• Drop Tube Reactor
• modello combustione char

L’interesse sociale verso i problemi ambientali e la necessità politica di sostenere ed incrementare lo sviluppo industriale ed economico hanno indirizzato la ricerca verso la maturazione di tecnologie “pulite” per la produzione di energia da fonti rinnovabili, anche al fine di individuare alternative sostenibili ai combustibili fossili, in via di esaurimento.
In questo contesto, l’attenzione si è incentrata verso lo sfruttamento di carboni poveri e di combustibili secondari, come le biomasse, finora poco sfruttati a discapito di fonti caratterizzate da maggiore contenuto energetico.
Le biomasse rappresentano, infatti, una fonte di energia rinnovabile, la cui combustione è neutrale verso la produzione di CO2 e, rispetto alla combustione del carbone, comporta una notevole riduzione nelle emissioni di SO2, NOx e metalli pesanti.
A fronte di questi vantaggi, però, questi combustibili presentano problemi di ordine economico e tecnologico, dovuti alle loro specifiche proprietà (elevata umidità, basso potere calorifico, etc.), e, ad oggi, non è ancora ottimizzato il loro sfruttamento nei bruciatori esistenti. E’ necessario, quindi, migliorare la comprensione dei complessi fenomeni cui sono soggetti questi combustibili durante i diversi stadi che contraddistinguono il processo di combustione.
Per la caratterizzazione di questi combustibili alternativi, sono stati sviluppati numerosi sistemi sperimentali su scala di laboratorio, con finalità e prestazioni diverse. In particolare, i reattori a flusso trascinato (Drop Tube Reactors) per la combustione di particelle solide di combustibile si sono imposti in questo settore, in quanto capaci di riprodurre le condizioni operative tipiche dei bruciatori industriali e di fornire dati fondamentali per l’ottimizzazione dei parametri e delle proprietà da impiegare per l’ottimizzazione dei sistemi su larga scala.
Il presente lavoro di Tesi ha riguardato lo sviluppo di un reattore a flusso trascinato per lo studio di trattamenti termici su residui e biomasse, in fase di realizzazione nel Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica Industriale e Scienza dei Materiali, presso l’Università di Pisa.
Da una analisi di letteratura sulle tipologie di Drop Tube Reactors e sulle condizioni operative impiegate per lo studio di processi diversi condotti su combustibili solidi (Gasificazione, Combustione, Valutazione delle proprietà dei combustibili industriali, etc.), è stata effettuata una prima schematizzazione del reattore e delle condizioni di lavoro previste per la nuova apparecchiatura.
Il codice CFX 5.7 è stato utilizzato per valutare l’influenza della posizione del Collector Probe all’interno del tubo di reazione, sia sulla fluidodinamica del gas, sia sulla storia termica delle particelle. Le simulazioni sono state realizzate considerando due configurazioni, con il collettore posizionato, nel primo caso, in corrispondenza della fine della zona riscaldata e, nel secondo caso, all’interno del tubo di reazione. Tale analisi ha consentito di accertare la corretta geometria dell’imbuto di ingresso al collettore e di identificare un loop di ricircolo dei gas all’interno del reattore, che influenza il percorso delle particelle solide di piccole dimensioni.
Dallo studio dei profili termici e del campo di moto per particelle inerti e reattive, si è verificata una forte dipendenza dalla dimensione iniziale delle particelle alimentate. In particolare, tramite il modello di combustione del carbone, si è verificato che, all’interno del DTR e in entrambe le configurazioni del collettore, per una temperatura del reattore pari a 1500 K, si ha ignizione per particelle di diametro inferiore a 0.2 mm.
I profili termici del gas all’interno del DTR ricavati dalle simulazioni con CFX 5.7 sono stati impiegati all’interno della modellazione numerica Single Particle.
Il modello semplificato DTRM, già validato tramite dati sperimentali sul DTR ENEL, è stato adattato ed utilizzato per la caratterizzazione del DTR UNIV, con prove condotte su particelle di combustibile tal quale, sia di tipo tradizionale (coal Kema) sia di tipo alternativo (gusci di nocciole).
Da un confronto tra prove simili realizzate sui due reattori, si osserva che, a parità di condizioni di alimentazione e di condizioni operative, si raggiunge conversione globale solo nel DTR UNIV. La maggiore lunghezza del forno e il minor effetto di dispersioni termiche fanno sì che le particelle nel DTR UNIV raggiungano la temperatura di ignizione, mentre, nel DTR ENEL, le particelle reagiscono ma non totalmente. La differenza di lunghezza comporta, inoltre, un incremento di un ordine di grandezza del tempo di residenza all’interno del DTR UNIV. Effettuando poi un confronto tra particelle di coal e particelle di biomassa si verifica che la combustione di biomassa è cineticamente più veloce, anche se meno esotermica, di quella di combustione del carbone.
Il modello DTRM è stato utilizzato, poi, per determinare una dipendenza semplificata del tempo di permanenza all’interno del reattore dalla dimensione delle particelle. Tale funzione è stata inserita nello sviluppo del modello di combustione del Char. Il modello BCCM ha evidenziato l’importanza dei meccanismi di diffusione dell’ossigeno all’interno della struttura porosa sulla conversione globale e sulla storia termica della particella. Ha permesso, quindi, di verificare la maggiore reattività di particelle di char derivato da biomassa, a parità di condizioni operative, rispetto al char da carbone.
Inoltre, il modello individua la dimensione massima della particella che nel DTR UNIV raggiunge conversione globale e che è pari a 0.18 mm per il char da carbone e a 0.24 mm per il char da biomassa. Analogamente, il modello BCCM permette di stabilire una temperatura minima del reattore al di sopra della quale particelle di 0.15 mm reagiscono totalmente all’interno del DTR. Data la maggiore reattività, si ha che tale temperatura minima è pari a 1123 K per particelle di char da biomassa, mentre per particelle di char da carbone è necessario salire oltre i 1400 K.
Una analisi di sensitività sul modello ha messo in evidenza la necessità di introdurre la dipendenza dalla conversione e dalla temperatura di alcuni parametri, come porosità e coefficiente di diffusione, la cui variazione ha effetti evidenti sulla resa del processo.
Inoltre, da prove di confronto tra la reazione di ossidazione parziale e di ossidazione totale del char, si deduce la necessità, per una descrizione più approfondita del processo reale, di introdurre, nel modello numerico, la reazione competitiva di ossidazione a CO e a CO2, al variare della temperatura e della concentrazione di ossigeno.
I risultati forniti dalla modellazione del reattore con CFD e dai modelli di combustione Single Particle hanno permesso di individuare i dispositivi per migliorare la flessibilità di utilizzo del DTR in fase di realizzazione.
In particolare, per ciò che concerne il sistema di riscaldamento, è stato acquistato un forno verticale apribile a tre zone indipendenti, con temperatura massima operativa pari a 1300 °C. Relativamente al collettore di fondo, è stato scelto di effettuare un quenching con acqua e di utilizzare un sistema telescopico con ghiera di bloccaggio per il posizionamento del dispositivo all’interno del tubo di reazione.