Ammoniaca e Carbone: Un Matrimonio Energetico per Salvare il Pianeta (o Quasi)? La Mia Indagine Esplosiva!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi del futuro energetico! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, quasi da alchimisti moderni. Immaginate di poter prendere un “vecchio” gigante come una centrale a carbone e, con un tocco di innovazione, renderlo un po’ più amico dell’ambiente. Sembra fantascienza? Forse un po’, ma è esattamente quello che stiamo esplorando con la co-combustione di ammoniaca e carbone.

L’ammoniaca, quel composto che magari associate ai prodotti per la pulizia o ai fertilizzanti, sta emergendo come una superstar nel mondo dei combustibili a zero emissioni di carbonio. Perché? Beh, è ricca di idrogeno, si trasporta e stocca con relativa facilità e ha una densità energetica volumetrica niente male. L’idea è semplice ma potente: miscelarla al carbone nelle caldaie esistenti per ridurre le emissioni di CO2. Ma, come in ogni buona storia scientifica, il diavolo è nei dettagli!

Dentro la Caldaia: Come Abbiamo Fatto?

Per capirci qualcosa di più, ci siamo messi “virtualmente” ai comandi di una caldaia a combustione tangenziale da 300 MW – un bestione, ve lo assicuro! Grazie a simulazioni computerizzate super dettagliate, convalidate da dati sperimentali reali (perché la teoria è bella, ma la pratica lo è di più!), abbiamo testato diversi modi per “iniettare” l’ammoniaca, mantenendo un rapporto del 20% di ammoniaca rispetto al potere calorifico totale. Le tre strategie principali che abbiamo messo sotto la lente d’ingrandimento sono state:

• Iniezione Uniforme: L’ammoniaca viene miscelata con l’aria primaria e distribuita omogeneamente attraverso tutti i bruciatori di carbone. Un po’ come condire l’insalata in modo uniforme.
• Iniezione Concentrata Inferiore: L’ammoniaca viene sparata da bruciatori dedicati, posizionati nella parte più bassa della zona di combustione principale.
• Iniezione Concentrata Superiore: Simile alla precedente, ma i bruciatori di ammoniaca sono situati più in alto, al margine della zona di combustione.

L’obiettivo? Capire come queste diverse “ricette” influenzano il comportamento della caldaia: dai flussi d’aria alla temperatura, dalla completezza della combustione del carbone alle temutissime emissioni di NOx (ossidi di azoto).

Il “Ballo” dei Gas: Come Cambia il Flusso nella Fornace

Immaginate un vortice di fuoco e gas all’interno della caldaia. Ecco, questo è il flusso tangenziale, cruciale per una buona combustione. Con l’iniezione uniforme di ammoniaca, questo vortice diventa più “compatto” e robusto, perché aumenta la “rigidità” del getto di carbone polverizzato e aria primaria. Un bell’effetto, direi!

Quando passiamo all’iniezione concentrata, la storia cambia. I bruciatori dedicati all’ammoniaca pura, sia quelli inferiori che quelli superiori, hanno mostrato una capacità tangenziale più debole rispetto ai tradizionali bruciatori a carbone. Questo significa che il loro “slancio” nel creare il vortice è minore. Anzi, la fiamma dei bruciatori di ammoniaca superiori tendeva a deviare di più rispetto a quelli inferiori. E non è tutto: i bruciatori di ammoniaca inferiori, essendo nel bel mezzo della zona di combustione principale, disturbavano maggiormente il flusso dei vicini bruciatori a carbone. Un po’ come un ballerino esuberante che scombina la coreografia!

Questa alterazione del flusso, soprattutto con l’iniezione concentrata inferiore, potrebbe portare la fiamma del carbone a “leccare” le pareti della caldaia, causando problemi di scorie e corrosione. Non proprio l’ideale.

Temperature Sotto Controllo (o Quasi) e Combustione del Carbone

Una delle prime cose che abbiamo notato è che aggiungere ammoniaca, indipendentemente dal metodo, abbassa le temperature massime all’interno della fornace. Pensate che con l’iniezione uniforme, il calo è stato di oltre 50°C rispetto alla combustione di solo carbone! Questo perché la combustione dell’ammoniaca produce molto vapore acqueo, che ha un calore specifico più alto dell’anidride carbonica (prodotto principale della combustione del carbone) e quindi “raffredda” un po’ la fiamma. Un effetto collaterale è che il centro della fiamma tende a spostarsi verso l’alto.

Però, c’è un “ma”. Se da un lato le temperature di picco scendono, la temperatura dei gas in uscita dalla fornace (FOGT) aumenta, e anche di parecchio: oltre 45°C con il 20% di ammoniaca. Questo perché la presenza di ammoniaca e la minore quantità di carbone riducono il trasferimento di calore radiante all’interno della fornace.

E il carbone? Brucia bene come prima? Qui le cose si complicano. Con l’iniezione uniforme e quella concentrata inferiore, la combustione del carbone è risultata inibita. In pratica, una parte maggiore di carbone rischia di non bruciare completamente. Al contrario, l’iniezione concentrata superiore ha promosso la combustione del carbone. Una bella differenza!

La ragione sembra risiedere nel fatto che l’ammoniaca brucia più velocemente del carbon coke (componente principale del carbone polverizzato) e “ruba” l’ossigeno, rallentando la combustione del carbone quando iniettata nel cuore della zona di combustione.

NOx: Il Nemico Pubblico Numero Uno

Arriviamo al tasto dolente: le emissioni di NOx, i famigerati ossidi di azoto, inquinanti e dannosi. Qui i risultati sono stati davvero interessanti e, per certi versi, contrastanti.

Con l’iniezione uniforme, le emissioni di NOx sono scese da 340 mg/Nm3 (del solo carbone) a 282 mg/Nm3. Ottimo! Anche con l’iniezione concentrata inferiore abbiamo visto una riduzione, arrivando a 310 mg/Nm3. Non male.

La sorpresa, però, è arrivata con l’iniezione concentrata superiore: qui gli NOx sono schizzati a 460 mg/Nm3! Un aumento significativo. Perché questa differenza? Sembra che la posizione e l’atmosfera (più o meno ricca di ossigeno) in cui l’ammoniaca viene iniettata giochino un ruolo cruciale. Quando l’ammoniaca viene iniettata in un ambiente riducente (povero di ossigeno), come nei primi due casi, tende a reagire in modi che favoriscono la riduzione degli NOx. Se invece l’iniezione avviene in un ambiente più ossidante, come nel caso dell’iniezione superiore (più lontana dal cuore della combustione del carbone e in una zona con più ossigeno disponibile dagli strati d’aria secondaria e terziaria), l’ammoniaca stessa contribuisce maggiormente alla formazione di NOx.

È importante notare che, in generale, la co-combustione con ammoniaca accelera sia le reazioni di formazione che quelle di riduzione degli NOx rispetto alla sola combustione del carbone. L’ammoniaca, infatti, contiene una percentuale di azoto più elevata e ha una capacità maggiore di ridurre gli NOx rispetto all’HCN e al char derivanti dal carbone.

E l’Ammoniaca Incombusta? Buone Notizie!

Una preoccupazione legittima quando si brucia ammoniaca è la cosiddetta “ammonia slip”, ovvero la quantità di ammoniaca che non brucia e finisce nei fumi. Beh, su questo fronte abbiamo ottime notizie: in tutti i casi testati, la concentrazione di ammoniaca incombusta all’uscita della fornace era inferiore a 1 ppm (parti per milione). Questo significa che l’ammoniaca viene bruciata quasi completamente, il che è fondamentale sia per l’efficienza che per l’impatto ambientale.

Abbiamo anche osservato che l’ammoniaca brucia più rapidamente con l’iniezione uniforme, probabilmente perché è premiscelata meglio con l’aria e il carbone, e la combustione delle sostanze volatili del carbone fornisce l’alta temperatura necessaria per “accendere” bene l’ammoniaca.

Tirando le Somme: Quale Metodo Scegliere?

Allora, cosa ci portiamo a casa da questa immersione nel cuore pulsante della combustione? Ogni metodo di iniezione ha i suoi pro e i suoi contro, come in una complessa partita a scacchi energetica.

• L’iniezione uniforme sembra la più “equilibrata”: migliora il flusso tangenziale, abbassa le temperature di picco e riduce gli NOx. Però, occhio alla combustione del carbone, che ne risente un po’.
• L’iniezione concentrata inferiore si comporta in modo simile all’uniforme per NOx e combustione del carbone (che inibisce), ma il flusso d’aria generale nella fornace è più perturbato.
• L’iniezione concentrata superiore è una sorta di “doppia faccia”: promuove la combustione del carbone (ottimo!), ma fa schizzare alle stelle gli NOx (decisamente meno ottimo!).

Un dato comune e importante: tutte le modalità di co-combustione con ammoniaca tendono ad aumentare la temperatura dei fumi in uscita dalla fornace, il che andrà considerato nella progettazione e gestione degli scambiatori di calore a valle. Ma, come detto, l’ammonia slip è praticamente assente, il che è un grande punto a favore.

Queste scoperte, amici miei, non sono solo numeri e grafici. Sono indicazioni preziose per chi dovrà mettere mano alle centrali elettriche, per adattarle a questa nuova frontiera energetica. La strada per la decarbonizzazione è complessa, e la co-combustione di ammoniaca potrebbe essere una delle tappe fondamentali, specialmente per impianti come quelli, ad esempio, in Cina, che spesso hanno già subito modifiche per la combustione a basso NOx e potrebbero avere lo spazio necessario per installare nuovi bruciatori dedicati all’ammoniaca. Questo approccio garantirebbe flessibilità operativa con modifiche minime.

Certo, la posizione di questi nuovi bruciatori di ammoniaca potrebbe essere limitata dallo spazio disponibile, quindi la scelta ottimale dovrà essere fatta caso per caso, un po’ come un abito sartoriale per ogni singola caldaia.

Insomma, la ricerca continua, ma ogni passo avanti ci avvicina a un futuro energetico più pulito. E io sono entusiasta di aver condiviso con voi questo piccolo pezzo della grande avventura scientifica!

Fonte: Springer