I
INDICE
Introduzione ...1
Capitolo 1 – Combustione di polverino di polverino di carbone...4
1.1. Il carbone come fonte energetica...4
1.2. Il carbone...5
1.3. Combustione di polverino di carbone ...6
1.3.1. Devolatilizzazione ... 7
1.3.2. Ossidazione dei volatili ... 9
1.3.3. Ossidazione del char... 9
1.3.4. La formazione di inquinanti ... 11
Capitolo 2 – Fluidodinamica computazionale per sistemi reattivi multifase...13
2.1. Introduzione ...13
2.2. Modellazione multifase...14
2.2.1. Modellazione della combustione di polverino di carbone con approccio Euleriano-Lagrangiano ... 15
2.2.1.1. Descrizione della fase continua ... 15
2.2.1.1.1. Modelli di turbolenza ... 19
2.2.1.1.2. Modelli di combustione ... 22
2.2.1.1.3. Modelli di radiazione e spettrali ... 24
2.2.1.2. Descrizione della fase dispersa ... 26
2.2.1.2.1. Equazione del moto della particella... 27
2.2.1.2.2. Scambio termico della particella ... 28
2.2.1.2.3. Modelli di devolatilizzazione ... 29
2.2.1.2.4. Modelli di ossidazione del char ... 32
2.2.1.3. Modelli di formazione degli NOx... 34
2.2.1.4. Descrizione del processo numerico... 36
Capitolo 3...38
Impianto sperimentale FoSper ...38
3.1. Introduzione ...38
3.2. Descrizione dell’impianto...40
3.2.1. Fornace FoSper ... 40
3.2.2. Bruciatore AASB (Aerodynamically Air Staged Burner) ... 42
3.2.2.1. Movable-Blocks Swirl Generator ... 44
3.2.2.1.1. Metodo teorico di calcolo del numero di swirl ... 47
II
3.3. Prove sperimentali ...53
3.3.1. Prove di Ijmuiden ... 53
3.3.2. Prove di Livorno... 55
3.3.2.1. Prove isoterme ... 56
3.3.2.2. Prove di combustione di polverino di carbone... 59
Capitolo 4 – Descrizione delle simulazioni numeriche...63
4.1. Introduzione ...63
4.2. Modello numerico per la simulazione delle prove di Ijmuiden ...65
4.2.1. Dominio e griglia di calcolo ... 65
4.2.2. Modello fisico ... 66
4.2.2.1. Modello di turbolenza ... 67
4.2.2.2. Modello di radiazione e spettrale ... 67
4.2.2.3. Modello di combustione ... 67
4.2.2.4. Modello per la fase discreta ... 67
4.2.2.4.1. Schema di reazione... 69
4.2.2.4.2. Scambio termico della particella ... 69
4.2.2.4.3. Devolatilizzazione ... 69
4.2.2.4.4. Ossidazione del char... 71
4.2.2.5. Reazioni omogenee... 71
4.2.2.6. Modello di formazione degli NOx... 73
4.2.3. Condizioni al contorno ... 73
4.3. Modello numerico per la simulazione delle prove di Livorno ...75
4.3.1. Prove isoterme... 75
4.3.1.1. Dominio e griglia di calcolo ... 75
4.3.1.2. Modello fisico ... 77
4.3.1.3. Condizioni al contorno... 78
4.3.2. Prove di combustione di polverino di carbone ... 79
4.3.2.1. Dominio e griglia di calcolo ... 79
4.3.2.2. Modello fisico ... 80
4.3.2.2.1. Schema di reazione... 81
4.3.2.3. Condizioni al contorno... 83
4.4. Schema riassuntivo delle simulazioni...85
Capitolo 5 – Risultati delle simulazioni delle prove di Ijmuiden ...86
5.1. Introduzione ...86
5.2. Campo di moto...86
5.3. Campo di temperatura ...90
III
5.4. Campo di concentrazione delle specie chimiche ...92
5.4.1. CO2... 92
5.4.2. O2... 94
5.4.3. CO ... 96
5.4.4. NO ... 98
5.5. Campo di temperatura e concentrazione delle specie chimiche all’interno del quarl (AD = -0.1 m) e alle porte AD = 1.25 m e AD = 1.95 m...100
5.6. Char burnout ...104
5.7. Temperatura e composizione dei fumi...105
5.8. Analisi di sensitività dei risultati al variare dei sub-models ...106
5.8.1. Influenza del modello di turbolenza ... 106
5.8.2. Influenza del modello di devolatilizzazione ... 109
5.8.3. Influenza del modello di radiazione ... 111
Capitolo 6 – Risultati delle simulazioni delle prove di Livorno...114
6.1. Introduzione ...114
6.2. Risultati prove isoterme ...114
6.2.1. Swirler setting SS = 10 ... 114
6.2.2. Swirler setting SS = 5 ... 119
6.2.3. Swirler setting SS = 8 ... 122
6.2.4. Analisi del numero di swirl ... 123
6.3. Risultati delle prove di combustione di polverino di carbone ...125
6.3.1. Campo di temperatura ... 125
6.3.2. Concentrazione delle specie chimiche... 127
Conclusioni...130
Bibliografia...134
Appendice A – Composizione chimica dei volatili ...136
Appendice B – Modello Peters e Weber (1997)...138
Appendice C –Influenza della composizione del combustibile...140
