Gassificazione - Brevetti & Progetti
Brevetto n.1
GASSIFICATORE PER LA CONVERSIONE ENERGETICA DI BIOMASSE,
A LETTO FISSO MOBILIZZABILE E CON STRIZIONI MOVIBILI,
FUNZIONANTE A TIRAGGIO INFERIORE E CONVERTIBILE IN TIRAGGIO
SUPERIORE
L’innovazione è costituita da un gassificatore a letto fisso
dotato di un sistema meccanico a vomere rotante per la
rottura dei ponti di combustibile che si formano durante il
funzionamento nell’area di combustione. Il sistema è
progettato per operare in due differenti modalità in
funzione dell’umidità della biomassa combustibile, tramite
semplici e veloci modifiche operative della macchina. Con
biomassa avente umidità residua da 0% al 20%, il
funzionamento del sistema avviene a tiraggio inferiore o
equicorrente (Downdraught) producendo un gas avente un basso
tenore in condensati e catrami in quanto i prodotti pesanti,
generati nella zona di pirolisi, vengono crakizzati
transitando nella sottostante zona di combustione,
semplificando così le operazioni di pulizia del gas e di
manutenzione degli apparecchi. Con biomassa avente umidità
residua da 20 a 40% il funzionamento del sistema avviene a
tiraggio superiore (Updraught), eliminando le strizioni
mobili di materiale refrattario, invertendo l’ingresso
dell’aria ed estraendo il gas da un’uscita predisposta alla
sommità del sistema. La versatilità del sistema a funzionare
con biomasse combustibili aventi condizioni fisiche molto
diverse, costituisce un apprezzabile vantaggio operativo nel
settore della produzione di energia da materie residuali.
Durante il funzionamento del reattore di gassificazione
descritto possiamo distinguere le quattro zone ben definite
di reazione a temperature differenti. Esse sono
sinteticamente elencate: essiccamento (< 120°C), pirolisi
(200 – 800°C), combustione (800 – 1200°C), riduzione del
carbonio (800 – 1000°C) che è l’area dove si produce il gas
combustibile.
La gassificazione di biomasse con umidità residue dallo 0%
al 20 – 25% viene effettuata con gassificatori a tiraggio
inferiore (downdraught), mentre per gassificare biomasse più
umide sino ad oltre il 40% di umidità residua vengono
impiegati gassificatori a tiraggio superiore (updraught). Il
problema che l’innovazione intende risolvere è la
possibilità di gassificare biomasse con concentrazioni di
umidità residue variabili dallo 0 % al 40 % in peso,
utilizzando un unico reattore di gassificazione, predisposto
a piccole e rapide modifiche nelle modalità operative.
L’innovazione che si descrive è un reattore di
gassificazione a letto fisso che può funzionare in modalità
di tiraggio sia inferiore sia superiore. Nella modalità di
funzionamento a tiraggio inferiore, il combustibile scende
per gravità verso la parte bassa del reattore, man mano che
la biomassa si trasforma in gas. Il combustibile è
supportato da una strizione del reattore, detta gola, dove
avviene la maggior parte delle reazioni di gassificazione. I
prodotti della gassificazione sono intimamente miscelati in
questa zona, turbolenta e ad alta temperatura. E’ quindi qui
favorita la rottura delle molecole organiche e dell’olio
pirolitico (cracking), processo che è completato insieme
alle reazioni di gassificazione nella sottostante zona di
riduzione. La biomassa è apportata in continuo
introducendola nel reattore attraverso una valvola a stella
che garantisce al contempo la tenuta pneumatica. Il livello
del letto è mantenuto entro un valore fissato da un sensore
che governa detta valvola a stella. Il gas prodotto è
estratto dal basso sotto una griglia a movimento automatico,
attraverso un tubo di estrazione connesso ad un ventilatore
aspirante. A causa della continua rimozione del gas, l'aria
è aspirata dentro il letto.
Nell'intorno dell’ingresso dell'aria (con rapporto di
ossigeno sottostechiometrico rispetto ad una normale
combustione) avviene una combustione parziale esotermica,
con temperatura attorno ai 1000°C, che crea uno strato di
materiale carbonioso al di sotto dell'entrata dell'aria. Il
gas (biossido di carbonio) attraversandolo, genera una
reazione endotermica trasformandosi in monossido di
carbonio. Il sistema è provvisto di un tubo dotato di vomeri
rotanti che permette di rompere i ponti eventualmente
formantisi nella biomassa in pirolisi. La tubazione oltre
che da supporto ai vomeri funge anche da ingresso per
eventuali additivi o catalizzatori, all’iniezione di vapore,
nel caso si intenda produrre gas d’acqua anziché gas d’aria.
Il calore prodotto nella zona di combustione è usato per
asciugare la biomassa nella zona sopra l'alimentazione
dell'aria. Questa modalità di funzionamento consente alte
conversioni dei prodotti di pirolisi e quindi un basso
contenuto di tar nel gas combustibile di sintesi che si
presta bene ad essere utilizzato per generazione elettrica
di piccola taglia con motori a combustione interna.
Nella modalità di funzionamento a tiraggio superiore
(analoga alla precedente nelle linee principali delle
reazioni di gassificazione), il sistema viene semplicemente
modificato, invertendo l’estrazione del gas. Esso viene
prelevato non più dalla parte bassa della macchina, ossia al
di sotto della griglia mobile, bensì da una condotta situata
nella parte alta dell’impianto. La nuova circolazione del
gas è controllata tramite l’azionamento manuale di
saracinesche. Vengono eliminate le gole in materiale
refrattario (appositamente studiate per questa operazione),
che possono essere estratte dall’alto a reattore aperto. In
questa modalità di funzionamento, i gas caldi, attraversano
il materiale che scende verso la zona di combustione. Esso
viene così essiccato e subisce una prima pirolisi. Questa
modalità di funzionamento ha il pregio di poter funzionare
anche con combustibile biomassa molto umido (umidità residua
sino al 40 %). Il gas di sintesi cosi prodotto, data la
maggiore concentrazione di catrami, rispetto alla precedente
descritta, si presta ad essere utilizzato come combustibile
in caldaie e bruciatori in genere.
Sotto il profilo della sicurezza per gli operatori e per le
strutture dove viene installato l’impianto, si può notare
che il sistema funziona in lieve depressione barometrica
creata da un ventilatore aspirante posto a valle del
reattore stesso. Sono dunque escluse esplosioni dovute a
sovrapressioni o ad accumuli di syngas, in quanto lo stesso
viene utilizzato sul luogo di produzione anche a motivo
della sua difficile conservazione nel tempo. Inoltre il
sistema è intrinsecamente sicuro in quanto mancando, per
qualsiasi motivo l’aspirazione, la combustione cessa
automaticamente per mancanza di comburente.
Sistema costituito da un tubo rotante, entrante nel reattore
di gassificazione dalla copertura e provvisto di vomeri
saldati al tubo stesso che ruotando rompono i ponti di
biomassa in combustione per favorirne la discesa. La forma
dei vomeri viene variata in funzione del tipo di biomassa da
movimentare. Il tubo rotante oltre a fungere da supporto ai
vomeri miscelatori è utilizzato anche per l’accensione della
macchina nonché per l’inserimento nel processo di
gassificazione di sostanze acceleranti, ritardanti,
catalizzatori.
Sistema di cui alla rivendicazione precedente in cui
attraverso il tubo rotante può essere inserito vapore
direttamente nella zona di combustione in maniera da
ottenere, alla fine del processo, un arricchimento della
percentuale di idrogeno contenuta nel gas prodotto
Sistema per il restringimento della sezione interna del
reattore di processo (strizioni), costituito da corpi in
materiale refrattario, di forma tronco conica, cava
all’interno, da alloggiarsi all’interno del reattore di
processo. Essi sono estraibili o removibili con movimento a
baionetta.
Brevetto n 2
GASSIFICATORE A 2 STADI, CON RECUPERO ENERGETICO DEL
CALORE SENSIBILE DEL GAS CON PROCESSO OTTIMIZZATO DA UN
REATTORE A GEOMETRIA VARIABILE E DA UN CORRETTIVO INTEGRATO,
PER IL TRATTAMENTO DI BIOMASSE, RIFIUTI ORGANICI E FANGHI DI
DEPURAZIONE.
Il sistema è costituito da un reattore di gassificazione per
biomasse che genera gas di sintesi da utilizzare sia in
caldaie che in motori a combustione interna. Con il tiraggio
inverso o equicorrente (Downdraught) il gas prodotto ha un
basso tenore in condensati e catrami in quanto i prodotti
pesanti, generati nella zona di pirolisi, vengono
crackizzati transitando nella sottostante zona di
combustione: le operazioni di pulizia del gas e di
manutenzione degli apparecchi sono così alleggerite. Le
innovazioni sono:
a) Anticipazione della pirolisi con il preriscaldamento del
combustibile ottenuto per mezzo del recupero del calore
sensibile del syngas. La biomassa viene convogliata al
reattore tramite una pirococlea orizzontale nella cui
intercapedine fluisce il syngas caldo. Il piccolo diametro
della pirococlea permette a tutta la massa di raggiungere le
elevate temperature necessarie ad una pirolisi secondaria.
b) Correttivo integrato in grado di migliorare il processo
di gassificazione. Una miscela minerale, non metallica,
facilita le reazioni di scissione degli idrocarburi pesanti
ed eleva il rapporto Calcio–metalli alcalini nelle biomasse
con ceneri bassofondenti rendendo possibile la
gassificazione dei materiali erbacei come paglia, fieno,
miscanto, sorgo e mais.
c) Riscaldamento dell’agente gassificante recuperando il
calore sensibile del syngas. L’agente, prelevato
dall’esterno, viene convogliato in un toro di riscaldamento
posizionato nella parte bassa del reattore e lambito dal
syngas in uscita dalla zona di riduzione. L’aria così
riscaldata viene inviata ad un classico toro di
distribuzione su cui sono innestati gli ugelli.
d) Anello refrattario a geometria variabile. Questa
innovazione permette di gassificare materiali biologici con
caratteristiche chimico-fisiche particolari variando sia le
dimensioni della zona di ossidazione e della zona di
riduzione.
Le innovazioni permettono il recupero energetico del calore
sensibile del syngas appena prodotto, per il
preriscaldamento del combustibile e dell’agente
gassificante, l’ottimizzazione del processo con una pirolisi
ad alta temperatura ed elevato tempo di residenza e con un
catalizzatore, incluso nel correttivo integrato, in grado di
migliorare le reazioni di cracking del catrame, la
variazione dei rapporti geometrici tipici del reattore in
funzione della pezzatura, delle caratteristiche
chimico-fisiche dei combustibili e delle potenzialità
necessarie ad una gestione economica del gassificatore.
La biomassa, apportata in continuo al reattore mediante una
pirococlea orizzontale inserita in una condotta cilindrica,
viene riscaldata e quando scende per gravità verso la parte
inferiore del reattore, è aiutata da un sistema antibridging,
già brevettato, che, attraverso una serie di vomeri rotanti,
permette di rompere i ponti eventualmente formatisi .
Dopo il transito nella pirococlea il combustibile si
presenta in parte solido, in parte liquido ed in parte
gassoso, pronto per una combustione ottimizzata quando entra
a contatto con il comburente. Nella zona in cui l’aria entra
con una temperatura di circa 600°, avviene una combustione
parziale, con ossigeno sottostechiometrico. Sotto gli
ugelli, il reattore ha una restrizione dove si raggiungono
temperature di 1200-1300°C. In questa zona, a causa della
turbolenza, creata dal brusco restringimento di sezione, e
dell’alta temperatura, si ha una intima miscelazione dei
prodotti di gassificazione ed avviene la rottura delle
molecole dell’olio pirolitico (cracking). In questa zona e
con queste temperature le biomasse a ceneri bassofondenti
diventerebbero liquide e raffreddatesi, oltrepassata la
strizione, darebbero origine a scorie vetrose incompatibili
con il normale funzionamento del reattore. Il correttivo
integrato modifica i rapporti stechiometrici dei metalli
alcalini nelle ceneri ed elevandone la temperatura di
fusione, rende possibile mantenere ottimale la temperatura
di processo. Poiché il catrame si presta ad un cracking
catalitico, nel correttivo integrato, alcuni componenti sono
catalizzatori minerali dedicati ad attivare tutte le
reazioni di scissione.
La modalità di funzionamento a tiraggio inverso consente
alte conversioni dei prodotti di pirolisi e quindi un basso
contenuto di tar nel gas combustibile di sintesi: questa
peculiarità è enfatizzata dall’uso della pirococlea e del
correttivo integrato che ottimizzano i processi di
combustione e piroscissione. Le migliorie consentono di
minimizzare la presenza di incombusti, inconveniente
associato al tiraggio inverso, che diminuiscono
drasticamente per l’ossidazione omogenea della biomassa.
Il correttivo integrato denominato “stopglass” è costituito
da una miscela minerale avente la funzione di impedire la
formazione dei vetri con ceneri bassofondenti e di agevolare
la completa piroscissione dei catrami all’interno del
reattore. Il composto è una miscela ponderale di calcite
(CaCO3), di dolomite (MgCa(CO3)2,), di fayalite (FeSiO4), di
forsterite (MgSiO4) e di leganti inerti. La quantità di
correttivo e la sua granulometria dipendono dal tipo di
biomassa, dalla sua pezzatura e densità energetica.
Prototipo
Syngen ha realizzato un prototipo per valutare il processo
di gassificazione in un reattore a letto fisso e tiraggio
inverso e verificare sul campo i parametri di processo
indicati dalla letteratura scientifica sull’argomento.
Con le prove sperimentali ci siamo prefissi due obbiettivi:
1. Individuazione della capacità di gassificazione per
dimensionare il reattore in funzione delle caratteristiche
della biomassa di alimentazione ed in funzione delle
quantità orarie ed annuali da gassificare.
2. Caratterizzazione della miscela gassosa generata dal
processo in termini di volumi, potere calorifico e
composizione per dimensionare l’utenza a valle del reattore
e poter valutare l’inserimento del processo nella filiera
esistente.
L’analisi delle emissioni in atmosfera è stata demandata ad
una seconda fase di sperimentazioni quando al prototipo sarà
associata un utenza: essiccatore e/o motore.
Inizialmente, le prove sono state effettuate con legno
pellettizzato facilmente reperibile in commercio e dalle
caratteristiche fisiche abbastanza costanti (5% di cenere
sul t.q. e 20% di umidità sul t.q.). Una volta verificati i
parametri di interesse con questa biomassa, sono state
eseguite ulteriori prove di verifica, con tutta una gamma di
materiali di diversa composizione e di versa pezzatura fino
ai limiti del diagramma di Tanner.
In questo prototipo è possibile inserire refrattari con
differenti diametri di strizione e diverse altezze della
zona di riduzione. Il sistema di pulizia del gas è
ridondante e, a valle del ciclone, consiste in una colonna a
carboni attivi, in uno spray-scrubber e in una colonna di
scambio per il semplice raffreddamento del gas; tutti questi
dispositivi possono essere esclusi dal flusso al fine di
valutarne l’efficacia.
CARICAMENTO CON CARBONELLA
Il reattore viene caricato manualmente dall’apertura
superiore di alimentazione tramite carbone vegetale; questo
fatto permette di sfruttare il maggior potere calorifico di
quest’ultimo e di raggiungere più velocemente la temperatura
di esercizio.
ACCENSIONE
L’impianto è dotato di un ventilatore di start-up che serve
ad avviare la combustione con il top del reattore aperto in
modo da favorire la combustione e l’aumento di temperatura
all’interno del reattore nel più breve tempo possibile.
Quando la propagazione della fiamma risulta omogenea viene
avviata la soffiante in aspirazione in serie al ventilatore
e chiuso il top del reattore. In questo modo si instaura il
flusso a tiraggio inverso con il riscaldamento della zona di
riduzione. I due ventilatori in serie forniscono un eccesso
d’aria fino al raggiungimento della temperatura di
esercizio; conseguentemente il ventilatore di start-up viene
spento e il processo viene regolato dalla sola soffiante.
CARICAMENTO CON BIOMASSA ESSICCATA E PELLETTIZZATA
Quando il reattore ha raggiunto la temperatura di esercizio
viene alimentato con biomassa pellettizzata della quale sono
state analizzate le caratteristiche più importanti ai fini
delle prove.
Al di sopra della zona di combustione deve sempre essere
mantenuta una colonna di biomassa la quale si riscalda e si
pirolizza predisponendosi alla gassificazione. Si è notato
che con il reattore a regime è possibile operare in open-top
in quanto il volumi d’aria che transitano attraverso la
biomassa avendo il reattore aperto sono trascurabili.
CALIBRAZIONE DELLA QUANTITA’ DI OSSIGENO
Per il mantenimento di una corretta gassificazione è
necessario garantire una combustione parziale della biomassa
la quale genera calore e CO2 necessari alla reazione
endotermica di riduzione. Questa combustione parziale viene
ottenuta attraverso la regolazione dei volumi di aria
comburente in entrata operando sull’inverter della soffiante
(che ne riduce la velocità e quindi il ∆p) oppure riducendo
la sezione di entrata dell’aria a parità di ∆p.
Il coperchio dell’alimentazione può essere sigillato con dei
bulloni.
PULIZIA DEL GAS
Il gas dopo essere stato depolverato nel ciclone, viene
inizialmente fatto transitare nella colonna a carboni
attivi, per catturare i tars, fino a quando tutto il sistema
non avrà raggiunto e superato la temperatura di
condensazione degli stessi (70°C) ed evitare così, che le
tubature ancora fredde facciano condensare i tar
intasandosi. Quando la temperatura delle tubature è
sufficientemente eleveta la colonna a carboni attivi viene
esclusa dal flusso ed il gas caldo transita direttamente
nello spray-scrubber dove viene lavato. Il lavaggio consente
di abbattere le polveri fini sfuggite al ciclone e di far
condensare i contaminanti gassosi come il tar.
Gasogen
Il progetto Gasogen è stato elaborato da Syngen per gli usi
termici del gas in maniera particolare il recupero del
calore sensibile del Syngas.
Infatti non avendo un motore a valle da cui poter recuperare
calore per cogenerazione le sorgenti di calore a basso costo
sono molto ridotte.
Il pregio di questo impianto è la sua mobilità in qunto non
essendo asservito alla rete elettrica può essere spostato
facilmente per realizzare campagne di massificazione ad
esempio durante i periodi di essiccamento.
Caimano
Il progetto Caimano (acronimo di Cogeneratore
AgroIndustriale con Motore Alterantivo Non Operato ) è stato
elaborato per affrontare la generazione di energia elettrica
da biomasse in contesti agroenergetici.
La taglia del gassificatore permette di produrre da 50 a 250
kW in modalità Downdraft.
Il ciclo produttivo del Caimano si può così schematizzare.
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Essiccamento della biomassa sia naturalmente che attraverso essiccatoi in modo il combustibile raggiunga il grado di umidità ottimale per la gassificazione (15% sul tal quale).
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Pellettizzazione della biomassa secca e sminuzzata in modo da avere un combustibile strutturato che permetta il passaggio dell’agente gassificante. Durante l’ operazione è possibile, ove necessario, aggiungere additivi per aumentare il punto di fusione delle ceneri.
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Gassificazione del combustibile che con l’aumento della temperatura, passa attraverso la pirolisi, la parziale combustione, la metanazione e la riduzione dell’anidride carbonica fino alla sintesi del gas combustibile.
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Trattamento del syngas per depolverarlo, raffreddarlo e privarlo dei tar residui degli acidi e dell’ammoniaca.
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Aspirazione del Syngas per mantenere tutto il sistema in depressione ad esclusione del breve tratto tra la soffiante ed il motore
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Generazione di corrente elettrica attraverso un motore a ciclo diesel funzionante in modalità dual fuel.
Nella figura è rappresentata una sezione teorica
dell’impianto in cui, seguendo le frecce, si può capire il
flusso delle masse coinvolte nel processo.
Con le frecce continue è indicato il percorso della biomassa
fino al reattore, e del gas fino al generatore. Con le
frecce tratteggiate è invece indicato il percorso dell’acqua
negli skid deputati alla pulizia ed al raffreddamento del
syngas.
L’impianto consiste in una successione di apparati, ciascuno
dei quali è dedicato ad una fase della produzione del syngas.
In questa maniera è agevolato l’intervento dell’operatore ed
è possibile anche il trasporto in officina di un singolo
blocco.
Questa soluzione progettuale comporta però di occupare molto
spazio coperto .
In figura è indicato uno schema a blocchi dell’impianto,
dove sono evidenziati i vari componenti del sistema ed il
percorso delle masse.
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Il combustibile viene, se necessario, essiccato nel capannone dedicato alla preparazione della biomassa.
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Entra quindi nella pellettizzatrice da cui esce con una pezzatura di 8 mm di diametro e viene introdotto nella tramoggia.
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Il reattore è mantenuto in condizioni di depressione da una soffiante posta a valle e gli ugelli sono calibrati in modo da permettere l’entrata di circa il 25% dell’aria stechiometrica. La combustione parziale del legno assicura al processo di gassificazione la CO2 da ridurre a CO ed il calore necessario a questa reazione endotermica.
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I cicloni centrifughi provvedono a depolverare il syngas che viene poi raffreddato e lavato in due scrubber ad umido con idrocircuiti separati. Il raffreddamento permette la condensazione degli alcali dei catrami che vengono separati da filtri a sacco ed allontanati dall’acqua di processo. Il lavaggio attraverso un tubo Venturi permette l’eliminazione delle polveri fini in modo che non venga intasato l’ultimo filtro di guardia. Il trattamento con acqua permette anche l’aggiunta di additivi chimici per ridurre l’acidità con la soda o la calce ed allontana le specie chimiche solubili come l’ammoniaca. I rifiuti della combustione e del trattamento vengono convogliati in apposite cisterne, indicate in figura con riquadri di colore grigio.
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La macchina aeraulica di progetto è una soffiante a canali laterali per poter disporre di una pressione intorno ai 4000 mm H20. In questo modo vengono compensate le perdite di carico dovute ai diversi apparati e rimane una pressione residua per iniettare il gas nella turbina del motore. Operando in depressione eventuali falle comportano un’infiltrazione d’aria piuttosto che una fuga di syngas.
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Il generatore è un motore a ciclo diesel turbocompresso collegato ad un generatore asincrono. L’uso della miscela syngas/aria, più povera della classica miscela gasolio/aria, comporta una perdita di potenza nominale dell’impianto che viene fronteggiata con l’impiego della turbina. Poiché il syngas ha un basso numero di cetano è necessario innescare la combustione della miscela con una miscela pilota di gasolio. E’ questa la modalità dual fuel nella quale l’alimentazione del gasolio viene ridotta al 10% con la sola funzione di creare un innesco della miscela syngas/aria.
Nel diagramma sottostante è rappresentato il rendimento del
processo
La planimetria e la sezione del reattore danno un’idea del
processo di gassificazione e dell susseguirsi delle varie
fasi.
