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Ottimizzazione rapporto combustibile-comburente in caldaie a metano.

In perfetta aderenza al Protocollo di Kyoto, vige l’obbligo ambientale di ridurre la quantità di anidride carbonica
prodotta negli impianti di combustione. Ciò con lo scopo evidente di dare un fattivo contributo alla riduzione di
quella che è la causa principale del cosiddetto effetto serra che, come noto, provoca il significativo aumento
delle temperature medie dell’atmosfera terrestre. Con il semplice calcolo presentato nell’articolo ci proponiamo
di dimostrare quanto sia importante la corretta gestione del rapporto tra combustibile e comburente in ingresso
a caldaie di produzione energia termica alimentate a metano. Ciò comporta, in aggiunta alla riduzione
dell’anidride carbonica prodotta, anche un significativo recupero pecuniario per minore spreco di combustibile.

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Pubblicato
da GIANCARLO BRICCO




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Estratto del testo
Aria in eccesso Per ottenere una combustione completa prassi corrente, per lo pi a
cura delle ditte che fanno assistenza tecnica, ricorrere a un adeguato
eccesso d'aria, ovvero viene fornito alla reazione di combustione pi
ossigeno (e quindi pi aria) di quanto necessario rispetto ai bilanci
chimici. Lo scopo di questo eccesso d'aria di evitare che durante
la combustione si formino zone povere di ossigeno nella miscela
aria-combustibile, le quali darebbero luogo alla formazione di mo-
nossido di carbonio.
Bisogna per evitare che tale eccesso d'aria, una volta che l'ossido
di carbonio 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
quantit d'aria in ingresso determina inevitabilmente una maggiore
quantit di calore perso coi fumi per unit di energia prodotta. Questa perdita pu 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, la
seguente: CH 4 + 2O2 ' CO2 + 2H2O Se l'ossigeno che partecipa alla combustione 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
quindi necessario fornire 9,52 m3 di aria. Questo rapporto deriva
dal fatto che nell'aria atmosferica l'ossigeno contenuto in ragione
del 21% in vol. e il 79% residuo rappresentato da azoto e gas rari
(valori arrotondati ). Tecnica Combustione 79 lA TermoTecnicA ottobre 2011 di G. Bricco ottimizzazione del rapporto
combustibile-comburente
in caldaie alimentate a metano Giancarlo Bricco, p.i., ex responsabile ambiente Soc. chimico-farmaceutica. opTimizATion of The relATionship in fuel-comBusTion
GAs Boilers
In perfect adherence to the Kyoto Protocol, there is an
obligation to reduce the environmental impact of quantity
of carbon dioxide produced in combustion plants.
This with the obvious purpose of giving an effective con-
tribution to the reduction of what is the main cause of
the so-called greenhouse gases which, as noted, causes
the significant increase in average temperature of Earth's atmosphere. With the simple calculation that follows we
intend to demonstrate how important the correct manage-
ment of the relationship between fuel and combustion
air input to thermal energy production boilers powered
natural gas. This implies, in addition to the reduction of
'carbon dioxide, a significant recovery for pecuniary less
wasted fuel. In perfetta aderenza al Protocollo di Kyoto, vige l'obbligo
ambientale di ridurre la quantit di anidride carbonica
prodotta negli impianti di combustione. Ci con lo scopo
evidente di dare un fattivo contributo alla riduzione di
quella che la causa principale del cosiddetto effetto
serra che, come noto, provoca il significativo aumento
delle temperature medie dell'atmosfera terrestre. Con il semplice calcolo presentato nell'articolo ci proponiamo
di dimostrare quanto sia importante la corretta gestione
del rapporto tra combustibile e comburente in ingresso
a caldaie di produzione energia termica alimentate
a metano. Ci comporta, in aggiunta alla riduzione
dell'anidride carbonica prodotta, anche un significativo
recupero pecuniario per minore spreco di combustibile. Tecnica Il volume di aria teorico si ricava dalla seguente equa-
zione di bilancio: CH 4 + 2O2 + 7,52 N2 ' CO2 + 2H2O + 7,52 N2 Quindi per la combustione di 1 m3 di metano sono ne-
cessari 9,52 m di aria e il volume finale dei gas di com-
bustione pari a 10,52 m3, espresso come gas umidi,
mentre di 8,52 m3 escludendo l'acqua in fase vapore.
Il valore percentuale di CO 2 nei fumi secchi pari a: CO 2% v = 1/8,52 *100 = 11,7% Questo valore rappresenta il valore teorico massimo di
CO 2 nei fumi di combustione del metano. A questo punto necessario precisare che sebbene i pro-
dotti della combustione contengano allo stato di vapore
una certa quantit di acqua proveniente dalla combustio-
ne dell'idrogeno, nell'effettuare i calcoli norma pratica
fare riferimento ai gas secchi. La spiegazione di questo
artifizio dovuta al fatto che le analisi di controllo vengo-
no 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 invece da applicare nel caso di
bilanci termici, in particolare nel calcolo del calore sen-
sibile in uscita dall'impianto, poich anche l'acqua pre-
sente in fase vapore ha un suo contenuto termico che non
lecito trascurare.

Calcolo dell'aria in eccesso
In generale, l'eccesso d'aria pu essere pi o meno
elevato in funzione del tipo di combustibile utilizzato:
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 _= m 3 , la somma dell'aria teorica e dell'aria in eccesso V. At = aria teorica in _m 3 Oppure si pu utilizzare il coefficiente di eccesso d'aria 'e' 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 anzich i 2 stechiometrici, naturalmente
aumenter del 30% anche il volume di azoto. Ovvero: CH 4 + 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 Poich il volume di metano costante, mentre aumenta
il volume d'aria per effetto dell'eccesso addotto, si ha
che la concentrazione % di CO 2 diminuisce per semplice diluizione. CO 2 = 1/11,4 *100 = 8,7%, contro il valore teorico dell'11,7%. La percentuale di ossigeno nei fumi secchi, nel caso in
esempio, pari a: O 2 = 0,6/11,4 *100 = 5,2%, contro il valore dello 0% teorico. Il coefficiente di eccesso d'aria 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 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 pu utilizzare la determinazione della per-
centuale di ossigeno libero nei fumi, ossigeno che deriva
dall'aria in eccesso. Coefficiente di eccesso d'aria
e = 20,95 % / (20,95 % - O 2 misurato %) Analogamente, a partire dalla misura di anidride car-
bonica (% vol.), considerando la CO 2 max di 11,7% sui gas anidri: e = %CO 2 max / %CO2 misurata 80 lA TermoTecnicA ottobre 2011 Combustione TABellA 1 - composizione fumi teorici umidi e secchi Tecnica Nella Tabella 2 sono riportati i valori di eccesso d'aria
calcolati su percentuali crescenti di ossigeno. immediato verificare che gi con un eccesso di O 2 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 pi possibile
vicina al teorico e tale da eliminare quasi interamente
la concentrazione degli incombusti solitamente si opera
in eccesso d'aria; tale eccesso pu essere pi o meno
elevato in funzione del tipo di combustibile, dello stato
fisico, del suo grado di suddivisone.
L'eccesso di aria, rispetto alla quantit stechiometrica, di
norma cresce con la difficolt 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 pu essere espressa
come la somma di diversi contributi:
Q i potenza persa per incombusti, Q fumi la potenza persa per calore sensibile dei fumi, Q d la potenza persa per dispersione di calore attraverso il mantello della caldaia.
Considerato che la perdita per incombusti e le disper-
sioni del mantello sono solitamente costanti, vengono
qui considerate le sole perdite di calore correlate ai
fumi di combustione, in particolare si vuole porre l'ac-
cento sull'influenza dell'eccesso d'aria, essendo questo
un parametro sul quale si pu i intervenire abbastanza
agevolmente. Calcolo calore sensibile perso coi fumi in relazione
all'eccesso d'aria
Sempre con riferimento all'esempio sopra riportato cal-
coliamo il calore sensibile perso con i fumi in uscita
dall'impianto. Il calore sensibile, lo ricordiamo il ca- lore necessario per portare un gas dalla temperatura t 0 (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, possibile ricavare la quantit di calore in essi
contenuto e quindi disperso in atmosfera.
L'unico dato effettivo che necessario conoscere la
temperatura al camino dei gas medesimi. Valori intermedi possono essere ricavati mediante inter-
polazione 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. 81 lA TermoTecnicA ottobre 2011 Combustione TABellA 3 - calori sensibili kcal /nm3 dei principali gas di combustione TABellA 4 - riepilogo composizione fumi e calori sensibili a t c 150 e
aria in eccesso del 30 % v
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: CH 4 + 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: CH 4 Vol. = (607,2-537,6) / 8.480 kcal/m 3 = 0,008 m3 In cui 8.480 kcal/m3 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. Calcolo del metano
Prendendo a riferimento una serie reale di consumi annui
di metano, si 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 quantit di metano utilizzata per il riscaldamento dell'aria in eccesso; -la quantit di anidride carbonica correlata a tale ec- cesso 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 utiliz-
zato per riscaldare l'eccesso d'aria rispettivamente pari
allo 1,6% e allo 0,8% per m3 di metano. La loro differenza
0,8% quanto si risparmia operando con la quantit
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'avverten-
za di mantenere la concentrazione di ossigeno residuo di
circa il 3%v, cui corrisponde una concentrazione di aria
in eccesso del 16%. La regolazione pu essere effettuata
sia intervenendo per via elettronica e/o sulle camme di
regolazione aria-metano.
Dato che sulle moderne caldaie sono installati analizza-
tori in continuo per la misura dell'ossigeno e dell'ossido
di carbonio, quindi agevole il controllo dei fumi in uscita
dall'impianto e la verifica in continuo dell'efficienza di
combustione. Tecnica 82 lA TermoTecnicA ottobre 2011 Combustione TABellA 5 - riepilogo composizione fumi e calori sensibili a t 150 c e
aria in eccesso del 16% v
TABellA 6 - Tabella di riepilogo (dati reali) su base annua di consumi e
anidride carbonica prodotta
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 ener-
gia termica del sistema, in altri termini ci significa che
la temperatura di combustione risulta inferiore poich il
calore disponibile sempre lo stesso, ovvero fornito da
1 m3 di metano, ma la quantit di gas da riscaldare e
maggiore poich comprende anche l'aria di eccesso.
Tradotto in volumi di metano equivalente si ha:
CH 4 Vol. = (673,2-537,6) / 8.480 kcal/m 3 = 0,016 m3 In cui 8.480 kcal/m3 il potere calorico inferiore del
metano (P ci). In pratica per riscaldare l'eccesso d'aria nell'esempio so-
pra 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


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