La combustione.

La combustione è il processo chimico attraverso il quale un materiale reagisce con l’ossigeno producendo calore, luce e sostanze gassose calde.

Perché si svolga la combustione è necessaria la presenza concomitante di tre elementi: il combustibile, il comburente e l’innesco, che compongono il così detto triangolo della combustione.

Mentre il comburente è tipicamente rappresentato dall’ossigeno presente nell’aria, il combustibile può essere di varia natura: materiale di origine fossile (idrocarburi o carbone) o biomassa vegetale; l’innesco deve invece essere fornito dall’esterno e rappresenta l’energia di attivazione che consente l’avvio della reazione tra il combustibile e il comburente: esso consiste, ad esempio, in una fonte di calore o in una scintilla; una volta avviata la combustione, il processo prosegue per autosostentamento grazie all’energia rilasciata dal processo stesso.

Se manca uno degli elementi del triangolo della combustione, il processo non si sviluppa o si estingue: per spegnere un fuoco è quindi possibile agire per sottrazione del combustibile (ad esempio, per esaurimento del medesimo), per soffocamento (annullando il contatto con l’ossigeno attraverso una sostanza coprente) o per raffreddamento (cioè fermando la reazione di autosostentamento dell’innesco).

Se la combustione – ad esempio di un idrocarburo privo di impurezze – avvenisse in modo perfetto, si dovrebbero produrre solamente biossido di carbonio (CO2) e acqua.
Nella realtà i prodotti della combustione contengono sovente altre sostanze – come il monossido di carbonio, gli ossidi di zolfo e di azoto, gli idrocarburi policiclici aromatici – che dipendono dalle condizioni della combustione stessa (temperatura di combustione, miscelazione tra aria e combustibile) e dalla natura del combustibile (presenza di impurezze, cioè di sostanze indesiderate).

In termini del tutto generali, il processo di combustione può avvenire secondo due modalità: come combustione controllata (ad esempio quella che si realizza nei piccoli impianti domestici a legna) e come combustione incontrollata (ad esempio durante un incendio).

Combustione Controllata Del Legno

La combustione del legno si realizza sostanzialmente in tre fasi, in relazione alla temperatura del processo: l’essicazione, la degradazione e la combustione.
Nella fase di essiccazione l’acqua contenuta nel legno inizia a evaporare: ciò avviene a partire da temperature inferiori ai 100 °C; l’evaporazione abbassa la temperatura nella camera di combustione, rallentando il processo di combustione.
È questo il motivo per cui è assolutamente sconsigliato utilizzare legno “fresco”, che contiene molta acqua: esso fa diminuire il rendimento termico, cioè il rapporto tra il calore prodotto dall’impianto e il contenuto energetico del combustibile.
Nella fase di degradazione termica – a partire da una temperatura di 200 °C circa – la componente volatile presente nel legno inizia ad evaporare; in termini ponderali questa componente rappresenta oltre il 75% del legno.
I primi componenti del legno ad essere degradati sono le emicellulose e poi la cellulosa;  a 400 °C la maggior parte delle sostanze volatili è stata liberata e il processo evaporativo decresce rapidamente .
La fase della combustione – che inizia tra i 500 e i 600 °C e si protrae fino ai 1000 °C circa – consiste nella completa ossidazione dei gas.

La combustione del legno è completa quando tutte le parti del combustibile hanno reagito con l’ossigeno; nella pratica, la combustione completa di un combustibile solido quale il legno è solo un concetto teorico a cui tendere, in quanto è molto difficile raggiungere il corretto grado di mescolanza tra aria e combustibile in un periodo di tempo limitato.

Quando vengono a mancare le condizioni necessarie perché si realizzi la completa combustione del legno aumentano le emissioni nocive nei fumi.

Le principali cause di combustione incompleta sono:

– l’inadeguata mescolanza tra aria e combustibile nella camera di combustione;
– una carenza complessiva di ossigeno disponibile;
– la temperatura di combustione troppo bassa;
– i tempi di permanenza troppo corti.

La combustione incompleta si manifesta nell’incompleta ossidazione dei gas e nell’aumento di incombusti sia organici che inorganici: ciò si traduce in un aumento del contenuto di monossido di carbonio (CO) e polveri nonché di composti organici volatili e di ossidi di azoto e di zolfo nei fumi esausti.

L’innovazione tecnologica degli ultimi decenni ha permesso il graduale aumento dell’efficienza delle caldaie a legno e la conseguente sostanziale riduzione dell’emissione di CO e delle altre emissioni nocive.
Per un combustibile solido è comunque difficile raggiungere le condizioni ottimali di completezza della combustione, come invece può avvenire utilizzando un combustibile gassoso per il quale il contatto fra aria comburente e combustibile nonché la turbolenza sono notevolmente facilitati.
Per questo motivo le emissioni specifiche di CO e COV dalla combustione della legna sono, anche per gli apparecchi più efficienti, molto superiori a quelle derivate dalla combustione di gas naturale.

Combustione Incontrollata Del Legno

Quando si brucia materiale al di fuori di un apparecchio di combustione – e quindi all’aperto – non vi è alcuna possibilità di controllo delle condizioni di temperatura o di mescolamento: ne consegue che le emissioni di sostanze inquinanti aumentano notevolmente anche fino a 100 o 1000 volte.

Le polveri contenenti fuliggine e materiale particolato rendono visibile il fumo, in cui sono contenuti anche monossido di carbonio e sostanze organiche tossiche come diossine e idrocarburi policiclici aromatici. Nelle combustioni all’aperto, inoltre, il fumo viene prodotto a livello del suolo: ciò significa che non viene disperso a quote superiori e che le ricadute sanitarie e ambientali sono circoscritte sostanzialmente intorno alla zona ove si verifica la combustione incontrollata.

Esempi di combustioni incontrollate si ritrovano in natura e in ambito domestico, così come in agricoltura e in edilizia.