La biomassa è un’importante fonte di energia con poche emissioni inquinanti. Ci sono molti processi fisici e chimici coinvolti nella conversione termica delle biomas- se. L’industria di sistemi di combustione di biomassa small-scale si sono espansi nelle ultime decadi [12].
Le fornaci a biomassa small-scale ancora hanno generazione di alti livelli di emis- sioni di inquinanti a causa del ridotto volume e conseguentemente del basso tempo di residenza di combustione [13].
Quindi è richiesto tanto studio per poter migliorare questa tecnologia.
Tutte le opere a riguardo concordano sul fatto che vi è un’ampia gamma di azioni per migliorare le tecnologie disponibili in termini di emissioni. Ciò richiederebbe un’indagine approfondita sull’efficacia della camera di combustione e sull’ingres- so del combustibile, nonché sulle condizioni operative, comprese le caratteristiche della biomassa.
La simulazione CFD (Fluidodinamica Computazionale) può accrescere la compren- sione dei processi in sistemi nei quali è presente la combustione in quanto consente di risolvere diverse equazioni di trasporto che descrivono i fenomeni rilevanti in geometrie complesse.
Non tutti i fenomeni possono essere descritti dalla CFD nel dettaglio, ma essa dà una visione teorica del comportamento del sistema che aiuta a risolvere problemi operativi e permette la realizzazione di nuovi prototipi.
L’applicazione della CFD è impegnativa perché richiede una descrizione appro- priata delle reazioni omogenee e eterogenee, dei processi turbolenti, dei processi di trasferimento di massa e di calore (compresa la radiazione) e delle loro interazioni. Il livello di dettaglio del modello influenza fortemente la difficoltà della simula- zione; questo è importante per poter trovare l’assetto di simulazione migliore che coniughi tempi più brevi e migliore accuratezza nei risultati [14].
Recentemente sono stati proposti modelli completamente multifase. Tra questi, il modello Lagrangiano-Euleriano ha ricevuto una certa attenzione perché la sua capacità di trattare bene i fenomeni agisce sulla dimensione delle particelle. In particolare, la fase granulare della biomassa può essere risolta con il metodo degli
elementi discreti (DEM) opportunamente accoppiato con la CFD per la fase gas- sosa.
Esempi di questa strategia di modellazione sono forniti da [15] e da [16]. Tutta- via, è chiaro come un livello elevato di dettagli di modellazione richieda tempi e risorse di calcolo troppo elevati, spesso non bilanciati dagli alti livelli di incertezza che possono influenzare l’analisi (ad esempio dimensione e forma delle particelle, contenuto di umidità, sistema di alimentazione, ecc.).
Per questo motivo, gli approcci più usati in letteratura per la modellazione delle caldaie a biomassa, si basano su simulazioni CFD del freeboard monofasico reattivo turbolento. L’impatto del letto di biomassa viene preso in considerazione attra- verso condizioni al contorno (poste all’ingresso del freeboard del modello CFD, rappresentato dalla superficie superiore del letto di biomassa), che vengono soste- nute da una descrizione semplificata del letto di combustibile solido [17],[18],[19]. Questo è dovuto alla complessità di modellare l’interazione tra energia e flussi di massa (in reazioni eterogenee) tra la fase solida e la fase gas e la relazione intima tra esse e la radiazione data dallo scambio di calore [20].
Yin et al.[21] presentano un ampio campionario di strategie impiegate per model- lare sistemi di combustione di biomassa a letto fisso.
L’approccio solitamente usato è quello di separare la simulazione del letto dalla simulazione del freeboard (camera di combustione) nonostante siano fortemente accoppiati tra loro.
Letto e freeboard sono poi collegati da una superficie nella quale scambiano ener- gia e flussi di massa.
Alcuni autori rendono indipendenti le soluzioni delle due zone [22]; altri autori invece hanno sviluppato modelli di letti che catturano le variazioni nelle soluzioni del freeboard [23].
Il modello di combustione generalmente è suddiviso in due sottodomini: uno de- scrive la decomposizione termochimica del combustibile nel letto e l’altro descrive la combustione in fase gas nel freeboard.
La predizione accurata dei prodotti di devolatilizzazione in fase gas gioca un ruolo fondamentale anche nella simulazione successiva visto che i gas in uscita dal letto sono condizioni al contorno nella fase di combustione in fase gas.
Le metodologie usate si basano sull’assunzione che la decomposizione della bio- massa nel letto è indotta da un forte flusso radiativo generato dalla combustione omogenea in fase gas nella camera di combustione. Questi gas sono prodotti dalla conversione della biomassa.
Il sottodominio del freeboard usa le caratteristiche di turbolenza, combustibile e specie ossidanti, e lo schema chimico per modellare il processo di combustione [24]. Conseguentemente, le previsioni su temperatura ed emissioni dipendono fortemen- te dal grado di semplificazione imposto nel modello a monte.
Per predire la formazione delle specie gas dal letto si sono usati, in letteratura, diversi approcci di modellazione del letto: zero o uno dimensionali o anche multi- dimensionali.
Il primo tipo di questo approccio è molto semplice e consiste nell’usare dati spe- rimentali per definire le condizioni al contorno (Scharler et al. [25]). Tuttavia questo modello richiede dati sperimentali al di sopra del letto della biomassa, che a volte possono essere difficili da ottenere con accuratezza spaziale e temporale. Il secondo approccio consiste nello sviluppo di un modello semplificato del letto di biomassa che viene utilizzato per dare le condizioni al contorno per il modello del freeboard CFD. Ad esempio, il letto della biomassa può essere visto come uno o una serie di reattori CSTR perfettamente agganciati tra loro, in cui i bilanci di massa e di energia sono risolti con le conversioni prescritte di tutti i processi che avvengono (evaporazione, devolatilizzazione, ossidazione del char). Ciò può porta- re a condizioni al contorno uniformi (nel caso di un singolo reattore) o a condizioni al contorno variabili (nel caso di una serie di reattori) [26],[27], costituite dalle specie chimiche, dalla portata e dalla concentrazione così come dalla temperatura. La complessa decomposizione termica non può essere simulata nel dettaglio e il grado di semplificazione è inversamente proporzionale all’accuratezza nei risultati e nel tempo di calcolo.
Per descrivere la combustione in fase gas nel freeboard viene usato solitamente l’approccio a tre dimensioni allo stazionario (modelli transitori sono usati occasio- nalmente).
Quindi solitamente si usano modelli EDM (Eddy Dissipation Model), EDC (Eddy Dissipation Concept) e FR/EDM (Finite Rate / Eddy Dissipation Model) [28].
3
Campagna sperimentale
3.1
Caso studio
La parte sperimentale di questa tesi è stata svolta presso il CRIBE (Centro di Ricerca Interuniversitario sulle Biomasse ed Energia) situato a San Piero a Grado (PI). Esso è stato inaugurato nel 2010 dal preesistente Centro Interdipartimentale di Ricerche Agro-Ambientali “E.Avanzi” dell’Università di Pisa. Nasce dalla col- laborazione della Fondazione Cassa di Risparmio di Pisa, dell’Università di Pisa e della Scuola Superiore di Studi e Perfezionamento Sant’Anna. In questo centro si svolgono tutte le attività necessarie alla ricerca applicata alla produzione so- stenibile di biomasse agroforestali, alla loro trasformazione in energia termica ed elettrica e alla produzione di biocarburanti.
Tutto ciò avviene grazie a diversi impianti pilota che evidenziano come sia possibile creare una stretta connessione tra l’attività di ricerca e quella produttiva.
Nel CRIBE sono presenti i seguenti impianti pilota: impianto di produzione di bio- olio/biodiesel, un gassificatore a biomassa ligneo/cellulosica, una caldaia a cippato, una sala prove per motori a combustione interna a bioolio/biodiesel, un digestore anaerobico e un impianto di produzione di etanolo da biomassa ligneo/cellulosica. In questo lavoro di tesi si descrive primariamente l’impianto sperimentale di com- bustione della biomassa per poi focalizzare l’attenzione sulla caldaia a biomassa.