Sviluppo di strumentazione e metodi per la diagnostica di sistemi operanti in ossicombustione

Introduzione 
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VII 
INTRODUZIONE 
 
 
 
Attualmente ridurre drasticamente la dipendenza da fonti fossili appare estremamente 
difficoltoso sull’attuale scenario economico politico, in quanto in tutto il mondo 
industrializzato esse rapprendano la base della disponibilità di energia, anche nei Paesi 
dotati di un vasto parco nucleare. I combustibili di origine fossile ricoprono, al giorno 
d’oggi, la maggior parte della richiesta di produzione di energia elettrica e termica. 
L’attuale contesto ambientale ed economico del pianeta richiede però la riduzione del loro 
consumo e la necessità di reperire fonti di energia alternative poiché la produzione di 
energia da combustibili fossili porta ad emissioni di gas serra. Gli studi effettuati negli 
ultimi anni sui cambiamenti climatici hanno posto al centro dell’attenzione generale la 
questione del global warming. La comunità scientifica è concorde nell’attribuire il 
progressivo aumento della temperatura media globale al sempre maggior apporto della 
concentrazione di CO
2
 in atmosfera in gran parte dovuto all’utilizzo dei combustibili. 
Riguardo la possibilità di ottenere energia da fonti energetiche rinnovabili a bassa 
emissione di agenti inquinanti, le biomasse presentano caratteristiche migliori da un punto 
di vista ambientale rispetto al carbone: sono una fonte energetica rinnovabile prive di 
problematiche riguardo l’aleatorietà e la cui combustione è neutrale nei confronti del 
bilancio di CO
2
 presente nell’atmosfera e portano a minori emissioni di SO
2
 e NO
x
, ma 
peggiori dal punto di vista delle efficienze di combustione; hanno un basso potere 
calorifico ed un alto tenore d’umidità e volatili. Tuttavia, allo stato attuale, diversi studi 
ipotizzano che tale fonte, qualora venisse sfruttata su larga scala con vasta diffusione di 
colture energetiche, non potrebbe comunque essere considerata come pienamente 
sostitutiva dei combustibili fossili, a causa dei relativamente bassi rendimenti globali e 
delle grandi superfici coltivabili richieste.  
Poiché allo stato attuale le forme di energia alternative non sono ancora in grado si 
sopperire alla sempre più crescente domanda energetica, è ipotizzabile che i combustibili 
fossili resteranno la principale fonte di approvvigionamento ancora per molti decenni, 
richiedendo una sempre maggiore compatibilità con le esigenze ambientali, principalmente 
basate sulla continua riduzione delle emissioni inquinanti e sulla drastica riduzione delle 
emissioni di CO
2
. 
La possibilità per fare ciò possono essere:
Introduzione 
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VIII 
 aumento di efficienza degli impianti di potenza; 
 introduzione di cicli combinati, come IGCC con alte efficienze termiche; 
 sostituzione di combustibili derivati da idrocarburi con fonti rinnovabili; 
 CCS, cattura e sequestro della CO
2
 con successivo stoccaggio. 
Riguardo la cattura ed il sequestro della CO
2
 vengono sviluppate varie tecnologie: 
 cattura di CO
2
 da impianti convenzionali attraverso lo scrubbing del flue gas; 
 IGCC con una unità di separazione dell’aria per la produzione di O
2
; 
 combustione Oxy-fuel con O
2
 diluito con una corrente di gas di ricircolo per 
ridurre la temperatura di combustione; 
 combustione Oxy con una corrente di ricircolo interna indotta dai getti di O
2
 
con alto momento al posto del ricircolo esterno; 
 Chemical looping. Consiste nell’ossidazione di un intermedio con aria e 
l’utilizzo successivo dell’intermedio ossidato per ossidare il combustibile. 
La ratificazione del protocollo di Kyoto ha posto due differenti obiettivi: 
1. la riduzione delle emissioni CO
2
 nei Paesi sviluppati; 
2. la ricerca di tecnologie pulite ed economicamente sostenibili per i paesi in via 
di sviluppo. 
L’idea di far procedere parallelamente la sostenibilità ambientale con quella economica 
risulta di fondamentale importanza per il prossimo futuro. Paesi emergenti, come Cina ed 
India, infatti, stanno incrementando il loro impatto ambientale sul pianeta, e poiché basano 
il loro sviluppo soltanto sul lato economico è necessario che abbiano a disposizione 
tecnologie pulite a basso costo. L’ottimizzazione degli impianti di produzione energetica, 
diviene quindi fondamentale e deriva dalla conoscenza approfondita delle proprietà di 
questi materiali e del loro comportamento nei sistemi industriali. É necessario, pertanto, 
condurre sperimentazioni rappresentative delle condizioni della scala industriale, perché le 
proprietà cinetiche, termodinamiche e fisiche dei materiali variano non solo a seconda del 
tipo di combustibile, ma anche in ragione delle condizioni operative. Al momento si sta 
studiando la possibilità di far operare le attuali centrali termoelettriche in condizioni di oxy 
– fuel combustion, eseguendo un retrofitting degli impianti. Il problema fondamentale è 
che tutte le informazioni disponibili ad oggi (metodi di trasferimento di calore, design 
ottimale del bruciatore, ecc..) fanno riferimento ad un sistema aria-combustibile, per cui 
risulta di fondamentale  importanza investigare sui parametri che permettono di mantenere 
in ossicombustione le stesse caratteristiche delle tradizionali operazioni in aria.
Introduzione 
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IX 
 
*** 
 
Il seguente lavoro di tesi si colloca all’interno dell’attività di ricerca “sviluppo di un 
sistema innovativo di combustione di tipo flameless di polverino di carbone per impianti di 
produzione di elettricità con ridottissimi livelli di emissione di inquinanti e CO
2
” 
dell’Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico – ENEA. 
L’International Flame Research Foundation (IFRF, la cui sede si trova presso ENEL 
Ricerca, Livorno)  ha iniziato tutta una serie di test su scala semi – industriale  volta allo 
sviluppo e messa a punto di sistemi diagnostici per lo sviluppo delle principali variabili 
chimico-fisiche di processo. L’attività, in collaborazione con l’Università di Pisa è stata 
volta allo sviluppo di diagnostica speciale di tipo non invasivo sviluppata da ENEA 
(Casaccia), da applicare su impianti a ossicombustione di taglia significativa, quali una 
fornace semi-industriale Fo.Sper. (5 MW) ed un reattore di tipo “drop tube” (30kW). 
Il seguente lavoro di tesi si è stato quello di analizzare le potenzialità di una tecnica di 
misura ottica non invasiva ODC (Optical Diagnostic of Combustion) sviluppata da ENEA 
per lo studio di processi di combustione near zero emission; in particolare gli obiettivi sono 
stati: 
 
1. Ossicombustione (fornace semi-industriale Fo.Sper) 
 osservabilità delle dinamiche del processo 
 capacità di rilevare transizioni tra diversi regimi di combustione (convenzionale 
ad aria, ossicombustione)  
2. Combustione senza fiamma (bruciatore per preriscaldamento dei fumi nel reattore a 
flusso trascinato IPFR) 
 osservabilità del regime di combustione e delle sue caratteristiche 
 capacità del sistema di monitorare le transizioni tra diversi regimi di 
combustione (convenzionale, senza fiamma) 
 capacità di fornire indicazioni sulle interazioni tra chimica e turbolenza nel 
processo di combustione  
Il lavoro è organizzato come segue: 
 nel primo capitolo viene introdotto un breve stato dell’arte sulle attuali tecniche 
spettroscopiche basate sulla fluidodinamica e chimica con particolare interesse
Introduzione 
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X 
alla tecnologia puntuale LDA di diagnostica in fiamma. Viene anche introdotta 
una breve spiegazione su flameless e oxy – fuel combustion; 
 il secondo capitolo descrive le facility sperimentali Fo.Sper. e reattore IPFR con 
loro utilizzazione in esercizio di oxy – fuel combustion durante la campagna di 
prova.  
 nel terzo capitolo viene fornita una spiegazione dettagliata sulla caratterizzazione 
dinamica della turbolenza in fiamma ad opera dell’energia radiante partendo da un 
approfondimento dettagliato riguardo la chemiluminescenza; 
 il quarto capitolo fornisce una panoramica dettagliata sulla innovativa tecnologia 
ODC utilizzata dalle sonde ottiche di ENEA per lo studio in fiamma non 
intrusivo. Vengono inoltre illustrate le strumentazioni e loro caratteristiche; 
 il quinto capitolo riporta i settaggi della campagna di misura svolta su Fo.Sper e 
IPFR; 
 il sesto capitolo contiene tutte le prove sperimentali effettuate nella campagna 
sperimentale e illustra i risultati ottenuti: rilevamento con sonde ottiche in fiamma 
in Fo.Sper. e IPFR eserciti in oxy – combustion e combustione convenzionale. In 
Fo.Sper. la combustione convenzionale è stata ottenuta con polverino di carbone e 
aria mentre in IPFR con aria e gas naturale; 
 gli allegati contengono i dati di tutte le prove sperimentali e schede tecniche di 
strumentazioni impiegate.
1.Diagnostica dei sistemi di combustione 
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11 
1. DIAGNOSTICA DEI SISTEMI DI COMBUSTIONE 
 
 
 
1.1 INTRODUZIONE   
Il seguente capitolo illustra tecniche diagnostiche attualmente impiegate nel campo della 
ricerca. per lo studio dei campi di velocità delle fiamme quali metodologia laser LDA, 
(LIF, PLIF, e PIV in Appendice A). Nel capitolo 3 viene spiegato il processo di 
chemiluminescenza sul quale si poggia la metodologia ottica studiata. Saranno inoltre 
spiegate brevemente le tecniche Oxy – fuel combustion e flameless poiché durante la 
campagna sperimentale gli impianti di proprietà dell’ ENEL, quali Fornace Fo.Sper. e 
reattore IPFR, sono stati eserciti oltre che in combustione convenzionale ad aria anche con 
le seguenti tecnologie near zero emission. 
 
1.2 DIAGNOSTICA SPERIMENTALE 
Dal punto di vista diagnostico, lo studio termo-fluidodinamico e chimico entro la camera di 
combustione è fondamentale al fine di valutare gli aspetti di stabilità, massimizzare gli 
effetti di miscelamento, minimizzare la produzione di inquinanti, ed ottimizzare i processi 
di scambio termico. 
La capacità di investigare sperimentalmente riveste un ruolo determinante, risultando 
l’evidenza sperimentale, il solo strumento certo di verifica dei progressi tecnologici. Negli 
ultimi venti anni, i risultati più significativi sono stati ottenuti grazie allo sviluppo ed al 
perfezionamento di metodi non invasivi, tali da non perturbare il flusso reagente. Questi 
sostanzialmente hanno fatto capo a due filoni principali: 
 tecniche di diagnostica ottica basate sull’impiego e sulle peculiarità di sorgenti 
monocromatiche laser, di tipo continuo o pulsato. Le caratteristiche di alta 
intensità, nonché di coerenza spaziale e temporale tipiche della luce laser sono tali 
da permettere lo sviluppo e l’applicazione di tecniche basate sull’analisi del  “Mie 
Scattering” per misure di velocità, o sulla possibilità di “eccitare” una qualunque 
transizione energetica della specie che costituisce il “target” di misura (gas 
reagenti), permettendo analisi di concentrazione o di temperatura; 
 tecniche di visione artificiale, legate  all’emissione spontanea di frequenze in un 
campo più ampio del visibile, e basate sul successivo trattamento dell’immagine.
1.Diagnostica dei sistemi di combustione 
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12 
 Tali tecniche sono quindi in grado di consentire l’analisi delle fluttuazioni 
dinamiche di luminosità tipiche di una fiamma, associate allo stato di eccitazione 
dei radicali di combustione a vita breve, o addirittura di discriminare i contributi 
dovuti alle singole specie, consentendo lo sviluppo di metodi quantitativi per la 
determinazione dell’abbondanza e della distribuzione spaziale di una determinata 
specie. 
Le tecniche di  velocimetria laser sono, allo stato attuale, quelle di riferimento per le loro 
caratteristiche di: 
 non intrusività; 
 elevata precisione; 
 alta risoluzione spaziale e temporale; 
A tal fine vengono utilizzati sistemi di velocimetria laser come le tecnologie LDA e PIV 
basate sull’impiego di sorgenti monocromatiche di tipo continuo o pulsato. Tali metodi 
sono finalizzati alla misura e caratterizzazione di campi fluidodinamici (velocità, 
turbolenza, ecc), ed allo studio dell’intima interconnessione tra fenomeni fluidodinamici 
relativi però a singole particelle. 
Spostando l’attenzione sugli aspetti termo-chimici, le diagnostiche di spettroscopia 
molecolare sulle fiamme consentono misure spazialmente e temporalmente risolte di 
temperatura e specie chimiche, di tipo non invasivo. Tra le più usate in studi sulla 
combustione, ci sono da citare quelle spettroscopie che sono selettive di una specie 
molecolare nota. Esse si basano sulla capacità di eccitare, mediante luce laser di opportuna 
potenza e frequenza, transizioni a stati eccitati della specie chimica “bersaglio”, e ciò sia 
che l’obiettivo risulti quello di misurare la concentrazione della specie in questione, sia che 
risulti, al contrario, quello di misurare una proprietà chimico-fisica legata ad esempio alla 
temperatura della specie. Appartengono a questa famiglia tecniche quali il  CARS per 
misure prevalentemente di temperatura, la LIF per misure di specie chimiche, anche 
radicali, in basse concentrazioni (ppm), il  DFWM per misure di concentrazione ad alta 
risoluzione spaziale e temporale. 
Una menzione più dettagliata occorre fare per lo studio della chemiluminescenza, che non 
richiede l’impiego di sistemi laser. Si tratta della spettroscopia OES basata sulla emissione 
naturale proveniente dalle diseccitazioni delle molecole di talune specie chimiche, 
tipicamente radicali a vita breve, la cui formazione in stato energeticamente “eccitato” è 
conseguente al processo di combustione. Tale strategia sperimentale ha semplicità di 
impiego e permette la rilevazione di tali specie, nonché, trattandosi di veri e propri
1.Diagnostica dei sistemi di combustione 
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13 
“marker” molecolari della zona reattiva, permette di determinare la configurazione del 
fronte di fiamma, ed una mappatura dell’intero processo (zona di diffusione, zona di 
combustione, zona dei prodotti di combustione). Data la complessità delle attrezzature in 
gioco e l’estrema varietà di possibili configurazioni sperimentali, si parla di veri e propri 
“esperimenti” di spettroscopia molecolare. Nel capitolo 3 sarà approfondita tale tecnica. 
 
1.2.1    LDA 
L’anemometria laser doppler (LDA) è una tecnologia puntuale impiegata per misurare la 
velocità dei flussi o più precisamente delle piccole particelle inseminanti presenti al loro 
interno (0÷0,5 μm in aria, 1÷20 μm in acqua). Questa tecnologia si basa sulla misurazione 
della luce laser diffusa dalle particelle che vengono fatte passare attraverso una serie si 
frange di interferenza (un modello di superfici chiare e scure). La luce laser oscilla con una 
frequenza specifica legata alla velocità delle particelle. Se il flusso risulta perpendicolare al 
fascio laser il rapporto tra la frequenza  
 
 e la velocità  
 
 è determinato dall’angolo    dei 
due raggi laser che si intersecano dalla lunghezza d’onda 
0
 della luce laser: 
 
 
 
      
 
 
0
 
 
 
La seguente tecnologia presenta numerosi vantaggi rispetto ad altre tecniche. Non richiede 
contatto fisico con il flusso, in questo modo non si ha perturbazione così che non si hanno 
disturbi e la tecnica può essere applicata ai flussi altamente reattivi o estremamente caldi. 
Inoltre si può ottenere una elevate risoluzione spaziale ottenuta focalizzando i due fasci 
laser. Tali caratteristiche rendono lo la tecnologia LDA una valida tecnica di misurazione 
con molte applicazioni. Per esempio, si possono ottenere misurazioni del flusso 
d'aria all'interno dei motori a combustione e dei motori di aerei in modo da poter 
migliorare l'efficienza del carburante, ridurre l'inquinamento e il rumore degli aerei. Le 
limitazioni di tale tecnologia sono: 
 Le particelle non sempre seguono accuratamente il flusso; 
 riscaldamento del fluido; 
 necessità di iseminamento del flusso; 
 i fluidi devono essere trasparenti.
1.Diagnostica dei sistemi di combustione 
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14 
In conclusione con la tecnologia LDA si ottiene lo spettro dell’energia cinetica 
campionando le componenti di velocità in un punto anche in fiamme ad alta temperatura (a 
differenza del filo caldo, che campiona a frequenze maggiori, ma non è adottabile in 
fiamme ad alta temperatura). Gli spettri ottenuti riportano un trasferimento inerziale di 
energia proporzionale al numero d’onda k
-5/3
 (k=1/λ) poiché va consiederato che si tratta di 
spettri nel tempo e legati ad un punto dello spazio, mentre nella teoria di Kolmogorov il 
range inerziale si ottiene facendo uno spettro nello spazio del flusso. Le frequenze 
campionate con la tecnica LDA non arrivano però ad ordini di grandezza dei tempi delle 
scale chimiche. 
 
1.3 TECNOLOGIA OXY – FUEL COMBUSTION 
Grande interesse nel mondo scientifico sta ottenendo la tecnologia per la combustione del 
carbone in atmosfera arricchita di ossigeno che aprirebbe le porte all’opportunità di 
effettuare la segregazione della CO
2
 allo scarico, con la possibilità di ridurre le emissioni e 
limitandone l’impatto sull’ambiente; tale tecnologia prende il nome di Oxy – fuel 
combustion (o oxycombustion). 
Nella combustione tradizionale con aria si genera una corrente di gas in cui la CO
2
 è diluita 
(circa il 15%), mentre la maggior parte del flusso è rappresentata dall’azoto che abbassa le 
temperature in camera di combustione ma rappresenta il principale impedimento tecnico 
per la cattura della CO
2
. 
La tecnologia Oxy – combustion  invece,  consiste nell’alimentare un impianto per la 
produzione di energia elettrica da combustibili fossili con una miscela costituita da 
ossigeno e gas di combustione. Gran parte dell’azoto è rimosso dal flusso di aria in 
ingresso all’impianto, generando una portata contenente il 95% circa di O
2
 (circa il 30% 
del volume)
 
. Il cambiamento nella composizione dei gas al bruciatore incide sulle 
caratteristiche di fiamma, soprattutto la sostituzione dell’azoto con l’anidride carbonica ha 
un effetto inibitore sulla stabilità. Poiché la combustione con ossigeno puro comporta una 
temperatura di fiamma molto alta, è necessario ricorre alla diluizione della portata di O
2
 
con una frazione di RFG. I gas di ricircolo generano una corrente contenente 
principalmente CO
2
 e H
2
O pronta per il sequestro senza strippaggio dell’anidride 
carbonica, inoltre controllano la temperatura della fiamma e compensano il volume di N
2
 
mancante. Tale flusso può essere usato anche per veicolare il combustibile all’interno del 
reattore. La tecnologia Oxy – combustion produce approssimativamente il 75% in meno di
1.Diagnostica dei sistemi di combustione 
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15 
gas in uscita rispetto ai combustori alimentati ad aria, e la composizione dei fumi è 
prevalentemente CO
2
 and H
2
O.  
In figura 1.1. è mostrato un flow-sheet generale 
[2]
: 
 
Figura 1.1. Flow-sheet generale per la combustione Oxy – fuel 
 
Le caratteristiche dell’ ossicombustione con gas di ricircolo differiscono da quelle della 
combustione convenzionale per i seguenti aspetti: 
 per realizzare la stessa temperatura adiabatica di fiamma la quantità di ossigeno 
deve essere più alta, tipicamente 30%, maggiore rispetto al 21% della 
combustione in aria, e i gas ricircolati devono essere circa il 60%; 
 le più alte proporzioni di CO
2
 e H
2
O nei gas della fornace portano ad un aumento 
dell’emissività del gas; 
 il volume di gas che fluisce all’interno di una fornace è leggermente ridotto, 
mentre il volume del flue gas (dopo il ricircolo) è ridotto di circa l’80%; 
 la densità del flue gas aumenta; 
 senza una rimozione nella corrente di ricircolo, alcune specie (ad esempio gas 
solforati molto corrosivi) possono raggiungere concentrazioni più alte rispetto 
all’air-firing. 
Un generico schema di impianto Oxy – fuel è rappresentato in figura 1.2 
[3]
: 
 
Figura 1.2. Impianto di potenza a polverino che utilizza l’Oxy – fuel combustion