1.

Introduzione

Combustibile Sostanza capace di dar luogo a reazioni di combustione: in particolare, sostanza che brucia rapidamente in presenza di ossigeno (in genere è sufficiente quello contenuto nell’aria), emettendo grandi quantità di calore.

In base allo stato in cui si presentano a temperatura e pressione normali, i combustibili possono essere solidi, liquidi o gassosi. All’interno dei tre gruppi si possono poi distinguere combustibili naturali, artificiali o sintetici. Si definiscono più propriamente combustibili nucleari le sostanze che producono calore mediante reazioni nucleari.

I combustibili sono usati come fonte di riscaldamento e di luce, per produrre vapore (usato a sua volta come fonte di riscaldamento o come fonte di energia) e per alimentare i motori a combustione interna: in quest’ultimo caso prendono il nome di carburanti. Quando la combustione deve avvenire in ambiente povero o privo di ossigeno atmosferico, al combustibile si aggiunge un agente ossidante, ad esempio acido nitrico (vedi Propulsione a reazione e Razzo).

L’efficienza di un combustibile è comunemente espressa mediante una grandezza, detta potere calorifico, che misura la quantità di energia termica (o calore) rilasciata da una determinata massa di combustibile che brucia in condizioni standard. Talvolta si distingue fra potere calorifico massimo, che rappresenta tutta l’energia termica sviluppata nella combustione, e potere calorifico minimo, che è la differenza fra il calore totale liberato e quello perduto nel processo di evaporazione dell’acqua prodotta durante la reazione. Agli effetti pratici si considera solo il potere calorifico minimo.

Per convenzione, l’unità di misura del potere calorifico è il joule per chilogrammo (J/kg) per i combustibili solidi e liquidi, e il joule per metro cubo (J/m³) per quelli gassosi. Fra i combustibili solidi e liquidi, i materiali dotati del maggiore potere calorifico sono l’antracite, che sviluppa 35 milioni di J/kg e la benzina, con 48 milioni di J/kg, mentre fra i combustibili gassosi spicca l’acetilene, con 55 milioni di J/m³.

2.

Combustibili solidi

I più importanti combustibili solidi naturali sono l’antracite, il litantrace, la lignite, la torba e la legna da ardere. Fra gli artificiali, i più diffusi sono il coke e il carbone di legna.

L’antracite e il litantrace sono due tipi di carboni fossili, che si distinguono per un diverso tempo di fossilizzazione, e dunque per un diverso contenuto di carbonio. Entrambi possiedono un notevole potere calorifico, e perciò vengono utilizzati in impianti in cui sono richieste alte temperature di combustione. Vengono anche distillati per la produzione di coke e gas illuminante. Lignite e torba, spesso mescolate e compresse in pratiche mattonelle, si usano negli impianti di riscaldamento che non richiedono alte temperature.

La legna da ardere è costituita da varie pezzature di tronco, rami e radici di alberi. La legna “dolce”, ottenuta da abete, castagno, ontano, pino, pioppo e salice, brucia rapidamente con fiamma lunga ed è utilizzata in forni che richiedono un lungo giro di fiamma. La legna “forte”, proveniente da faggio, frassino, leccio, olmo e quercia, brucia lentamente con fiamma corta e si usa specialmente nel riscaldamento domestico.

Fra i combustibili solidi artificiali spicca per importanza il coke, generalmente prodotto per distillazione del carbon fossile e impiegato soprattutto nei forni industriali.

Il carbone di legna, in passato molto comune nell’uso domestico, ha perso progressivamente di importanza con la diffusione dei combustibili moderni e dell’energia elettrica. Tuttavia è ancora prodotto, secondo il metodo tradizionale, che consiste nel bruciare legna da ardere, in quasi totale assenza d’aria, in una fornace temporanea detta carbonaia. In pratica, la legna ridotta in piccoli pezzi viene ammassata sul terreno e ricoperta di terra umida per uno spessore minimo di circa 20 cm, lasciando piccole aperture alla sommità per consentire l’uscita del fumo, e una più grande alla base, dalla quale viene avviata la combustione. Una volta innescata, questa prosegue lentamente per alcuni giorni, senza fiamma per la carenza di ossigeno, fino alla completa carbonizzazione della legna: al termine del processo la fornace viene smantellata.

I razzi militari, ad esempio i bazooka, sfruttano combustibili solidi come la cordite (miscela costituita da un 65% di nitrocellulosa, dal 30% di nitroglicerina e dal 5% di vaselina), in cui è incorporato ossigeno e che si accendono per riscaldamento.

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Combustibili liquidi

I combustibili liquidi naturali più comuni sono costituiti da frazioni del petrolio greggio, come la benzina, il gasolio, il cherosene e gli oli combustibili. Meno usati i combustibili artificiali, fra cui il metanolo e l’etanolo (vedi Alcoli) e il benzene, usato principalmente come solvente e come prodotto intermedio nell’industria chimica.

I combustibili più volatili, come la benzina e la miscela alcol-benzina, costituiscono i carburanti per motori a combustione interna ad accensione comandata (impropriamente detti motori a benzina), mentre il gasolio è il carburante dei motori a combustione interna ad accensione spontanea (più noti come motori diesel).

Gli oli combustibili si ricavano dagli oli medi e pesanti ottenuti per distillazione frazionata del petrolio greggio, oppure come sottoprodotti di cracking. Sono scarsamente volatili e dunque vengono impiegati negli impianti di riscaldamento fissi; puri o mescolati ad aria o vapore, sono introdotti nella camera di combustione mediante vaporizzazione o iniezione, attraverso spruzzatori.

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Combustibili gassosi

I combustibili gassosi sono costituiti principalmente da idrocarburi, composti chimici le cui molecole sono formate esclusivamente da atomi di carbonio e di idrogeno. Le proprietà dei gas combustibili dipendono dal numero e dalla disposizione degli atomi di carbonio e di idrogeno nella struttura molecolare. Allo stato puro, sono inodori e talvolta tossici (come accade, ad esempio, per il monossido di carbonio): per questo motivo sono spesso mescolati a composti di zolfo che, avendo un odore sgradevole, consentono di individuare eventuali perdite nei condotti e negli apparecchi di combustione a gas. Oltre agli elementi combustibili, molti gas contengono quantità variabili di azoto e acqua, che formano i residui di combustione.

Gli apparecchi che impiegano gas per illuminazione o per riscaldamento sono costituiti da un bruciatore a becco, o a corona di fori, e da un dispositivo che miscela l’aria con il gas prima che questo raggiunga il bruciatore, come avviene, ad esempio, nel becco Bunsen (vedi anche Lampada).

I combustibili gassosi ancora in uso sono il gas illuminante, ottenuto per distillazione del carbon fossile; il gas di gasogeno e il gas d’altoforno, ottenuti dall’interazione tra vapore, aria e carbonio; il gas naturale, che fuoriesce dai depositi presenti nel sottosuolo; i GPL, ottenuti dalla liquefazione degli idrocarburi più leggeri.

I combustibili gassosi bruciano con fiamma fumosa e non particolarmente calda, e vengono di solito mescolati con aria per garantire loro il massimo apporto d’ossigeno: la miscela produce una fiamma che può raggiungere i 2000 °C.

1.

Gas illuminante

Il gas illuminante, detto anche gas di città, è simile al gas naturale, e rappresenta il principale prodotto della trasformazione del carbon fossile in gas, o carbo-gassificazione. Oltre a dover garantire determinati valori di pressione e di temperatura, il gas illuminante è vincolato a mantenere entro limiti molto precisi il contenuto di monossido di carbonio, zolfo, gas inerti e acqua: per questo motivo, la fase finale dei più importanti processi di carbo-gassificazione comprende la raffinazione del gas e la sua metanizzazione, cioè la trasformazione in metano.

Attualmente si usano vari processi di idro-gassificazione, nei quali l’idrogeno reagisce direttamente con il carbonio per formare metano, eliminando la fase intermedia di produzione dei gas di sintesi (ossigeno e idrogeno). Fra gli altri processi di produzione di gas illuminante figurano il processo al diossido di carbonio, che impiega la dolomite (materiale ricco di calcite), e il processo a sali fusi. Entrambi i processi operano indirettamente, dopo la produzione dei gas di sintesi.

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Gas d’acqua e gas di gasogeno

Il gas d’acqua è una miscela di idrogeno e monossido di carbonio, con piccole quantità di azoto, metano e diossido di carbonio, prodotto facendo passare una corrente di vapore acqueo su coke rovente. Ha un buon potere calorifico, ma la presenza di monossido di carbonio lo rende tossico.

Il gas di gasogeno si ottiene bruciando combustibile a basso potere calorifico (ad esempio la lignite) in un recipiente chiuso, attraversato da un flusso di vapore e d’aria. Contiene circa il 50% di azoto non combustibile, che deriva dall’aria presente nel recipiente, e ha perciò un basso potere calorifico. Tuttavia, in periodi di scarsa disponibilità di derivati del petrolio (ad esempio, durante la seconda guerra mondiale), è stato usato anche come carburante per motori a combustione interna: in quei casi veniva prodotto da un piccolo gasogeno installato direttamente sull’autoveicolo.

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Gas d’altoforno

Il gas d’altoforno, che si sviluppa negli altiforni dalla combustione del coke mescolato a minerale di ferro e calcare, grazie al contenuto di monossido di carbonio ha un alto valore calorifico, pur contenendo circa il 60% di azoto. Durante il funzionamento degli altiforni vengono prodotte enormi quantità di gas: la maggior parte viene utilizzata nell’altoforno stesso per riscaldare l’aria di alimentazione, mentre il resto è sfruttato dalle centrali termoelettriche per produrre elettricità.

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Gas naturale

Quasi sempre nei giacimenti di petrolio si trova del gas naturale, che sale in superficie quando viene trivellato un pozzo, ma esistono giacimenti di solo gas naturale. Il gas naturale si presenta più comunemente come gas umido, ma talvolta assume anche la forma di gas secco.

Il gas umido è costituito prevalentemente da metano, con piccole percentuali di altri idrocarburi leggeri (soprattutto etano, propano e butano) e minime quantità di acqua, azoto, diossido di carbonio e idrogeno solforato. Prima di essere avviato al consumo viene ridotto a gas secco, che praticamente contiene solo metano ed etano, con un processo di estrazione dei gas liquefacibili, propano e butano, e della cosiddetta gasolina, una benzina leggerissima (composta da butano, pentano, esano, eptano e ottano), usata come solvente o in miscela con benzine pesanti.

Oltre che come combustibile per uso domestico e industriale, il gas naturale è impiegato anche nell’industria chimica, come materia prima per la produzione di materie plastiche, farmaci e coloranti.

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GPL (gas di petrolio liquefatto)

Diversi idrocarburi leggeri, soprattutto propano e butano, vengono liquefatti mediante compressione a temperature relativamente basse per essere più facilmente trasportati e conservati. Al momento della decompressione, che si verifica alla fuoruscita dal contenitore, a pressione e temperatura ambiente, ritornano allo stato di gas combustibile. Con i cosiddetti GPL (gas di petrolio liquefatto), normalmente conservati in grosse bombole d’acciaio, dispositivi come fornelli da cucina e stufe catalitiche possono essere usati anche là dove non esiste una condotta centralizzata di gas. Bombolette più piccole sono usate per alimentare fornelli da campeggio, lampade a gas portatili ecc.