Generalità sui combustibili

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La combustione è una reazione chimica che comporta l'ossidazione di un combustibile da parte di un comburente (che in genere è rappresentato dall'ossigeno presente nell'aria), con sviluppo di calore e radiazioni elettromagnetiche, tra cui spesso anche radiazioni luminose.

Introduzione

In questa lezione ci occuperemo di definire le principali caratteristiche dei materiali coinvolti in un processo di combustione, a partire dalle caratteristiche del comburente aria, a quelle dei combustibili convenzionali basati sul carbonio, ai principali prodotti di combustione. Le combustioni di cui ci occuperemo saranno tutte volte a produrre energia sotto forma di calore o da convertire in energia meccanica o elettrica.

Il processo di combustione

In termini più rigorosi la combustione è un'ossidoriduzione esotermica in quanto un composto si ossida mentre un altro si riduce (nel caso degli idrocarburi, il carbonio si ossida, l'ossigeno si riduce) con rilascio di energia e formazione di nuovi composti, principalmente anidride carbonica e acqua.

Come tutte le reazioni chimiche perciò il processo coinvolge dei reagenti e dà luogo a dei prodotti, contestualmente alla liberazione di energia (o assorbimento, ma non è il caso della combustione). I reagenti sono combustibile e comburente, i prodotti sono generalmente gas, acqua, ceneri.

Il comburente

I comburenti classici dei quali ci occuperemo in questo corso sono l'ossigeno puro ( O₂ ) e l'aria.

L'ossigeno puro è un gas molto reattivo: esso è contenuto nell'aria diluito alla percentuale del 21% circa, ma preso isolatamente è uno dei gas più reattivi chimicamente, e dunque è anche pericoloso da manggiare e stoccare. Le combustioni ad ossigeno puro vengono utilizzate raramente perché costose (l'ossigeno va prodotto isolandolo da altri componenti) e pericolose (il che comporta un ulteriore costo dovuto al rispetto delle normative di sicurezza imposte per il suo utilizzo)

Classicamente la combustione utilizza invece l'aria, ampiamente disponibile ovunque sulla superficie terrestre e a costo nullo.

Proprietà dell'aria

L'aria è una miscela aeriforme composta principalmente da ossigeno, azoto, argon e vapor d'acqua: O₂, N₂, Ar e H₂O. L'ossigeno è l'unico gas chimicamente reattivo nelle combustioni che andremo a considerare, mentre N₂ si comporta in modo quasi del tutto inerte (a meno di una piccola frazione di esso) ed infine l'Argon (gas nobile) e il vapor d'acqua non prendono parte a nessuna reazione chimica.

L'aria viene modellizzata come aria secca (senza vapor d'acqua) o aria umida (con vapor d'acqua). Il modello standard dell'aria secca considera la miscela come composta essenzialmente da 21% di O₂, 78% di N₂ e 1% di Ar. Quello di aria umida invece tiene conto della presenza anche del vapor d'acqua in percentuali che vanno dallo zero al 10% circa in condizioni normali.

I combustibili

I combustibili si classificano in base allo stato (solido, liquido o gassoso) e all'origine (naturale o trattati artificialmente).

Generalmente un combustibile si compone di tre parti:

• frazione ossidabile (o volatile): è la parte realmente interessante del combustibile, che si va ad ossidare (perciò ossidabile) quasi completamente in aeriformi (perciò volatile).
• umidità: la percentuale di umidità di un combustibile può essere anche piuttosto elevata, ad esempio è attorno al 40% per la legna secca (di buona qualità), mentre scende per il carbone (circa 10%). Tuttavia per combustibili liquidi e gassosi l'umidità rimane a livelli decisamente bassi e spesso trascurabili. L'acqua in fase liquida contenuta nei combustibili produce, durante la combustione, un effetto pozzo di calore, ovvero vaporizzando assorbe una certa quantità di calore. Calore che nei classici impieghi di produzione di energia non viene utilizzato perché l'acqua non libera il calore durante la liquefazione, se non fuori dal ciclo di combustione. Duque il calore assorbito viene sprecato, liberandosi nell'ambiente (vedi nelle prossime lezioni la differenza tra HHV e LHV).
• ceneri: è materiale inerte, generalmente ossidi, che non bruciano. Possono essere una frazione significativa nei compustibili solidi, componendone fino al 25% nel carbone, mentre sono presenti in quantità minima nei combustibili liquidi e soprattutto in quelli gassosi.

Va detto che le componenti non gradite perché inutili o, peggio, perché inquinanti vengono generalmente rimosse dal combustibile - prima che questo venga bruciato - già nel processo di estrazione del combustibile (per i combustibili naturali) o nel processo di sintesi (per i combustibili artificiali). Ad esempio in certi processi di estrazione del metano, questo viene isolato dalla sua miscela contenente CO₂ e altri eventuali gas inquinanti, come SO₂ (acido solfidrico). La CO₂ viene liberata o reimmessa nel sottosuolo, perché inerte e svantaggiosa per la combustione, mentre i gas inquinanti vengono separati, trattati e messi in sicurezza.

Principali combustibili e loro caratteristiche

I combustibili liquidi, come gli oli naturali o i derivati del petrolio, e i gas come gas naturale, metano, propano, butano etc. sono composti da molecole ben identificabili a livello di struttura molecolare.

Invece i combustibili solidi, specie se naturali come il carbone, hanno una struttura chimica molecolare difficile da identificare e non omogenea. Perciò per il carbone, e simili, ci si accontenta di conoscere le percentuali dei principali componenti ossidabili di cui è costituito (C, H, O, S, N).

Analisi chimica del combustibile

Generalmente si conducono due tipi di analisi del combustibile:

• analisi proximate: è un'analisi che restituisce come risultato le frazioni massiche di umidità, ceneri e carbonio fisso (difficilmente ossidabile): x_UM, x_cen, x_{carb fisso}
• analisi ultimate: è un'analisi più completa che restituisce, oltre ai valori dell'analisi proximate, anche le frazioni massiche dei vari composti ossidabili C, H, S, N (e O come complemento a 1 delle frazioni elencate):x_C, x_H, x_S, x_N.

Prodotti di combustione

I prodotti di combustione sono composti fondamentalmente da fumi prodotti dall'ossidazione della frazione volatile del combustibile e dall'acqua in stato di vapore, ed in secondo luogo da ceneri che contengono gli inerti che non hanno partecipato alla combustione.

Un'approssimazione accettabile del processo di combustione consiste nell'ipotizzare l' ossidazione completa dei composti della frazione ossidabile del combustibile.

Ossidazione completa

In una combustione si parla di ossidazione completa quando tutti i composti ossidabili del combustibile (C, H, O, S, N) si ossidano producendo molecole stabili e non ulteriormente ossidabili.

Tipicamente gli atomi di C, H, O, S, N quando si ossidano completamente producono:

C → CO₂

H → H₂O

O → O₂

S → SO₂

N → N₂

Tuttavia l'ossidazione completa richiede in primo luogo una sufficiente e ben distribuita quantità di comburente (detta quantità stechiometrica) ed in secondo luogo un tempo ed una temperatura sufficienti nella reazione: condizioni che nella realtà non si verificano sempre.

Difatti nella realtà in particolare C, S e N vanno rispettivamente a produrre piccole percentuali di CO (monossido di carbonio), SO₃(anidride solforica) e NO_x (ovvero molecole tipo NO, NO₂, N₂O etc.), trascurabili a livello energetico ma molto rilevanti a livello ambientale, perché inquinanti.