A thermal and fluid dynamics analysis of TEA-C pulverized coal industrial burner, designed and developed by Ansaldo Caldaie S.p.a, has been carried out 20 by means of computational fluid dynamics (CFD). In order to validate submodels available in the commercial CFD code, a large comparison between experimental and numerical data as regards flow and mixing patterns, temperature field, chemical species, has been performed, on the basis of the International Flame Research Foundation publication “Mathematical Modelling of a 2.4 MW swirling pulverized coal flame” and sensitivity of predictions to turbulence, radiation, combustion sub-models has been investigated. Model set showing best agreement with data has been employed in TEA-C burner study. TEA-C burner analysis shows upsides and possible improvements of burner aerodynamics and pulverized-coal supply duct design, in order to reduce nitrogen oxides and unburned coal and confirms already obtained results from previous company and consultant reports. Moreover a new pulverized-coal supply duct design, which assures better uniformity of coal concentration at combustion chamber inlet has been successfully conceived and tested through CFD simulations. In the near future numerical model developed for the burner will be used by the company to choose between other different design solutions suggested, leaving facility testing only for most promising choices and thus lowering research and development costs.

Il presente lavoro di tesi riguarda l’analisi termofluidodinamica del bruciatore industriale a polverino di carbone TEA-C, sviluppato e realizzato all’interno dell’azienda Ansaldo Caldaie S.p.a. Lo studio è realizzato tramite l’utilizzo della termofluidodinamica computazionale (CFD). Per operare un’opportuna scelta tra i sottomodelli disponibili nel software commerciale utilizzato per la modellazione della combustione del polverino di carbone, si è realizzato un ampio studio di validazione basato sulla pubblicazione “Mathematical Modeling of a 2.4 MW swirling pulverized coal flame” dell’International Flame Research Foundation. All’interno di tale studio si sono confrontati i risultati sperimentali e le predizioni delle simulazioni per quanto riguarda il campo di moto, le specie chimiche e il campo termico, monitorando la sensitività di tali predizioni al variare dei sottomodelli di radiazione, combustione, turbolenza. Il set di sottomodelli che ha mostrato il miglior accordo con i risultati sperimentali è stato utilizzato per la simulazione del bruciatore industriale TEA-C. Lo studio della configurazione attuale del bruciatore TEA-C ha permesso di mettere in luce alcuni punti di forza e aspetti migliorabili per quanto riguarda l’aerodinamica generata dal bruciatore e il design del condotto di alimentazione del polverino di carbone, nell’ottica di ridurre la produzione di ossidi di azoto e incombusti solidi, confermando in parte i risultati di studi precedenti interni all’azienda o realizzati da consulenti esterni. Si è inoltre sviluppata e testata tramite simulazioni CFD una nuova geometria per il canale di alimentazione del polverino di carbone in grado di garantire una maggiore uniformità di concentrazioni di polverino in ingresso in camera di combustione. Il modello numerico del bruciatore messo a disposizione dell’azienda verrà utilizzato nell’immediato futuro per vagliare altre soluzioni di design alternativo attualmente in studio, riservando alla sperimentazione le alternative più promettenti (con un evidente abbattimento dei costi di sviluppo).

Analisi termofluidodinamica di un bruciatore Low-NOx a polverino di carbone per caldaie di potenza

TRIVELLATO, PAOLO
2008/2009

Abstract

A thermal and fluid dynamics analysis of TEA-C pulverized coal industrial burner, designed and developed by Ansaldo Caldaie S.p.a, has been carried out 20 by means of computational fluid dynamics (CFD). In order to validate submodels available in the commercial CFD code, a large comparison between experimental and numerical data as regards flow and mixing patterns, temperature field, chemical species, has been performed, on the basis of the International Flame Research Foundation publication “Mathematical Modelling of a 2.4 MW swirling pulverized coal flame” and sensitivity of predictions to turbulence, radiation, combustion sub-models has been investigated. Model set showing best agreement with data has been employed in TEA-C burner study. TEA-C burner analysis shows upsides and possible improvements of burner aerodynamics and pulverized-coal supply duct design, in order to reduce nitrogen oxides and unburned coal and confirms already obtained results from previous company and consultant reports. Moreover a new pulverized-coal supply duct design, which assures better uniformity of coal concentration at combustion chamber inlet has been successfully conceived and tested through CFD simulations. In the near future numerical model developed for the burner will be used by the company to choose between other different design solutions suggested, leaving facility testing only for most promising choices and thus lowering research and development costs.
GIANI, THOMAS
ING IV - Facolta' di Ingegneria Industriale
3-mag-2010
2008/2009
Il presente lavoro di tesi riguarda l’analisi termofluidodinamica del bruciatore industriale a polverino di carbone TEA-C, sviluppato e realizzato all’interno dell’azienda Ansaldo Caldaie S.p.a. Lo studio è realizzato tramite l’utilizzo della termofluidodinamica computazionale (CFD). Per operare un’opportuna scelta tra i sottomodelli disponibili nel software commerciale utilizzato per la modellazione della combustione del polverino di carbone, si è realizzato un ampio studio di validazione basato sulla pubblicazione “Mathematical Modeling of a 2.4 MW swirling pulverized coal flame” dell’International Flame Research Foundation. All’interno di tale studio si sono confrontati i risultati sperimentali e le predizioni delle simulazioni per quanto riguarda il campo di moto, le specie chimiche e il campo termico, monitorando la sensitività di tali predizioni al variare dei sottomodelli di radiazione, combustione, turbolenza. Il set di sottomodelli che ha mostrato il miglior accordo con i risultati sperimentali è stato utilizzato per la simulazione del bruciatore industriale TEA-C. Lo studio della configurazione attuale del bruciatore TEA-C ha permesso di mettere in luce alcuni punti di forza e aspetti migliorabili per quanto riguarda l’aerodinamica generata dal bruciatore e il design del condotto di alimentazione del polverino di carbone, nell’ottica di ridurre la produzione di ossidi di azoto e incombusti solidi, confermando in parte i risultati di studi precedenti interni all’azienda o realizzati da consulenti esterni. Si è inoltre sviluppata e testata tramite simulazioni CFD una nuova geometria per il canale di alimentazione del polverino di carbone in grado di garantire una maggiore uniformità di concentrazioni di polverino in ingresso in camera di combustione. Il modello numerico del bruciatore messo a disposizione dell’azienda verrà utilizzato nell’immediato futuro per vagliare altre soluzioni di design alternativo attualmente in studio, riservando alla sperimentazione le alternative più promettenti (con un evidente abbattimento dei costi di sviluppo).
Tesi di laurea Magistrale
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