Sistemi energetici - SE EmissioniInquinanti

EMISSIONI DI INQUINANTI

Gli inquinanti, ossia sostanze ritenute dannose per l'uomo e l'ecosistema, sono:

1. Monossido di Carbonio CO: si combina con l'emoglobina del sangue, impedendo l'apporto di ossigeno: causa asfissia e morte.
2. Idrocarburi incombusti: hanno proprietà cancerogene; sono gli idrocarburi aromatici, diossine ...
3. Particolato: causano disturbi all'apparato respiratorio e cardiovascolare; diametro delle inalometrie a 500 μm.
4. Ossidi di azoto NOx: causano infiammazioni all’apparato circolatorio; precursore del particolato secondario; causa smog fotochimico che porta alla formazione di ozono che provoca malattie respiratorie; forma acido nitrico HNO₃; piogge acide.
5. Anidride Solforica SO₃: formano H₂SO₃, H₂SO₄ e solforosa SO₂, quindi piogge acide.

EMISSIONI DI INQUINANTI

Gli inquinanti, ossia sostanze ritenute dannose per l’uomo e l’ecosistema, sono:

1. Monossido di carbonio CO: si combina con l’emoglobina del sangue, impedendo l’apporto di ossigeno.

   Causa asfissia e morte.

2. Idrocarburi incombusti: hanno proprietà cancerogene; sono gli idrocarburi aromatici, diossine.

3. Particolato: causano disturbi all’apparato respiratorio e cardiovascolare.

   Diametro dei micrometri a 500 µm.

4. Ossidi di azoto NOx: causano infiammazioni all’apparato circolatorio.

   Precursore del particolato secondario.

   Causa smog fotochimico che porta alla formazione di ozono che provoca malattie respiratorie.

   Formano acido nitrico HNO₃; piogge acide.

5. Anidride Solforica SO₂: formano H₂SO₃, H₂SO₄ e solforosa SO₃, quindi piogge acide.

1. PROCESSO DI FORMAZIONE E DISTRUZIONE DEL MONOSSIDO DI CARBONIO

Non può essere evitato o ridotto perchè:

• composto intermedio della catena di reazioni che consentono l'ossidazione del carbonio in anidride carbonica.

ATTI CHIMICI ELEMENTARI PIÙ IMPORTANTI:

1. CO + ₁/₂O₂ -> CO₂: ha energia di attivazione elevata, dunque è molto lenta e il suo contributo è trascurabile.
2. CO + OH -> CO₂ + H : è molto veloce, ma avendo comunque una energia di attivazione elevata, è valido solo se T>2000K.
3. CO + HO₂ -> CO₂ + OH : reazione meno veloce della (b), trascurabile alle alte temperature poichè (b) è più veloce.

Quindi:

LA REAZIONE (b) È L'UNICA RILEVANTE:

fornire parametri e condizioni per massimizzare la distruzione del monossido

RR = - ^d[CO]₆/_dt

Consideriamo lo ione ossidrile

Reazioni di Formazione

¹/₄ O₂ => ¹/₂ O Dissociazione O₂

¹/₂ O + ¹/₂ H₂O OH

K_p(T) = [OH] / [O₂]^1/4 [H₂O]^1/2 => [OH] = K_p(T) [O₂]^1/4 [H₂O]^1/2

Considero all'equilibrio

Considerando la legge dell'azione di massa per la distruzione del monossido si ha:

RR = -d[CO]_b/dt = V(T) [CO] [OH] = A e^{-E_u / RT} [CO] [OH] =

= K_p(T) · A · e^{-E_u / RT} [CO] [O₂]^1/4 [H₂O]^1/2

Quindi

• RRCT = -_d[CO]/_dt = K_p(T) A e^-_Ea/_RT [CO]^1/4 [O]^1/2 [H₂O]

I parametri che lo influenzano sono:

• TEMPERATURA: le costante di equilibrio e e^-_Eu/_RT crescono con la TEMPERATURA
• cerco di tenere per un tempo elevato i prodotti di combustione alle alte temperature
• Repentino raffreddamento dei prodotti blocca la reazione di distribuzione
• Ciclo Otto:
• espansione Fredda
• pareti Fredde
• [CO] ↑↑
• CONCENTRAZIONE si cerca di tenerla
• VOLUNICA [CO₂] elevata (E grande) ma non troppo perché T_alfaF cala
• e la reazione si blocca o diminuisce
• CONCENTRAZIONE Non si inietta H₂O in camere di combustione perché rischio
• VOLUNICA [CH_O] di ridurre T_alfaF e [CO] ↑↑
• ma si usano combustibili con elevato rapporto H/C
• così da ridurre le moli CO₂ emesse e per diluizione termica prodotti.

2. Ossidi di Azoto

Si identificano in:

1. NO_x Tecnici: a causa delle elevate temperature, l'azoto molecolare si ossida, essendo stabile alle alte temperature.

1. NO_x Prompt: si formano a causa della reazione dell'azoto molecolare con i radicali degli idrocarburi N₂ → HCN → NO

1. NO_x Fuel-Bound: dall'ossidazione di atomi di azoto contenuti in forma non molecolare

Bruciatori Low No_x burners: bruciato Fluido dinamico è studiato in modo da limitare O₂ N₂ formano NO

Si possono prevenire con opportuni accorgimenti riducendone il meccanismo di formazione

ESEMPIO:

Gas Naturale

[NO_x]_TOT = [NO_x]_TH + [NO_x]_PROMPT

Carbone

[NO_x]_TOT = [NO_x]_TH + [NO_x]_PROMPT + [NO_x]_F.D.

In generale

[NO_x]_FD = [NO_x]_TECNICI

Modello di Formazione di Zeldovich

Reazioni di Formazione

O + N₂ → NO + N Lenta → Limita la velocità di reazione e produce 2 moli.

N + O₂ → NO + O Veloce

N + OH → NO + H Veloce

comuncono istantaneamente gli atomi prodotti dalla prima reazione.

Quindi

d[NO_x]_ten/dt = 2 d[NO]/dt = 2 ⋅ V(C,T)[O][N₂] = 2 ⋅ K_p(C,T) A e^-E_A/RT [O]^1/2 [N₂]

Dove

[O] deriva dalla reazione di dissociazione dell'ossigeno: O₂ ⇔ 2O che essendo più veloce delle 1^a posso considerare all'equilibrio

K_p(T) = [O]² / [O₂]

[O] = K_p(T) [O₂]^1/2

Quindi:

d[NO_x]_termici

dt = 2 Kp(CT)^A e^{- Ea / RT} [O₂]^1/2 [N₂]

I parametri che la influenzano sono:

➤ TEMPERATURA: è elevata ha una influenza quindi- Limito la temperatura- Limito il tempo di residenza a alte temperature.

d[NO_x]_T.H.

dt = [O₂]^-0,5 [N₂]^-1

➤ CONCENTRAZIONE: è debole, ma ni tiene

VOLUMICA [O₂] >1 in modo da omici ce N fuilitato le N

➤ CONCENTRAZIONE:

VOLUMICA [N₂]

• non è controllabile:
• la reazione avviene in onlia
• una sua diminuzione, subenterebbe (La Tan F sottiwenterebbe, "meno inerte la onve.) celue)

Confronto fiamme premiscelate e diffusive

Fiamme premiscelate[NO_x]_tecnici in Φ_max = 0,1Miscela in eccesso d’ossigeno con elevata T_ad,i

Fiamme diffusiveProduce comunque elevate quantità di NO_x tecnici onde se Φ_medio ≪ 1

METODI PER RIDURRE EMISSIONI [NO_x]

METODI PRIMARI:

evito la formazione di NO_x termici

• basse T_ad,F
• fiamme premiscelate
• iniezione vapore H₂O
• stage combustion (riduco ossigeno)

METODI SECONDARI:

rimozione di NO_x nei fumi

Si utilizzano soprattutto con il carbone, con il quale non posso evitare [NO_x] termici e [NO_x] fuel-bound.

• SOSTANZA IN GRADO DI STRAPPARE L’OSSIGENO ALL’AZOTO
• Ammoniaca
• Ossidi di vanadio o tungsteno

3. Idrocarburi Incombusti

Scopo: fornire le reazioni di ossidazione

Cause:

• temperature elevate (evitare raffreddamento repentino)
• elevate concentrazioni di O₂

4. Particolato

Particolato organico: contengono carbonio e idrogeno

• combustibile
  • etilene C₂H₄
  • acetilene C₂H₂

anello carbonioso

Nucleo per accrescimento

I parametri del particolato sono

• Tipo di fiamma:

  Il calore di innescamento della fiamma diffusa provoca la deidrogenazione del benzene.

  A ciò si aggiunge la disuniformità dell'ossigeno che non ombreggia il combustibile prima della deidrogenazione.

• Tipo di combustibile

  • Gassosi:

    Alto rapporto H/C leggeri

    • ridotte quantità

  • Liquidi solidi:

    Fiamme diffusive basso rapporto H/C già strutture cabohlouee

    • maggiore quantità.

Pressione:

passando da [solido] → [gas]

il numero di moli aumenta

∑C_i-∑b_i > 0

Sfavorite alle alte pressioni → Maggior particolato

Temperatura

T ∈ [1500_°; 1700_°]K: massima produzione

T > 1900_°: si formano gli idrocarburi policiclici

Metodi di adattimento

• Primari
• Fluido dinamica
• Temperature di fiamma
• Rapporto di equivalenza
• Secondari (liquidi e solidi)
• rimozione con filtro