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Terza Lezione La combustione - Teknologieimpianti

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<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

1


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

<strong>La</strong> sostanza combustibile può essere:<br />

•Solida<br />

•Liquida o<br />

•Gassosa.<br />

I combustibili utilizzati negli impianti di riscaldamento sono quelli visti<br />

precedentemente cioè:<br />

•Biomasse<br />

•Oli Combustibili di vario tipo<br />

•Gasolio<br />

•GPL<br />

•Metano<br />

•Biogas<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

I combustibili tradizionali sono costituiti principalmente da<br />

Carbonio (C) e Idrogeno (H) e hanno le le seguenti qualità:<br />

•Bruciando producono una grande quantità di calore<br />

•Subiscono una <strong>combustione</strong> completa con una minima<br />

produzione di inquinanti<br />

•Sono facilmente disponibili e hanno un basso costo.<br />

5<br />

6


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

I combustibili sono composti da carbonio ed idrogeno che vengono<br />

appunto detti elementi utili, perché con la loro ossidazione si produce il<br />

calore ricercato, sviluppando nella <strong>combustione</strong> una ridotta quantità di<br />

inquinanti.<br />

Nei combustibili possono essere<br />

presenti anche tracce di zolfo che<br />

invece è considerato negativamente<br />

perché produce una minore quantità di<br />

energia e perché nella <strong>combustione</strong><br />

produce anidride solforosa o solforica.<br />

Per poter bruciare un combustibile<br />

occorre portarlo a contatto con una<br />

determinata quantità d’aria (ossigeno)<br />

detta “aria comburente”<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Il comburente è rappresentato dall’ossigeno (O 2 ) presente nell’aria.<br />

L’aria si considera costituita dal<br />

21% di ossigeno e<br />

79% di azoto e altri gas che non partecipano al fenomeno<br />

<strong>La</strong> quantità d’aria strettamente necessaria alla<br />

<strong>combustione</strong> è definita “aria stechiometrica”, il<br />

valore della quantità di aria necessaria dipende<br />

dalle caratteristiche del combustibile.<br />

<strong>La</strong> quantità d’aria è tanto maggiore quanto più<br />

elevato è il potere calorifico del combustibile.<br />

7<br />

8


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Nella pratica non risulta sufficiente garantire il solo afflusso dell’aria<br />

strettamente necessaria alla <strong>combustione</strong> (aria stechiometrica o teorica),<br />

perché non tutte le molecole del combustibile possono venire a<br />

contatto con il comburente, occorre quindi aggiungere un quantità<br />

d’aria in eccesso, per essere certi che tutto il combustibile<br />

partecipi al fenomeno.<br />

L’aria in eccesso da fornire dipende dalla natura del combustibile, è<br />

minima per i combustibili gassosi che tendono naturalmente a miscelarsi<br />

con l’aria, è maggiore per i combustibili liquidi che devono essere<br />

nebulizzati ed è ancora maggiore per i combustibili solidi e le biomasse.<br />

Il differenza tra la quantità d’aria effettivamente utilizzata e quella<br />

necessaria (stechiometrica) e definito come “Eccesso d’aria” e viene<br />

solitamente individuato con la lettera e.<br />

e = aria effettiva - aria teorica<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Perché al <strong>combustione</strong> possa avere inizio è necessario che siano<br />

contemporaneamente presenti combustibile e comburente e che siano<br />

raggiunte le condizioni di accensione, cioè che sia raggiunta la<br />

temperatura di accensione.<br />

Deve esserci un innesco<br />

Antracite 450°C<br />

Legno secco 250°C<br />

Olio combustibile 330°C<br />

Metano 645°C<br />

9<br />

10


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Ogni combustibile è costituito da carbonio ed idrogeno ed in alcuni casi<br />

anche da zolfo.<br />

Per COMBUSTIONE TEORICA COMPLETA si intende la <strong>combustione</strong> di<br />

questi elementi utilizzando unicamente l’aria teorica .<br />

C + 1/2 O2 = CO + 111 kJ/mol<br />

C + O2 = CO2 + 394 kJ/mol<br />

S + O2 = SO2 + 297 kJ/mol<br />

2 H2 + O2 = 2 H20 + 242 kJ/mol<br />

1CO + 1/2 O2 = CO2 + 283 kJ/mol<br />

CH4 + 2 O2 = 2 H20 + CO2 + 803 kJ/mol<br />

CmHn + (m + n/4) O2 = m CO2 + n/2 H20<br />

mole come il valore della quantità<br />

(ad esempio espressa in grammi)<br />

di particelle uguale al peso<br />

molecolare di ogni singola<br />

molecola<br />

Forza: unità di misura è il Newton: forza necessaria per imprimere ad un corpo di massa<br />

di un kg un'accelerazione di 1 metro al secondo per secondo.<br />

<strong>La</strong>voro-Energia : unità di misura è il Joule 1 Joule = lavoro compiuto da forza di 1<br />

newton per produrre spostamento di un metro.<br />

Potenza: unità di misura è il Watt : è definito come lavoro/tempo; 1 Watt: 1 Joule in 1<br />

secondo<br />

Energia 3600J = 1 W/h Potenza<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Il valore del potere calorifico inferiore (è presente acqua sotto forma di<br />

vapore a fine <strong>combustione</strong>) per alcuni di questi idrocarburi è:<br />

propano, C 3 H 8 , 2.045 kJ/mol<br />

butano, C 4 H 10 , 2.660 kJ/mol<br />

esano, C 6 H 14 , 3.889 kJ/mol<br />

eptano, C 7H 16, 4.504 kJ/mol<br />

n-dodecano, C 12 H 26 , 7.580 kJ/mol<br />

11<br />

12


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Composizione media dell’aria atmosferica<br />

(aria secca a 273 K e 1013 mbar)<br />

%v/v %m/m<br />

Azoto 78,08 75,52<br />

Ossigeno 20,95 23,15<br />

Argon 0,93 1,28<br />

Anidride carbonica, 0,03 0,046<br />

Altro 0,01 0,00<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Calcolo dell’aria teorica per combustibili gassosi (monocomponenti)<br />

Per tutti i gas, in condizioni TPN, una mole occupa 22,4 litri: è possibile<br />

interpretare un’equazione chimica anche come una relazione tra volumi (litri o<br />

metri cubi) di gas purchè tutti siano riferiti alle stesse condizioni di TPN. Per<br />

esempio l’equazione di <strong>combustione</strong> del metano, in condizioni TPN,<br />

1 CH 4 + 2 O 2 = 2 H 2 0 + CO 2 + 803 kJ/mol<br />

può essere interpretata affermando che 22,4 litri (1 mole) di metano bruciano<br />

con 2(22,4) 44,8 litri di ossigeno e si producono 44,8 litri di acqua (vapore) e<br />

22,4 litri di anidride carbonica.<br />

13<br />

14


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Calcolo dell’aria teorica per combustibili gassosi (monocomponenti)<br />

Dalle equazioni (precedenti si ricavano i seguenti volumi di ossigeno. necessari<br />

per la <strong>combustione</strong> stechiometrica:<br />

1 m 3 di CH 4 richiede 2 m 3 di O 2<br />

1 m 3 di H 2 richiede 0,5 m 3 di O 2<br />

1 m 3 di CO richiede 0,5 m 3 di O 2<br />

1 m 3 di C 3H 8 richiede 5 m 3 di O 2<br />

1 m 3 di C mH n richiede (m + n/4) m 3 di O 2<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Calcolo dell’aria teorica per combustibili gassosi (monocomponenti)<br />

Con riferimento all’aria, ricordando che ad ogni m 3 di O 2 si accompagnano 3,76<br />

m 3 di N 2, si può riscrivere, per esempio, la reazione di <strong>combustione</strong> del metano<br />

e si ottiene:<br />

1 CH 4 + 2O 2 + 2 • 3,76 N 2 = 2 H 20 + CO 2 + 2 • 3,76 N 2<br />

cioè 1 m 3 di CH 4 richiede 9,52 m 3 di aria.<br />

In modo analogo si ricava che:<br />

1 m 3 di H 2 richiede 2,38 m 3 di aria.<br />

1 m 3 di CO richiede 2,38 m 3 d aria.<br />

1 m 3 di C 3 H 8 richiede 23,8 m 3 aria.<br />

15<br />

16


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Nella pratica non è possibile utilizzare il quantitativo di aria teorico ricavato dalla<br />

stechiometria delle reazioni di <strong>combustione</strong>: si dovrà utilizzare un volume (o una<br />

massa) di aria reale, Av (o Am). che sarà sempre maggiore del valore teorico<br />

Atv (o Atm).<br />

Il rapporto n = Av/Atv si chiama indice d’aria ed è pari a 1 solo per<br />

le condizioni stechiometriche (teoriche) mentre, nella pratica, n sarà sempre<br />

maggiore di 1.<br />

Nella letteratura tecnica è spesso utilizzato l’eccesso d’aria<br />

percentuale che è pari a:<br />

e (n -1) •100.<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Volume dei fumi prodotti nella <strong>combustione</strong><br />

L’espressione del volume dei fumi che si producono in una <strong>combustione</strong><br />

(completa!) è<br />

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 +<br />

ni/2)CmiHnj<br />

nella quale<br />

Gv rappresenta i metri cubi di fumi per metro cubo di combustibile gassoso<br />

bruciato.<br />

n • Atv è il volume reale di aria che entra nel focolare,<br />

0.21 • Atv : è il volume di ossigeno che viene consumato nella <strong>combustione</strong> e<br />

che quindi non si ritrova nei fumi.<br />

CO, H 2 , N 2 , CO 2 H 2 0 sono le concentrazioni volumetriche percentuali dei vari<br />

elementi (presenti nella miscela di gas combustibile in ingresso al focolare)<br />

che non partecipano chimicamente alla <strong>combustione</strong> o hanno rapporti<br />

stechiometrci pari a 1 (per esempio. 1 m 3 di N 2 entra nel focolare ed esce<br />

senza reagire mentre 1 m 3 di CO entra nei focolare, brucia, e forma 1 m 3 di<br />

CO 2 )<br />

CH4 è la concentrazione percentuale volumetrica di metano nel combustibile:<br />

ogni mole di metano, bruciando. produce 3 moli di prodotti.<br />

CmiHni sono le concentrazioni volumetriche percentuali degli idrocarburi<br />

gassosi presenti nel combustibile.<br />

17<br />

18


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Volume dei fumi prodotti nella <strong>combustione</strong><br />

L’espressione si può semplificare,<br />

CO + H 2 + CH 4 +O 2 + N 2 + CO 2 + H 2 0 + ΣCmHn<br />

nel combustibile in ingresso è pari al 100 %;<br />

con facili passaggi si ha:<br />

Gv = n Atv + 1-0,005(CO+3H 2 ) 0 0,0025 Σ((ni -4) CmiHni)<br />

Se si desidera esprimere la portata dei fumi in massa si ha:<br />

Gm = n • Atm + d combustibile<br />

Gm è espresso in kg di fumi per m 3 di combustibile.<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Volume dei fumi prodotti nella <strong>combustione</strong><br />

Nelle analisi dei fumi di <strong>combustione</strong> è spesso utile, o necessario,<br />

riferirsi ai fumi secchi cioè considerati senza la presenza in essi del<br />

vapore d’acqua che si forma dalla <strong>combustione</strong> dell’idrogeno e dei<br />

combustibili contenenti idrogeno.<br />

Dalla espressione di G è possibile ricavare la formula per il calcolo di [Gtv]fs<br />

cioè per il calcolo della portata dei fumi quando la reazione avvenga con<br />

aria stechiometrica e riferita ai fumi secchi: nella espressione di Gv,<br />

dobbiamo porre n =1 e sottrarre l’acqua che si forma dai combustibili<br />

contenenti idrogeno.<br />

Con facili passaggi si ottiene:<br />

[Gtv]fs = Atv + 1 - 0,005 (CO + 3 H 2 0) - 0002 CH 4 - 0,0025 [ Σ(ni+4) CmiHni]<br />

19<br />

20


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Volume dei fumi prodotti nella <strong>combustione</strong><br />

Con evidente significato dei simboli, si ha pure che il volume dei fumi secchi<br />

effettivo (cioè non stechiometrico ma con aria in eccesso) è dato da<br />

[G]fs = [Gtv]fs + (n-1)Atv<br />

GAS Fumi teorici<br />

secchi m 3 /m 3<br />

Fumi teorici umidi<br />

m 3 /m 3<br />

Aria teorica<br />

m 3 /m 3<br />

CH 4 , metano 8,52 10,52 9.52<br />

C 3H 8. propano 21,81 25,81 23,81<br />

C 4H10, butano 28,45 33,45 30,9<br />

GPL. (30% Butano, 70%<br />

Propano<br />

23,8 28,1 25, 9<br />

H 2 1,88 3,38 2,38<br />

Calcolo dell’indice d’aria n<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Con le notazioni finora adottate si può scrivere:<br />

[C0 2 ]fs stech = CO 2 /[Gtv ]fs • 100<br />

[C0 2 ]fs = CO 2 /[Gv]fs • 100<br />

Da queste relazioni si ottiene. con facili passaggi algebrici,<br />

[CO 2 ]fs stech / [CO 2 ]fs = 1 + (n-1) A/[Gv]fs<br />

che è l’espressione generale di calcolo di n;<br />

tale espressione quando il rapporto Atv/[Gv]fs sia circa pari ad 1, si semplifica<br />

nella<br />

[CO 2 ]fs stecn / [CO2]fs = n<br />

L’approssimazione Atv / [Gtv]fs ≈ 1 non è valida. In generale,<br />

1) se il combustibile è ricco d H 2 e CO:<br />

2) se il combustibile è ricco di N 2 :<br />

21<br />

22


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Condizioni ottimali per la <strong>combustione</strong> nella pratica tecnica<br />

In ogni <strong>combustione</strong> è necessario porre in intimo contatto il combustibile<br />

con l’ossigeno per assicurare un’elevata superficie di reazione e per<br />

consentire il raggiungimento di temperature sufficientemente elevate per<br />

tutte le molecole di combustibile garantendo così una sufficiente cinetica di<br />

reazione.<br />

Il combustibile inviato alla <strong>combustione</strong> deve bruciare completamente non<br />

essendo accettabile, né in termini energetici né in termini di inquinamento<br />

ambientale e sicurezza, la presenza di combustibile nei fumi scaricati.<br />

Per fornire a tutte le molecole di combustibile l’ossigeno necessario si deve<br />

utilizzare sempre un eccesso di ossigeno, e quindi di aria, rispetto ai valori<br />

ricavabili dalla stechiometria della reazione. Tale eccesso d’aria è, in<br />

generale, di valore crescente passando dai combustibili gassosi a quelli<br />

liquidi a quelli solidi per la evidente maggiore complessità di mescolare un<br />

combustibile solido con un gas rispetto ad un combustibile liquido o, meglio<br />

ancora, ad un combustibile gassoso.<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Non esistono valori giusti in assoluto per l’eccesso d’aria e per la temperatura<br />

dei fumi: si è infatti davanti ad un tipico problema di ottimizzazione tra<br />

esigenze contrastanti<br />

Si dovrebbe usare un eccesso d’aria quanto più piccolo possibile ed una<br />

temperatura più bassa possibile: in tal modo si minimizzano le perdite<br />

legate allo scarico dei fumi caldi; questa scelta però può avere effetti<br />

negativi:<br />

• sulla necessità di bruciare tutto il combustibile, per evitare pesanti<br />

perdite energetiche;<br />

• sulla durata della canna fumaria, che potrebbe essere sottoposta a<br />

fenomeni di corrosione dovuta a condense acide;<br />

• sulla necessità di avere comunque un sufficiente tiraggio al camino<br />

che, per tiraggio naturale, è proprio legato alle diverse densità di fluidi a<br />

temperature diverse.<br />

Le caldaie di potenza elevata sono in generale più efficienti e sofisticati: una<br />

piccola caldaia murale da 20 kW, con bruciatore atmosferico, può avere un<br />

indice d’aria pari a 1,5÷2,0 (50% o 1 00% di eccesso) mentre una caldaia da<br />

350 kW, con bruciatore dotato di serranda automatica. può avere un indice<br />

d’aria pari a 1,1 o 1,2 (cioè un eccesso d’aria di solo il 10% il 20%).<br />

23<br />

24


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Temperature e composizione dei fumi scaricati da un generatore di calore<br />

Emissioni in atmosfera<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

<strong>La</strong> norma tecnica UNI 10389 indica un valore massimo della concentrazione di<br />

monossido di carbonio CO, che può essere scaricato in atmosfera dai camini<br />

degli impianti di riscaldamento: questa indicazione sarebbe priva di senso se non<br />

fosse collegata al volume dei fumi che si producono bruciando unità di massa (o di<br />

volume) del combustibile utilizzato e, quindi, indirettamente, all’energia utilizzata.<br />

Nella UNI 10389 è, infatti, precisato che il valore della concentrazione limite di CO<br />

(pari a 1 000 ppm = =,1% v/v/) deve essere riferito alla condizione di prodotti<br />

della <strong>combustione</strong> secchi e senz’aria.<br />

In tal modo si garantisce che non sia utilizzata la diluizione dei fumi con aria<br />

come espediente per aggirare la limitazione sulla emissione di CO.<br />

In pratica è come se si facesse obbligo di assumere una situazione di<br />

funzionamento di riferimento (equivalente alla situazione reale di <strong>combustione</strong> ai<br />

soli fini controllo dell’emissione); questa situazione di riferimento è legata alle<br />

seguenti assunzioni:<br />

25<br />

26


Emissioni in atmosfera<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

• la massa di CO prodotta nella <strong>combustione</strong> reale per unità di massa (o di volume)<br />

di combustibile non cambia se si assume che la <strong>combustione</strong> avvenga in condizioni<br />

stechiometriche (senz’aria in eccesso!) cioè n = 1; in tal caso è minimo il volume dei<br />

fumi scaricati al camino e, quindi, massimo valore della concentrazione di CO;<br />

• la concentrazione di CO deve essere misurata in percentuale volumetrica.<br />

supponendo di condensare e separare dai fumi il solo vapore d’acqua<br />

eventualmente presente.<br />

In queste condizioni di riferimento la concentrazione teorica per fumi secchi COt, fs.<br />

È dunque un valore calcolato (e non misurato dall’analizzatore dei fumi)<br />

numericamente sempre maggiore del valore di COfs misurato; COt,fs è denominato<br />

CO corretto, CO non diluito, CO teorico, CO stechiometrico<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Si possono avere quindi quattro tipi di<br />

<strong>combustione</strong><br />

1 Stechiometrica;<br />

nel fumo non è presente l’ossigeno O 2 , ne vi<br />

sono tracce di combustibile, L’aria teorica<br />

(A tv ) coincide con quella reale (A v )<br />

n= A v/ At v = 1<br />

27<br />

28


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Nel fumo è presente solo<br />

Anidride carbonica<br />

Acqua<br />

Azoto<br />

Ed eventuali tracce di Zolfo<br />

2 In eccesso d’aria:<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

nel fumo non ci sono residui di combustibile<br />

incombusto, è la condizione tipica di funzionamento<br />

delle caldaie.<br />

L’aria teorica (A tv ) è minore di quella reale (A v ). Nel<br />

fumo sono presenti H 2 O, CO 2 , O 2 , ossidi di azoto ( e<br />

zolfo)<br />

n= A v/ At v > 1<br />

Nel fumo è presente: ossigeno, anidride carbonica, acqua, azoto,<br />

ossidi di azoto, e tracce di anidride solforosa (eventuale)<br />

29<br />

30


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

3 In difetto d’aria(condizione d’aria(condizione<br />

di malfunzionamento):<br />

malfunzionamento) :<br />

nel fumo non è presente l’Ossigeno, l’Ossigeno,<br />

ma<br />

è presente combustibile incombusto,<br />

H2O, O, CO 2, CO, ossidi di azoto (e zolfo) e<br />

fuliggine<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

4 Incompleta(indice (indice di malfunzionamento):<br />

malfunzionamento)<br />

nel fumo sono presenti combustibile<br />

incombusto, l’ossigeno, H 2O, CO 2, CO,<br />

ossidi di azoto ( e zolfo) e fuliggine nel<br />

caso di combustibili liquidi (la situazione può<br />

presentarsi anche durante i transitori di funzionamento, in<br />

caso di cattiva miscleazione del combustibile ed aria, nel caso<br />

di temperatura di <strong>combustione</strong> troppo bassa)<br />

31<br />

32


lI triangolo di Ostwald<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Sulla base delle reazioni di <strong>combustione</strong> e dei bilanci di materia è possibile<br />

correlare tra loro, per ogni specifico combustibile, i seguenti quattro<br />

parametri:<br />

• la concentrazione di CO 2 percentuale nei fumi secchi;<br />

• la concentrazione di O 2 percentuale nei fumi secchi;<br />

• la concentrazione di CO percentuale nei fumi secchi;<br />

• l’indice d’aria n (oppure l’eccesso percentuale d’aria e).<br />

Noti due di questi parametri è sempre possibile ricavare il valore degli altri<br />

due: in forma grafica questa relazione è riportata nel triangolo di ostwald.<br />

Esistono trinagoli di Ostwald tipici di ogni combustibile, a seguire è<br />

riportato quello del metano.<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

lI triangolo di Ostwald<br />

Il triangolo di Ostwald relativo al gas metano.<br />

Con riferimento, per esempio, al triangolo di Ostwald del gas<br />

metano osserviamo che:<br />

• il punto rappresentativo delle condizioni della <strong>combustione</strong><br />

deve cadere all’interno del triangolo:<br />

• considerando la retta CO = 0, cioè <strong>combustione</strong> perfetta<br />

senza incombusti, notiamo che essa interseca l’asse delle<br />

ascisse in un punto di coordinate (11,7; 0) cioè al valore CO 2<br />

= 11,7 ed O 2 = 0, che significa <strong>combustione</strong> stechiometrica<br />

con eccesso d’aria pari a zero; la stessa retta interseca asse<br />

delle ordinate nel punto (0: 21) cioè <strong>combustione</strong> con<br />

eccesso d’aria tendente ad infinito (O 2 nei fumi≈ all’O 2<br />

nell’aria = 20.9%) e concentrazione di CO 2 praticamente<br />

zero.<br />

33<br />

34


lI triangolo di Ostwald<br />

lI triangolo di Ostwald<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

35<br />

36


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Due parole sulla <strong>combustione</strong> delle biomasse<br />

Il legno è, in sostanza, un magazzino di energia solare.<br />

Le foglie degli alberi agiscono come piccoli pannelli solari che assorbono<br />

l’energia irraggiata dal sole, utilizzandola per convertire acqua, anidride<br />

carbonica e minerali in materia organica, il legno. Accendere un fuoco di legna<br />

significa liberare questa energia.<br />

Due cose sono necessarie perché il legno bruci: ossigeno ed alta temperatura.<br />

In un focolare per bruciare il legno efficacemente deve essere mantenere alta la<br />

temperatura interna e fornire di ossigeno sufficiente per consumare quanta più<br />

legna e gas possibile.<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Due parole sulla <strong>combustione</strong> delle biomasse<br />

Quando il legno brucia, passa attraverso tre fasi di <strong>combustione</strong>:<br />

1.L’umidità evapora dal legno per azione del fuoco circostante. Qualunque<br />

legno contiene una certa percentuale di umidità. Poiché parte del calore<br />

prodotto dal fuoco è impiegata nella sua evaporazione , è molto più<br />

conveniente, ed anche meno inquinante, usare legno stagionato (max 20%<br />

di umidità) piuttosto che legna verde tagliata di fresco (50% o più di<br />

umidità). Questa fase è completa quando il legno raggiunge la temperatura<br />

di 100°C (Punto di ebollizione dell’acqua)<br />

2.Aumentando la temperatura, il legno si decompone in gas volatili e<br />

carbone. Il legno prende fuoco ad una temperatura compresa tra i 260°C<br />

ed i 315°C, bruciando la carbonella ed una piccola percentuale dei gas. <strong>La</strong><br />

maggior parte dei gas, comunque, sfuggirà per il camino, a meno che la<br />

temperatura nella stufa sia sufficientemente alta da bruciarli. (fase 3) Una<br />

volta nel camino, i gas si combinano con l’umidità per formare creosoto.<br />

37<br />

38


<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Due parole sulla <strong>combustione</strong> delle biomasse<br />

3.I gas e il carbone bruciano. Il carbone comincia a bruciare emettendo<br />

calore tra i 540°C ed i 705°C, riducendosi in cener e. In questa fase si<br />

produce la maggior parte del calore sfruttabile. I gas volatili si accendono<br />

tra i 600°C ed i 650°C, purché abbiano sufficiente ossigeno. I gas di rado<br />

raggiungono questa temperatura, a meno che non siano in qualche modo<br />

confinati e dirottati verso la fiamma, od in un area della camera di fuoco<br />

dove questa temperatura sia stata raggiunta. L’efficienza delle stufe<br />

dipende dalla loro capacità di ottenere questo.<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Due parole sulla <strong>combustione</strong> delle biomasse<br />

Potere calorifico del legno<br />

Il potere calorico dipende dalla qualità del legno e dal tasso di umidità. In<br />

media, si possono ottenere i seguenti valori per Kg. di legno anidro: Frondoso<br />

4300 Kcal/Kg, Resinoso 4600 Kcal/Kg. A fronte di uguale peso, i legni resinosi<br />

hanno dunque un potere calorico superiore agli altri legni. Questa diversità è<br />

compensata da una maggiore densità dei legni frondosi.<br />

Aria in eccesso<br />

Come tutti i combustibili, il legno ha bisogno di una certa quantità di aria ( circa<br />

5 mc di aria per kg ) per bruciare completamente. Poiché il legno è un<br />

combustibile solido, e si miscela con difficoltà con l’aria, è necessario fornire una<br />

quantità di aria in eccesso ( fino ad un totale di 8 mc per kg.). Tale aria in<br />

eccesso, naturalmente, non viene in realtà bruciata, e viene espulsa dalla canna<br />

fumaria, trascinando con sé, però, una parte del calore prodotto. Questo è uno<br />

dei motivi per cui il rendimento del legno come combustibile è inferiore a quello<br />

di combustibili gassosi, come il metano, o vaporizzabili, come il gasolio, che<br />

miscelandosi intimamente con l’aria, hanno meno bisogno di averne in eccesso.<br />

Soltanto in generatori molto sofisticati si riesce ad ottenere la gasificazione della<br />

legna, ed un rendimento altissimo.<br />

39<br />

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<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Due parole sulla <strong>combustione</strong> delle biomasse<br />

Residui della <strong>combustione</strong>.<br />

Il legno, qualunque sia la sua origine, è costituito da una parte organica<br />

combustibile( la cui composizione chimica media è Carbone 50%,Ossigeno<br />

42,5%, Idrogeno 6,5%, Azoto 1%), da una parte minerale inerte, e dall’acqua. Le<br />

sostanze organiche, cioè le resine, i tannini, ed i polimeri (cellulosa, emicellulosa<br />

e lignina), per azione della ossidazione ad alta temperatura durante la<br />

<strong>combustione</strong>, subiscono delle profonde modificazioni chimiche, liberando<br />

energia e producendo dei residui, che, a seconda della qualità della<br />

<strong>combustione</strong>, possono variare entro certi limiti. I principali residui sono:<br />

Le ceneri costituiscono dal 2 al 3 % della massa anidra del legno e sono il<br />

residuo della sua parte minerale (silicio, calcio, magnesio, potassio, acido<br />

fosforico, etc.)<br />

Ossidi di Azoto..<br />

Ossidi di Zolfo.<br />

Ossidi di carbonio.<br />

<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Due parole sulla <strong>combustione</strong> delle biomasse<br />

Residui della <strong>combustione</strong>.<br />

L’anidride carbonica (Biossido di carbonio) Idrocarburi incombusti Le molecole<br />

che costituiscono la parte organica del legno sono estremamente stabili: occorre<br />

un’alta temperatura per spezzarle ossidandole, come abbiamo visto descrivendo<br />

la terza fase della <strong>combustione</strong> della legna.<br />

I creosoti sono idrocarburi aromatici e poliaromatici fortemente ossigenati e<br />

costituiscono buona parte della condensa che si forma nelle canne fumarie per<br />

cattiva <strong>combustione</strong>. Mescolati alla fuliggine, formano delle incrostazioni nelle<br />

canne fumarie, specie dei camini tradizionali, che possono essere causa, se non<br />

periodicamente rimosse, di pericolosi incendi. I creosoti si formano soprattutto<br />

quando la temperatura dei fumi nella canna fumaria è bassa. Questo consente<br />

alla condensa di aderire alle pareti.<br />

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<strong>La</strong> <strong>La</strong> <strong>combustione</strong><br />

Due parole sulla <strong>combustione</strong> delle biomasse<br />

Residui della <strong>combustione</strong>.<br />

<strong>La</strong> fuliggine è un altro risultato della <strong>combustione</strong> incompleta. E’ costituita<br />

fondamentalmente da carbone puro (98%). Assorbe facilmente la condensa dei<br />

creosoti, fissandola alle pareti della canna fumaria.<br />

<strong>La</strong> condensa si forma facilmente bruciando legna verde in impianti dotati di<br />

canne fumarie non ben coibentate. <strong>La</strong> prima fase della condensa è costituita<br />

soprattutto dal vapore acqueo risultato della rapida essiccazione della legna<br />

nella camera di fuoco. Successivamente, col progredire della <strong>combustione</strong>, si<br />

forma condensa dagli idrocarburi incombusti, di cui abbiamo già parlato, E’ un<br />

liquido scuro, oleoso, maleodorante, infiammabile e di facile infiltrazione. Si può<br />

evitare soltanto bruciando buona legna in impianti realizzati correttamente, con<br />

una buona canna fumaria.<br />

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