SOMMARIO
Il polverino di carbone rappresenta la maggiore fonte per la produzione di energia elettrica a livello mondiale, ne consegue dunque che siano necessari studi sperimentali e ricerche su questa materia. Il “Reparto di ricerca sistema elettrico” di ENEA ha sviluppato delle sonde (Optical Diagnostics of Combustion - ODC) per l’analisi in tempo reale dei processi combustivi e, nell’ambito di un contratto di collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali dell’Università di Pisa, ha avuto l’opportunità di testare le sonde per la combustione di polverino di carbone e biomassa. Le prove sperimentali sono state effettuate su un reattore a flusso trascinato (Isothermal Plug Flow Reactor - IPFR) situato nell’Area Sperimentale di ENEL Ricerca a Livorno e gestito dal personale della International Flame Research Foundation (IFRF). Tale reattore è caratterizzato da una velocità di riscaldamento delle particelle solide iniettate molto elevata, simile alle caldaie industriali. Le due campagne sperimentali sono state programmate per verificare la capacità delle sonde di monitorare in modo efficace la combustione di solidi, dopo che erano già state utilizzate con successo nella combustione di combustibili gassosi. In particolare sono state effettuate numerose prove sperimentali variando il combustibile (carbone/biomassa e dimensione particelle), le condizioni di alimentazione (continua o pulsata) e le condizioni operative nel reattore (temperatura e concentrazione di ossigeno nei gas caldi, combustione convenzionale o ossicombustione). Dall’analisi dei segnali rilevati dalle sonde è stata verificata la capacità delle sonde stesse di analizzare il processo di combustione di solidi in tutte le sue fasi (devolatilizzazione, ossidazione omogenea dei volatili ed eterogenea del char). Inoltre è stata valutata la variazione del segnale in seguito a modifiche delle condizioni operative del reattore, aspetto molto importante per un’eventuale futura applicazione delle sonde in sistemi di controllo di caldaie industriali. Dal post-processamento dei segnali delle prove ad alimentazione pulsata, grazie alla particolare disposizione di tre sonde laterali e una assiale, è stato possibile derivare anche informazioni quantitative sulla velocità delle particelle solide, l’ignition delay e la durata della fase di ossidazione dei volatili in diverse condizioni operative. Gli andamenti dei risultati finali sono coerenti con i pochi dati disponibili in letteratura, ad ulteriore conferma della capacità delle sonde come strumento di diagnostica della combustione. In conclusione sono stati confrontati i risultati ottenuti nelle campagne sperimentali con quelli ottenuti da un modello numerico delle stesse, tramite Fluidodinamica Computazionale (CFD), al fine di ottenere informazioni aggiuntive.
ABSTRACT
Pulverized coal is the largest source of electrical energy production in the world, so a lot of experimental studies and researches are devoted to a deeper understanding of relevant phenomena. The “Electric system research division” of ENEA developed optical probes (Optical Diagnostics of Combustion - ODC) to analyze the combustion process with high acquisition rates. ENEA had the opportunity to test such probes in the combustion of coal and biomass in the framework of a collaboration contract with the Department of Chemical Engineering and Science of Materials of the University of Pisa. Experimental tests were made using an Entrained Flow Reactor (Isothermal Plug Flow Reactor - IPFR) sited in the Experimental Area of ENEL Research in Livorno and that belongs to International Flame Research Foundation (IFRF). That reactor is characterized by a very high heating rate of solid particles injected, thus by conditions similar to real industrial boilers. Two experimental campaigns were made with the purpose to verify the capability of the probes to monitor the combustion of solids, as ODC probes were previously successfully tested only for gas combustion. A lot of experimental tests were made by varying solid fuels (coal/biomass and size distribution), feed conditions (continuous/pulsed) and operating conditions (temperature and oxygen fraction in hot gases, conventional combustion or oxy-fuel). The signal analysis showed the capability of the technique to follow the combustion process of solids in all stages (devolatilization, homogenous volatiles oxidation and heterogeneous char oxidation). Moreover the signal variation with changing operating conditions was evaluated, this aspect is very important for a possible future application of the probes in industrial boilers control’s systems. From the signal post-processing of tests with pulsed feed, it was possible to derive also quantitative informations on solid particles velocity, ignition delay and time of volatiles oxidation thanks to the particular disposition of three lateral probes and an axial one. In this case trends with operating conditions are very interesting and consistent with the few results available in literature, this is a further confirm of the capability of the probes as diagnostic technique of combustion. Finally experimental results were compared and interpreted with predictions obtained from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of the same tests.
