Estratto: Libro bianco – Fattori d’influenza e parametri dei bruciatori e delle caldaie e la loro importanza per l’ottimizzazione del rendimento e delle emissioni

Produzione di calore all’interno di bruciatori e caldaie

Caldaia

Per la produzione di corrente, per il riscaldamento di edifici, per la produzione di cemento e vetro e per molte altre applicazioni industriali vengono usate caldaie che mettono a disposizione la necessaria energia termica. Con l’aiuto di combustibili come carbone, olio combustibile o gas, queste sono in grado di produrre grandi quantità di energia con un buon rendimento globale.

Dal momento che per la produzione di calore vengono utilizzate grandi quantità di combustibile e che la combustione causa grandi quantità di gas combusti, quando occorre regolare una caldaia o un bruciatore è importante ottenere il massimo rendimento con le minime emissioni possibili, soprattutto perché le soglie di emissione stabilite dalla legge per gli inquinanti come NOx, CO e CO₂ si inaspriscono sempre di più.

È per questo che durante la messa in funzione, la manutenzione e le misure ufficiali di caldaie o bruciatori vengono misurate anche le emissioni. Sulla base dei dati raccolti diventa così possibile valutare in modo dettagliato la performance dell’impianto e la corretta regolazione del bruciatore. Per ottimizzare l’efficienza di una caldaia e adeguare le emissioni ai requisiti fissati dal legislatore, è importante conosce i principi fondamentali del processo di combustione e comprendere gli effetti che esercitano i singoli parametri su performance ed emissione di agenti inquinanti.

I processi di combustione all’interno di bruciatori e caldaie

Processo di combustione in una caldaia

Per la produzione di calore all’interno di una caldaia, il carbonio o i composti idrocarburici vengono bruciati insieme all’ossigeno presente nell’aria. La combustione ha luogo all’interno di una camera di combustione chiusa. Con l’aiuto di uno scambiatore di calore, l’energia termica prodotta viene trasferita a un vettore termico e convogliata verso il luogo di destinazione. I combustibili solidi vengono bruciati in un letto fisso, in un letto fluido o in una nuvola di particelle solide volanti, mentre quelli liquidi vengono nebulizzati da un bruciatore nella camera di combustione, considerando che i combustibili gassosi vengono miscelati con l'aria comburente già nel bruciatore.

I restanti componenti dell’impianto garantiscono l’alimentazione e la distribuzione del combustibile, il trasferimento e la distribuzione del calore, così come lo scarico dei gas combusti e dei residui della combustione come cenere e scorie.

Durante la combustione si formano numerose sostanze che vengono scaricate sotto forma di gas combusti dalla camera di combustione. La maggior parte dei gas combusti (chiamati anche fumi) è formata dal vapore acqueo e dall’anidride carbonica (CO₂) che si formano come prodotti di reazione tra combustibile e aria comburente. Inoltre i gas combusti contengono, a seconda dell’aria alimentata, ossidi di azoto (NOx) o monossido di carbonio (CO) e particelle di combustibile non completamente bruciato. Se i combustibili sono inquinati, i gas combusti possono contenere anche acido solfidrico, ossidi di zolfo, acido fluoridrico (HF) e acido cloridrico (HCl). Inoltre sono spesso presenti anche particolato, metalli pesanti e polveri.

Reazioni chimiche durante il processo di combustione

Composizione dell'aria presente sulla superficie terrestre

Già l’aria comburente è composta da diverse sostanze. Essa contiene soprattutto azoto (N₂) e ossigeno (O₂), una percentuale variabile di vapore acqueo così come tracce di anidride carbonica (CO₂), idrogeno (H₂) e gas nobili. Fatta eccezione per l’ossigeno e per piccole quantità di azoto, queste componenti si ritrovano di nuovo anche nei gas combusti.

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