Modeling of advanced waste to energy boiler using finite element method and validation with experimental data

Waste-to-Energy (WtE) is the process of generating energy in the form of electricity and heat from the incineration of waste. Most WtE processes produce energy directly through combustion or produce a combustible fuel commodity. Besides large number of advantages for using waste as a fuel, waste combustion for power production is associated with many problems due to the composition and inhomogeneity of the fuel stream such as hot corrosion. By having the temperature profile in each section of the boiler, damages can be reduced by suggesting improvements. It is apparent that deep understanding of energy balance in steam generator can improve the efficiency of the entire system. The goal of this thesis is to model the first path of the boiler after the injection of secondary air in order to determine the temperature distribution and to investigate the effect of different parameters such as refractory thickness, fouling on gas side and ash contribution in the heat transfer phenomena. There are various models for this purpose, but they are computationally expensive and it is almost impossible to simulate the boiler many times in a short period as it is needed for instance for optimization procedures. The aim of the authors is to develop a fast and flexible model with relatively good accuracy using finite volume method which makes possible to do the procedure over and over again and gives the possibility to change the operating parameters in order to understand their effects on the total system. In addition to the heat transfer calculations through boiler, natural circulation and pressure drops along evaporator are studied. The verification of the model is done by means of experimental data and design data provided by the producer of a Waste-to-Energy plant in Italy.

La tecnologia Waste-to-Energy (WTE) è il processo di generazione di energia sotto forma di elettricità e calore dall'incenerimento dei rifiuti. La maggior parte dei processi di termovalorizzazione produce energia attraverso la combustione diretta o la generazione di combustibile. Oltre al gran numero di vantaggi dati dall'utilizzo di rifiuti come fornte energetico, la combustione dei rifiuti per la produzione di energia è associata ad alcuni problemi dovuti alla composizione e alla disomogeneità del flusso di materiale come, ad esempio, la corrosione a caldo. Conoscendo il profilo di temperatura in ogni sezione della caldaia, gli eventuali danni possono essere ridotti suggerendo dei miglioramenti. È evidente che la profonda comprensione del bilancio energetico nel generatore di vapore può migliorare l'efficienza dell'intero sistema. L'obiettivo di questa tesi è modellare la prima parte del percorso nella caldaia, dopo l'iniezione di aria secondaria, al fine di determinare la distribuzione di temperatura e studiare l'effetto di diversi parametri quali lo spessore del refrattario, le incrostazioni sul lato gas e il contributo delle ceneri nei fenomeni di trasferimento di calore. Pur esistendo svariati modelli adatti al raggiungimento di questi scopi, spesso sono computazionalmente onerosi ed è quasi impossibile simulare il comportamento della caldaia più volte in un breve periodo. Sono quindi inadatti per implementare procedure di ottimizzazione. Lo scopo degli autori è quello di sviluppare un modello veloce, flessibile e con una buona precisione, utilizzando il metodo dei volumi finiti. Questo approccio rende possibile simulare il sistema più e più volte e dà la possibilità di modificare i parametri di funzionamento per comprendere i loro effetti sull'intero impianto. In aggiunta ai calcoli di trasmissione del calore nella caldaia, sono state studiate la circolazione naturale e le perdite di carico lungo l'evaporatore. La verifica del modello è stata fatta grazie a dati sperimentali e dati di progetto forniti dal produttore di un impianto Waste-to-Energy in Italia.