Corso di Ingegneria Sanitaria Ambientale 2 – Prof. F.Malpei Esercitazione 6: Incenerimento La valutazione ha come obiettivo il calcolo dei principali parametri operativi di un impianto di termodistruzione di rifiuti solidi urbani con forno a griglia e recupero energetico. Vengono, in particolare, quantificati l’eccesso d’aria richiesto per condurre l’operazione ed il volume complessivo dei fumi prodotti, le dimensioni di massima della griglia e della camera di combustione. Traccia di calcolo 1) Calcolo del volume dei fumi e dell’eccesso d’aria. Nota l’analisi elementare del rifiuto, il volume specifico dei fumi stechiometrici VS (m3n/kgRSU) e dell’aria stechiometrica VA (m3n/kgRSU) si calcolano con le seguenti espressioni: VS = 8,9(C/100) + 32,3(H/100) + 3,33(S/100) + 1,24(U/100) - 2,6(O/100) VA = 8,9(C/100) + 26,7(H/100) + 3,33(S/100) - 3,33(O/100) Il volume specifico VF (m3n/kgRSU) dei fumi effettivi è pari a: VF = VS + e.VA ove e rappresenta l’eccesso d’aria, da valutarsi tramite il bilancio termico sul forno. Tale bilancio è così formulato: Qi + Qg = Qu ove Qi rappresenta il calore in ingresso al forno, Qu il calore uscente e Qg il calore prodotto dalla combustione del rifiuto. Se il bilancio viene riferito, per comodità, all’unità di peso di rifiuto alimentato nel forno, tutti i termini risultano espressi in kcal/kgRSU. Se, inoltre, si assume quale temperatura di riferimento T0 (°C) la temperatura dei rifiuti in ingresso (coincidente con la temperatura media ambiente), il termine del bilancio relativo al calore entrante Qi è nullo. Il calore prodotto dalla combustione del rifiuto è pari al suo potere calorifico inferiore PCI (kcal/kgRSU), mentre il calore uscente dal forno è dato dalla somma dei seguenti termini: - calore QF associato ai fumi di combustione VF, che escono dal forno alla temperatura di combustione Tf (°C): QF = Cpfs⋅VS⋅(Tf-T0) + Cpa⋅e⋅VA⋅(Tf-T0) ove Cpfs (kcal/m3n°C) è il calore specifico medio dei fumi stechiometrici tra Tf e T0 e Cpa (kcal/m3n°C) è il calore specifico medio dell’aria tra Tf e T0; - calore QS (kcal/kgRSU) associato alle scorie scaricate dal forno: QS = Cps⋅(I/100)⋅(SC/100)⋅(Tf-T0) 1 Ss ed Ns sono le frazioni in peso dei singoli elementi sempre riferite al secco. Hs.calore QI associato al contenuto di incombusti nelle scorie: QI = (I/100)⋅(IN/100)⋅PCIIN ove IN rappresenta la percentuale in peso di incombusti nelle scorie (di norma compresa tra il 2. la risoluzione del bilancio termico fornisce il valore dell’eccesso d’aria e: [PCI − ( D / 100) ⋅ PCI − (I 100 )(IN 100 ) ⋅ PCI IN ] − C pfs ⋅ VS + (I 100 ) ⋅ (SC / 100) ⋅ C ps (Tf − T0 ) e= C pa ⋅ VA [ ] Per la valutazione del potere calorifico del rifiuto a partire dall’analisi elementare è utilizzabile la seguente formulazione empirica. ricavata a partire dalle entalpie di combustione dei singoli componenti: PCSS = 7831⋅Cs + 35932⋅(Hs-Os/8) + 2212⋅Ss + 1187⋅Os + 578⋅Ns ove PCSS (kcal/kgRSU secco) è il potere calorifico superiore riferito al rifiuto secco. di norma quantificato in termini di percentuale D del calore prodotto durante la combustione: QD = (D/100)⋅PCI D è usualmente assunto pari al 3% circa.5% ed il 5%) e PCIIN (kcal/kg) il corrispondente potere calorifico inferiore. Il bilancio complessivo assume pertanto la seguente espressione: PCI = Cpfs⋅VS⋅(Tf-T0) + Cpa⋅e⋅VA⋅(Tf-T0) + Cps⋅(I/100)⋅(SC/100)⋅(Tf-T0) + (I/100)⋅(IN/100)⋅PCIIN + + (D/100)⋅PCI Note le caratteristiche del rifiuto alimentato e fissato il valore della temperatura di combustione.calore QD associato alle dispersioni termiche attraverso le pareti del forno. il PCI (kcal/kgRSU) è valutabile tramite la seguente espressione: 2 . tra l’80% ed il 90%). . stimabili a partire dall’analisi elementare sul rifiuto tal quale: Cs = (C/100) / (1-U/100) Hs = (H/100) / (1-U/100) Os = (O/100) / (1-U/100) Ss = (S/100) / (1-U/100) Ns = (N/100) / (1-U/100) A partire dal PCSS.ove Cps (kcal/kg°C) è il calore specifico delle scorie. Os. e Cs. di norma. . I il contenuto di inerti nel rifiuto ed SC la frazione percentuale di inerti che vengono scaricati come scorie (nei forni a griglia compresa. che correla l’eccesso d’aria al tenore di ossigeno O2 presente nei fumi: O2 21-O 2 Per motivi di carattere prudenziale.6 1. l’eccesso d’aria sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura da mantenere in fase di combustione.8 O2 = 8% 0. La verifica si conduce utilizzando la seguente espressione.PCI = PCSS(1-U/100) . e= 1.4 1. di norma pari al 6%. come tale. legati alla variabilità delle caratteristiche del rifiuto. gli eccessi d’aria richiesti.4 O2minimo = 6% 0. viene utilizzata nella normale gestione del processo per far fronte alle normali oscillazioni indotte su di essa dalle variazioni che caratterizzano il materiale alimentato ad ogni carica del forno stesso. La variazione dell’aria alimentata costituisce un importante strumento di regolazione della temperatura di combustione e. Un esempio di tali andamenti. e quindi di PCI. è bene non scendere al di sotto di valori pari a circa l’8% di O2.2 1 0. a parità di rifiuto.2 0 850 PCI=2500 kcal/kg PCI=1720 kcal/kg Eccesso d'aria 900 950 T (°C) 1000 1050 1100 2) Dimensionamento di massima del forno Il dato di progetto di base è costituito dalla potenzialità termica del forno su base oraria PT (kcal/h). e pertanto il volume complessivo dei fumi prodotti. Il valore dell’eccesso d’aria stimato dipende dalla temperatura di combustione Tf e dalle caratteristiche del rifiuto da trattare. per due distinte tipologie di rifiuto caratterizzate da un PCI medio (1720 kcal/kg) ed elevato (2500 kcal/kg) sono riportate nella figura seguente. Quest’ultima richiede un tenore di ossigeno libero all’interno della camera di combustione non inferiore ad un valore minimo. tramite il suo PCI.6 0. calcolabile a partire dal PCI del rifiuto alimentato e dalla potenzialità nominale P (tRSU/d): 3 .593⋅(U/100 + 9⋅H/100) Il valore così calcolato per l’eccesso d’aria dev’essere confrontato con quello richiesto per garantire un’adeguata efficienza di combustione. risultano crescenti con il PCI del rifiuto. A parità di Tf. Superficie della griglia S (m2) S = PT / CSTS con PT = potenzialità termica nominale oraria (kcal/h). . calcolabile a partire dalla potenzialità del forno P (tRSU/d) e dal volume specifico dei fumi effettivi VF (m3n/kgRSU): QFe = [VF⋅P⋅1000/(24⋅3600)]⋅[(Tf + 273)/273] ESERCIZIO PROPOSTO 4 .Altezza media camera di combustione (m) H = V / S. CSTV = carico specifico termico volumetrico (kcal/(m3h)).000 kcal/(m2h). Velocità media dei fumi sezione di ingresso vf ≥ 10 m/s Volume postcombustione VPC (m3): VPC = QFe·tf Sezione di ingresso SPC (m2): SPC = QFe / vf ove QFe (m3/s) rappresenta la portata dei fumi in condizioni effettive (950°C). assunto pari a 500.Volume della camera di combustione (m3) V = PT / CSTV con PT = potenzialità termica nominale oraria (kcal/h). . assunto pari a 100. .000 kcal/(m3h). CSTS = carico specifico termico superficiale (kcal/(m2h)).PT = (P⋅1000/24)⋅PCI .Camera di postcombustione Prescrizioni di legge: Tempo medio permanenza fumi tf ≥ 2 s. Risultati CASO RIFIUTO AD ELEVATO POTERE CALORIFICO Produzione fumi: VS = 3.1 23.38 kcal/m3n°C. Calore specifico medio dei fumi stechiometrici tra Tf e T0: Cpfs = 0. Limite di emissione del materiale particolato: Cpl = 20 mg/m3n.2 0. Temperatura di riferimento: T0 = 20°C. Calore specifico medio dell’aria tra Tf e T0: Calore specifico delle scorie: Cps = 0. caratterizzate dalle seguenti analisi elementari ANALISI ELEMENTARE DEL RIFIUTO (sul tal quale) COMPONENTE C H O N S Inerti Umidità RIFIUTO AD ELEVATO PCI % in peso 28.25 Dimensionamento camera combustione S = 104 m2 V = 520 m3 5 .7 21.5 22 0. Temperatura fumi uscita forno: Tf = 950°C.5 0.1) Si sviluppino le valutazioni descritte ai punti precedenti considerando due distinte tipologie di rifiuto. Potere calorifico inferiore incombusti: PCIIN = 8000 kcal/kg.000 abitanti serviti). Cpa = 0.3 27 25 sulla base dei seguenti dati di progetto: Potenzialità impianto: P = 500 t/d (pari a circa 500. Incombusti nelle scorie: IN = 5%.79 m3n/kgRSU PCSS = 3716 kcal/kgRSU secco PCI = 2498 kcal/kgRSU Perdite termiche QS = 39 kcal/kgRSU QI = 92 kcal/kgRSU QD = 75 kcal/kgRSU e = 1.2 kcal/kg°C.33 kcal/m3n°C.15 23.7 RIFIUTO A MEDIO PCI % in peso 23.7 2.1 3.8 0. Frazione di inerti scaricati come scorie: SC = 90%.44 m3n/kgRSU VA = 2. 66 m3n/kgRSU VA = 2.H=5m Camera di post-combustione QFe = 180 m3/s VPC = 359 m3 SPC = 18 m2 CASO RIFIUTO A MEDIO POTERE CALORIFICO Produzione fumi: VS = 2.05 m3n/kgRSU PCSS = 2718 kcal/kgRSU secco PCI = 1757 kcal/kgRSU Perdite termiche QS = 45 kcal/kgRSU QI = 108 kcal/kgRSU QD = 53 kcal/kgRSU e = 0.96 Dimensionamento camera combustione S = 73 m2 V = 366 m3 H=5m Camera di post-combustione QFe = 120 m3/s VPC = 240 m3 SPC = 12 m2 6 .