ITTO20070438A1

ITTO20070438A1 - Apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, e relativo metodo

Info

Publication number: ITTO20070438A1
Application number: IT000438A
Authority: IT
Inventors: Pierluigi Martini
Original assignee: Martini Aldo; Pierluigi Martini; Martini Stefano
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-12-20
Also published as: EP2017325A2; EP2017325A3

Description

Descrizione del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: "APPARATO PER LA DECOMPOSIZIONE DI SOSTANZE ORGANICHE VEGETALI E LA PRODUZIONE DI GAS COMBUSTIBILE PER VIA TERMOCHIMICA, E RELATIVO METODO"

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetati e la produzione di gas combustibile per via termochimica, secondo il preambolo della rivendicazione 1.

Inoltre la presente invenzione si riferisce ad un relativo metodo per la decomposizione di sostanze organiche vegetati e la produzione di gas combustibile per via termochimica.

Attualmente, in Europa e in genere in tutti i Paesi industrializzati, le tecnologie di conversione della biomassa in energia per via termochimica allo scopo di ottenere gas combustibili, da una parte sono sostenute dalle Pubbliche Autorità per il potenziale di sostituzione delle fonti fossili di energia, soprattutto nella generazione di energia elettrica, dall'altra sono oggetto di severe regolamentazioni riguardo le emissioni in atmosfera.

Anche la fase di depurazione dei gas, mediante la quale si cerca di abbattere gli agenti inquinanti prodotti nella conversione, è soggetta a rigorose normative in riferimento allo smaltimento finale dei rifiuti solidi generati e, qualora si ricorra a sistemi di depurazione ad umido, in riferimento all'inquinamento delle acque.

A causa delle difficoltà nel rispetto delle varie regolamentazioni, nei Paesi industrializzati si contano pochi esempi di impianti che abbiano superato la fase di avvio e siano da tempo stabilmente in funzione, ovvero che siano in grado di lavorare per almeno 7500 ore all' anno con un differenziale positivo tra ricavi e costi di gestione, in modo da consentire un ragionevole periodo di restituzione del capitale investito.

Un impianto di gassificazione della biomassa deve almeno soddisfare le seguenti condizioni:

A) prevedere un'alimentazione continua della sostanza organica e il collegamento della sezione di impianto di gassificazione ad una sezione di produzione di energia elettrica, possibilmente in cogenerazione. Tale condizione massimizza il valore economico del gas prodotto, ma rende critica la produzione del gas stesso a causa dei danni tecnici ed economici che un eventuale arresto del funzionamento dell'impianto può provocare;

B) rispettare le regolamentazioni relative alle emissioni in atmosfera e sulle acque ed i rifiuti.

Da alcuni anni le ricerche su impianti con una alimentazione continua ed idonei a soddisfare il requisito fondamentale dei limiti di emissione in atmosfera si sono concentrate sulla netta separazione tra la fase di decomposizione della biomassa, detta pirolisi, rispetto a quella successiva di gassificazione.

Nella fase di pirolisi si generano gas incondensabili e vapori condensabili, noti come "tar"; tra le diverse definizioni di "tar" si riporta la seguente: "Tar, in relazione alla gassificazione, è dal punto di vista pratico definito come il materiale che, nel flusso del gas prodotto, condensa nel gassificatore o nelle fasi di processo a valle o nelle apparecchiature che impiegano il gas medesimo" (T.A. Milne, R.J. Evans, N. Abatzoglou - Biomass Gasifiers "Tars: Their Nature, Formation and Conversion" - NREL, NREL/TP-570-25357, Novembre 1998).

GH scopi principali della fase di gassificazione sono di convertire quanto più possibile il "tar" in gas incondensabili, e di ottenere dei gas incondensabili che contengano la più alta percentuale possibile di gas combustibili, in particolare ossido di carbonio, idrogeno e idrocarburi gassosi.

Negli impianti comprendenti un unico reattore e nei quali le condizioni costruttive e di funzionamento sono progettate per far avvenire in una zona la pirolisi ed in un'altra la gassificazione, solitamente tale separazione non è netta e la presenza contemporanea di composti che si formano in ognuna delle due fasi è ritenuta essere una concausa della formazione dei più indesiderati inquinanti presenti nel "tar", cioè gli idrocarburi poharomatici (definiti anche "IP A"), in particolare della formazione di IPA comprendenti un numero di anelli aromatici superiore a quattro, molti di tali IPA essendo considerati cancerogeni. Inoltre, gli IPA sono considerati i precursori della formazione di polveri sottili, il cui tenore nelle emissioni prodotte in atmosfera deve corrispondere a stringenti limiti di legge.

Dall'esame dell'ampia letteratura dedicata alla formazione degli IPA in relazione a cellulosa, lignina ed emicellulosa, che sono le sostanze organiche naturali più abbondanti nel mondo, pur se con alcune differenze non facilmente spiegabili tra i risultati sperimentali ottenuti dai vari autori, appare esservi un consenso su quanto segue:

- la formazione degli IPA per le sostanze lignocellulosiche è documentata già a partire da 300°C;

- la formazione degli IPA è contrastata da reazioni antagoniste che riguardano i precursori degli IPA medesimi per cui, se nell'atmosfera che contorna le particelle vi sono gas reattivi, vi è un comportamento diverso tra la superficie e l'interno della massa della sostanza soggetta all'azione del calore;

- è accertato che gli IPA possono formarsi sia dalla lignina che dalla cellulosa;

- nel caso della lignina, si ritiene che la presenza di anelli benzenici nei composti che la costituiscano favorisca la formazione del naftalene, considerato a sua volta essere un intermedio fondamentale per gli IPA a peso molecolare elevato;

- sottoponendo la cellulosa all'azione del calore, in assenza di ossigeno, nel campo di temperature tra 300°C e 600°C, oltre alla carbonella ed alle sostanze volatili che si formano, come risultato delle trasformazioni chimiche tipiche del processo di carbonizzazione, quali depolimerizzazione, deidratazione, decarbonilazione, decarbossilazione, deidrogenazione e reazioni che conducono a nuovi legami ("crosslinking"), vi è anche quello della formazione delle strutture aromatiche condensate degli IPA;

- nel caso delle temperature tra 300°C e 600°C, la durata dei processi è fondamentale, con una crescita del contenuto negli IPA a più nuclei aromatici ("pesanti") per durate maggiori. Tuttavia, in generale si afferma che le velocità delle reazioni proprie della fase di condensazione dei nuclei aromatici sia in detto campo di temperature molto bassa;

- oltre 600°C, e fino a circa 900°C, i risultati sperimentali nelle più diverse condizioni attestano una crescita del contenuto degli IPA "pesanti" nei prodotti finali (solidi, liquidi e gassosi) progressivamente maggiore con l'aumento della temperatura, mentre la durata sembra essere meno influente;

- mentre sembra esservi una comune conclusione che tra 800 e 900°C gli IPA "pesanti" siano del tutto stabili, anche in presenza di ossigeno, non vi è accordo tra gli autori riguardo alla temperatura superata la quale tutti gli IPA possano essere decomposti per azione del calore o possano reagire bruciando con l'ossigeno, ovvero se già siano sufficienti 1000°C oppure occorra andare oltre.

Oltre ai due obiettivi minimi che un impianto di gassificazione deve raggiungere, cioè il fatto di presentare una alimentazione continua (condizione A) ed essere idoneo a soddisfare il requisito fondamentale dei limiti di emissione in atmosfera (condizione B), le principali condizioni che rendono favorevole il bilancio economico di un impianto di gassificazione sono:

C) la composizione del gas con un elevato tenore di ossido di carbonio CO, idrogeno H2e idrocarburi volatili CnHm, con n compreso preferibilmente tra 1 (metano) e 4 (ad es. butano).

Per quanto riguarda l'indice m, esso varia da m = 2n+2 tipico degli idrocarburi saturi (es. metano CH4), ad m = 2n (es. etilene C2H4), ad m = 2n - 2 (es. acetilene C2H2).

Valori di Potere Calorifico Inferiore (PCI) di 8-10 MJ/Nm<3>sono considerati un ottimo risultato a fronte dei valori attorno a 5 MJ/Nm<3>tipici dei gassificatoli più elementari, ad un unico reattore, con calore sviluppato nel reattore medesimo per parziale combustione della biomassa.

La presente condizione favorevole (condizione C) si ottiene fornendo il calore necessario in tutto, o almeno in parte, in modo diverso rispetto al calore generato dalla combustione di una parte della biomassa medesima con aria, riducendo così in proporzione il contenuto di azoto nel gas combustibile. Ad esempio, tra le alternative praticabili per avere alti valori di PCI, si citano la conduzione e l'irraggiamento del calore attraverso le pareti dei reattori, la convezione del calore mediante vapore surriscaldato, la circolazione di un letto fluidizzato contenente particelle incombustibili preriscaldate, l'impiego di ossigeno in luogo dell'aria; tuttavia questa ultima alternativa allo stato attuale non sembra essere economicamente giustificata per il maggior costo relativo di tale sostituzione;

D) la possibilità di utilizzare sostanze organiche in forma di particelle grossolane, e quindi di evitare le difficoltà ed i costi connessi con una macinazione spinta del materiale di partenza.

Tale condizione favorevole (condizione D) si ottiene, negli impianti con le fasi di pirolisi e di gassificazione separate, in una limitata misura in certi letti fluidi per l'effetto dell'attrito provocato dallo sfregamento con il materiale inerte;

E) la possibilità di impiegare sostanze organiche umide senza l'obbligo di utilizzare solo biomassa con un basso contenuto di umidità, oppure di dover eseguire una preventiva essiccazione al di fuori del ciclo di processo deirimpianto.

Tale condizione favorevole (condizione E) si ottiene mediante un processo complessivo che preveda una intensa generazione di calore, tale da fornire anche il calore necessario per evaporare grandi quantità relative di acqua senza pregiudicare Γ andamento delle fasi di pirolisi e di gassificazione. Ovviamente, il calore aggiuntivo non deve essere prodotto per combustione con aria, poiché ciò farebbe aumentare la percentuale di azoto presente nel gas finale.

F) il recupero del calore contenuto nel gas combustibile prodotto.

Tale condizione favorevole (condizione F) si ottiene inviando alla fase finale di depurazione il gas combustibile dopo aver sottratto ad esso la maggior parte dell'entalpia sensibile in appositi scambiatori di calore, ad es. per ottenere il preriscaldamento dell'aria, vapore dall'acqua e il surriscaldamento del vapore.

Il brevetto Statunitense No. US 7,214,252 si riferisce ad un apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, detto apparato comprendendo tre zone di reazione separate:

- un reattore di pirolisi a 450-750°C dove avvengono l'essiccazione e la prima decomposizione della biomassa con parziale gassificazione della medesima,

- un letto fluido circolante a 800-1050°C in cui i residui della pirolisi sono inceneriti,

- una zona di reazione dei gas di pirolisi dalla quale esce il gas combustibile finale.

Nel letto fluido, il cui scopo principale è la generazione del calore necessario per l'intero processo, il calore generato viene internamente ceduto ad un materiale incombustibile, ad esempio comprendente sabbia e ceneri. Una continua circolazione di particelle di tale materiale tra il letto fluido e il reattore di pirolisi costituisce l'apporto di calore indiretto per la biomassa che si trova in detto reattore di pirolisi, per cui i gas che si liberano sono praticamente esenti da azoto. I gas di pirolisi attraversano, senza che vi sia un contatto diretto, la zona ad alta temperatura in cui fluiscono i gas di combustione del letto fluido; di conseguenza, anche in questa sezione deH'impianto l'apporto di calore è indiretto.

Tuttavia, l'apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica descritto nel brevetto Statunitense No. US 7,214,252 presenta alcuni inconvenienti, in quanto il fatto che il reattore di pirolisi e il letto fluido siano tra loro in comunicazione con una circolazione di materiale solido tra i due comporta inevitabilmente un indesiderato scambio tra le fasi gassose dei due reattori. Infatti, per tentare di impedire che questo scambio avvenga, in tale apparato sono previsti una coppia di ventilatori, in particolare un primo ventilatore che estrae il gas combustibile ed un secondo ventilatore che estrae i fumi di combustione dal letto fluido, i quali devono corrispondersi con valori di tiraggio mutuamente vincolati. Tuttavia, questa condizione non è di facile realizzazione, poiché i fenomeni che avvengono nelle varie porzioni deH'impianto possono essere soggetti anche a rilevanti variazioni.

Un ulteriore apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica è descritto nel brevetto Europeo No. EP1278813B1, il quale si riferisce ad un metodo che prevede la sequenza di quattro stadi fondamentali di processo:

- essiccazione mediante vapore surriscaldato,

- pirolisi, in particolare a 300-800°C, mediante vapore surriscaldato con la generazione di gas di pirolisi e carbonella,

- ossidazione dei gas di pirolisi, in particolare a 1000-1300°C,

- ingresso, sia dei gas caldi ossidati che della carbonella, in un reattore dove è ottenuto il gas combustibile finale.

In tale brevetto Europeo viene poi descritta un'alternativa realizzativa, che prevede che la produzione di gas combustibile non sia necessaria, per cui i gas procedono direttamente dallo stadio di ossidazione ad uno stadio di combustione, ad esempio in una caldaia.

Il metodo descritto nel brevetto Europeo No. EP1278813B1 è alimentato in continuo, è previsto per un collegamento con un motore a combustione interna od una turbina, e risponde all'esigenza di mantenere separate le fasi di pirolisi da quella di gassificazione. Inoltre, esso prevede l'adozione di una tecnologia di derivazione dalla gassificazione del carbone, ovvero l'uso del vapore surriscaldato come apportatore di calore nonché come agente chimico di decomposizione delle sostanze carboniose, e permette l'utilizzo di sostanze organiche umide ed il recupero del calore del gas combustibile, ad esempio come uno dei metodi per ottenere il vapore surriscaldato mediante apposito scambiatore di calore. Un'altra particolarità del metodo di cui al suddetto brevetto Europeo è l'applicazione del vapore surriscaldato alla fase di essiccazione della sostanza organica umida e l'utilizzo della stessa acqua vaporizzata nel processo in quanto viene ad essere incorporata nel vapore surriscaldato.

Tuttavia, anche il sistema di attrezzaggio precedentemente descritto presenta notevoli svantaggi.

In particolare, mediante il metodo descritto nel suddetto brevetto Europeo non è possibile rottenimento di un alto PCI, in particolare a causa dell'introduzione di aria nella fase di ossidazione del gas di pirolisi. Inoltre, tale metodo non permette di impiegare biomassa in forma di particelle grossolane.

Oltre alle specifiche e notevoli differenze impiantistiche illustrate nei dettagli nei rispettivi testi dei due brevetti citati, riguardo ai due metodi di decomposizione delle sostanze organiche la differenza fondamentale è, per il brevetto Statunitense No. US 7,214,252, che lo stadio in cui viene prodotto il gas combustibile finale è quello del reattore di reazione dei gas di pirolisi, nel quale reattore non si introduce ossigeno e quindi si evita di ossidarli raggiungendo lo scopo di ottenere un alto valore di PCI; inoltre è opportuno annotare che tale reattore assorbe calore. Invece, nel brevetto Europeo No. EP1278813B1 i gas di pirolisi sono inviati al reattore di ossidazione, il cui scopo principale è proprio quello di fornire calore, mentre il reattore di gassificazione svolge il compito di ottenere gas incondensabili dalla carbonella prodotta nella precedente fase di pirolisi.

In tale ambito, scopo principale della presente invenzione è quello di indicare un apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, ed un relativo metodo, che permetta di superare gli inconvenienti sopra citati.

In particolare, scopi della presente invenzione sono quelli di indicare un apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, ed un relativo metodo, che permetta contemporaneamente di:

- prevedere un'alimentazione continua della sostanza organica e il collegamento della sezione di impianto di gassificazione ad una di produzione di energia elettrica possibilmente in cogenerazione;

- rispettare le regolamentazioni sulle emissioni in atmosfera e riguardo le acque ed i rifiuti;

- ottenere una composizione del gas con un elevato tenore di ossido di carbonio CO, idrogeno H2e idrocarburi volatili CnHm;

- utilizzare sostanze organiche in forma di particelle grossolane;

- impiegare sostanze organiche umide senza l'obbligo di usare solo biomassa con un basso contenuto di umidità;

- recuperare il calore contenuto nel gas combustibile prodotto.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare un apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, ed un relativo metodo, che permetta di ottenere una valorizzazione dei gas di pirolisi come precursori del gas combustibile finale.

Per raggiungere tali scopi, forma oggetto della presente invenzione un apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, ed un relativo metodo, incorporanti le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, che fanno parte integrante della presente descrizione.

Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue e dal disegno annesso, fornito a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, che rappresenta una visione schematica di un apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, oggetto della presente invenzione.

Detto apparato comprende:

- un essiccatore 1 che permette di ridurre l'umidità contenuta in una prima sostanza organica 10 ed ottenere una biomassa essiccata 12;

- un pirolizzatore 3 per ottenere sostanze 15 comprendenti sostanze solide, gas condensabili ed incondensabili;

- un gassificatore 4 per la gassificazione delle sostanze 15 prodotte dal pirolizzatore 3 e la produzione di gas combustibile 41.

In accordo alla presente invenzione, detto apparato comprende un torrefattore 2 posizionato tra detto essiccatore 1 e detto pirolizzatore 3 in modo da realizzare una torrefazione della biomassa essiccata 12 ed ottenere una biomassa torrefatta 13.

Il particolare posizionamento del torrefattore 2 nell' apparato secondo la presente invenzione consente un controllo ottimale dei fenomeni chimici che possono insorgere nella decomposizione di detta prima sostanza organica 10. Infatti, rintroduzione di uno stadio di processo intermedio di torrefazione tra l'essiccazione e la pirolisi, assicura l'arrivo nel pirolizzatore 3 della prima sostanza organica 10, in cui sono completati tutti i fenomeni endotermici che antecedono la scissione della stessa nei tre gruppi di costituenti: gas incondensabili, vapori condensabili (tar) e solido residuo (ad esempio carbonella e ceneri).

L'apparato secondo la presente invenzione comprende inoltre un dispositivo di frantumazione 51 posizionato tra il torrefattore 2 ed il pirolizzatore 3; detto dispositivo di frantumazione 51 permette di realizzare la polverizzazione della biomassa torrefatta 13, la quale ha una scarsa resistenza meccanica, in particolare agli urti. Preferibilmente, detto dispositivo di frantumazione 51 comprende almeno due coppie di tamburi rotanti in senso inverso e dotati di denti aventi una luce libera progressivamente minore, in modo tale da ottenere una biomassa granulare 14 composta da particelle di piccole dimensioni, in particolare non superiori a 2 mm.

Di conseguenza, quando la biomassa granulare 14 viene introdotta nel pirolizzatore 3, a motivo della grande superficie libera rispetto alla massa trattata, le reazioni di decomposizione procedono sufficientemente omogenee in tutta la biomassa granulare 14, minimizzando così la formazione degli indesiderati idrocarburi poliaromatici IPA.

Per quanto riguarda il campo di temperature da 300°C a 600°C in cui è condotta la pirolisi, la presente invenzione tiene conto del fatto che occorre limitare al massimo la durata di tempo in cui una parte della biomassa granulare 14 sia soggetta all'azione del calore, senza essere contemporaneamente esposta all'azione di agenti chimici gassosi che diano luogo a reazioni antagoniste rispetto a quelle che conducono alla formazione degli IPA; questo risultato si ottiene appunto mediante l'effettuazione della pirolisi su una biomassa granulare 14 composta da particelle fini ottenute per preventiva torrefazione e successiva polverizzazione.

Con riferimento alla successiva fase di gassificazione, nel citato rapporto NREL/TP-570-25357 si evidenzia un dilemma (Elliott 1986) basilare per decidere in merito allo stadio di gassificazione: le alte temperature favoriscono le più elevate efficienze di conversione della biomassa nonché elevate velocità, ma conducono anche alla produzione di tipi di "tar" che risultano essere di più difficile eliminazione durante i successivi stadi di depurazione del gas. Questa considerazione, insieme con il fatto che quando si ha a che fare con temperature superiori a 900°C le parti dell'apparato che sono a contatto con tali temperature richiedono l'uso di materiali più pregiati ed occorrono cautele maggiori nella realizzazione e nella gestione dell'impianto, ha condotto a porre tale temperatura di 900°C come preferenziale per lo stadio di gassificazione dell'apparato.

L'apparato secondo la presente invenzione comprende altresì un focolare 5 per l' incenerimento di residui 16 provenienti dal gassificatore 4 e per la produzione di calore, detto focolare 5 essendo alimentato da una seconda sostanza organica 11.

Di conseguenza, l'apparato secondo la presente invenzione prevede l'alimentazione dell'essiccatore 1 mediante la prima sostanza organica 10 e l'alimentazione del focolare 5 mediante la seconda sostanza organica 11. Detto focolare 5 permette di produrre il calore necessario per il funzionamento complessivo dell'apparato secondo la presente invenzione e detta seconda sostanza organica 11 può essere una sostanza organica meno pregiata rispetto alla prima sostanza organica 10 che si avvia alla gassificazione; ad esempio, detta seconda sostanza organica 11 può comprendere una frazione granulometrica superiore che non passa ad un vaglio, il cui scopo è di consentire di alimentare il gassificatore 4 in modo controllato anche rispetto alle dimensioni della biomassa trattata. Inoltre, nel focolare 5 si provvede alla combustione anche dei residui 16 che rimangono dopo la gassificazione, funzionando quindi sostanzialmente da inceneritore. L'apparato secondo la presente invenzione comprende inoltre un polmone 6 adatto a ricevere un flusso d'aria 31 ed un flusso di gas 22 proveniente dall'essiccatore 1 al fine di produrre una miscela 25 di aria e vapore.

L'apparato secondo la presente invenzione comprende poi uno scambiatore di calore 7 adatto a ricevere il gas combustibile 41 prodotto dal gassificatore 4, in modo tale che detto gas combustibile 41 possa riscaldare detta miscela 25 di aria e vapore; una prima porzione 21 di detta miscela 25 è utilizzata dall'essiccatore 1, mentre una seconda porzione 26 di detta miscela 25 è utilizzata dal gassificatore 4.

A seguito del suo passaggio in una sezione di depurazione 8 per il raffreddamento e la pulizia, il gas combustibile 41 è adatto ad alimentare sia un motore a combustione interna che una turbina (non mostrati nelle figure), oppure può essere immesso in una rete per essere erogato alle più diverse utenze.

Detti essiccatore 1, torrefattore 2, pirolizzatore 3 sono realizzati in modo da far avanzare la biomassa da una tramoggia e relativa valvola stellare di entrata, ad una bocca di uscita. In alternativa, essi possono essere costituiti da un forno rotante dotato di alette interne.

Da quanto detto in precedenza, risulta essere chiaro il metodo per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, secondo la presente invenzione.

In particolare, il metodo per la gassificazione di sostanze organiche secondo la presente invenzione è applicabile nella fascia di potenza termica, riferita al contenuto energetico del materiale d'ingresso, da circa 0,1 MW a circa 10 MW e consente l'utilizzo, come fonte di sostanza organica, di trucioli di legno grossi ed umidi.

Nel caso delle taglie d'impianto maggiori, il metodo secondo la presente invenzione consente di utilizzare materiali freschi (umidità inferiore al 60% in peso), con gran quantità di corteccia (inferiore al 30%) e percentuale massima di sopralunghezze tollerate di circa 1% in peso relativamente alla dimensione di 220 mm.

Nel metodo secondo la presente invenzione viene utilizzata una sostanza organica 10 di origine vegetale, proveniente da un'unica origine o come mescolanza di sostanze di diverse origini, detta sostanza organica 10 essendo preferibilmente il sottovaglio di un'opportuna vagliatura.

A titolo di esempio, la sostanza organica 10 è costituita per il 50% da acqua e per il 50% da sostanza secca, e precisamente avente sul peso secco la seguente composizione elementare: carbonio (C) 50,42%, idrogeno (H) 6,66%, ossigeno (O) 41,92%, ceneri 1%. Il PCI della sostanza organica 10 è pari a 18,5 MJ/kg riferito al peso secco al netto della cenere.

Il metodo secondo la presente invenzione comprende le fasi di:

- essiccazione di una sostanza organica 10 realizzata in un essiccatore 1, in modo tale da ridurre l'umidità contenuta in detta prima sostanza organica 10 ed ottenere una biomassa essiccata 12;

- torrefazione di detta biomassa essiccata 12 realizzata in un torrefattore 2, in modo tale da ottenere una biomassa torrefatta 13;

- pirolisi della biomassa torrefatta 13 realizzata in un pirolizzatore 3 per ottenere sostanze 15 comprendenti sostanze solide, gas condensabili ed incondensabili;

- gassificazione delle sostanze 15 realizzata in un gassificatore 4 al fine di produrre un gas combustibile 41.

La previsione di detta fase di torrefazione tra le fasi di essiccazione e di pirolisi consente un controllo ottimale dei fenomeni chimici che possono insorgere nella decomposizione di detta prima sostanza organica 10 ed assicura l'arrivo della prima sostanza organica 10, già parzialmente decomposta, nel pirolizzatore 3.

Preferibilmente, il metodo secondo la presente invenzione comprende una fase principale di produzione di calore mediante un focolare 5 alimentato da una seconda sostanza organica 11, detta fase principale di produzione di calore essendo adatta alla produzione del calore necessario per il funzionamento complessivo dell'apparato, nonché essendo associata ad una fase di incenerimento di residui 16 provenienti dal gassificatore 4 in detto focolare 5.

Inoltre, nel metodo secondo la presente invenzione detta fase di pirolisi è preferibilmente preceduta da una fase di polverizzazione della biomassa torrefatta 13 in un dispositivo di frantumazione 51, in modo tale da ottenere una biomassa granulare 14 composta da particelle di piccole dimensioni, preferibilmente non superiori a 2 mm. Tale fase di polverizzazione della biomassa torrefatta 13 permette di ottenere delle reazioni di decomposizione omogenee in tutta la biomassa granulare 14 e, di conseguenza, di minimizzare la formazione degli indesiderati idrocarburi poliaromatici IPA.

Come detto in precedenza, la fase di essiccazione che avviene nell'essiccatore 1 ha il compito di ridurre l'umidità contenuta nella sostanza organica 10, ad esempio dal valore del 50% in peso di umidità, al 20%; dall'essiccatore 1 fuoriescono sia la biomassa essiccata 12 che un flusso di gas 22. Preferibilmente, il metodo secondo la presente invenzione comprende una fase di riscaldamento di detto essiccatore 1 mediante una prima porzione 21 di una miscela 25 di aria e vapore, detta miscela 25 essendo ottenuta in un polmone 6 miscelando il flusso di gas 22 che esce dall'essiccatore 1 con un flusso di aria 31.

Una seconda porzione 26 della miscela 25 di aria e vapore è invece inviata al gassificatore 4, allo scopo di mantenere le condizioni di esercizio del gassificatore 4 ai valori di riferimento. Ovviamente, l'aria contenuta in detta seconda porzione 26 agisce da comburente nel gassificatore 4 e, mediante le reazioni esotermiche di combustione, apporta in esso calore.

Il flusso di aria 31 che è immesso nel polmone 6, e quindi nella miscela 25 di aria e vapore che ricircola tra l'essiccatore 1 ed uno scambiatore di calore 7, può variare tra un valore nullo ed un valore corrispondente ad un valore di ER (" equivalerne ratio" riferito al valore 1 che si assegna all'aria stechiometrica necessaria per la combustione) fino a 0,15. A titolo di esempio, i valori caratteristici di funzionamento dell'apparato e del metodo secondo la presente invenzione possono corrispondere ad un valore di ER = 0,08.

In funzione dei valori di portate di aria e di vapore in entrata nel gassificatore 4 che sono impostati come riferimento, per bilanciare il ricircolo della miscela 25 di aria e vapore si provvede a togliere dalla circolazione di gas una portata 24, ad es. inviandola ad una opportuna apparecchiatura (non mostrata nella figura allegata) dove si provvede a recuperarne in parte il calore.

Allo scopo di sfavorire l'eventuale formazione di prodotti solidi o gassosi precursori degli IP A, è opportuno che un certo contenuto di H20 allo stato di vapore sia presente nell'atmosfera del torrefattore 2. Dal momento che le reazioni che avvengono nel torrefattore 2 sono di tipo endotermico, è necessario un apporto di calore ottenuto in modo indiretto; allo scopo il torrefattore 2 è realizzato in una delle diverse alternative costruttive, derivate dallo studio della tecnologia nota, per i casi dove si intenda utilizzare il calore contenuto in gas mediante i fenomeni di conduzione e/o irraggiamento termico. La fonte di calore in oggetto è costituita da prodotti di combustione 42 del focolare 5, i quali mantengono ancora una temperatura sufficientemente elevata dopo aver ceduto prima una parte del loro calore al gassificatore 4 e, successivamente, al pirolizzatore 3. Tuttavia qualora la temperatura dei prodotti di combustione 42 non fosse sufficiente per il buon andamento del processo, è prevista la possibilità di aumentarla mediante una fase di miscelazione dei prodotti di combustione 42 del focolare 5 con dei fumi di combustione prelevati ad una uscita di detto focolare 5. Allo scopo, se necessario, si preleva una frazione dei medesimi da un bypass parziale 43 e la si introduce in una posizione 45 del torrefattore 2.

A seconda della sostanza organica trattata, la temperatura nel torrefattore 2 è mantenuta tra 200°C e 280°C ed una parte dell'emicellulosa presente nella biomassa essiccata 12 viene gassificata. La decomposizione dell'emicellulosa con formazione di gas dalla stessa potrebbe anche essere totale; tuttavia non è necessario arrivare a tale risultato per gli scopi per cui il torrefattore 2 è stato inserito nel processo. Più procede la conversione a gas dell' emicellulosa, più cresce il PCI della biomassa torrefatta 13 rimanente. A titolo di esempio, si presenta il dato di una decomposizione di circa 1⁄4 della emicellulosa di partenza (il 7,5% in peso con riferimento al peso secco della biomassa iniziale), con un aumento del PCI della biomassa torrefatta 13 a circa 19 MJ/kg. I gas prodotti, costituiti soprattutto da vapori condensabili a reazione acida (vi è presenza di diversi acidi ed aldeidi, in particolare acido acetico), corrispondono ad un contenuto energetico del 5% rispetto al contenuto totale iniziale della biomassa. Nel metodo secondo la presente invenzione, a differenza di altri metodi che riguardano la torrefazione, i materiali con cui sono realizzate le sezioni dell'apparato sono adatti per resistere all'attacco chimico dei gas che si sono formati nel torrefa ttore 2, per cui nel pirolizzatore 3 entrano sia le sostanze solide, cioè la biomassa granulare 14, sia tali gas.

Il campo di temperatura del pirolizzatore 3 è tra 350°C e 600°C, preferibilmente a 400/450°C. Le reazioni nel pirolizzatore 3, in accordo con quanto riportato in letteratura, sono complesse. Inizialmente si completa la demolizione delle emicellulosa (reazioni endotermiche), poi si hanno reazioni di tipo esotermico e successivamente il processo ridiviene fortemente endotermico. Allo scopo, il pirolizzatore 3 è realizzato in una delle diverse alternative costruttive derivate dallo studio della tecnologia nota, per i casi dove si intenda utilizzare il calore contenuto in gas mediante i fenomeni di conduzione e/o irraggiamento termico. Anche in questo caso, la fonte di calore è costituita dai prodotti di combustione 42 dell'inceneritore 5, i quali mantengono ancora una temperatura sufficientemente elevata dopo aver ceduto prima una parte del loro calore al gassificatore 4. Qualora la temperatura dei prodotti di combustione 42 non fosse sufficiente per il buon andamento del processo, anche in questo caso può essere prevista una fase di miscelazione dei prodotti di combustione 42 del focolare 5 con dei fumi di combustione prelevati ad una uscita dell' inceneritore 5, in particolare prelevandone una frazione mediante il bypass parziale 43 ed introducendo tale frazione in una ulteriore posizione 44 del pirolizzatore 3.

Dalla figura allegata si può notare che è prevista poi una fase di immissione di una portata di aria 33 nel pirolizzatore 3 nel caso di accertata insufficienza dell' apporto di calore indiretto, detta portata di aria 33 essendo preriscaldata in un opportuno scambiatore (non illustrato), ad es. mediante l'utilizzo degli stessi prodotti di combustione 42.

Inoltre, può essere ulteriormente prevista una fase di immissione di un vapore surriscaldato 34 nel pirolizzatore 3, detto vapore surriscaldato 34 potendo essere ottenuto in diversi modi, ad esempio utilizzando il calore dei gas di scarico di un motore a combustione interna o di una turbina (non mostrati) che utilizzano il gas combustibile 41 prodotto dall'apparato.

Tutte le sostanze 15 prodotte nel pirolizzatore 3, in particolare le sostanze 15 solide residue ed i gas condensabili ed incondensabili, entrano nel gassificatore 4 dall'alto. In particolare, il fondo del gassificatore 4 comprende una griglia mobile che viene aperta quando la pressione interna nel gassificatore 4 supera un certo prefissato limite; dunque i residui 16 sono trasportati al focolare 5. La seconda porzione 26 della miscela 25 di aria e vapore partecipa alla fornitura del calore necessario per raggiungere una temperatura compresa tra 800°C e 1000°C nel gassificatore 4, e preferibilmente di 900°C. La maggior parte del calore necessario viene fornita per conduzione e irraggiamento dai prodotti di combustione del focolare 5. Allo scopo il gassificatore 4 è realizzato in una delle diverse alternative costruttive, derivate dallo studio della tecnologia nota, per i casi dove si intenda utilizzare il calore contenuto in gas mediante i fenomeni di conduzione e/o irraggiamento termico. Il residuo del processo di gassificazione è, cenere esclusa, inferiore al 5% riferito alla sostanza secca iniziale.

Una composizione tipica del gas combustibile 41 è la seguente: CH42,45%, CO 27,01%, C026,22%, H234,16%, H20 18,45%, N211,71% con PCI di 8,05 MJ/Nm<3>. Ovviamente tale PCI aumenta mediante il passaggio del gas combustibile 41 in una sezione di depurazione 8, in conseguenza del grado di condensazione dell'acqua contenuta nel gas medesimo.

La costruzione realizzativa del focolare 5 dipende dalla soluzione data al trasferimento di calore dal focolare 5 al gassificatore 4. Un'alternativa costruttiva prevede che una gran parte di una superficie esterna del focolare 5 sia a contatto con una superficie esterna del gassificatore 4, ed inoltre che i prodotti di combustione 42 del focolare 5 lambiscano, per quanto possibile, la superficie esterna del gassificatore 4 e/o di comprendere delle tubazioni che trasportano i prodotti di combustione 42 ed attraversano il gassificatore 4. La temperatura massima raggiunta nel focolare 5 dipende in parte dalle caratteristiche della seconda sostanza organica 11 utilizzata; qualora si riveli necessario raggiungere temperature di 1200°C ed oltre, è necessario alimentare il focolare 5 con una seconda sostanza organica 11 sufficientemente secca. Può inoltre essere previsto un sistema (non rappresentato) per il preriscaldamento dell'aria comburente 32.

Possono inoltre essere previsti tre flussi gassosi separati, in particolare: - un primo flusso che agisce nell'essiccatore 1 per il ricircolo della prima porzione 21 della miscela 25 di aria e vapore (nella figura allegata non è indicata la posizione ed il numero dei relativi ventilatori, in quanto questi dati dipendono dalla particolare realizzazione costruttiva);

- un secondo flusso per il gas combustibile 41, in particolare comprendente un primo ventilatore 61 posizionato a valle della sezione di depurazione 8; - un terzo flusso per i prodotti di combustione 42 del focolare 5, in particolare comprendente un secondo ventilatore 62 posizionato a valle del torrefattore 2.

Dalla descrizione effettuata risultano chiari i vantaggi di un apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, ed un relativo metodo, secondo la presente invenzione.

In particolare tali vantaggi consistono nel fatto che l'apparato ed il metodo secondo la presente invenzione permettono contemporaneamente di:

- utilizzare sostanze organiche in forma di particelle grossolane;

- recuperare il calore contenuto nel gas combustibile prodotto.

Un ulteriore vantaggio dell'apparato e del metodo secondo la presente invenzione è quello di permettere di ottenere una valorizzazione particolarmente efficace dei gas di pirolisi come precursori del gas combustibile finale.

Numerose sono le varianti possibili all'apparato ed al metodo descritti come esempio, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell'idea inventiva, così come è chiaro che nella sua attuazione pratica le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con degli elementi tecnicamente equivalenti.

Dunque è facilmente comprensibile che la presente invenzione non è limitata all'apparato ed al metodo precedentemente descritti, ma è passibile di varie modificazioni, perfezionamenti, sostituzioni di parti ed elementi equivalenti senza però allontanarsi dall'idea dell'invenzione, così come è precisato nelle seguenti rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, comprendente: - un essiccatore (1) che permette di ridurre l'umidità contenuta in una prima sostanza organica (10) ed ottenere una biomassa essiccata (12); - un pirolizzatore (3) per ottenere sostanze (15) comprendenti sostanze solide, gas condensabili ed incondensabili; - un gassificatore (4) per la gassificazione delle sostanze (15) prodotte dal pirolizzatore (3) e la produzione di gas combustibile (41), caratterizzato dal fatto che detto apparato comprende un torrefattore (2) posizionato tra detto essiccatore (1) e detto pirolizzatore (3) in modo da realizzare una torrefazione della biomassa essiccata (12) ed ottenere una biomassa torrefatta (13).
2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di frantumazione (51) posizionato tra il torrefattore (2) ed il pirolizzatore (3) e che permette di realizzare la polverizzazione della biomassa torrefatta (13) in modo tale da ottenere una biomassa granulare (14) composta da particelle di piccole dimensioni, in particolare non superiori a 2 mm.
3. Apparato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di frantumazione (51) comprende almeno due coppie di tamburi rotanti in senso inverso e dotati di denti aventi una luce libera progressivamente minore.
4. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un focolare (5) per Γ incenerimento di residui (16) provenienti dal gassificatore (4) e per la produzione di calore, detto focolare (5) essendo alimentato da una seconda sostanza organica (11) e producendo prodotti di combustione (42).
5. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che almeno parte di una superficie esterna di detto focolare (5) è a contatto con una superficie esterna del gassificatore (4).
6. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto focolare (5) è realizzato in modo tale che i prodotti di combustione (42) di detto focolare (5) lambiscono una superficie esterna del gassificatore (4).
7. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto di comprendere delle tubazioni che trasportano i prodotti di combustione (42) ed attraversano il gassificatore (4).
8. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un polmone (6) adatto a ricevere un flusso d'aria (31) ed un flusso di gas (22) proveniente dall'essiccatore (1) al fine di produrre una miscela (25) di aria e vapore.
9. Apparato secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere uno scambiatore di calore (7) adatto a ricevere il gas combustibile (41) prodotto dal gassificatore (4), in modo tale che detto gas combustibile (41) possa riscaldare detta miscela (25) di aria e vapore.
10. Apparato secondo le rivendicazioni 8 e 9, caratterizzato dal fatto che una prima porzione (21) di detta miscela (25) è utilizzata dall'essiccatore (1), mentre una seconda porzione (26) di detta miscela (25) è utilizzata dal gassificatore (4).
11. Apparato secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo flusso che agisce in detto essiccatore (1) per il ricircolo di detta prima porzione (21) della miscela (25) di aria e vapore.
12. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una sezione di depurazione (8) per il raffreddamento e la pulizia del gas combustibile (41).
13. Apparato secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto di comprendere un secondo flusso per il gas combustibile (41), in particolare comprendente un primo ventilatore (61) posizionato a valle della sezione di depurazione (8).
14. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto di comprendere un terzo flusso per i prodotti di combustione (42) del focolare (5), in particolare comprendente un secondo ventilatore (62) posizionato a valle del torref attore (2).
15. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti essiccatore (1), torrefattore (2), pirolizzatore (3) sono realizzati in modo da far avanzare la biomassa da una tramoggia e relativa valvola stellare di entrata, ad una bocca di uscita.
16. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti essiccatore (1), torrefattore (2), pirolizzatore (3) sono costituiti da un forno rotante dotato di alette interne.
17. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che un fondo del gassificatore (4) comprende una griglia mobile che viene aperta quando la pressione interna nel gassificatore (4) supera un certo prefissato limite.
18. Metodo per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustìbile per via termochimica, detto metodo comprendendo le fasi di: - essiccazione di una prima sostanza organica (10) realizzata in un essiccatore (1), in modo tale da ridurre l'umidità contenuta in detta prima sostanza organica (10) ed ottenere una biomassa essiccata (12); - torrefazione di detta biomassa essiccata (12) realizzata in un torrefattore (2), in modo tale da ottenere una biomassa torrefatta (13); - pirolisi della biomassa torrefatta (13) realizzata in un pirolizzatore (3) per ottenere sostanze (15) comprendenti sostanze solide, gas condensabili ed incondensabili; - gassificazione delle sostanze (15) realizzata in un gassificatore (4) al fine di produrre un gas combustìbile (41).
19. Metodo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase principale di produzione di calore mediante un focolare (5) alimentato da una seconda sostanza organica (11), detto focolare (5) essendo adatto a produrre dei prodotti di combustione (42) aventi una temperatura elevata e detta fase principale di produzione di calore essendo adatta alla produzione del calore necessario per il funzionamento complessivo dell' apparato.
20. Metodo secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che detta fase di produzione di calore è associata ad una fase di incenerimento in detto focolare (5) di residui (16) provenienti dal gassificatore (4).
21. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni 19 e 20, caratterizzato dal fatto di aumentare la temperatura dei prodotti di combustione (42) mediante una fase di miscelazione di detti prodotti di combustione (42) del focolare (5) con dei fumi di combustione prelevati ad una uscita di detto focolare (5).
22. Metodo secondo la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che una frazione dei fumi di combustione è prelevata da un bypass parziale (43) ed è introdotta in una posizione (45) del torrefattore (2) e/o in una ulteriore posizione (44) del pirolizzato re (3).
23. Metodo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta fase di pirolisi è preceduta da una fase di polverizzazione della biomassa torrefatta (13) in un dispositivo di frantumazione (51), in modo tale da ottenere una biomassa granulare (14) composta da particelle di piccole dimensioni.
24. Metodo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di riscaldamento di detto essiccatore (1) mediante una prima porzione (21) di una miscela (25) di aria e vapore.
25. Metodo secondo la rivendicazione 24, caratterizzato dal fatto che detta miscela (25) è ottenuta in un polmone (6) miscelando un flusso di gas (22) che esce dall'essiccatore (1) con un flusso di aria (31).
26. Metodo secondo la rivendicazione 24, caratterizzato dal fatto che le condizioni di esercizio del gassificatore (4) sono mantenute ai valori di riferimento mediante una seconda porzione (26) della miscela (25) di aria e vapore.
27. Metodo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che il campo di temperatura di detto pirolizzatore (3) è mantenuto tra 350°C e 600°C, preferibilmente a 400/450°C.
28. Metodo secondo la rivendicazione 27, caratterizzato dal fatto di prevedere una fase di immissione di una portata di aria (33) nel pirolizzatore (3) nel caso di accertata insufficienza dell' apporto di calore indiretto, detta portata di aria (33) essendo preriscaldata in un opportuno scambiatore.
29. Metodo secondo la rivendicazione 27, caratterizzato dal fatto di prevedere una fase di immissione di un vapore surriscaldato (34) nel pirolizzatore (3).
30. Metodo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che il campo di temperatura di detto gassificatore (4) è mantenuto tra 800°C e 1000°C, preferibilmente a 900°C.
31. Metodo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che le sostanze (15) prodotte dal pirolizzatore (3) sono immesse dall'alto nel gassificatore (4).
32. Apparato per la decomposizione di sostanze organiche vegetali e la produzione di gas combustibile per via termochimica, e relativo metodo, secondo gli insegnamenti innovativi della presente descrizione e del disegno annesso, che costituiscono la soluzione preferita dell'invenzione rivendicata.