CARATTERIZZAZIONE DI BRUCIATORI INDUSTRIALI A BASSO IMPATTO AMBIENTALE

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L’attenzione verso l’ambiente ed il territorio è ormai una realtà consolidata. Il contenimento delle emissioni, l’uso razionale delle risorse, la gestione sostenibile degli impianti ed il loro inserimento nel territorio rappresentano oggi una priorità. Uno dei principali obiettivi da raggiungere è l’utilizzazione di processi e tecnologie convenzionali e non, che prevengono e/o riducono l’impatto con l’ambiente-territorio. E’ sempre più richiesta l’applicazione delle migliori tecniche di esercizio che assicurino un impiego razionale ed efficiente delle risorse energetiche e delle materie prime. A tal proposito, i processi di combustione in generale sono responsabili della maggior parte delle emissioni di sostanze inquinanti in atmosfera. Dalla combustione si produce tutta una serie di macro e micro inquinanti che provengono sia dai precursori contenuti inizialmente nel combustibile, sia dai processi di ossidazione del carbonio. L’obiettivo è quindi di sviluppare dei processi che permettano di ottimizzare e migliorare la combustione tramite la sperimentazione, in modo da ridurre la produzione di effluenti gassosi inquinanti. La campagna sperimentale seguita dall’IFRF, condotta presso l’area sperimentale dell’ENEL di Livorno, ha permesso di sviluppare un’esperienza formativa tramite simulazioni sull’impianto Fosper (FOrno SPERimentale ) capace di ospitare bruciatori alimentati a gas metano, olio combustibile e carbone. Esso è costituito da una struttura di tipo modulare a sviluppo orizzontale; le dimensioni interne sono 2 x 2,023 m per una lunghezza totale di 6,38 m. Questo forno è stato usato a scopo sperimentale anche alla Fondazione di IJmuiden, sotto il nome di ‘fornace N.1’. La struttura modulare consente assemblaggi tali da garantire la più ampia flessibilità operativa. In particolare pu&ograve essere variato il tempo di residenza dei gas in camera di combustione, variandone la lunghezza. L'estrazione del calore lungo la fornace viene assicurata da tubi raffreddati ad acqua che corrono lungo le pareti interne della fornace. E' prevista sia la collocazione di sonde estraibili sui 4 lati, che l’impiego di cooling loops non estraibili. Il profilo di estrazione richiesto viene ottenuto collocando le sonde o i cooling loops a determinate distanze dal bruciatore. La conseguente raccolta dei dati, ha permesso lo studio di bruciatori su scala semi industriale, in particolare del TEA-C (Triflusso – Enel – Ansaldo). Le prove svolte con questo tipo di bruciatore, hanno la finalità di verificare la sua potenzialità in termini di riduzione della temperatura di fiamma e bassa produzione di NOx. L’attenzione è stata focalizzata soprattutto per il caso di combustione a carbone sia per verificare la stabilità del sistema, evitando fluttuazioni che causano pulsazione di fiamma, sia per fare un confronto del carico inquinante prodotto e dei valori di temperatura raggiunti rispetto alla combustione con metano. Le attività sperimentali sono state condotte a due livelli di scala: 2 MW a metano e 3 MW a carbone, utilizzando un sistema integrato di infrastrutture sperimentali, diagnostica avanzata e strumentazione all’avanguardia, per il monitoraggio e lo studio sulla formazione dei micro/macro inquinanti. Il primo passo consiste in una ricerca nell’ambito delle sperimentazioni alla Fondazione di IJmuiden con lo scopo sia di apprendere i principi di funzionamento della strumentazione usata, sia di informazione sulle modalità con cui erano state condotte tali prove. La ricerca si è focalizzata sui ‘reports’ che descrivono la sperimentazione sulla ‘Fornace N.1’, più precisamente sui tipi di bruciatori usati, sulla pianificazione dei punti di campionamento ed i risultati ottenuti. L’attenzione è stata rivolta anche alle critiche riguardo i metodi e i limiti di impiego della strumentazione. Tale campagna si è sviluppata nel seguente ordine di prove: – Prove a freddo, tramite relativa strumentazione ‘Pitot a 5 fori’, da cui sono stati estrapolati i profili di velocità a freddo all’interno della fornace. Sono state fissate tre disposizioni degli swirler nei condotti secondario e terziario, in modo da osservare i differenti campi di moto sviluppati in base alla configurazione impostata. Inoltre, tramite ricostruzioni grafiche vettoriali, è stata verificata la simmetria di distribuzione dell’aria nel TEA-C e la possibilità di disturbi nel flusso a causa di infiltrazioni d’aria provenienti dalla parete di ingresso strumentazione, provvista di portine idrauliche. E’ stata creata una griglia virtuale sulla pianta della fornace per visualizzare i punti di analisi previsti, infittitendoli nei pressi dell’ubicazione del bruciatore per estrapolare più dati caratteristici nel ‘flow field’. – Prove a caldo con metano, tramite relativa strumentazione ‘ Pirometro ad aspirazione’, da cui sono stati ricavati i profili 3D di temperatura e concentrazione all’interno della fornace. Sono state adottate tre configurazioni del bruciatore agendo sugli swirler del condotto secondario e terziario, in modo da osservare i differenti gradi di mixing ottenuti e gli effetti di quest’ultimi sulla stabilità della fiamma e la produzione di inquinanti( NOX, CO, CO2, TOC). – Prove a caldo con carbone, sono state ripetute le prove come descritto sopra per acquisire informazioni sulle prestazioni del bruciatore in termini di stabilità di fiamma e produzione di inquinanti(NOX, SOX, CO, CO2, TOC). E’ stata adottata la configurazione in grado di far rendere stabile la fiamma e di mantenere il forno in condizioni stazionarie. Tale impostazione prevede l’aria comburente completamente swirlata. Da questo punto di vista, la fornace è in fase di ottimizzazione. Da tale sperimentazione, tramite acquisizione ed elaborazione dei dati, è stato ricreato un modello tramite bilanci materiali ed energetici, facendo riferimento ai principi classici della termodinamica e cinetica chimica. In questo modo è stato simulato il comportamento della fornace, inserendo i relativi parametri di ingresso, per effettuare un riscontro tra valori teorici ottenuti tramite fogli di calcolo e valori pratici misurati in loco durante la campagna sperimentale. E’ stato ricavato inoltre il livello di prestazione del sistema d’estrazione del calore, per i diversi tipi di combustibili, in termini di flessibilità nella regolazione della temperatura nella fornace.