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 />
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<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 />
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<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 />
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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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