I bilanci di materia e i requisiti di aria in eccesso vengono valutati combinando la stechiometria delle reazioni con le composizioni misurate dell'alimentazione e dei gas combusti. In un impianto pilota di trattamento termico, gli operatori determinano innanzitutto la composizione elementare del combustibile e dei rifiuti, quindi calcolano l'ossigeno teoricamente necessario per l'ossidazione completa. L'analisi dei gas combusti secchi, che misura tipicamente O₂, CO₂, CO e talvolta SO₂, HCl e idrocarburi, viene utilizzata per verificare il bilancio, calcolare l'aria in eccesso, valutare la completezza della combustione e dimensionare il trattamento a valle dei gas.
Il calcolo centrale confronta l'ossigeno fornito dall'aria con l'ossigeno netto necessario per ossidare il carbonio, l'idrogeno, lo zolfo e gli altri elementi combustibili nei prodotti desiderati. Per ottenere risultati affidabili sono necessarie una base di calcolo definita, misurazioni dei gas coerenti su base umida o secca e bilanci dei componenti o degli elementi sull'intero impianto pilota.
Definizione della base del bilancio di materia
Definire i confini del processo
Il confine del bilancio comprende normalmente la camera di combustione, includendo l'alimentazione dei rifiuti, il combustibile primario, l'aria di combustione, le ceneri o i residui e i gas combusti.
Per il funzionamento in regime stazionario, si assume che l'accumulo sia nullo:
[ \text{Input totale}=\text{Output totale} ]
Un diagramma di flusso del processo dovrebbe identificare ogni corrente che attraversa il confine, compresi il combustibile ausiliario, l'aria arricchita di ossigeno, l'acqua di quench, il liquido di lavaggio e i residui solidi.
Scegliere una base di calcolo
Una base pratica può essere un'ora di funzionamento, un lotto di rifiuti o una massa fissa di rifiuti, ad esempio 100 kg.
La base deve essere applicata in modo coerente alle portate di alimentazione, alle misurazioni dei gas, alle quantità di residui e ai fabbisogni di ossigeno calcolati.
Caratterizzare l'alimentazione
Il combustibile e i rifiuti vengono analizzati per determinare carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo, cloro, umidità, ceneri e altri costituenti rilevanti.
Per i rifiuti organici pericolosi come i PCB, il cloro è particolarmente importante perché la conversione completa può produrre HCl quando è presente idrogeno sufficiente, oppure altri prodotti contenenti cloro quando le condizioni di reazione e la composizione dell'alimentazione sono diverse.
Calcolo dell'ossigeno teorico
Scrivere le reazioni di combustione completa
Per i principali elementi combustibili, i prodotti previsti della combustione completa sono generalmente:
[ \mathrm{C \rightarrow CO_2} ]
[ \mathrm{H \rightarrow H_2O} ]
[ \mathrm{S \rightarrow SO_2} ]
Per un combustibile generico contenente carbonio, idrogeno, ossigeno e zolfo, il fabbisogno teorico di ossigeno viene calcolato sulla base dell'inventario elementare.
Un'espressione comunemente utilizzata, basata sulla massa, è:
[ m_{\mathrm{O_2,theoretical}}
\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S
m_O ]
dove le masse degli elementi sono espresse in unità coerenti. L'ossigeno già legato nel combustibile viene sottratto perché contribuisce all'ossidazione e riduce quindi l'ossigeno che deve entrare con l'aria.
Considerare insieme i rifiuti e il combustibile ausiliario
Il fabbisogno di ossigeno deve includere il materiale combustibile proveniente sia dai rifiuti sia dal combustibile ausiliario.
Ad esempio, l'esano può essere utilizzato come combustibile primario mentre i rifiuti apportano ulteriore carbonio, idrogeno e cloro. Il fabbisogno teorico totale di ossigeno si basa sull'alimentazione elementare combinata, non esclusivamente sul combustibile ausiliario.
Trattare la combustione incompleta come un risultato prestazionale
Il fabbisogno teorico di ossigeno è definito per l'ossidazione completa nei prodotti finali selezionati. La presenza di CO misurato, fuliggine, idrocarburi incombusti o carbonio residuo indica una conversione incompleta, ma non ridefinisce il fabbisogno teorico di ossigeno.
Queste specie vengono invece utilizzate per valutare le prestazioni della combustione e determinare se la miscelazione, la temperatura, il tempo di permanenza o la distribuzione dell'aria siano inadeguati.
Determinazione del fabbisogno d'aria
Calcolare l'aria teorica
L'aria secca viene comunemente approssimata come contenente circa 20,99% molare di O₂ e 78,03% di N₂, con piccole quantità di argon, anidride carbonica e gas in tracce.
Pertanto, il fabbisogno teorico d'aria è:
[ n_{\mathrm{air,theoretical}}
\frac{n_{\mathrm{O_2,theoretical}}}{0.2099} ]
Se viene utilizzata aria arricchita di ossigeno, in questo calcolo la frazione molare effettiva di ossigeno dell'alimentazione deve sostituire 0.2099.
Calcolare l'apporto effettivo di ossigeno
L'ossigeno che entra con l'aria viene determinato dalla portata d'aria e dalla sua composizione:
[ n_{\mathrm{O_2,in}}
y_{\mathrm{O_2,air}}n_{\mathrm{air,in}} ]
Per una corrente d'aria viene calcolato anche l'apporto corrispondente di azoto:
[ n_{\mathrm{N_2,in}}
y_{\mathrm{N_2,air}}n_{\mathrm{air,in}} ]
L'azoto è utile come componente di bilancio perché normalmente attraversa la zona di combustione rimanendo in gran parte invariato, fatta eccezione per i piccoli effetti associati al combustibile contenente azoto o alla formazione di NOₓ termico.
Calcolare la percentuale di aria in eccesso
La definizione standard è:
[ %\text{ aria in eccesso}
\frac{n_{\mathrm{air,actual}}-n_{\mathrm{air,theoretical}}} {n_{\mathrm{air,theoretical}}} \times 100 ]
In alternativa, utilizzando l'ossigeno:
[ %\text{ aria in eccesso}
\frac{n_{\mathrm{O_2,in}}-n_{\mathrm{O_2,required}}} {n_{\mathrm{O_2,required}}} \times 100 ]
Qui, (n_{\mathrm{O_2,required}}) è l'ossigeno netto richiesto dall'aria, dopo aver tenuto conto dell'ossigeno già presente nel combustibile o nei rifiuti.
Utilizzo dell'analisi dei gas combusti per verificare il bilancio
Misurare su una base secca coerente
Gli analizzatori Orsat o gli analizzatori strumentali dei gas forniscono comunemente le concentrazioni dei gas combusti secchi di O₂, CO₂, CO e talvolta SO₂.
Il vapore acqueo viene rimosso o escluso da un'analisi secca, quindi anche le quantità di gas calcolate devono utilizzare una base secca. Il confronto tra misurazioni secche e calcoli teorici umidi crea errori sistematici.
Utilizzare le frazioni molari e la legge di Dalton
Se un analizzatore di gas riporta frazioni molari, la pressione parziale di ciascun componente è:
[ p_i=y_iP ]
dove (y_i) è la frazione molare del componente e (P) è la pressione totale.
La concentrazione misurata di O₂ indica quanto ossigeno rimane dopo la combustione. Un O₂ residuo elevato corrisponde generalmente a una maggiore quantità di aria in eccesso, mentre un O₂ molto basso può indicare una carenza di ossigeno, purché la misurazione sia affidabile e sia stata esclusa l'infiltrazione d'aria.
Applicare i bilanci del carbonio e dell'azoto
Un bilancio del carbonio confronta il carbonio in ingresso nel combustibile e nei rifiuti con il carbonio in uscita sotto forma di:
- CO₂
- CO
- Idrocarburi incombusti
- Fuliggine o carbonio incombusto nei residui solidi
Un bilancio dell'azoto confronta l'azoto in ingresso nell'aria e nel combustibile con l'azoto presente nei gas combusti secchi e nei prodotti contenenti azoto.
Questi bilanci aiutano a identificare perdite, infiltrazioni d'aria, errori degli analizzatori, prodotti non misurati o una caratterizzazione inaccurata dell'alimentazione.
Dedurre la portata d'aria quando la misurazione diretta non è affidabile
Le misurazioni della portata dei gas ad alta temperatura possono essere difficili e soggette a errori. In molti impianti pilota, l'ingresso dell'aria e la produzione totale di gas combusti vengono dedotti dai bilanci elementari utilizzando la portata misurata del combustibile, la composizione dei rifiuti, i dati sui residui e l'analisi dei gas combusti secchi.
Questo metodo indiretto è particolarmente utile quando i gas combusti sono caldi, corrosivi, carichi di particolato o variabili nella composizione.
Valutazione delle prestazioni di combustione e trattamento
Distinguere tra combustione completa e incompleta
La combustione completa produce principalmente CO₂ e H₂O a partire da materiali carboniosi e contenenti idrogeno.
CO, fuliggine, idrocarburi incombusti e carbonio combustibile residuo indicano una combustione incompleta. La loro presenza deve essere riportata separatamente dal calcolo dell'aria in eccesso, perché il solo ossigeno in eccesso non garantisce una distruzione completa se la temperatura, la turbolenza o il tempo di permanenza sono insufficienti.
Collegare il bilancio alle prestazioni termiche
L'aria in eccesso influisce sia sulle prestazioni ambientali sia sull'efficienza energetica.
Una quantità d'aria insufficiente può causare combustione incompleta, formazione di fuliggine e CO e funzionamento instabile. Una quantità d'aria eccessiva aumenta il volume di gas che deve essere riscaldato e scaricato, incrementando la perdita di calore sensibile e riducendo potenzialmente l'efficienza termica.
Utilizzare i bilanci del cloro per il controllo dei gas acidi
Per i rifiuti clorurati, il bilancio del cloro aiuta a stimare la produzione di HCl e supporta la progettazione di uno scrubber per i gas acidi.
Il bilancio dovrebbe tenere conto del cloro nei rifiuti, dell'HCl nei gas combusti, del cloro trattenuto nei solidi e di qualsiasi altro prodotto contenente cloro, misurato o previsto.
Comprendere i compromessi
L'aria in eccesso non equivale a una distruzione completa
Un valore elevato di aria in eccesso può migliorare la disponibilità di ossigeno, ma non può compensare una temperatura di combustione inadeguata, una miscelazione insufficiente o un tempo di permanenza troppo breve.
Le prestazioni della distruzione termica devono quindi essere valutate utilizzando temperatura, tempo di permanenza, condizioni di miscelazione, CO, idrocarburi incombusti e, ove applicabile, misurazioni dell'efficienza di distruzione e rimozione.
L'ossigeno nei gas combusti può essere fuorviante
L'O₂ residuo può aumentare a causa di perdite d'aria nel forno o nel sistema di campionamento. Se l'infiltrazione non viene identificata, l'aria in eccesso calcolata risulterà sovrastimata.
La calibrazione dell'analizzatore, il test delle perdite, il condizionamento della linea di campionamento e la correzione per la diluizione sono essenziali per ottenere risultati significativi.
L'aria arricchita di ossigeno richiede calcoli rivisti
L'utilizzo di aria arricchita di ossigeno modifica la relazione tra la portata di ossigeno e la portata totale del gas. Applicare il contenuto standard di ossigeno del 20,99% dell'aria secca a un'alimentazione arricchita sottostimerà o rappresenterà in modo errato il fabbisogno effettivo d'aria.
È necessario utilizzare invece la concentrazione di ossigeno misurata o specificata della corrente di arricchimento.
Le basi di misurazione devono essere coerenti
La composizione del combustibile può essere riportata su base tal quale, la composizione dei rifiuti su base secca e i gas combusti su base secca e corretta per l'ossigeno.
Queste basi non possono essere combinate direttamente. Umidità, ceneri, ossigeno nel combustibile, arricchimento di ossigeno e diluizione devono essere riconciliati prima di calcolare i bilanci di materia o le emissioni.
Scegliere l'approccio corretto in base all'obiettivo
Il metodo di valutazione corretto dipende da ciò che l'impianto pilota intende dimostrare:
- Se l'obiettivo principale è la stechiometria della combustione: Determinare l'alimentazione elementare combinata, calcolare i fabbisogni teorici e netti di ossigeno e confrontarli con l'ossigeno fornito dal combustibile e dall'aria.
- Se l'obiettivo principale è il controllo dell'aria in eccesso: Utilizzare l'analisi calibrata dell'O₂ nei gas combusti secchi insieme alla composizione dell'alimentazione d'aria e verificare il risultato con i bilanci dell'azoto e del carbonio.
- Se l'obiettivo principale è la prestazione di distruzione: Valutare CO, idrocarburi incombusti, fuliggine, temperatura, tempo di permanenza e miscelazione, oltre alla percentuale calcolata di aria in eccesso.
- Se l'obiettivo principale è la progettazione del trattamento delle emissioni: Completare i bilanci del carbonio, del cloro, dello zolfo e del particolato per stimare CO₂, HCl, SO₂, ceneri e carico dello scrubber.
- Se l'obiettivo principale è la qualità dei dati dell'impianto pilota: Riconciliare tutte le correnti su un'unica base e utilizzare bilanci elementari indiretti per verificare misuratori di portata, analizzatori, perdite e uscite non misurate.
Una valutazione difendibile dell'impianto pilota collega i calcoli stechiometrici, la composizione misurata dei gas combusti, le condizioni operative e i requisiti di controllo delle emissioni in un unico bilancio di materia coerente.
Tabella riassuntiva:
| Area di valutazione | Input principali | Risultato principale |
|---|---|---|
| Bilancio di materia | Dati su alimentazione, combustibile, aria, residui e gas combusti | Bilancio di massa input-output verificato |
| Ossigeno teorico | Carbonio, idrogeno, zolfo e ossigeno nell'alimentazione | Fabbisogno di O₂ per la combustione completa |
| Aria in eccesso | Apporto effettivo di aria o O₂ rispetto al fabbisogno teorico | Percentuale di aria in eccesso |
| Verifica dei gas combusti | Dati su O₂, CO₂, CO, SO₂ e azoto su base secca | Validazione della combustione e delle misurazioni |
| Prestazioni di distruzione | CO, idrocarburi, fuliggine, temperatura e tempo di permanenza | Valutazione della completezza della combustione |
| Trattamento delle emissioni | Bilanci di cloro, zolfo, carbonio, ceneri e particolato | Carico dello scrubber e requisiti di trattamento |
| Qualità dei dati | Basi coerenti umide/secche e tal quale/secche | Risultati difendibili dell'impianto pilota |
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