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

Questo lavoro si prefigge di comprendere e successivamente modellare l’evoluzione della combustione di un gas all’interno di un combustore a letto fluidizzato. A tale scopo si sono utilizzate come strumenti fondamentali le equazioni di bilancio massico e energetico per ciascuna fase, emulsionata e bollente, adattate e implementate in modo da rappresentare la variazione di concentrazione delle diverse specie chimiche presenti nelle due fasi ponendo una particolare attenzione alla realta` degli scambi sia massici che termici che avvengono tra di esse.
La formulazione e la risoluzione di queste equazioni differenziali, assieme alle equazioni sulla cinetica chimica sono state ottenute attraverso il Maple: un linguaggio matematico che offre un buon compromesso tra praticita` di calcolo e strumenti matematici offerti.

Per riuscire a modellare la cinetica chimica delle reazioni di combustione del metano si e` utilizzato un meccanismo di reazione globale, a 2 passi, ricavato da Dryer e Glassman (1975) attraverso dei dati sperimentali di un reattore a flusso turbolento. Il modello proposto del letto consiste in due PFR in parallelo per combustori a scala di laboratorio, e un PFR in parallelo con un PSR, per combustori a scala reale aventi un backmixing della fase emulsiva non trascurabile.

Lo studio dell’evoluzione della combustione rappresentata da questo modello e` stato svolto attraverso un’analisi di sensibilita` dei tre coefficienti di trasmissione termica. Questo, assieme alle esperienze riportate in diversi articoli scientifici, hanno permesso di determinare dei valori dei coefficienti di trasmissione termica e massica idonei. I risultati del modello sono stati successivamente paragonati con i dati sperimentali di alcuni esperimenti documentati dalla letteratura scientifica.

Lo scopo finale di questo studio e` di fornire un primo strumento per poter valutare l’effetto che evantuali accorgimenti su un CLFB, quali l’immissione a diverse quote di aria 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.