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Antonio Cavaliere » 19.Combustibili

I combustibili

La produzione di energia, principalmente basata su processi e tecnologie di combustione da fonti fossili, contribuisce attualmente per oltre il 90% alla produzione globale di energia.

Distribuzione della produzione di energia prodotta da combustibili fossili e da fonti rinnovabili

Distribuzione dei consumi energetici per settori

I derivati del petrolio e il gas naturale

I derivati del petrolio e il gas naturale sono i principali combustibili fossili utilizzati per la produzione di energia.

Evoluzione temporale della distribuzione dei consumi per classi di combustibili/fonti

Combustibili fossili

I combustibili fossili sono costituiti da Carbonio, Idrogeno e tracce di elementi/composti inorganici

Potere Calorifico

La combustione è una reazione fortemente esotermica dove i combustibili a base di carbonio e idrogeno reagiscono con l’ossigeno (aria) producendo calore.
Il calore di reazione prodotto per unità di peso (Kcal/Kg) dalla reazione di combustione è il potere calorifico.
La reazione elementare del Carbonio con l’O2 produce meno calore della reazione dell’Idrogeno con l’O2.
Pertanto i combustibili con un rapporto idrogeno carbonio più elevato hanno un potere calorifico più elevato.

Potere Calorifico

C + O₂ = CO₂ + 34.03 MJ/(kg di C)
4H + O₂ = 2H₂O +144.42 MJ/(kg di H2)
S + O₂ = SO₂ + 10.88 MJ/(kg di S)

Combustibili fossili gassosi e liquidi

Sono costituiti principalmente da Idrocarburi (composti di idrogeno, H, e carbonio, C) e eventuali tracce di elementi/composti inorganici (zolfo, azoto, ossigeno, metalli,ecc).

Il potere calorifico aumenta all'aumentare del contenuto percentuale di idrogeno

Idrocarburi

Gli idrocarburi si distinguono in alifatici e aromatici

Idrocarburi alifatici si distinguono in:

idrocarburi saturi, alcani o paraffine, sono idrocarburi con legami semplici a catena aperta o ciclica (cicloalcani)
idrocarburi insaturi sono idrocarburi in cui alcuni dei legami C-C sono doppi legami (alcheni) e tripli legami (alchini)

Alcano ……….. R-CH2-CH2-R ……… CnH2n+2
Alchene ……… R-CH=CH-R ……….. CnH2n
Alchino ………. R-C C-R ………………. CnH2n-2

Gli idrocarburi fino a 4 atomi di carbonio sono gassosi a pressione atmosferica e temperatura ambiente.
Gli idrocarburi da 4 atomi di carbonio in su sono liquidi a pressione atmosferica e temperatura ambiente.

Gli idrocarburi aromatici: benzene, derivati sostituiti del benzene e idrocarburi policiclici aromatici (IPA).

Gli idrocarburi aromatici: benzene, derivati sostituiti del benzene e idrocarburi policiclici aromatici (IPA)

Combustibili gassosi

Combustione ad alta efficienza
Stabilità di fiamma (bassa velocità di propagazione)
Facilità di trasporto
Basso contenuto di elementi contaminanti inorganici (basso impatto ambientale)

Un valore di massima della costante β_v per un gasolio o un olio combustibile è

$\beta_v=0.5\cdot10^{-6}\;m^2s^{-1}$

Integrando la

$\frac{dD^2}{dt}=\beta_v$

si ottiene

$D_0^2-D^2=\beta_vt$

per cui si può stimare il tempo di completa evaporazione di una goccia come

$t_v=D_0^2/\beta_v$

Una gocciolina di 100 μm evaporerà in un tempo attorno ai 10ms, mentre una più piccola di 10 μm sarà già scomparsa dopo 0.1 ms.

Combustibili Gassosi

I combustibili gassosi sono essenzialmente costituiti da idrocarburi alifatici (paraffine) da 1 atomo di carbonio (metano) fino a 4 atomi di carbonio (butano).

Gas naturale: metano (tracce di etano, propano, butano).

GPL gas petrolio liquefatto: propano (butano, pentano).

Altri Combustibili gassosi

Gas da carbone, torba, legno o biomasse
(combustione riducente in aria)

20-30% di CO, 10-20% di H2, 3-10% di CO2 e 45-55% di N2.

Syngas (aria e/o vapore su carbone o coke ad alta T)

H2O + …. → C CO + H2
C + ½ O₂ → CO

Combustibili Liquidi

Combustione ad alta efficienza

Facilità di stoccaggio e trasporto

Impatto ambientale in dipendenza del tipo di combustibile

Combustibili Liquidi

Dalle benzine all'olio combustibile aumenta il contenuto di aromatici e diminuisce la volatilità.

Proprietà fondamentali dei combustibili liquidi

Definizioni delle proprietà

La densità di una sostanza è definita come la massa che occupa un volume unitario alla temperatura di 15°C. Di uso comune è la densità relativa (specific gravity,sg) che è invece la densità della sostanza a 15°C rispetto alla densità dell’acqua pura.

La viscosità di un liquido è la resistenza al flusso dovuta alle forze d’attrito tra strati adiacenti del liquido. La viscosità diminuisce con l’aumentare della temperatura e determina la possibilità di pompaggio ed atomizzazione. La viscosità dinamica (assoluta) si misura in poise (N s/m²). La viscosità cinematica è la viscosità diviso per la densità misurata in stokes (cm²/s).

Il cloud point è la temperatura alla quale si formano i primi nuclei solidi.

Il pour point è la temperatura minima alla quale il combustibile congela completamente.

Il flash point è la minima temperatura alla quale il liquido prende (rapidamente) fuoco se esposto in prossimità di fiamma libera. Il flash point è, perciò, la massima temperatura cui il combustibile può essere trattato senza rischi di incendio.

La temperatura di autoignizione è la minima temperatura richiesta per sostenere la combustione in ambiente esposto all’aria atmosferica in assenza di scintilla o fiamma pilota.

Benzine

Proprietà critica: Numero di ottano

Il numero di ottano indica la tendenza all’autoaccensione di una benzina all’aumentare del rapporto di compressione in un motore a combustione interna. La scala del numero di ottano si ottiene assegnando numero di ottano 0 al n-eptano, che è poco resistente all’autoignizione e numero di ottano 100 all’iso-ottano in quanto molto resistente all’autoignizione.

n-eptano (n-C₇H₁₆) = 0
iso-ottano (i-C₈H₁₈) = 100

Nei motori ad accensione comandata l’autoaccensione non deve avvenire prima dell’accensione comandata per evitare il cosiddetto “battito in testa” (knock) quindi il numero di ottano deve essere il più elevato possibile.
Per aumentare il numero di ottano si possono aggiungere alle benzine delle sostanze antidetonanti. Come composti ossigenati (alcoli, eteri) o composti aromatici.

Gasoli

Proprietà critica: Numero di cetano

Il ritardo all’ignizione nei motori diesel (motori ad autoaccensione) è il tempo che intercorre tra l’iniezione del combustibile e l’autoaccensione.

Il numero di cetano (CN) caratterizza i diversi gasoli e combustibili per motori diesel sulla base del ritardo all’ignizione in condizioni standard.

Il cetano (n-esadecano), più rapido all’ignizione, viene posto arbitrariamente a 100.
l’iso-cetano (eptametil-nonano) ha numero di cetano 15.

Il numero di cetano della miscela di riferimento è definito come:

CN = (%cetano) + 0.15 (% iso-cetano)

Kerosene

Proprietà critiche: viscosità, pour point e cloud point

Il kerosene, normalmente utilizzato nei motori a turbine a gas e in particolare nei motori per aviogetti deve avere valori bassi di viscosità, pour point e cloud point per facilitare la vaporizzazione e evitare l’ostruzione degli ugelli nelle drastiche condizioni ambientali in cui i motori lavorano (problemi di sicurezza e di efficienza).

Olio combustibile

Proprietà critiche: viscosità e composizione

Gli oli combustibili sono i combustibili liquidi più pesanti per i quali il campo di distillazione, ed in particolare la temperatura finale di distillazione, è spesso non valutabile o comunque poco rappresentativa poiché i componenti più pesanti all’aumentare della temperatura subiscono reazioni di pirolisi piuttosto che semplice evaporazione. La viscosità è una proprietà critica poiché peggiora la formazione di spray determinando perdita di efficienza di combustione. La viscosità è determinata dalla composizione chimica ricca in composti aromatici pesanti che producono formazione di depositi e di particolati carboniosi. Il tenore di aromaticità così come il tenore di zolfo, sono in questa classe di combustibili particolarmente elevati e determinano l’emissione di inquinanti come il particolato solido carbonioso e gli ossidi di zolfo.

Combustibili Solidi

Combustione a bassa efficienza
Problemi di gestione dovuta alla formazione di ceneri ed elevato impatto ambientale
Basso costo

Classificazione e nomenclatura

(Composizione chimica, origine petrografica, potere calorifico)

Caratteristiche combustibili solidi

Biocombustibili

Biocombustibili di prima generazione

Motori diesel

Oli vegetali, ottenuti a partire da colture oleaginose (girasole, colza,ecc.) e oli esausti utilizzati generalmente sotto forma di derivati modificati chimicamente (esteri metilici) con il nome di biodiesel (fatty acid methyl ester,FAME).

Motori a benzina

Alcool etilico (bioetanolo), ottenuto da colture zuccherine o amidacee (barbabietola, cereali, scarti agricoli, legna,paglia) e suoi derivati di sintesi chimica come l’etere etil tert-butilico (ETBE).

Biocombustibili di seconda generazione

Biomasse BTL, ottenuti dalla trasformazione da biomassa a liquido.

Biocombustibili di terza generazione

Alghe.