Inquinamento atmosferico

La camera di combustione (cenni)

La camera di combustione è a tutti gli effetti un reattore chimico in cui avvengono sia le reazioni di combustione che quelle di formazione e riduzione degli inquinanti. Sono valide tutte le definizioni associate a reazioni e reattori, come conversione, selettività, resa...

L'idea di fondo di questo nuovo approccio consiste nel guardare la caldaia mettendo in secondo piano le problematiche relative alla generazione del vapore e considerare gli aspetti reattoristici della camera di combustione.

Il generatore di vapore, in quest'ottica, può essere considerato un'apparecchiatura in grado di trasformare i reagenti (aria, combustibile), a cui potrebbero essere aggiunti altri composti, in prodotti (essenzialmente anidride carbonica ed acqua) minimizzando, e questa è la novità, la...

produzione di inquinanti. In generale è possibile dividere il reattore - caldaia in due zone: nella prima, camera di combustione ("furnace"), sono collocati i bruciatori, nella seconda, sezione di scambio, posta a valle della zona di combustione, i fumi caldi scambiano calore con le pareti del generatore. La prima zona è caratterizzata da alte velocità di reazione, vigorosi fenomeni di scambio di calore e di materia, nella seconda invece le reazioni di conversione dei combustibili sono pressoché esaurite, ed il fenomeno principale è lo scambio termico, essenzialmente radiativo, tra fumi e pareti tubiere. La differenza tra queste due zone dal punto di vista reattoristico è evidente quando si confrontano tra loro i gruppi dimensionali che caratterizzano i flussi in esse reagenti. Quando si parla di impiegare la caldaia come reattore chimico, ci si riferisce essenzialmente alla seconda zona di reazioni volte all'abbattimento delle emissioni.camera di combustione Le caldaie presentano una notevole varietà di situazioni fluidodinamiche. La collocazione dei bruciatori nella camera di combustione determina infatti, a parità di ogni altra condizione, campi di moto estremamente diversi, e poiché a questi è collegato il profilo di generazione del calore nelle caldaie, risultano differenti anche i campi di temperatura. Nella classificazione tecnica, le caldaie tradizionalmente vengono divise in frontali e tangenziali, a seconda che i bruciatori siano collocati negli angoli o sulle pareti della camera di combustione. I bruciatori servono per introdurre nella camera di combustione il combustibile e l'aria. All'uscita del bruciatore si forma la fiamma, le cui proprietà sono fortemente influenzate dalle caratteristiche del bruciatore. Figura 2.12: Possibili configurazioni del camera di combustionesistema di combustione nelle caldaie industriali determinate, a parità di ogni altra condizione, dalle dimensioni della camera di combustione. Questo comporta che i tipi di flusso sono anche funzioni della natura del combustibile. Un elemento determinante ai fini dell'utilizzo della caldaia come reattore chimico è la temperatura dei gas nella zona di reazione, caratterizzata da gradienti rilevanti. Infatti, mentre la temperatura media del generatore dipende essenzialmente dall'intensità di combustione, dal tipo di combustibile usato e dallo stato di sporcamento delle superfici di scambio, la struttura del campo di temperatura risente del posizionamento dei bruciatori nella camera di combustione. Questa influenza è importante in prossimità della zona principale di combustione, ma via via che ci si avvicina all'uscita della caldaia si assiste ad un livellamento delle temperature.abbattimento devono essere distribuiti in modo omogeneo all'interno del generatore. Questo può essere ottenuto attraverso l'utilizzo di sistemi di iniezione dei reagenti, come ad esempio iniettori o spruzzatori. La distribuzione uniforme dei reagenti è fondamentale per garantire un'efficace reazione di abbattimento degli inquinanti. Inoltre, è importante valutare anche la temperatura dei reagenti all'interno del generatore. Infatti, la temperatura influisce sulla velocità delle reazioni chimiche e quindi sull'efficacia del processo di abbattimento. È necessario mantenere una temperatura ottimale per favorire una reazione completa e efficiente. Infine, è importante considerare anche la presenza di eventuali catalizzatori all'interno del generatore. I catalizzatori sono sostanze che accelerano le reazioni chimiche senza essere consumati nel processo. Possono essere utilizzati per aumentare l'efficienza del processo di abbattimento degli inquinanti. In conclusione, per ottenere un'efficace riduzione degli inquinanti è necessario garantire una distribuzione omogenea dei reagenti all'interno del generatore, mantenere una temperatura ottimale e valutare l'utilizzo di catalizzatori.

disinquinamento sono generalmente introdotti dall'esterno. Considerando le elevate portate di fumi in gioco e le bassissime concentrazioni degli inquinanti, appare subito evidente la difficoltà di miscelare alcuni chilogrammi di reagenti esterni con centinaia di tonnellate di fumi. La strategia da impiegare dipende dallo stato fisico del reagente e dalla zona nella quale esso deve essere iniettato, che a sua volta dipende dalle reazioni che si vogliono attivare.

Date le notevoli dimensioni della caldaia, è necessario introdurre il disinquinante in più punti con l'obiettivo di raggiungere il più alto grado di miscelamento possibile, questo perché il processo può considerarsi in regime diffusivo, dato che le reazioni sono generalmente molto veloci.

Le dimensioni della camera di combustione devono essere tali da garantire un tempo di permanenza dei reagenti sufficiente per il completamento della reazione, anche in relazione al miscelamento.

e all'eccesso d'aria. Il flusso termico sulle pareti varia da 6 a 2 BTU/hr·ft . Il carbone, a causa della velocità relativamente bassa di ossidazione del char, richiede tempi di 1.4 a 2·10 permanenza, e quindi volumi, più grandi. L'olio richiede tempi più bassi per il completamento della combustione, ma occorre un volume più grande di quanto valutabile dai tempi di permanenza, in quanto occorre ridurre i picchi del flusso termico. Il gas dà un rilascio più uniforme, per cui permette volumi minori. Figura 2.13: Campi di moto e temperatura tipici in caldaie: tipo tangenziale (a), tipo frontale (b). Figura 2.14: Funzioni di distribuzione dei tempi di permanenza in diverse tipologie di caldaia e confronto con τ=i flussi ideali (t= tempo, tempo di permanenza dei fumi in caldaia), a sinistra schema di CSTR ideale. 2.1.6 Aerodinamica e stabilità della fiamma I bruciatori servono per introdurre nella camera di combustione

Il combustibile e l'aria. All'uscita del bruciatore si forma la fiamma, le cui proprietà sono fortemente influenzate dalle caratteristiche del bruciatore. Si examineranno ora queste fiamme riguardo all'aerodinamica e alla stabilità.

I getti. I bruciatori sono dispositivi che generano getti più o meno liberi di correnti gassose bifasiche (cioè con particelle solide o liquide disperse in una corrente gassosa). Il primo passo verso la comprensione dell'aerodinamica delle fiamme è la conoscenza delle proprietà dei getti; esistono numerosi lavori sull'argomento, dal "Combustion aerodynamics" [ ], fino a recenti reviews, che forniscono i mezzi per caratterizzare completamente il campo di moto generato da un getto. Occorre ricordare che il getto, trascinato dal fluido circostante (entrainment), provoca un aumento della portata lungo l'asse ed il conseguente miscelamento tra i due flussi man

mano che ci si allontana dall'ugello. È possibile predire i profili di velocità e concentrazione per ugelli di forme diverse e per getti coassiali. Quando un getto è confinato, cioè alimentato in un ambiente di dimensioni paragonabili a quelle dell'ugello, le pareti limitano la sua espansione, con la conseguente formazione di zone di ricircolazione. Alcuni esempi di campi di moto generati da getti diversi sono mostrati nelle figure seguenti.

LINEE DI FLUSSO TRASCINAMENTO ARIA ESTERNA

ZONA DI RICIRCOLO

Stabilizzazione della fiamma

Per garantire una elevata potenza termica per unità di volume, la velocità di efflusso della miscela aria-combustibile deve essere generalmente maggiore di 10-20 m/s, mentre la velocità di propagazione della fiamma in condizioni turbolente non supera i 5-10 m/s; è ovvio che occorre stabilizzare la fiamma.

cioè realizzare una più bassa velocità di efflusso, per impedire che essa, se generata da semplici getti, si stacchi dal bruciatore. Stabilizzare la fiamma significa creare una sorgente continua di ignizione, e questo avviene quando la velocità del flusso è uguale a quella della fiamma stessa; questo si realizza in pratica generando una zona di ricircolazione interna, che riporta verso l'ugello i gas combusti. Descrivere dettagliatamente quanto accade in una zona di ricircolazione è difficile, poiché i fenomeni che concorrono alla stabilizzazione della fiamma sono di natura diversa (aerodinamica, termica e chimica) e di notevole complessità. Esistono delle trattazioni specifiche semplificate che assumono che ci sia un fattore controllante e che gli altri abbiano minore importanza; tali trattazioni possono essere divise in tre categorie: 1. modello di reazione nella zona di ricircolazione: si assume che la zona di ricircolazionesiaτassimilabile ad un reattore completamente miscelato e si confrontano il tempo do residenza ed ilRτ τtempo caratteristico di reazione ; se <τ la fiamma si distacca.C R C2. modello dello stato termico della zona di ricircolazione: se il calore generato nella zona diricircolazione ad opera della combustione è inferiore al calore ceduto dalla zona stessa al flussoesterno, la fiamma non è stabile e si estingue.3. modello dell’ignizione: si valuta la capacità della zona di ricircolazione di accendere la miscela chefluisce fuori da essa. Si assume che non avvenga reazione all’interno della zona di ricircolazione eche essa sia composta essenzialmente dai prodotti di combustione. Se il tempo di residenza dellamiscela di reagenti al bordo della zona di ricircolazione è inferiore al tempo di ignizione (ignitiondelay), che dipende, tra l’altro, dalla temperatura dei gas combusti e dalla loro composizione, lafiamma siTestingue. Ovviamente in realtà saranno presenti tutti i fe