Modellizzazione di caldaie a letto fluido circolante per ossicombustione di carbone

This work presents a mathematical model of coal oxy-combustion in circulating fluidized beds. First of all the fluid-dynamics of a cold bed, without chemical reactions, is studied verifying the various components submodels. A comparison with literature data and a sensitivity analysis are performed with the aim to highlight significant parameters. Solid profiles in the furnace and solid separators performances are analyzed. Due to its importance for this technology and the differences between air- and oxy-fired furnaces, the sulphur capture model is accurately studied and his parameters are fitted on literature data. After that large oxy-fired coal CFB furnaces are sized to find out the critical features; model’s results are compared with published ones. Special attention is given to sulphur emissions and heat exchange surfaces, studying in depth the role of external heat exchangers. This unit is modeled to permit a preliminary sizing, because of its importance for large plants and high-oxygen feedings.

In questo lavoro viene studiato un modello matematico per la descrizione di una caldaia a letto fluido circolante applicata all’ossicombustione di carbone. Si analizza la struttura e il comportamento del modello fluidodinamico in assenza di combustione (modello “freddo”) per i diversi componenti, verificando i risultati con dati di letteratura e studiando la sensibilità ai parametri con l’obiettivo di identificare le grandezze più influenti. In particolare vengono studiati i profili di trascinamento del solido nella camera di combustione e il modello del separatore gas/solido (ciclone). Un secondo scopo è la verifica delle emissioni di zolfo previste dal modello a seguito di una rimozione nella camera di combustione; si analizza dunque il diverso comportamento del sorbente in regime di ossicombustione, ricavando da dati di letteratura informazioni per la taratura dei parametri. In seguito al confronto dei risultati del modello termico con altri risultati disponibili, si dimensionano caldaie CFB di grossa taglia in diversi casi di ossicombustione al fine di valutarne le criticità; particolare attenzione si dedica alla cattura dello zolfo e alla distribuzione delle superfici di scambio, con lo studio dell'estrazione di calore tramite uno scambiatore esterno. A questo componente è dedicato ampio spazio, poiché risulta critico per il corretto funzionamento di caldaie alimentate con alti tenori di ossigeno; se ne fornisce quindi un modello che permetta un primo dimensionamento.