ricordando che ad ogni m 3 di O 2 si accompagnano 3,76 m 3 di N 2, si può riscrivere, per esempio, la reazione di combustione del metano e si ottiene: 1 CH 4 + 2O 2 + 2 3,76 N 2 = 2 H 2 0 + CO 2 + 2 3,76 N 2 cioè 1 m 3 di CH 4 richiede 9,52 m 3 di aria. In modo analogo si ricava che: 1 m 3 di H 2 richiede 2,38 m 3 di aria. 1 m 3 di CO richiede 2,38 m 3 d aria. 1 m 3 di C 3 H 8 richiede 23,8 m 3 aria. 16
Nella pratica non è possibile utilizzare il quantitativo di aria teorico ricavato dalla stechiometria delle reazioni di combustione: si dovrà utilizzare un volume (o una massa) di aria reale, Av (o Am). che sarà sempre maggiore del valore teorico Atv (o Atm). Il rapporto n = Av/Atv si chiama indice d aria ed è pari a 1 solo per le condizioni stechiometriche (teoriche) mentre, nella pratica, n sarà sempre maggiore di 1. Nella letteratura tecnica è spesso utilizzato l eccesso d aria percentuale che è pari a: e (n -1) 100. 17 Volume dei fumi prodotti nella combustione L espressione del volume dei fumi che si producono in una combustione (completa!) è Gv = n Atv 0,21 Atv + 0,01 (CO+H 2 +N 2 +C0 2 +H 2 0)+ 0.03 CH 4 + 0.01Σ (mi + ni/2)cmihnj nella quale Gv rappresenta i metri cubi di fumi per metro cubo di combustibile gassoso bruciato. n Atv è il volume reale di aria che entra nel focolare, 0.21 Atv : è il volume di ossigeno che viene consumato nella combustione e che quindi non si ritrova nei fumi. CO, H 2, N 2, CO 2 H 2 0 sono le concentrazioni volumetriche percentuali dei vari elementi (presenti nella miscela di gas combustibile in ingresso al focolare) che non partecipano chimicamente alla combustione o hanno rapporti stechiometrci pari a 1 (per esempio. 1 m 3 di N 2 entra nel focolare ed esce senza reagire mentre 1 m 3 di CO entra nei focolare, brucia, e forma 1 m 3 di CO 2 ) CH4 è la concentrazione percentuale volumetrica di metano nel combustibile: ogni mole di metano, bruciando. produce 3 moli di prodotti. CmiHni sono le concentrazioni volumetriche percentuali degli idrocarburi gassosi presenti nel combustibile. 18
Volume dei fumi prodotti nella combustione L espressione si può semplificare, CO + H 2 + CH 4 +O 2 + N 2 + CO 2 + H 2 0 + ΣCmHn nel combustibile in ingresso è pari al 100 %; con facili passaggi si ha: Gv = n Atv + 1-0,005(CO+3H 2 ) 0 0,0025 Σ((ni -4) CmiHni) Se si desidera esprimere la portata dei fumi in massa si ha: Gm = n Atm + d combustibile Gm è espresso in kg di fumi per m 3 di combustibile. 19 Volume dei fumi prodotti nella combustione Nelle analisi dei fumi di combustione è spesso utile, o necessario, riferirsi ai fumi secchi cioè considerati senza la presenza in essi del vapore d acqua che si forma dalla combustione dell idrogeno e dei combustibili contenenti idrogeno. Dalla espressione di G è possibile ricavare la formula per il calcolo di [Gtv]fs cioè per il calcolo della portata dei fumi quando la reazione avvenga con aria stechiometrica e riferita ai fumi secchi: nella espressione di Gv, dobbiamo porre n =1 e sottrarre l acqua che si forma dai combustibili contenenti idrogeno. Con facili passaggi si ottiene: [Gtv]fs = Atv + 1-0,005 (CO + 3 H 2 0) - 0002 CH 4-0,0025 [ Σ(ni+4) CmiHni] 20
Volume dei fumi prodotti nella combustione Con evidente significato dei simboli, si ha pure che il volume dei fumi secchi effettivo (cioè non stechiometrico ma con aria in eccesso) è dato da [G]fs = [Gtv]fs + (n-1)atv GAS Fumi teorici secchi m 3 /m 3 Fumi teorici umidi m 3 /m 3 Aria teorica m 3 /m 3 CH 4, metano 8,52 10,52 9.52 C 3 H 8. propano 21,81 25,81 23,81 C 4 H10, butano 28,45 33,45 30,9 GPL. (30% Butano, 70% Propano 23,8 28,1 25, 9 H 2 1,88 3,38 2,38 21 Calcolo dell indice d aria n Con le notazioni finora adottate si può scrivere: [C0 2 ]fs stech = CO 2 /[Gtv ]fs 100 [C0 2 ]fs = CO 2 /[Gv]fs 100 Da queste relazioni si ottiene. con facili passaggi algebrici, [CO 2 ]fs stech / [CO 2 ]fs = 1 + (n-1) A/[Gv]fs che è l espressione generale di calcolo di n; tale espressione quando il rapporto Atv/[Gv]fs sia circa pari ad 1, si semplifica nella [CO 2 ]fs stecn / [CO2]fs = n L approssimazione Atv / [Gtv]fs 1 non è valida. In generale, 1) se il combustibile è ricco d H 2 e CO: 2) se il combustibile è ricco di N 2 : 22
Condizioni ottimali per la combustione nella pratica tecnica In ogni combustione è necessario porre in intimo contatto il combustibile con l ossigeno per assicurare un elevata superficie di reazione e per consentire il raggiungimento di temperature sufficientemente elevate per tutte le molecole di combustibile garantendo così una sufficiente cinetica di reazione. Il combustibile inviato alla combustione deve bruciare completamente non essendo accettabile, né in termini energetici né in termini di inquinamento ambientale e sicurezza, la presenza di combustibile nei fumi scaricati. Per fornire a tutte le molecole di combustibile l ossigeno necessario si deve utilizzare sempre un eccesso di ossigeno, e quindi di aria, rispetto ai valori ricavabili dalla stechiometria della reazione. Tale eccesso d aria è, in generale, di valore crescente passando dai combustibili gassosi a quelli liquidi a quelli solidi per la evidente maggiore complessità di mescolare un combustibile solido con un gas rispetto ad un combustibile liquido o, meglio ancora, ad un combustibile gassoso. 23 Non esistono valori giusti in assoluto per l eccesso d aria e per la temperatura dei fumi: si è infatti davanti ad un tipico problema di ottimizzazione tra esigenze contrastanti Si dovrebbe usare un eccesso d aria quanto più piccolo possibile ed una temperatura più bassa possibile: in tal modo si minimizzano le perdite legate allo scarico dei fumi caldi; questa scelta però può avere effetti negativi: sulla necessità di bruciare tutto il combustibile, per evitare pesanti perdite energetiche; sulla durata della canna fumaria, che potrebbe essere sottoposta a fenomeni di corrosione dovuta a condense acide; sulla necessità di avere comunque un sufficiente tiraggio al camino che, per tiraggio naturale, è proprio legato alle diverse densità di fluidi a temperature diverse. Le caldaie di potenza elevata sono in generale più efficienti e sofisticati: una piccola caldaia murale da 20 kw, con bruciatore atmosferico, può avere un indice d aria pari a 1,5 2,0 (50% o 1 00% di eccesso) mentre una caldaia da 350 kw, con bruciatore dotato di serranda automatica. può avere un indice d aria pari a 1,1 o 1,2 (cioè un eccesso d aria di solo il 10% il 20%). 24
Temperature e composizione dei fumi scaricati da un generatore di calore 25 Emissioni in atmosfera La norma tecnica UNI 10389 indica un valore massimo della concentrazione di monossido di carbonio CO, che può essere scaricato in atmosfera dai camini degli impianti di riscaldamento: questa indicazione sarebbe priva di senso se non fosse collegata al volume dei fumi che si producono bruciando unità di massa (o di volume) del combustibile utilizzato e, quindi, indirettamente, all energia utilizzata. Nella UNI 10389 è, infatti, precisato che il valore della concentrazione limite di CO (pari a 1 000 ppm = =,1% v/v/) deve essere riferito alla condizione di prodotti della combustione secchi e senz aria. In tal modo si garantisce che non sia utilizzata la diluizione dei fumi con aria come espediente per aggirare la limitazione sulla emissione di CO. In pratica è come se si facesse obbligo di assumere una situazione di funzionamento di riferimento (equivalente alla situazione reale di combustione ai soli fini controllo dell emissione); questa situazione di riferimento è legata alle seguenti assunzioni: 26
Emissioni in atmosfera la massa di CO prodotta nella combustione reale per unità di massa (o di volume) di combustibile non cambia se si assume che la combustione avvenga in condizioni stechiometriche (senz aria in eccesso!) cioè n = 1; in tal caso è minimo il volume dei fumi scaricati al camino e, quindi, massimo valore della concentrazione di CO; la concentrazione di CO deve essere misurata in percentuale volumetrica. supponendo di condensare e separare dai fumi il solo vapore d acqua eventualmente presente. In queste condizioni di riferimento la concentrazione teorica per fumi secchi COt, fs. È dunque un valore calcolato (e non misurato dall analizzatore dei fumi) numericamente sempre maggiore del valore di COfs misurato; COt,fs è denominato CO corretto, CO non diluito, CO teorico, CO stechiometrico 27 Si possono avere quindi quattro tipi di combustione 1 Stechiometrica; nel fumo non è presente l ossigeno O 2, ne vi sono tracce di combustibile, L aria teorica (A tv ) coincide con quella reale (A v ) n= A v/ At v = 1 28
Nel fumo è presente solo Anidride carbonica Acqua Azoto Ed eventuali tracce di Zolfo 29 2 In eccesso d aria: nel fumo non ci sono residui di combustibile incombusto, è la condizione tipica di funzionamento delle caldaie. L aria teorica (A tv ) è minore di quella reale (A v ). Nel fumo sono presenti H 2 O, CO 2, O 2, ossidi di azoto ( e zolfo) n= A v/ At v > 1 Nel fumo è presente: ossigeno, anidride carbonica, acqua, azoto, ossidi di azoto, e tracce di anidride solforosa (eventuale) 30
3 In difetto d aria(condizione d aria di malfunzionamento): nel fumo non è presente l Ossigeno,, ma è presente combustibile incombusto, H 2 O, CO 2, CO, ossidi di azoto (e zolfo) e fuliggine 31 4 Incompleta(indice di malfunzionamento): nel fumo sono presenti combustibile incombusto, l ossigeno, H 2 O, CO 2, CO, ossidi di azoto ( e zolfo) e fuliggine nel caso di combustibili liquidi (la situazione può presentarsi anche durante i transitori di funzionamento, in caso di cattiva miscleazione del combustibile ed aria, nel caso di temperatura di combustione troppo bassa) 32
li triangolo di Ostwald Sulla base delle reazioni di combustione e dei bilanci di materia è possibile correlare tra loro, per ogni specifico combustibile, i seguenti quattro parametri: la concentrazione di CO 2 percentuale nei fumi secchi; la concentrazione di O 2 percentuale nei fumi secchi; la concentrazione di CO percentuale nei fumi secchi; l indice d aria n (oppure l eccesso percentuale d aria e). Noti due di questi parametri è sempre possibile ricavare il valore degli altri due: in forma grafica questa relazione è riportata nel triangolo di ostwald. Esistono trinagoli di Ostwald tipici di ogni combustibile, a seguire è riportato quello del metano. 33 li triangolo di Ostwald Il triangolo di Ostwald relativo al gas metano. Con riferimento, per esempio, al triangolo di Ostwald del gas metano osserviamo che: il punto rappresentativo delle condizioni della combustione deve cadere all interno del triangolo: considerando la retta CO = 0, cioè combustione perfetta senza incombusti, notiamo che essa interseca l asse delle ascisse in un punto di coordinate (11,7; 0) cioè al valore CO 2 = 11,7 ed O 2 = 0, che significa combustione stechiometrica con eccesso d aria pari a zero; la stessa retta interseca asse delle ordinate nel punto (0: 21) cioè combustione con eccesso d aria tendente ad infinito (O 2 nei fumi all O 2 nell aria = 20.9%) e concentrazione di CO 2 praticamente zero. 34
li triangolo di Ostwald 35 li triangolo di Ostwald 36
Due parole sulla combustione delle biomasse Il legno è, in sostanza, un magazzino di energia solare. Le foglie degli alberi agiscono come piccoli pannelli solari che assorbono l energia irraggiata dal sole, utilizzandola per convertire acqua, anidride carbonica e minerali in materia organica, il legno. Accendere un fuoco di legna significa liberare questa energia. Due cose sono necessarie perché il legno bruci: ossigeno ed alta temperatura. In un focolare per bruciare il legno efficacemente deve essere mantenere alta la temperatura interna e fornire di ossigeno sufficiente per consumare quanta più legna e gas possibile. 37 Due parole sulla combustione delle biomasse Quando il legno brucia, passa attraverso tre fasi di combustione: 1.L umidità evapora dal legno per azione del fuoco circostante. Qualunque legno contiene una certa percentuale di umidità. Poiché parte del calore prodotto dal fuoco è impiegata nella sua evaporazione, è molto più conveniente, ed anche meno inquinante, usare legno stagionato (max 20% di umidità) piuttosto che legna verde tagliata di fresco (50% o più di umidità). Questa fase è completa quando il legno raggiunge la temperatura di 100 C (Punto di ebollizione dell acqua) 2.Aumentando la temperatura, il legno si decompone in gas volatili e carbone. Il legno prende fuoco ad una temperatura compresa tra i 260 C ed i 315 C, bruciando la carbonella ed una piccola percentuale dei gas. La maggior parte dei gas, comunque, sfuggirà per il camino, a meno che la temperatura nella stufa sia sufficientemente alta da bruciarli. (fase 3) Una volta nel camino, i gas si combinano con l umidità per formare creosoto. 38
Due parole sulla combustione delle biomasse 3.I gas e il carbone bruciano. Il carbone comincia a bruciare emettendo calore tra i 540 C ed i 705 C, riducendosi in cener e. In questa fase si produce la maggior parte del calore sfruttabile. I gas volatili si accendono tra i 600 C ed i 650 C, purché abbiano sufficiente ossigeno. I gas di rado raggiungono questa temperatura, a meno che non siano in qualche modo confinati e dirottati verso la fiamma, od in un area della camera di fuoco dove questa temperatura sia stata raggiunta. L efficienza delle stufe dipende dalla loro capacità di ottenere questo. 39 Due parole sulla combustione delle biomasse Potere calorifico del legno Il potere calorico dipende dalla qualità del legno e dal tasso di umidità. In media, si possono ottenere i seguenti valori per Kg. di legno anidro: Frondoso 4300 Kcal/Kg, Resinoso 4600 Kcal/Kg. A fronte di uguale peso, i legni resinosi hanno dunque un potere calorico superiore agli altri legni. Questa diversità è compensata da una maggiore densità dei legni frondosi. Aria in eccesso Come tutti i combustibili, il legno ha bisogno di una certa quantità di aria ( circa 5 mc di aria per kg ) per bruciare completamente. Poiché il legno è un combustibile solido, e si miscela con difficoltà con l aria, è necessario fornire una quantità di aria in eccesso ( fino ad un totale di 8 mc per kg.). Tale aria in eccesso, naturalmente, non viene in realtà bruciata, e viene espulsa dalla canna fumaria, trascinando con sé, però, una parte del calore prodotto. Questo è uno dei motivi per cui il rendimento del legno come combustibile è inferiore a quello di combustibili gassosi, come il metano, o vaporizzabili, come il gasolio, che miscelandosi intimamente con l aria, hanno meno bisogno di averne in eccesso. Soltanto in generatori molto sofisticati si riesce ad ottenere la gasificazione della legna, ed un rendimento altissimo. 40
Due parole sulla combustione delle biomasse Residui della combustione. Il legno, qualunque sia la sua origine, è costituito da una parte organica combustibile( la cui composizione chimica media è Carbone 50%,Ossigeno 42,5%, Idrogeno 6,5%, Azoto 1%), da una parte minerale inerte, e dall acqua. Le sostanze organiche, cioè le resine, i tannini, ed i polimeri (cellulosa, emicellulosa e lignina), per azione della ossidazione ad alta temperatura durante la combustione, subiscono delle profonde modificazioni chimiche, liberando energia e producendo dei residui, che, a seconda della qualità della combustione, possono variare entro certi limiti. I principali residui sono: Le ceneri costituiscono dal 2 al 3 % della massa anidra del legno e sono il residuo della sua parte minerale (silicio, calcio, magnesio, potassio, acido fosforico, etc.) Ossidi di Azoto.. Ossidi di Zolfo. Ossidi di carbonio. 41 Due parole sulla combustione delle biomasse Residui della combustione. L anidride carbonica (Biossido di carbonio) Idrocarburi incombusti Le molecole che costituiscono la parte organica del legno sono estremamente stabili: occorre un alta temperatura per spezzarle ossidandole, come abbiamo visto descrivendo la terza fase della combustione della legna. I creosoti sono idrocarburi aromatici e poliaromatici fortemente ossigenati e costituiscono buona parte della condensa che si forma nelle canne fumarie per cattiva combustione. Mescolati alla fuliggine, formano delle incrostazioni nelle canne fumarie, specie dei camini tradizionali, che possono essere causa, se non periodicamente rimosse, di pericolosi incendi. I creosoti si formano soprattutto quando la temperatura dei fumi nella canna fumaria è bassa. Questo consente alla condensa di aderire alle pareti. 42
Due parole sulla combustione delle biomasse Residui della combustione. La fuliggine è un altro risultato della combustione incompleta. E costituita fondamentalmente da carbone puro (98%). Assorbe facilmente la condensa dei creosoti, fissandola alle pareti della canna fumaria. La condensa si forma facilmente bruciando legna verde in impianti dotati di canne fumarie non ben coibentate. La prima fase della condensa è costituita soprattutto dal vapore acqueo risultato della rapida essiccazione della legna nella camera di fuoco. Successivamente, col progredire della combustione, si forma condensa dagli idrocarburi incombusti, di cui abbiamo già parlato, E un liquido scuro, oleoso, maleodorante, infiammabile e di facile infiltrazione. Si può evitare soltanto bruciando buona legna in impianti realizzati correttamente, con una buona canna fumaria. 43