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Giuseppe Langella » 2.Combustibili


Combustibili e combustione

Nella maggior parte dei generatori di vapore, il processo di vaporizzazione e quello di riscaldamento avvengono grazie al calore prodotto da processi di combustione. Fanno eccezione i generatori di vapore ad energia solare, quelli ad energia nucleare e quelli a recupero. In realtà questi ultimi potrebbero rientrare anch’essi nella prima categoria, se si considera che l’entalpia dei fumi è comunque acquisita in un processo di combustione che si verifica nell’impianto con turbina a gas. Le classificazioni possibili circa i combustibili sono diverse. In base allo stato di aggregazione essi possono distinguersi in combustibili solidi, liquidi o gassosi. In base all’origine, si può parlare di combustibili fossili o rinnovabili. I primi si sono formati nel corso delle ere geologiche e vengono estratti dal sottosuolo (carbone, petrolio, gas naturale), i secondi derivano dalle biomasse e come tali possono «riformarsi» nel giro di pochi anni o decenni. A prescindere dalla natura e dallo stato fisico, i combustibili bruciano secondo una serie di reazioni esotermiche caratterizzate da tre attori principali: carbonio, idrogeno, ossigeno. I primi due si comportano da reagenti , il terzo da ossidante. I primi due sono i costituenti principali dei combustibili, mentre l’ossigeno è presente nell’aria comburente. Altra sostanze combustibile, presente in percentuale minore in alcune tipologie di carbone e olio combustibile è lo zolfo.

Stechiometria della combustione

Le reazioni di ossidazione delle specie chimiche riportate nel precedente elenco sono riassunte di seguito:

C+O2→CO2 ;   (1.1a)

2 H2+O2 → 2 H2O ;   (1.1b)

S+O2 → SO2 ;   (1.1c)

CO+1/2O2 → CO2 ;   (1.1d)

CH4+2O2→CO2 +2 H2O ;   (1.1e)

In forma generale, la reazione di ossidazione di un generico idrocarburo avente m atomi di carbonio ed n di idrogeno è:

Cm Hn+(m+n/ 4)O2 → mCO2+n/2 H2O ; (1.1f)

Stechiometria della combustione

Relativamente alle reazioni 1.1a,b,c,d,e,f è possibile calcolare la quantità di comburente (O2) necessaria per la combustione di 1 kg di ciascuna specie chimica (come indicato in tabella). Dalla conoscenza della quantità in kg di O2 necessaria per la combustione di 1 kg di combustibile, è semplice risalire ai kg d’aria necessari alla combustione di 1 kg di combustibile; infatti, in un kg d’aria la percentuale in massa di O2è di circa il 23%.

Kg(O2)/kgARIA=0.232·kgARIA/ kg(O2)=4.31 (1.2)

Pertanto per ottenere la quantità stechiometrica1 di aria necessaria alla combustione, basterà moltiplicare le quantità di ossigeno riportate nell’elenco, per 4.31. Quanto è stato fino ad ora riferito alle masse può essere espresso in termini di volumi (o di moli, il che è lo stesso), infatti se si considera a titolo di esempio la reazione di ossidazione del carbonio

C+O2→CO2

Stechiometria della combustione

Tale reazione esprime in che rapporto si trovano le moli (volumi) delle specie in gioco. In poche parole, per ogni mole (o Nm3) di carbonio è necessaria una mol (1 Nm3) di O2. Precedentemente questi rapporti stechiometrici sono stati espressi in masse; infatti nel caso specifico del carbonio abbiamo che kg(O2)/kg(C) =2 (M )O /(M) C=2×16/12=2.667. Nella tabella sono espressi i rapporti stechiometrici in volumi delle reazioni già espresse precedentemente. Anche in questo caso è possibile risalire alla quantità stechiometrica di aria espressa in Nm3, infatti la percentuale volumetrica di O2 in un Nm3di aria è del 21%, quindi si avrà che:

Nm3O2 /Nm3ARIA =0.21 → Nm3ARIA/Nm3 O1/0.21 = 4.76 (1.3)

Dunque per calcolare la quantità stechiometrica d’aria basterà moltiplicare la quantità di O2 per 4.76; se si considera per esempio il caso del metano (CH4):

Nm3ARIA/Nm3 CH4=2_4.76 = 9.52 (1.4)


Stechiometria della combustione

Rapporto C/H – Rapporto Stechiometrico Aria – Combustibile

Molto spesso i combustibili (in particolare quelli liquidi) vengono identificati con il rapporto tra la quantità di carbonio e quella di idrogeno, detta appunto rapporto C/H. Se tale rapporto viene assegnato, è possibile risalire alle percentuali di C e H rispettivamente contenute nel combustibile nonché alle quantità di O2 e aria stechiometrica. In particolare, la quantità di O2 necessaria alla combustione di un combustibile caratterizzato da un certo rapporto C/H é ottenibile come segue:

\frac{kg\; O_2}{kg\; FUEL}= \left(\frac{kg\; O_2}{kg\; C}\cdot \frac{C}{C+H}\right)+\left(\frac{kg\; O_2}{kg\;H_2}\cdot \frac H {C+H}\right)\;\;\;\; 1.5

dove kg O2/kgC = 2.667, kgO2/kgH2 = 8 (già espressi), C e H rappresentano le percentuali di carbonio ed idrogeno presenti nel combustibile. Al secondo membro, dividendo al numeratore e denominatore entrambe i termini per H si ottiene che:

\frac{kg\;O_2}{kg\; FUEL}=2.667\left(\frac{C/H}{C/H+1}\right)+8\left(\frac 1 {1+C/H}\right)\;\;\;\; 1.6

Stechiometria della combustione

Rapporto C/H – Rapporto Stechiometrico Aria – Combustibile

Si noti come la (1.5) non é altro che una media pesata di C e H (moltiplicati rispettivamente per i rapporti stechiometrici di C e H2) dove il “peso” é rappresentato dalla somma C+H. Se tale somma rappresenta la composizione totale del combustile, ragionando in termini percentuali essa sarà uguale a 100; pertanto assegnato C/H le percentuali singole di C e H sono facilmente ricavabili. Supponiamo ad esempio C/H = 7; se C+H=100 si ricava semplicemente che H=12.5% e C=100-H=87.5%. Applicando la formula (1.6), basterà sostituire il valore assegnato C/H, nel nostro caso pari a 7, per ottenere la quantità di O2 necessaria per kgFUEL. Si ottiene che: \frac{kg\; O_2}{kg\;FUEL}=3.33

Stechiometria della combustione

Come già detto, la quantità stechiometrica d’aria è ricavabile moltiplicando kgO2/kg FUEL per 4.31, dal momento che stiamo lavorando sulle masse e non sui volumi: kg ARIA/kgFUEL=3.33×4.31=14.35

E’ noto che tale rapporto prende il nome di rapporto stechiometrico aria – combustibile e si indica con Δst. Se si considera la combustione del metano, seguendo i procedimenti descritti fino ad ora possiamo calcolare la quantità stechiometrica di aria sia in termini di massa che di volume. In particolare:

kg ARIA/kgCH4=4.31×kg O2/ kg CH4=4.31_4=17.24 (1.7)

Nm3ARIA /Nm3 CH4 =4.76×Nm3 O2 /Nm3CH4 =4.762=9.52 (1.8)

Dividendo membro a membro la (1.7) per la (1.8) si ottiene:

(kg ARIA/kgCH4 )/ (Nm3ARIA /Nm3 CH4) =1.81 (1.9)

E’ noto che la densità dell’aria a T=300 K è pari a ρaria =1.29 kg/Nm3, pertanto ρCH4 =1.29/1.81=0.71 kg /Nm3.

Stechiometria della combustione

Combustibili aventi una data percentuale di zolfo

Esistono combustibili caratterizzati dalla presenza di percentuali di zolfo, come ad esempio gli oli densi adoperati per motori marini di grossa taglia. In tal caso, nota la percentuale di S e il rapporti C/H é possibile risalire sia alle percentuali di C ed H sia alla quantità stechiometrica di aria necessaria per kg di combustibile. Si supponga ad esempio che %S=3 e C/H=6.5. La somma delle percentuali di C, H ed S costituisce l’intera composizione del combustibile, pertanto: C+H+S=100 Con i valori di %S e C/H assegnati si ricava facilmente che: %C=84.07 %H=12.93 Il calcolo della quantità stechiometrica d’aria per questo combustibile é comunque calcolabile con una formula analoga alla (1.5), con la differenza che bisogna aggiungere anche il “peso” dello zolfo all’interno della media. Più precisamente si ha: \frac{kg\;O_2}{kg\; FUEL}=(kg_{O_2}/kg_C)\left(\frac C{C+H+S}\right)+(kg_{O_2}/kg_H)\left(\frac H{C+H+S}\right)+(kg_{O_2}/kg_S)\left(\frac S{C+H+S}\right)

Sostituendo i valori del nostro problema si ottiene: \frac{kg\;O_2}{kg\; FUEL}=(2.667)\left(\frac{84.07}{100}\right)+(8)\left(\frac{12.93}{100}\right)+(1)\left(\frac 3 {100}\right)=12.45

Stechiometria della combustione

Rapporto reale aria-combustibile

Fino ad ora sono state ricavate le quantità stechiometriche di aria necessarie alla combustione di un combustibile avente una assegnata composizione. Tuttavia nella realtà ingegneristica i processi di combustione avvengono molto di rado con miscele dosate in maniera perfettamente stechiometrica; questo è dovuto al fatto che una combustione completa non dipende solo dal dosaggio delle quantità di aria e combustibile ma da molti altri fattori, quali la geometria della camera di combustione, i tempi a disposizione per la formazione della miscela ecc. Pertanto molti impianti termici basati su processi di combustione lavorano con miscele in cui la quantità d’aria è superiore a quella stechiometrica; in questo modo si consente alle molecole di combustibile di “incontrare” con maggiore probabilità quelle d’aria, in modo da scongiurare il rischio che parti di combustibile rimangano incombuste.

Stechiometria della combustione

Rapporto reale aria-combustibile

Questa quantità d’aria aggiuntiva va sotto il nome di eccesso d’aria. L’entità dell’eccesso d’aria dipende dal tipo di combustibile, in particolare man mano che si passa da combustibili gassosi a combustibili solidi, l’eccesso d’aria aumenta. Più precisamente per combustibili gassosi gli eccessi d’aria sono dell’ordine del 4%, per quelli liquidi del 10% per quelli solidi del 15% e più. Il rapporto reale aria combustibile è espresso formalmente come segue:

αR=kgARIA REALE/kgFUEL (1.10)

Pertanto ricordando l’espressione di ?ST, l’eccesso d’aria (e) è esprimibile come segue:

e = (αR- αST)/ αST = (αR / αST)-1 (1.11)

Il rapporto (αR / αST) prende il nome di indice d’aria e di solito si indica con la lettera greca λ. E’ possibile quindi esprimere la 1.11 come :

e= λ -1

Potere calorifico

Potere calorifico inferiore

Il potere calorifico inferiore è un parametro caratteristico di ciascun combustibile. Esso rappresenta la quantità di calore prodotta dalla combustione completa di un’unità di massa o di volume di un dato combustibile. Nel Sistema Internazionale esso è quindi espresso in J/kg, se riferito all’unità di massa o in J/m3 se riferito all’unità di volume. In realtà l’unità di volume non identifica la quantità di materia in esso contenuto, che dipende invece dalle condizioni di pressione e temperatura: per tale motivo, se riferito all’unità di volume, il P.C.I. viene espresso in J/Nm3 (normal metro cubo) oppure J/Sm3 (standard metro cubo). Il primo è riferito alle condizioni di 0°C e 1,0 atm, il secondo a 15 °C e 1,0 atm.

Potere calorifico superiore

Il potere calorifico superiore, si distingue dal P.C.I. per il fatto che tiene conto anche della quantità di calore recuperabile dalla condensazione del vapor d’acqua prodotto dal processo di combustione. Quest’ultimo è quello che si ottiene per reazione chimica tra l’idrogeno contenuto nel combustibile e l’ossigeno contenuto nell’aria e non ha niente a che vedere con l’eventuale contenuto d’acqua nel combustibile. Nota la composizione o il rapporto C/H del combustibile e noto il P.C.I., è possibile calcolare il P.C.S. mediante la seguente relazione:                                                                        PCS = PCI + n · Δheva

dove n rappresenta i kg di vapor d’acqua prodotti per kg di combustibile e Δheva il calore latente di condensazione del vapor d’acqua.

I materiali di supporto della lezione

D. Annaratone, Generatori di Vapore, Edizioni Libreria CLUP.

Esercitazioni di Generatori di Vapore

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