a_p = m_a,p/m_c = n a_t (2)

In genere n, detto indice d¡¯aria, varia tra 1 e 1.5 a seconda della conformazione del bruciatore (tanto pi¨´ esso ¨¨ sofisticato tanto pi¨´ n ¨¨ prossimo a 1), ma pu¨° arrivare fino a 3.5 qualora si voglia limitare la temperatura di combustione, ad es. per non danneggiare gli organi delle macchine o per ridurre la formazione di ossidi di azoto. Di solito il valore di n viene regolato dall¡¯analisi (in continuo per i grandi impianti, o periodica) dei prodotti di combustione. In alcuni casi ¨¨ possibile incontrare in letteratura il cosiddetto eccesso d¡¯aria definito come:

e = (a_p-a_t) / a_t (3)

L¡¯eccesso d¡¯aria e l¡¯indice d¡¯aria sono legati tra loro dalla relazione: e = n¨C1 (un indice d¡¯aria pari a 1.1 equivale ad un eccesso d¡¯aria del 10 %).

In figura 1 viene riportato l¡¯andamento qualitativo della frazione in volume di CO₂ (yCO₂) e di O₂ (yO₂) presenti nei fumi secchi in funzione dell¡¯indice d¡¯aria n. La misura di queste grandezze, effettuata dagli analizzatori dei prodotti di combustione, ¨¨ importante perch¨¦ correla l¡¯eccesso d¡¯aria (n-1) al rendimento della combustione. E¡¯ evidente che all¡¯aumentare dell¡¯eccesso d¡¯aria, restando costante il volume di CO₂, la percentuale di CO₂ nei fumi diminuisce, mentre quella di ossigeno aumenta. Il valore dell¡¯indice d¡¯aria si pu¨° ottenere dalla misura della concentrazione residua di ossigeno nei fumi, yO₂, tramite la formula seguente

n = 0,21/(0,21 - y_O2) (4)

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Indice d'aria n

Figura 1: Frazione volumetrica di CO₂ e di O₂ nei fumi secchi nel caso di metano (CH₄).

Oltre all¡¯aria teorica, esistono altre propriet¨¤ caratteristiche del combustibile le pi¨´ importanti delle quali verranno brevemente riportate nel seguito.

Il potere calorifico superiore, P_s, ¨¨ la quantit¨¤ totale di calore sviluppata dalla reazione di combustione completa dell¡¯unit¨¤ di massa del combustibile e pu¨° essere approssimativamente valutato come:

P_s ≅34.03x_C +144.42x_H +10.88x_S [MJ/(kg di combustibile)] (5)

Nella combustione di combustibili contenenti idrogeno, nei fumi ¨¨ presente acqua allo stato di vapore; il passaggio dell¡¯acqua dallo stato liquido allo stato di vapore comporta la perdita del calore latente di vaporizzazione (circa 2500 kJ/kg) dal calore di combustione. Il calore effettivamente disponibile per lo scambio termico ¨¨ quindi solo quello sensibile e viene chiamato potere calorifico inferiore, P_i (circa il 10 % inferiore ad P_s).

Pi¨´ rigorosamente, il potere calorifico ¨¨ definito come la differenza tra l¡¯entalpia dei reagenti e quella dei prodotti in una reazione a temperatura e pressione costante. Quindi esso dipende anche, seppur lievemente, dalla temperatura del combustibile e dell¡¯aria e dallo stato di aggregazione del combustibile.

Se la pressione parziale del vapor d¡¯acqua nei fumi ¨¨, alla temperatura dei fumi, uguale a quella di saturazione si ha la condensa (nella pratica questo avviene anche quando i fumi sono a contatto con superfici a temperatura inferiore a quella di rugiada). La condensa pu¨° essere pericolosa per i combustibili che contengono zolfo in quanto si ha formazione di acido solforico, corrosivo nei confronti dell¡¯acciaio. E¡¯ questo il motivo per il quale, generalmente, nelle caldaie industriali (tranne in quelle a condensazione) il vapore d¡¯acqua contenuto nei fumi non viene condensato. Dove non espressamente specificato si far¨¤, quindi, riferimento sempre al potere calorifico inferiore. Tra il potere calorifico superiore e quello inferiore vi ¨¨ la relazione:

P_i ≅P_s −2.5 m_{H O} [MJ/(kg di combustibile)] (6)

2

dove m_H2O ¨¨ la massa di acqua formatasi in seguito alla combustione di 1 kg di combustibile.

La temperatura di accensione ¨¨ la temperatura alla quale, in condizioni di pressione atmosferica, il processo di combustione della miscela stechiometrica (combustibile e comburente) avviene in modo stabile. Si comprende, quindi, Si comprende come la combustione per innescarsi abbia bisogno della presenza contemporanea di tre fattori: il combustibile, il comburente ed il calore. Una volta innescata la reazione di combustione, la fiamma deve essere mantenuta ad una temperatura superiore a quella minima di accensione. Se nella regione della fiamma la miscela in fase di combustione viene raffreddata ad un valore di temperatura inferiore a quella di accensione, il processo di combustione si arresta e la fiamma si spegne.

La temperatura teorica di combustione ¨¨ la temperatura raggiunta dai prodotti della combustione quando questa ¨¨ completa ed avviene adiabaticamente. La temperatura di combustione dipende dal potere calorifico e dall¡¯aria pratica e si determina con buona approssimazione come

T_f = T_a + H_i/(c_p,f n a_t) (7)

dove c_p,f ¨¨ il calore specifico dei fumi (circa 1.1 kJ/kgK) e T_a la temperatura dell¡¯aria in ingresso. T_f oscilla in pratica tra 1200 e 2000 ¡ãC, a seconda del combustibile e dell¡¯indice d¡¯aria. Da notare che localmente la temperatura di fiamma pu¨° anche eccedere il valore su indicato, favorendo cos¨¬ la produzione di ossidi di azoto. Al contrario, i fenomeni di dissociazione (ovvero la separazione di molecole complesse in molecole o radicali pi¨´ semplici, dovuta all¡¯alta temperatura), che assorbono energia, possono ridurre la temperatura effettiva di combustione.

3. I combustibili

I combustibili possono essere definiti come sostanze capaci di produrre energia termica a seguito di una reazione chimica di combustione. I combustibili attualmente pi¨´ noti sono i combustibili fossili o naturali che vengono utilizzati dopo opportuni trattamenti. Come si pu¨° osservare dalla figura 2, i combustibili fossili contribuiscono per circa l¡¯85-86 % sui consumi energetici mondiali. Per quanto riguarda l¡¯Italia la dipendenza energetica dai combustibili fossili risulta pi¨´ marcata: nel 1998 si ¨¨ avuto un consumo energetico pari a circa 200 Mtep di cui il 54 % da prodotti petroliferi, il 28 % da gas naturale, il 6 % da combustibili solidi (carbone) ed il restante 12 % da fonti rinnovabili (quasi tutto idroelettrico) e dall¡¯importazione dell¡¯elettricit¨¤. Di questi 200 Mtep, un terzo ¨¨ stato consumato dai trasporti, un terzo dagli usi civili ed un terzo dall¡¯industria.

Figura 2: Consumo mondiale di energia primaria (Official Energy Statistics from the U.S. Government).

I combustibili commerciali si distinguono in genere in solidi, liquidi e gassosi. Tranne poche eccezioni, i combustibili hanno una composizione chimica prefissata: la loro composizione (e quindi anche il loro potere calorifico) varia a seconda del processo produttivo o della zona di estrazione.

Tra i combustibili solidi si annoverano la legna, i carboni (lignite, antracite, litantrace, coke), e quelli non convenzionali: rifiuti solidi urbani (RSU), sanse, vinacce, destinati ad usi industriali.

I combustibili liquidi sono in genere miscele di idrocarburi: le benzine, il gasolio, il kerosene, gli oli combustibili, che contengono frazioni via via pi¨´ pesanti dei prodotti liquidi ottenuti dalla distillazione o dalla lavorazione del petrolio. I combustibili liquidi si distinguono a seconda del tenore di zolfo in ATZ (alto tenore di zolfo, < 3 %) BTZ (basso tenore di zolfo < 1 %), STZ (senza tenore di zolfo < 0.3 %, ammesso per usi civili).

Nessun combustibile liquido ¨¨ costituito da un unico componente: tuttavia in prima approssimazione si pu¨° considerare la benzina come costituita unicamente da ottano (C8H18) e il gasolio come costituito da dodecano (C12H26). I combustibili liquidi sono caratterizzati dalla curva di distillazione, che indica per ogni temperatura la frazione che ¨¨ convertita in vapore. Ad esempio la benzina inizia a vaporizzare a 40-50 ¡ãC ed ¨¨ completamente convertita in vapore a 200 ¡ãC, mentre il gasolio distilla indicativamente tra i 200 ed i 350 ¡ãC.

I combustibili gassosi annoverano i GPL o gas di petrolio liquefatti (miscele di propano e butano ed altri prodotti leggeri di distillazione del petrolio, che sottoposti a moderate pressioni ¨C circa 10 bar ¨C passano allo stato liquido e sono contenuti in bombole), il gas di citt¨¤ (miscela di idrogeno, metano e monossido di carbonio prodotto dalla distillazione o dalla gassificazione del carbone) il gas naturale (quasi integralmente metano, che ha sostituito il gas di citt¨¤). Altri gas come l¡¯acetilene ed il gas d¡¯altoforno (monossido di carbonio) hanno impieghi unicamente industriali.

4. Emissioni di sostanze inquinanti

I prodotti della combustione sono essenzialmente acqua (H₂O) ed anidride carbonica (CO₂). Sono presenti anche ossidi di zolfo in dipendenza dal tenore di questo elemento nel combustibile: dato che gli SO_x sono altamente inquinanti, si cerca di ridurre a monte il tenore di zolfo nei combustibili stessi. Gli ossidi di azoto (NO_x) compaiono a causa della ossidazione ad elevata temperatura dell¡¯azoto contenuto nell¡¯aria comburente. Quando manca la giusta quantit¨¤ di aria per far avvenire la combustione completa, nei fumi generati dal processo di combustione possono essere presenti degli elementi incombusti tra i quali il monossido di carbonio, altamente pericoloso per l¡¯uomo:

2C + O₂ = 2CO + 10.25 MJ/(kg di C)

La presenza degli incombusti (CO ed HC) tra i prodotti della combustione comporta inoltre una minore quantit¨¤ di calore generato a parit¨¤ di consumo di combustibile (un contenuto di CO dell¡¯1% nei fumi comporta una perdita energetica di circa il 4%). Altri prodotti (ceneri, polveri sospese, metalli, etc.) dipendono dal tipo e dalle impurezze del combustibile ed il loro studio esula dallo scopo di questa trattazione.

Le sostanze inquinanti emesse in atmosfera dagli impianti di combustione sono responsabili di diversi problemi ambientali, alcuni gi¨¤ evidenti altri ritenuti potenzialmente molto pericolosi: piogge acide, effetto serra, buco dell¡¯ozono stratosferico, agli episodi di degrado della qualit¨¤ dell¡¯aria che hanno riflessi diretti sulla vita dell¡¯uomo. Le emissioni di inquinanti da impianti di combustione possono essere classificati come dipendenti da:

• combustibile: se questo contiene una sostanza inquinante che rimane inalterata o se contiene una sostanza che a seguito della combustione si trasforma producendo composti inquinanti (SOx ed NOx);

• combustione anomala: quando la combustione ¨¨ incompleta si generano sostanze non completamente ossidate (ad es. CO, idrocarburi incombusti) e se la combustione non ¨¨ ben controllata si pu¨° avere formazione di ossidi di azoto (NOx) di origine termica, cio¨¨ legata alla modalit¨¤ con cui avviene la combustione (alta temperatura delle fiamme);

• combustione normale: anche se la combustione risulta essere normale si ha emissione di anidride carbonica (CO2) che provoca l¡¯effetto serra.

Il D.M. 12/07/90 in materia di emissioni di inquinanti dagli impianti di combustione, pone dei limiti alle concentrazioni dei singoli inquinanti nel punto in cui sono emessi (v. tabella 1) che risultano un compromesso tra lo sviluppo tecnologico, le esigenze sanitarie e le effettive possibilit¨¤ di misura.

Limiti pi¨´ restrittivi alle emissioni dei grandi impianti di combustione (quelli con potenza termica uguale o superiore ai 50 MW) sono previsti da due nuove direttive europee 2001/80/CE e 2001/81/CE, che a partire dal 27 novembre 2002 (data entro la quale dovranno essere attuate) obbligheranno gli stati membri ad un graduale abbassamento delle emissioni inquinanti prodotte nei propri territori fino a raggiungere, nel giro di pochi anni, il rispetto dei precisi valori limite elencati negli allegati di tali direttive.

INQUINANTE	Potenza nominale minore di 50 MW		Potenza nominale compresa tra 50 MW e 500 MW	Potenza nominale superiore a 500 MW
	OLIO	GAS
CO	-	-	250	250
HC	150	150	300	300
NOx	500	350	650	200
SO2	1700	35	1700	400
POLVERI	100	5	50	50

Tabella 1: Limite di legge (D.M. 12/07/90) alle emissioni (mg/m3) per impianti convenzionali esistenti nel 1988.

La composizione di una miscela gas pu¨° essere espressa come concentrazione in volume: questa ¨¨ il rapporto tra il volume che il gas occuperebbe da solo alla stessa pressione e temperatura cui si trova nella miscela ed il volume totale di quest¡¯ultima. Se il gas segue un comportamento ideale, la concentrazione in volume corrisponde a quella in moli (moli di gas/moli totali). Inoltre, sfruttando l¡¯equazione di stato dei gas ideali, si pu¨° dimostrare che la concentrazione in volume ¨¨ pari alla pressione parziale del gas all¡¯interno della miscela (ovvero la pressione che il gas avrebbe se occupasse da solo l¡¯intero volume a disposizione). Gli inquinanti gassosi sono spesso misurati mediante analizzatori che forniscono la concentrazione in volume, mentre la legge fornisce limiti alla concentrazione in massa. La concentrazione in massa di un inquinante (i-esimo) nei fumi si esprime generalmente come massa di inquinante (m_i) per unit¨¤ di volume dei fumi (V_f) in condizioni di riferimento. Questo per evitare che si possano artificiosamente ¡°diluire¡± gli inquinanti aggiungendo aria di combustione in eccesso.

Pertanto le ¡°condizioni di riferimento¡± secondo il D.M. 12/07/90 fissano un limite al tenore residuo di ossigeno nei fumi (3 % per i combustibili liquidi e gassosi, 6 % per il carbone ed 11 % per gli altri combustibili solidi). Per passare dalla concentrazione in volume (V_i/V_f) alla concentrazione in massa (m_i/V_f) si pu¨° scrivere:

m_i/V_f = (m_iV_i)/(V_f V_i) = ¦Ñ_iV_i/V_f (8)

dove ¦Ñ_i ¨¨ la densit¨¤ dell¡¯inquinante i ed ¨¨ calcolabile con buona approssimazione con la legge di Avogadro se l¡¯inquinante ¨¨ gassoso: si ricorda tale legge afferma che una kg-mole di sostanza (la cui massa in kg ¨¨ numericamente pari al valore del peso molecolare) occupa in condizioni normali (1 atm e 25 ¡ãC) il volume di 22.4 m³. La concentrazione da confrontare con i limiti di legge non ¨¨ quella misurata, ma ¨¨ quella riportata nelle condizioni di riferimento:

m_i/V_f = (m_iV_fr)/(V_fr V_f) = (m_i/V_{f r}) [ m_iV_{f r}(1 + n_r a_t)]/[V_frV_f (1 + n_r a_t)] (9)

dove:

• V_fr = volume dei fumi con indice d¡¯aria di riferimento;

• m_i /V_fr = concentrazione in condizione di riferimento;

• n = indice effettivo di aria;

• nr indice d¡¯aria in condizioni di riferimento.

BIBLIOGRAFIA

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• G. Cornetti, ¡°Macchine a fluido¡±, Edizioni il Capitello, Torino, 1996.

• P. Andreini, F. Pierini, ¡°La conduzione dei generatori di vapore¡±, Hoepli, Milano, 1995.

• R. della Volpe, ¡°Macchine¡±, Liguori Editore, Napoli, 1994.

• D.M. 12 luglio 1990, ¡°Linee guida per il contenimento delle emissioni inquinanti degli impianti industriali e la fissazione dei valori minimi di emissione¡±.

• Direttiva 2001/81/CE, ¡°Limiti nazionali di emissione in atmosfera di biossido di zolfo, ossidi di azoto, componenti organici volatili, ammoniaca¡±.

• Direttiva 2001/80/CE, ¡°Limitazioni alle emissioni in atmosfera degli inquinanti dei grandi impianti di combustione¡±.

• D.P.R. 203/1988, ¡°Attuazione delle direttive CEE numeri 80/779, 82/884, 84/360 e 85/203 concernenti norme in materia di qualit¨¤ dell¡¯aria, relativamente a specifici agenti inquinanti, e di inquinamento prodotto dagli impianti industriali, ai sensi dell¡¯articolo 15 della legge 16 aprile 1987, n. 183¡±.

• D,M. 12 luglio 1990, ¡°Linee guida per il contenimento delle emissioni inquinanti degli impianti industriali e la fissazione dei valori minimi di emissione¡±.

• Legge 9 gennaio 1991, n.10 (nota come legge 10/91), ¡°Norme in materia di uso razionale dell¡¯energia, di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia¡±.

• D.P.R. 26 agosto 1993, n. 412, ¡°Regolamento recante norme per la progettazione, l¡¯installazione, l¡¯esercizio e la manutenzione degli impianti termici degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di energia, in attuazione dell¡¯art. 4, comma 4, della legge 10/91¡±.

• D.P.R. 21 dicembre 1999, n.551, ¡°Regolamento recante modifiche al D.P.R. 26 agosto 1993, n. 412¡±.

• Sito della Regione Lombardia: www.ambiente.regione.lombardia.it/inemar/inv_emis.htm.

• Sito U.S dell¡¯Energy Information Administration: www.eia.doe.gov.

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