Per combustibili si intendono abitualmente le sostanze che, per reazione con l'ossigeno, sono in grado di fornire calore; chiaramente sono maggiormente impiegati e commercializzati quelli che producono elevate quantità di energia termica per unità di massa. I normali combustibili sono costituiti sostanzialmente da carbonio o da carbonio e idrogeno (idrocarburi), ma contengono delle impurezze, spesso (specie se carbone e legna) in quantità ragguardevole, che durante la combustione possono dar luogo a composti gassosi (per es. i composti solforosi) o a residui solidi (le cosiddette ceneri). Nella precedente definizione non sono compresi i "combustibili nucleari" (dizione a rigore impropria) i quali producono energia termica per reazione di fissione o di fusione dei nuclei atomici.
1.1. Classificazione
Alcuni tipi di combustibili esistono già in natura, mentre altri sono ricavati industrialmente mediante processi chimici o fisici. In base a una prima classificazione relativa al loro stato di aggregazione distinguiamo i combustibili in: solidi, liquidi,
gassosi.
Tra i combustibili solidi naturali i principali sono: •legno
•torba •lignite
•carbone fossile
mentre tra quelli ricavati industrialmente ricordiamo:
•coke (residuo che si ottiene sottoponendo il carbone fossile a un rapido riscaldamento a temperatura elevate senza contatto con l’aria)
•carbone di legna (come sopra, ma partendo dal legno)
•coke di petrolio (come sopra, ma partendo dal residuo pesante della distillazione del petrolio) •mattonelle (ottenute unendo legno o carbone con sostanze aggreganti, spesso bituminose).
Tra i combustibili liquidi naturali ricordiamo: •petrolio greggio
•olii vegetali
•mentre tra quelli ricavati industrialmente: •gas di petrolio liquefatto
•benzina •petrolio •gasolio •olio combustibile •alcoli •eteri •esteri
Tra i combustibili gassosi:
•gas naturale (essenzialmente costituito do metano)
•gas naturale (essenzialmente costituito do metano)
•gas industriali, quali il gas d'acqua ottenuto per reazione di acqua con carbone ed il gas d'aria ottenuto per
parziale ossidazione del carbone •idrogeno
Un altro modo di classificare i combustibili è quello in base alle fonti primarie di energia, che è molto usato nelle macrostatistiche energetiche. In esso sono presi in considerazione:
•combustibili solidi •gas naturale •petrolio
•energia idrogeolettrica •fonti rinnovabili.
1.2. Proprietà caratteristiche
La principale caratteristica che individua la capacità dei combustibili di produrre calore è il potere calorifico. Per potere calorifico si intende la quantità di calore prodotta per unità di peso o di volume dal combustibile a seguito di combustione completa con aria o con ossigeno. Si misura in kcal/kg (o in MJ/kg), se ci si riferisce al normal metro cubo dei combustibili gassosi. Ricordiamo che la kcal è la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di un chilogrammo di acqua da 14,5 a 15,5oC.
Si distinguono due tipi di potere calorifico:
•potere calorifico superiore: quando si considera l’acqua, ottenuta dalla combustione, condensata a seguito della
combustione, valutandone il calore di condensazione alla temperatura di 15oC
•potere calorifico inferiore: quando si considera l’acqua, ottenuta dalla combustione, allo stato vapore.
La differenza tra i due poteri calorifici è quindi pari al calore latente di evaporazione dell’acqua che si ottiene dalla combustione. Esistono numerosissime altre caratteristiche dei combustibili che servono ad individuare la loro idoneità all’uso specifico al quale sono destinati. Ricordiamo che le caratteristiche dei prodotti possono essere idoneità all’uso specifico al quale sono destinati. Ricordiamo che le caratteristiche dei prodotti possono essere tipiche o di garanzia.
Si intendono per caratteristiche tipiche quelle che caratterizzano un determinato prodotto tipico di una certa categoria, mentre per caratteristiche di garanzia si intendono quelle i cui limiti devono essere rispettati da tutti i prodotti di quella categoria. Le caratteristiche dei combustibili naturali sono estremamente variabili specialmente quelle dei combustibili solidi che differiscono notevolmente in relazione ai tenori di sostanze volatili, impurezze e umidità in essi contenuti. Sono invece molto omogenee e ben definite, grazie all'alto livello degli impianti tecnologici utilizzati per produrli, le caratteristiche di quei combustibili ricavati industrialmente, che devono rispondere alle esigenze molto sofisticate delle macchine e degli impianti che li utilizzano (specialmente motori a combustione interna).
Riportiamo ora, a titolo indicativo, alcune indicazioni di caratteristiche per i principali tipi di combustibili. Ciò al fine di mettere in evidenza quale sia la loro capacità di dar luogo alla produzione di calore e quali siano i loro contenuti di impurezze: informazioni che servono a inquadrare il contributo che ciascun combustibile può dare all’inquinamento ambientale.
Combustibili solidi
•Legno: caratterizzato da un elevato contenuto di umidità che ne abbassa il p.c.i. a 2.500/3.000 kcal/kg
(10,5/12,6 MJ/kg) e da un basso tenore di ceneri (qualche percento).
•Torba: ha un elevatissimo contenuto di acqua e un tenore di ceneri piuttosto basso (5%). Si può
considerate mediamente un p.c.i. Hi = 2.500 kcal/kg (10,5 MJ/kg).
•Ligniti: ne esistono di molti tipi. Hanno contenuti elevati di acqua ed elevatissimi di ceneri (10-30%), i
quali ne possono far variare il p.c.i. da 4.500 a 2.000 kcal/kg (da 19 a 8,3 MJ/kg).
•Carbone fossile: ne esistono numerose varietà, da quelle aventi elevato contenuto di sostanze volatili
(fino al 30-40% per i carboni bituminosi e litantraci) a quelle ad altissimo contenuto di carbonio e con basse sostanze volatili (qualche percento per le antraciti). Le prime, adatte a produrre gas, hanno un valore medio di Hi pari a 7.000 kcal/kg (29 MJ/kg) e contenuti di ceneri che possono arrivare al 10-20%, mentre le seconde hanno Hi medi di 8.000 kcal/kg (33,5 MJ/kg) e contenuti di ceneri di qualche percento.
•Coke: si distingue in coke di cokeria, destinato alla produzione metallurgica (molto compatto e avente Hi
di 7.000 kcal/kg e cioè 29 MJ/kg) e in coke di officina, ottenuto dalla produzione di gas e destinato in passato al riscaldamento domestico (meno compatto e avente Hi di 6.400 kcal/kg e cioè 26 MJ/kg). Hanno passato al riscaldamento domestico (meno compatto e avente Hi di 6.400 kcal/kg e cioè 26 MJ/kg). Hanno contenuti di ceneri di circa il 10%.
•Carbone di legno: ha p.c.i. di 7.500 kcal/kg (31,4 MJ/kg) e tenori di ceneri molto bassi.
•Carbone di petrolio (o petcoke): ha caratteristiche molto diverse a seconda degli impieghi cui è destinato
al di fuori della combustione (produzione di nerofumo, di elettrodi). Ha p.c.i. di 8300 kcal/kg (35 MJ/kg).
Combustibili liquidi
•naturali con caratteristiche variabili:
a seconda dei pozzi di produzione, per il petrotio greggio: p.c.i. medio di 10.000 kcal/kg e cioè 42 MJ/kg, densità molto variabile che influenza le rese in prodotti che si otterranno in raffineria e contenuti di zolfo variabili da 0,1% di alcuni pozzi libici e nigeriani a 3,5% di alcuni pozzi egiziani ed irakeni
•ricavati industrialmente:
dalla raffinazione del petrolio greggio: i prodotti petroliferi. Ricordiamo che il petrolio greggio e i prodotti petroliferi sono costituiti quasi esclusivamente da molecole di idrocarburi, formate da atomi di carbonio ed idrogeno legati tra loro in modi molto diversi a secondo della specie molecolare. Il carbonio ha 4 legami e l’idrogeno ne ha 1 (valenze).
A seconda di come sono collegati gli atomi di carbonio, esistono varie categorie di idrocarburi. La più semplice è quella paraffinica o alifatica che è costituita da una catena aperta, lineare o ramificata, nella quale gli atomi di carbonio sono collegati tra loro con un semplice legame (idrocarburi saturi, alcani), mentre gli altri loro legami sono saturati da atomi di idrogeno (trova esempi).
Inoltre esistono altre categorie di idrocarburi (serie omologhe):
•idrocarburi olefinici (alcheni) ed acetile (alchini), nei quali esiste rispettivamente un legame doppio o triplo (idrocarburi insaturi) tra due atomi di carbonio. Questi legami tendono facilmente a spezzarsi rendendo tali idrocarburi poco stabili;
•idrocarburi ciclici nei quali la catena di atomi di carbonio è chiusa a forma di anello, si dividono in naftenici ed aromatici.
Esistono altresì idrocarburi policiclici nei quali sono saldati tra loro vari anelli ciclici. Esistono altresì idrocarburi policiclici nei quali sono saldati tra loro vari anelli ciclici.
La chimica degli idrocarburi è notevolmente complicate sia dalla presenza di isomeri, ognuno dei quali ha proprie caratteristiche peculiari, sia dalla possibilità di avere molecole complete costituite da idrocarburi delle varie categorie. Per ottenere i prodotti petroliferi, il petrolio greggio viene trattato nelle raffinerie. Nel primo stadio di raffinazione esso è sottoposto ad una distillazione primaria che lo suddivide in frazioni contenenti idrocarburi che bollono entro determinate intervalli di temperature. In ordine crescente di temperature di ebollizione, per i principali prodotti orientativamente si hanno i valori indicati nella Tabella 2. 1.