Gli ossidi di azoto (NO

Introduzione

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Introduzione

Negli ultimi anni, il consumo mondiale di energia ha evidenziato una crescita continua e significativa (incremento annuo del 2-3%), non solo nei paesi industrializzati ma anche in quelli in via di sviluppo, a causa del rapido processo di industrializzazione e del miglioramento complessivo delle condizioni di vita. L’aumento de fabbisogno energetico, soddisfatto in larga misura dalla combustione dei combustibili fossili, ha determinato un incremento delle emissioni di anidride carbonica e ossidi di azoto in atmosfera. D’altra parte, l’attenzione sempre maggiore rivolta alla qualità dell’aria, intesa come fondamentale componente della qualità della vita, ha spinto la ricerca verso lo sviluppo di sistemi di combustione efficienti e sostenibili, in grado di ottimizzare i consumi di fonti energetiche non rinnovabili e di assicurare, allo stesso tempo, una protezione dell’ambiente a lungo termine e su scala globale. Ciò ha determinato un profondo cambiamento nel ruolo della tecnologia, chiamata ad operare non solo a valle del processo produttivo, con i sistemi di depurazione, ma in tutte le fasi del ciclo stesso, al fine di prevenire la formazione di sostanze inquinanti. È evidente come un approccio di questo tipo richieda uno sforzo significativo, volto a chiarire i meccanismi di formazione delle sostanze inquinanti e le interazioni tra cinetica chimica, turbolenza e scambio termico.

Gli ossidi di azoto (NO

) sono considerati tra i maggiori inquinanti atmosferici. Essi contribuiscono, infatti, ad originare lo “smog fotochimico”, nebbie e piogge acide. Inoltre, per quanto riguarda gli effetti accertati sull’uomo, gli NO

sono gas irritanti per l’apparato respiratorio e per gli occhi e, in caso di lunghe esposizioni, possono favorire l’enfisema polmonare e ridurre la resistenza alle infezioni batteriche. Nel corso degli ultimi anni, sono stati registrati grandi progressi nello sviluppo di sistemi di combustione in grado di limitare le emissioni di NO

, che sono generati anche nell’ossidazione di combustibili puliti come gas naturale e idrogeno a seguito della reazione ad alta temperatura tra l’azoto presente nell’aria comburente e l’ossigeno. L’impiego delle marmitte catalitiche è ormai obbligatorio in molti paesi e numerose aziende produttrici di sistemi di combustione hanno sviluppato bruciatori a bassa emissione di azoto (low-NO

burner e ultra-low-NO

burner).

Un altro aspetto centrale nel campo della ricerca sulla combustione è costituito dal

miglioramento delle prestazioni energetiche. Questo obiettivo viene generalmente ottenuto

con sistemi rigenerativi, che permettono di recuperare l’energia contenuta nei gas esausti,

realizzando un preriscaldamento dell’aria comburente. Tuttavia, ciò determina un

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12 innalzamento dei livelli di temperatura nel sistema e favorisce, pertanto, la formazione dell’ossido di azoto con il meccanismo termico.

L’impegno profuso al fine di superare la contraddizione tra risparmio energetico ed emissioni di NO ha permesso di sviluppare una tecnologia di combustione innovativa, nota come ossidazione flameless, applicabile a sistemi operanti con elevati ricircoli di gas esausti e temperature superiori a quella di auto-ignizione del combustibile.

Nell’ambito della presente Tesi di Laurea Specialistica è stata realizzata la modellazione CFD di un bruciatore pilota sviluppato presso i laboratori Enel-Ricerca di Livorno, in grado di operare sia in regime di combustione con fiamma stabilizzata al bruciatore (flame) che in modalità di combustione flameless. La simulazione numerica del bruciatore è stata realizzata utilizzando il codice di calcolo commerciale CFX-5.7, di recente acquisizione presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica Industriale e Scienza dei Materiali dell’Università di Pisa.

Per valutare le prestazioni del codice di calcolo nella modellazione di problemi di

combustione ed accertare l’influenza dei parametri gestibili sulle soluzioni, è stata effettuata,

in fase preliminare, una procedura di validazione del codice stesso, attraverso il confronto con

dati sperimentali disponibili in letteratura. Le prove hanno riguardato la simulazione numerica

di un bruciatore bluff-body, caratterizzato sperimentalmente presso i laboratori della Sidney

University e del Sandia National Laboratories. Tale tipologia di bruciatore costituisce, infatti,

un valido banco di prova per l’analisi CFD delle fiamme premiscelate turbolente poiché, oltre

a presentare caratteristiche comuni ai sistemi di combustione industriali, è caratterizzato da

complesse interazioni tra chimica e turbolenza.