Sviluppo e verifica di un modello matematico per la simulazione della combustione di metano in un letto fluidizzato

secondaria e terziaria oppure un rapporto stechiometrico della miscela iniziale variabile, 
portano sull’evoluzione della combustione in modo da eseguirne un’ottimizzazione.  
L’applicazione di questo e` stato richiesto da un progetto europeo, “Efficient Industrial 
Waste-to-Energy Utilization through Fuel Preparation and Advanced BFB Combustion”, 
seguito dall’Ansaldo Ricerche, che si prefigge di progettare una tecnologia avanzata per la 
combustione di carbone assieme a rifiuti industriali, in particolare scarti di legname e 
imballaggi, in un combustore a letto fluido bollente di piccole-medie dimensioni.  Il 
modello sviluppato sulla combustione del metano riflette l’evoluzione della componente 
volatile rilasciata da un eventuale combustibile solido di interesse applicativo.  
 
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 Introduzione 1  
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1.   Introduzione 
 Lo scopo di questo studio e` di sviluppare un modello matematico che riesca a 
descrivere l’evoluzione della combustione di gas in un combustore a letto fluido in regime 
bollente.  L’utilita` di questo lavoro proposto si estende fino a diventare uno strumento 
essenziale per modellare la molto piu` complessa combustione di componenti solidi, come 
il carbone o RDF, in questi combustori.  Infatti, i componenti volatili rilasciati da questi, ed 
altri, combustibili solidi all’interno di un letto fluidizzato sono soggetti agli stessi fenomeni 
chimico-cinetici che determinano l’evoluzione della combustione di gas, quali ad esempio 
metano o propano, nello stesso letto.  Risulta quindi importante ottenere una buona 
conoscenza di tutti i meccanismi chimici e fluidodinamici che governano la combustione 
del metano premiscelato con aria in un letto fluidizzato da inerti solidi.  Per misurare 
l’affidabilita` del modello proposto, alcuni risultati ottenuti saranno paragonati con dati 
sperimentali ottenuti da diverse pubblicazioni scientifiche. 
 
1.1   Introduzione al CLF 
 Cio` che ha contribuito a rendere lo sviluppo di un combustore a letto fluido, CLF, 
un successo e` la sua capacita` di bruciare efficacemente combustibili di scarsa qualita`, 
caratteristica che assicurera` un loro maggiore utilzzo nel futuro, quando le riserve di 
combustibili pregiati saranno esaurite o il loro utilizzo non risultera` piu` efficiente dal 
punto di vista economico.   Attualmente le esigenze, sempre crescenti, di reinserire i rifiuti 
indesiderati nel ciclo produttivo dei beni di consumo, alleviando cosi` il problema del loro 
smaltimento, e di fornire energia in maniera piu` efficiente hanno concentrato un notevole 
interesse nell’utilizzo dei CLF per il recupero di energia. 
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 Introduzione al CLF   1.1 
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Un esempio pratico di questa utilita` si trova nell’ambito di un progetto europeo 
“Efficient Industrial Waste Utilization”, EIWU, che si prefigge di trovare un utilizzo 
efficiente dei rifiuti industriali per la produzione di energia attraverso la combustione in un 
letto fluido bollente.  Il progetto nasce dall’esigenza di trovare  una soluzione locale per il 
recupero di energia con un minimo impatto ambientale.  Non a caso e` stato scelto un 
combustore a letto fluido per i vantaggi elencati di seguito che ne motivano la scelta.  
Inanzi tutto, e` stato gia accennato che questo tipo di combustore opera bene con una vasta 
gamma di combustibili, tra cui anche i rifiuti industriali (soprattutto scarti di legname, e 
imballaggi) che sono economici e allo stesso tempo sufficientemente omogenei per evitare 
una eccessiva quantita` di inquinanti emessa.  Le piccole-medie dimensioni dell’impianto, 
essendo questo molto compatto, permettono di essere costruito in localita` decentrate, 
riducendo cosi` i costi di trasporto dei rifiuti.  Inoltre si possono automatizzare meglio le 
operazioni riducendo i costi del personale addetto e le interruzioni per la manutenzione 
sono ridotte in quanto le deposizioni di ceneri e` minore rispetto ai tradizionali combustori.  
Ultima, ma non meno importante, e` l’elevata efficienza dello scambio termico dovuta 
proprio dalle caratteristiche del letto che verranno discusse indettaglio in seguito.  
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 Descrizione del Funzinamento del CLF Bollente   1.2 
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1.2   Descrizione del Funzionamento del CLF Bollente 
 Il CLF ha diverse modalita` di operazione a seconda della velocita` del gas 
immesso: 
 ξ  Il letto fluido bollente 
 ξ  Il letto fluido circolante 
 ξ  Il “spouted bed” 
Il funzionamento di ciascuno di questi ha i propri svantaggi e vantaggi che determinano 
l’addattabilita` del tipo di reattore alle diverse esigenze di performance. 
 Il combustore consiste in un recipiente riempito di materiale solido granulare (il 
letto) in cui viene insufflato un flusso di gas dal basso.  Il letto e` costituito da materiale 
solido quale sabbia eventualmente con l’aggiunta di altre sostanze, come il calcare, 
reagenti con gli inquinanti che si possono produrre durante la combustione.  Per quanto 
riguarda il combustibile, anch’esso iniettato come l’aria nel fondo del reattore, e` stato gia` 
accennato che ne esistono molteplici, il piu` comune e` il carbone.   
 Dal punto di vista della dinamica, i flusso di gas immesso nel fondo del reattore 
incontra una resistenza prodotta dalle particelle solide che si dispongono in modo da 
minimizzarla.    Mentre la velocita` del flusso aumenta fino alla velocita` di 
funzionamento, anche la distanza tra le particelle aumenta espandendo cosi` il letto, finche` 
la forza d’attrito agente sulle particelle, calcolata dalla diminuzione di pressione, supera il 
valore del loro peso.  In quest’istante la velocita` del gas viene chiamata velocita` minima 
di fluidizzazione, e il letto si dice “fluidizzato”. 
 Se poi lasciamo che la velocita` del gas immesso superi la velocita` di minima 
fluidizzazione, Umf, inizieranno a formarsi delle cavita`, o bolle, contenenti poche 
particelle solide.  Si formano cosi` due fasi, una fase emulsiva di particelle solide 
mescolate con il gas a velocita` minima di fluidizzazione, e una fase bollente, cioe`  
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 Descrizione del Funzinamento del CLF Bollente   1.2 
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formata da bolle di gas che salgono, di solito a velocita` maggiore di quella di immissione 
del gas, lungo il letto fluidizzato.    
Tutto questo meccanismo viene descritto sinteticamente dall figura 1.1. 
 
 
Figura 1.1 
l
o
g
(
c
a
d
u
t
a
 
d
i
 
 
p
r
e
s
s
i
o
n
e
/
a
l
t
e
z
z
a
)
 
 
                        Umf         Uslug           Ut   log(U) 
Si vede come per velocita` di immissione, U, minori di Umf il letto e` “fisso” perche` le 
particelle rimangono ferme tranne per dei leggeri spostamenti di riordinamento in cui la 
distanza tra le particelle aumenta causando l’espansione del letto.   
Per una velocita` pari a  Umf si ha la cosiddetta fluidizzazione, in cui le particelle 
iniziano a circolare nella fase emulsiva, attribuendo al letto delle caratteristiche tipiche dei 
fluidi.  In questo range di velocita`, tra Umf e Uslug, si ha un combustore a letto fluido 
bollente, proprio perche` inizia la formazione delle bolle che ricordano l’ebollizione.  E` 
proprio grazie all’ascesa delle bolle che l’intenso mescolamento dei solidi nella fase 
emulsiva viene rafforzato, portando, di conseguenza, degli elevati coefficienti di scambio 
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 Descrizione del Funzinamento del CLF Bollente   1.2 
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termico e un’uniformita` della temperatura, entrambe caratteristiche che aumentano il 
rendimento di combustione.  
Oltre una certa velocita`, Uslug, pero` si puo` avere un funzionamento leggermente 
diverso se le bolle, crescendo di dimensioni e unendosi le une alle altre, formano un’unica 
grande cavita` che si estende fino a toccare le pareti del combustore, come raffigurato in 
figura 1.2.  Questo fenomeno, detto “slugging”, puo` accadere  piu` facilmente in 
combustori alti e stretti, ma non solo, perche` il diametro delle bolle e` direttamente 
proporzionale alla  velocita` del gas entrante.  Infatti, questo  comportamento viene  
favorito quando la velocita` del gas immesso  raggiunge Uslug.  
1.1                   07.0
B
DgUmfUslug        
 
Figura 1.2  [5] 
 Con ulteriori incrementi della velocita` oltre Uslug, l’intesita` dell’ebollizione del 
letto raggiunge un massimo per poi cambiare in uno stato turbolento piu` uniforme in cui le 
bolle non sono piu` presenti.  A questo regime operano i CLF veloci, detti anche circolanti.  
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 Descrizione del Funzinamento del CLF Bollente   1.2 
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In questo caso il letto occupa tutta l’altezza del reattore e alcune particelle  vengono perse 
per elutriazione, necessitando cosi` di essere raccolte e ricircolate nel reattore attraverso un 
ciclone. 
 La velocita` di immissione del gas e` soltanto uno dei parametri che influenzano il 
funzionamento del combustore.  La trattazione di come questi variano le caratteristiche del 
letto e` stata fatta nei capitoli che seguono. 
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 Descrizione dell’Apparato   1.3 
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1.3   Descrizione dell’Apparato 
 Il combustore, nella sua forma piu` semplice, consiste in un cilindro verticale 
suddiviso in tre parti principali:  il distributore, il letto e il freeboard.  Il distributore, posto 
nella zona piu` bassa, serve a  sorreggere il particolato in condizioni di non fluidizzazione e 
per insufflare il gas e i solidi durante il funzionamento.  Inoltre e` importante che esso crei 
una resistenza, o caduta di pressione, sufficiente a rendere il flusso di gas all’entrata nel 
letto il piu`uniforme possibile, senza pero` aumentare di troppo il costo di pompaggio. Per 
raggiungere la caduta di pressione richiesta l’aria dev’essere insufflata ad un’alta velocita` 
che pero` non deve superare i 70 metri al secondo in quanto questo porterrebbe ad un 
elevato logorio del materiale.  Alcuni distributori utilizzati per cadute di pressione modeste 
consistono in griglie o piatti perforati, mentre per  cadute maggiori vengono utilizzati degli 
strati di tegole ceramiche ad alta porosita`.   Le aperture nel distributore non devono 
superare  tre volte il diametro delle particelle del letto per evitare che vengano intasate, 
causando dei notevoli danni all’impianto. 
Sopra il distributore si trova il letto fluidizzato formato dalle due fasi: emulsiva e 
bollente.    L’altezza del letto, di solito tra i 0.3 e 15 metri, e` definita come quell’altezza in 
cui si ha una concentrazione di particolato solido pressoche` costante.  Oltre un certo 
livello, si ha la zona chiamata “freeboard” in cui la concentrazione di solidi inizia a 
diminuire con l’altezza fino a ridiventare costante al livello della Transport Disengaging 
Height ,TDH.  
Nell’interfaccia letto-freeboard di combustori funzionanti a regime bollente i solidi 
vengono lanciati in alto dall’esplosione delle bolle.  In questa situazione essi sono soggetti 
a due forze, il proprio peso e la resistenza che il flusso di gas esercita su di loro  agente 
verso l’alto.  Quindi le particelle meno dense e di dimensioni minori verranno trasportate 
via assieme al flusso di gas, rendendo necessario l’utilizzo di un separatore delle polveri di 
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 Descrizione dell’Apparato   1.3 
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solito posizionato all’uscita dal freeboard.  Come separatori si puo` usare un ciclone per 
catturare la frazione solida, o dei semplici filtri se quest’ultima non e` eccessiva. 
 Il materiale usato piu` spesso per rivestire l’interno del cilindro e` l’acciaio 
refrattario.  Il materiale refrattario isola il  metallo dalle temperature elevate e lo protegge 
dall’abrasione da parte dei solidi, specialmente nella zona situata vicino la superficie del 
letto in cui lo scoppio delle bolle porta le particelle solide ad urtare piu` violentemente 
contro  le pareti.  Se le temperature lo richiedono, puo`essere impiegato anche del mattone 
isolante, che e` piu` resistente.  Bisogna fare attenzione alla condensazione di alcuni gas 
che puo` avvenire nelle zone fredde del reattore, perche` porterebbe ad una velocita` di 
corrosione elevata.  Un’ulteriore attenzione dev’essere fatta alle fondamenta e al supporto 
della struttura del reattore in quanto anche un leggero spostamento dal lineamento dovuto a 
una possiblie vibrazione del reattore, diminuira` la durata del materiale refrattario.  
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 Produzione e Trasferimento di Calore   1.4 
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1.4   Produzione e Trasferimento di Calore     
 Nella maggior parte dei letti fluidi, la combustione viene completata dopo circa 
0.25 metri dopo il distributore.  La quantita` di calore rilasciato in questo intervallo 
d’altezza e` largamente influenzato da diversi parametri, tra i piu` importanti la quantita` 
d’aria in eccesso, e la velocita` di fluidizzazione (intesa come la velocita` del flusso di gas 
immesso).  Il primo parametro, che puo` essere monitorato misurando la concentrazione di 
ossigeno nei fumi d’uscita, e` importante perche` determina l’efficienza di combustione.  
Questa e` maggiore con il diminuire della quantita` di aria in eccesso, infatti un eccesso 
d’aria troppo elevato porta ad una maggior perdita di calore per unita` di massa del 
combustibile bruciato, mentre un difetto eccessivo porta alla formazione di CO e 
combustibile incombusto deleterio per il rendimento della combustione, e quindi anche per 
la produzione di calore.  Esiste quindi una situazione intermedia a queste estreme in cui la 
quantita` di aria in eccesso porta una perdita di calore minimo, corrispondente a 
un’efficienza di cadaia massima (cira 80 %).  La quantita` di calore rilasciato per unita` di 
tempo e` quindi direttamente proporzionale alla velocita` di fluidizzazione.   
Il grafico 1.3 e 1.4 riassumono l’influenza di questi due parametri in relazione alla 
quantita` di calore rilasciato in un CLF a una temperatura di 1123 K , pressione di 1.01 bar 
e carbone come combustibile.  Il calore prodotto dalla combustione di metano sara` 
sicuramente diverso, ma il grafico aiuta a dare un’idea qualitativa dell’influenza dell’aria 
in eccesso e velocita` di fluidizzazione sul trasferimento termico dei CLF. 
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 Produzione e Trasferimento di Calore   1.4 
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Figura 1.3  [5] 
 
 Figura 1.4  [5] 
 
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 Produzione e Trasferimento di Calore   1.4 
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 La temperatura ottimale del letto fluido e` di 1173 K.  I paramentri di 
funzionamento che si possono variare per controllare questa temperatura sono molteplici.  
Un eccesso d’aria piu` spinto riduce la temperartura, ma anche il rendimento di 
combustione come visto prima.  L’utilizzo del “water quenching”, ovvero del 
raffreddamento con acqua puo` essere efficace, ma l’intervento migliore   consiste 
nell’operare con bassi eccessi d’aria, mantenendo cosi` un rendimento di combustione 
elevato, e ovviando al problema della conseguente elevata temperatura rimuovendo una 
parte del calore prodotto direttamente dal letto, e non piu` solo sul freeboard.  Il 
movimento delle particelle del letto attorno le superfici degli scambiatori di calore e la loro 
alta area superficiale esposta spiegano l’elevata efficienza dello scambio termico di questi 
combustori rispetto alle caldaie tradizionali. 
 
 
 
 
 
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