Development and testing of a tool to simulate off-design operation of waste-to-energy boilers

In addition of being a fundament element of any sustainable waste management system, waste incineration in waste-to-energy (WtE) plants brings to incontestable benefits, like energy production and reduction of mass and volume of waste to be disposed of into landfills (and, mostly, possibly recovered). Thanks to these benefits and because of the need of waste management in the most economical, useful and environmentally benign way, several studies have been carried out in order to improve the performances of this type of plants. Viganò et al. (2018) investigated, by means of a commercial software, an advanced configuration of waste-to-energy plant and compared it, from a techno-economic point of view, with a plant of the same type with traditional design. They found out that part load conditions bring to serious constraints to the sizing of these plants. Moreover, the software they used had difficulties to deal with a non-conventional configuration of waste-fired boiler, so that the authors had to contact a boiler manufacturer for both sizing criteria and cost estimation. Based on this experience, this thesis has the goal of developing a new tool for the simulation of the off-design operation of waste-fired boilers. To validate it, the operations of the traditional boiler design considered by the authors (which has been called in this work “Benchmark configuration”) have been simulated with this new tool. Results of these simulations have been compared with the results reported by Viganò et al- (2018).With this new tool it has been possible to size the waste-fired boiler configurations considered through an iterative procedure which made use of the Fixed-Point Method. After the desired performances at each load condition had been reached, the final design of the boilers was defined. In addition to that, a simple model to compute the total costs of WtE boiler components has been defined, investigating also the requirements for corrosion protection, which has a significant impact on the cost of WtE boilers. The second part of this Thesis work aimed at comparing, from the economic point of view, two additional waste-fired boiler designs: the “Reference configuration” and the “Enhanced configuration”, both sized by means of the new tool. To summarized the main conclusions of the work, the developed tool has proven to be generally a good mean of reproducing waste-fired boiler performances at different load conditions. It has been used to carry out the designs of both an enhancement and a conventional waste-fired boiler, showing that the proposed enhancements bring to an economic benefit (in this case exploiting two stages of de-superheating instead of a single one).

Oltre ad essere un elemento fondamentale di ogni sistema sostenibile di gestione dei rifiuti, la termovalorizzazione di questi ultimi porta ad incontestabili benefici, come la produzione di energia e la riduzione della massa e del volume di rifiuti da smaltire in discarica (e, in gran parte, potenzialmente recuperabili). Grazie a questo e per via della necessità di una gestione dei rifiuti più economica, utile ed ecologicamente sostenibile, diversi studi sono stati effettuati per migliorare le prestazioni di questo tipo di impianti. Viganò et al. (2018) hanno svolto una ricerca, utilizzando un software commerciale, su una configurazione avanzata di un termovalorizzatore e l’hanno confrontata, dal punto di vista tecno-economico, con un impianto dello stesso tipo caratterizzato da un design tradizionale. Essi hanno dedotto che le condizioni di carico parziale comportano serie limitazioni riguardo al dimensionamento di questi impianti. Inoltre, il software che hanno utilizzato ha avuto serie difficoltà a dialogare con un impianto di termovalorizzazione dei rifiuti non convenzionale, cosicché gli autori hanno dovuto contattare un produttore di caldaie per avere informazioni riguardo ai criteri di dimensionamento e alla stima dei costi. Sulla base di questa esperienza, questa tesi ha lo scopo di sviluppare un nuovo strumento per la simulazione delle condizioni di off-design di caldaie di termovalorizzatori. Per validare questo strumento, le condizioni di funzionamento della configurazione tradizionale di caldaia oggetto dello studio dei suddetti autori (che nel presente elaborato è stata chiamata configurazione “Benchmark”), sono state simulate tramite questo nuovo mezzo. I risultati di queste ultime simulazioni sono stati confrontati coi risultati riportati da Viganò et al. (2018). Tramite questo nuovo strumento è stato possibile dimensionare le cosiddette configurazioni di caldaie considerate attraverso una procedura iterativa che ha fatto uso del Metodo del Punto Fisso. Raggiunte le prestazioni desiderate a tutte le condizioni di carico, è stato possibile definire il design delle caldaie. In aggiunta, è stato sviluppato un semplice modello per la stima dei costi totali di ciascun componente di questa tipologia di caldaia, indagando anche sulla necessità della protezione dalla corrosione, che ha un impatto significativo sul costo delle caldaie degli impianti di termovalorizzazione. La seconda parte di questo elaborato ha avuto lo scopo di confrontare, dal punto di vista economico, due ulteriori configurazioni di caldaie di termovalorizzatori : la “configurazione Reference” e la “ configurazione Enhanced”, entrambe dimensionate tramite il nuovo strumento in questione. Per ricapitolare le principali conclusioni di questo lavoro, è stato dimostrato che il nuovo strumento di calcolo sviluppato sia in generale un buon mezzo per riprodurre le prestazioni a diverse condizioni di carico delle caldaie di impianti per la termovalorizzazione dei rifiuti. Lo si è utilizzato per realizzare i design sia di una caldaia più sofisticata che di una caldaia tradizionale, mostrando che i miglioramenti proposti portano ad un beneficio economico (in questo caso impiegando due stadi di attemperamento al posto di uno).