Le problematiche di impatto ambientale degli impianti TG sono connesse all'emissione di sostanze inquinanti prodotte durante la combustione, al rilascio di notevoli portate di fumi ad elevata temperatura (inquinamento termico) ed all'ingente emissione sonora. In questa sede vengono trattati gli aspetti relativi al solo inquinamento chimico. E’ pertanto evidente che le emissioni inquinanti degli impianti TG a circuito aperto sono strettamente correlate alle caratteristiche ed alle condizioni operative della camera di combustione, nonché alle caratteristiche ed alla composizione del combustibile impiegato. Per quanto riguarda il primo aspetto, si rimanda al par.4.3.4.2 nel quale sono descritte le caratteristiche costruttive e funzionali della camera di combustione di un impianto turbogas. In questa sede si ricorda solo che in una TG la combustione avviene alla massima pressione del ciclo, coinvolge il fluido motore ed è continua. Inoltre, allo scopo di contenere il valore della temperatura T3 all’ingresso della turbina a livelli accettabili per i materiali della macchina motrice, si opera con forti eccessi d'aria (elevati valori del rapporto aria-combustibile α).
Per quanto riguarda i combustibili di possibile utilizzazione negli impianti turbogas si hanno:
− Combustibili liquidi: sono derivati dal petrolio e si dividono in:
− distillati leggeri (benzine, kerosene): sono facilmente atomizzabili, hanno bassa viscosità ed elevata volatilità (con possibili problemi di sicurezza);
− distillati pesanti: sono privi di sostanze estranee che possono dar luogo a ceneri ma hanno
spesso difficoltà di vaporizzazione per l'elevata viscosità;
− combustibili pesanti: sono più economici, hanno elevata viscosità, alto tenore di zolfo,
vanadio e sodio, danno luogo a ceneri e sono sconsigliati in campo aeronautico.
− Combustibili gassosi: sono molto usati, talvolta hanno bassa densità energetica (energia per
unità di volume). Fra essi sono impiegati soprattutto il gas naturale ed, in misura minore, il gas
di carbone.
− Combustibili solidi: hanno finora scarse applicazioni (polverino di carbone in impianti
sperimentali) per problemi di atomizzazione e miscelamento con l'aria comburente.
− Combustibili non convenzionali: idrogeno, propano, ammoniaca, alcoli. Si hanno applicazioni
sporadiche o sperimentali, con problematiche differenti per ciascuno di essi.
Le principali sostanze inquinanti emesse dagli impianti TG sono:
− ossidi di azoto (NOx);
− monossido di carbonio (CO);
− idrocarburi incombusti (HC);
− ossidi di zolfo (SOx);
− particolato;
− anidride carbonica (CO2, inquinante termico).
Con riferimento ai principali inquinanti chimici (CO, HC, NOX e particolato) occorre rimarcare l’importanza delle condizioni operative dell'impianto sulle emissioni (fig.6.19): si osserva che le
concentrazioni di CO ed HC sono più elevate in condizioni di minima potenza erogata, quelle di
NOx e di particolato al regime di potenza massima.
Fig.6.19
Per quanto riguarda la formazione dei composti inquinanti nella camera di combustione in un
impianto turbogas, si ricorda che, in generale, il monossido di carbonio (CO) si produce per carenza di ossigeno nel processo di combustione oppure per fenomeni di congelamento delle concentrazioni (impossibilità di ossidazione di CO in CO2) (vedi par.3.5.1). Nelle TG il CO si forma nella zona primaria della camera di combustione. Se essa opera con miscele ricche si hanno rilevanti quantità di CO per carenza di ossigeno, mentre nel caso di un processo di combustione con forte eccesso d’aria e quindi con ridotti livelli di temperatura si hanno difficoltà per il completamento dell'ossidazione di CO in CO2 per il rallentamento della cinetica della reazione di equilibrio. Le emissioni di idrocarburi incombusti (HC) in un impianto con turbina a gas sono in genere correlate ad una cattiva atomizzazione del combustibile, ovvero ad un eccessivo raffreddamento dei fumi per il miscelamento dell'aria secondaria con il flusso primario. Gli ossidi di azoto (NOx), costituiti principalmente da NO, si formano per ossidazione dell'azoto atmosferico nelle zone della camera di combustione a più elevata temperatura ⇒ gli NOx si formano prevalentemente nelle zone centrali del combustore (vedi par.4.3.4.2) e le quantità emesse raggiungono il massimo nelle condizioni di piena potenza dell’impianto (minori eccessi di aria durante la combustione). Il particolato si forma principalmente nella zona centrale della camera di combustione se si verifica un imperfetto miscelamento aria-combustibile con conseguente formazione di aggregati carboniosi solidi. La maggior parte delle particelle così formatesi viene in genere ossidata nelle zone a valle della zona primaria in presenza di eccesso d'aria. La produzione di particolato nelle TG é legata alle caratteristiche del combustibile, ai livelli di pressione e temperatura in camera di combustione, al rapporto aria-combustibile ed al livello di atomizzazione del combustibile iniettato.
Per quanto riguarda i combustibili di possibile utilizzazione negli impianti turbogas si hanno:
− Combustibili liquidi: sono derivati dal petrolio e si dividono in:
− distillati leggeri (benzine, kerosene): sono facilmente atomizzabili, hanno bassa viscosità ed elevata volatilità (con possibili problemi di sicurezza);
− distillati pesanti: sono privi di sostanze estranee che possono dar luogo a ceneri ma hanno
spesso difficoltà di vaporizzazione per l'elevata viscosità;
− combustibili pesanti: sono più economici, hanno elevata viscosità, alto tenore di zolfo,
vanadio e sodio, danno luogo a ceneri e sono sconsigliati in campo aeronautico.
− Combustibili gassosi: sono molto usati, talvolta hanno bassa densità energetica (energia per
unità di volume). Fra essi sono impiegati soprattutto il gas naturale ed, in misura minore, il gas
di carbone.
− Combustibili solidi: hanno finora scarse applicazioni (polverino di carbone in impianti
sperimentali) per problemi di atomizzazione e miscelamento con l'aria comburente.
− Combustibili non convenzionali: idrogeno, propano, ammoniaca, alcoli. Si hanno applicazioni
sporadiche o sperimentali, con problematiche differenti per ciascuno di essi.
Le principali sostanze inquinanti emesse dagli impianti TG sono:
− ossidi di azoto (NOx);
− monossido di carbonio (CO);
− idrocarburi incombusti (HC);
− ossidi di zolfo (SOx);
− particolato;
− anidride carbonica (CO2, inquinante termico).
Con riferimento ai principali inquinanti chimici (CO, HC, NOX e particolato) occorre rimarcare l’importanza delle condizioni operative dell'impianto sulle emissioni (fig.6.19): si osserva che le
concentrazioni di CO ed HC sono più elevate in condizioni di minima potenza erogata, quelle di
NOx e di particolato al regime di potenza massima.
Fig.6.19
Per quanto riguarda la formazione dei composti inquinanti nella camera di combustione in un
impianto turbogas, si ricorda che, in generale, il monossido di carbonio (CO) si produce per carenza di ossigeno nel processo di combustione oppure per fenomeni di congelamento delle concentrazioni (impossibilità di ossidazione di CO in CO2) (vedi par.3.5.1). Nelle TG il CO si forma nella zona primaria della camera di combustione. Se essa opera con miscele ricche si hanno rilevanti quantità di CO per carenza di ossigeno, mentre nel caso di un processo di combustione con forte eccesso d’aria e quindi con ridotti livelli di temperatura si hanno difficoltà per il completamento dell'ossidazione di CO in CO2 per il rallentamento della cinetica della reazione di equilibrio. Le emissioni di idrocarburi incombusti (HC) in un impianto con turbina a gas sono in genere correlate ad una cattiva atomizzazione del combustibile, ovvero ad un eccessivo raffreddamento dei fumi per il miscelamento dell'aria secondaria con il flusso primario. Gli ossidi di azoto (NOx), costituiti principalmente da NO, si formano per ossidazione dell'azoto atmosferico nelle zone della camera di combustione a più elevata temperatura ⇒ gli NOx si formano prevalentemente nelle zone centrali del combustore (vedi par.4.3.4.2) e le quantità emesse raggiungono il massimo nelle condizioni di piena potenza dell’impianto (minori eccessi di aria durante la combustione). Il particolato si forma principalmente nella zona centrale della camera di combustione se si verifica un imperfetto miscelamento aria-combustibile con conseguente formazione di aggregati carboniosi solidi. La maggior parte delle particelle così formatesi viene in genere ossidata nelle zone a valle della zona primaria in presenza di eccesso d'aria. La produzione di particolato nelle TG é legata alle caratteristiche del combustibile, ai livelli di pressione e temperatura in camera di combustione, al rapporto aria-combustibile ed al livello di atomizzazione del combustibile iniettato.
