Analisi fluidodinamica di un reattore catalitico SCR

Small-medium sized gas or biogas cogeneration plants are quite widespread in Italy. The emission limits of pollutants (CO, hydrocarbons and NOx), which are becoming increasingly stringent, now make it indispensable to install exhaust after-treatment devices on systems of this type, realized when the limits were not so low. The best technology available for the elimination of NOx in exhaust gases containing an excess of oxygen is the selective catalytic reduction (SCR). The reduced dimensions of these systems make it necessary to adopt SCR systems with particular characteristics of ease of installation, cost-effectiveness of operation and compactness. The aim of this thesis is the development and optimization of a denox reactor for small-medium sized plants, on behalf of EnviroExperts Italia Srl. Computational fluid dynamics is fundamental for the design of these systems: CFD simulations in this work was performed with the OpenFOAM opensource program. Initially the "cold" reactor was optimized, with the porousSimpleFoam solver available, then it was necessary to create a solver to simulate the behavior of an SCR reactor with injection of a solution of water and urea (UWS) by spray as a precursor for the 'ammonia. For the development of the solver it was necessary to correct a model of thermolysis found in the literature and found to be incorrect. A kinetic mechanism for the SCR, available in the company, was used to create the simpleScrSprayFoam, a solver capable of simulating the evaporation of a spray of UWS and the catalytic reactions of an SCR reactor. The solver was then validated with measurements available in the literature, regarding spray simulation. The simpleScrSprayFoam was then used for the analysis and further improvement of the COMPKAT reactor.

Le centrali di cogenerazione a gas o biogas di piccola-media taglia sono piuttosto diffuse sul territorio nazionale. I limiti di emissione di inquinanti, (CO, idrocarburi e NOx), via via sempre più stringenti, rendono ormai indispensabile l’installazione di dispositivi di post-trattamento dei gas di scarico anche su impianti di questo tipo, realizzati quando i limiti non erano così bassi. La miglior tecnologia disponibile per l’abbattimento degli NOx in gas di scarico contenenti un eccesso di ossigeno è la riduzione catalitica selettiva (SCR). Le ridotte dimensioni di questi impianti rendono necessaria l’adozione di sistemi SCR con particolari caratteristiche di facilità di installazione, economicità di operazione e compattezza. Lo scopo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo e l’ottimizzazione di un reattore denox per centrali di piccola-media taglia, per conto di EnviroExperts Italia Srl. La fluidodinamica computazionale è fondamentale per la progettazione di questi sistemi: le simulazioni CFD in questo lavoro sono state eseguite con il programma opensource OpenFOAM. Inizialmente si è ottimizzato il reattore a “freddo”, con il solver disponibile porousSimpleFoam, successivamente è stato necessario creare un solver per simulare il comportamento di un reattore SCR con iniezione di una soluzione di acqua e urea (UWS) tramite spray come precursore per l’ammoniaca. Per lo sviluppo del solver è stato necessario correggere un modello di termolisi trovato in letteratura e rivelatosi errato. Un meccanismo cinetico per l’SCR, disponibile in azienda, è stato utilizzato per la creazione del simpleScrSprayFoam, solver in grado di simulare l’evaporazione di uno spray di UWS e le reazioni catalitiche di un reattore SCR. Il solver è poi stato convalidato con misure disponibili in letteratura, per quanto riguarda la simulazione dello spray. Il simpleScrSprayFoam è stato quindi utilizzato per l’analisi e l’ulteriore miglioramento del reattore COMPKAT.