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La sostanza combustibile pu essere:SolidaLiquida oGassosa.I combustibili utilizzati negli impianti di riscaldamento sono quelli visti precedentemente cio:BiomasseOli Combustibili di vario tipoGasolioGPLMetano Biogas

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I combustibili tradizionali sono costituiti principalmente da Carbonio (C) e Idrogeno (H) e hanno le le seguenti qualit:

Bruciando producono una grande quantit di calore

Subiscono una combustione completa con una minima produzione di inquinanti

Sono facilmente disponibili e hanno un basso costo.

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I combustibili sono composti da carbonio ed idrogeno che vengono appunto detti elementi utili, perch con la loro ossidazione si produce il calore ricercato, sviluppando nella combustione una ridotta quantit di inquinanti.

Nei combustibili possono essere presenti anche tracce di zolfo che invece considerato negativamente perch produce una minore quantit di energia e perch nella combustione produce anidride solforosa o solforica.

Per poter bruciare un combustibile occorre portarlo a contatto con una determinata quantit daria (ossigeno) detta aria comburente

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Il comburente rappresentato dallossigeno (O2) presente nellaria.Laria si considera costituita dal

21% di ossigeno e79% di azoto e altri gas che non partecipano al fenomeno

La quantit daria strettamente necessaria alla combustione definita aria stechiometrica, il valore della quantit di aria necessaria dipende dalle caratteristiche del combustibile.

La quantit daria tanto maggiore quanto pi elevato il potere calorifico del combustibile.

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Nella pratica non risulta sufficiente garantire il solo afflusso dellaria strettamente necessaria alla combustione (aria stechiometrica o teorica), perch non tutte le molecole del combustibile possono venire a contatto con il comburente, occorre quindi aggiungere un quantit daria in eccesso, per essere certi che tutto il combustibile partecipi al fenomeno.Laria in eccesso da fornire dipende dalla natura del combustibile, minima per i combustibili gassosi che tendono naturalmente a miscelarsi con laria, maggiore per i combustibili liquidi che devono essere nebulizzati ed ancora maggiore per i combustibili solidi e le biomasse.

Il differenza tra la quantit daria effettivamente utilizzata e quella necessaria (stechiometrica) e definito come Eccesso daria e viene solitamente individuato con la lettera e.

e = aria effettiva - aria teorica

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Perch al combustione possa avere inizio necessario che siano contemporaneamente presenti combustibile e comburente e che siano raggiunte le condizioni di accensione, cio che sia raggiunta la temperatura di accensione.

Deve esserci un innesco

Antracite 450CLegno secco 250COlio combustibile 330CMetano 645C

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Ogni combustibile 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 laria 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/mol1CO + 1/2 O2 = CO2 + 283 kJ/mol CH4 + 2 O2 = 2 H20 + CO2 + 803 kJ/molCmHn + (m + n/4) O2 = m CO2 + n/2 H20

mole come il valore della quantit (ad esempio espressa in grammi) di particelle uguale al peso molecolare di ogni singola molecola

Forza: unit di misura 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 : unit di misura il Joule 1 Joule = lavoro compiuto da forza di 1 newton per produrre spostamento di un metro. Potenza: unit di misura il Watt : definito come lavoro/tempo; 1 Watt: 1 Joule in 1 secondo

Energia 3600J = 1 W/h Potenza

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Il valore del potere calorifico inferiore ( presente acqua sotto forma di vapore a fine combustione) per alcuni di questi idrocarburi : propano, C3H8, 2.045 kJ/mol

butano, C4H10, 2.660 kJ/mol

esano, C6H14, 3.889 kJ/mol

eptano, C7H16, 4.504 kJ/mol

n-dodecano, C12H26, 7.580 kJ/mol

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Composizione media dellaria 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

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Calcolo dellaria teorica per combustibili gassosi (monocomponenti)

Per tutti i gas, in condizioni TPN, una mole occupa 22,4 litri: possibile interpretare unequazione chimica anche come una relazione tra volumi (litri o metri cubi) di gas purch tutti siano riferiti alle stesse condizioni di TPN. Per esempio lequazione di combustione del metano, in condizioni TPN,

1 CH4 + 2 O2 = 2 H20 + CO2 + 803 kJ/mol

pu 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.

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La combustioneLa combustioneCalcolo dellaria teorica per combustibili gassosi (monocomponenti)

Dalle equazioni (precedenti si ricavano i seguenti volumi di ossigeno. necessari per la combustione stechiometrica:

1 m3 di CH4 richiede 2 m3 di O2

1 m3 di H2 richiede 0,5 m3 di O2

1 m3 di CO richiede 0,5 m3 di O2

1 m3 di C3H8 richiede 5 m3 di O2

1 m3 di CmHn richiede (m + n/4) m3 di O2

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La combustioneLa combustioneCalcolo dellaria teorica per combustibili gassosi (monocomponenti)

Con riferimento allaria, ricordando che ad ogni m3 di O2 si accompagnano 3,76 m3 di N2, si pu riscrivere, per esempio, la reazione di combustione del metano e si ottiene:

1 CH4 + 2O2 + 2 3,76 N2 = 2 H20 + CO2 + 2 3,76 N2

cio 1 m3 di CH4 richiede 9,52 m3 di aria. In modo analogo si ricava che:

1 m3 di H2 richiede 2,38 m3 di aria.

1 m3 di CO richiede 2,38 m3 d aria.

1 m3 di C3H8 richiede 23,8 m3 aria.

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Nella pratica non possibile utilizzare il quantitativo di aria teorico ricavato dalla stechiometria delle reazioni di combustione: si dovr utilizzare un volume (o una massa) di aria reale, Av (o Am). che sar sempre maggiore del valore teorico Atv (o Atm).

Il rapporto n = Av/Atv si chiama indice daria ed pari a 1 solo per le condizioni stechiometriche (teoriche) mentre, nella pratica, n sar sempre maggiore di 1.

Nella letteratura tecnica spesso utilizzato leccesso daria percentuale che pari a:

e (n -1) 100.

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La combustioneLa combustioneVolume dei fumi prodotti nella combustione

Lespressione del volume dei fumi che si producono in una combustione (completa!) Gv = n Atv 0,21 Atv + 0,01 (CO+H2+N2+C02+H20)+ 0.03 CH4 + 0.01 (mi + ni/2)CmiHnj nella quale Gv rappresenta i metri cubi di fumi per metro cubo di combustibile gassoso bruciato. n Atv il volume reale di aria che entra nel focolare, 0.21 Atv : il volume di ossigeno che viene consumato nella combustione e che quindi non si ritrova nei fumi. CO, H2, N2, CO2 H20 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 m3 di N2 entra nel focolare ed esce senza reagire mentre 1 m3 di CO entra nei focolare, brucia, e forma 1 m3 di CO2) CH4 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.

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Volume dei fumi prodotti nella combustione

Lespressione si pu semplificare, CO + H2 + CH4 +O2 + N2 + CO2 + H20 + CmHn

nel combustibile in ingresso pari al 100 %;

con facili passaggi si ha:

Gv = n Atv + 1-0,005(CO+3H2) 0 0,0025 ((ni -4) CmiHni)

Se si desidera esprimere la portata dei fumi in massa si ha:

Gm = n Atm + dcombustibile

Gm espresso in kg di fumi per m3 di combustibile.

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Nelle analisi dei fumi di combustione spesso utile, o necessario, riferirsi ai fumi secchi cio considerati senza la presenza in essi del vapore dacqua che si forma dalla combustione dellidrogeno e dei combustibili contenenti idrogeno.

Dalla espressione di G possibile ricavare la formula per il calcolo di [Gtv]fs cio 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 lacqua che si forma dai combustibili contenenti idrogeno.

Con facili passaggi si ottiene: [Gtv]fs = Atv + 1 - 0,005 (CO + 3 H20) - 0002 CH4 - 0,0025 [ (ni+4) CmiHni]

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Con evidente significato dei simboli, si ha pure che il volume dei fumi secchi effettivo (cio non stechiometrico ma con aria in eccesso) dato da

[G]fs = [Gtv]fs + (n-1)AtvGAS Fumi teorici

secchi m3/m3 Fumi teorici umidi

m3/m3 Aria teorica

m3/m3

CH4, metano 8,52 10,52 9.52 C3H8. propano 21,81 25,81 23,81 C4H10, butano 28,45 33,45 30,9 GPL. (30% Butano, 70% Propano

23,8 28,1 25, 9

H2 1,88 3,38 2,38

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Calcolo dellindice daria n

Con le notazioni finora adottate si pu scrivere:

[C02]fs stech = CO2 /[Gtv ]fs 100

[C02]fs = CO2 /[Gv]fs 100

Da queste relazioni si ottiene. con facili passaggi algebrici,

[CO2]fs stech / [CO2]fs = 1 + (n-1) A/[Gv]fs

che lespressione generale di calcolo di n; tale espressione quando il rapporto Atv/[Gv]fs sia circa pari ad 1, si semplifica nella [CO2]fs stecn / [CO2]fs = n

Lapprossimazione Atv / [Gtv]fs 1 non valida. In generale, 1) se il combustibile ricco d H2 e CO: 2) se il combustibile ricco di N2:

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Condizioni ottimali per la combustione nella pratica tecnica In ogni combustione necessario porre in intimo contatto il combustibile con lossigeno per assicurare unelevata superficie di reazione e per consentire il raggiungimento di temperature sufficientemente elevate per tutte le molecole di combustibile garantendo cos una sufficiente cinetica di reazione. Il combustibile inviato alla combustione deve bruciare completamente non essendo accettabile, n in termini energetici n in termini di inquinamento ambientale e sicurezza, la presenza di combustibile nei fumi scaricati. Per fornire a tutte le molecole di combustibile lossigeno necessario si deve utilizzare sempre un eccesso di ossigeno, e quindi di aria, rispetto ai valori ricavabili dalla stechiometria della reazione. Tale eccesso daria , in generale, di valore crescente passando dai combustibili gassosi a quelli liquidi a quelli solidi per la evidente maggiore complessit di mescolare un combustibile solido con un gas rispetto ad un combustibile liquido o, meglio ancora, ad un combustibile gassoso.

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Non esistono valori giusti in assoluto per leccesso daria e per la temperatura dei fumi: si infatti davanti ad un tipico problema di ottimizzazione tra esigenze contrastanti

Si dovrebbe usare un eccesso daria quanto pi piccolo possibile ed una temperatura pi bassa possibile: in tal modo si minimizzano le perdite legate allo scarico dei fumi caldi; questa scelta per pu avere effetti negativi: sulla necessit 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 necessit di avere comunque un sufficiente tiraggio al camino che, per tiraggio naturale, proprio legato alle diverse densit di fluidi a temperature diverse.

Le caldaie di potenza elevata sono in generale pi efficienti e sofisticati: una piccola caldaia murale da 20 kW, con bruciatore atmosferico, pu avere un indice daria pari a 1,52,0 (50% o 1 00% di eccesso) mentre una caldaia da 350 kW, con bruciatore dotato di serranda automatica. pu avere un indice daria pari a 1,1 o 1,2 (cio un eccesso daria di solo il 10% il 20%).

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Temperature e composizione dei fumi scaricati da un generatore di calore

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Emissioni in atmosfera

La norma tecnica UNI 10389 indica un valore massimo della concentrazione di monossido di carbonio CO, che pu 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 unit di massa (o di volume) del combustibile utilizzato e, quindi, indirettamente, allenergia utilizzata. Nella UNI 10389 , 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 senzaria.

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 come se si facesse obbligo di assumere una situazione di funzionamento di riferimento (equivalente alla situazione reale di combustione ai soli fini controllo dellemissione); questa situazione di riferimento legata alle seguenti assunzioni:

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Emissioni in atmosfera

la massa di CO prodotta nella combustione reale per unit di massa (o di volume) di combustibile non cambia se si assume che la combustione avvenga in condizioni stechiometriche (senzaria in eccesso!) cio n = 1; in tal caso 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 dacqua eventualmente presente.

In queste condizioni di riferimento la concentrazione teorica per fumi secchi COt, fs. dunque un valore calcolato (e non misurato dallanalizzatore dei fumi) numericamente sempre maggiore del valore di COfs misurato; COt,fs denominato CO corretto, CO non diluito, CO teorico, CO stechiometrico

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Si possono avere quindi quattro tipi di

combustione

1 Stechiometrica;

nel fumo non presente lossigeno O2 , ne vi

sono tracce di combustibile, Laria teorica

(Atv) coincide con quella reale (Av)

n= Av/ Atv = 1

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Nel fumo presente solo

Anidride carbonica

Acqua

Azoto

Ed eventuali tracce di Zolfo

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2 In eccesso daria:

nel fumo non ci sono residui di combustibile

incombusto, la condizione tipica di funzionamento

delle caldaie.

Laria teorica (Atv) minore di quella reale (Av). Nel

fumo sono presenti H2O, CO2 , O2, ossidi di azoto ( e zolfo)

n= Av/ Atv > 1

Nel fumo presente: ossigeno, anidride carbonica, acqua, azoto,

ossidi di azoto, e tracce di anidride solforosa (eventuale)

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3 In difetto daria3 In difetto daria(condizione di malfunzionamento)(condizione di malfunzionamento): :

nel fumo nel fumo non presente lOssigenonon presente lOssigeno, ma , ma

presente combustibile incombusto, presente combustibile incombusto,

HH22O, COO, CO2,2, CO, ossidi di azoto (e zolfo) e CO, ossidi di azoto (e zolfo) e

fuligginefuliggine

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4 Incompleta(indice di malfunzionamento)(indice di malfunzionamento):

nel fumo sono presenti combustibile

incombusto, lossigeno, H2O, CO2, CO,

ossidi di azoto ( e zolfo) e fuliggine nel

caso di combustibili liquidi (la situazione pu presentarsi anche durante i transitori di funzionamento, in

caso di cattiva miscleazione del combustibile ed aria, nel caso

di temperatura di combustione troppo bassa)

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lI triangolo di Ostwald

Sulla base delle reazioni di combustione e dei bilanci di materia possibile correlare tra loro, per ogni specifico combustibile, i seguenti quattro parametri: la concentrazione di CO2 percentuale nei fumi secchi; la concentrazione di O2 percentuale nei fumi secchi; la concentrazione di CO percentuale nei fumi secchi; lindice daria n (oppure leccesso percentuale daria e). Noti due di questi parametri sempre possibile ricavare il valore degli altri due: in forma grafica questa relazione riportata nel triangolo di ostwald.

Esistono trinagoli di Ostwald tipici di ogni combustibile, a seguire riportato quello del metano.

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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 allinterno del triangolo: considerando la retta CO = 0, cio combustione perfetta senza incombusti, notiamo che essa interseca lasse delle ascisse in un punto di coordinate (11,7; 0) cio al valore CO2 = 11,7 ed O2 = 0, che significa combustione stechiometrica con eccesso daria pari a zero; la stessa retta interseca asse delle ordinate nel punto (0: 21) cio combustione con eccesso daria tendente ad infinito (O2 nei fumi allO2 nellaria = 20.9%) e concentrazione di CO2 praticamente zero.

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Due parole sulla combustione delle biomasse

Il legno , in sostanza, un magazzino di energia solare.

Le foglie degli alberi agiscono come piccoli pannelli solari che assorbono lenergia 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 perch 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 pi legna e gas possibile.

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Due parole sulla combustione delle biomasseQuando il legno brucia, passa attraverso tre fasi di combustione:

1.Lumidit evapora dal legno per azione del fuoco circostante. Qualunque legno contiene una certa percentuale di umidit. Poich parte del calore prodotto dal fuoco impiegata nella sua evaporazione , molto pi conveniente, ed anche meno inquinante, usare legno stagionato (max 20% di umidit) piuttosto che legna verde tagliata di fresco (50% o pi di umidit). Questa fase completa quando il legno raggiunge la temperatura di 100C (Punto di ebollizione dellacqua)

2.Aumentando la temperatura, il legno si decompone in gas volatili e carbone. Il legno prende fuoco ad una temperatura compresa tra i 260C ed i 315C, bruciando la carbonella ed una piccola percentuale dei gas. La maggior parte dei gas, comunque, sfuggir 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 lumidit per formare creosoto.

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3.I gas e il carbone bruciano. Il carbone comincia a bruciare emettendo calore tra i 540C ed i 705C, riducendosi in cener e. In questa fase si produce la maggior parte del calore sfruttabile. I gas volatili si accendono tra i 600C ed i 650C, purch 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. Lefficienza delle stufe dipende dalla loro capacit di ottenere questo.

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Potere calorifico del legno Il potere calorico dipende dalla qualit del legno e dal tasso di umidit. 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 diversit compensata da una maggiore densit dei legni frondosi. Aria in eccesso Come tutti i combustibili, il legno ha bisogno di una certa quantit di aria ( circa 5 mc di aria per kg ) per bruciare completamente. Poich il legno un combustibile solido, e si miscela con difficolt con laria, necessario fornire una quantit di aria in eccesso ( fino ad un totale di 8 mc per kg.). Tale aria in eccesso, naturalmente, non viene in realt bruciata, e viene espulsa dalla canna fumaria, trascinando con s, per, una parte del calore prodotto. Questo uno dei motivi per cui il rendimento del legno come combustibile inferiore a quello di combustibili gassosi, come il metano, o vaporizzabili, come il gasolio, che miscelandosi intimamente con laria, hanno meno bisogno di averne in eccesso. Soltanto in generatori molto sofisticati si riesce ad ottenere la gasificazione della legna, ed un rendimento altissimo.

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Residui della combustione. Il legno, qualunque sia la sua origine, costituito da una parte organica combustibile( la cui composizione chimica media Carbone 50%,Ossigeno 42,5%, Idrogeno 6,5%, Azoto 1%), da una parte minerale inerte, e dallacqua. Le sostanze organiche, cio 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 qualit 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.

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Residui della combustione. Lanidride carbonica (Biossido di carbonio) Idrocarburi incombusti Le molecole che costituiscono la parte organica del legno sono estremamente stabili: occorre unalta 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 bassa. Questo consente alla condensa di aderire alle pareti.

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Residui della combustione.

La fuliggine 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 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 gi parlato, E un liquido scuro, oleoso, maleodorante, infiammabile e di facile infiltrazione. Si pu evitare soltanto bruciando buona legna in impianti realizzati correttamente, con una buona canna fumaria.

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