Gassificazione - Reattori
Le reazioni di gassificazione delle biomasse e delle
materie prime secondarie indica-te nel precedente capitolo
si realizzano in opportuni reattori chimici, detti
gassificatori.
Esistono diversi tipi di gassificatori, classificati in base
ai principi di funzionamento ed alle variabili operative:
Gassificatori a letto fisso
Sono utilizzati per combustibili disponibili in pezzatura
abbastanza grossolana, come tagliature di alberi, pellets,
stocchi di mais, biomasse residuali normalmente
pellettiz-zate.
I gassificatori a letto fisso si dividono in:
Updraft o a tiraggio superiore ( detti anche a controcorrente) in cui l’ossidante sale mentre il combustibile scende verso il basso. La biomassa è dapprima essic-cata ad opera del gas di sintesi caldo ascendente , dopodiché il combustibile soli-do è pirolizzato e produce un char che continua il suo moto verso la parte bassa del reattore per essere gassificato; i vapori di pirolisi sono trascinati verso l’alto dal gas di sintesi. In questo modo, il catrame (tar) contenuto nei suddetti vapori può essere condensato quando entra in contatto con il combustibile solido discenden-te a bassa temperatura, oppure trascinato verso l’alto insieme al gas caldo di sin-tesi, conferendo a questo un contenuto tipicamente alto di tar. La frazione di tar condensata viene riciclata verso le zone di reazione, dove subisce il processo di cracking dando luogo a gas combustibile e char. Nella parte bassa del reattore (zona di gassificazione) il char solido da pirolisi ed i prodotti del cracking sono parzialmente ossidati dall’aria (od ossigeno) ascendente. Può anche iniettato va-pore se si vuole aumentare il contenuto di idrogeno del gas di sintesi. Da quanto detto è ovvio che il gas combustibile prodotto da questo tipo di gassificatori con-tiene una frazione relativamente alta di tars e idrocarburi, che gli conferiscono un elevato potere calorifico. Evidentemente però il gas deve anche essere sottoposto ad un rilevante processo di pulizia qualora debba essere utilizzato all’interno di propulsori a combustione interna. I vantaggi principali dei gassificatori updraft so-no la relativa semplicità costruttiva e l’alta efficienza termica, essendo il calore sensibile del gas di sintesi direttamente recuperato per l’essicazione e la pirolisi della biomassa prima che questa entri nella zona di gassificazione. Le applicazio-ni tipiche sono le piccole taglie (1-5 MW elettrici).
Downdraft o a tiraggio inferiore ( detti anche a equicorrente) in cui sia l’ossidante che il combustibile scendono verso la parte bassa del gassificatore at-traverso un letto di solidi a pacco, supportati da una strizione del reattore detta gola, dove avviene la maggior parte delle reazioni di gassificazione. I tempi di re-sidenza tipici di questo reattore sono nell’ordine delle ore, mentre le velocità di ri-scaldamento nell’ordine di alcuni °C/s.
I prodotti della gassificazione sono intimamente miscelati in questa zona, tipica-mente turbolenta e ad alta temperatura. E’ quindi qui favorito il cracking del tar, processo che è completato insieme alle reazioni di gassificazione. Questo tipo di reattore consente alte conversioni dei prodotti di pirolisi e quindi un basso conte-nuto di tar nel gas combustibile di sintesi. La particolare configurazione di questo reattore consente di minimizzare la percentuale di tar nel gas prodotto: infatti for-zando i prodotti di pirolisi a passare nella zona di combustione parziale si favori-sce il cracking termico dei tar promuovendone la decomposizione in prodotti più leggeri. I gassificatori di questo tipo sono relativamente semplici e attualmente molto impiegati, quindi è disponibile anche una documentazione relativamente ampia sul loro funzionamento, conferendo loro un buon grado di affidabilità. Si adattano bene a combustibili con umidità relativamente bassa (minore del 30%) e di pezzatura compresa tra 1 e 30 cm (è ammessa una percentuale assai modesta di pezzi al di fuori di questo campo). A causa del basso contenuto di tars nel gas di sintesi, si prestano bene ad essere usati per la produzione di energia elettrica di piccola taglia con motori a combustione interna. Le limitazioni poste alla pezza-tura del combustibile di alimento implicano un limite superiore alla portata di bio-massa intorno ai 1000 kg/h e quindi alla potenza elettrica istallata di circa 1 MW. E’ oggigiorno la tecnologia più largamente usata per impianti di piccola taglia. La biomassa è apportata in continuo da un serbatoio posto alla sommità, in modo ta-le da mantenere il livello del letto entro certi valori. Il gas prodotto è estratto dal basso sotto una griglia, attraverso un estrattore mosso da un motore alimentato dal gas stesso. A causa della continua rimozione del gas, l’aria è aspirata dentro il letto. Nella figura è riportato un unico condotto dell’aria centralmente, ma sono comuni molteplici aperture subito sopra la gola. Nell’intorno dell’ingresso dell’aria avviene una combustione parziale esotermica, con temperatura compresa tra i 1000 ed i 1300°C, che crea uno strato di carbone sotto l’entrata dell’aria. Il calore prodotto nella zona di combustione è usato per asciugare la biomassa nella zona sopra l’alimentazione dell’aria e per fare avvenire le reazioni endotermiche della gassificazione.
Più la biomassa è umida , maggiori sono le perdite di calore, quindi ne resta meno per il processo e si ha un gas con minore contenuto energetico.
Sopra l’entrata dell’aria la biomassa comincia a subire una pirolisi; a causa della presenza della gola si instaura una circolazione turbolenta e quindi i gas della pi-rolisi vengono mescolati con i gas caldi della zona dell’ossidazione.
Perciò anche i gas umidi della pirolisi vengono crackizzati ed il gas risultante ha un basso contenuto di catrame.
Nei gassificatori di tipo downdraft sono state identificate quattro zone ben distinte di reazione:
· Essiccamento
· Pirolisi
· Ossidazione
· Riduzione del carbonio
Durante l’essiccamento il materiale viene riscaldato provocando l’evaporazione dell’acqua contenuta.
La biomassa entra poi nella zona di pirolisi dove è convertita in char e volatili. Suc-cessivamente, quando i volatili reagiscono con l’ossidante, si ha l’ossidazione;i pro-dotti del processo di pirolisi-ossidazione sono sostanzialmente H2, C, CO2, H2O, ed idrocarburi leggeri come il CH4.
In seguito i prodotti uscenti da tale zona vanno nella zona di riduzione, dove il calore prodotto dai processi di pirolisi-ossidazione è trasformato in energia chimica dai pro-dotti di gassificazione, dando H2, CO. Nella zona di riduzione del carbonio avvengono le seguenti reazioni:
Nella zona di riduzione del carbonio vige una temperatura variabile tra gli 800 ed i 1000°C; a temperature inferiori ai 900°C, il trasferimento di massa e la diffusione dei reagenti attraverso i pori delle particelle di carbonio sono processi più veloci rispetto alla reazione chimica, ne consegue che è la cinetica di quest’ultima il fattore di con-trollo della rapidità del processo globale di formazione del gas combustibile.
Crossdraft (detti anche a corrente incrociata) in cui il combustibile si muove ver-so il basso e l’ossidante è immesso trasversalmente.
Gassificatori a flusso sospeso
Queste apparecchiature trattano particelle di
combustibile di pezzatura molto fine per una
gassificazione estremamente rapida.
I gassificatori a cenere secca mantengono una
temperatura “di griglia” al di sotto dei 1100°C,
cosicché le ceneri possono essere rimosse sotto forma di
polvere fine. Quelli di tipo “slagging” mantengono
invece una temperatura di griglia superiore ai 1300°C,
cosicché le cenere possono fluire fuori come un liquido.
Temperature di griglia intermedie a quelle indicate
fanno si che le ceneri assumano la consistenza di una
melassa e rendendo problematiche le operazioni.
A letto fluido
Possono utilizzare combustibili dalle dimensioni molto più variabili; questi combusti-bili sono sospesi tramite la colonna d’aria saliente.
Oltre al combustibile c’è spesso anche un alta percentuale di materiale inerte (ad esempio sabbia) atta a facilitare il trasferimento di calore tra le particelle del com-bustibile stesso (uniformizzazione termica).
I vantaggi principali di questa tecnologia sono legati all’eccellente miscelazione del-le particelle solide-gas e alle conseguenti alte velocità di reazione.
Il contenuto di tar nei gas prodotti da tale tecnologia è intermedio tra quello dei do-wndraft e quello degli updraft a letto fisso.
La perdita di fluidizzazione del letto dovuta alla sinterizzazione del materiale costitu-tivo è uno dei problemi più comunemente incontrati nei gassificatori a letto fluido, dipendentemente dalle caratteristiche termiche delle ceneri. Le perdite di char tra-scinato via insieme alle ceneri possono essere talvolta significative sconsigliando in genere l’utilizzo di questi reattori per piccole taglie.
Generalmente questi gassificatori sono molto versatili riguardo al tipo di biomassa utilizzata.
I pregi del letto fluido rispetto al letto fisso sono gli alti coefficienti di scambio termi-co, le alte velocità di diffusione e di reazione tra fasi eterogenee gas-solido e l’uniformità di temperatura; per contro è richiesta una pezzatura molto fine del com-bustibile ed una onerosa pulizia del syngas dall’abbondante particolato.
Esistono sostanzialmente due tipologie di gassificatori a letto fluido: quello a letto bollente o a bolle ( BFB-Bubbling Fluidized Bed ) e quello a letto circolante (CFB-Circulating Fluidized Bed ) .
Il passaggio tra queste due tecnologie si realizza progressivamente all’aumentare della velocità di fluidizzazione e con l’aumento della dimensione verticale del letto.
A letto fluido pressurizzato
La pressione è un'altra caratteristica che contraddistingue i gassificatori.
La maggior parte di essi operano in condizioni atmosferiche o in depressione, es-sendo più semplici da costruire e da controllare.
I gassificatori pressurizzati (operanti tra 10 e 100 atm) possono essere abbinati di-rettamente alle condutture per il trasporto.
La pressurizzazione del letto ha l’innegabile vantaggio di ottenere una densità di po-tenza molto alta, per contro essendo la struttura del letto molto sollecitata la proget-tazione risulta essere più complessa e dispendiosa.
Conclusioni
La scelta della tecnologia di gassificazione della
biomassa dipende principalmente da:
· Capacità del reattore
· Tipo di combustibile disponibile
· Utilizzo del gas prodotto
La seguente tabella mostra il range di capacità termica
dei vari gassificatori.
La tecnologia a letto fluido presenta i seguenti
vantaggi rispetto a quella a letto fisso:
• è in grado di processare materiale più eterogeneo sia
per dimensione che per composizione ;
• garantisce efficienze più elevate;
• non ha limiti superiori della capacità produttiva;
• può prevedere l’introduzione nel letto di un
adsorbente per ridurre l’emissione di sostanze
inquinanti nel gas prodotto;
• riduce il problema della fusione delle ceneri in
quanto la temperatura nel letto è uniforme e non troppo
elevata.
Per contro, si hanno però i seguenti svantaggi:
• costi di gestione elevati avendo problemi di
defluidificazione del letto derivanti dal-la presenza di
ceneri basso fondenti che possono portare a fenomeni di
agglome-razione
• un gas combustibile a maggior tenore di tar e di
particolato (specialmente rispetto alla soluzione in
equicorrente);
• una maggiore complessità costruttiva ed operativa;
• maggiori problemi di usura e di corrosione in quanto
hanno parti in movimento