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Chemical looping desulphurization: model and applications to power systems
(2016-02-26) Settino, Jessica; Molinari, Raffaele; Amelio, Mario
I processi di assorbimento, sia sici che chimici a base di ammine, sono attualmente utilizzati per rimuovere e cacemente i composti dello zolfo. Nonostante l'eccellente desolforazione, questa strategia e termicamente ine ciente, in quanto richiede gas a bassa temperatura. Scopo di questo lavoro e quello di analizzare soluzioni alternative che operino a temperature pi u elevate. A tale scopo, e stato analizzato il processo del chemical looping. Si tratta di una nuova tecnologia, in cui un materiale sorbente, in contatto con il gas combustibile grezzo, viene convertito nel suo solfuro e poi rigenerato cos da ricominciare il ciclo. Il sistema e costituito da due reattori: uno per la rigenerazione e l'altro per la desolforazione. Un modello matematico di tale sistema e stato sviluppato con il software Athena Visual Studio ed i suoi risultati confrontati con quelli ottenuti dal modello proposto dal National Energy Technology Laboratory, validati sulla base di dati sperimentali. Nella fase successiva, il sistema modellato e stato applicato a tre casi studio di interesse industriale: per la produzione di energia elettrica negli impianti a ciclo combinato con gassi cazione integrata, nei processi di metanazione, nei processi per la sintesi del metanolo. Mediante simulazioni, condotte con i software commerciali Thermo ex e UniSim Design, sono stati studiati gli e etti della desolforazione a caldo sulle prestazioni dei diversi sistemi.
Study of an unfried closed joule-brayton cycle in a concentrating solar tower plant with a mass flow rate control system
(2018-07-10) Rovense, Francesco; Furgiuele, Franco; Amelio, Mario; Pèrez, Manuel Silva
Oggigiorno, la domanda di energia primaria è aumentata, raggiungendo un incremento del 62.5% rispetto a 20 anni fa. La necessità di risorse rinnovabili ha spinto le politiche governative di tutto il mondo a incoraggiare lo sviluppo di nuovi sistemi di produzione di energia. Fra questi vi sono i sistemi a concentrazione solare (CSPs), una tecnologia che concentra la radiazione solare rendendola disponibile, attraverso un fluido termovettore (HTF) come fonte di calore in un ciclo termodinamico di potenza. Il ciclo di potenza più efficiente, come noto, è quello Joule-Brayton, che in configurazione chiusa consente l'utilizzo di HTF diversi; inoltre, è possibile lavorare in condizioni di pressione elevate, con alta temperatura operativa ed efficienza di conversione. L’uso dell’aria come fluido di lavoro rende di facile gestione il sistema senza rischi. Inoltre unendo il ciclo chiuso con un sistema CSP, il sistema è totalmente privo di combustione e non essendo necessario l’uso di combustibile, non sono emessi inquinanti. Fra i sistemi CSP, la tecnologia a torre è in grado di poter raggiungere più alte temperature, disponibile quindi nel ciclo Brayton, e per questo motivo è stato considerato il suo uso nelle analisi. La risorsa imprevedibile, rappresentata dalla radiazione solare, richiede un metodo di regolazione per il controllo della potenza generata dall’impianto. In questo lavoro, quindi, è stata analizzata la fattibilità di un ciclo Joule-Brayton chiuso senza combustione, in un impianto solare a concentrazione a torre che utilizza un sistema di controllo della portata massica. Nel ciclo è operato un controllo della temperatura di ingresso della turbina della turbina a gas, quando varia la radiazione normale diretta (DNI) attraverso la regolazione della densità del fluido di lavoro; questa regolazione è attuata attraverso una variazione di pressione di base del ciclo. In questo sistema la turbina gas non cambia la portata volumetrica come anche i triangoli di velocità o i rapporti di pressione, quindi variando la densità del fluido di lavoro, attraverso una variazione di pressione, è possibile regolare la portata massica al fine di controllare la TIT. Controllando la TIT, quindi, è possibile controllare la potenza elettrica prodotta dalla turbina a gas sotto diversi carichi termici del DNI. In questo lavoro, diverse configurazioni, in termini di potenza delle macchine, come anche l’utilizzo di accumulo termico (TES) sono stati analizzate, ponendo particolare attenzione alla progettazione del campo eliostati. I risultati mostrano che l’efficienza globale del ciclo, rimane costante sotto differenti carichi termici dovuti alla radiazione solare, indipendentemente dalla potenza della turbina a gas; l’utilizzo di accumulo permette di aumentare le ore di utilizzo dell’impianto come anche il fattore di utilizzazione (UF). L’analisi economica, effettuata attraverso il metodo del Levelised Cost of Electricity (LCoE) ha reso possibile ottenere un valore del multiplo solare (SM) differente rispetto ai valori tipici usati. In fine è stata considerata l’applicazione in micro scala di questo tipo di impianto, al fine di confrontarlo con un sistema commerciale esistente.
Thermo‐Fluid Dynamics Study of Oxy‐MILD combustion of pulverized coal in furnaces and in a novel concept of boiler
(2017-06-16) Perrone, Diego; Furgiuele, Franco; Amelio, Mario
The thermal power plant for the generation of electricity, which uses coal as a primary energy source, presents multiple issues linked to the emission of pollutants and greenhouse gas (CO2) into the atmosphere. Furthermore, the conventional boilers greatly contribute to the increase of these harmful substances. The aim of this work is to propose and analyze the possibility of combining two new combustion technologies: the so-called oxy and MILD combustion. The rst one, allows to capture the carbon dioxide, while the second one provides several advantages, not only because it reduces the emission of nitrogen oxides, but also because it is characterized by uniform ows in the combustion chamber. Therefore, the challenge is to combine the two technologies with applications in furnaces and a new concept of boiler. For the latter, the planned applications include the ultra-super critical plants. For this reason, numerical simulations have been carried out by means of technical CFD (Computational Fluid Dynamics) because it is hard to provide large-scale tests. The initial phase of the work involves the application of the two technologies in furnaces. The rst one focuses on the MILD combustion by analyzing di erent positions of the pulverized coal jet, while the second one focuses on the application of the combination of the two technologies in order to analyze their e ects in terms of temperature and species concentration distributions. The next phase of the work, instead, has a focus on an innovative boiler. The testing of di erent geometrical solutions and models of char combustion has also allowed to study their e ects in terms of temperature, combustion products concentrations, burnout and, above all, wall heat ux. These latter results have been compared with the ones of traditional boilers and the results reported in the literature. The nal aim of this work is to analyze the advantages deriving from the combination of two technologies into a new concept of boiler, in order to reduce pollutant emissions, greenhouse gases and obtain a better performance than the one at the current state of the art.