Analisi delle emissioni

Al fine di validare i risultati numerici relativi alla combustione di gas naturale, si è effettuato un confronto con dati sperimentali disponibili relativi alle emissioni allo scarico dalla MTG; tale confronto permette anche di valutare la correttezza dei modelli di formazione delle specie inquinanti implementati con il codice di calcolo..

Le misure di emissioni sono state effettuate con un analizzatore Lancom III Metek rilevando concentrazioni di CO, CO2, O2, NO, NO2, NOx, SO2, H2S e CxHy nei gas. Le uscite analogiche sono state analizzate mediante Insight, un software di acquisizione integrato in ambiente Windows™.

Le emissioni di NOx sono state calcolate con ANSYS CFX come NO equivalente.I codici impiegano un’ equazione di trasporto aggiuntiva della concentrazione media di NO. In particolare, sono stati inclusi i meccanismi cinetici di tipo thermal e prompt NO. I

thermal NO sono stati valutati mediante il meccanismo esteso di Zeldovich [11]. La

componente prompt NO attribuita alle reazioni dell’azoto atmosferico con radicali del combustibile sul fronte di fiamma [12] sono stati modellati con in modo semplificato secondo [13].

I dati di misura si riferiscono ad otto diverse condizioni di carico della MTG: pieno carico (77.5 kWel) e carico parziale (8.3, 18.6, 28.3, 38.7, 48.2, 57.6, 67.2 kWel). Poiché lo strumento adoperato misura le emissioni della camera di combustione sui fumi secchi e per l’effettiva percentuale di O2 presente nei fumi allo scarico, anche i valori delle emissioni ricavati dalla simulazione numerica e riportati in Tabella 4. 6 sono riferiti alla percentuale di O2 effettivamente presente nei fumi nella sezione di uscita. Successivamente tutti i valori sono stati corretti al 15 % di O2 per renderli confrontabili fra loro.

Tabella 4. 6 – Valori numerici delle emissioni inquinanti all’uscita del combustore Pel [kW] ppm CO ppm NOx % O2 % CO2 ppm CO (fumi secchi) ppm NOx (fumi secchi) % O2 (fumi secchi) % CO2 (fumi secchi) 8.3 38.4 5.0 19.11 0.73 38.3 4.8 19.5 0.70 18.6 15.8 6.2 18.98 0.79 16.0 5.9 19.4 0.76 28.3 4.4 8.8 18.74 0.90 4.4 8.4 19.2 0.86 38.7 1.0 11.2 18.52 1.00 0.7 10.7 19.0 0.95 48.2 0.2 14.3 18.29 1.10 0.2 14.2 18.9 1.02 57.6 0.1 16.7 18,26 1.12 0.1 16.1 18.8 1.07 67.2 0.2 22.8 17.98 1.25 0.2 21.9 18.6 1.20 77.5 0.2 34.0 17.80 1.32 0.2 29.7 18.5 1.23

In prima analisi è stao valutato il confronto fra dati numerici e sperimentali in termini di frazioni in volume di CO2 e di O2. Il risultato migliore si ottiene per la frazione in volume di CO2 per la quale non solo si rileva un ottimo andamento dei valori al variare del carico, ma anche un’ottima corrispondenza tra i valori numerici. La buona predizione dei valori sperimentali di O2 e CO2 è indice di un buon bilanciamento termico globale della reazione di combustione e quindi del fatto che la combustione viene risolta in modo efficiente.

Figura 4. 34 Andamento della frazione in volume di CO2

Dai grafici sotto riportati si nota come i valori delle emissioni inquinanti risultanti dalla simulazione numerica riproducano il trend dei corrispondenti dati sperimentali, mostrando però sempre uno scostamento anche molto consistente tra i valori numerici, che si verifica per i carichi elevati nel caso degli NOx e per carichi ridotti nel caso del CO.

Il caso del CO, invece, si dimostra essere il meno fedele nella riproduzione dell’andamento dei dati al variare del carico, sia per andamento generale, sia nello scostamento rispetto ai valori ottenuti sperimentalmente dalle misure

Figura 4. 36 - Andamento delle emissioni di CO in ppm

Poichè lo studio della combustione nel combustore della microturbina Elliott TA 80R è stato sviluppato nell'ambito di un progetto di ricerca che coinvolge altre Università, le simulazioni numeriche sono state condotte oltre che dall'Università di Ferrara anche da altre due Unità di Ricerca delle Università di Bologna e Perugia. I codici numerici utilizzati dalle due Unità sono rispettivamente Fluent e Star CCM+. Questo ha consentito di comparare i risultati numerici ottenuti con tre diversi codici e di validare o riscontrare eventuali problemi dei modelli di formazione delle emissioni.

In generale si evidenzia in Figura 4. 37 un buon accordo tra l’andamento dei dati sperimentali e di quelli numerici. Più in dettaglio, i calcoli ottenuti in questo caso con Fluent tendono a sottostimare i dati sperimentali, con un buon accordo a pieno carico (45 ppm calcolati, 50 ppm misurati) ed errore crescente ai carichi parziali. ANSYS CFX sottostima i dati sperimentali solo nel caso di carichi molto bassi (inferiori a 38.7 kWel), mentre si ha una sovrastima a pieno carico. Le differenze che si osservano tra codici sono dovute sia ai diversi settaggi alle pareti che a piccole differenze nei coefficienti cinetici delle reazioni di formazione dell’NO implementati nei codici; gli scostamenti dei valori calcolati dai dati sperimentali si possono comunque giustificare con le incertezze nella definizione delle condizioni al contorno. In generale la previsione degli NOx può essere ritenuta accettabile, soprattutto in termini di trend ottenibile a seguito di una variazione delle condizioni operative.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Electric Power [kWel] NO [ pp mvd @15 %O 2 ] Experimental Data ANSYS CFX FLUENT

Figura 4. 37 - Andamento della frazione in volume di NO [5]

La Figura 4. 38 mostra i valori delle emissioni di CO calcolate in funzione del carico ed i corrispondenti valori sperimentali. Si osserva che le simulazioni CFD sottostimano fortemente le emissioni misurate di CO a carico parziale. A pieno carico il valore sperimentale è pari a 64.6 ppmvd (15 % O2) mentre il valore da CFD è pari a 11 ppm nel caso della simulazione condotta con Fluent, è pari a 0.5 ppm nel caso del calcolo con ANSYS CFX e pari a 1 ppm per Star CCM+. Questa discrepanza (maggiore a carichi ridotti) è probabilmente dovuta alle seguenti ragioni: i) il modello di combustione adottato con cinetica semplificata, benché permetta di simulare correttamente il rilascio di calore, non è in grado di simulare in dettaglio le specie intermedie; in particolare i meccanismi dettagliati di formazione del CO sono stati trascurati, con conseguenze sottostima delle emissioni; ii) a carico parziale gli effetti di qunching sono ulteriormente sottostimati dal calcolo CFD, probabilmente perché le condizioni al contorno impiegate in termin di rapporto di equivalenza nella zona primaria ed in termini di temperatura dell’aria all’ingresso non sono stimate esattamente; iii) il gas naturale usato negli esperimenti è stato simulato con una miscela di CH4/N2 con equivalente PCI. Tuttavia il gas è composto anche da frazioni di idrocarburi più pesanti, che possono alterare le proprietà di fiamma e potrebbero portare a valori superiori di CO allo scarico.

0 200 400 600 800 1000 1200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Electric Power [kWel] CO [p pm vd @15% O2 ] Experimental Data ANSYS CFX FLUENT STAR-CCM+

Figura 4. 38 - Andamento della frazione in volume di CO [5]