STUDIO TERMO-FLUIDODINAMICO PER LA CAMERA DI COMBUSTIONE DELL IMPIANTO DI TERMOVALORIZZAZIONE I CIPRESSI

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1 Page : 1/24 UDIO TERMO-FLUIDODINAMICO PER LA CAMERA DI COMBUIONE DELL IMPIANTO DI TERMOVALORIZZAZIONE I CIPRESSI MOD 601 Rév E

2 Page : 2/24 SOMMARIO 1 INTRODUZIONE 3 2 DESCRIZIONE MODELLO 3 21 Pre-Processing4 22 Condizioni al Contorno6 3 SCOPO9 4 ANALISI DEI RISULTATI10 5 CONCLUSIONI16 MOD 601 Rév E

3 Page : 3/24 1 INTRODUZIONE L oggetto del presente lavoro è la verifica preliminare, mediante simulazione numerica, del comportamento termo-fluidodinamico nella camera di combustione dell impianto di termovalorizzazione I Cipressi Per questa fase del lavoro è stato usato un modello standard di forno a griglia, modello al quale sono stati applicati i dati di processo caratteristici dell impianto in oggetto Da quello stesso modello standard avrà origine la camera di combustione del forno Nella fase successiva, pertanto, si perfezionerà il modello per renderlo esattamente rispondente alla geometria stabilita per la camera di combustione La modellazione successiva verrà utilizzata per mettere a punto gli accorgimenti (nella geometria e nei dati di processo) di cui tener conto in sede di progettazione e di esercizio Nell analisi che segue bisogna considerare che il modello geometrico utilizzato, per quanto non sia perfettamente rispondente alla geometria definitiva, è stato testato e validato su impianti esistenti con ottimi riscontri nella pratica Per quanto detto, i risultati di questa prima simulazione forniscono indicazioni qualitative ma di notevole significato sull andamento di tutte le variabili termo-fluidodinamiche in camera di combustione (es temperatura, velocità, pressione) 2 DESCRIZIONE MODELLO Il modello utilizzato rappresenta un forno a griglia con distribuzione di aria primaria sotto e sopra alla griglia e con immissione di aria secondaria per il completamento della combustione (la stessa configurazione che verrà adottata per la camera di combustione dell impianto dei Cipressi) Il fenomeno della combustione viene tipicamente studiato (e, in particolare, nel nostro caso) in fase gassosa a partire dalla superficie superiore del letto di rifiuti Infatti la combustione di un solido eterogeneo e variabile nel tempo come è il rifiuto (anche se costituito da frazione secca selezionata da RSU) non è di facile schematizzazione ; d altro canto l assunzione di una composizione costante non darebbe risultati realistici La combustione viene schematizzata considerando la seguente reazione : C + O 2 CO 2 Che può essere scomposta in due fasi : 1) C + ½ O 2 CO 2) CO + ½ O 2 CO 2 Si assume cioè che tutta l energia immagazzinata nel combustibile venga liberata dalla reazione scritta sopra Si ipotizza che la combustione avvenga in parte all interno del letto di rifiuto e in parte al di sopra del letto stesso MOD 601 Rév E

4 Page : 4/24 All interno del letto solido il carbonio presente nel rifiuto viene ossidato in parte solo fino a CO ed in parte fino a CO 2 Al di sopra del rifiuto la combustione viene completata e tutto il CO si ossida a CO 2 21 Pre-Processing Il modello geometrico è stato costruito mediante il pre-processore Gambit Il lato sinistro della figura che segue corrisponde all ingresso dei rifiuti nel forno (parete frontale) I rifiuti bruciano muovendosi sui tre salti di griglia e le scorie cadono nel pozzo, che si trova nella parte destra della figura (parete posteriore), dove si raffreddano grazie al bagno d acqua Sfruttando la simmetria longitudinale caratteristica per questo genere di geometrie, è stato studiato metà forno Anche il campo termo-fluidodinamico, ovviamente, è simmetrico rispetto a tale piano Nel caso di applicazioni di calcolo decisamente pesanti e complesse, il dimezzamento del volume geometrico della camera di combustione permette di ridurre il volume di calcolo e quindi di comprimere in modo ragionevole i tempi necessari per far giungere alla convergenza le iterazioni necessarie per pervenire ad un profilo termo-fluodinamico rappresentativo La superficie superiore del letto di rifiuti è stata rappresentata con un piano obliquo suddiviso in 18 parti che costituiscono l ingresso dei gas di combustione nel dominio di calcolo Nella figura di seguito viene illustrata la geometria risultante: MOD 601 Rév E

5 Page : 5/24 Come detto, quello rappresentato in figura è metà forno, nel quale sono evidenziate le divisioni effettuate sulla zona di ingresso dei gas I piani denominati come int sono delle superfici poste in posizioni significative per la geometria del forno e sulle quali possono essere calcolati i valori medi per ogni variabile Nella figura è evidenziato anche il piano in corrispondenza del quale il fumo ha un tempo di residenza, dopo l ultima immissione di aria e nelle condizioni di calcolo attuali, pari a 2 secondi Tale piano è quindi piuttosto significativo per una prima valutazione dei dati di output della modellazione MOD 601 Rév E

6 Page : 6/24 22 Condizioni al Contorno Il punto del diagramma studiato nella simulazione è quello di massimo carico continuo, corrispondente a : Portata nominale di combustibile : 8800 kg/h Potere calorifico nominale : 2700 kcal/kg La portata di combustibile è stata scalata rispetto alla superficie della griglia del modello in quanto devono essere mantenuti gli stessi carichi termici superficiale e volumetrico calcolati per la griglia dell impianto I Cipressi Quindi i dati di ingresso inseriti nel modello sono : Portata di combustibile : 7640 kg/h Potere calorifico : 2700 kcal/kg È stato utilizzato anche un programma che esegue il bilancio materiale e termico in camera di combustione per verificare che l assunzione fatta desse come risultato lo stesso profilo di temperature sul piano di mezzeria Vengono riportate di seguito la portata ponderale di gas, la frazione ponderale di ogni componente della miscela gassosa e la temperatura di ingresso per ogni superficie costituente l ingresso dei gas nel dominio di calcolo (gas uscenti dal letto solido di rifiuto, aria primaria e secondaria) : MOD 601 Rév E

7 Page : 7/24 Portata ponderale (kg/s) Frazione ponderale di O 2 Frazione ponderale di CO 2 Frazione ponderale di CO Frazione ponderale di H 2 O Temperatura (K) Zona 1 0,177 0,046 0,104 0,017 0, Zona 2 0,177 0,046 0,104 0,017 0, Zona 3 0,208 0,045 0,122 0,019 0, Zona 4 0,268 0,045 0,146 0,023 0, Zona 5 0,299 0,045 0,154 0,025 0, Zona 6 0,355 0,053 0,161 0,026 0, Zona 7 0,460 0,054 0,191 0,013 0, Zona 8 0,516 0,058 0,194 0,014 0, Zona 9 0,555 0,062 0,191 0,014 0, Zona 10 0,634 0,069 0,186 0,013 0, Zona 11 0,674 0,072 0,185 0,013 0, Zona 12 0,575 0,080 0,175 0,012 0, Zona 13 0,410 0,098 0, , Zona 14 0,311 0,125 0, Zona 15 0,269 0,131 0, Zona 16 0,185 0,151 0, Zona 17 0,143 0,169 0, Zona 18 0,143 0,169 0, ^ fila aria primaria 2^ fila aria primaria 3^ fila aria primaria 1^ fila aria secondaria 2^ fila aria secondaria 3^ fila aria secondaria 0,159 0, ,159 0, ,159 0, ,718 0, ,718 0, ,234 0, MOD 601 Rév E

8 Page : 8/24 Si dà di seguito la rappresentazione grafica di questi valori per le 18 zone che rappresentano per i gas l uscita dal letto di rifiuti e l ingresso nel dominio di calcolo : 0,7 Portata totale di gas per ogni zona 2000 Temperatura per ogni zona 0, , Portata (kg/s) 0,4 0,3 0,2 Temperatura (K) , Zona Zona Frazione ponderale di CO per ogni zona Frazione ponderale di O 2 per ogni zona 0,03 Frazione ponderale CO 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 Frazione ponderale O 2 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0, Zona Zona Frazione ponderale di CO 2 per ogni zona Frazione ponderale di H 2 O per ogni zona 0,2 0,4 Frazione ponderale CO 2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 Frazione ponderale H 2O 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,02 0, Zona Zona MOD 601 Rév E

9 Page : 9/24 3 SCOPO Lo scopo di questo lavoro è di ricavare l andamento di tutte le variabili termo-fluidodinamiche all interno della camera di combustione al fine di verificare la buona qualità della combustione e il rispetto delle condizioni imposte dalla legge Per fare questo verranno analizzati : Il profilo di velocità che rende conto del grado di miscelazione e della presenza ed estensione delle zone di ricircolo, quindi più fredde e con combustione peggiore ; Il profilo di temperatura che evidenzia le zone in cui avviene la combustione e dà modo di verificare, oltre alle temperature necessarie per valutare le prestazioni del forno, il rispetto della normativa per quanto riguarda la temperatura dei fumi dopo 2 secondi dall ultima immissione di aria ; I profili di concentrazione dei componenti della miscela gassosa che danno informazioni ulteriori sul grado di miscelazione e sulle zone nelle quali avviene la combustione MOD 601 Rév E

10 Page : 10/24 4 ANALISI DEI RISULTATI Il calcolo dà come risultato il seguente profilo di temperatura sul piano di simmetria del forno : Come si vede dalla figura, la combustione è ben centrata sulla seconda griglia e, dopo il restringimento, nella camera di postcombustione il flusso risulta ben miscelato MOD 601 Rév E

11 Page : 11/24 Le temperature media calcolate a varie altezze sono riportate nella tabella seguente : Nome Superficie Temperatura media ( C) Int Int Fine postcombustione 2 secondi 875 Int Int Int Int out 633 Pressure out 592 La temperatura media corrispondente ad un tempo di residenza dei fumi di 2 secondi risulta superiore al minimo imposto dalla legge di 850 C Sul piano corrispondente ad un tempo di permanenza dei fumi pari a 2 s il profilo di temperatura è il seguente : MOD 601 Rév E

12 Page : 12/24 Il flusso dei fumi appare ben miscelato, fatta eccezione per il sottile strato adiacente alla parete dove ovviamente la temperatura risulta più bassa Il profilo delle velocità del gas sul piano di simmetria è il seguente: MOD 601 Rév E

13 Page : 13/24 Per capire se il flusso dei fumi sia ben miscelato occorre scomporre tale velocità nelle tre componenti ed osservare il profilo delle velocità lungo l asse verticale y : MOD 601 Rév E

14 Page : 14/24 È importante individuare le zone nelle quali la velocità lungo y dei fumi risulta negativa, cioè rivolta verso il basso, in quanto individuano zone di ricircolo per i fumi: Le zone in cui la velocità lungo y risulta negativa sono limitate al minimo e si trovano, come è logico aspettarsi, in corrispondenza degli spigoli MOD 601 Rév E

15 Page : 15/24 Il profilo della frazione ponderale di CO mette in evidenza la zona del forno in cui avviene la combustione e dalla figura che segue si può osservare che è tutta contenuta in camera di combustione, il CO viene praticamente ossidato tutto a CO 2 prima dell ingresso in camera di postcombustione : MOD 601 Rév E

16 Page : 16/24 5 CONCLUSIONI Il calcolo svolto dà ottimi risultati sia in termini di qualità della combustione, sia per quanto riguarda il rispetto della normativa vigente I dati di ingresso relativi all impianto I Cipressi, in questa prima fase del lavoro, sono stati scalati per poter utilizzare un modello tipico di forno a griglia, usato già per testare le prestazioni di altri impianti Nella seconda fase del lavoro verrà creato il modello geometrico rispondente alle caratteristiche fisiche del forno di termovalorizzazione I Cipressi per confermare ed affinare i risultati già ottenuti in questa prima fase MOD 601 Rév E

17 Page : 17/24 APPENDICE GRIGLIA TME VALUTAZIONE DELLE TEMPERATURE DELLE PIARE LATERALI MOD 601 Rév E

18 Page : 18/24 La superficie di griglia, costituita dai gradini fissi e mobili è chiusa lateralmente verso l esterno e verso il plenum inferiore di insufflazione aria da piastre laterali premute contro i gradini da spintori a molla regolabili Questo sistema garantisce la tenuta d aria laterale mediante il recupero delle dilatazioni Le piastre sono ricavate da fusione in acciaio martensitico 22%Cr SNC, cioè dello stesso materiale in cui sono costituiti i barrotti i quali sperimentano usure rapide e critiche solo oltre gli 800 C Le condizioni di sollecitazione meccanica delle piastre sono inferiori a quella del barrotto al quale viene applicato un carico concentrato lineare dovuto al peso proprio del barrotto immediatamente appoggiato su di esso e a quello dei barrotti precedenti Il carico è circa 0,5 kg/mm 2 distribuito sullo spigolo di appoggio di un barrotto sull altro Sulle piastre laterali si ha un carico di circa 80 kg (pari alla spinta di 2 molle, distribuito sulla superficie di contatto laterale del barrotto, di area pari a circa mm 2 ) Le condizioni di sollecitazione meccanica della piastra sono quindi decisamente inferiori Per quanto attiene alle temperature raggiunte in esercizio dalle piastre laterali in generale, la maggior parte dei costruttori prevede simili tipologie di tenuta sulla superficie laterale dei barrotti e impiego dei medesimi materiali I suddetti costruttori non prevedono circolazione di aria tra il telaio della griglia e la piastra laterale; il telaio della griglia in corrispondenza delle piastre laterali è inoltre protetto da refrattario Il raffreddamento della piastra laterale è pertanto dovuto al contatto con l aria comburente nella parte al di sotto del barrotto Nelle suddette condizioni non si rilevano usure anomale della piastra La griglia TME non prevede l isolamento con refrattario del telaio esterno in corrispondenza delle piastre in quanto come sarà spiegato nel seguito, la sollecitazione termica delle piastre non risulta dannosa per la resistenza e l usura del materiale L ingresso di polveri e rifiuto di piccola pezzatura nell intercapedine tra le piastre laterali è impedito interponendo una treccia di fibra ceramica tra piastra superiore, (sagomata ad L) e piastra inferiore, (sagomata a C) Inoltre, al momento, non è prevista circolazione forzata all interno dei fianchi della griglia Nel seguito è affrontato il calcolo della temperatura della piastra suddetta utilizzando un software che esegue simulazioni basandosi sul controllo dei volumi, che risultano essere molto precisi nella determinazione dei parametri necessari per la progettazione del gruppo forno-caldaia La parte della camera di combustione/caldaia da configurare è divisa in piccoli volumi che si collegano l uno all altro o alla parete, allo scarico ed all ingresso Per ogni volume di controllo vengono risolte le equazioni della quantità di moto, del peso e della conservazione di energia Oltre alle equazioni di moto, del peso e della conservazione dell energia, si risolvono le equazioni che descrivono la turbolenza, la combustione, il trasporto delle particelle e la radiazione Come risulta dai calcoli di progetto e dal confronto con realizzazioni similari di altri costruttori, quali la griglia EP di Kawasaki, le sollecitazioni termiche e meccaniche delle piastre laterali non sono tali da dover prevedere particolari dispositivi di raffreddamento Nel progetto della griglia Termomeccanica, i fianchi nei quali le piastre alloggiano sono direttamente a contatto con l ambiente esterno e ciò migliora le condizioni di raffreddamento Quanto sopra è stato verificato con vari strumenti analitici e se ne prevede una conferma sperimentale con la messa in esercizio della griglia TME dell impianto di Vercelli, nella quale sono state installate termocoppie sulle piastre laterali termicamente più sollecitate MOD 601 Rév E

19 Page : 19/24 La configurazione dei fianchi comporta il raggiungimento di temperature superiori ai 60 C, è necessario pertanto prevedere un adeguata protezione per il contatto accidentale dell operatore Sono stati valutati i due casi di piastra completamente esposta alla fiamma e di piastra schermata dal rifiuto È stata effettuata una modellizzazione bidimensionale della semisezione trasversale del forno La simulazione della fiamma si ottiene inserendo nel modello una superficie verticale fittizia posta longitudinalmente in asse al forno e di altezza pari all altezza di fiamma che mediamente vede la piastra laterale Nel modello bidimensionale la superficie è ovviamente ridotta ad una linea La superficie che rappresenta la fiamma ha le seguenti caratteristiche: Per i primi 60 cm dal piano griglia si considera la presenza del rifiuto per cui la temperatura è pari a quella dell aria comburente (293 K) I successivi 3 m procedendo verso l alto rappresentano la porzione di fiamma che effettivamente vede la piastra laterale Per tale superficie si considera una temperatura di 1200 C (1473 K) ed una emissività eps1 il cui valore viene specificato nel seguito Per semplicità geometrica di modellizzazione l altezza di fornace presa in considerazione è pari a quella dell ambiente esterno Pertanto esiste una porzione di superficie irraggiante, quella eccedente i 3 m che non vede la piastra laterale e quindi non deve partecipare allo scambio Per tale superficie viene posto eps1 = 0 Per quanto attiene all ambiente circostante la griglia si è considerato un vano delimitato da superfici aventi le seguenti caratteristiche : Altezza complessiva : 10 m Altezza rispetto al piano delle piastre laterali : 8 m Distanza dal fianco di griglia : 8 m (Pari allo sviluppo delle superfici che chiudono il vano inferiormente e superiormente) Emissività : 0,6 Temperatura : 293 K Velocità dell aria esterna : 0,01 m/s MOD 601 Rév E

20 Page : 20/24 La semisezione della griglia viene introdotta nel modello secondo la geometria effettiva con minime semplificazioni per quanto attiene ai dettagli Sono stati adottati in seguenti dati : Conducibilità della piastra : 16,27 W/mK Emissività della piastra lato fornace : eps1 Emissività della piastra lato esterno : 0,95 Conducibilità del fianco di griglia : 16,27 W/mK Emissività del fianco di griglia : 0,95 Spessore del refrattario : 60 cm Conducibilità del refrattario : 3,5 W/mK Emissività del refrattario : 0,6 Spessore dei barrotti : 15 mm Conducibilità dei barrotti : 16,27 W/mK Emissività dei barrotti : 0,95 L effetto di raffreddamento dell aria di combustione viene considerato limitatamente alla parte di piastra che rimane al di sotto del barrotto Le caratteristiche del flusso d aria e della zona al di sotto del barrotto sono le seguenti Temperatura aria : 293 K Velocità dell aria : 0,3 m/s Emissività delle superfici di tramoggia aria : 0,95 La condizione di piastra esposta completamente all azione radiante della fiamma è del tutto improbabile nelle condizioni di normale esercizio del forno in quanto le piastre sono normalmente protette dallo strato di rifiuto Tale condizione è stata tuttavia sviluppata per avere un termine di paragone, in questo caso per l emissività di fiamma e piastra si è scelto un valore realistico eps1 = 0,95 Si suppone che il flusso termico radiante scambiato tra piastra e fiamma sia in realtà pari al 10% del massimo possibile Questo si ottiene inserendo un valore fittizio della emissività pari a 0,17 per piastra e fiamma MOD 601 Rév E

21 Page : 21/24 I valori di temperatura superficiale ottenuti sono i seguenti : 1 caso: Piastra Nuda - Temperatura media piastra lato fornace : 954 K - Temperatura esterna telaio griglia in zona piastra : 629 K 2 caso Piastra Schermata dal rifiuto - Temperatura media piastra lato fornace : K - Temperatura esterna telaio griglia in zona piastra : 429 K Come si può osservare le temperature interne sono dell ordine delle temperature di normale esercizio dei barrotti che sono costituiti dello stesso materiale delle piastre laterali mentre le temperature esterne sono superiori ai 333 K previsti dalle norme ma non in misura tale da dover prevedere particolari isolamenti Si predisporrà pertanto una protezione meccanica che ne impedisca il contatto accidentale con l operatore MOD 601 Rév E

22 Page : 22/24 Mappa Termica Piastra Caso di Irraggiamento Pieno MOD 601 Rév E

23 Page : 23/24 Mappa Termica Piastra Caso di schermo del rifiuto MOD 601 Rév E

24 Page : 24/24 Zona di analisi del campo termico MOD 601 Rév E