Gasificazione di biomasse in letto fluido: progettazione assistita da CFD di un impianto sperimentale

Il lavoro della presente tesi si inserisce all’interno di una ricerca nata dall’esigenza di trovare, quanto più prontamente possibile, risposte innovative e sostenibili alle crescenti richieste energetiche, senza ignorare la necessità di ridurre l’impatto ambientale a seguito della loro soddisfazione. Il concetto di sviluppo sostenibile si concentra sul migliorare la qualità della vita per tutti i cittadini senza incrementare l’uso delle risorse naturali oltre la capacità che l’ambiente ha di fornirle, e oggi si è finalmente capito che componente fondamentale della qualità della vita, oltre allo sviluppo e alla diffusione del benessere economico, è anche la qualità dell’aria e dell’ambiente in generale. Nell’ambito energetico l’uso sempre maggiore e massiccio di combustibili fossili ha creato molti problemi sociali e ambientali. Sviluppo energetico sostenibile a livello ambientale significa incrementare il risparmio energetico, promuovendo lo sfruttamento delle energie rinnovabili di pari passo con lo sviluppo di tecnologie di conversione più efficienti In questo contesto, l’interesse si è incentrato verso lo studio delle biomassa, combustibile alternativo, neutrale rispetto all’emissione di CO2, e, confrontato con i combustibili tradizionali, a ridotta produzione di SO2, NOx e metalli pesanti. Il modo migliore per l’utilizzo della biomassa è quello di bruciarla in fase gassosa, dopo aver proceduto ad un’adeguata gasificazione, contenendo questa un’elevata percentuale di volatili. Malgrado i letti fluidizzati avessero perso di interesse negli anni ottanta a causa della loro difficoltà di funzionamento, oggi sembrano essere la risposta più interessante a questa richiesta, grazie agli enormi vantaggi che il loro corretto utilizzo comporta, che vanno da una migliore miscelamento dei reagenti, alla possibilita’ di introdurre catalizzatori nel letto stesso per facilitare le reazioni. Alla luce di queste esigenze, è sembrato interessante orientare questo lavoro alla modellazione CFD di un reattore a letto fluido ricircolante per la gasificazione e la combustione della biomassa, nella prospettiva della messa a punto di un corrispondente apparato sperimentale con cui confrontare e validare i risultati ottenuti. Nella fase iniziale del lavoro è stato eseguito un dimensionamento di massima sul gasificatore seguendo il modello proposto da Kunii e Levespiel. In seguito si è proseguito con la verifica di funzionamento e lo studio dei regimi di fluidizzazione attraverso la modellazione CFD, servendoci del codice di calcolo CFX-5.7. Le simulazioni preliminarie, tutte svolte utilizzando un modello di tipo euleriano-euleriano su un dominio bidimensionale con la sola aria e sabbia, hanno permesso di dare una prima valutazione della flessibilità del gasificatore alla variazione delle dimensioni delle particelle solide e della velocità di insufflaggio del gas. Da questa prima analisi, confrontando anche i risultati ottenuti con quelli disponibili in letteratura, è emerso che il modello multifase di CFX-5.7 applicato tal quale, risulta insufficiente e superato, soprattutto nella trattazione delle interazioni tra le particelle. Di conseguenza si è ritenuto opportuno incentrare gli sforzi al superamento di tale limite di CFX 5.7, procedendo con la messa a punto di un modello che tenesse conto degli sforzi viscosi del solido, e questo è stato possibile scrivendo un’adatta subroutine in linguaggio fortran che ha permesso l’implementazione del modello Gidaspow (1990). Le simulazioni successive sono state quindi svolte utilizzando il modello implementato, e i risultati, confrontati con le prove preliminarie, ne hanno evidenziato il miglioramento. Dopo questa analisi nel dominio bidimensionale, si è ritenuto opportuno fare delle simulazioni su una griglia di calcolo tridimensionale. L’eccessivo innalzamento del numero di celle della griglia calcolo con l’aggiunta della terza dimensione ha reso però impossibile lo svolgersi delle simulazioni, a causa dei tempi proibitivi e della perdita di memoria del calcolatore. Per questo motivo è stato dimensionato un gasificatore di geometria ridotta, che rendesse possibile l’effettuazione di simulazioni in tre dimensioni, e quindi il confronto di queste con le corrispondenti in due dimensioni