Il requisito T2s negli impianti di termovalorizzazione

European legislation requires that waste incineration plants are "designed, equipped, built and operated in such a way that the gas resulting from the incineration of waste is raised, after the last injection of combustion air, in a controlled and homogeneous fashion and even under the most unfavourable conditions, to a temperature of at least 850 °C for at least two seconds". This rule, hereafter called T2s requirement, aims at ensuring that the high temperatures reached in the incineration process contribute to the thermal decomposition of organo-chlorine compounds, both those possibly formed during combustion, and those originally present in the waste. The compliance with this requirement shall be verified continuously by the control systems of incinerators and, when necessary, auxiliary burners must be activated. This Thesis deals with the method to estimate the T2s temperature, i.e. the parameter used by the control systems of waste incinerators to verify the compliance with the aforementioned requirement. A general boiler model has been developed, comprising five sub-models: (i) a waste model to reproduce the effect of waste properties on the mass and energy balances of its combustion; (ii) models for the evaluation of thermodynamic and transport properties of flue gas and fly ash; (iii) a model for the steam generator that draws a connection among steam production, flue gas flowrate, waste properties and other control and exogenous variables; (iv) a lumped-parameter model describing the heat exchange in the combustion chamber; (v) a 1D model of the post-combustion zone, to determine the average temperature profiles for flue gas and boiler’s walls. Firstly, the model has been calibrated with the data of a real plant and validated with the corresponding design data. Subsequently, it has been applied both to interpret the results of in-field-measurements, and to analyse the dynamics of the T2s temperature as a function of both control and exogenous variables. Based on the insights given by the model, the final outcome of the work is the formulation of a number of possible algorithms that, with different accuracy, can be used to estimate the T2s temperature.

La normativa europea impone che gli impianti di incenerimento rifiuti siano “progettati, costruiti, attrezzati e fatti funzionare in maniera che i gas prodotti dall’incenerimento … siano portati, dopo l’ultima immissione di aria di combustione, in modo controllato e omogeneo persino nelle condizioni più sfavorevoli, a una temperatura di almeno 850 °C per almeno due secondi”. Questa norma, in seguito chiamata requisito T2s, ha l’obiettivo di far sì che le elevate temperature raggiunte nel processo d’incenerimento contribuiscano alla decomposizione termica dei composti organo-clorurati eventualmente formatisi durante la combustione o presenti originariamente nel rifiuto. La verifica del rispetto di questo requisito è effettuata in continuo dai sistemi di controllo degli impianti d’incenerimento, con la possibilità d’intervento offerta - qualora necessario - dall’azionamento dei bruciatori di sostentamento. L’oggetto di questa Tesi è lo studio del metodo di stima della temperatura T2s utilizzato dai sistemi di controllo degli inceneritori di rifiuti per verificare il rispetto dell’omonimo requisito. In quest’ottica è stato sviluppato un modello generale di caldaia articolato in cinque componenti: (i) un modello in grado di riprodurre l’effetto delle caratteristiche del rifiuto sui bilanci di massa e di energia della combustione; (ii) i modelli per la valutazione delle proprietà termodinamiche e di trasporto dei fumi di combustione e delle polveri trascinate; (iii) un modello del generatore di vapore in grado di legare la produzione di vapore alla portata fumi, alle caratteristiche del rifiuto e ad altre variabili di controllo ed esogene; (iv) un modello a parametri concentrati per descrivere lo scambio termico in camera di combustione; (v) un modello 1D della zona di post-combustione, in grado di determinare i profili medi di temperatura dei fumi e delle pareti. Il modello è stato calibrato con i dati di un impianto reale, validato con i relativi dati di progetto e, successivamente, è stato utilizzato sia per interpretare i risultati di misure effettuate in campo, sia per determinare la dinamica della temperatura T2s in funzione di variabili sia di controllo, sia esogene. Il risultato finale del lavoro consiste nella formulazione di diversi, possibili algoritmi di stima della temperatura T2s basati sul comportamento di questo parametro predetto dal modello di caldaia realizzato.