Come avviene la combustione
Come abbiamo visto nel corso dei precedenti post, le emissioni sono il risultato di diversi processi di combustione, industriali e non, ma come funziona la combustione? Vediamolo assieme con questo approfondimento.
Cosa significa combustione?
Partiamo dalle basi. Il termine “combustióne” deriva dal latino combustio -onis, ovvero “bruciamento”. Vediamo come avviene tale reazione.
Cos’è e come avviene la combustione?
La combustione è la reazione di ossidazione di un combustibile per mezzo di un comburente il cui risultato è la produzione di calore e radiazioni elettromagnetiche, tra cui molto spesso la luce.
I combustibili più comuni sono i cosiddetti combustibili fossili, come carbone e petrolio, mentre il tipico comburente è l’ossigeno, o più precisamente l’aria che contiene altri gas oltre all’ossigeno.
La presenza di un combustibile ed un comburente non è da sola una condizione sufficiente affinché abbia luogo una combustione, è infatti necessaria un’adeguata concentrazione dei due e l’intervento di un innesco. Per approfondire questo tema rinviamo a due articoli del nostro Magazine: Triangolo del fuoco: quando avviene una combustione e Cos’è il L.I.E.
Come avviene la combustione completa (stechiometrica)
Idealmente nel momento in cui utilizziamo una combustione quale fonte di energia (caldaie residenziali, industriali, motori, etc.) vorremmo che tutta l’energia disponibile nel combustibile venisse utilizzata, eseguendo quindi una combustione completa secondo il rapporto stechiometrico che rappresenta il rapporto idealmente perfetto tra il comburente e il combustibile in modo che non restino scarti. Vediamo due esempi che riguardano due combustibili largamente utilizzati, metano e carbone.
La reazione stechiometrica di combustione del metano è la seguente:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
Quindi per bruciare una mole di metano sono necessarie due moli di ossigeno. Naturalmente nella realtà questo non accade, in particolare in difetto di ossigeno avvengono reazioni che possono portare a diversi prodotti, tra i quali monossido di carbonio e metanolo. Se aggiungiamo il fatto che il principale comburente utilizzato è l’aria (21% ossigeno 79% azoto), capiamo perché nella pratica non si brucia mai secondo la reazione stechiometrica, ma si cerca di bruciare in eccesso d’aria, al fine di evitare i prodotti più dannosi dello scarto di combustione.
La stessa considerazione vale per il carbone. Idealmente se avessimo del carbone puro, ossia contenente solo carbonio, la reazione stechiometrica sarebbe la seguente:
C + O2 -> CO2
Quello che accade nella realtà è che in presenza di una combustione in difetto di ossigeno abbiamo la formazione di monossido di carbonio, o in casi di una forte carenza di O2 anche di nerofumo.
Aria, combustibile e analisi di combustione
Da quanto abbiamo appena visto dovrebbe risultare chiara l’importanza della verifica del rapporto aria/combustibile quando avviene una combustione. Si tratta di una verifica fondamentale sia in termini di efficienza energetica, sia di riduzione delle emissioni. Nella pratica quindi attraverso l’analisi di combustione di cercherà di bilanciare tra una combustione ricca (più combustibile che aria) e una povera (più aria che combustibile) in modo da evitare il più possibile la formazione di gas e residui tossici.
In genere quanto maggiore è il carbonio presente in un combustibile, tanto maggiore sarà l’ossigeno necessario ad una combustione completa. Approfondiremo nel prossimo articolo alcuni tra i principali combustibili.