FORNI A CARBONE PULVERIZZATO

Il carbone polverizzato (combustibile polverizzato-pf) è stato bruciato in forni rotativi per cemento (vedi Forni) e forni per caldaie (vedi Caldaie). Questi ultimi sono fondamentalmente scatole rivestite di tubi in cui l’acqua è evaporata e contengono una miscela acqua/vapore. Il carbone viene polverizzato in una polvere fine, di solito in modo che il 70% abbia una dimensione inferiore a circa 75 μm, prima di essere trasportato da una parte della corrente d’aria di combustione ai bruciatori. Questi bruciatori di carbone sono di solito montati su una parete verticale, su due pareti verticali opposte o raggruppati uno sopra l’altro ai quattro angoli del forno (vedi Figura 1 e Figura 2). I bruciatori d’angolo sparano tangenzialmente nella fornace dando una singola palla di fiamma in un vortice centrale. Altri disegni, per esempio, usando il down-firing per i carboni a bassa volatilità e i bruciatori per i carboni di bassa qualità ad alta umidità, sono stati discussi da Dryden (1975) e Lawn (1987).

In tutti i forni descritti finora la cenere secca calda cade sul “fondo asciutto” della camera del forno dove viene rimossa. L’eccezione a questo è nelle caldaie a ciclone, che sono solitamente di due tipi. Nel forno a ciclone verticale, una variante del design a combustione tangenziale, le particelle di carbone più grandi sono centrifugate fuori dal flusso di gas per bruciare sulle pareti rivestite di refrattario della parte inferiore della camera, mentre le scorie escono dalla camera del “fondo umido”. L’altro tipo di forno a ciclone usa singole camere cilindriche rivestite di refrattario in cui il carbone brucia per dare gas caldi, che vengono scaricati nel forno principale (vedi riferimenti precedenti).

I grandi forni pf hanno un input di combustibile di circa 200 tonnellate all’ora di carbone (per fornire un carico elettrico di 500 MW) e sono tipiche camere alte 35 m con una sezione trasversale di circa 300 m2 . Il progettista del forno deve assicurarsi che ci sia la giusta quantità di calore trasferito dalle fiamme ai tubi delle pareti per far evaporare la quantità desiderata di acqua e per avere ancora la corretta temperatura del gas all’uscita del forno. Questo deve essere fatto senza eccessivi flussi di calore locali che danneggino i tubi, mentre allo stesso tempo deve essere raggiunta la combustione completa delle particelle di carbone. C’è l’ulteriore considerazione che gli inquinanti, per esempio gli ossidi di azoto, devono essere tenuti al minimo.

Uno dei problemi specifici dei forni a carbone è l’accumulo di cenere o scoria sulle pareti del forno che porta a cambiamenti di temperatura ed emissività. Raask (1985) ha trattato a lungo i depositi di cenere e scorie sulle pareti del forno e le proprietà di trasferimento del calore dei depositi della caldaia. Descrive anche le misure per combattere il fouling nelle caldaie (per esempio, pulizia e miscelazione del carbone, installazione di soffiatori di fuliggine e getti d’acqua). Dati sull’efficienza della combustione (tipicamente oltre il 98%), temperature del gas in uscita dalla caldaia tra circa 1300 K e 1600 K e flussi di calore misurati fino a circa 320 KWm-2 (che aumentano di circa il 10% dopo il soffiaggio della fuliggine) sono stati riportati da Godridge e Read (1976).

I progettisti di caldaie fanno uso di modelli fisici e/o matematici (vedi Forni). Questi ultimi usano sia i bilanci di calore che la fluidodinamica computazionale, CFD. Nel primo metodo il forno è diviso in regioni o zone, vedi Hottel e Sarofim (1967) e Field et al. (1967), e un’applicazione specifica a un forno a pf, anche facendo uso di un modello fisico per fornire informazioni sul trasferimento di massa è stata descritta da Cooper e Gibb (1984). Il metodo CFD è basato sulla soluzione alle differenze finite delle equazioni di conservazione di quantità di moto, entalpia e specie. L’applicazione del metodo ai combustori a ciclone a carbone è stata riportata da Boyson et al. (1986).

Figura 2. Tubi a parete e aperture del bruciatore in una caldaia-focolare a tubi d’acqua alimentata da PF in costruzione. (Riprodotto con il permesso di PowerGen.)