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Ringrazio di cuore i miei collaboratori Francesca Bonfà e Giovanni Narducci. Chiamarli“discepoli” si spiega solo affettivamente; chiamarli “amici” ne comprime il valore e ladedizione. Il loro ruolo più vero, al di là della competenza e della valentia tecnica, è statoquello di accompagnatori fidati su una strada disseminata di fatica, a volte insidiosa, eppureilluminata dall’amore per una cultura universitaria da raggiungere e trasmettere.

Giovanni Molinari

Massa ed energianella combustione tecnica

Con la collaborazione diFrancesca Bonfà

Giovanni Narducci

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I edizione: maggio

Ai Grandi e ai Piccoli che vivono nella mia Casadedico

per le attese vissute con amoreche ad Essi ha chiesto

il lungo tempoimpegnato da questo traguardo.

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INDICE

CAP. 1 – FONDAMENTI 1.1 – Introduzione pag 15 1.1.1 – La combustione come processo chimico-fisico pag 17 1.1.2 – Apparati e dispositivi di combustione pag 18 1.1.3 – Connessione tra processo di combustione e impianto pag. 20 1.2 – Leggi di combustione pag. 22 1.2.1 – Legge di conservazione della massa pag. 22 1.2.2 – Leggi delle proporzioni in massa pag. 24

à Massa di combinazione pag. 24 1.2.3 – Legge di stato dei gas pag. 25

à Legge e Numero di Avogadro. La mole pag. 25 1.2.4 – Forme dell'equazione di stato per gas perfetti pag. 26

→ Il riferimento molare. La costante (universale) dei gas pag. 26 → Il riferimento massico. La costante del gas pag. 27 → Altri riferimenti pag. 28 → Grandezze termofisiche dei gas di combustione pag. 29

1.2.5 – Calori specifici dei gas pag. 29 → Calori specifici e complessità molecolare pag. 31

1.2.6 – Equazione di stato dei gas reali pag. 34

1.3 – Proprietà delle miscele gassose pag. 36 1.3.1 – Legge di Dalton pag. 38 1.3.2 – Legge di Gibbs pag. 39

1.4 – L’aria comburente pag. 42 1.4.1 – Aria umida. Punto di rugiada pag. 42 1.5 – Il I° Principio. Equazione dell’energia pag. 45 1.5.1 – Il bilancio energetico in presenza di combustione pag. 48 1.5.2 – Applicazioni del bilancio pag. 50

→ Camere di combustione. Scambiatori di calore. Processi isoenergetici

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1.6 – Il Secondo Principio : entropia, exergia, entalpia libera pag. 51 1.6.1 – Entropia pag. 51 1.6.2 – Exergia. Equazione dell’exergia pag. 53 1.6.3 – Energia libera pag. 58 1.7 – L’equilibrio chimico. Costante di equilibrio pag. 60

CAP. 2 – I COMBUSTIBILI 2.1 – Premessa pag. 63 2.1.1 – Combustibili solidi pag. 63 2.1.2 – Combustibili liquidi pag. 64

à Combustibili liquidi artificiali pag. 64 2.1.3 – Combustibili aeriformi pag. 65 2.2 – Proprietà generali dei combustibili pag. 66 2.2.1 – Composizione; rapporto C/H pag. 67

→ Caso degli idrocarburi pag. 68 2.2.2 – Calore di reazione. Potere calorifico pag. 73 2.2.3 – Temperatura di accensione pag. 74 2.2.4 – Limiti e intervallo di infiammabilità pag. 74 2.2.5 – Rapporto di miscela pag. 75 2.2.6 – Punto di rugiada dei prodotti pag. 76

2.3 – Combustibili solidi pag. 76 2.3.1 – Carboni. Origine e composizione pag. 76

à Analisi immediata pag. 77 à Analisi elementare pag. 79

2.3.2 – Tipologia e caratteristiche pag. 80 → Torba. Lignite. Carbone fossile. Antracite.

2.3.3 – Classificazione pag. 84 2.3.4 – Proprietà chimico-fisiche pag. 87 2.3.5 – Modalità di combustione del carbone pag. 93

à Il carbone polverizzato pag. 94 2.3.6 – Combustibili solidi artificiali pag. 94

à Coke di petrolio. Catrame di carbone. Pece. 2.3.7 – Combustibili speciali. Miscele carbone–liquido pag. 95 2.3.8 – Tecnologie avanzate. Il controllo dell’inquinamento pag. 96

à Combustione a letto fluido. Combustione di polverino. Gassificazione à Il controllo della CO2

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2.4 – Combustibili liquidi pag. 98 2.4.1 – Il petrolio pag. 98 2.4.2 – Derivati del petrolio pag. 101 2.4.3 – Caratteristiche e proprietà dei combustibili liquidi pag. 103 2.4.4 – Classificazione e impiego dei combustibili liquidi pag. 114 2.4.5 – Altri combustibili liquidi pag. 120

→ Oli di catrame. Oli da scisti e sabbie bituminosi. Oli usati → Combustibili liquidi alternativi → Il Petcoke

2.4.6 – Processo Gas to Liquid pag. 123

2.5 – Combustibili aeriformi pag. 123 2.5.1 – Il gas naturale pag. 124 2.5.2 – Combustibili aeriformi artificiali pag. 125

à Idrogeno pag. 126 à Prodotti di gassificazione. Gas di sintesi pag. 128

2.5.3 – Caratteristiche dei combustibili aeriformi pag. 128 à Temperatura di accensione. Intervallo di infiammabilità. Velocità di fiamma. à Numero o indice di Wobbe

2.5.4 – Impiego dei combustibili gassosi pag. 131 2.6 – Considerazioni generali di confronto pag. 132 2.7 – Combustibili alternativi pag. 134 2.7.1 – Rifiuti solidi urbani pag. 134 2.7.2 – Le biomasse pag. 137 2.7.3 – Biocombustibili pag. 139

à Il biodiesel. Il biogas da biomasse.

– Appendice. Modalità avanzate di impiego del carbone pag. 140 à Integrazione tra gassificatore e IGCC pag. 171

CAP. 3 – IL BILANCIO DI MATERIA 3.1 – Le reazioni di ossidazione pag. 143 3.1.1 – Ossidazione del carbonio pag. 144 3.1.2 – Ossidazione dell’idrogeno pag. 147 3.1.3 – Ossidazione dello zolfo pag. 147 3.1.4 – Ossidazione dell’idrocarburo CmHn pag. 148

→ Ossidazione del metano CH4 pag. 149 3.1.5 – Ossidazione degli alcoli pag. 149 3.1.6 – Riepilogo delle reazioni di ossidazione pag. 150

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3.2 – L’aria di combustione pag. 150 3.2.1 – L’aria teorica in massa pag. 151

à Combustibili solidi e liquidi pag. 151 à Combustibili gassosi pag. 152

3.2.2 – Il caso dell’idrocarburo CmHn pag. 152 à Rapporto di miscela stechiometrico pag. 153

3.2.3 – L’aria teorica in volume pag. 155 3.2.4 – L'aria effettiva. Eccesso d’aria pag. 157

→ Caso dei turbogas pag. 159 3.2.5 – La combustione in difetto d’aria pag. 159

→ Caso dei motori a combustione interna Rapporto di equivalenza

3.3 – Prodotti di combustione pag. 163 3.3.1 – Determinazione della massa dei prodotti pag. 163 3.3.2 – Determinazione del volume dei prodotti pag. 166 3.3.3 – Metodo dell’aumento di volume pag. 169 3.3.4 – Composizione dei gas combusti pag. 172 3.4 – Umidità dei gas combusti. Punto di rugiada acida pag. 176 3.4.1 – Punto di rugiada acida pag. 178 3.5 – Esempi di applicazione del bilancio di materia pag. 186

3.6 – La dissociazione. Composizione di equilibrio pag. 198

CAP. 4 – ENERGETICA DELLA COMBUSTIONE

4.1 – Premessa pag. 203 4.1.1 – Processi a p=cost e a V=cost pag. 203 4.1.2 – Curve Reagenti–Prodotti pag. 204 4.2 – Dispositivo di misura. Calore di reazione

a p=cost e a V=cost pag. 207 4.2.1 – Reagenti e prodotti allo stato aeriforme pag. 209 4.2.2 – Presenza di fasi liquide nei reagenti e nei prodotti pag. 210 4.3 – Il calore di formazione pag. 212 4.4 – L’equazione fondamentale della Termochimica pag. 218 4.4.1 – Applicazioni dell’equazione della termochimica pag. 222 4.4.2 – L’equazione per l’idrocarburo CmHn pag. 225

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4.4.3 – L’equazione per combustibili complessi pag. 227 4.5 – Calore di reazione e condizioni operative pag. 227 4.5.1 – Confronto dei calori di reazione a p=cost e V=cost pag. 227 4.5.2 – Dipendenza dalla temperatura. Legge di Kirchhoff pag. 229 4.5.3 – Osservazione sull’energia chimica pag. 232 4.6 – Potere calorifico pag. 234 4.6.1 – Potere calorifico superiore e inferiore pag. 235 4.7 – Valori, formule e diagrammi del potere calorifico pag. 239 4.7.1 – Regola di Dulong pag. 240 4.7.2 – Formule e diagrammi specifici per i carboni pag. 243 4.7.3 – Formule e diagrammi specifici per gli idrocarburi pag. 247 4.7.4 – Formule e diagrammi specifici per i liquidi commerciali pag. 250 4.7.5 – Formule e diagrammi specifici per i combustibili aeriformi pag. 254 4.8 – Tonalità termica della miscela pag. 256 4.9 – Diagrammi dei gas combusti pag. 260 4.9.1 – Diagramma del contenuto entalpico pag. 260 4.9.2 – Diagramma dell’entalpia volumica pag. 263 4.9.3 – Diagramma dell’entalpia massica pag. 269

CAP. 5 - IL BILANCIO DI COMBUSTIONE 5.1 – Il processo di combustione nei VdC tecnici pag. 275 5.1.1 – Equazioni del bilancio nei VdC tecnici pag. 277 5.2 – Il VdC adiabatico. Configurazione A* pag. 279 5.2.1 – Temperatura teorica di combustione pag. 280 5.3 – Processo effettivo. Temperatura di uscita pag. 297 5.3.1 – Configurazione A. Temperatura adiabatica effettiva pag. 297 5.3.2 – Configurazione B. Camera di combustione schermata pag. 298 5.3.3 – Configurazione C. Il generatore di vapore pag. 299 5.4 – Analisi delle perdite pag. 300 5.4.1 – Perdita per incompleta combustione pag. 300 5.4.2 – Perdita per imperfetta coibentazione pag. 310 5.4.3 – Perdita di efflusso dei gas combusti pag. 314

→ Perdita per calore sensibile pag. 318 5.4.4 – Altre perdite pag. 325 5.4.5 – Il minimo delle perdite. Scelta dell’eccesso d’aria pag. 326

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5.5 – Il recupero del calore di condensazione pag. 329 5.5.1 – Applicazione alla combustione di CH4 pag. 330 5.5.2 – Calcolo del rendimento di caldaie a condensazione pag. 332 5.6 – La temperatura di rugiada nei generatori di vapore pag. 335

CAP. 6 - IL CONTROLLO DELLA COMBUSTIONE 6.1 – Premessa pag. 339 6.1.1 – Diagrammi di controllo pag. 341 6.2 – Le equazioni di controllo pag. 342 6.3 – Triangolo di Ostwald pag. 346 6.3.1 – Costruzione del triangolo pag. 348 6.4 – Triangolo di Bunte pag. 356 6.4.1 – Tracciamento del triangolo pag. 356 6.4.2 – Analisi dell’incompletezza pag. 359 6.5 – Casi particolari di controllo pag. 363 6.5.1 – Il controllo e il rapporto C/H pag. 365

6.6 – Analisi metrologica dei gas combusti pag. 370 6.7 – Il problema degli NOx pag. 375 6.7.1 – Metodi di abbattimento pag. 377 6.8 – Il problema degli SOx pag. 378 6.9 – Il problema del particolato pag. 379 6.9.1 – Tecniche di rimozione ed evacuazione pag. 382 6.9.2 – Il recupero pag. 383 6.10 – Controllo delle esplosioni pag. 384

CAP. 7 - LA COMBUSTIONE E IL II° PRINCIPIO 7.1 – La produzione di entropia pag. 387 7.1.1 – Il calcolo di S pag. 387

7.2 – La variazione dell’exergia in combustione pag. 399

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7.2.1 – L’efficienza exergetica della combustione pag. 401 7.2.2 – Formule pratiche per l’exergia del combustibile pag. 403 7.2.3 – Exergia dei gas pag. 407

7.3 – Exergia del calore pag. 410 7.3.1 – Il diagramma Exergia–temperatura pag. 411 7.3.2 – Exergia dello scambio termico pag. 414

7.4 – Il rendimento exergetico del generatore pag. 417 7.5 – L’energia libera in combustione pag. 419 7.5.1 – Energia libera di formazione standard pag. 421 7.5.2 – Energia libera di formazione a temperatura T pag. 425 7.6 – Fattori di sviluppo di una reazione chimica pag. 430 7.6.1 – Energia di Gibbs ed equilibrio pag. 431 – Simbologia principale pag. 435 – Bibliografia pag. 437

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CAP. 1 – FONDAMENTI

1.1 – Introduzione Col nome di combustione si intende in generale un complesso e articolato

insieme di reazioni di ossidazione veloce di particolari specie chimiche, elementi e composti, con sviluppo di calore liberato dalla rottura dei legami tra gli atomi di esse.

L’elevata rapidità delle combinazioni chimiche, accompagnata in generale dalla presenza di una fase luminosa più o meno intensa detta fiamma, caratterizza la combustione come un processo di ossidazione esotermico del tutto particolare e distinto, e proprio per tale peculiare proprietà, le assegna un ruolo fondamentale nell’ingegneria termotecnica come modalità e mezzo di somministrazione del calore ad evoluzioni e cicli.

La sostanza i cui componenti si ossidano, con modalità e stati finali dipendenti dalle condizioni chimico-fisiche in cui il processo ha sede, prende il nome di combustibile; quella contenente ossigeno, o specie in grado di fornire ossigeno, si chiama comburente. L’insieme combustibile-comburente in idonea proporzione costituisce i Reagenti, mentre l’insieme delle sostanze in uscita dal processo costituisce i Prodotti di combustione praticamente consistenti in una miscela di gas di reazione ed inerti, salvo residui solidi (ceneri, depositi, incombusti solidi) peraltro di esigua entità.

I combustibili bruciati nell’impiantistica termodinamica e termotecnica – in generatori di vapore, forni industriali, motori, ecc – possono trovarsi inizialmente in tutti e tre gli stati fisici di aggregazione solido, liquido e aeriforme e anche in stati intermedi (semifluidi) ed essere di origine naturale o di provenienza artificiale. Si dicono naturali quei combustibili che sono utilizzati nelle condizioni chimico-fisiche in cui si trovano in natura senza variazioni chimiche, e artificiali quelli che provengono invece da processi di trasformazione di altre sostanze inizialmente anche non combustibili.

Poiché con riferimento ad un quadro generale del fenomeno anche il comburente può trovarsi nei tre stati fisici, si presentano varie combinazioni dei reagenti raccolte in Tab. 1.1.

Nella maggioranza dei casi le reazioni di ossidazione si sviluppano in fase gassosa ed è questa la modalità del fenomeno considerata nella trattazione. In effetti, anche con combustibili solidi quali legno e carboni si ha a che fare con fiamme di tipo diffusivo di natura aeriforme che traggono origine da vapori che fuoriescono dalla massa solida in seguito a processi di pirolisi e distillazione e bruciano miscelandosi con l’ossigeno dell’aria. Esistono peraltro importanti casi di combustioni localizzate in fase solida e liquida.

Le specie combustibili sono in generale strutture complesse che la combustione converte inizialmente in combustibili semplici, riconducibili a carbonio solido, a idrocarburi gassosi, a miscele di ossido di carbonio e idrogeno, o a combinazioni varie di questi, con processi chimico-fisici che precedono le

Capitolo I

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reazioni chimiche di ossidazione; ad es., ad opera del calore il carbone distilla liberando idrocarburi gassosi e carbonio solido mentre l’olio combustibile volatilizza in idrocarburi gassosi e crackizza in carbonio e idrogeno.

Tab. 1.1 – Combinazioni dei reagenti.

Stato dei reagenti

N° di fasi

Denominazione Esempi

gas – gas 1 Combustione in fase gassosa

Idrocarburi-aria (caldaie, forni, motori)

liquido– liquido

1 o 2 Propergoli liquidi idrazina (N2H4) (razzi)

gas–solido liquido–solido

2 Propergoli ibridi (litergoli)

solido–solido 1 2

Propergoli a 2 basi Propergoli compositi

Nitroglicerina Dinamite, ecc.

perclorato d’ammonio (NH4ClO4)

(razzi) Nella massima schematizzazione chimica ed energetica i componenti base

dei combustibili sono in definitiva gli elementi carbonio (C) e idrogeno (H). Ad essi si aggiunge lo zolfo (S), la cui presenza, in genere limitata al 5÷6%,

non interessa tanto il contributo energetico, che risulta in effetti modesto, quanto la molteplicità e complessità dei provvedimenti che è necessario predisporre per fronteggiare la natura altamente corrosiva e inquinante dei suoi composti ossidati.

Nelle combustioni della termotecnica industriale e della produzione di potenza l’ossigeno è quello dell’aria atmosferica che nella funzione di comburente può essere di fatto considerata una miscela ossigeno-azoto con presenza di umidità. L’ossigeno può trovarsi anche nel combustibile, ed è una presenza “interna” energeticamente negativa in quanto riduce la materia combustibile nell’unità di massa, e tuttavia con risvolto positivo perché riduce la richiesta “esterna” di comburente.

In alcuni settori industriali – siderurgia, produzione del vetro, cementifici – è frequente il ricorso ad aria arricchita in ossigeno (surossigenata) mentre l’impiego di ossigeno puro è riservato a processi speciali dove esso si trova direttamente disponibile e a lavorazioni tecnologiche (come il taglio e la saldatura dei metalli).

Quanto all’azoto, esso non partecipa alle reazioni, comportandosi come inerte, con trasferimento integrale dai reagenti ai prodotti, per cui nella vicenda massica-energetica esso svolge unicamente il ruolo di forte moderatore della temperatura raggiunta dai prodotti (fiamma, gas combusti), che con ossigeno puro sarebbe di fatto insostenibile per la gran parte delle sedi del processo.

In realtà, l’azoto interviene in misura rilevante nel contesto generale del

Fondamenti

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processo, generando la complessa questione degli ossidi NOx la cui formazione è inevitabile data la sua corposa presenza nell’aria comburente cui si aggiunge, per quanto modesta, quella nel combustibile. L’importanza del problema è testimoniata dalla serie di tecniche messe a punto per la loro riduzione, richiamate concisamente nel Cap. 6.

Altre sostanze rivestono importanza primaria in un’indagine generale sugli aspetti della corrosione innescata dai prodotti delle combustioni tecniche, che però va al di là dell’ambito di questa trattazione. Citiamo ad es. il vanadio, particolarmente nocivo in presenza di zolfo, i cui deleteri effetti sono oggetto di complesse tecniche di intervento a monte e a valle del processo mirate ad inibire la formazione di composti pericolosi (ossidi e sali) oppure alla loro rimozione una volta formatisi.

L’attenzione alle ripercussioni della combustione sull'inquinamento ambientale è andata crescendo nel tempo in misura sempre più intensa e pressante diventando di importanza paragonabile a quella dell'efficienza termoenergetica.

Peraltro, efficienza e “pulizia” del processo sono in qualche misura interdipendenti e in questo, oltreché nei costi dei dispositivi di abbattimento degli inquinanti, risiede la grande difficoltà di soluzione del problema. Un obiettivo primario resta comunque la riduzione degli incombusti – l’ossido di carbonio CO, i residui solidi (ceneri) – e delle emissioni dei composti dello zolfo e degli NOx al di sotto dei livelli tollerabili, peraltro soggetti ad abbassamenti continui. Il problema degli incombusti è diffusamente discusso nel Cap. 5.

1.1.1 – La combustione come processo chimico-fisico

Allo stato attuale le reazioni della fase gassosa di un combustibile con aria

comburente si innescano avvengono tra fluidi in contatto avvenuto prima dell’ingresso nella sede del processo oppure dopo l’ingresso; nel primo caso si parla di combustione premiscelata, nel secondo di combustione diffusiva.

Nella combustione diffusiva, tipica per non dire esclusiva degli impianti industriali, in particolare dei generatori di vapore, ma presente anche nella motoristica, i reagenti si miscelano per mutua diffusione e allorché le loro proporzioni rientrano nell’intervallo di infiammabilità (Cap. 2) può venire innescata l’accensione da una fonte di energia (candela, fiamma, ecc.).

È una modalità di combustione caratterizzata da elevata stabilità per ampio spettro di dosaggio dei reagenti, con presenza di un fronte di fiamma ad alta temperatura (incrementi di 1000÷2000 °C in decimi di mm), con forti gradienti termici, e di conseguenza con rilevante produzione di ossidi di azoto.

Con riferimento alla durata del processo, che è stabilita dal più “lento” dei due fenomeni principali che intervengono, cioè la diffusione e la reattività del combustibile, si parla di processo fisicamente o chimicamente controllato a seconda che per essa sia prevalente il primo o il secondo.

Nella combustione premiscelata, evidentemente correttamente dosata, la reazione è più rapida mancando il tempo di miscelamento. È caratterizzata da

Capitolo I

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facilità di regolazione agendo sul dosaggio e da temperature minori se si opera con miscele povere, con emissioni quindi minori. È più efficiente della diffusiva ma per contro presenta buona stabilità per un più ristretto spettro di dosaggi oltre al rischio di propagazione del fronte di fiamma verso l’arrivo dei reagenti (ritorno di fiamma), rischio peraltro molto ridotto con i bruciatori attuali.

In entrambe le modalità è presente un’elevata turbolenza che esalta la formazione di specie chimiche stabili e instabili, così come la sparizione di altre.

La riduzione degli NOx e l’attenuazione degli alti picchi di temperatura ha aperto la strada a combustioni caratterizzate da assenza di fiamma – citiamo la tecnologia MILD, Moderate and Intense Low-Oxigen Dilution – basate sull’impiego di comburente a basso tenore di ossigeno (minore che in aria per diluizione con inerti), impiegate nei processi siderurgici e di gassificazione dei combustibili fossili ed applicate nei turbogas alimentati a metano.

Nel corso del tempo è cresciuto l’interesse per la cinetica chimica che interviene in misura sostanziale nella rapidità del processo, proprietà essenziale soprattutto nella combustione motoristica dove la variabile tempo assume un’importanza decisiva. E all’interno della cinetica è andata crescendo l’importanza dei fenomeni elettrici all’interno delle fiamme, in cui da tempo è stata osservata la presenza di specie cariche, in particolare positive, che pur rimanendo di numero di molto inferiore a quello delle molecole neutre, vengono prodotte da reazioni di chemiionizzazione.

Le problematiche accennate sono oggetto di trattazioni altamente specialistiche che si occupano dei meccanismi di iniziazione (chain initiating), di propagazione (chain propagating) tra cui quelli di biforcazione (chain branching) e di ultimazione (chain terminating) delle reazioni di combustione e non rientrano negli scopi prefissi di questo volume.

1.1.2 – Apparati e dispositivi di combustione

La funzione essenziale di un apparato di combustione è di attuare una

conversione controllata e efficiente dell'energia potenziale chimica del combustibile in energia termica.

Approvvigionati i reagenti, la conversione avviene sostanzialmente in tre fasi rapidamente susseguentisi: • miscelamento dei reagenti; • accensione della miscela; • distribuzione del corpo di fiamma e della massa di gas di reazione nel

volume della camera. La perfetta riuscita di detta sequenza richiede le condizioni seguenti:

• ampio e stabile intervallo di accensione; • assenza di incombusti e presenza minima di O2 nei gas combusti; • esigua richiesta di energia di accensione ausiliaria per sostenere con

continuità la reazione; • corretta velocità di reazione tra combustibile e ossigeno;

Fondamenti

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• efficiente rimozione e trattamento dei residui solidi del combustibile (ceneri);

• pronta risposta a variazioni della potenza termica; • alto grado di affidabilità delle apparecchiature preposte con contenuti costi

di manutenzione. Ne emerge un complesso sistema impiantistico, per di più interconnesso

con altrettanto complessi sistemi di immagazzinamento, preparazione e alimentazione del combustibile così come dell'aria tramite le apparecchiature di tiraggio per il ricambio continuo dei reagenti.

Una grande attenzione va rivolta alla possibilità di arresto della combustione, evento che può rivelarsi estremamente pericoloso; di fatto, se non si interrompe subito l’alimentazione del combustibile, una ripresa accidentale della fiamma, per azione di fonti di energia anche casuali ed impreviste, può trovare accumuli di miscela reagente ed in tal caso un processo spazialmente e temporalmente guidato e controllato quale è la combustione, si trasforma in uno di velocità ed intensità incontrollate come l’esplosione.

L'esplosione di una camera di combustione deriva in sostanza dall’ingente incontrollata crescita del volume di gas allorché quantitativi troppo grandi di miscela reagente brucia simultaneamente in un involucro di volume e robustezza limitati. L’effetto è un rapido intenso aumento di pressione che dipende soprattutto dalla disponibilità di ossigeno ed è pertanto attenuato da qualunque mezzo che abbassi la sua concentrazione (presenza di inerti (N2), incremento di temperatura, abbassamento di pressione, sovrappiù di combustibile).

Poiché ogni miscela combustibile è in sé potenzialmente esplosiva è necessario che essa esista solo in prossimità dei dispositivi di combustione e allorché questi sono in funzione con esistenza di fiamma. Comunque, il provvedimento preventivo di base è contenere nei giusti limiti la quantità di miscela infiammabile in ogni punto della camera.

La prevenzione delle esplosioni è di estrema importanza per l'incolumità del personale, per il costo elevato delle riparazioni, per i danni che l'arresto del servizio produce in processi tecnologici o in forniture di energia.

La questione esula per la sua vastità e particolarità da questa trattazione; comunque, cenni sul controllo della possibilità di esplosione sono nel Cap. 6.

Tornando all’efficienza del processo, sono richiesti in particolare: • rapido passaggio delle specie combustibili in fase gassosa; • corretto dosaggio globale e locale della miscela di reagenti; • idonee condizioni termocinetiche per l’innesco e l’autosostentamento delle

reazioni; • la realizzazione di adatta forma e giuste dimensioni degli ambienti

contenitori del processo. La maggiore o minore facilità di raggiungere lo stato gassoso interviene in

misura rilevante sulla complessità delle varie fasi della combinazione chimica. Questo vale in particolare per la combustione del carbonio che è solido e

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vaporizza bene solo intorno a 3000 °C; di fatto, si ritiene che inizialmente avvenga, per effetto della penetrazione superficiale dell’ossigeno, la formazione di complesse sostanze marcatamente instabili, che non sono veri composti in quanto i rapporti atomici non sono in proporzione fissa e d’altro canto non sono miscele in quanto l’ossigeno non può essere estratto da esse.

Per l’ottenimento della temperatura di accensione necessaria all’innesco della combustione, si provvede con l’apporto esterno di energia termica generata in vario modo (arco elettrico, attrito ecc.) e si parla di accensione comandata, o per presenza di energia termica internamente alla miscela di reagenti e si parla di accensione spontanea o di autoaccensione.

Riguardo all’autosostentamento del processo, esso si raggiunge quando il calore liberato dalle reazioni è maggiore di quello che esce dall’ambiente; tale condizione dipende dall’entità della cinetica e quindi dalla temperatura che interviene sulla velocità di reazione.

Infine, per la idonea geometria della sede del processo risulta determinante la durata del processo di combustione attraverso il tempo di residenza necessario.

1.1.3 – Connessione tra processo di combustione e impianto

Lo studio teorico, lo sviluppo impiantistico, gli aspetti quantitativi e il

controllo della combustione investono ampi ed importanti settori del vivere moderno, con particolare riferimento alla termodinamica delle macchine e all’impiantistica termotecnica in generale.

Agli estremi del panorama ingegneristico troviamo il settore dei motori a combustione interna per autoveicoli, dove il processo di combustione si sviluppa anche in volumi piccolissimi (ordine dei cm3) con tempi che scendono a 0,001 s e il settore della generazione del vapore per usi industriali e produzione di potenza dove la combustione incontra volumi enormi (migliaia di m3) con tempi relativamente lunghi (0,1 s).

Nell’applicazione alla produzione di vapore diventa particolarmente evidente la connessione del processo di combustione con le scelte e le configurazioni impiantistiche, attraverso l’interazione combustibile-impianto che interviene sulla modalità di combustione, sulla cinetica chimica, sulla trasmissione del calore, sulla scelta dei materiali, sul dimensionamento dei componenti.

Di fatto, una volta determinata la potenza termica richiesta dal processo di generazione del vapore, si risale, nota la natura, la morfologia e le prestazioni del combustibile, alla portata di esso da cui risultano determinate – in base alle reazioni di ossidazione – le portate dell’aria comburente e dei gas combusti.

La portata dell’aria interviene nel dimensionamento dei condotti di adduzione, dei bruciatori, dei preriscaldatori e dei ventilatori dell'aria; la portata dei gas di combustione, unitamente alla loro trasmittanza risultante dalla temperatura, interviene nel dimensionamento di focolari e camere di combustione, nella configurazione degli scambiatori di calore e nel

Fondamenti

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proporzionamento delle varie zone all'interno di essi, nel dimensionamento dei ventilatori di tiraggio, degli apparati di abbattimento degli inquinanti, del camino, indirizzando infine nella scelta degli acciai per sistemi tubieri e strutture di supporto.

Particolare rilievo merita l’influenza del combustibile sulla geometria delle sedi della combustione; in particolare il volume dell’ambiente è condizionato dal tempo di residenza dei gas richiesto dalla durata delle reazioni e questa è a sua volta funzione della finezza e della reattività del combustibile mentre la forma geometrica dipende dalla configurazione del corpo di fiamma quale risulta da tipo, numero, grandezza e ubicazione dei dispositivi di combustione (bruciatori, griglie, letti fluidi), nonché dalle proprietà termoradiative dei prodotti (potere emissivo delle fiamme e dei gas, calori specifici, ecc.).

La Fig. 1.1 confronta camere di combustione di generatori di vapore di uguale potenzialità per gas naturale, olio combustibile e carbone bituminoso di qualità media.

Fig. 1.1 – Influenza del combustibile sulle dimensioni di camera: a) gas naturale, b) olio combustibile, c) carbone bituminoso medio; d), e) sezione verticale per carbone e olio combustibile (CC camera di combustione, B bruciatori, S surriscaldatori) [1][2P].

S S d) e)

a) b) c)