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Il presente lavoro di tesi ha per oggetto la ricombustione delle ceneri leggere generate dalla combustione di polverino di carbone in caldaie industriali nei processi di produzione di energia elettrica. L’obiettivo principale dello studio è la riduzione del contenuto di carbone incombusto presente nelle ceneri leggere mediante la loro parziale ricircolazione in caldaia. Le particelle solide sono separate dalla corrente gassosa esausta nel precipitatore elettrostatico a valle dell’economizzatore, per poi essere reintrodotte nei bruciatori insieme al polverino di carbone fresco.
L’idea è nata da alcuni studi di processo, i quali hanno evidenziato come con questa pratica sia possibile controllare il tenore di incombusti, limitando quindi il consumo di carbone e permettendo la produzione di ceneri valorizzabili commercialmente.
L’argomento della tesi è stato sviluppato attraverso l’applicazione di codici di calcolo avanzati, i quali ricreano le condizioni termofluidodinamiche e chimiche delle camere di combustione delle caldaie. Modelli sviluppati al calcolatore, denominati CFD (Computational Fluid Dynamics), sono stati sempre più utilizzati negli ultimi anni quali validi strumenti di ausilio per la gestione e i calcoli preventivi di impianti termoelettrici. Mediante l’utilizzo dei calcolatori più avanzati, riescono a simulare la fluidodinamica di camere di combustione, risolvendo per via numerica le equazioni differenziali alle derivate parziali che descrivono i bilanci di materia, di quantità di moto e di energia (equazioni di variazione di Navier-Stokes). Il maggior limite di questi codici è quello di non poter descrivere con precisione i fenomeni di produzione di inquinanti, in quanto una accurata modellazione della chimica non permetterebbe un’adeguata distribuzione delle risorse computazionali. A questo proposito, da qualche anno, dalla collaborazione tra Enel s.p.a. Produzione e Ricerca, il centro TEA del Consorzio Pisa Ricerche e il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Università di Pisa è stato sviluppato un approccio modellistico denominato Reactor Network Analysis (R.N.A.). Tale tecnica, utilizzando i risultati di un calcolo CFD, crea un network di reattori (rappresentativi delle macro-zone omogenee per temperatura e concentrazione delle specie chimiche principali), che riproduce la fluidodinamica semplificandola; le risorse computazionali a disposizione possono essere così rimodulate affiancando al modello fluidodinamico semplificato un meccanismo cinetico dettagliato. Il meccanismo cinetico utilizzato descrive il processo della combustione di circa 300 specie (radicaliche e non), con più di 3000 reazioni elementari riguardanti idrocarburi, e di 40 specie coinvolte in circa 250 reazioni interessanti l’azoto. La strategia di calcolo adottata impiega reti di reattori perfettamente miscelati che simulano sia la fase gassosa che quella solida. Quest’ultima viene descritta mediante un modello meccanicistico, elementare ma dettagliato, di evoluzione delle particelle di carbone: in pratica è possibile seguire l’evoluzione in caldaia della frazione di carbone contenuta nelle particelle solide la cui distribuzione è idealmente suddivisa in 800 classi di raggio e contenuto di carbonio.
Per permettere al modello R.N.A. di descrivere il riciclo delle ceneri è necessario simulare la caldaia in assenza di riciclo, determinare la portata di ceneri in uscita dalla sezione convettiva e, nota la frazione da ricircolare, la portata di riciclo, che va a sommarsi alle portate in ingresso di carbone (nei reattori corrispondenti ai punti dei bruciatori dove si alimenta il combustibile). Questa operazione deve essere eseguita dopo ogni ciclo di risoluzione di tutti i reattori descriventi la caldaia fino a convergenza del calcolo.
L’unica semplificazione assunta è quella di considerare che il riciclo parziale delle ceneri non faccia variare in modo sostanziale la fluidodinamica e l’efficienza globale di combustione.
Infine, sono state presentate e confrontate diverse metodologie e applicazioni tecnologiche pubblicate sulle riviste scientifiche per la beneficiation delle ceneri. Queste, in genere, hanno come scopo l’ottenimento di un prodotto a basso contenuto di incombusti idoneo all'impiego nel campo dell’ingegneria civile e di una frazione più ricca in carbonio incombusto eventualmente riciclabile in caldaia.
Queste tecniche possono essere classificate in due categorie in base al modo in cui intervengono sulla qualità delle ceneri: uno agisce modificando i processi a monte della combustione ed intervenendo a monte dei mulini, oppure variando la composizione e la distribuzione del combustibile in camera di combustione; l’altro studia i processi a valle della caldaia, occupandosi di separazione delle ceneri, vagliatura e loro riprocessamento al fine di produrre un abbattimento dei valori di carbonio incombusto.