1 La biomassa come fonte energetica alternativa 7

Indice

I

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Simbologia 1

Introduzione 4

1 La biomassa come fonte energetica alternativa 7

1.1 Introduzione 7

1.2 Sviluppo sostenibile 8 1.3 Fonti energetiche alternative: le biomasse 9 1.4 Conversione energetica delle biomasse 11

1.4.1 Il cofiring 12 1.4.2 La combustione diretta 12 1.4.3 La gasificazione 13

1.4.4 Pirolisi 15

1.5 Stato dell’arte 17 1.6 Apparecchiature 19

1.6.1 Reattori a letto fisso 19 1.6.2 Reattore a letto fluido 20 1.6.3 Reattori a flusso trascinato 23

2 Modello di devolatilizzazione della biomassa in letto fluido 25

2.1 Introduzione 25

2.2 Devolatilizzazione di una singola particella di biomassa 27 2.3 Devolatilizzazione della biomassa in un letto fluido 29 2.3.1 Coefficiente di trasferimento di calore 29 2.3.2 Miscelazione e segregazione delle particelle di biomassa nel letto 30 2.3.3 Elutriazione delle particelle 30 2.3.4 Effetto della dimensione delle particelle di biomassa 30 2.3.5 Produzione di gas 31 2.4 Verifiche sperimentali del modello a letto fluido 32

3 Letti fluidi sperimentali 33 3.1 Letti bollenti 33

3.1.1 Letto fluido bollente del CNR di Napoli 33

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II 3.1.2 Letto fluido bollente del Royal Institute of Technology di

Stoccolma 34

3.1.3 Reattore a letto fluido bollente dell’università di Zhejiang 37 3.1.4 Gasificatore a letto fluido bollente in un impianto pilota 38 3.2 Letti circolanti 40

3.2.1 Letto fluido circolante proposto da Lurgi 40 3.2.2 Letto fluido circolante dell’università di Thessaloniki 41 3.2.3 Reattore a letto fluido circolante multistadio 43

4 I fondamenti della fluidizzazione 46 4.1 Regimi di fluidizzazione 46 4.1.1 Classificazione di Geldart 48 4.1.2 Letti fluidi bollenti 49 4.1.3 Letti fluidi turbolenti 51 4.1.4 Letti fluidi circolanti 51 4.2 Regimi di trasporto 54 4.2.1 Fenomeni di Choking 55 4.3 Modello Kunii - Levenspiel per un CFB 56

4.3.1 Letti attraversati da un flusso di solidi, ug > ut 57 4.3.2 Modello di contatto 59 4.3.3 Bilanci materiali 61 4.3.4 Prestazioni di un CFB 62

5 Modellazione CFD di sistemi multifase 66 5.1 Introduzione alla fluidodinamica computazionale 66 5.1.1 Equazioni del moto della fase continua 66 5.2 La CFD applicata alla fluidizzazione: approccio Euleriano-Euleriano

ed Euleriano-Lagrangiano 69 5.2.1 Approccio Euleriano-Euleriano 69 5.2.2 Approccio Euleriano-Lagrangiano 70 5.2.3 Confronto dei modelli Euleriano-Euleriano ed

Euleriano-Lagrangiano per CFB 72 5.3 Il modello Euleriano-Euleriano per CFB 75

5.3.1 Coefficiente di interazione Gas-Particella 75

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III

5.3.2 Coefficiente di interazione particella-particella 77

5.3.3 Stress del solido 79

5.3.3.1 Equazione esponenziale 79

5.3.3.2 Teoria cinetica del flusso granulare 82 5.4 Modello Gidaspow 85

6 Il caso di studio: il letto fluido da laboratorio 87 6.1 Introduzione 87

6.1.1 Geometria 87

6.1.2 Dominio e griglia di calcolo 89

6.1.3 Definizione dei materiali 91

6.1.4 Modello fisico 92

6.1.5 Condizioni iniziali e condizioni al contorno 95

6.2 Implementazione del modello di Gidaspow in CFX 96

6.2.1 Interazione tra il codice CFX e le subroutines in Fortran 96 6.2.2 USER GETVAR 97

6.3 Analisi dei risultati 99 6.3.1 Simulazioni con modello di Gidaspow semplificato 99 6.3.2 Simulazioni con modello di Gidaspow avanzato 105 6.3.3 Simulazioni geometria 2 111

6.3.3.1. Confronto tra le simulazioni in 2D e in 3D 111 6.3.4 Andamenti della concentrazione del solido lungo il raggio 115 6.3.5 Analisi in frequenza 123

6.3.6 Simulazione con biomassa in temperatura 129

Conclusioni 132

Bibliografia 134

Appendice A 138

Appendice B 143

Appendice C 147

Appendice D 149

Appendice E 151