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Influenza della composizione del combustibile
Come descritto nel cap. 2, le reazioni omogenee ed eterogenee caratterizzanti il processo di combustione, sono legate alla definizione delle frazioni massiche di volatili e char presenti nel combustibile. Tali dati sono ricavati, generalmente, dalla proximate
analysis e nel caso del Göttelborn coal si ha: fvol =37.4%, fchar =54.3%, fash =8.3%.
La frazione di volatili rilasciata dal combustibile, è però fortemente influenzata dal processo di pirolisi ed in particolare dai tempi caratteristici di riscaldamento delle particelle. In ingresso alla camera di combustione, queste ultime, sono soggette ad un riscaldamento rapidissimo, superiore a 104 K/s, ed in tali condizioni la frazione di volatili rilasciata dal combustibile può essere superiore a quella relativa alla proximate analysis (caratterizzata da tempi di riscaldamento dell’ordine di 1 K/s) di un fattore anche superiore ad 1.5. Nel caso del Göttelborn coal, la frazione di volatili rilasciata in condizioni di riscaldanto “severe” (>104 K/s) è pari al 60% del peso dry ash free1. Se si considera questo dato, la condizione di input al risolutore relativamente alla composizione massica del carbone deve essere: fvol =55%, fchar =36.7%, fash =8.3%. Sono stati confrontati i risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche considerando entrambe le composizioni; nel seguito si farà riferimento a:
‘c.m. 1’: per indicare: fvol =37.4%, fchar =54.3%, fash =8.3%; ‘c.m. 2’: per indicare: fvol =55%, fchar =36.7%, fash =8.3%.
In entrambi i casi i modelli utilizzati sono: modello di combustione EDM, modello di turbolenza k- SST, modello di devolatilizzazione CPD, modello di radiazione DTRM, modello spettrale WSGGM. Nelle figure seguenti sono riportati i profili di temperatura, concentrazione di CO2 e O2 e char burnout.
L’analisi dei risultati permette di fare alcune considerazioni:
i profili di temperatura alla porta AD = 0 m sono coincidenti e in buon accordo con le
misure sperimentali. Alla porta AD = 0.25 m, entrambi i modelli sovrastimano il campo di temperatura (ciò è attribuibile al modello di radiazione utilizzato che trascura
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141 l’emissività della particella) con valori più alti, seppur di poco, nel caso di ‘c.m. 2’; quest’ultimo aspetto è giustificabile considerando che in tale regione avviene la combustione dei volatili e che nel caso di ‘c.m. 2’ la frazione di volatili rilasciata dalle particelle è superiore di circa il 20% rispetto al caso di ‘c.m. 1’.
alle porte AD = 0.5 m e AD = 0.85 m, nel caso di ‘c.m. 2’ si hanno valori più bassi di
temperatura rispetto al caso di ‘c.m. 1’ e ciò è legato al diverso processo di char burnout che si determina nelle due condizioni. Come è illustrato nel grafico di figura 5.33, nel caso di ‘c.m. 2’, la reazione eterogenea di combustione del char è estremamente rapida: il contenuto di char, inferiore di circa il 20% rispetto al caso di ‘c.m. 1’, è quasi completamente ossidato nella regione di fiamma in prossimità del quarl outlet; risulta, quindi, inferiore l’apporto termico della reazione eterogenea a distanze assiali maggiori.
per quanto riguarda la concentrazione di CO2 e O2 è necessario sottolineare due aspetti: 1. come illustrato nel par. 5.2.5.1, una sovrastima del campo di temperatura nella
regione near burner, legata al modello di radiazione utilizzato (DTRM), determina una sovrastima del profilo di concentrazione della CO2 (e di conseguenza una
sottostima delle concentrazioni di O2) nelle porte di misura più lontane dalla
regione di fiamma rispetto alle misure sperimentali. Nei profili relativi al modello con ‘c.m. 2’ è evidente, invece, una tendenziale sottostima dei valori di CO2 (e una
sovrastima nella concentrazione di O2) alle porte a AD = 0.5 m e AD = 0.85 m; 2. il valore medio di concentrazione di CO2 nella sezione di uscita dalla fornace
ottenuto nel caso di modello con ‘c.m. 2’, è pari a 7.8%. Tale valore è decisamente più basso del corrispettivo valore registrato dalle misure sperimentali pari a 15.6%; ciò è dovuto ad un inferiore rilascio di CO2 nella reazione eterogenea, legato al più
basso contenuto di char nel combustibile.
Ciò porta a concludere che la ‘c.m. 2’ tende a sottostimare in maniera eccessiva il contenuto di char all’interno del combustibile. E’ pertanto più corretto riferirsi al dato relativo alla proximate analysis.
Una ultima considerazione è legata al modello CPD: tale modello descrive con elevata accuratezza il processo di devolatilizzazione, ma è incapace di predire la quantità di volatili effettivamente rilasciata dal combustibile.
Appendice C 142 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1000 2000 Temperatura [K] CO2 [% vol] AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m
Figura C.1 – Profili radiali di temperatura a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni con ‘c.m.1’ (case 3 di Tabella 4.12) e ‘c.m.2’ (case 6 di Tabella 4.12).
AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m
Figura C.2 – Profili radiali di concentrazione di CO2 a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra
Appendice C 143 0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 4.0E-06 8.0E-06 1.2E-05 1.6E-05 0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 4.0E-06 8.0E-06 1.2E-05 1.6E-05 0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 4.0E-06 8.0E-06 1.2E-05 1.6E-05 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.0E+00 4.0E-06 8.0E-06 1.2E-05 1.6E-05
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 Char burnout [kg/s] O2 [% vol] AD = 0 m AD = 0.25 m AD = 0.5 m AD = 0.85 m
Figura C.3 – Profili radiali di concentrazione di O2 a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati
sperimentali e predizioni con ‘c.m.1’ (case 3 di Tabella 4.12) e ‘c.m.2’ (case 6 di Tabella 4.12).
Figura C.4 – Profili radiali del tasso di combustione del char a diverse distanze dal bruciatore. Confronto tra dati sperimentali e predizioni con ‘c.m.1’ (case 3 di Tabella 4.12) e ‘c.m.2’ (case 6 di Tabella 4.12).
