Tecnica
Combustione
ottobre 2011
la termotecnica
di G. Bricco
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Ottimizzazione del rapporto
combustibile-comburente
in caldaie alimentate a metano
In perfetta aderenza al Protocollo di Kyoto, vige l’obbligo
semplice calcolo presentato nell’articolo ci proponiamo
ambientale di ridurre la quantità di anidride carbonica
di dimostrare quanto sia importante la corretta gestione
prodotta negli impianti di combustione. Ciò con lo scopo
del rapporto tra combustibile e comburente in ingresso
evidente di dare un fattivo contributo alla riduzione di
a caldaie di produzione energia termica alimentate
quella che è la causa principale del cosiddetto effetto
a metano. Ciò comporta, in aggiunta alla riduzione
serra che, come noto, provoca il significativo aumento
dell’anidride carbonica prodotta, anche un significativo
delle temperature medie dell’atmosfera terrestre. Con il
recupero pecuniario per minore spreco di combustibile.
Optimization of the Relationship in Fuel-combustion
Gas Boilers
In perfect adherence to the Kyoto Protocol, there is an
atmosphere. With the simple calculation that follows we
obligation to reduce the environmental impact of quantity
intend to demonstrate how important the correct manage-
of carbon dioxide produced in combustion plants.
ment of the relationship between fuel and combustion
This with the obvious purpose of giving an effective con-
air input to thermal energy production boilers powered
tribution to the reduction of what is the main cause of
natural gas. This implies, in addition to the reduction of
the so-called greenhouse gases which, as noted, causes
‘carbon dioxide, a significant recovery for pecuniary less
the significant increase in average temperature of Earth’s
wasted fuel.
Aria in eccesso
Per ottenere una combustione completa è prassi corrente, per lo più a
cura delle ditte che fanno assistenza tecnica, ricorrere a un adeguato
eccesso d’aria, ovvero viene fornito alla reazione di combustione più
ossigeno (e quindi più aria) di quanto necessario rispetto ai bilanci
chimici. Lo scopo di questo eccesso d’aria è di evitare che durante
la combustione si formino zone povere di ossigeno nella miscela
aria-combustibile, le quali darebbero luogo alla formazione di monossido di carbonio.
Bisogna però evitare che tale eccesso d’aria, una volta che l’ossido
di carbonio è stato ricondotto a valori non significativi rispetto ai
limiti di legge, provochi il decadimento del rendimento in energia
utile resa dall’impianto. Ovvero, fermo restando il calore prodotto
dal combustibile adottato, nel nostro caso metano, una maggiore
quantità d’aria in ingresso determina inevitabilmente una maggiore
quantità di calore perso coi fumi per unità di energia prodotta.
Questa perdita può essere ridotta solo abbassando la temperatura
dei fumi e/o riducendo l’eccesso d’aria.
Calcolo dell’aria stechiometrica necessaria per la combustione di 1 m3
di metano
La reazione di ossidazione del metano, espressa in volumi, è la
seguente:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Se l’ossigeno che partecipa alla combustione è quello contenuto
nell’aria, avremo che a 1 m3 di ossigeno corrispondono 3,76 m3 di
azoto per un totale di 4,76 m3 di aria, per ottenere 2 m3 di ossigeno
è quindi necessario fornire 9,52 m3 di aria. Questo rapporto deriva
dal fatto che nell’aria atmosferica l’ossigeno è contenuto in ragione
del 21% in vol. e il 79% residuo è rappresentato da azoto e gas rari
(valori arrotondati ).
Giancarlo Bricco, p.i., ex responsabile ambiente Soc. chimico-farmaceutica.
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Il volume di aria teorico si ricava dalla seguente equazione di bilancio:
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V. At = aria teorica in _m3
Oppure si può utilizzare il coefficiente di eccesso d’aria “e”
CH4 + 2O2 + 7,52 N2 → CO2 + 2H2O + 7,52 N2
Quindi per la combustione di 1 m3 di metano sono necessari 9,52 m di aria e il volume finale dei gas di combustione è pari a 10,52 m3, espresso come gas umidi,
mentre è di 8,52 m3 escludendo l’acqua in fase vapore.
Il valore percentuale di CO2 nei fumi secchi è pari a:
CO2% v = 1/8,52 *100 = 11,7%
Questo valore rappresenta il valore teorico massimo di
CO2 nei fumi di combustione del metano.
e = V. ae / V. at
- Esempio
Se si vuole operare con un eccesso d’aria del 30% per
ogni metro cubo di metano devono essere forniti 2,6
m3 di ossigeno anziché i 2 stechiometrici, naturalmente
aumenterà del 30% anche il volume di azoto. Ovvero:
CH4 + 2,6O2 + 9,8 N2 → CO2 + 9,8 N2 +0,6 O2 + 2H2O
Aria effettiva = 2,6 +9,8 = 12,4 m3 → Vol. fumi secchi =
1 +9,8+ 0,6 = 11,4 m3
Poiché il volume di metano è costante, mentre aumenta
il volume d’aria per effetto dell’eccesso addotto, si ha
che la concentrazione % di CO2 diminuisce per semplice
diluizione.
tabella 1 - Composizione fumi teorici umidi e secchi
A questo punto è necessario precisare che sebbene i prodotti della combustione contengano allo stato di vapore
una certa quantità di acqua proveniente dalla combustione dell’idrogeno, nell’effettuare i calcoli è norma pratica
fare riferimento ai gas secchi. La spiegazione di questo
artifizio è dovuta al fatto che le analisi di controllo vengono effettuate sui fumi anidri, in quanto il vapore d’acqua
viene condensato e separato a monte del contatore di
misura che, di conseguenza, rileva il solo gas secco.
Questo criterio non è invece da applicare nel caso di
bilanci termici, in particolare nel calcolo del calore sensibile in uscita dall’impianto, poiché anche l’acqua presente in fase vapore ha un suo contenuto termico che non
è lecito trascurare.
Calcolo dell’aria in eccesso
In generale, l’eccesso d’aria può essere più o meno
elevato in funzione del tipo di combustibile utilizzato: è
maggiore per i combustibili solidi e decresce per liquidi
e gas.
Indicata con V.Ae l’aria effettivamente impiegata e con V.At
l’aria teoricamente necessaria, l’eccesso di aria E risulta:
Eccesso d’aria E (m3) = V. Ae - V. At
Oppure, espressa in termini percentuali:
E% = 100 (V. Ae - V. At ))/ V. at
V. Ae _= m3, è la somma dell’aria teorica e dell’aria in
eccesso
CO2 = 1/11,4 *100 = 8,7%, contro il valore teorico
dell’11,7%.
La percentuale di ossigeno nei fumi secchi, nel caso in
esempio, è pari a:
O2 = 0,6/11,4 *100 = 5,2%, contro il valore dello 0%
teorico.
Il coefficiente di eccesso d’aria è pari a:
e =12,4/9,52 = 1,30 ovvero al 30 % di eccesso d’aria
(cvd)
Calcolo dell’eccesso di aria in funzione della
composizione dei fumi
Nella pratica corrente è spesso molto utile disporre di una
relazione che permetta di risalire dalla composizione
finale dei fumi (anidri) in uscita dal camino all’eccesso di
aria utilizzato nella combustione del metano.
Allo scopo si può utilizzare la determinazione della percentuale di ossigeno libero nei fumi, ossigeno che deriva
dall’aria in eccesso.
Coefficiente di eccesso d’aria
e = 20,95 % / (20,95 % - O2 misurato %)
Analogamente, a partire dalla misura di anidride carbonica (% vol.), considerando la CO2 max di 11,7% sui
gas anidri:
e = %CO2 max / %CO2 misurata
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Nella Tabella 2 sono riportati i valori di eccesso d’aria
calcolati su percentuali crescenti di ossigeno.
È immediato verificare che già con un eccesso di O2
del 3% si ha un valore correlato di eccesso d’aria del
16,7%, per arrivare al 30% circa con un eccesso del
5%. Un eccesso del 6% di ossigeno significa un eccesso
d’aria del 40%!
Regolazione dell’aria in eccesso e potenza persa
Con lo scopo di garantire una combustione il più possibile
vicina al teorico e tale da eliminare quasi interamente
la concentrazione degli incombusti solitamente si opera
in eccesso d’aria; tale eccesso può essere più o meno
elevato in funzione del tipo di combustibile, dello stato
fisico, del suo grado di suddivisone.
L’eccesso di aria, rispetto alla quantità stechiometrica, di
norma cresce con la difficoltà di contatto combustibile/
comburente
Gas→liquidi: 10-15%
Solidi: 15-25%
Solidi non convenzionali (RSU): 80-150%
Potenza persa
La potenza persa in una caldaia può essere espressa
come la somma di diversi contributi:
Qi potenza persa per incombusti,
Qfumi è la potenza persa per calore sensibile dei fumi,
Qd è la potenza persa per dispersione di calore attraverso
il mantello della caldaia.
Considerato che la perdita per incombusti e le dispersioni del mantello sono solitamente costanti, vengono
qui considerate le sole perdite di calore correlate ai
fumi di combustione, in particolare si vuole porre l’accento sull’influenza dell’eccesso d’aria, essendo questo
un parametro sul quale si può i intervenire abbastanza
agevolmente.
Calcolo calore sensibile perso coi fumi in relazione
all’eccesso d’aria
Sempre con riferimento all’esempio sopra riportato calcoliamo il calore sensibile perso con i fumi in uscita
dall’impianto. Il calore sensibile, lo ricordiamo è il ca-
lore necessario per portare un gas dalla temperatura t0
(solitamente di 0 °C) alla temperatura di t °C. Mediante
i calori sensibili dei principali gas che interessano la
combustione, tabulati a varie temperature ed espresse in
kcal/m3, è possibile ricavare la quantità di calore in essi
contenuto e quindi disperso in atmosfera.
L’unico dato effettivo che è necessario conoscere è la
temperatura al camino dei gas medesimi.
tabella 3 - Calori sensibili kcal /Nm3 dei principali gas di combustione
Valori intermedi possono essere ricavati mediante interpolazione numerica a partire dai dati tabulati. Ad es.
per una temperatura dei fumi di 150 ° C si ottengono i
seguenti valori:
Ora, con riferimento all’esempio dato in precedenza, e
ipotizzando una temperatura dei fumi di 150 °C si calcoli
il calore sensibile dei fumi su base stechiometrica e con
eccesso d’aria del 30%, a tale temperatura.
tabella 4 - Riepilogo composizione fumi e calori sensibili a t °C 150 e
aria in eccesso del 30 % v
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tabella 5 - Riepilogo composizione fumi e calori sensibili a t 150 °C e
aria in eccesso del 16% v
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concentrazione del 3% di ossigeno residuo, al quale
corrisponde la concentrazione di aria in eccesso del 16%,
si ottengono i valori riportati in Tabella 5, calcolati sulla
base della seguente reazione di ossidazione:
CH4 + 2,32 O2 + 8,72 N2 → CO2 + 8,72 N2 +0,32 O2 + 2H2O
Aria effettiva = 2,32 +8,72 = 11,04 m3 → Vol. fumi secchi
= 1 +8,7+0,32 =10,04 m3
Tradotto in volumi di metano equivalente si ha:
tabella 6 - Tabella di riepilogo (dati reali) su base annua di consumi e
anidride carbonica prodotta
CH4 Vol. = (607,2-537,6) / 8.480 kcal/m3 = 0,008 m3
In cui 8.480 kcal/m3 è il potere calorico inferiore del
metano (Pci).
Per riscaldare l’eccesso d’aria sono quindi necessari
0,008 m3 di metano, ovvero lo 0,8% per ogni m3 di
metano alimentato.
tabella 7 - Calcolo su base annua del delta risparmiato operando con
E = 16%
La differenza tra i calori sensibili con zero eccesso d’aria
e con un eccesso del 30% rappresenta la perdita di energia termica del sistema, in altri termini ciò significa che
la temperatura di combustione risulta inferiore poiché il
calore disponibile è sempre lo stesso, ovvero fornito da
1 m3 di metano, ma la quantità di gas da riscaldare e
maggiore poiché comprende anche l’aria di eccesso.
Tradotto in volumi di metano equivalente si ha:
CH4 Vol. = (673,2-537,6) / 8.480 kcal/m3 = 0,016 m3
In cui 8.480 kcal/m3 è il potere calorico inferiore del
metano (Pci).
In pratica per riscaldare l’eccesso d’aria nell’esempio sopra riportato sono necessari 0,016 m3 di metano, ovvero
l’1,6% per ogni m3 di metano alimentato.
Se ripetiamo il calcolo ipotizzando di operare con una
Calcolo del metano
Prendendo a riferimento una serie reale di consumi annui
di metano, si è ipotizzato di calcolare i due possibili
scenari rispettivamente risultanti utilizzando un eccesso
d’aria del 30% e del 16% v.
Dal calcolo che segue otterremo:
-- la quantità di metano utilizzata per il riscaldamento
dell’aria in eccesso;
-- la quantità di anidride carbonica correlata a tale eccesso di metano.
Per un impianto impostato per operare con un eccesso
d’aria del 16%, ovvero contenente il 3% di ossigeno, la
differenza rispetto all’impostazione E aria = 30% viene
semplicemente calcolata ricordando che il metano utilizzato per riscaldare l’eccesso d’aria è rispettivamente pari
allo 1,6% e allo 0,8% per m3 di metano. La loro differenza
0,8% è quanto si risparmia operando con la quantità
minima di eccesso d’aria ovvero E =16%.
Conclusione
Il sistema di regolazione combustibile -comburente delle
caldaie deve essere impostato adottando una maggiore
precisione dei rapporti di aria in eccesso, con l’avvertenza di mantenere la concentrazione di ossigeno residuo di
circa il 3%v, cui corrisponde una concentrazione di aria
in eccesso del 16%. La regolazione può essere effettuata
sia intervenendo per via elettronica e/o sulle camme di
regolazione aria-metano.
Dato che sulle moderne caldaie sono installati analizzatori in continuo per la misura dell’ossigeno e dell’ossido
di carbonio, è quindi agevole il controllo dei fumi in uscita
dall’impianto e la verifica in continuo dell’efficienza di
combustione.