Combustione flameless di metano e idrogeno: impiego della fluidodinamica computazionale per lo sviluppo di bruciatori industriali a basso impatto ambientale

Negli ultimi anni, il consumo mondiale di energia ha evidenziato una crescita continua e significativa (incremento annuo del 2-3%), non solo nei paesi industrializzati ma anche in quelli in via di sviluppo, a causa del rapido processo di industrializzazione e del miglioramento complessivo delle condizioni di vita. L’aumento del fabbisogno energetico, soddisfatto in larga misura dalla combustione dei combustibili fossili, ha determinato un incremento delle emissioni di anidride carbonica e ossidi di azoto in atmosfera. D’altra parte, l’attenzione sempre maggiore rivolta alla qualità dell’aria, intesa come fondamentale componente della qualità della vita, ha spinto la ricerca verso lo sviluppo di sistemi di combustione efficienti e sostenibili, in grado di ottimizzare i consumi di fonti energetiche non rinnovabili e di assicurare, allo stesso tempo, una protezione dell’ambiente a lungo termine e su scala globale. Ciò ha determinato un profondo cambiamento nel ruolo della tecnologia, chiamata ad operare non solo a valle del processo produttivo, con i sistemi di depurazione, ma in tutte le fasi del ciclo stesso, al fine di prevenire la formazione di sostanze inquinanti. È evidente come un approccio di questo tipo richieda uno sforzo significativo, volto a chiarire i meccanismi di formazione delle sostanze inquinanti e le interazioni tra cinetica chimica, turbolenza e scambio termico. Gli ossidi di azoto (NOx) sono considerati tra i maggiori inquinanti atmosferici. Essi contribuiscono, infatti, ad originare lo “smog fotochimico”, nebbie e piogge acide. Inoltre, per quanto riguarda gli effetti accertati sull’uomo, gli NOx sono gas irritanti per l’apparato respiratorio e per gli occhi e, in caso di lunghe esposizioni, possono favorire l’enfisema polmonare e ridurre la resistenza alle infezioni batteriche. Nel corso degli ultimi anni, sono stati registrati grandi progressi nello sviluppo di sistemi di combustione in grado di limitare le emissioni di NOx, che sono generati anche nell’ossidazione di combustibili puliti come gas naturale e idrogeno a seguito della reazione ad alta temperatura tra l’azoto presente nell’aria comburente e l’ossigeno. L’impiego delle marmitte catalitiche è ormai obbligatorio in molti paesi e numerose aziende produttrici di sistemi di combustione hanno sviluppato bruciatori a bassa emissione di azoto (low-NOx burner e ultra-low-NOx burner). Un altro aspetto centrale nel campo della ricerca sulla combustione è costituito dal miglioramento delle prestazioni energetiche. Questo obiettivo viene generalmente ottenuto con sistemi rigenerativi, che permettono di recuperare l’energia contenuta nei gas esausti, realizzando un preriscaldamento dell’aria comburente. Tuttavia, ciò determina un innalzamento dei livelli di temperatura nel sistema e favorisce, pertanto, la formazione dell’ossido di azoto con il meccanismo termico. L’impegno profuso al fine di superare la contraddizione tra risparmio energetico ed emissioni di NO ha permesso di sviluppare una tecnologia di combustione innovativa, nota come ossidazione flameless, applicabile a sistemi operanti con elevati ricircoli di gas esausti e temperature superiori a quella di auto-ignizione del combustibile. Il presente lavoro di Tesi di Laurea Specialistica ha riguardato la modellazione CFD di un bruciatore pilota installato presso l’Area Sperimentale Enel-Ricerca di Livorno, in grado di operare sia in regime di combustione con fiamma stabilizzata al bruciatore (flame) che in modalità di combustione flameless. La simulazione numerica del bruciatore è stata realizzata utilizzando il codice di calcolo commerciale CFX-5.7, di recente acquisizione presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica Industriale e Scienza dei Materiali dell’Università di Pisa. Per valutare le prestazioni del codice di calcolo nella modellazione di problemi di combustione ed accertare l’influenza dei parametri gestibili sulle soluzioni, è stata effettuata, in fase preliminare, una procedura di validazione del codice stesso, attraverso il confronto con dati sperimentali disponibili in letteratura. Non è stato possibile, infatti, disporre di misurazioni relative al flusso interno al bruciatore flameless, dal momento che il combustore pilota è equipaggiato esclusivamente con una strumentazione esterna, per la valutazione della temperatura esterna dei tubi e della concentrazione di NO e O2 nei fumi. Si è deciso, pertanto, di testare le potenzialità del codice CFX-5.7 nella simulazione numerica di un bruciatore bluff-body, caratterizzato sperimentalmente presso i laboratori della Sidney University e del Sandia National Laboratories. La modellazione di questo sistema è piuttosto complessa dal momento che la fiamma, generata dalla combustione di una miscela metano-idrogeno, è non confinata e parzialmente distaccata (50% blow-off). Le misure sperimentali, realizzate nei due laboratori con tecniche ottiche non intrusive, sono state confrontate con i risultati delle simulazioni numeriche condotte con due differenti modelli di turbolenza. Ciò ha permesso di confermare che il modello k-ε standard tende a sovrastimare lo spread di getti circolari, mentre un miglior accordo con i dati sperimentali può essere ottenuto variando da 1.44 a 1.6 la costante Cε1, che compare nell’equazione di trasporto della dissipazione ε. Inoltre, il modello di combustione Eddy Dissipation e gli schemi cinetici globali, impiegati per modellare la formazione dell’ossido nitrico con i meccanismi termico e prompt, si sono rivelati sufficientemente accurati per descrivere la distribuzione delle temperature e delle concentrazioni di NO all’interno del sistema. Dopo aver realizzato la messa a punto del codice di calcolo, si è passati alla modellazione numerica della combustione senza fiamma. L’analisi dei risultati ha evidenziato che l’ossidazione flameless è essenzialmente legata alla ricircolazione dei gas di combustione caldi nella zona di reazione e al loro miscelamento con l’alimentazione fresca, necessario a portare la temperatura dei reagenti al di sopra di quella di auto-ignizione del combustibile. La struttura del campo di moto all’interno del bruciatore ha confermato, inoltre, che il ricircolo dei fumi esausti è ottenuto grazie alla particolare struttura interna del bruciatore e all’azione di trascinamento esercitata dal getto di aria entrante ad aria velocità sui gas esausti. L’analisi delle caratteristiche del flusso reagente, al variare del rapporto di ricircolo dei gas, ha permesso di confermare che, in regime di combustione flameless, la zona di reazione non è limitata alla sola regione del fronte di fiamma ma si estende a gran parte del volume disponibile nel bruciatore. Il sistema evolve verso condizioni tipiche di un reattore perfettamente miscelato (well stirred reactor) e i tempi caratteristici della cinetica e della turbolenza risultano confrontabili. Il confronto tra i risultati ottenuti con i due combustibili impiegati ha evidenziato che il valore minimo del rapporto di ricircolo richiesto per operare in modalità di combustione mild passa dal 200%, nel caso del metano, al 230%, nel caso delle miscele metano-idrogeno. Questa differenza può essere attribuita alla maggiore reattività chimica dell’idrogeno che rende significativo, fino a valori più elevati del rapporto di ricircolo, l’effetto dell’incremento della turbolenza del sistema (conseguente all’aumento del grado di ricircolo) sulla velocità globale del processo di combustione. La transizione dal regime di combustione convenzionale a quello flameless è accompagnata da un drastico abbattimento delle emissioni di NO, che vengono ridotte di circa due ordini di grandezza, passando da valori tipici dei sistemi di combustione convenzionali (500 ppm) a valori inferiori ai 10 ppm. Si tratta di una conclusione molto importante, che conferma le straordinarie potenzialità di questa tecnologia di combustione in termini di riduzione delle emissioni inquinanti. Oltre a valutare l’influenza delle condizioni operative sul regime di combustione nel bruciatore, è stata presa in esame la dipendenza delle soluzioni dai modelli fisici adottati (modello di turbolenza, modello di radiazione, modello cinetico). Analogamente a quanto osservato per il bruciatore bluff-body, la variazione della costante Cε1 del modello di turbolenza k-ε dal valore standard di 1.44 a 1.6 determina un incremento significativo della velocità del fluido in prossimità dell’asse e un’intensificazione dell’azione di trascinamento esercitata dal flusso d’aria in ingresso sui gas esausti. L’alterazione della struttura del campo di moto influenza anche il processo di combustione, dal momento che il minore rilassamento del getto d’aria determina uno spostamento del punto d’ignizione della miscela più a valle lungo l’asse del bruciatore rispetto a quanto indicato dal modello k-ε standard. Lo studio della radiazione è stato affrontato con particolare dettaglio, dal momento che in letteratura non sono presenti, per nostra conoscenza, studi esaustivi sull’argomento, pur essendo l’irraggiamento fondamentale nel funzionamento dei bruciatori flameless industriali. Tale analisi ha permesso di evidenziare che il modello spettrale (per il calcolo delle proprietà radiative) Gray determina una sovrastima del calore perso per irraggiamento dalla zona di combustione. La differenza tra i modelli Gray e WSSG si riduce, tuttavia, all’aumentare del ricircolo, ad indicare che l’evoluzione del sistema verso condizioni perfettamente miscelate favorisce una distribuzione più uniforme delle specie emittenti nel sistema. È possibile concludere, pertanto, che in regime di combustione flameless (elevati ricircoli di gas esausti) è possibile fare riferimento ad un modello a gas grigio e considerare, pertanto, proprietà radiative costanti in tutto lo spettro delle lunghezze d’onda. L’errore commesso con tale approssimazione risulta, infatti, trascurabile mentre la riduzione del costo computazionale richiesto è significativa. Per quanto riguarda la scelta del modello di radiazione, è stato realizzato un confronto tra un modello semplificato, P1, e il modello Monte Carlo, oneroso da un punto di vista computazionale ma in grado di fornire soluzioni molto accurate. I risultati hanno evidenziato che, in regime flameless, il modello P1 tende a sottostimare i livelli di temperatura nel bruciatore. L’entità di tale sottostima risulta, tuttavia, del tutto accettabile in applicazioni ingegneristiche, soprattutto alla luce della considerevole riduzione del costo computazionale. Infine, non è stato possibile valutare l’influenza del modello cinetico sulle soluzioni dal momento che le simulazioni condotte con il meccanismo cinetico quasi globale sono risultate numericamente instabili e non convergenti, a causa dell’elevata complessità del calcolo. Per superare questa difficoltà potrebbe essere utile, in futuro, accoppiare il codice CFD a moduli per la riduzione in situ della cinetica chimica. Ciò permetterebbe, infatti, di considerare schemi dettagliati e di semplificare, al contempo, le complesse interazioni tra chimica e turbolenza

Enriched MU-Calculi Module Checking

The model checking problem for open systems has been intensively studied in the literature, for both finite-state (module checking) and infinite-state (pushdown module checking) systems, with respect to Ctl and Ctl*. In this paper, we further investigate this problem with respect to the \mu-calculus enriched with nominals and graded modalities (hybrid graded Mu-calculus), in both the finite-state and infinite-state settings. Using an automata-theoretic approach, we show that hybrid graded \mu-calculus module checking is solvable in exponential time, while hybrid graded \mu-calculus pushdown module checking is solvable in double-exponential time. These results are also tight since they match the known lower bounds for Ctl. We also investigate the module checking problem with respect to the hybrid graded \mu-calculus enriched with inverse programs (Fully enriched \mu-calculus): by showing a reduction from the domino problem, we show its undecidability. We conclude with a short overview of the model checking problem for the Fully enriched Mu-calculus and the fragments obtained by dropping at least one of the additional constructs

Mixed Nash equilibria in selfish routing problems with dynamic constraints

AbstractWe study the problem of routing traffic through a congested network consisting of m parallel links, each having a certain speed. Moreover, we are given n selfish (non-cooperative) agents, each of them willing to route her own piece of traffic on exactly one link. Agents are selfish in that they only pick a link which minimize the delay of their own piece of traffic. In this context much effort has been lavished in the framework of mixed Nash equilibria where the agent’s routing choices are regulated by probability distributions, one for each agent, which let the system thus enter a steady state from which no agent is willing to unilaterally deviate. In this work we consider situations in which some agents have constraints on the routing choice: in a sense they are forbidden to route their traffic on some links. We show that at most one Nash equilibrium may exist and, in some cases with equal speed links and where each agent is forbidden to route on at most one link, we give necessary and sufficient conditions on its existence; these conditions correlate the traffic load of the agents. We consider also a dynamic behaviour of the network when the constraints may vary, in particular when a constraint is removed: we establish under which conditions the network is still in equilibrium. These conditions are all effective in the sense that, given a set of yes/no routing constraints on each link for each agent, we provide the probability distributions corresponding to the unique Nash equilibrium associated to the constraints (if it exists). Moreover these conditions and the possible Nash equilibrium are computed in time O(mn)

The optimization of chemical kinetics with respect to mild combustion

This work has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Sklodowska- Curie grant agreement No 643134.info:eu-repo/semantics/nonPublishe

Interazioni tra fumi e sistemi sprinkler: analisi fluidodinamica durante un incendio

Gli incendi in galleria costituiscono uno degli scenari incidentali di maggior rischio e sono stati oggetto di ampi studi in letteratura, volti ad indagarne lo sviluppo o l’influenza di vari parametri, come ad esempio l’effetto delle ostruzioni sulla velocità critica di ventilazione. Uno sviluppo minore è invece riscontrabile per quanto riguarda l’utilizzo e gli effetti di impianti di tipo sprinkler per migliorare la sicurezza dei tunnel stradali. Un esempio recente è costituito dallo studio di Zheng e Ingason, in cui l’impiego di sprinkler è stato testato su una riproduzione in scala di una galleria stradale. Questo studio si propone di indagare l’interazione tra i fumi e i sistemi antincendio fissi ad acqua in galleria, problema che risulta essere tuttora non completamente risolto

Numerical study of the three-folded effect of steam dilution on hydrogen ignition in a RCM with detailed kinetics

Moderate or Intense Low-oxygen Dilution (MILD) regime is a promising candidate for combustion future, since it meets the nowadays requested criteria for fuel flexibility, efficiency and inhibition of pollutant formation, such as NOx and soot. This regime is obtained through preheating of the oxidizer flow, and a specific internal aerodynamic of the burner in conjunction with high velocity inlet, which is responsible for flue gases recirculation and turbulent mixing. This results in a localized reduction of O2, and a strongly diluted fuel mixture, leading to delayed ignition and to a homogeneous as well as distributed reaction zone. In the last years, hydrogen has attracted great attention as Energy Carrier for its storage opportunity and the absence of the pollutant (CO2, SOx and UHC) among its products. Its importance will increase within the next years. Its usage as an enrichment for methane, has been investigated for MILD condition in a Jet in hot coflow burner. In particular, A. Parente et al. [4] concluded that the hydrogen addition leads to complex oxidation behaviors, which requests detailed kinetics for a full phenomenon description. In fact, MILD combustion is characterized by a low Damköhler numbers regime, and the presence of a relevant amount of diluent make the mixing and the chemistry time scales overlap. For this reason, the kinetic mechanism, which were validated using conventional combustion data, usually accomplish a non-accurate estimation for these, conditions. According to Koroglu et al., diluents like CO2, and H2O exert a three-folded effect on the system, namely thermal (like N2 does), indirect and direct participation to single kinetic steps, as a collider and a reactant, respectively. However, we are far away from having a clear insight into the role of such species in MILD combustion, especially for Ignition delay time, one of the most important kinetic parameters in MILD combustion, along with the maximum temperature. Different experimental studies faced the H2/Oxidizer/Steam mixtures combustion in canonical reactors, namely: Wang et al. and Vasu et al. using a shock tube reactor, while Das et al., and Donohoe et al.. Recently, Shareh et al. studied the three-folded effect of CO2 dilution on methane flame speed for oxyfule combustion performing a fake species analysis (FSA). The aim of this work is to understand what is the steam dilution driving effect, for hydrogen ignition using the latter FSA approach for high Temperatures

The effect of combustion sub-grid closures in LES of MILD combustion

info:eu-repo/semantics/nonPublishe

Kinetic modeling of soot formation in premixed burner-stabilized stagnation ethylene flames at heavily sooting condition

A detailed kinetic mechanism of soot formation and oxidation is revised and extended to include temperature-dependent collision efficiencies. The collision efficiency for various particle size is studied and compared with experimental data and molecular dynamics simulations for the PAH dimerization where the experimental data are not available. This revised kinetic model is validated in comparison with the premixed burner-stabilized stagnation ethylene flames at heavily sooting conditions. The results showed that quasi-one-dimensional numerical simulations can capture the flame structure and predict soot formation quite satisfactorily. The predicted particle size distribution function (PSDF) is in reasonable agreement with experimental results, but the model only partially reproduces the distinct separation between nucleation and coagulation modes observed experimentally. This leads to some discrepancies in the prediction of soot number density, while the predicted soot volume fraction, which is dominated by the large particles of the PSDF, is in generally good agreement with the experimental data. There is an overestimation of the initial soot volume fraction in the flame region close to the burner, which is a consequence of the over-prediction of the amount of young particles. Therefore, the prediction of PAHs formation and their condensation on soot, which controls the nucleation rate, will require further attention. The comparison between the temperature-dependent model and the model neglecting the temperature dependency showed that the temperature-dependent model could improve the prediction of soot number density, which is controlled by small particles

A Principal Components Analysis-Based Method for the Detection of Cannabis Plants Using Representation Data by Remote Sensing

Integrating the representation of the territory, through airborne remote sensing activities with hyperspectral and visible sensors, and managing complex data through dimensionality reduction for the identification of cannabis plantations, in Albania, is the focus of the research proposed by the multidisciplinary group of the Benecon University Consortium. In this study, principal components analysis (PCA) was used to remove redundant spectral information from multiband datasets. This makes it easier to identify the most prevalent spectral characteristics in most bands and those that are specific to only a few bands. The survey and airborne monitoring by hyperspectral sensors is carried out with an Itres CASI 1500 sensor owned by Benecon, characterized by a spectral range of 380–1050 nm and 288 configurable channels. The spectral configuration adopted for the research was developed specifically to maximize the spectral separability of cannabis. The ground resolution of the georeferenced cartographic data varies according to the flight planning, inserted in the aerial platform of an Italian Guardia di Finanza's aircraft, in relation to the orography of the sites under investigation. The geodatabase, wherein the processing of hyperspectral and visible images converge, contains ancillary data such as digital aeronautical maps, digital terrain models, color orthophoto, topographic data and in any case a significant amount of data so that they can be processed synergistically. The goal is to create maps and predictive scenarios, through the application of the spectral angle mapper algorithm, of the cannabis plantations scattered throughout the area. The protocol consists of comparing the spectral data acquired with the CASI1500 airborne sensor and the spectral signature of the cannabis leaves that have been acquired in the laboratory with ASD Fieldspec PRO FR spectrometers. These scientific studies have demonstrated how it is possible to achieve ex ante control of the evolution of the phenomenon itself for monitoring the cultivation of cannabis plantations

Nitrosative stress defences of the enterohepatic pathogenic bacterium Helicobacter pullorum

Helicobacter pullorum is an avian bacterium that causes gastroenteritis, intestinal bowel and hepatobiliary diseases in humans. Although H. pullorum has been shown to activate the mammalian innate immunity with release of nitric oxide (NO), the proteins that afford protection against NO and reactive nitrogen species (RNS) remain unknown. Here several protein candidates of H. pullorum, namely a truncated (TrHb) and a single domain haemoglobin (SdHb), and three peroxiredoxin-like proteins (Prx1, Prx2 and Prx3) were investigated. We report that the two haemoglobin genes are induced by RNS, and that SdHb confers resistance to nitrosative stress both in vitro and in macrophages. For peroxiredoxins, the prx2 and prx3 expression is enhanced by peroxynitrite and hydrogen peroxide, respectively. Mutation of prx1 does not alter the resistance to these stresses, while the single ∆prx2 and double ∆prx1∆prx2 mutants have decreased viability. To corroborate the physiological data, the biochemical analysis of the five recombinant enzymes was done, namely by stopped-flow spectrophotometry. It is shown that H. pullorum SdHb reacts with NO much more quickly than TrHb, and that the three Prxs react promptly with peroxynitrite, Prx3 displaying the highest reactivity. Altogether, the results unveil SdHb and Prx3 as major protective systems of H. pullorum against nitrosative stress