Introduzione
Introduzione
Il presente lavoro di Tesi di Laurea Specialistica si inserisce all’interno di una ricerca nata dall’esigenza di trovare, quanto più prontamente possibile, risposte innovative e sostenibili alle crescenti richieste energetiche, senza ignorare la necessità di ridurre l’impatto ambientale a seguito della loro soddisfazione.
Il concetto di sviluppo sostenibile si concentra sul migliorare la qualità della vita per tutti i cittadini senza incrementare l’uso delle risorse naturali oltre la capacità che l’ambiente ha di fornirle, e oggi si è finalmente capito che componente fondamentale della qualità della vita, oltre allo sviluppo e alla diffusione del benessere economico, è anche la qualità dell’aria e dell’ambiente in generale.
Nell’ambito energetico l’uso sempre maggiore e massiccio di combustibili fossili ha creato molti problemi sociali e ambientali.
Sviluppo energetico sostenibile a livello ambientale significa incrementare il risparmio energetico, promuovendo lo sfruttamento delle energie rinnovabili di pari passo con lo sviluppo di tecnologie di conversione più efficienti.
In questo contesto, l’interesse si è incentrato verso lo studio delle biomassa, combustibile alternativo, neutrale rispetto all’emissione di CO
2, e, confrontato con i combustibili tradizionali, a ridotta produzione di SO
2, NO
xe metalli pesanti.
Uno dei modi più efficienti di utilizzare le biomasse è quello di ricavarci un combustibile gassoso tramite il processo di gasificazione.
Le apparecchiature utilizzate per questo processo sono i letti fluidi, i quali stanno ricevendo una rinnovata attenzione, dopo la perdita d’interesse nei loro confronti negli anni ottanta a causa della loro difficoltà di funzionamento.
I letti fluidi garantiscono notevoli vantaggi, quali l’ottimo miscelamento dei reagenti, la realizzazione di una combustione a temperature più basse con conseguente riduzione delle emissioni degli NO
x, nonché la possibilità di introdurre catalizzatori nel letto stesso per facilitare le reazioni.
Il presente lavoro di Tesi è stato incentrato proprio sulla progettazione di un letto fluido circolante su scala di laboratorio per la gasificazione e la combustione delle biomasse.
Nella fase iniziale del lavoro è stato eseguito un dimensionamento di massima sul gasificatore seguendo il modello proposto da Kunii e Levenspiel.
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Quindi è stata utilizzata la fluidodinamica computazionale (CFD) per modellare il letto fluido.
La CFD, che ha avuto notevole sviluppo negli ultimi anni grazie alla crescente potenza dei computer, offre notevoli vantaggi rispetto alla sperimentazione, in quanto permette di ridurre i tempi di progettazione e di analizzare sistemi in condizioni difficili da riprodurre in laboratorio.
L’applicazione della CFD ai letti fluidi è particolarmente complessa in quanto si tratta di un problema multifase con un forte accoppiamento tra le fasi.
Nel presente lavoro la modellazione del letto fluido è stata condotta con il codice di calcolo CFX-5.7 della Ansys Inc. disponibile presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica Industriale e Scienze dei Materiali.
Oltre alla verifica delle condizioni di funzionamento del letto, le simulazioni sono servite per effettuare un’analisi critica delle potenzialità e dei limiti dei modelli implementati nei codici commerciali per la predizione di letti fluidi.
Le analisi preliminari sono state condotte sul letto a “freddo”, ossia su un letto fluido costituito solo da aria e sabbia. Inoltre per semplicità, in prima analisi il letto è stato ipotizzato essere bidimensionale.
Le simulazioni hanno permesso di dare una prima valutazione della flessibilità del gasificatore alla variazione delle dimensioni delle particelle solide e della velocità di insufflaggio del gas.
In particolar modo è stato notato come il modello multifase di CFX-5.7 applicato tal quale, è limitato nella trattazione delle interazioni tra le particelle.
Di conseguenza si è ritenuto opportuno incentrare gli sforzi al superamento di tale limite di CFX 5.7, procedendo all’implementazione di un modello più attuale che tenesse conto degli sforzi viscosi del solido (Gidaspow, 1990).
L’implementazione del modello è stata effettuata accoppiando al solutore CFX una subroutine scritta in linguaggio Fortran.
I risultati hanno evidenziato notevoli differenze tra i modelli base e implementati dando ragione all’importanza di tener adeguatamente conto delle interazioni tra le particelle di solido.
Dopo questa analisi nel dominio bidimensionale, si è ritenuto opportuno fare delle simulazioni su una griglia di calcolo tridimensionale per cercare di capire se l’ipotesi di bidimensionalità fosse troppo forte. A tal fine, dato che la geometria di riferimento richiedeva un eccessivo numero di celle e costo computazionale troppo elevato,
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