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Negli ultimi anni, il consumo mondiale di energia ha evidenziato una crescita continua e significativa (incremento annuo del 2-3%), non solo nei paesi industrializzati ma anche in quelli in via di sviluppo, a causa del rapido processo di industrializzazione e del miglioramento complessivo delle condizioni di vita. L’aumento del fabbisogno energetico, soddisfatto in larga misura dalla combustione dei combustibili fossili, ha determinato un incremento delle emissioni di anidride carbonica e ossidi di azoto in atmosfera. D’altra parte, l’attenzione sempre maggiore rivolta alla qualità dell’aria, intesa come fondamentale componente della qualità della vita, ha spinto la ricerca verso lo sviluppo di sistemi di combustione efficienti e sostenibili, in grado di ottimizzare i consumi di fonti energetiche non rinnovabili e di assicurare, allo stesso tempo, una protezione dell’ambiente a lungo termine e su scala globale. Ciò ha determinato un profondo cambiamento nel ruolo della tecnologia, chiamata ad operare non solo a valle del processo produttivo, con i sistemi di depurazione, ma in tutte le fasi del ciclo stesso, al fine di prevenire la formazione di sostanze inquinanti. È evidente come un approccio di questo tipo richieda uno sforzo significativo, volto a chiarire i meccanismi di formazione delle sostanze inquinanti e le interazioni tra cinetica chimica, turbolenza e scambio termico.
Gli ossidi di azoto (NOx) sono considerati tra i maggiori inquinanti atmosferici. Essi contribuiscono, infatti, ad originare lo “smog fotochimico”, nebbie e piogge acide. Inoltre, per quanto riguarda gli effetti accertati sull’uomo, gli NOx sono gas irritanti per l’apparato respiratorio e per gli occhi e, in caso di lunghe esposizioni, possono favorire l’enfisema polmonare e ridurre la resistenza alle infezioni batteriche. Nel corso degli ultimi anni, sono stati registrati grandi progressi nello sviluppo di sistemi di combustione in grado di limitare le emissioni di NOx, che sono generati anche nell’ossidazione di combustibili puliti come gas naturale e idrogeno a seguito della reazione ad alta temperatura tra l’azoto presente nell’aria comburente e l’ossigeno. L’impiego delle marmitte catalitiche è ormai obbligatorio in molti paesi e numerose aziende produttrici di sistemi di combustione hanno sviluppato bruciatori a bassa emissione di azoto (low-NOx burner e ultra-low-NOx burner).
Un altro aspetto centrale nel campo della ricerca sulla combustione è costituito dal miglioramento delle prestazioni energetiche. Questo obiettivo viene generalmente ottenuto con sistemi rigenerativi, che permettono di recuperare l’energia contenuta nei gas esausti, realizzando un preriscaldamento dell’aria comburente. Tuttavia, ciò determina un innalzamento dei livelli di temperatura nel sistema e favorisce, pertanto, la formazione dell’ossido di azoto con il meccanismo termico.
L’impegno profuso al fine di superare la contraddizione tra risparmio energetico ed emissioni di NO ha permesso di sviluppare una tecnologia di combustione innovativa, nota come ossidazione flameless, applicabile a sistemi operanti con elevati ricircoli di gas esausti e temperature superiori a quella di auto-ignizione del combustibile.
Il presente lavoro di Tesi di Laurea Specialistica ha riguardato la modellazione CFD di un bruciatore pilota installato presso l’Area Sperimentale Enel-Ricerca di Livorno, in grado di operare sia in regime di combustione con fiamma stabilizzata al bruciatore (flame) che in modalità di combustione flameless. La simulazione numerica del bruciatore è stata realizzata utilizzando il codice di calcolo commerciale CFX-5.7, di recente acquisizione presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica Industriale e Scienza dei Materiali dell’Università di Pisa.
Per valutare le prestazioni del codice di calcolo nella modellazione di problemi di combustione ed accertare l’influenza dei parametri gestibili sulle soluzioni, è stata effettuata, in fase preliminare, una procedura di validazione del codice stesso, attraverso il confronto con dati sperimentali disponibili in letteratura. Non è stato possibile, infatti, disporre di misurazioni relative al flusso interno al bruciatore flameless, dal momento che il combustore pilota è equipaggiato esclusivamente con una strumentazione esterna, per la valutazione della temperatura esterna dei tubi e della concentrazione di NO e O2 nei fumi.
Si è deciso, pertanto, di testare le potenzialità del codice CFX-5.7 nella simulazione numerica di un bruciatore bluff-body, caratterizzato sperimentalmente presso i laboratori della Sidney University e del Sandia National Laboratories. La modellazione di questo sistema è piuttosto complessa dal momento che la fiamma, generata dalla combustione di una miscela metano-idrogeno, è non confinata e parzialmente distaccata (50% blow-off). Le misure sperimentali, realizzate nei due laboratori con tecniche ottiche non intrusive, sono state confrontate con i risultati delle simulazioni numeriche condotte con due differenti modelli di turbolenza. Ciò ha permesso di confermare che il modello k-ε standard tende a sovrastimare lo spread di getti circolari, mentre un miglior accordo con i dati sperimentali può essere ottenuto variando da 1.44 a 1.6 la costante Cε1, che compare nell’equazione di trasporto della dissipazione ε. Inoltre, il modello di combustione Eddy Dissipation e gli schemi cinetici globali, impiegati per modellare la formazione dell’ossido nitrico con i meccanismi termico e prompt, si sono rivelati sufficientemente accurati per descrivere la distribuzione delle temperature e delle concentrazioni di NO all’interno del sistema.
Dopo aver realizzato la messa a punto del codice di calcolo, si è passati alla modellazione numerica della combustione senza fiamma. L’analisi dei risultati ha evidenziato che l’ossidazione flameless è essenzialmente legata alla ricircolazione dei gas di combustione caldi nella zona di reazione e al loro miscelamento con l’alimentazione fresca, necessario a portare la temperatura dei reagenti al di sopra di quella di auto-ignizione del combustibile. La struttura del campo di moto all’interno del bruciatore ha confermato, inoltre, che il ricircolo dei fumi esausti è ottenuto grazie alla particolare struttura interna del bruciatore e all’azione di trascinamento esercitata dal getto di aria entrante ad aria velocità sui gas esausti.
L’analisi delle caratteristiche del flusso reagente, al variare del rapporto di ricircolo dei gas, ha permesso di confermare che, in regime di combustione flameless, la zona di reazione non è limitata alla sola regione del fronte di fiamma ma si estende a gran parte del volume disponibile nel bruciatore. Il sistema evolve verso condizioni tipiche di un reattore perfettamente miscelato (well stirred reactor) e i tempi caratteristici della cinetica e della turbolenza risultano confrontabili.
Il confronto tra i risultati ottenuti con i due combustibili impiegati ha evidenziato che il valore minimo del rapporto di ricircolo richiesto per operare in modalità di combustione mild passa dal 200%, nel caso del metano, al 230%, nel caso delle miscele metano-idrogeno. Questa differenza può essere attribuita alla maggiore reattività chimica dell’idrogeno che rende significativo, fino a valori più elevati del rapporto di ricircolo, l’effetto dell’incremento della turbolenza del sistema (conseguente all’aumento del grado di ricircolo) sulla velocità globale del processo di combustione. La transizione dal regime di combustione convenzionale a quello flameless è accompagnata da un drastico abbattimento delle emissioni di NO, che vengono ridotte di circa due ordini di grandezza, passando da valori tipici dei sistemi di combustione convenzionali (500 ppm) a valori inferiori ai 10 ppm. Si tratta di una conclusione molto importante, che conferma le straordinarie potenzialità di questa tecnologia di combustione in termini di riduzione delle emissioni inquinanti.
Oltre a valutare l’influenza delle condizioni operative sul regime di combustione nel bruciatore, è stata presa in esame la dipendenza delle soluzioni dai modelli fisici adottati (modello di turbolenza, modello di radiazione, modello cinetico).
Analogamente a quanto osservato per il bruciatore bluff-body, la variazione della costante Cε1 del modello di turbolenza k-ε dal valore standard di 1.44 a 1.6 determina un incremento significativo della velocità del fluido in prossimità dell’asse e un’intensificazione dell’azione di trascinamento esercitata dal flusso d’aria in ingresso sui gas esausti. L’alterazione della struttura del campo di moto influenza anche il processo di combustione, dal momento che il minore rilassamento del getto d’aria determina uno spostamento del punto d’ignizione della miscela più a valle lungo l’asse del bruciatore rispetto a quanto indicato dal modello k-ε standard.
Lo studio della radiazione è stato affrontato con particolare dettaglio, dal momento che in letteratura non sono presenti, per nostra conoscenza, studi esaustivi sull’argomento, pur essendo l’irraggiamento fondamentale nel funzionamento dei bruciatori flameless industriali. Tale analisi ha permesso di evidenziare che il modello spettrale (per il calcolo delle proprietà radiative) Gray determina una sovrastima del calore perso per irraggiamento dalla zona di combustione. La differenza tra i modelli Gray e WSSG si riduce, tuttavia, all’aumentare del ricircolo, ad indicare che l’evoluzione del sistema verso condizioni perfettamente miscelate favorisce una distribuzione più uniforme delle specie emittenti nel sistema. È possibile concludere, pertanto, che in regime di combustione flameless (elevati ricircoli di gas esausti) è possibile fare riferimento ad un modello a gas grigio e considerare, pertanto, proprietà radiative costanti in tutto lo spettro delle lunghezze d’onda. L’errore commesso con tale approssimazione risulta, infatti, trascurabile mentre la riduzione del costo computazionale richiesto è significativa.
Per quanto riguarda la scelta del modello di radiazione, è stato realizzato un confronto tra un modello semplificato, P1, e il modello Monte Carlo, oneroso da un punto di vista computazionale ma in grado di fornire soluzioni molto accurate. I risultati hanno evidenziato che, in regime flameless, il modello P1 tende a sottostimare i livelli di temperatura nel bruciatore. L’entità di tale sottostima risulta, tuttavia, del tutto accettabile in applicazioni ingegneristiche, soprattutto alla luce della considerevole riduzione del costo computazionale.
Infine, non è stato possibile valutare l’influenza del modello cinetico sulle soluzioni dal momento che le simulazioni condotte con il meccanismo cinetico quasi globale sono risultate numericamente instabili e non convergenti, a causa dell’elevata complessità del calcolo. Per superare questa difficoltà potrebbe essere utile, in futuro, accoppiare il codice CFD a moduli per la riduzione in situ della cinetica chimica. Ciò permetterebbe, infatti, di considerare schemi dettagliati e di semplificare, al contempo, le complesse interazioni tra chimica e turbolenza.