Modeling and analysis of heat exchange phenomena in the design of industrial boilers in waste-to-energy power plants

Given the current global trend towards increased urbanization and the concurrent rise in municipal solid waste (MSW) production, there is a necessity for innovative solutions to address waste management and the generation of clean energy. Waste-to-energy power plants (WTEPs) have emerged as a promising approach to tackle these challenges. This thesis delves into the intricate world of heat transfer phenomena within WTEPs, with a focus on developing analytical models and computational tools to optimize plant design and performance. The study begins by analyzing the fundamental principles of heat transfer and their applicability within the industrial boiler of WTEPs. Analytical models are formulated to represent heat exchange in both the radiative and convective zones of the boiler, considering complex factors such as flue gas composition, tube geometry, and the presence of fouling agents. To validate these models, a comprehensive MATLAB code is developed and applied to real-world WTEP projects. By comparing the code's predictions with data from past projects, the accuracy and reliability of the models are assessed. The results showcase the practical utility of these models in preliminary boiler design and their potential as a foundation for Computational Fluid Dynamics (CFD) studies. In conclusion, this thesis contributes to the evolving field of waste-to-energy technology by studying the intricate heat transfer processes within these plants. By developing analytical models and computational tools, it paves the way for improved boiler design, efficiency, and environmental impact.

L’attuale tendenza globale verso l’aumento del consumo di energia primaria, il miglioramento delle condizioni di vita degli abitanti dei paesi tecnologicamente sviluppati e la sempre maggiore urbanizzazione comportano la contemporanea crescita della produzione di rifiuti solidi urbani (RSU), esiste quindi la necessità di soluzioni innovative per affrontare adeguatamente la gestione dei rifiuti e la produzione di energia a ridotto impatto ambientale. La termo-utilizzazione dei rifiuti prodotti nelle grandi aree urbane permette lo smaltimento dei rifiuti e la contemporanea produzione di energia elettrica e termica, il corretto dimensionamento dei generatori di vapore a servizio di tali impianti ne consente una gestione ottimizzata che, integrata con le strategie di riciclo dei rifiuti e con le altre tecnologie per la produzione di energia, permette di rispondere alle sfide energetiche ed ambientali poste dall’aumento della popolazione mondiale. Il presente lavoro di tesi analizza i fenomeni di scambio termico all'interno dei generatori di vapore alimentati a rifiuti, con particolare attenzione allo sviluppo di modelli analitici, per ottimizzare la progettazione, le prestazioni energetiche e le emissioni in atmosfera dei termovalorizzatori. Vengono formulati modelli analitici per rappresentare lo scambio termico sia nella zona radiante che in quella convettiva della caldaia, tenendo conto di fattori complessi come la composizione dei gas di scarico, la geometria dei tubi e la presenza di agenti incrostanti. La validazione dei modelli sviluppati utilizzando Matlab, viene eseguita riferendosi ai risultati dei calcoli termodinamici ed ai progetti esecutivi di termovalorizzatori in esercizio o in avanzata fase di realizzazione. I risultati ottenuti dimostrano l'utilità dei modelli proposti nella progettazione preliminare della caldaia e il loro potenziale come base per studi di fluidodinamica computazionale (CFD). In conclusione, questa tesi contribuisce al miglioramento e all’evoluzione della tecnologia per la conversione dei rifiuti in energia mediante lo studio dei complessi processi di scambio termico all'interno di questi impianti. Sviluppando modelli analitici e strumenti computazionali, si aprono possibilità per l’accurata progettazione dell'impianto, per l’aumento dell'efficienza e per la riduzione dell’impatto ambientale.