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Simulazione di un forno a griglia mobile per l'incenerimento dei rifiuti solidi urbani

La progettazione di combustori per la combustione di rifiuti solidi è un’attività che implica un processo di sviluppo continuo attraverso metodologie “trial and error”. Questo essenzialmente a causa dell’elevato numero di parametri implicati in una combustione eterogenea di un combustibile che per sua natura, ha proprietà chimico-fisiche molto variabili e di difficile rappresentazione. Il presente lavoro di tesi si propone, invece, di sviluppare una metodologia e gli strumenti connessi per l’analisi dei parametri progettuali delle fornaci a griglia mobile da impiegarsi nella combustione dei rifiuti: parafrasando un noto proverbio cinese, l’obiettivo è quello di dotarsi, con il presente lavoro, della “canna da pesca” (gli strumenti) e non del “pesce” (i risultati).

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Articoli tecnico scientifici o articoli contenenti case history
Dottorato, Università la Sapienza di Roma, 2008

Pubblicato
da Alessia De Giosa
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Settori: 


Estratto del testo



UNIVERSIT' DEGLI STUDI DI ROMA ''LA SAPIENZA' FACOLT' DI INGEGNERIA
DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA CHIMICA DELL'AMBIENTE E DELLA SICUREZZA Ciclo XIX




SIMULAZIONE DI UN FORNO A GRIGLIA MOBILE PER L''INCENERIMENTO DI RIFIUTI SOLIDI URBANI Dottoranda: Angela Di Pietrantonio Tutor: Prof. Nicola Verdone


- iii - INDICE

CAPITOLO PRIMO - 1 - INTRODUZIONE - 1 - 1.1 MOTIVAZIONE DELLA TESI - 1 - 1.2 ORGANIZZAZIONE DEL LAVORO - 3 - 1.3 OBIETTIVI DELLA TESI - 4 - CAPITOLO SECONDO - 5 - L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI - 5 - 2.1 DESCRIZIONE GENERALE DELL''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI - 5 - 2.2 TECNOLOGIE DI COMBUSTIONE DI RIFIUTI - 6 - 2.2.1 FORNI A GRIGLIA - 7 - 2.2.2 FORNI A TAMBURO ROTANTE - 8 - 2.2.3 FORNI A LETTO FLUIDO - 9 - 2.3 FENOMENI RELATIVI ALLA COMBUSTIONE DI RIFIUTI SOLIDI - 9 - 2.4 MODELLIZZAZIONE - 11 - 2.4.1 PROGETTAZIONE DELLA CAMERA DI COMBUSTIONE - 12 - 2.4.2 INCREMENTO DELLA TURBOLENZA NELLA CAMERA DI COMBUSTIONE SECONDARIA - 13 - 2.4.3 INIEZIONE, OTTIMIZZAZIONE E DISTRIBUZIONE DELL''ARIA SECONDARIA - 14 - 2.4.4 SOSTITUZIONE DI UNA PARTE DELL''ARIA SECONDARIA CON GAS DI RICIRCOLO. - 15 - 2.4.5 OTTIMIZZAZIONE DEL TEMPO DI RESIDENZA, DELLA TEMPERATURA E DELLA TURBOLENZA DEI GAS NELLA
ZONA DI COMBUSTIONE E DELLA CONCENTRAZIONE DI OSSIGENO - 15 - 2.5 LO STATO DELL''ARTE DELLA SIMULAZIONE DEL LETTO DI RIFIUTI. - 16 - CAPITOLO TERZO - 18 - MODELLIZZAZIONE DEL LETTO - 18 - 3.1 DESCRIZIONE DEL PROCESSO DI INCENERIMENTO - 18 - 3.2 CAMBIAMENTO DEL VOLUME DEL LETTO DURANTE L''INCENERIMENTO - 21 - 3.3 EQUAZIONI DI TRASPORTO - 24 - 3.3.1 EVAPORAZIONE - 24 - 3.3.2 DEVOLATILIZZAZIONE - 27 - 3.3.3 COMBUSTIONE DEI VOLATILI - 28 - 3.3.4 GASSIFICAZIONE DEL CARBONIO FISSO - 28 - 3.4 EQUAZIONI DI TRASPORTO PER LA FASE SOLIDA - 29 - 3.4.1 EQUAZIONE DI CONTINUIT' - 29 - 3.4.2 EQUAZIONE DI TRASPORTO DELLE SPECIE - 30 - 3.4.3 EQUAZIONE DI TRASPORTO DELL''ENERGIA - 31 -

iv 3.5 EQUAZIONI DI TRASPORTO PER LA FASE GASSOSA - 34 - 3.5.1 EQUAZIONE DI CONTINUIT' - 34 - 3.5.2 EQUAZIONE DEL MOMENTO - 34 - 3.5.3 EQUAZIONE DI TRASPORTO DELLE SPECIE - 36 - 3.5.4 EQUAZIONE DI TRASPORTO DELL''ENERGIA - 36 - 3.6 SCHEMA NUMERICO DEL CODICE EMC2 - 38 -
3.7 PROCEDURA RISOLUTIVA - 41 - CAPITOLO QUARTO - 42 - RISULTATI - 42 - 4.1 CASI ANALIZZATI - 42 - 4.2 MODELLO NUMERICO - 45 - 4.3 RISULTATI - 46 - 4.3.1 MODELLIZZAZIONE DELLA COMBUSTIONE DEL LETTO DI RIFIUTI - 46 - 4.3.2 MODELLIZZAZIONE DELLA FASE GASSOSA SOVRASTANTE IL LETTO - 49 - CAPITOLO QUINTO - 50 - CONCLUSIONI - 50 - 5.1 CONCLUSIONI - 50 - 5.2 SVILUPPI SUCCESSIVI - 51 - CAPITOLO SESTO - 53 - RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI - 53 -





- 1 - CAPITOLO PRIMO INTRODUZIONE 1.1 Motivazione della tesi Il corretto smaltimento dei rifiuti ed il recupero di materie prime o di energia da esso ottenibile è tra le grandi sfide tecnologiche e organizzative che aspettano il
mondo industrializzato. Questo è doppiamente vero per un Paese come l''Italia in cui
la carenza di materie prime, la quasi totale dipendenza energetica dal petrolio e la
limitatezza di spazi destinabili alle discariche rende la questione dello smaltimento e del
recupero energetico ancora più attuale e stringente. L''incenerimento di rifiuti è materia molto controversa sul piano politico e scientifico. ' parere di chi scrive che valga il principio del minor danno possibile. In
questo caso ciò si traduce nella semplice considerazione che i rifiuti oggigiorno sono
una diretta conseguenza del miglioramento della qualità della vita e della maggiore
disponibilità di beni ottenuti grazie alla globalizzazione e dell''industrializzazione e che
l''incenerimento e il recupero di materiali (dalla raccolta differenziata) siano le uniche
attività che trasformano il rifiuto in un bene che abbia un qualche valore. Qualsiasi politica che riduca la produzione di rifiuti (siamo, ad esempio, sicuri di avere davvero bisogno di tutti gli imballaggi che compriamo insieme ad una
confezione di riso') non porterà mai comunque alla loro completa eliminazione. Una
volta prodotto, il problema dello smaltimento del rifiuto impatterà inevitabilmente
con l''ambiente. Se dal processo di smaltimento fosse possibile ricavarne un vantaggio,
quale può essere la produzione di energia elettrica, l''impatto ambientale sarebbe
minore di quello che si avrebbe smaltendo il rifiuto tal quale. Questo, come è
evidente, è il caso della termovalorizzazione.
CAPITOLO PRIMO INTRODUZIONE
- 2 - La termovalorizzazione ha un altro aspetto da considerare. Essa è ottenuta in un impianto vero e proprio, eseguita secondo principi industriali e mediante controlli real- time. Come in ogni impianto chimico, le performance sono monitorate e ottimizzate
in continuo. Questa garanzia di performance permette la ''garanzia' di prevedere l''impatto ambientale, ne permette il monitoraggio e l''ottimizzazione in base alle
differenti cariche. Alcuni inquinanti, quali ad esempio le famigerate diossine, sono prodotti non dal processo di combustione in sé quanto della errata o non perfetta conduzione del
processo stesso. La possibilità di controllare la combustione dei rifiuti permette la
minimizzazione della produzione di questi inquinanti. La modellizzazione mediante Computational Fluid Dynamics (CFD) può essere usata per investigare gli effetti dei principali parametri progettuali sulle grandezze di
output. L''uso di questo tool permette non solo la previsione degli effetti, ma anche
l''ottimizzazione dei processi di combustione. ' questo il principale obiettivo del
presente lavoro: la definizione e lo sviluppo di uno strumento che permetta l''analisi
numerica di un forno a griglia mobile per la combustione dei rifiuti solidi. Da queste considerazioni di carattere generale muovono le motivazioni della presente tesi. La necessità di disporre di strumenti di simulazione dei processi di
combustione dei rifiuti solidi è infatti il primo passo per il loro utilizzo su scala più
ampia. Questi tools possono permettere la progettazione accurata delle fornaci, delle modalità della loro conduzione in base ai differenti tipi di cariche (ad es. rapporti
aria/combustibile) e la previsione delle concentrazioni di inquinanti nei fumi effluenti,
identificando così i modi per minimizzarne le emissioni. L''analisi e la simulazione della combustione di rifiuti è un argomento molto complesso dato che implica diverse discipline. Come si vedrà meglio in seguito, due
macro zone possono essere individuate in una tipica fornace a griglia mobile: la prima
rappresenta il letto di solido sulla griglia stessa, la seconda è la parte sovrastante il letto
stesso. Se, nella seconda zona, la combustione avviene in fase gassosa e può essere
simulata in maniera relativamente semplice con una certa precisione, nella prima
numerosi processi chimico fisici avvengono, e, soprattutto, due fasi, solida e gassosa,
sono intimamente interconnesse tra loro. Le due fasi scambiano tra di loro energia e
materia, influenzandosi reciprocamente. Per simulare in modo accurato questa zona, è
necessario disporre di un modello che tenga conto dell''accoppiamento tra le due fasi e
dei fenomeni di trasporta di esse.
CAPITOLO PRIMO INTRODUZIONE
- 3 - Una parte fondamentale di questa tesi è stata dedicata allo sviluppo di tale modello. La zona eterogenea relativa al letto di rifiuti è, inoltre, collegata con la zona omogenea della fornace. ' possibile immaginare che i prodotti che si sviluppano dalla
zona eterogenea rappresentino la corrente entrante nella seconda. In termini di CFD,
questo si traduce nell''accoppiare le due zone che sono risolte numericamente in modo
differente, facendo in modo che i risultati del codice di simulazione eterogenea
forniscono le condizioni al contorno in ingresso per il codice che simula la
combustione omogenea. 1.2 Organizzazione del lavoro Il presente lavoro è diviso in due principali fasi, come meglio descritto nel capitolo II. Nella prima fase è stato sviluppato un codice per simulare la fase eterogenea del processo di combustione dei rifiuti solidi (il codice EMC2, Monodimensional
Etherogeneus Combustion Code). I risultati prodotti dal codice EMC2 rappresentano
gli input per la seconda fase del lavoro, nella quale, mediante il codice commerciale
FLUENT, è simulata la combustione in fase omogenea dei prodotti sviluppati dal letto
di RSU. La presente tesi riporta il lavoro svolto secondo le linee menzionate. Nel capitolo II sarà presentato lo stato dell''arte della materia, sia in termini di tecnologie usate attualmente nella termovalorizzazione dei rifiuti, sia in termini di
simulazione di tali processi. Nel capitolo III saranno descritti la fisica della combustione dei rifiuti solidi, i principali meccanismi di formazione degli inquinanti e la modellizzazione usata nel
codice EMC2. Saranno anche enunciate le principali assunzioni fatte nel simulare,
mediante il codice FLUENT, la fase omogenea. Per una trattazione puntuale della
numerica del codice FLUENT, si rimanda alla manualistica del codice stesso [1]. Nel capitolo IV saranno presentati i risultati dei test cases usati nella presente tesi.
CAPITOLO PRIMO INTRODUZIONE
- 4 - Nel capitolo V , infine, saranno tratte le conclusioni finali e saranno indicati le linee guida per gli sviluppi ulteriori che sono emerse durante questo lavoro (ad es.
strategie di validazione del codice etc'). 1.3 Obiettivi della tesi La progettazione di combustori per la combustione di rifiuti solidi è un''attività che implica un processo di sviluppo continuo attraverso metodologie '' trial and error'. Questo essenzialmente a causa dell''elevato numero di parametri implicati in una
combustione eterogenea di un combustibile che per sua natura, ha proprietà chimico-
fisiche molto variabili e di difficile rappresentazione. Tenere conto di tutte queste variabili e darne un set di valori con i quali la combustione è ottimizzata esula dagli obiettivi di questa tesi, essendo un lavoro
estremamente lungo e di dubbia utilità. Non è possibile contemplare, infatti, le infinite
combinazioni di parametri con cui si può presentare il problema. Il presente lavoro di tesi si propone, invece, di sviluppare una metodologia e gli strumenti connessi per l''analisi dei parametri progettuali delle fornaci a griglia mobile
da impiegarsi nella combustione dei rifiuti: parafrasando un noto proverbio cinese,
l''obiettivo è quello di dotarsi, con il presente lavoro, della ''canna da pesca' (gli
strumenti) e non del ''pesce' (i risultati). Ovviamente la bontà di una metodologia è nella sua capacità di generare risultati attendibili. Ogni modello numerico di qualsiasi equipment (come ad esempio, una fornace) dovrebbe essere, in linea di principio, validato accuratamente da dati
sperimentali ottenuti in diverse condizioni di esercizio dell'' equipment stesso, Mancando di tali dati, i risultati ottenuti nel presente lavoro saranno confrontati con i
risultati ottenuti da altri gruppi di ricerca, i cui codici numerici sono stati in parte
validati dagli esperimenti.





- 5 - CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI 2.1 Descrizione generale dell''incenerimento dei rifiuti L''incenerimento è un processo di ossidazione di sostanze organiche (del tutto simile alla combustione di combustibili fossili per la produzione di energia) il cui scopo
principale quello di convertire sostanze comunque pericolose o potenzialmente
patogene in composti gassosi (acqua anidride carbonica) e di residui solidi
praticamente inerti (le ceneri). L'incenerimento è dunque una tecnica di smaltimento di rifiuti finalizzata alla distruzione della frazione organica con conseguente notevole riduzione in massa e
volume. La sua efficacia può essere misurata in termini di distruzione e rimozione delle
sostanze inquinanti. Il processo di incenerimento può essere realizzato il differenti i modi in particolare, si distingue incenerimento per combustione (ossidazione in presenza di
ossigeno) per gassificazione (ossidazione in presenza di ossigeno e vapore) o per
pirolisi (decomposizione termica in atmosfera inerte). La Tabella 2.1 presenta le
differenti condizioni in cui si realizzano i diversi tipi di incenerimento. Genericamente un impianto per l''incenerimento dei rifiuti e per il recupero energetico da esso ottenibile è divisibile nelle seguenti macro-sezioni: ' Sezione di conferimento e stoccaggio dei rifiuti, in cui il rifiuto, il cui conferimento è
tipicamente un processo discontinuo, è immagazzinato e vagliato; ' Sezione di trattamento del rifiuto, atta a rendere il rifiuto conferito idoneo per le
successive fasi di smaltimento;
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 6 - ' Sezione di combustione; ' Sezione di trattamento dei fumi effluenti, al fine di abbattere le sostanze
potenzialmente inquinanti e nocive e concentrare in correnti quantitativamente
inferiori (ceneri, correnti liquide dei trattamenti a umido); ' Sezione di recupero energetico, atta a recuperare dalle correnti effluenti ad alta
temperatura (essenzialmente i fumi effluenti) l''entalpia da utilizzare in cicli di
produzione di energia elettrica. Incenerimento Gassificazione Pirolisi Temperatura Operativa [°C]
Pressione [bar] 850 '' 1400 1 800 '' 1600 1 - 45 250 '' 700 1 Atmosfera con presenza di: Aria Aria, O2, H2O Inerte Rapporto Stechiometrico: >1 <1 0 Prodotti del Trattamento: Gassosi CO2, H2O, O2, N2 H2, CO, CH4, N2 H2,CO, HC, N2 Liquidi - - Tar Solidi Scorie e Ceneri, Carbonio Incombusto Vetrificato(Alta T) Scorie e Ceneri (medio-bassa T) Scorie e Ceneri, Char Tabella 2.1 Condizioni Operative del Trattamento Termico dei Rifiuti 2.2 Tecnologie di combustione di rifiuti Attualmente, le principali soluzioni tecnologiche impiegate nella combustione di rifiuti sono essenzialmente [2]: ' Forni a griglia (mobile o fissa) ' Forni a tamburo rotante ' Forni a letto fluido La scelta della soluzione tecnologica da impiegare dipende in larga parte dal tipo di combustibile da smaltire e dalle sue proprietà chimico-fisiche che ne influenzano
il comportamento durante il processo di combustione. I tre tipi di forni sono brevemente descritti di seguito.
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 7 - 2.2.1 Forni a griglia I forni a griglia, di interesse nel presente lavoro, costituiscono la tecnologia più consolidata e, come tale, di più largo impiego nella combustione di rifiuti, in
particolare di quelli urbani, grazie alla flessibilità che ne caratterizza il funzionamento
ed all''affidabilità derivante dalle numerosissime applicazioni. La loro caratteristica (Figura 2.1) consiste appunto in una griglia (fissa o mobile) su cui viene formato un letto di rifiuti dello spessore di alcune decine di centimetri. Figura 2.1 Schema di Funzionamento del Forno a Griglia In particolare, i forni a griglia mobile sono composti da una camera, alla cui base si trova una griglia, generalmente inclinata e formata da una serie di gradini
mobili. I rifiuti vengono immessi mediante una tramoggia nella parte più alta della griglia e sospinti meccanicamente verso i gradini inferiori, ad una velocità variabile a
seconda del tempo di permanenza necessario per ottenere il completamento della
combustione (all''incirca un''ora). Nel contempo, l''aria di combustione primaria è
iniettata al di sotto della griglia, all''incirca nella quantità stechiometrica necessaria per
la combustione. Ulteriore aria (l''aria di combustione secondaria) è iniettata nella
camera al di sopra della griglia, in quantità necessaria per avere l''eccesso di aria
richiesto e per garantire un adeguato controllo della temperatura, data la natura
fortemente discontinua del combustibile.
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 8 - Nella zona prossima all''alimentazione, i rifiuti subiscono dapprima un processo d''essiccamento, in cui la frazione di acqua contenuta è parzialmente o totalmente
separata dalla restante frazione solida. Il rifiuto essiccato subisce successivamente i
processi di combustione o di gassificazione a seconda della maggiore o minore
disponibilità locale di ossigeno (proveniente fondamentalmente dall''aria primaria). I
prodotti che si sprigionano dal letto di rifiuto sono completamente ossidati nella
camera sovrastante la griglia prima di essere avviati al camino per i successivi
trattamenti. I residui del processo di combustione, invece, sono scaricati dalla parte
finale della griglia in adeguate vasche di accumulo. La camera di combustione al di sopra della griglia deve fornire un buon mescolamento tra i gas provenienti dal letto e l''aria secondaria, assicurando quindi
contemporaneamente adeguate condizioni di turbolenza e disponibilità di ossigeno e
garantendo adeguati tempi di residenza per il completamento delle reazioni (all''incirca
5 secondi). 2.2.2 Forni a tamburo rotante I forni a tamburo rotante sono costituiti da una camera cilindrica leggermente inclinata (in genere 1-3 %) che ruota lentamente attorno al proprio asse. Essi sono impiegati principalmente per lo smaltimento di rifiuti di origine industriale (solidi, liquidi, pastosi), anche pericolosi, essendo le loro caratteristiche
costruttive non adeguate a smaltire quantità ingenti tipiche dei rifiuti solidi urbani. La combustione del letto di rifiuti avviene direttamente a contatto con la parete del forno, nella maggior parte dei casi rivestita di materiale refrattario; l''alimentazione
del materiale avviene tramite opportune testate di iniezione collocate in
corrispondenza di una l''estremità più alta del forno, mentre lo scarico delle scorie e dei
residui avviene all''estremità opposta. L''aria di combustione può essere sia iniettata
nella testata di ingresso del rifiuto (nella configurazione in equicorrente, di più semplice
realizzazione e gestione) sia nella testata di scarico (nella configurazione in
controcorrente). In questo tipo di forni, il contatto tra aria comburente e rifiuto è difficoltoso; per aumentarne l''efficienza, sono talvolta usati dei sistemi che rimescolano il solido, in
modo da permettere all''aria di raggiungere tutti gli strati del materiale. In generale, per
ovviare a questa limitazione, è necessario utilizzare degli eccessi di aria elevati,
nell''intervallo tra 100% e 150%.
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 9 - 2.2.3 Forni a letto fluido I forni a letto fluido sono costituiti da una camera di combustione nella quale materiale inerte (ad esempio, sabbia) è mantenuto in sospensione mediante una
corrente ascendente di aria introdotta attraverso una griglia di distribuzione e sostegno
posta sul fondo. Il movimento del letto di inerte garantisce la miscelazione tra l''aria e il
combustibile, favorendo la combustione ad una temperatura relativamente omogenea. Questa soluzione è utilizzata essenzialmente nella combustione di CDR o di fanghi provenienti dalla depurazione di acque reflue (data la loro omogeneità), visto
che per il suo corretto funzionamento è necessaria una certa omogeneità
granulometrica del solido. I rifiuti indifferenziati non si prestano ad essere bruciati in
questo tipi di forno, se non subiscono prima un pre-trattamento di triturazione. I forni a letto fluido possono essere sia a pressione atmosferica sia in pressione, nel qual caso possono essere integrati nei cicli turbogas per il recupero energetico.
Tuttavia, l''impiego di rifiuti come combustibili porta ad avere effluenti gassosi non
utilizzabili in turbina, se non dopo trattamenti di addolcimento e di abbattimento dei
residui solidi. 2.3 Fenomeni relativi alla combustione di rifiuti solidi La combustione di rifiuti solidi è in realtà un insieme di processi chimico-fisici complessi concatenati ed interconnessi tra loro. Data la variabilità delle tipologie di
rifiuto, del loro potere calorifico, del quantitativo di acqua presente etc.., la relativa
importanza dei vari fenomeni fisici implicati può variare; il fenomeno controllante può
dunque essere diverso da caso a caso. Come si è visto nei precedenti paragrafi, le fornaci normalmente adottate per la combustione dei rifiuti consistono principalmente in due regioni: il letto di rifiuti solidi
e la camera di combustione al di sopra di esso dove hanno luogo differenti processi di
combustione omogenea. La combustione che avviene nella camera di combustione al
di sopra del letto di rifiuti è alimentata dai gas che si sprigionano dal letto di rifiuti
stesso. Generalmente, il rifiuto non è pretrattato né preriscaldato quando viene inserito nella camera di combustione. Nel suo discendere lungo la griglia, il letto di rifiuti inizia
a riscaldarsi a causa dell'input termico proveniente dalla sezione raggiante della fornace
(la sezione in cui avvengono le reazioni di combustione in fase omogenea) e a causa
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 10 - dello sviluppo di reazioni esotermiche all'interno del letto stesso. In dipendenza delle
temperature, il letto di rifiuti è suddiviso in differenti zone con transizioni graduali fra
esse. Nella parte più prossima all'ingresso della fornace, il rifiuto si essicca ad una
temperatura di circa 100°C sotto l'influenza dell'irraggiamento proveniente dalle pareti
della fornace o dall'aria primaria di combustione preriscaldata. L'umidità contenuta nel
solido evapora e viene rimossa insieme all''aria dicombustione. Ad una temperatura più
alta, tra i 250°C e i 600°C l'ulteriore input termico provoca il rilascio dei gas volatili
(devolatilizzazione). In aggiunta, in questo intervallo di temperature, può avere luogo
la decomposizione termica (pirolisi) nelle zone in cui l'ossigeno è assente o in quantità
molto al di sotto dello stechiometrico. Questi fenomeni producono una fase gassosa
parzialmente ossidata, una fase liquida (tar) e una fase solida di residuo (char). La combustione dei solidi è per molti aspetti simile a quella di combustibili liquidi [3]: anche in questi ultimi infatti si sprigionano numerose sostanze volatili che
sono bruciate successivamente in fase gassosa secondo i meccanismi cinetici classici della
combustione. La frazione di solido che può rimanere è un residuo solido ricco in
carbonio, denominato char. Il processo di combustione di tale residuo solido, esposto
ad un ambiente ossidante, può procedere secondo due percorsi alternativi, il primo dei
quali comporta una combustione in cui si sviluppa una fiamma attorno al residuo
stesso, il secondo in cui il residuo stesso viene praticamente ossidato in modo lento
senza generare un fronte di fiamma [4]. La combustione con fiamma si ha in generale
quando il flusso termico generato dalla combustione dei prodotti volatili sprigionatisi
dalla decomposizione del rifiuto è sufficiente a garantire il sostentamento della
fiamma; quando le temperature o l'intensità del flusso termico sono al di sotto di un
certo livello, il char è ossidato lentamente. ' quello che succede, ad esempio, nella
combustione di materiali porosi o fibrosi, come ad esempio il legno, in cui l'aria può
diffondere all'interno alla matrice solida e può causare una lenta ossidazione. La gassificazione viene, infine, in una terza zona, ad una temperatura fino al 1100 °C, in presenza di ossigeno. La gassificazione produce essenzialmente monossido
di carbonio, anidride carbonica, insieme ad altri prodotti come soot e vari inquinanti
(e.G. diossine e furani). Infine, il residuo finale, ricco di carbonio, è ossidato
completamente, producendo ulteriore CO e CO2, e lasciando come residuo solido le
ceneri di combustione. In generale nel letto di rifiuti sulla griglia gli spazi vuoti sono riempiti dall'aria di combustione. La fase solida e gassosa sono interconnesse per effetto del trasferimento
di materia e calore. I prodotti dell''essiccamento e delle devolatilizzazione sono
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 11 - trasportati in fase gassosa e quindi ossidati grazie all''aria di combustione. Questi
fenomeni determinano l''instaurarsi di una fiamma di diffusione attorno alla particella
di solido che impedisce di fatto all'ossigeno di penetrare all'interno della matrice solida.
In altre parole, i fenomeni di gassificazione o di combustione eterogenea possono
essere trascurati in questa fase [5]. Solo quando la devolatilizzazione e la decomposizione termica finiscono, l'ossigeno ha libero accesso alla superficie solida e dà inizio ai processi di combustione e
di gassificazione eterogenea. L'ossigeno e il Monossido di Carbonio possono
raggiungere la superficie dei solidi, la cui porosità è addirittura aumentata a causa del
rilascio di acqua e di volatili, e diffondere all'interno del solido per dar luogo, una
volta absorbiti, a reazioni con il combustibile. I prodotti di reazione sono dunque
desorbiti e "retro" diffondono tramite gli interstizi del letto di rifiuto. 2.4 Modellizzazione Al fine di esaminare l''effetto delle variabili progettuali sulle prestazioni di un inceneritore è possibile utilizzare modelli fisici o matematici. La fluidodinamica
computazionale (CFD) è uno degli strumenti utilizzabili a questo scopo. L''utilità
consiste, evidentemente, nella possibilità di studiare nel dettaglio le prestazioni di un
prototipo virtuale al calcolatore senza dover sostenere i costi di realizzazione di un
modello fisico e di prove sperimentali di laboratorio. La CFD è una tecnica di progettazione che consente di studiare il percorso ottimale dei gas generati dalla combustione del rifiuto, di identificare le condizioni
operative che favoriscono una combustione efficace e di evitare il ristagno dei gas in
zone ad alta temperatura che potrebbero peraltro incrementare il rischio di formazione
di PCDD/F. Questa tecnica è applicabile a: ' Progetti di nuovi impianti di incenerimento al fine di ottimizzarne il design. ' Impianti esistenti con problemi alla camera di combustione ed ai boiler al fine di individuarne le possibilità di miglioramento ed ottimizzazione. ' Impianti nuovi ed esistenti per i quali si voglia ottimizzare il sistema di immissione
dell''aria secondaria o del ricircolo. ' Impianti in cui si voglia installare un sistema SNCR.
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 12 - Progettare in maniera ottimale una fornace significa, per esempio, migliorare le performance della combustione e di conseguenza limitare la formazione di CO, TOC
(Total Organic Carbon), PCDD/F e NOx. La limitazione degli inquinanti primari si
ripercuote positivamente sulla scelta di sistemi di abbattimento degli inquinanti meno
complessi ed a minore consumo. Ottimizzare la distribuzione del flusso gassoso permette di ridurre il fouling (sporcamento dei tubi per effetto delle ceneri volanti) dovuto alle eccessive velocità
dei gas e di conseguenza di migliorare il recupero energetico nonché di limitare
l''erosione e quindi la corrosione delle pareti. In Figura 2.2 sono riportate le variabili che influiscono sulle performances di un inceneritore. Figura 2.2 Variabili progettuali di un inceneritore 2.4.1 Progettazione del a camera di combustione Per alcuni tipi di fornace esistono varie possibilità di scelta riguardo la posizione e la forma dell''uscita dalla camera di combustione primaria alla zona di combustione
secondaria. Una non appropriata progettazione potrebbe causare un tempo di
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 13 - residenza eccessivamente basso dei gas combustibili nella zona di combustione
principale e di conseguenza un minore grado di combustione ed emissione più elevate. La progettazione dell''uscita dal primo stadio della fornace alla zona di combustione dei gas (la gola) dovrebbe essere scelta sulla base della composizione del
rifiuto e del tipo di griglia. I possibili tipi di geometria della fornace sono paragonati nella Tabella 2.2. 2.4.2 Incremento della turbolenza nella camera di combustione secondaria Allo scopo di incrementare la turbolenza e di conseguenza la miscelazione dei gas nella zona dopo la camera di combustione primaria ma prima o all''inizio della
zona di recupero termico, laddove la temperatura dei gas si aggira intorno agli 850°C TIPO CARATTERISTICHE COMMENTI FLUSSO IN EQUICORRENTE ' Uscita dalla camera di combustione al termine della fornace
' Flusso del gas nella stessa direzione del movimento del rifiuto ' Consigliabile per rifiuti ad alto potere calorifico
' Tutti i gas evolventi devono passare attraverso la zona a
temperatura massima ed hanno un
lungo tempodi residenza
' Riscaldamento dell''aria primaria richiesto nella zona di accensione ' FLUSSO IN CONTROCORRENTE ' Uscita dalla camera di combustione all''inizio della fornace
' Flusso gassoso nella direzione opposta al movimento della griglia ' Consigliato per rifiuti con basso PCI ed alto contenuto di umidità e
ceneri.
' Richiesta un''elevata quantità di aria secondaria per assicurare la
combustione. FLUSSO CENTRALE ' Uscita dalla camera di combustione al centro della fornace ' Compromesso tra i due precedenti adottabile per un gran numerosi rifiuti
' Importante la configurazione della fornace e dell''aria secondaria per
assicurare un''adeguata combustione
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 14 - FLUSSO DIVISO ' Uscita dalla camera di combustione al centro della fornace
ma col flusso diviso ' La sezione centrale aiuta la ritenzione dei gas e permette di
iniettare l''aria secondaria da
addizionali locazioni.
' Usato soprattutto per fornaci di grosse dimensioni a causa
dell''ulteriore miscelazione con l''aria
secondaria nella parte centrale della
fornace. Nelle piccole fornaci la
miscelazione è sufficientemente
adeguata anche solo con sistemi di
immissione lato parete. Tabella 2.2 Possibili tipi di geometria della fornace vengono realizzate particolari configurazioni dell''area di combustione secondaria che
può prevedere: ' Camere a Vortice ' Deviatori di flusso ' Immissioni tangenziali di aria secondaria ' Introduzione di gas di ricircolo Questa tecnica può consentire di ridurre il volume di aria secondaria e di conseguenza il volume dei gas prodotti e la formazione di NOx. Inoltre una
miscelazione più efficace favorisce la combustione dei gas riducendo i livelli di CO e
VOC. 2.4.3 Iniezione, ottimizzazione e distribuzione dell''aria secondaria Durante l''essiccamento, la gassificazione, l''incenerimento e la combustione il rifiuto viene trasformato in gas consistente in una miscela di molti composti volatili che
devono essere ossidati. A tale scopo viene introdotta nella fornace dell''aria addizionale
chiamata aria secondaria. Una funzione importante dell''aria secondaria è anche quella di miscelare i gas ed a questo scopo viene introdotta all''interno della fornace attraverso una serie di
ugelli che permettono all''intera sezione della camera di combustione di essere coperta.
Poiché la miscelazione dei gas caldi richiede una sufficiente energia di mescolamento,
l''aria viene introdotta a velocità relativamente alte.
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 15 - La posizione, il numero e la direzione dei getti possono essere studiati ed ottimizzati mediante la CFD. Le temperature in corrispondenza degli ugelli possono influire notevolmente sulla formazione degli NOx. L''utilizzo di particolari ugelli o di gas di ricircolo possono
rispettiva,ente ridurre la temperatura e la quantità di azoto riducendo la possibilità di
formazione di NOx. 2.4.4 Sostituzione di una parte del ''aria secondaria con gas di ricircolo. Uno degli scopi dell''immissione di aria secondaria (oltre all''ossidazione dlle specie combustibili contente nel flusso gassoso) è quello di migliorare la miscelazione e
l''omogeneità del gas. L''utilizzo di una eccessiva quantità di aria secondaria, però,
provoca l''incremento della quantità di gas riducendo l''efficienza energetica
dell''impianto e rendendo necessario l''utilizzo di unità di trattamento dei fumi più
grandi e quindi incrementando i costi. Rimpiazzando una parte dell''aria secondaria con gas di ricircolo si produce una riduzione della quantità a valle del punto di estrazione e quindi le emissioni. Inoltre la
riduzione dell''azoto che verrebbe introdotto con l''aria secondaria comporta una
minore formazione di NOx. 2.4.5 Ottimizzazione del tempo di residenza, della temperatura e del a turbolenza dei gas nella zona di combustione e della concentrazione di ossigeno Per raggiungere una efficace combustione dei gas prodotti durante il processo di incenerimento dei rifiuti, è necessario che i gas vengano miscelati con una sufficiente
quantità di ossigeno ad una temperatura sufficientemente alta e per un periodo di
tempo sufficientemente lungo. Sulla base di questi principi e dell''esperienza pratica
sugli impianti di incenerimento su scala industriale, nella legislazione europea e
nazionale sono stati introdotti dei criteri minimi il cui scopo è quello di assicurare che i
gas prodotti vengano ossidati e che gli inquinanti organici vengano distrutti in maniera
tale da ridurre l''emissione di inquinanti. Nella Tabella 2.3 viene riportato un breve sommario che mostra alcune delle specifiche che vengono applicate alla combustione dei gas prodotti durante il processo
di incenerimento. Parametro Specifica Scopo
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 16 - Temperatura minima di
combustione durante la
residenza in camera di
combustione Almeno 850°C
Almeno 1100°C per i rifiuti
pericolosi con un contenuto in
composti alogenati superiore al
1% Temperature adeguate per
permettere l''ossidazione Tempo di residenza minimo 2 secondo dopo l''ultima
iniezione di aria di combustione Sufficiente tempo di residenza ad
una temperatura
sufficientemente alta in presenza
di una sufficiente quantità di
ossigeno che reagisca ed ossidi. turbolenza Sufficiente ad assicurare una miscelazione efficace dei gas e le
reazioni di combustione La miscelazione dei gas permette
alle reazioni di procedere
attraverso l''intera corrente
gassosa. Concentrazione di ossigeno Maggiore del 6% Deve essere alimentata una
sufficiente quantità di ossigeno
per permettere l''ossidazione Tabella 2.3 Specifiche sui gas di combustione L''esercizio ha mostrato che questi criteri sono generalmente appropriati e consentono di raggiungere buoni livelli di distruzione. Tuttavia vi sono impianti che
pur lavorando a temperature, tempi di residenza e concentrazioni di ossigeno ridotte
hanno combustioni efficaci e livelli di emissione di inquinanti piuttosto bassi. 2.5 Lo stato dell''arte della simulazione del letto di rifiuti. Fino a non molto tempo fa la modellizzazione degli inceneritori è stata affrontata disaccoppiando la simulazione di fase solida e gassosa. Utilizzando sotto modelli matematici per la simulazione delle reazioni di combustione eterogenea che avvengono all'interno del letto di solido Klasen et al. [6]
determinano i profili di temperatura e di concentrazione da utilizzare come condizioni
al contorno per la simulazione della fase gassosa. Choi et al. [7,8,9] simulano esclusivamente la fase gassosa e considerano il letto suddiviso in quattro zone in ciascuna delle quali attribuiscono valori di temperatura e
di concentrazione ottenuti da dati sperimentali. Successivamente [10], sviluppano un
modello per la simulazione del letto fisso di combustibile che utilizzano in
combinazione con la fase gassosa utilizzando i risultati di un modello come condizioni
al contorno dell'altro fino a convergenza.
CAPITOLO SECONDO L''INCENERIMENTO DEI RIFIUTI
- 17 - Nasserzadeh et al. [11,12,13,14,15,16] utilizzano dati sperimentali per ottenere le condizioni al contorno per la simulazione la fase gassosa. Successivamente [17],
sviluppano un codice (FLIC) per la simulazione dei processi che avvengono all'interno
del letto solido i cui risultati forniscono le condizioni al contorno per la simulazione
della fase gassosa. Marias et al. [18] usano il codice GPROMS per risolvere l'equazione che descrive i processi all'interno del letto e, successivamente, simulano la fase gassosa della fornace
utilizzando il codice commerciale FLUENT. Anch'essi usano i risultati del modello della
fase solida come condizioni al contorno per il calcolo della fase gassosa, reiterando il
processo fino a convergenza. L'approccio di utilizzare un modello "self made" per la simulazione dei processi che avvengono in fase solida e successivamente utilizzare risultati ottenuti come
condizione al contorno per la fase gassosa è utilizzato anche da Chartier et al. [19]. Il
loro modello è validato mediante dati sperimentali ottenuti in alcune fornaci a griglia
mobile. La loro principale conclusione è che i modelli numerici oltre ad essere utili
durante la fase di progettazione delle fornaci, risultano estremamente importanti anche
durante le operazioni, per l'ottimizzazione delle condizioni operative.





- 18 - CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO 3.1 Descrizione del processo di incenerimento I sistemi a griglia mobile, usati in molti inceneritori di rifiuti solidi urbani, si possono considerare come reattori a flussi incrociati all''interno dei quali il combustibile
solido viene inizialmente riscaldato in corrispondenza della parte superiore del letto
grazie al calore radiante proveniente dalla fiamma al di sopra del letto e dalle pareti
calde. Il processo di combustione è governato dalla propagazione del fronte di
reazione dalla parte superiore del letto verso la griglia in maniera opposta al flusso
dell''aria. In condizioni ideali all''interno del letto si manifestano tre fenomeni:
evaporazione dell''acqua contenuta, devolatilizzazione e combustione del char. Figura 3.1 Rappresentazione schematica del processo di incenerimento
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 19 - Questi fenomeni possono sovrapporsi parzialmente dipendentemente dalle dimensioni delle particelle e dal numero di Biot. Il numero di Biot, definito come k d h Bi p s ' = [3.1] fornisce una misura dell''uniformità della distribuzione della temperatura all''interno di
ciascuna particella uniformemente riscaldata sulla superficie esterna. Quando Bi>>1 le particelle vengono considerate ''termicamente spesse' e si verifica all''interno delle stesse un significativo gradiente termico. In caso contrario le
particelle vengono considerate ''termicamente sottili' ed il gradiente di temperatura
all''interno delle particelle è limitato. La definizione appena data del numero di Biot per una particella singola deve tuttavia essere modificata se si considera la particella all''interno di un letto.
L''irraggiamento proveniente dal fronte di fiamma può penetrare nel letto attraverso i
vuoti cosicché la superficie delle particelle effettivamente disponibile risulterà essere
proporzionale alla frazione di vuoto locale del letto. Quindi il numero di Biot
modificato diventa: k d h Bi p s ' ε = [3.2] Assumendo termicamente sottili le particelle, non si ha il bisogno di risolvere separatamente il profilo di temperatura all''interno delle particelle ed il letto può essere
visto come un mezzo poroso continuo costituito da una fase solida ed una gassosa a
ciascuna delle quali applicare le equazioni di trasporto. Il set di equazioni consiste in: ' Modifica del volume del letto dovuta alla perdita di materia ed alla conseguente
contrazione delle particelle ' Equazioni di trasporto per la fase solida ' Equazioni di trasporto per la fase gassosa ' Trasferimento di calore radiante dalla zona sovrastante verso il letto Poiché il tempo di residenza del rifiuto all''interno del letto è generalmente di un''ora, i gradienti di temperatura lungo la direzione parallela alla griglia sono
trascurabili se confrontati con i gradienti lungo la direzione normale alla griglia stessa.
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 20 - Quindi una simulazione diretta del processo in un tale sistema si può realizzare
attraverso un sistema di combustione batch non stazionario. Se non c''è mescolamento di solido lungo la griglia ed il rifiuto viene alimentato a velocità costante è possibile
usare il modello del letto fisso non stazionario al fine di prevedere le variazioni con la
distanza dal punto di ingresso del solido usando l''equazione x = vx.t dove vx è la velocità costante del rifiuto dovuta al movimento della griglia. Un rifiuto solido può considerarsi costituito da quattro componenti: umidità, materia volatile, carbonio fisso e cenere che, durante l''incenerimento, vengono rimossi
dal materiale solido attraverso, rispettivamente, i processi di essiccamento, pirolisi e
gassificazione (Figura 3.2). Figura 3.2 Fenomeni principali Non appena l''umidità e la materia volatile vengono liberate, il solido diviene più poroso. Per indicare gli spazi vuoti all''interno del solido lasciati dai processi di
essiccamento e pirolisi si utilizza il termine di ''spazio poroso interno'. Tale spazio non
va confuso con lo spazio occupato dalla fase gassosa in corrispondenza della superficie
esterna delle particelle di rifiuto ( gas space). La Figura 3.3 mostra la distribuzione dei vari componenti all''interno del letto ed i cambiamenti di volume nel tempo in seguito al verificarsi dei processi di
essiccamento, pirolisi e gassificazione. La prima colonna verticale mostra la
distribuzione volumetrica iniziale dei cinque componenti principali: la frazione di
vuoto nel letto ( gas space), il carbonio fisso, la materia volatile, l''umidità e la cenere legata. Durante i processi di essiccamento e pirolisi la riduzione del volume di umidità
e materia volatile nel solido è parzialmente compensata dall''incremento dello spazio O2 CHAR: Cx''''Hy''''Oz'''' O2 COMBUSTIBILE CxHyOz·a(H2O) ACQUA: H2O EVAPORAZIONE PIROLISI VOLATILI: Cx''Hy''Oz'' CO CO2 H2 H2O CO CO2 COMBUSTIONE GASSIFICAZIONE
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 21 - poroso interno. Durante il processo di gassificazione non viene formato ulteriore
spazio poroso bensì lo spazio poroso prodotto durante l''essiccamento e la pirolisi
viene rimosso al procedere della gassificazione del carbonio fisso. Durante tale
processo, la rimozione del carbonio dal char trasforma la cenere legata in cenere libera. Drying, pyrolysis and gasification Gasification only Time Key Gas space Fixed carbon Volatiles M oisture Internal pore space Free ash Bound ash Figura 3.3 Variazione del volume del letto dovuto all''incenerimento 3.2 Cambiamento del volume del letto durante l''incenerimento Quando, durante i processi di essiccamento e pirolisi, vengono rilasciati acqua e componenti volatili, all''interno del solido rimane dello spazio poroso ed ogni
particella può contrarsi con il risultato di ridurre il volume complessivo del letto. Se si indica con ξevp il fattore di contrazione delle particelle di solido1 durante l''essiccamento e si suppone che la frazione di vuoto del letto ε rimanga costante
durante tutto il processo di incenerimento, il volume del letto al generico tempo t risulta essere pari a: ( ) ( ) w w evp o t M V t V ρ ξ ε '' '' '' = 1 1 [3.3]
1 Il fattore di contrazione può avere valori compresi tra 0 e 1: se ξ=0 allora la particella non si contrae,
il suo volume rimane costante mentre lo spazio poroso interno risulta essere proprio uguale al volume di acqua (o volatile) liberato; se ξ=1 allora la particella si contrae completamente non lasciando pori al
suo interno.
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 22 - Dove con ( ) t M w '' si è indicata la quantità di acqua evaporata fino al tempo t e con ρw la densità dell''acqua stessa. Derivando rispetto al tempo si ottiene che la variazione del
volume del letto durante il processo di essiccamento è: w evp evp R dt dV ρ ξ ε '' '' = 1 1 [3.4] Dove con Revp si è indicata la velocità di evaporazione dell''acqua. Al termine del processo di essiccamento, il volume del letto risulta essere pari a: '''' ' '' '''' ' '' '' = w w evp Y ρ ρ ξ 0 , 0 0 evp 1 V V [3.5] Dove con ρ0 si è indicata la densità iniziale del solido e con Yw,0 la frazione ponderale
di acqua nel solido iniziale. Analogamente, durante il processo di devolatilizzazione, se si indica con ξdevol il fattore di contrazione della particella di solido, risulta: ( ) ( ) vol vol devol evp t M V t V ρ ξ ε '' '' '' = 1 1 [3.6] Dove con ( ) t M vol '' si è indicata la quantità di materia volatile rilasciata fino al tempo t e con ρvol la densità della materia volatile stessa. Derivando rispetto al tempo si ottiene
che la variazione del volume del letto durante il processo di devolatilizzazione è: w devol devol R dt dV ρ ξ ε '' '' = 1 1 [3.7] Dove con Rdevol si è indicata la velocità di devolatilizzazione. Al termine del processo di devolatilizzazione, il volume del letto risulta essere pari a: '''' ' '' '''' ' '' '' '' = vol vol devol w w evp Y Y ρ ρ ξ ρ ρ ξ 0 , 0 0 , 0 0 devol 1 V V [3.8] Lo spazio poroso interno prodotto durante i processi di evaporazione e pirolisi risulta essere pari a: ( ) ( ) '''' ' '' '''' ' '' '' + '' = vol vol devol w w evp p Y Y V ρ ρ ξ ρ ρ ξ 0 , 0 0 , 0 0 or 1 1 V [3.9]
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 23 - Supponendo che durante il processo di gassificazione non venga lasciato spazio poroso interno (ξgass=1) e che lo spazio poroso interno generato durante i processi di
evaporazione e pirolisi venga totalmente rimosso: ( ) ( ) ( ) char char devol t M x V t V ρ ε '' + '' '' = 1 1 1 [3.10] Dove con ( ) t M char '' si è indicata la quantità char gassificato fino al tempo t, con ρchar la densità del char e con x il volume di pori che viene rimosso per unità di volume di char che gassifica, cioè: ( ) ( ) '''' ' '' '''' ' '' '' + '' = = vol vol devol w w evp char char char por Y Y Y V V x ρ ρ ξ ρ ρ ξ ρ ρ 0 , 0 0 , 0 0 , 0 0 , 1 1 [3.11] Pertanto, al termine della gassificazione il solido sarà costituito esclusivamente da
cenere priva di pori interni: ash ash f Y V V ρ ρ 0 , 0 0 = [3.12] In alternativa si può fissare la frazione x1 dello spazio poroso interno che viene rimosso per ogni unità di volume di char che gassifica: ( ) ( ) '''' ' '' '''' ' '' '' + '' = = vol vol devol w w evp char char char por Y Y Y x V V x x ρ ρ ξ ρ ρ ξ ρ ρ 0 , 0 0 , 0 0 , 0 1 0 , 1 2 1 1 [3.13] ed allora ( ) '''' ' '' '''' ' '' + '' '' '' = char char vol vol devol w w evp Y x Y Y ρ ρ ρ ρ ξ ρ ρ ξ 0 , 0 2 0 , 0 0 , 0 0 f 1 1 V V [3.14] Pertanto ( ) 0 1 0 , 0 0 1 V V x Y V V por ash ash f '' + = ρ ρ [3.15] Ricapitolando, la variazione del volume del letto durante il processo di incenerimento è esprimibile tramite l''equazione seguente: '''' ' '' '''' ' '' + + + '' '' = char gass vol devol devol w evap evap R x R R dt dV ρ ρ ξ ρ ξ ε ) 1 ( 1 1 2 [3.16]
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 24 - Per determinare il diametro delle particelle al tempo t si utilizza la ( ) ( ) 3 1 0 0 '''' ' '' '''' ' '' = V t V d t d p p [3.17] 3.3 Equazioni di trasporto Come precedentemente descritto, il processo di incenerimento dei rifiuti solidi è diviso in quattro sotto-processi consecutivi sovrapponibili: ' Evaporazione dell''umidità dal solido ' Rilascio di materia volatile e formazione di char ' Combustione degli idrocarburi volatili in fase gassosa ' Gassificazione delle particelle di char Di seguito sono descritti i modelli matematici per ciascuno di questi processi. 3.3.1 Evaporazione La gran parte dei combustibili solidi, e specialmente i rifiuti solidi urbani, contengono umidità in quantità diverse a seconda della loro provenienza e dei pre -
trattamenti subiti prima di entrare in camera di combustione. La vaporizzazione quindi
può essere di importanza cruciale nel fenomeno di combustione poiché potrebbe
controllare sia tempi caratteristici sia l'energia richiesta per l'accensione. L'umidità del
rifiuto può presentarsi in tre forme differenti: come acqua libera nelle porosità del
rifiuto stesso, come acqua adsorbita nel rifiuto, come acqua di legame a livello
molecolare. il processo di vaporizzazione può essere suddiviso nei seguenti steps: ' Riscaldamento della particella ' Evaporazione dell'acqua libera ' De-adsorbimento ed evaporazione dell'acqua adsorbita ' Separazione e evaporazione dell'acqua di legame. Al momento dell''ingresso all''interno dell''inceneritore, il rifiuto solido viene riscaldato per mezzo del calore radiante al di sopra del letto e l''umidità viene rilasciata
gradualmente. L''evaporazione si verifica anche in seguito allo scambio di materia tra il
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 25 - solido umido e l''aria più secca che entra attraverso la griglia. La velocità di rilascio
dell''umidità (kg/m3s) si può esprimere tramite le seguenti equazioni: Ss''g,evap = Ap hm (Cw,s - Cw,g) quando Ts < 100°C [3.18] Ss''g,evap = Qcr / λevap quando Ts = 100°C [3.19] Dove: Ap è la superficie delle particelle solide per unità di volume del letto [m2/m3] hm è il coefficiente di trasferimento di materia convettivo tra solido e gas [m/s] Cw,s è la concentrazione dell''umidità sulla superficie del solido [Kg/m3] Cw,g è al concentrazione dell''umidità nel flusso gassoso [Kg/m3] Ts è la temperatura del solido [K] Qcr è il calore assorbito dal solido [W/m2] λevap è il calore di evaporazione dell''acqua [J/Kg] Per particelle sferiche, la superficie (esterna) disponibile per unità di volume del letto è esprimibile tramite la seguente relazione: p p d A ) 1 ( 6 ε '' = [3.20] con dp diametro delle particelle [m] Il coefficiente di trasferimento di materia si può calcolare sfruttando la correlazione: 3 / 1 6 . 0 Re 1 . 1 2 Sc Sh + = con m w p m D d h Sh , = g p g g d v µ ρ = Re m w g g D Sc , ρ µ = dove: Dw,m è la diffusività del vapore acqueo nella miscela gassosa [m2/s] µg è la viscosità della miscela gassosa [Kg/ms] Per determinare Cw,s si fa l''ipotesi che la concentrazione dell''acqua in corrispondenza della superficie del solido coincida con la concentrazione dell''acqua in
condizioni di saturazione alla temperatura Ts:
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 26 - ( ) s w s s s w RT PM T p C = , [3.21] con ( ) '''' ' '' '''' ' '' + = s s s s T T T p 9 . 240 502 . 17 exp 85 . 611 (con ps espressa in Pa e T in °C) [3.22] Cw,g=ρgYw,g [3.23] Qcr include sia il contributo convettivo che quello radiante ed è esprimibile tramite la seguente equazione: Qcr = Ap ( h (Tg - Ts ) + εs 'b (Tenv4 - Ts4 ) ) [3.24] Dove: h rappresenta il coefficiente di trasferimento di calore convettivo tra solido e gas
[W/m2K] Tg è la temperatura del gas [K] εs è l''emissività del materiale solido
'b è la costante di Boltzmann [W/m2K4]
Tenv è la temperatura dell''ambiente [K] Il coefficiente di trasferimento di calore si può calcolare sfruttando la correlazione: 1/3 0.6 Pr Re 1.1 2 Nu + = Con g p k d h Nu = g p g g d v Re µ ρ = g g Pg k c Pr µ = Dove kg è la conducibilità termica della miscela gassosa [W/mK] Per quanto attiene alla definizione della Tenv, in letteratura sono utilizzati vari modelli. Il codice commerciale Fluent [1], nel trattare il riscaldamento di fasi discrete, definisce, in sostituzione della Tenv una ''radiation temperature' : 4 1 4 '' ' '' '' ' '' = ' θ I r [3.25] dove I rappresenta l''intensità di radiazione
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 27 - 3.3.2 Devolatilizzazione La materia volatile negli RSU può variare dal 10% al 60% della massa originaria ed i gas sono costituiti essenzialmente da idrocarburi (genericamente indicati con
CmHn), CO, CO2, H2, O2 e tracce di altri composti. In generale, il processo di devolatilizzazione può essere descritto dalla seguente equazione:
Rifiutos Volatili ( CmHn, CO, H2, CO2, O2, etc )g + Chars
La devolatilizzazione di molti combustibili solidi si può descrivere semplicemente mediante un meccanismo cinetico globale di uno step, in cui la velocità
di rilascio dei volatili gassosi si considera proporzionale ai volatili trattenuti all''interno
del solido ed alla temperatura secondo la seguente equazione: ) ( v v k dt dv v '' = '' [3.26] Dove : v rappresenta la quantità di materia volatile contenuta all''interno del solido al tempo t v'' indica la quantità di materia volatile trattenuta all''interno del solido al tempo t'' (e
può variare a seconda della velocità di riscaldamento e della temperatura
dell''ambiente) kv è la costante di reazione esprimibile attraverso un''espressione di tipo Arrhenius ( ) S v v v RT E A k '' = exp Supponendo v''=0, la relazione che esprime il rilascio di sostanze volatili dalla fase solida alla fase gassosa è: ( )( ) s vol s S v v devol g s Y RT E A S , , 1 exp ρ ε '' '' = '' [3.27] Alcuni dei valori del fattore di frequenza e dell''energia di attivazione reperiti in letteratura sono indicati nella Tabella 3.1[20].
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 28 - MOLTO VELOCE VELOCE MEDIA LENTA MOLTO LENTA Av (s-1) 5.16'106 3.4'104 7.0'104 3.0'103 2.98'103 Ev (J/mole) 84'103 69'103 83'103 69'103 73.1'103 Tabella 3.1 Parametri Velocità di Devolatilizzazione 3.3.3 Combustione dei Volatili Durante la devolatilizzazione vengono liberati vari combustibili gassosi che, per ragioni di complessità, non possono essere trattati separatamente. ' pertanto possibile
adottare un approccio semplificato in cui si assume che il prodotto di
devolatilizzazione sia costituito da un solo pseudo-composto di formula bruta CmHnOl
che si ossida per produrre CO e H2 secondo la reazione seguente: 2 2 2 2 2 H n mCO O l m O H C l n m + '' '' ' '' '' ' '' '' + [3.28] Il CO e H2 prodotti vengono quindi ulteriormente ossidati per formare, rispettivamente, CO2 e H2O secondo le reazioni seguenti: CO + ½ O2 '' CO2 H2 + ½ O2 '' H2O La cinetica adottata per la reazione del composto CmHnOl è [Kmoli/m3s]: ( ) 2 n n m n n m O 5 . 0 O H C g 0.3 g O H C C C T 12200 - exp P T 59.8 R = [3.29] Per la combustione di CO è: ( ) 0.5 O 0.5 O H CO g 11 CO 2 2 C C C T 62700 - exp 10 1.3 R ' = [3.30] Per la reazione di H2 è: ( ) -0.56 O H C 1.42 O 0.85
H g 17 H L N M 2 2 2 C C C T 20500 - exp 10 3.9 R ' = [3.31] 3.3.4 Gassificazione del Carbonio Fisso Il char è il residuo solido che si forma si al termine del processo di devolatilizzazione. Il char è essenzialmente un solido ricco in carbonio che viene
ulteriormente gassificato a CO e CO2 secondo un rapporto esprimibile dalla relazione:
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 29 - '' ' '' '' ' '''' = = T exp CO CO 6420 2500 2 ' [3.32] Posto ' ' α + '' = 1 5 . 0 1 la reazione di gassificazione del char è esprimibile tramite la C(s) + α O2 '' 2(1-α) CO + (2α-1) CO2 La velocità di ossidazione del carbonio viene modellizzata come una combinazione della velocità di reazione e la velocità di diffusione dell''ossigeno dalla
fase gassosa alla superficie della particella. Il termine sorgente rappresentante l''ossidazione del char è espresso nel modo seguente: ( ) d r O char p gass , g s k k C PM d S 1 1 1 1 6 2 + '' '' = '' α ε [3.33] Dove: kr è la costante della cinetica di reazione ed è calcolabile tramite la relazione: ( ) s s r T / exp T . k 11100 3 2 '' = [3.34] kd è il coefficiente di trasferimento di materia dell''ossigeno dalla fase gassosa alla
superficie della particella solida ed è calcolabile tramite la correlazione: 3 1 6 0 1 1 2 / . Sc Re . Sh + = con m , O p m D d k Sh 2 = dove m , O D 2 è la diffusività dell''ossigeno nella miscela gassosa. 3.4 Equazioni di Trasporto per la Fase Solida 3.4.1 Equazione di Continuità Per la fase solida è possibile scrivere il bilancio di materia secondo la seguente equazione: ( ) ( ) ( ) gass , g s devol , g s evap , g s s s s S S S y v t '' '' '' '' '' '' = '' '' + '' '' '' ρ ρ ε 1 [3.35] Dove:
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 30 - ρs è la densità del solido [Kg/m3]
vs è la velocità superficiale del solido [m/s] (in massa e non della singola particella)
dovuta al movimento del solido verso il basso in seguito alla variazione delle
dimensioni delle particelle ed è calcolabile tramite la dt dV A v s 1 = [3.36] Ss''g,evap, Ss''g,devol e Ss''g,gass sono i termini sorgente [Kg/m3s] consistenti nella velocità di
conversione dalla fase solida a quella gassosa durante i processi di evaporazione,
devolatilizzazione e gassificazione del char. L''equazione, risolta con le seguenti condizioni iniziali ed al contorno C.I.: per t = 0 '' y '' [0,H] iniziale rifiuto s ρ ρ = C.L.1: per t > 0 per y = 0 0 = s v C.L.2: per t > 0 per y = H ( ) 0 = '' '' y v s s ρ consente di calcolare la densità del solido ρs. Se la frazione di vuoto ε fa riferimento esclusivamente alla ''porosità esterna', cioè quella tra particella e particella, si può fare l''ipotesi che rimanga costante mentre
la porosità interna alle particelle viene considerata come uno dei componenti della
fase solida alla stregua di umidità o composizione e ne influenza le caratteristiche fisico-
chimiche. ' da notare che, facendo riferimento sia alla porosità esterna che a quella interna, ε diventerebbe un''ulteriore variabile: se così fosse, bisognerebbe considerare
anche la superficie interna delle particelle come superficie disponibile per le reazioni
eterogenee con ulteriore complicazione del problema. In questo lavoro si è considerata
esclusivamente la porosità esterna, per cui si vale l''ipotesi che ε sia costante nel tempo. 3.4.2 Equazione di Trasporto del e Specie L''equazione di bilancio per le singole specie può essere scritta come: ( ) ( ) ( ) gass , g s , i devol , g s , i evap , g s , i s , i s s s , i s S S S y Y v t Y '' '' '' '' '' '' = '' '' + '' '' '' ρ ρ ε 1 [3.37]
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 31 - Dove: Yi,s sono le frazioni in massa dei singoli componenti della fase solida Si,s''g,evap, Si,s''g,devol e Si,s''g,gass rappresentano, rispettivamente, le sorgenti di materia delle
singole specie dovute ad evaporazione, devolatilizzazione e gassificazione del char [Kg/m3s] Le equazioni, risolte con le seguenti condizioni iniziali ed al contorno C.I.: per t = 0 '' y '' [0,H] 0 s , i s , i Y Y = C.L.1: per t > 0 per y = 0 ( ) 0 = '' '' y Y v s , i s s ρ C.L.2: per t > 0 per y = H ( ) 0 = '' '' y Y v s , i s s ρ consentono di calcolare le frazioni in massa dei singoli componenti della fase solida Yi,s. 3.4.3 Equazione di Trasporto del ''Energia L''equazione di trasporto dell''energia può essere scritta come segue: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) '' '' = = + + '' + + '''' ' '' '''' ' '' '' '' '' '' '' = '' '' + '' '' '' RS RG N i rad s i s N i g i g conv s s s s s s s S S y S y S y T k y y h v t h 1 , 1 , 1 1 1 ε ρ ρ ε [3.38] Dove: hs è l''entalpia specifica del solido [J/Kg] ed è pari a: '' = = s N i i s , i s h Y h 1 con ( ) ' + = T T p o f , i i o dT T c h h ks è la conducibilità termica del solido [W/mK] Sconv è il termine sorgente dovuto allo scambio di calore convettivo con la fase gassosa
[W/m3] ed è pari a: ( ) g s p conv T T h A S '' = Si,g sono i termini sorgente dovuti al calore generato dalle reazioni di combustione in
fase gassosa [W/m3]
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 32 - yg è la frazione del calore generato dalle reazioni di combustione in fase gassosa
assorbita dalla fase gassosa [-] Si,s sono i termini sorgente dovuti al calore generato dalle reazioni eterogenee [W/m3] ys è la frazione del calore generato dalle reazioni eterogenee assorbita dalla fase solida
[-] Srad è il termine sorgente dovuto all''irraggiamento [W/m3]. Il trasferimento di calore
per irraggiamento viene rappresentato mediante un modello a due flussi derivante
dall''approssimazione di Schuster-Schwarzschild secondo il quale + y I e '' y I , rappresentanti, rispettivamente, le intensità di radiazione in direzione positiva ed in
direzione negativa [W/m2], sono calcolabili mediante le equazioni seguenti: ( ) ( )'' + + + + + + + = y y s b a y s a y I I k I k I k k - dy dI 2 1 2 1 [3.39] ( ) ( )'' + '' '' + + + + = '' y y s b a y s a y I I k I k I k k - dy dI 2 1 2 1 [3.40] dove ka è il coefficiente di assorbimento ks è il coefficiente di scattering Ib è la radiazione del corpo nero esprimibile mediante la ' ' 4 s b T I = [3.41] dove ' è la costante di Stefan-Boltzmann [W/m2K4] da risolvere con le seguenti condizioni al contorno: per y = 0 ' ε' 4 griglia y T I = + per y = H ' ε' 4 fornace y T I = '' In prima approssimazione, ks viene assunto uguale a zero mentre per ka si utilizza l''espressione seguente [10]:
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 33 - ε ln d k p a 1 '' = Riguardo al termine sorgente dovuto all''irraggiamento, in letteratura gli approcci sono differenti. Secondo Ryu et al. [21] il termine sorgente è esprimibile secondo l''equazione: ( ) V A I I S y y rad '' + '' = ' dove A è la sezione trasversale del letto e V volume del letto. Secondo Thunman [22] il flusso radiativi per unità di volume è: ( )'' + '' '' '' = y y rad I I y S ' Secondo l''approccio di Modest [23], il termine relativo al trasferimento di calore radiante che compare nell''equazione dell''energia , Srad, viene risolto nel caso
monodimensionale e risulta essere pari a: ( ) G T k S a rad '' = 4 4 ' e quindi, utilizzando l''approssimazione di Schuster-Schwarzschild [16], il termine sorgente può essere scritto come: ( ) ( '' + + '' = y y a rad I I T k S ' ' 2 4 4 L''equazione dell''energia, risolta con le seguenti condizioni iniziali ed al contorno C.I.: per t = 0 '' y '' [0,H] iniziale rifiuto s T T = C.L.1: per t > 0 per y = 0 griglia s T T = C.L.2: per t > 0 per y = H 0 = '' '' y T s consente di calcolare la temperatura del solido Ts.
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 34 - 3.5 Equazioni di trasporto per la fase gassosa 3.5.1 Equazione di Continuità Per la fase gassosa, l''equazione di continuità si esprime secondo: ( ) ( ) gass , g s devol , g s evap , g s g g g S S S y v t '' '' '' + + = '' '' + '' '' ρ ερ [3.42] dove: ε è la frazione di vuoto del letto [-] ρg è la densità del gas [Kg/m3] ed è calcolabile attraverso l''equazione dei gas
perfetti: '' = = g N i g i g , i g T PM Y R P 1 ρ vg è la velocità superficiale del gas [m/s] Ss''g,evap, Ss''g,devol e Ss''g,gass sono i termini sorgente consistenti nella velocità di
conversione dalla fase solida a quella gassosa durante i processi di evaporazione,
devolatilizzazione e gassificazione del char [Kg/m3s] L''equazione, risolta con le seguenti condizioni iniziali ed al contorno C.I.: per t = 0 '' y '' [0,H] primaria aria g ρ ρ = C.L.1: per t > 0 per y = 0 primaria aria primaria aria g g v v ρ ρ = C.L.2: per t > 0 per y = H ( ) 0 = '' '' y v g g ρ consente di calcolare la velocità superficiale del gas vg. 3.5.2 Equazione del Momento L''equazione del momento per la fase gassose è: ( ) ( ) ( ) g g g g g g g v F y p y v v t v + '' '' '' = '' '' + '' '' ρ ερ [3.43]
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 35 - dove: pg è la pressione del gas [Pa]. La fase gassosa è trattata come una miscela perfetta di componenti gassosi ideali ai quali è applicabile l''equazione di stato dei gas
perfetti: g N i i g , i g g T PM Y R p g '' = = 1 ρ F(vg) assume forme diverse a seconda del regime di flusso. Per numeri di Reynolds basati su K ( )µ ρ K v = Re più piccoli di 10 il regime si considera laminare ed il termine F(vg) comprende esclusivamente la resistenza viscosa del gas. Al di sopra di questo valore gli effetti inerziali introducono un comportamento non lineare che
conduce all''equazione di Forchheimer [10]. Quindi: ( ) ' '
' ' '
' ' ' '' < = er) (Forchheim 10 se v Cv v K (Darcy) se v K v F g g g g g g Re Re ρ µ µ 10 Dove K e C sono costanti nella forma: 2 3 2 1 150 d ) ( K P ε ε '' = 3 1 75 1 ε ε P d ) ( . C '' = In questa trattazione si è considerato che il flusso del gas attraverso il letto poroso è compressibile. Inoltre, il momento dovuto al trasferimento di materia dalla
superficie delle particelle solide che costituiscono il letto alla fase gassosa viene
considerato trascurabile, così come vengono trascurati gli stress lungo la superficie della
fase solida. L''equazione del momento, accoppiata con l''equazione di continuità, permetterebbe di calcolare la pressione della fase locale. In questa fase, è stato deciso
di semplificare il modello, assumendo che la pressione rimanga costante nella fase
gassosa [15].
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 36 - 3.5.3 Equazione di Trasporto del e Specie L''equazione di trasporto delle specie per la fase gassosa può essere espressa secondo l''equazione: ( ) ( ) '' = '' '' '' + + + = '' '' + '' '' RG N i g , i gass , i , g s , i devol , i , g s , i evap , g s , i g , i g g g , i g S S S S y Y v t Y 1 ε ρ ερ [3.44] dove: Yi,g sono le frazioni in massa delle singole specie gassose; Si,s''g,evap, Si,s''g,devol e Si,s''g,gass rappresentano, rispettivamente, le sorgenti di
materia delle singole specie dovute ad evaporazione, devolatilizzazione e
gassificazione del char [Kg/m3s] Si,g rappresentano i termini sorgente dovuti alle reazioni di formazione e/o di
consumo delle singole specie gassose in seguito alle reazioni di combustione in
fase gassosa [Kg/m3s] Le equazioni, risolte con le seguenti condizioni iniziali ed al contorno C.I.: per t = 0 '' y '' [0,H] primaria aria g , i Y Y = C.L.1: per t > 0 per y = 0 primaria aria g , i Y Y = C.L.2: per t > 0 per y = H ( ) 0 = '' '' y Y v g , i g g ρ consentono di calcolare le frazioni in massa dei singoli componenti della fase gassosa Yi,g. 3.5.4 Equazione di Trasporto del ''Energia ( ) ( ) ( )'' '' = = '' + + + '' ''
' '' '' ''
' '' '' '' '' '' = '' '' + '' '' RS RG N i s , i s N i g , i g conv g g g g g g g S y S y S y T k y y h v t h 1 1 1 ε ρ ερ [3.45] Dove: hg rappresenta l''entalpia del gas [J/Kg] ed è pari a: '' = = g N i i g , i g h Y h 1 con ( ) ' + = T T p o f , i i o dT T c h h
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 37 - kg è la conducibilità termica del gas [W/mK] Sconv è il termine sorgente dovuto allo scambio di calore convettivo con la fase
solida [W/m3] ed è pari a: ( ) s g p conv T T h A S '' = Si,g rappresenta il termine sorgente dovuto al calore generato dalla i-esima
reazione di combustione in fase gassosa [W/m3] ed è pari a: i T i , r g , i R h S '' = ε con T i , r h '' calore generato dalla i-esima reazione [J/Kg] e Ri velocità di combustione del composto volatile per unità di volume di gas [Kg/m3s] yg rappresenta la frazione del calore generato dalle reazioni di combustione in
fase gassosa assorbita dalla fase gassosa [-] Si,s rappresenta il termine sorgente dovuto al calore generato dalla i-esima
reazione eterogenea [W/m3] ed è pari a: i , g s T i , r s , i S h S '' '' = con T i , r h '' calore di reazione generato dalla i-esima reazione eterogenea [J/Kg] e i , g s S '' velocità di rilascio del vapore/gas per unità di volume [Kmoli/m 3 s] ys rappresenta la frazione del calore generato dalle reazioni eterogenee assorbita
dalla fase solida [-] L''equazione, risolta con le seguenti condizioni iniziali ed al contorno C.I.: per t = 0 '' y '' [0,H] primaria aria g T T = C.L.1: per t > 0 per y = 0 primaria aria g T T = C.L.2: per t > 0 per y = H 0 = '' '' y T g consente di calcolare la temperatura del gas Tg.
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 38 - 3.6 Schema numerico del codice EMC2 Il codice EMC2 (Monodimensional Etherogeneous Combustion Code) è stato sviluppato per simulare i processi che avvengono nel letto di rifiuti solidi. Il codice usa il metodo dei volumi finiti in cui i termini diffusivi sono discretizzati con uno schema upwind per la fase gassosa e con differenze centrali per la fase solida. I termini non stazionari sono invece risolti mediante uno schema implicito. Nel metodo ai volumi finiti, la derivazione delle equazioni di conservazione è basata su una formulazione nella quale le equazioni differenziali sono integrate sopra
ciascun volume di controllo in cui è diviso il dominio di calcolo. In generale, una equazione di conservazione può essere scritta nel modo seguente (per brevità si considera il caso monodimensionale lungo la coordinata x): ( ) ( ) ' ' ' ' ρ ρ' S x x x u t + '''' ' '' '''' ' '' '' '' ' '' '' = '' '' + '' '' [3.46] dove il primo termine da sinistra rappresenta il termine non stazionario della generica
funzione scalare Φ, il secondo termine rappresenta il termine convettivo, il terzo il
termine diffusivo e il quarto il rateo di produzione della grandezza Φ nell''unità di
volume. L''integrazione di questa equazione nel volume di controllo porta a: ( ) ( ) dV S dV x x dV x u dV t V V V V ' ' ' ' + '''' ' '' '''' ' '' '' '' ' '' '' = '' '' + '' '' ' ' ' ' ρ ρ' Che, utilizzando il teorema della divergenza, diventa: dV S dS n i x dA n i u dV t V S S V ' ' ' ' + '' '''' ' '' '''' ' '' '' '' ' = '' + '' '' ' ' ' ' ρ ρ' ) ' ' ' ) ( ) ( dove n indica il vettore normale alla superficie S. Discretizzando quest''ultima
equazione e sommando su tutti i volumi (Vi) e le superfici di controllo (Si) del dominio
si ottiene l''equazione generale: '' '' '' '' '' + '' '' '''' ' '' '''' ' '' '' '' ' = '' '' + '' '' '' V S S V V S S n i x S n i u V t ' ' ' ' ρ ρ' ) ' ' ' ) ( L''idea base del metodo dei volumi finiti è di ottenere un sistema di equazioni algebriche per le equazioni di continuità discretizzate. Con questo metodo, la
conservazione delle variabili è garantita attraverso le superfici di controllo, nel senso
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 39 - che, quando una specifica quantità di una variabile conservata è trasportata fuori da un
volume di controllo, la stessa quantità è trasportata nel volume di controllo adiacente. Con riferimento alla Figura 3.4 il termine diffusivo, per il volume di controllo in esame, può essere scritto come: ) ( ) ( ' W P P E w e S A A x A x A S n i x Φ '' Φ ' '' Φ '' Φ ' = '' ' '' '' ' '' '' '' ' '' '' ' '' '' ' '' '' '' ' = '' '' '''' ' '' '''' ' '' '' '' ' '' ' ' ' ' ) Figura 3.4 Volume di controllo Sia il termine stazionario, sia il termine diffusivo necessitano di un adeguato trattamento dato che implicano la conoscenza di grandezze in linea di principio al di
fuori dal volume di controllo. Per quanto riguarda i termini diffusivi, come detto, la discretizzazione è fatta, nel caso della fase gassosa mediante lo schema upwind. Questo perché, a causa della velocità del gas, i termini calcolati mediante lo schema upwind risultano per forza di cose più accurati. In questo schema infatti, si predilige l''influenza della cella upstream, dato che, verosimilmente, in presenza di un flusso convettivo, maggiore è la sua
influenza sulla cella in esame. Nell''ipotesi che la velocità sia positiva come nel senso indicato dalla Figura 3.4 il valore trasportato della variabile Φ è preso uguale al valore al nodo upstream, cioè W w P e ' ' ' ' = = Per quanto riguarda il termine non stazionario si può scrivere l''equazione di trasporto come : ) ( 0 0 ' ' ρ ρ' F t = '' '' uw ue
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 40 - Dove Φ e Φ0 sono i valori della variabile trasportata al tempo t+''t e t rispettivamente, e F è l''equazione costituita dai termini convettivi, diffusivi e sorgenti.
Per ricavare il valore di Φ all''istante t+''t, sono disponibili vari metodi. Il metodo
usato in questo contesto è il metodo di Eulero, che in generale può essere scritto come: ( ) ( ) ( )0 0 0 1 ' θ ' θ ' ρ ρ' F F t '' + = '' '' Se θ=0, il metodo è detto esplicito, poiché permette di calcolare il valore di Φ direttamente da valori noti all''istante t. Se θ=1, il metodo è detto implicito, dato che
il valore incognito di Φ all''istante t+''t è contenuto anche al secondo membro in
un''equazione in generale non immediatamente esplicitabile. In questo lavoro si è
preferito usare un metodo implicito, che, a fronte di una maggiore complessità
nell''implementazione, garantisce la possibilità di usare degli intervalli temporali
maggiori senza compromettere la convergenza del codice.
CAPITOLO TERZO MODELLIZZAZIONE DEL LETTO
- 41 - 3.7 Procedura Risolutiva Φsnew No Sì No Sì FASE GASSOSA FASE SOLIDA ATTRIBUZIONE DELLE CONDIZIONI INIZIALI ALLE VARIABILI: F=Finiziale t=t+''t ATTRIBUZIONE DI VALORI DI PRIMO TENTATIVO ALLE VARIABILI: Φ=Φguess=Φold CALCOLO DELLE PROPRIET' FISICHE E DEI PARAMETRI DI TRASPORTO CALCOLO DEI TERMINI SORGENTE CALCOLO DELLE CARATTERISTICHE GEOMETRICHE DEL LETTO E DELLA VELOCIT' DEL SOLIDO RISOLUZIONE DELL''EQUAZIONE DI CONTINUIT' RISOLUZIONE DELL''EQUAZIONE DELL''ENERGIA CALCOLO DELLE PROPRIET' FISICHE E DEI PARAMETRI DI TRASPORTO CALCOLO DEI TERMINI SORGENTE RISOLUZIONE DELL''EQUAZIONE DEL MOMENTO RISOLUZIONE DELL''EQUAZIONE DI CONTINUIT' E CORREZIONE DEL CAMPO DI VELOCIT' RISOLUZIONE DELL''EQUAZIONE DELL''ENERGIA RISOLUZIONE DELLE EQUAZIONI DELLE SPECIE CALCOLO DEI RESIDUI:
|(Φnew-Φold)/Φnew| VERIFICA DELLA CONVERGENZA: MAX|(Φnew-Φold)/Φnew|'10-6 t>tmax OUTPUT DEFINIZIONE DELLA GRIGLIA INIZIALE RISOLUZIONE DELLE EQUAZIONI DELLE SPECIE ITERAZIONE DEL CALCOLO MEDIANTE SOTTO-RILASSAMENTO DELLE VARIABILI: Φguess=Φold +URF*(Φnew-Φold) LETTURA DEI DATI DI INPUT





- 42 - CAPITOLO QUARTO RISULTATI 4.1 Casi analizzati Come già discusso ampiamente nei capitolo precendenti, dato il grande numero di parametri progettuali e fisici che influenzano il processo di combustione dei rifiuti, in
questo ambito l''attenzione è focalizzata essenzialmente sul tempo di residenza del
rifiuto sulla griglia. A causa della mancanza di dati sperimentali per validare il codice
EMC2, i risultati ottenuti verranno confrontati con quelli riportati nell''articolo [21]. Le principali assunzioni fatte sono riassunte nella Tabella 4.1. La distribuzione di aria primaria immessa sottogriglia ha un andamento parabolico in
maniera tale da concentrarne la portata laddove
c''è maggiore necessità di ossigeno ovvero nella
zona di combustione. Una serie di ugelli di immissione di aria secondaria sono invece disposti in corrispondenza
dell''ingresso alla camera di combustione
secondaria. (Figura 4.1) Nell''articolo non viene descritto il sistema di immissione di aria secondaria in termini di
portata di aria per array, posizione, numero,
dimensioni e disposizione degli ugelli né vengono
specificati gli angoli di immissione dei getti. La
scelta effettuata per l''esecuzione della simulazione è stata fatta sulla base di studi ARIA SECONDARIA SA2 ARIA SECONDARIA SA1 USCITA GAS ARIA PRIMARIA Figura 4.1 Schema Inceneritore
CAPITOLO QUARTO RISULTATI
- 43 - precedenti dello stesso gruppo di ricerca [8] che identificava nell''assetto di ugelli
mostrato in Figura 4.2 quello che meglio favorisce il mescolamento dei gas e quindi la
combustione. Figura 4.2 Assetto degli Ugelli di Immissione di Aria Secondaria Gli ugelli, del diametro di 0.06 m, sono disposti alla distanza di 0.74 m Nel Caso 1 è stato previsto un tempo di residenza del letto all''interno della camera di combustione di 100 minuti corrispondente ad un''altezza del letto di 68 cm.
Nel Caso 2 l''altezza del letto è stata ridotta a metà cosicché, per mantenere costante la
portata di rifiuto trattata, la velocità della griglia è stata raddoppiata e quindi il tempo
di residenza dimezzato a 50 minuti. Composizione Rifiuto: 45% Umidità 45% Combustibile 10% Ceneri Composizione Volatili: C 1 H 1.76 O 0.58 Potere Calorifico Inferiore: 1790 Kcal/Kg Dimensioni particelle 30 mm Altezza del letto: Caso 1: 68 cm Caso 2: 34 cm Densità in massa: 400 Kg/m3 Frazione di vuoto: 0.54 Tempo di residenza: Caso 1: 100 minuti Caso 2: 50 minuti Aria di combustione: Eccesso d''aria: % Aria Primaria:
% Aria Secondaria:
Temperatura: 80% 70%
30%
300 K Caratteristiche inceneritore: Capacità:
Dimensioni: Dimensioni griglia: 150 T/giorno
Altezza: 22.3 m Larghezza: 12.4 m Profondità: 4.0 m Larghezza: 12 m Profondità: 3.2 m Tabella 4.1 Riepilogo delle Condizioni di Test
CAPITOLO QUARTO RISULTATI
- 44 - Le caratteristiche del rifiuto sono riassunte nelle seguenti tabelle: ANALISI IMMEDIATA [w%] Carbonio fisso Volatili Umidità Ceneri 5.88 39.12 45 10 ANALISI ELEMENTARE [w%DAF] C H O Altro 52 8 40 - Tabella 4.2 Analisi Immediata ed Elementare del Rifiuto Le proprietà fisiche dei componenti il rifiuto sono quelle adottate da Ryu [27]: Calore specifico '' = = 4 1 i P i P c Y c CALORE SPECIFICO A PRESSIONE COSTANTE [J/Kg K] Volatili Char Umidità Ceneri 2400 2400 4187 800 Tabella 4.3 Calori Specifici dei Componenti la Fase Solida Densità '' = = 4 1 1 i i i Y ρ ρ : DENSIT' [Kg/m3] Volatili Char Umidità Ceneri 1200 2300 1000 2500 Tabella 4.4 Densità dei Componenti la Fase Solida Dove la densità della parte combustibile è stata calcolata mediante la: 1 32 0384 0 14 0669 0 16 00346 0 1 00577 0 12 0053 0 '' '' ' '' '' ' '' + + + + = S N O H C comb . . . . . ρ [4.1] Conducibilità termica '' = = 4 1 1 i i i k Y k : CONDUCIBILIT' TERMICA [W/m K] Volatili Char Umidità Ceneri 0.3 2.7 1.0 0.6 Tabella 4.5 Conducibilità Termica dei Componenti la Fase Solida Dove la conducibilità termica della parte combustibile è stata calcolata mediante la:
CAPITOLO QUARTO RISULTATI
- 45 - 5 0 5 3 4511 . . T k comb '' ' '' '' ' '' = ρ [4.2] Per il gas sono state utilizzate le seguenti proprietà fisiche: CALORE SPECIFICO A PRESSIONE COSTANTE [J/Kg K] N2 O2 H2O H2 CO CO2 980 + 0.2T 854.7 + 0.2178T 1666 + 0.622T 14000 1100 708 + 0.4789T Tabella 4.6 Calori Specifici dei Componenti la Fase Gassosa 4.2 Modello Numerico La simulazione della combustione del letto di rifiuto è stata effettuata suddividendo il letto in 100 volumi di controllo utilizzando un time-step di 1 secondo.
I risultati ottenuti, opportunamente formattati in un file di testo, sono stati inseriti in
FLUENT come condizioni al contorno. Così come indicato nell''articolo a cui si fa riferimento, la simulazione 3D con FLUENT è stata effettuata solo su metà volume della camera di combustione. Per la
turbolenza è stato utilizzato il modello k-ε (RNG). Per l''irraggiamento il Metodo delle
Ordinate Discrete includendo l''assorbimento di CO2 e H2O e calcolando il coefficiente
di assorbimento totale mediante il modello della media pesata dei gas grigi (WSGGM).
Non sono state prese in considerazione l''influenza di fuliggine e ceneri volanti
nell''irraggiamento. Per motivi di semplicità, al fine di evitare la modifica della geometria ad ogni simulazione, il volume occupato dal letto è stato incluso all''interno della regione
gassosa. Le pareti superiori della camera di combustione primaria e le paretti della camera di combustione secondaria sono state previste a membrana raffreddata ad
acqua e ricoperte da mattoni di refrattario. La temperatura della parete reffreddata ad
acqua è stata settata ad una temperatura costante di 500 K quindi per calcolare la
temperatura in corrispondenza della parete di refrattario è stata inserita una
conducibilità termica del refrattario di 10 W/mK ed uno spessore di 6 cm. Le pareti
laterali della camera di combustione primaria sono state assunte essere adiabatiche.
L''alimentazione del rifiuto e la zona di scarico ceneri sono state trattate come pareti
CAPITOLO QUARTO RISULTATI
- 46 - alla temperatura costante di 473K. ' stato ipotizzato che l''emissività di tutte le pareti
sia 0.95. 4.3 Risultati 4.3.1 Model izzazione della combustione del letto di rifiuti La Figura 4.3 riporta gli andamenti della temperatura del solido a varie altezze del letto a mostrare come la combustione abbia inizio in corrispondenza della
superficie del letto e si ripercuote gradualmente sulle zone sottostanti. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 5 10 15 20 25 30 35 40 tempo [min] Te m p e rat u ra [ K] Cella 100
Cella 80
Cella 60
Cella 40 Figura 4.3 Temperatura del solido in funzione del tempo a varie altezze del letto In Figura 4.4 sulla curva che rappresenta l''andamento della temperatura del solido in funzione del tempo è possibile notare i fenomeni classici che avvengono
durante la combustione in ogni volume di controllo in cui è suddiviso il letto: il
combustibile inizialmente si riscalda e perde la sua umidità in due fasi: la prima, al di
sotto della temperatura di ebollizione, in cui la temperatura cresce con moderazione, e
la seconda, raggiunti i 100°C, in cui la temperatura rimane costante; completata
l''evaporazione la temperatura cresce molto più velocemente fino a raggiungere picchi
di 1500K; in questa fase si ha la pirolisi del combustibile e l''ossidazione del char.
Superato il picco di temperatura, la combustione del char rallenta poiché la cella inferiore, oramai giunta alla temperatura di ignizione, inizia la sua ossidazione e sottrae
CAPITOLO QUARTO RISULTATI
- 47 - ossigeno alla cella in esame. Quest''ultima quindi, raffreddata da meccanismi di scambio
termico per convezione e per irraggiamento, raggiunge una temperatura di equilibrio
che rimane circa costante fino a combustione ultimata. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 tempo [minuti] Te m p e ra tur a [ K] EVAPORAZIONE @ T < 373.15 K EVAPORAZIONE @ T = 373.15 K COMBUSTIONE PICCO DI TEMPERATURA RAFFREDDAMENTO Figura 4.4 Temperatura del solido in funzione del tempo: fenomeni principali In Figura 4.5 sono riportati i profili di temperatura e di concentrazione dei gas rilasciati in corrispondenza della superficie del letto. Nella zona più vicina all''ingresso
avviene l''evaporazione dell''acqua. Dopodichè, durante la pirolisi, le particelle di
solido in prossimità della superficie del letto rilasciano direttamente lo pseudo-
composto volatile CxHyOz. Man mano che la combustione procede lo pseudo-
composto volatile si decompone in CO e H2 una parte dei quali viene ulteriormente
ossidata prima ancora di lasciare il letto in CO2 e H2O. L''aumento di CO nella parte
finale della griglia si verifica quando il fronte di combustione raggiunge il fondo del
letto e progredisce rapidamente solo la combustione del char residuo. In Figura 4.6 è riportato il confronto tra I risultati ottenuti con EMC2 nei Casi 1 e 2 e quelli riportati nell''articolo di riferimento. Nei due casi i profili rimangono
pressoché identici. Nel secondo caso si nota solo un piccolo ritardo nell''inizio della
combustione dovuto all''aumento della velocità di attraversamento della fornace: per
ovviare a questo inconveniente è possibile agire sulla distribuzione di aria primaria e la
velocità della griglia ovvero riducendo la portata di aria nella prima parte della griglia
CAPITOLO QUARTO RISULTATI
- 48 - in modo tale da ridurre le perdite di calore per convezione delle particelle di solido
sulla superficie del letto. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Posizione Griglia [m] Te m p e ra tura [ K] -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tempo [minuti] fr a zio n e m o la re Temperatura Gas
H2O
CxHyOz
CO
H2
CxHyOz + CO + H2
CO2
O2 Figura 4.5 Profili di temperatura e di concentrazione del gas rilasciato della superficie del letto Figura 4.6 Confronto EMC2 '' Risultati Articolo di Riferimento 0 400 800 1200 1600 0 2 4 6 8 10 12 Posizione Griglia [m] Te m p e ra tu ra [ K] 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 20 40 60 80 100 tempo [minuti] fr az io ne m o lar e TGAS CO2 CxHyOz + CO + H2 T 0 400 800 1200 1600 0 2 4 6 8 10 12 Posizione Griglia [m] Te m p e ra tu ra [ K] 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30 40 50 tempo [minuti] fr a zi o ne m o la re TGAS CO2 CxHyOz + CO + H2 CASO 1 CASO 2
CAPITOLO QUARTO RISULTATI
- 49 - 4.3.2 Model izzazione della fase gassosa sovrastante il letto I risultati della simulazione sono riporati in Figura 4.7. La temperatura del gas raggiunge i 1550K in prossimità dell''ingresso alla camera di combustione secondaria
dove hanno luogo reazioni di combustione innescate dalla presenza di aria secondaria. Figura 4.7 Confronto Risultati CFD I prodotti della combustione incompleta provenienti dal letto rimangono pressoché invariati a causa della penuria di ossigeno e di miscelazione nella camera di
combustione primaria prima dell''iniezione diaria secondaria. Non appena i gas
combustibili vengono a contatto con il getto di aria secondaria vengono rapidamente
bruciati.





- 50 - CAPITOLO QUINTO CONCLUSIONI 5.1 CONCLUSIONI Il lavoro presentato in questa tesi può essere riassunto come segue: 1. La simulazione della combustione di rifiuti solidi in una fornace a griglia mobile è stata divisa in due zone fondamentali. La prima zona si riferisce
ai fenomeni che avvengono in fasi eterogenee (solida e gassosa) per
interazione tra il rifiuto e l''aria primaria e rappresenta, in definitiva, il
letto di rifiuti al di sopra della griglia mobile. La seconda zona
rappresenta il volume complessivo della fornace sovrastante la griglia in
cui è immessa l''aria di combustione secondaria. In questa zona
avvengono le reazioni di combustione dei prodotti sviluppatisi dal letto
di rifiuto. 2. La zona che rappresenta il letto di rifiuti sopra la griglia è stata simulata mediante un codice (EMC2), sviluppato interamente nell''ambito di
questo lavoro. Il codice EMC2 è in grado di ricevere, come inputs, la
portata, la composizione e la temperatura del rifiuto entrante, la portata
la composizione e la temperatura del gas entrante al di sotto della griglia
(aria primaria) e la velocità della griglia ovvero il tempo di permanenza
del rifiuto sulla griglia. Il codice fornisce come output, la portata, la
temperatura e la composizione del gas effluente dal letto, e la
temperatura e la composizione del rifiuto sulla griglia. I dati di output
sono formattati per essere letti direttamente, come condizioni al
contorno, dal codice di fluidodinamica computazionale FLUENT.
CAPITOLO QUINTO CONCLUSIONI
- 51 - 3. La zona che rappresenta il volume della fornace al disopra del letto di rifiuti è stata risolta mediante il codice FLUENT, che, come detto sopra,
prende come dati di input i risultati del codice EMC2. 4. Le simulazioni di test ( i ''test cases') sono state eseguite per confrontarne i risultati con alcuni lavori che rappresentano lo stato dell''arte della
materia. 5. I risulati prodotti dal metodo presentato in questo lavoro (EMC2+FLUENT) sono in ottimo accordo con quanto ottenuto da altri
gruppi di ricerca. 5.2 SVILUPPI SUCCESSIVI In questo paragrafo saranno presentate alcune considerazioni sui possibili sviluppi successivi degli strumenti elaborati in questo lavoro. La prima linea di sviluppo del codice EMC2 è sicuramente la sua validazione mediante dati sperimentali. I parametri per la validazione del codice sono molteplici e
alcuni di essi di difficile misurazione. Ad esempio, la misurazione della composizione
del gas che si sviluppa dal letto di rifiuti pone notevoli difficoltà tecnologiche. Un
parametro, invece, relativamente facile da misurare e di grande utilità è la
temperatura, il cui profilo può essere ottenuto mediante opportune termocoppie
distribuite sia in prossimità del letto di rifiuto, sia nel volume della fornace. Per aumentare la precisione e la veridicità del codice EMC2 potrebbe essere necessario sia utilizzare più composti nell''equazione di trasporto delle specie,
introducendo meccanismi cinetici più complessi ed affidabili per verificare e predire la
formazione di diverse specie inquinanti. Un successio sviluppo del codice EMC2 potrebbe essere l''introduzione della porosità interna delle particelle di fluido, in modo da considerare i fenomeni di
diffusione all''interno della fase solida. Attualmente, infatti, è considerata solo la
porosità ''esterna' del letto del rifiuto, cioè la porosità dovuta all''impaccamento delle
particelle solide sulla griglia della fornace. Infine, per rendere il tool sviluppato più vicino alla realtà, si potrebbe rilasciare l''ipotesi che tutte le particelle di rifiuto abbiano la stessa dimensione, e considerare
invece una distribuzione granulometrica complessa.
CAPITOLO QUINTO CONCLUSIONI
- 52 - Tutti questi miglioramenti non andrebbero a rivoluzionare la struttura del codice, ma solo ad aggiungere altre equazioni di bilancio che potrebbero essere risolte
mediante lo stesso schema numerico usato attualmente. Dato che ''non esistono pasti
gratis', tali miglioramenti porterebbero un aggravio dei tempi computazionali, ma,
forse, questo non sarebbe un problema, visto il costante aumento delle performance
dei calcolatori e, soprattutto, i tempi necessari, in Italia almeno, per decidere, costruire
e realizzare un inceneritore di rifiuti.





- 53 - CAPITOLO SESTO RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI [1] Fluent 6 User''s Guide, Fluent inc.
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