CFD of pelletized dried sewage sludge incineration over a flat moving-grate

Increasing interest into sewage sludge management strategies other than agriculture uses is driving research attention toward sewage sludge mono-incineration. In this Thesis, a very first CFD model for the grate combustion of pelletized dried sewage sludge is developed. The work has been carried out within the framework of the PerFORM WATER 2030 project, funded by Regione Lombardia. The combustion of pelletized dried sewage sludge has been described by means of six reaction mechanisms (namely evaporation, devolatilisation, char conversion, methane combustion and carbon monoxide combustion). The numerical simulation has regarded the operation of an actual flat moving-grate combustor, currently (April 2019) under design. A set of thirteen governing equations regarding mass, species, energy and momentum conservation is solved within a fuel bed slice as it travels on the moving grate from inlet to outlet, according to the “walking-column” methodology. The model is based on a solid literature background but some strong simplifications are assumed due to computational limitations. Results show how ignition front propagates, how much energy is recovered and how air should be better distributed on the grate. However, efforts are still needed for improving correlation among model variables and for validating obtained results. A significant potential of improvement is therefore identified and envisaged for future work.

Il crescente interesse nelle strategie di gestione dei fanghi di depurazione diverse dall’uso agricolo sta indirizzando l'attenzione della ricerca verso il mono-incenerimento. In questa Tesi è stato sviluppato un primo modello CFD per la combustione su griglia di fanghi essiccati di depurazione pellettizzati. Il lavoro è stato svolto nell'ambito del progetto PerFORM WATER 2030, finanziato dalla Regione Lombardia. La combustione dei fanghi essiccati di depurazione è stata descritta mediante sei meccanismi di reazione (in particolare evaporazione, devolatilizzazione, conversione del char, combustione del metano e combustione del monossido di carbonio). La simulazione numerica ha riguardato il funzionamento di un vero combustore a griglia mobile, attualmente (aprile 2019) in fase di progettazione. Un set di tredici equazioni relative alla conservazione di massa, specie, energia e quantità di moto è stata risolta all'interno di una fetta del letto di combustibile mentre viaggia sulla griglia mobile dall'ingresso all'uscita, in base alla metodologia del "walking-column". Il modello si basa su un solido background di litteratura, anche se alcune forti semplificazioni sono state introdotte a causa delle limitate capacità computationali a disposizione. I risultati mostrano come si propaga il fronte di combustione, quanta energia viene recuperata e come l'aria dovrebbe essere meglio distribuita lungo la griglia. Tuttavia, sono ancora necessari sforzi per migliorare la correlazione tra le variabili del modello e validare i resultati ottenuti. Pertanto, è stato identificato un significativo potenziale di miglioramento che è pospettato come lavoro futuro.