Antonio Cavaliere » 1.Combustione: introduzione ed aspetti tecnologici

Introduzione ed aspetti tecnologici

Sommario

• Definizione di “combustione”
• Aspetti energetici
• Aspetti ambientali
  • Inquinamento
  • Sicurezza
  • Distruzioni di materiali

• Aspetti connessi alla produzione di materiali
• Complessità dei processi di combustione

Definizione di “combustione”

“La combustione è un processo caratterizzato da reazioni di ossidazione, esotermiche, con alta energia di attivazione”.

Piuttosto che parlare di reazione di ossidazione, si dovrebbe più propriamente parlare di reazioni di ossido-riduzione in cui le specie ossidanti e riducenti vengono chiamate rispettivamente comburente e combustibile .

Definizione di “combustione”

Il comburente più comune è l’ossigeno (generalmente aria), ma anche altre specie possono fungere da ossidanti (ad esempio gli alogeni come fluoro e cloro). Alcuni composti non sono comburenti in generale ma solo in particolari combinazioni con forti riducenti ed in particolari condizioni di innesco. Ad esempio l’ossido ferrico (Fe₂O₃) in combinazione con l’azoto o il boro può formare alcuni tipi di nitruri e boruri; mentre il tetrossido di azoto (N₂ O₄)in combinazione con l’idrazina(N₂ H₄) può formare acqua e altri tipi di ossidi di azoto.

Definizione di “combustione”

Il combustibile più comune è quello di natura organica (CnHm). Altri combustibili sono il fosforo, lo zolfo, il magnesio, il boro, l’alluminio, l’ammoniaca,l’idrazina ecc. L’alluminio è un riducente così forte che, mescolandolo con polvere di ossido di ferro (termite) ed innescando opportunamente la reazione, produce una forte reazione esotermica generando Fe e Al₂O₃. Anche un filo di ferro brucia in atmosfera di ossigeno dando luogo a tetrossido di ferro.

Definizione di “combustione”

L’elevata energia di attivazione del processo significa che la combustione procede significativamente solo alle alte temperature e pertanto vengono attivati un’altra serie di fenomeni legati alle alte temperature e tra questi quello maggiormente caratterizzante la combustione è l’ irraggiamento da parte di specie eccitate per via “chimica” o termica. Infine la forte esotermicità, accoppiata all’alta energia di attivazione, implica che c’è un meccanismo di autosostentamento delle reazioni e che queste possono procedere sempre più velocemente.

Aspetti energetici

I consumi energetici di un paese industrializzato si possono schematizzare come suddivisi in quattro settori di dimensioni paragonabili: industriale, domestico, del trasporto ed elettrico. I primi tre debbono essere considerati relativi a quote al netto dei consumi di energia elettrica.Accade che, in gran parte dei paesi industrializzati, questi settori siano coperti quasi esclusivamente da energia proveniente dalla combustione dei combustibili fossili. Ad esempio nel comparto industriale, oltre ad energia elettrica, si consumano rispettivamente:

a) combustibile solido nell’industria metallurgica

b) combustibile gassoso nell’industria del vetro

c) combustibile liquido in gran parte dei forni

E’ difficile pensare che energia eolica, solare, idrica o geotermica possano sostituire nel prossimo futuro, una quota rilevante di energia in questo comparto.

Aspetti energetici

Nel settore domestico gran parte del consumo, sempre al netto delle utenze elettriche, è da addebitare al riscaldamento degli ambienti, dell’acqua sanitaria o dei cibi. Anche in questo caso è praticamente impossibile l’uso dell’energia eolica o idrica ed è solo parzialmente impiegabile l’energia solare e geotermica.

Infine, nel settore del trasporto, le utenze non elettriche sono esclusivamente alimentate da combustibili fossili e nella maggior parte dei casi da combustibili liquidi, per le sue caratteristiche di facile stivabilità. A parte l’attività velistica e qualche applicazione spaziale è difficile fare degli esempi in cui altri tipi di energia vengano impiegati in questo settore.

Aspetti energetici

Ovviamente esistono delle applicazioni particolari in cui l’uso dei quattro tipi di energia rinnovabile sopra citati siano insostituibili per una frazione non trascurabile ma sempre minoritaria di un settore complessivo.Al contrario, l’energia elettrica può sottrarre grandi fette di consumo a questi settori. E’ possibile in linea di principio riscaldare le case per via elettrica, costruire ed usare auto elettriche e così via.

Aspetti energetici

In conclusione l’unico settore in cui è significativo fare delle scelte energetiche “strategiche” è quello elettrico. Una volta determinata la quota di energia elettrica prodotta, il saldo energetico complessivo sarà quasi esclusivamente basato sulla combustione di combustibili organici fossili e/o sintetici . Così pure, una volta fissata la quota di energia elettrica prodotta per via nucleare, il saldo nel settore elettrico sarà in grande parte dovuto, ancora, ad energia derivante da combustibili organici fossili e/o sintetici. E’ opportuno evidenziare che per combustibile organico deve intendersi sia quello di origine fossile che quello di più recente origine vegetale (biocombustibili, carta, legna etc.).

Aspetti ambientali

Inquinamento

Il fatto che un sistema di combustione debba raggiungere degli alti rendimenti di conversione del combustibile verso i prodotti di alto livello di ossidazione non è dettato solamente dal vincolo imposto da considerazioni di “risparmio ” energetico. Infatti ad alti livelli di efficienza di combustione corrispondono emissioni di prodotti relativamente poco nocivi. Ad esempio nel caso dei combustibili fossili l’idrogeno deve convertirsi in acqua e il carbonio deve convertirsi in anidride carbonica.

Aspetti ambientali

Inquinamento

Nel primo caso un grado di ossidazione intermedia porterebbe alla formazione di radicali ossidrilici, che sono molto dannosi perché sono a loro volta intermedi nella formazione di molte altre specie nocive. Ovviamente questo radicale è instabile in condizioni tipiche della gran parte degli scarichi per cui è difficile ritrovarlo in concentrazioni apprezzabili. Il carbonio può essere ossidato ad un livello intermedio di ossidazione, dando luogo al monossido di carbonio. In questo caso si è in presenza di un composto altamente tossico, per cui , oltre alla perdita energetica a cui si accennava prima, si va incontro ad un rischio oggettivo per la popolazione esposta a scarichi ricchi di tale monossido.

Aspetti ambientali

Inquinamento

Infine anche tutti gli idrocarburi che non si siano affatto ossidati, ma solo parzialmente pirolizzati, comportano, non solo una perdita energetica, ma anche un forte fattore di rischio. Infatti gran parte di questi composti sono sicuramente tossici come ad esempio i composti aromatici o i più pesanti prodotti di pirolisi che si conoscano, ovverosia le particelle di fuliggine.

Aspetti ambientali

Inquinamento

Inoltre il combustibile può portare con se altri atomi che,nel processo di combustione ad alta temperatura, possono dare luogo ad altri tipi di inquinanti. E’ il caso dello zolfo , dell’azoto e di altri elementi presenti ancora in minore concentrazione, come il vanadio, il sodio, il cloro e così via. Infine anche il comburente può contribuire alla formazione di inquinanti. E’ il caso degli ossidi di azoto formati dall’ossidazione dell’azoto dell’aria.La formazione di questi inquinanti, non solo può essere favorita da alcune condizioni in cui avviene il processo di combustione, ma a volte può essere addirittura in competizione con lo stesso processo di ossidazione del combustibile.

Aspetti ambientali

Inquinamento

L’effetto dell’immissione massiccia di anidride carbonica nell’atmosfera terrestre sugli equilibri climatici planetari è oggetto di continui studi. L’effetto serra attribuito alla presenza di tale anidride è al centro dell’attenzione scientifica.

La formazione di anidride carbonica è quasi il fine pratico della combustione nel suo complesso. Pertanto sembra un non senso cercare di ridurne la formazione se non diminuendo il consumo di combustibile migliorando così ancora una volta tutti i rendimenti e tra questi anche quelli di combustione.

Aspetti ambientali

Inquinamento

La scelta di impiego o meno dell’energia primaria di tipo fossile non dipende dall’avanzamento delle conoscenze nel campo della combustione sulla formazione di anidride carbonica, ma da considerazioni chimico-fisiche che riguardano sia la possibilità di separare, anche grazie a speciali processi di combustione, l’anidride carbonica per successiva “sequestrazione”, sia l’evoluzione e l’incidenza della stessa sull’effetto serra.

Aspetti ambientali

Inquinamento

Lo studio e la ricerca nel campo della combustione possono essere di grandissimo aiuto nell’abbattimento degli altri inquinanti (diversi dall’anidride carbonica) anche durante il processo di combustione stesso.

A volte il processo può essere ottimizzato nel senso di ridurre la formazione di un inquinante, per rientrare entro determinati limiti di sicurezza. Altre volte si possono scegliere delle condizioni di combustione che permettano di formare un altro inquinante, in sostituzione del primo, che sia più facile da separare.

Aspetti ambientali

Sicurezza

La combustione è il più antico processo chimico conosciuto dall’uomo, almeno nelle sue manifestazioni esterne. Ciò è dovuto essenzialmente alla sua comparsa negli incendi accidentali. La conoscenza dei processi che regolano gli incendi implica di conseguenza la possibilità di prevenire, di estinguere o limitare i danni di tali incendi. I possibili campi di rischio in questo caso non sono solo i tradizionali ambienti naturali o gli insediamenti urbani, ma anche tutti i mezzi di trasporto e soprattutto gli ambienti industriali.

Aspetti ambientali

Sicurezza

Altri possibili accadimenti catastrofici connessi alla combustione sono le esplosioni e le detonazioni che hanno generalmente luogo a partire da ambienti saturi di miscele di combustibile-comburente. Anche in questo caso si possono ridurre i fattori di rischio conoscendo preventivamente quali siano le condizioni in cui tali processi hanno luogo più facilmente o con maggiore intensità.

Aspetti ambientali

Distruzioni di materiali

Distruzioni di materialiUna grande parte di rifiuti ha un alto contenuto di materiale ossidabile ad alta temperatura. Ciò comporta che questi rifiuti possano essere trattati attraverso processi di combustione per essere completamente ossidati o trasformati in altri materiali meno nocivi da conservare.

Bisogna, allora, tener conto della formazione massiccia di residui, in gran parte solidi.

Questi vengono denominati “ceneri di fondo” quando rimangono nella zona di combustione o “ceneri volanti” quando sono trasportate verso lo scarico.

Aspetti ambientali

Distruzioni di materiali

Nelle ceneri vanno annoverate anche quelle specie solide non organiche che si formano direttamente nel processo di combustione, subendo esse stesse una parziale o totale alterazione di composizione chimica. Infine a queste categorie di prodotti, strettamente connessi al processo di distruzione del rifiuto, vanno ovviamente aggiunti gli inquinanti tipici dei processi di combustione di fossili, già descritti prima, e quelli che nascono dalla interazione dell’ossidazione della parte organica con quella inorganica, come le diossine.

Aspetti connessi alla produzione di materiali

A volte le stesse sostanze che sono considerate come inquinanti in gran parte dei sistemi di combustione, sono il prodotto desiderato di alcuni processi industriali. E’ il caso, ad esempio, della fuliggine che deve essere ridotta al minimo in tutti gli scarichi per soddisfare i limiti imposti dai regolamenti anti-inquinamento. Praticamente la stessa sostanza, sotto il nome di nero fumo é un componente importante nelle mescole per pneumatici.

Aspetti connessi alla produzione di materiali

La possibilità di ricavare materiali da processi di combustione deve essere, ovviamente, valutata comparativamente rispetto ad altri processi sotto il profilo economico. Vi sono, comunque, dei casi in cui il processo di combustione diventa insostituibile per le particolari caratteristiche intrinseche dei materiali ottenuti o per la loro particolare conformazione, raggiungibile solo nelle condizioni realizzate dalla combustione. In genere, in questo caso, si tratta di materiali in cui il combustibile non é di natura fossile ed il comburente non è l’aria. Inoltre il prodotto principale di combustione è generalmente solido per cui l’emissione di prodotti gassosi può essere trascurabile. Per questa ragione tale processo viene denominato “combustione senza gas”. Altre volte più correttamente si usa parlare di ” sintesi autopropagante ad alta temperatura”; con quest’ultima definizione si vuole mettere in evidenza quale sia l’analogia con le combustioni propriamente dette, ovverosia che si tratta di reazioni esotermiche, ad alta energia di attivazione.

Aspetti connessi alla produzione di materiali

Esempi di materiali ottenuti con tali processi di combustione sono una vasta gamma di nitruri, carburi, boruri, siliciuri, carbocuprati ed in generale di composti intermetallici e ceramiche superconduttrici. Esempi di applicazioni semiindustriali sono registrate nel campo non solo della sintesi dei materiali, ma anche della loro sinterizzazione, saldatura, ricoprimento in lamina sottile e compattazione.Infine bisogna tener conto che alcuni materiali, pur non essendo dei prodotti di combustione, beneficiano di trattamenti( generalmente di natura termica), che si accoppiano così strettamente con i processi di combustione che ne condizionano le caratteristiche. Ad esempio un bagno di vetro può essere tenuto ad alta temperatura da una fiamma che ne lambisce il pelo libero a condizione che in essa non vi siano particolati che possano generare inclusioni indesiderate.Si tratta in generale di impartire alla fiamma determinate caratteristiche fluidodinamiche, di forma o di composizione per migliorare lo scambio radiativo o convettivo oppure per impedire il contatto del materiale con alcuni prodotti di combustione.

Complessità dei processi di combustione

In molti sistemi di combustione di rilevante interesse tecnologico si tratta di processi associati all’evoluzione di un mezzo plurifase in condizioni turbolente e reattive.

Ad esempio una semplice fiamma alimentata ad olio combustibile prevede l’atomizzazione, la dispersione e la vaporizzazione di una fase liquida, seguita da uno stadio di mescolamento e miscelamento turbolento di una singola fase gassosa multicomponente a cui si accompagnano una rete di migliaia di reazioni elementari in serie ,in parallelo e a catena ramificata. Molti di questi sottoprocessi sono a loro volta di difficile caratterizzazione qualitativa o quantitativa perché sono a loro volta complessi.

E’ il caso dei flussi turbolenti o dell’evoluzione cinetico chimica delle specie reattive.

Complessità dei processi di combustione

In virtù della appena citata complessità è logico procedere per gradi, considerando dapprima i sistemi omogenei gassosi e tra questi prima i sistemi in cui la condizione iniziale sia di composizione uniforme, ovverosia di completa premiscelazione dei due reagenti (fiamme premiscelate) e quindi quelli in cui il combustibile e il comburente siano separati spazialmente (fiamma a diffusione). Tra sistemi premiscelati sono presi in considerazione prima quelli zero dimensionali (con sola evoluzione temporale, ovverosia le esplosione e le autoignizioni), quindi quelli uno, bi e tri dimensionali. A questi ultimi sono, generalmente, associate le deflagrazioni e le detonazioni.

Complessità dei processi di combustione

I modelli che risultano più esplicativi di questi sistemi sono o i più semplici o i più dettagliati. Infatti i primi sono suscettibili di una trattazione analitica in cui gli aspetti chimici e fisici possono essere seguiti sequenzialmente e forniscono una serie di informazioni, memorizzabili in un quadro logico e compatto, relative ai principali fattori controllanti il singolo sottoprocesso. I secondi, invece, possono fornire una simulazione diretta di questi sottoprocessi (comunque sempre abbastanza complessi) per generare a loro volta una schematizzazione concettuale o analitica che possa aiutare a comporre questi tasselli (sottomodelli) all’interno di modelli più complessi.

Complessità dei processi di combustione

E’ ragionevole infine affidarsi sempre più a relazione empiriche , man mano che si affrontano problematiche complesse di difficile modellazione. In particolare ciò è tanto più utile quanto più la complessità del processo si riferisce a sistemi di rilevante interesse tecnologico, così come accade nella realtà nell’ambito della combustione. E’ ovvio che il grado di realismo ed affidabilità delle relazione empiriche, nonché la loro reperibilità o classificazione coerente è affidata alla comprensione dei meccanismi di base che solo l’analisi dei sistemi più semplici può suggerire.