Combustibili e produzione del calore

Classificazione dei combustibili

Cmbustibili gassosi

Composizione chimica

Il principale componente del gas naturale è il metano (CH4), la più piccola e leggera fra le molecole degli idrocarburi. Normalmente contiene anche idrocarburi gassosi più pesanti come etano (CH3CH3), propano (CH3CH2CH3) e butano (CH3CH2CH2CH3), nonché, in piccole quantità, pentano.

Sono sempre presenti modeste percentuali di gas diversi dagli idrocarburi, p.es. anidride carbonica (CO2), azoto, ossigeno (in tracce), gas nobili e solfuro di idrogeno (H2S).

Il solfuro d'idrogeno e il mercurio (Hg) sono considerati i contaminanti più nocivi, che devono essere rimossi prima di qualsiasi utilizzo.

Combustibili gassosi

Consumo di gas naturale

Produzione GTL

Recentemente, visto il costo sempre più alto del petrolio, è diventato conveniente il processo di trasformazione del gas naturale in carburanti liquidi, principalmente (nafta e gasolio). Tale processo è chiamato GTL (Gas To Liquids) ed è basato su una tecnologia chiamata Fischer-Tropsch utilizzata dai tedeschi all'epoca della seconda guerra mondiale. I tedeschi, non avendo a disposizione giacimenti petroliferi, per alimentare la loro macchina bellica utilizzavano carbone, il quale, dopo essere stato gassificato, veniva convertito in carburante liquido. Il Processo_Fischer-Tropsch utilizza un catalizzatore a base di cobalto o di ferro per produrre condensati e cera a partire dal gas naturale opportunamente trattato.

Sicurezza del gas

Al gas, in natura inodore e incolore, viene, prima di essere immesso nelle reti cittadine, miscelato deliberatamente con una miscela di sostanze odorizzanti, principalmente appartenenti a due tipologie di composti chimici (TBM o terziar-butilmercaptano) o (THT o tetraidrotiofene) con un forte e cattivo odore al fine di renderlo immediatamente riconoscibile all'olfatto e quindi evitare, a causa di inavvertibili sacche di gas, esplosioni. Nell'industria il gas metano non viene odorizzato. Nelle miniere vengono installati sensori e l'ambiente minerario è specificamente sviluppato per evitare fonti di accensione del gas (ad es. la Lampada di Davy).

Il gas naturale non è di per se tossico. In taluni giacimenti, però, è disciolta nel gas naturale una certa quantità di solfuro di idrogeno, gas altamente tossico anche a bassissime concentrazioni

Impatti ambientali del gas

La combustione di gas genera, anche se in misura minore rispetto agli altri combustibili fossili, gas serra che contribuiscono al surriscaldamento del pianeta. L' estrazione di gas (ma anche di petrolio) porta a una diminuzione della pressione nella riserva sotterranea. Ciò può portare ad una subsidenza del terreno che può danneggiare l' ecosistema, i corsi d' acqua, la rete idrica e fognaria e causare cedimenti nelle fondamenta degli edifici. L' estrazione e il trasporto del gas possono inoltre generare ulteriore inquinamento. Gli esperti si attendono per i prossimi anni un'impennata nell'uso di gas naturale, conseguente alla richiesta di fonti alternative al petrolio. Normalmente, gli inquinanti principali sono: anidride carbonica, monossido di carbonio, ozono, ossidi di azoto. Sono pero' assenti i seguenti inquinanti: Particolato, ossidi di zolfo, idrocarburi incombusti (benzene, ecc..).

Distribuzione geografica

Il maggior giacimento di gas si trova a Groningen in Olanda, grandi riserve di gas si trovano in Siberia e in Algeria. Altre riserve di gas sono associate al petrolio nei giacimenti petroliferi diffusi nel mondo. Tuttavia per il gas vi e' il grosso problema del trasporto dello stesso dal luogo di estrazione a quello di utilizzo, e questo oggi rende problematica la commerciabilità, e quindi lo sfruttamento, di grandi volumi di gas che sarebbero estraibili e disponibili in aree logisticamente lontane dai potenziali centri di utilizzo del gas.

Liquefazione del gas

Liquefazione del gas

Intorno agli anni '40 furono costruiti negli USA i primi impianti "peaksaving" il cui scopo era di produrre e stoccare GNL nei periodi di scarsa domanda di gas combustibile per poi rigassificarlo e reimmetterlo in rete nei periodi di massimo consumo. Un incidente accaduto ad un serbatoio di stoccaggio di GNL nel 1944 dovuto ad una non corretta scelta dei materiali per bassa temperatura, causò un incendio e danni rilevanti. Sebbene l'impiego di materiali come l'acciaio legato o l'alluminio risolvessero i problemi metallurgici, l'incidente bloccò di fatto lo sviluppo della tecnologia di liquefazione del GNL per circa 20 anni.

Rigasificazione

L'impianto può essere off-shore o on-shore. Gli impianti off-shore sono costituiti da terminali galleggianti (Floating Regas), come l'impianto in progetto davanti a Livorno, da strutture offshore ancorate al fondo, o da vere e proprie isole artificiali (come l'impianto a largo di Porto Levante). Gli impianti on-shore sono realizzati normalmente vicino a strutture portuali, per poter usufruire del supporto tecnico e logistico. Per motivi di sicurezza sono spesso esclusi dal bacino portuale, e presentano pontili in mare aperto. Esempi di terminali on shore sono l'impianto di Panigaglia e quello in progetto a Gioia Tauro.

Combustibili liquidi

Distribuzione geografica

La geografia dei delle riserve attuali di petrolio e' in evoluzione a causa dello sfruttamento e quindi esaurimento di molti giacimenti situati in aree da tempo sfruttate. Nel 2004 si e' calcolato che circa il 27% del petrolio nel mercato provenisse da aree le cui riserve petrolifere erano in diminuzione, tra queste i giacimenti statunitensi e quelli nell' offshore del Mare del Nord (in acque inglesi, olandesi e norvegesi). In altri paesi la crescita economica e' tale da trasformarli da esportatori di petrolio ad importatori, come la Cina.

Distribuzione geografica

I maggiori accumuli convenzionali di petrolio (circa il 60% delle riserve mondiali) si trovano nell'area medio orientale (Arabia Saudita, Iraq, Kuwait, Iran, Siria, Emirati Arabi) e si ritiene, per le loro dimensioni che saranno gli ultimi ad esaurirsi. Altre regioni del mondo con grandi bacini petroliferi includono la Nigeria e l' offshore atlantico nigeriano ed angolano, il Venezuela e l' area del Mar Caspio.

Si stima che fino ad oggi siano stati estratti complessivamente circa 900-1000 miliardi di barili, mentre le riserve ancora estraibili si aggirino sui 1000-1500 miliardi di barili.

Oggi viene data importanza anche ai giacimenti di sabbie bituminose, abbondanti nello stato canadese dell' Alberta, in Sudamerica nell'area detta 'Orinoco belt".

Combustibili liquidi

Combustibili liquidi

Densità dei combustibili liquidi

Combustibili solidi

Tipi di carbone

Tipi di carbone

Esempi di miniere (a cielo aperto)

Combustibili solidi

Sottoprodotti

Sottoprodotti

Altri sottoprodotti

Apparecchi per la combustione

Il bruciatore è un componente dell'impianto di combustione, in cui avviene la miscelazione di un combustibile ed un comburente, e successivamente la reazione di combustione, generalmente con produzione di fiamma

Classificazione

La classificazione dei bruciatori non è unica; esistono infatti molti criteri di classificazione, quali la potenzialità, la struttura, il tipo di combustibile utilizzato che può essere solido (carbone, eventualmente polverizzato), liquido (nafta, gasolio, kerosene ecc) o gassoso (metano, GPL ecc).

Dal punto di vista strutturale esistono in generale 2 tipi di bruciatore:

- bruciatori ad aria aspirata o atmosferico o premiscelato;

- bruciatori ad aria soffiata.

Classificazione

I primi sono di utilizzo civile (caldaie murali, fornelli); in questo caso l'aria viene aspirata in modo naturale dal combustibile grazie ad un condotto che presenta un restringimento della sezione nel punto in cui viene immesso il combustibile, sfruttando così l'effetto Venturi.

I bruciatori ad aria soffiata presentano un'immissione dell'aria di tipo forzato, grazie ad un ventilatore posto a monte del bruciatore stesso. Vengono utilizzati in tutte le applicazioni industriali (generatori di vapore, generatori di aria calda, forni industriali) e alcune civili (caldaie ad uso domestico).

Effetto Venturi

Apparecchi per la combustione

Bruciatori

Esempio di funzionamento

Il funzionamento di un bruciatore deve tenere conto di alcune sicurezze, senza le quali non è possibile il funzionamento dell'impianto stesso. Se prendiamo ad esempio un bruciatore di gas, tale sicurezza viene garantita da un' elettrovalvola del gas posta sulla rampa gas posta a monte del bruciatore che, a bruciatore spento, è normalmente chiusa (deve garantire una perfetta tenuta del gas che viene verificata tramite un controllo di tenuta all'inizio o alla fine del ciclo di funzionamento del bruciatore).

Esempio di funzionamento

Quando il generatore di calore dà il consenso all'accensione il motore del bruciatore,un ventilatore posto a monte del bruciatore(bruciatore aspirato) o a valle del bruciatore (bruciatore soffiato) preventila il focolare del generatore per disperdere eventuale gas residuo all'interno, dopo qualche secondo l'elettrovalvola apre immettendo gas nella camera di miscelazione del bruciatore che si andrà a miscelare insieme all'aria comburente immessa dal ventilatore.

Esempio di funzionamento

Un elettrodo metallico (detto "elettrodo di accensione") viene eccitato da un trasformatore di accensione (ca. 5000-8000 Volt), creando una scintilla che innesca la combustione. Dopo alcuni secondi è importante capire se la combustione sta realmente avvenendo, ovvero se c'è fiamma. Il bruciatore è dunque dotato di un altro dispositivo che realizza dunque, il "controllo fiamma"; questo dispositivo in genere è o un secondo elettrodo metallico o una sensore ai raggi "UVS", che sentono la presenza o meno della fiamma.

Esempio di funzionamento

Nel caso in cui non venga rilevata la fiamma in un tempo massimo di 10 sec, la centralina elettronica interviene immediatamente chiudendo l'elettrovalvola del gas interrompendo il funzionamento (nelle caldaie di nuova produzione la centralina tenta più accensioni prima di fermare il ciclo).

Esempio di bruciatore

Regolazione dei bruciatori

Bruciatori ad olio

Bruciatori ad olio

Bruciatori ad olio

Bruciatori olio gas

Bruciatori per solidi

Bruciatori per solidi

Bruciatori per solidi

Controllo della fiamma

L'elettrodo metallico con riferimento di massa, sfrutta il fenomeno secondo cui durante la combustione, la fiamma si ionizza e diventa leggermente conduttiva. Di costruzione semplice, è realizzato in materiale resistente al calore (ad esempio Kantal), accoppiato a breve distanza ad esso c'è un altro elettrodo con riferimento di massa. Quando la fiamma investe l'elettrodo al quale è applicata una tensione, si crea una microcorrente misurabile (ionizzazione) verso la massa, in genere da 5 a 15 μA, interpretata dal sistema di controllo fiamma.

Altri tipi di sensore

Il sensore UVS è simile al sistema a fotoresistenza (oggi in disuso perché sensibile a molte sorgenti di luce quindi influenzabile da disturbi esterni). La fotocellula UV invece è sensibile alle sole radiazioni di luce con lunghezza comprese tra 200-300 nm (nano metri), tipico della luce delle fiamme a gas. Escludendo in alcuni casi la luce solare e alcune lampade a scarica, risulta insensibile dall'infrarosso delle lampade tradizionali e alle altre luci artificiali

Sensore di fiamma

Camera di combustione