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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 impiantodi termodistruzione di rifiuti solidi urbani con forno a griglia e recupero energetico. Vengono, inparticolare, quantificati l’eccesso d’aria richiesto per condurre l’operazione ed il volumecomplessivo dei fumi prodotti, le dimensioni di massima della griglia e della camera dicombustione.

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(m3

n/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 ècosì formulato:

Qi + Qg = Qu

ove Qi rappresenta il calore in ingresso al forno, Qu il calore uscente e Qg il calore prodotto dallacombustione del rifiuto. Se il bilancio viene riferito, per comodità, all’unità di peso di rifiutoalimentato nel forno, tutti i termini risultano espressi in kcal/kgRSU. Se, inoltre, si assume qualetemperatura di riferimento T0 (°C) la temperatura dei rifiuti in ingresso (coincidente con latemperatura media ambiente), il termine del bilancio relativo al calore entrante Qi è nullo. Il caloreprodotto 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 dicombustione 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)

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ove Cps (kcal/kg°C) è il calore specifico delle scorie, I il contenuto di inerti nel rifiuto ed SC lafrazione percentuale di inerti che vengono scaricati come scorie (nei forni a griglia compresa, dinorma, tra l’80% ed il 90%);

- 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 il2,5% ed il 5%) e PCIIN (kcal/kg) il corrispondente potere calorifico inferiore;

- calore QD associato alle dispersioni termiche attraverso le pareti del forno, di norma quantificatoin termini di percentuale D del calore prodotto durante la combustione:

QD = (D/100)⋅PCI

D è usualmente assunto pari al 3% circa.

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, larisoluzione del bilancio termico fornisce il valore dell’eccesso d’aria e:

( )( )[ ]( ) ( )[ ]

Apa

psSpfs0f

IN

VC

C)100/SC(100I VC TT

PCI100IN100I PCI)100/D(PCI

e⋅

⋅⋅+⋅−−

⋅−⋅−

=

Per la valutazione del potere calorifico del rifiuto a partire dall’analisi elementare èutilizzabile la seguente formulazione empirica, ricavata a partire dalle entalpie di combustione deisingoli 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, e Cs, Hs, Os, Ss edNs sono le frazioni in peso dei singoli elementi sempre riferite al secco, stimabili a partiredall’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, il PCI (kcal/kgRSU) è valutabile tramite la seguente espressione:

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PCI = PCSS(1-U/100) - 593⋅(U/100 + 9⋅H/100)

Il valore così calcolato per l’eccesso d’aria dev’essere confrontato con quello richiesto per garantireun’adeguata efficienza di combustione. Quest’ultima richiede un tenore di ossigeno liberoall’interno della camera di combustione non inferiore ad un valore minimo, di norma pari al 6%. Laverifica si conduce utilizzando la seguente espressione, che correla l’eccesso d’aria al tenore diossigeno O2 presente nei fumi:

e = O

21-O2

2

Per motivi di carattere prudenziale, legati alla variabilità delle caratteristiche del rifiuto, è bene nonscendere al di sotto di valori pari a circa l’8% di O2.Il valore dell’eccesso d’aria stimato dipende dalla temperatura di combustione Tf e dallecaratteristiche del rifiuto da trattare, tramite il suo PCI. A parità di Tf, gli eccessi d’aria richiesti, epertanto il volume complessivo dei fumi prodotti, risultano crescenti con il PCI del rifiuto; a paritàdi rifiuto, e quindi di PCI, l’eccesso d’aria sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura damantenere in fase di combustione. Un esempio di tali andamenti, per due distinte tipologie di rifiutocaratterizzate da un PCI medio (1720 kcal/kg) ed elevato (2500 kcal/kg) sono riportate nella figuraseguente. La variazione dell’aria alimentata costituisce un importante strumento di regolazionedella temperatura di combustione e, come tale, viene utilizzata nella normale gestione del processoper far fronte alle normali oscillazioni indotte su di essa dalle variazioni che caratterizzano ilmateriale alimentato ad ogni carica del forno stesso.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

850 900 950 1000 1050 1100

T (°C)

Ecc

esso

d'a

ria

PCI=2500 kcal/kg

PCI=1720 kcal/kg

O2 = 8%

O2minimo = 6%

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),calcolabile a partire dal PCI del rifiuto alimentato e dalla potenzialità nominale P (tRSU/d):

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PT = (P⋅1000/24)⋅PCI

- Superficie della griglia S (m2)

S = PT / CSTS

con

PT = potenzialità termica nominale oraria (kcal/h);CSTS = carico specifico termico superficiale (kcal/(m2h)), assunto pari a 500.000 kcal/(m2h).

- Volume della camera di combustione (m3)

V = PT / CSTV

con

PT = potenzialità termica nominale oraria (kcal/h);CSTV = carico specifico termico volumetrico (kcal/(m3h)), assunto pari a 100.000 kcal/(m3h).

- Altezza media camera di combustione (m)

H = V / S.

- Camera di postcombustione

Prescrizioni di legge:

Tempo medio permanenza fumi tf ≥ 2 s;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), 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

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1) Si sviluppino le valutazioni descritte ai punti precedenti considerando due distinte tipologie dirifiuto, caratterizzate dalle seguenti analisi elementari

ANALISI ELEMENTARE DEL RIFIUTO (sul tal quale)

RIFIUTO AD

ELEVATO PCIRIFIUTO A MEDIO

PCICOMPONENTE

% in peso % in pesoC 28,1 23,7H 3,7 2,5O 21,2 22N 0,5 0,8S 0,15 0,3

Inerti 23,1 27Umidità 23,7 25

sulla base dei seguenti dati di progetto:

Potenzialità impianto: P = 500 t/d (pari a circa 500.000 abitanti serviti);Frazione di inerti scaricati come scorie: SC = 90%;Incombusti nelle scorie: IN = 5%;Potere calorifico inferiore incombusti: PCIIN = 8000 kcal/kg;Temperatura fumi uscita forno: Tf = 950°C;Temperatura di riferimento: T0 = 20°C;Calore specifico medio dei fumi stechiometrici tra Tf e T0: Cpfs = 0,38 kcal/m3

n°C;Calore specifico medio dell’aria tra Tf e T0: Cpa = 0,33 kcal/m3

n°C;Calore specifico delle scorie: Cps = 0,2 kcal/kg°C;Limite di emissione del materiale particolato: Cpl = 20 mg/m3

n.

Risultati

CASO RIFIUTO AD ELEVATO POTERE CALORIFICO

Produzione fumi:VS = 3,44 m3

n/kgRSU

VA = 2,79 m3n/kgRSU

PCSS = 3716 kcal/kgRSU secco

PCI = 2498 kcal/kgRSU

Perdite termicheQS = 39 kcal/kgRSU

QI = 92 kcal/kgRSU

QD = 75 kcal/kgRSU

e = 1,25Dimensionamento camera combustione

S = 104 m2

V = 520 m3

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H = 5 mCamera di post-combustione

QFe = 180 m3/sVPC = 359 m3

SPC = 18 m2

CASO RIFIUTO A MEDIO POTERE CALORIFICO

Produzione fumi:VS = 2,66 m3

n/kgRSU

VA = 2,05 m3n/kgRSU

PCSS = 2718 kcal/kgRSU secco

PCI = 1757 kcal/kgRSU

Perdite termicheQS = 45 kcal/kgRSU

QI = 108 kcal/kgRSU

QD = 53 kcal/kgRSU

e = 0,96

Dimensionamento camera combustioneS = 73 m2

V = 366 m3

H = 5 mCamera di post-combustione

QFe = 120 m3/sVPC = 240 m3

SPC = 12 m2