ITTO20090125A1

ITTO20090125A1 - Gassificatore dotato di camera di combustione perfezionata

Info

Publication number: ITTO20090125A1
Application number: IT000125A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Maria Galanto
Original assignee: Socoges S R L
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-08-21
Also published as: WO2010095025A2; WO2010095025A3

Description

Gassificatore dotato di camera di combustione perfezionata

Forma oggetto del presente trovato un gassificatore per la gassificazione di biomasse avente una camera di combustione perfezionata al fine di ottenere un prodotto finale costituito da gas povero, il quale, dopo opportuni trattamenti, può essere alimentato ad un motore a combustione interna.

Dalla letteratura nota in materia si evince che, per “biomassa” si intende tutto ciò che ha matrice organica derivante principalmente da piante verdi, quali alghe, alberi e coltivazioni come pure da residui forestali e agricoli con esclusione delle materie plastiche derivanti dall’industria petrolchimica, nonché dei combustibili fossili tradizionali (petrolio, carbone)<1>. La biomassa costituisce la forma più sofisticata di accumulo dell’energia solare, la quale consente, attraverso la fotosintesi, di trasformare la CO2atmosferica in sostanza organica utile alla crescita della pianta stessa. In essa l’energia solare, trasformata mediante la fotosintesi, è immagazzinata sottoforma di legami chimici tra gli atomi di carbonio, idrogeno ed ossigeno delle principali molecole (essenzialmente carboidrati). Nell’ambito dei processi di

1 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 1): overview of biomass, Bioresource Technology 83 (2002) 37-46.

conversione della biomassa quali digestione, combustione o decomposizione, tale energia chimica immagazzinata sotto forma di legami è rilasciata rendendosi disponibile per essere utilizzata in maniera diretta o indiretta<2>.

I benefici derivanti dall’impiego in termini energetici delle<biomasse sono molteplici e tra i più importanti si annoverano:>� riduzione della quantità di rifiuti solidi da smaltire;

� contenimento delle emissioni di CO2, poiché la CO2prodotta durante la combustione della biomassa è<riassorbita da nuova biomassa piantata in eguale quantità;>� è una forma di energia rinnovabile, per la notevole presenzadi risorse in natura, nonché per la rapidità di rigenerare biomassa in tempi relativamente brevi.

Per quanto riguarda i processi di conversione della biomassa in energia essi comprendono un’ampia gamma di tipologie di conversione, differenziabili a loro volta per biomassa alimentata, utilizzi finali e infrastrutture richieste. I fattori che influenzano la<scelta del processo di conversione più adatto sono:>

<� la tipologia e la quantità di biomassa alimentata;>

� la forma di energia desiderata, ovvero l’obiettivo finale;� parametri ambientali;

� condizioni economiche;

� specifiche di progetto3.

2 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 1): overview of biomass, Bioresource Technology 83 (2002) 37-46.

3 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 2): conversion technologies, Bioresource Technology 83 (2002) 47-54.

Principalmente i processi di conversione in energia delle biomasse possono essere ricondotti a due grandi categorie: processi termochimici e processi biochimici. Tra i processi termochimici si hanno combustione, pirolisi e gassificazione; mentre tra quelli biochimici si hanno la digestione aerobica o anaerobica (con produzione di biogas) e la fermentazione (con produzione di etanolo).

Scopo della presente invenzione è quello di proporre un gassificatore per biomasse avente una camera di combustione dalla forma innovativa, per cui ci si soffermerà soprattutto su questa specifica tecnologia di valorizzazione energetica nell’ambito dei suddetti processi termochimici.

La semplice combustione di biomasse è una pratica molto diffusa per convertire rapidamente l’energia chimica della biomassa in molteplici “output” quali calore, potenza meccanica o elettricità. L’output finale dipende dalla tipologia di impianto utilizzata quali possono essere stufe, forni, caldaie, turbine a vapore, turbogeneratori, ecc. I gas caldi prodotti dalla combustione di biomasse hanno temperature variabili in un range tra gli 800 °C ed i 1000 °C , con la possibilità di bruciare teoricamente qualsiasi tipo di biomassa. Tuttavia la combustione è fattibile solo quando il contenuto di umidità nella biomassa è inferiore al 50%; valori di umidità più elevati, infatti, rendono la biomassa più idonea ad un trattamento di tipo biochimico. Le taglie degli impianti di combustione di biomasse variano da taglie molto piccole, come l’uso domestico, ad impianti industriali di larga scala con potenza dai 100 MW ai 3000 MW con rendimenti variabili tra il 20% ed il 40%<4>.

La pirolisi, invece, è il processo di decomposizione termochimica dei materiali organici contenuti all’interno delle biomasse, per mezzo della fornitura di calore alla temperatura di circa 500 °C ed in forte carenza di ossigeno. I prodotti della pirolisi sono gassosi, liquidi e solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (veloce, lenta, convenzionale) e dai parametri di reazione. La pirolisi è essenzialmente utilizzata per la produzione di bio-olio impiegando la pirolisi veloce (o flash pirolisi) con un rendimento di conversione all’incirca pari all’80 %.

La gassificazione, infine, è un processo di conversione della biomassa in una miscela di gas mediante l’ossidazione parziale della stessa biomassa ad alte temperature (800 °C – 1000 °C). Il gas povero risultante dal processo di gassificazione ha una composizione che dipende dall’agente gassificante impiegato e dal tipo di reattore utilizzato. Ai fini dell’applicazione oggetto della presente invenzione ci si riferirà ad un processo di gassificazione con aria dal quale si ottiene un gas di sintesi dal basso potere calorifico (circa 4-6 MJ/Nm<3>) che può essere direttamente bruciato oppure costituire il combustibile per motori alternativi a gas o a turbina. In generale, il gas di sintesi prodotto può essere impiegato alternativamente come materia prima per la

4 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 2): conversion technologies, Bioresource Technology 83 (2002) 47-54.

produzione di composti chimici quali il metanolo a sua volta utilizzabile per la produzione di biodiesel.

Scopo del presente trovato, quindi, è dotare un gassificatore a letto fisso alimentato a biomasse di una camera di combustione dalla forma innovativa, non rientrante nelle categorie né di reattore updraft, né di reattore downdraft.

I reattori per la gassificazione di biomasse, infatti, appartengono a due grandi categorie: reattori a letto fisso e reattori a letto fluidizzato. Tra i reattori a letto fisso, la diversa direzione del flusso di agente gassificante (aria) rispetto al letto, dà origine principalmente a due diverse tipologie di reattore: updraft, downdraft.

Nel reattore di tipo updraft la biomassa è caricata alla sommità del gassificatore, mentre l’agente gassificante (aria) è introdotto dal basso dell’unità attraverso una griglia. La biomassa, durante la discesa, è dapprima seccata dai gas caldi prodotti che si muovono verso l’alto, producendo carbone, che continua a scendere, ed altri vapori di pirolisi che si uniscono ai gas caldi prodotti. In seguito nella zona di pirolisi si separano dalla biomassa tutti i composti volatili e si forma una considerevole quantità di catrame, che in parte si unisce al gas di sintesi prodotto in uscita ed in parte si unisce ai residui solidi. Quest’ultimi, man mano che si formano, scendono verso il basso per essere raccolti; mentre nella parte alta del gassificatore, dove la biomassa è essiccata, i gas prodotti sono raffreddati fino ad una temperatura intorno ai 200 °C – 300 °C<5>. Il reattore downdraft, invece, è caratterizzato da un flusso equicorrente tra biomassa e agente gassificante: i prodotti di reazione, prima di uscire dal gassificatore, sono miscelati in una regione turbolenta ad alta temperatura, detta diabolo. In tale regione si realizza il parziale cracking del catrame che ne limita l’eccessiva produzione. A causa dell’elevata temperatura in uscita dei gas prodotti (circa 900 – 1000 °C), l’efficienza complessiva in termini energetici di tale reattore è piuttosto bassa; tuttavia il gas di sintesi prodotto risulta essere a basso contenuto di polveri e catrami.

La camera di combustione del gassificatore oggetto della presente invenzione, invece, propone un flusso della biomassa dall’alto verso il basso con alimentazione dell’aria lateralmente configurandosi in tal modo come un flusso incrociato. La seguente descrizione dettagliata farà riferimento alle seguenti tavole<allegate da 1/5 a 5/5 dove:>

� la fig. 1 è una vista in 3D della parte superiore del<gassificatore con all’interno la camera di combustione;>

� la fig. 2 è una vista laterale della parte superiore delgassificatore con in evidenza alcuni particolari dell’interno<dello stesso;>

� la fig. 3 è una vista dall’alto della parte superiore del gassificatore;

5 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 3): gasification technologies, Bioresource Technology 83 (2002) 55-63.

� la fig. 4 rappresenta una sezione longitudinale del<gassificatore, così come indicata in fig. 3;>

� la fig. 5 è una vista in 3D della parte inferiore del gassificatore posta immediatamente al di sotto della parte superiore del<gassificatore mostrato in fig. 1;>

� la fig. 6 è una vista laterale della parte inferiore del<gassificatore;>

� la fig. 7 rappresenta una sezione longitudinale della parte<inferiore del gassificatore così come indicata in fig. 6;>

� la fig. 8 rappresenta una sezione trasversale della parteinferiore del gassificatore così come indicata in fig. 6.

Nel complesso il gassificatore è costituito da una parte “superiore” 1 e da una parte “inferiore” 2 montate rispettivamente una sopra l’altra. Scendendo dall’alto verso il basso, nella parte superiore 1, si realizza il processo di combustione, il quale fornisce il calore alle reazioni di pirolisi della biomassa che avvengono immediatamente al di sotto, fino all’altezza dei fori di adduzione 11 dell’agente gassificante costituito dall’aria. Da questo punto in poi si cominciano le reazioni di vera e propria gassificazione, cioè a dire le reazioni che producono i gas utile agli scopi successivi dell’impianto. La griglia rotante 15 che, opportunamente dimensionata per la pezzatura della biomassa, impedisce alla stessa biomassa di abbandonare la zona di reazione ancora incombusta, separa la zona inferiore 2 da quella superiore 1. La zona inferiore 2 è lo spazio in cui si completano le reazioni di gassificazione; si convoglia il gas prodotto verso la tubazione di uscita; consente la caduta e la raccolta delle ceneri per la loro rimozione tramite un apposito sistema meccanico (fig. 5).

La parte superiore 1 del gassificatore è costituita da un involucro esterno 3 di forma pressoché cilindrica, da una sezione interna 4 che ospita le reazioni di combustione, pirolisi e gassificazione (o camera di reazione 9) e da una serie di intercapedini 5 tra la superficie esterna 3 e la sezione interna 4 del gassificatore. Sulla superficie esterna sono presenti una pluralità di aperture circolari 6, la cui apertura parziale consente di regolare l’apporto di agente gassificante durante la produzione di gas si sintesi da biomassa. Sempre sulla superficie laterale esterna del gassificatore è presente il condotto di uscita 7 del gas che conclude il percorso dei gas dalla camera di reazione, attraverso le intercapedini cilindriche, verso l’impianto di trattamento e alimentazione del gas di sintesi prodotto .

Come si può evincere dalla sezione longitudinale della parte “superiore” 1 in fig. 4, al suo interno, partendo dall’alto, si seguono una zona di imbocco 8 a forma tronco conica dove si introduce la biomassa e la si distribuisce uniformemente mediante opportuni organi di mescolamento 12; una camera di reazione 9 caratterizzata da una forma pressoché bombata, dapprima a raggio crescente poi a raggio decrescente; per ultima una sezione di uscita 10, nuovamente a forma tronco conica, in parte sovrapposta alla parte “inferiore 2 in corrispondenza della griglia e della zona di inversione del moto del gas di sintesi. L’adduzione laterale del flusso d’aria all’interno della camera di combustione 9, avviene mediante opportuni condotti 11 che si dipartono radialmente dalla camera di combustione 9 verso l’intercapedine più esterna 5. La regolazione dell’aria avviene mediante un bocchello di alimentazione dell’aria, il quale è circondato da un anello forato collocato sul condotto laterale in corrispondenza delle aperture esterne 6.

Con una configurazione di questo tipo si genera all’interno del reattore 1 ed in particolar modo nella camera di reazione 9 un flusso “incrociato” tra la biomassa alimentata dall’alto che si muove verso il basso e l’aria (agente gassificante) introdotta lateralmente. Si forma in tal modo una zona molto calda laddove l’aria entra nella camera di reazione all’interno della quale avvengono i processi di combustione/pirolisi e gassificazione; le zone di pirolisi e di pre-essiccazione della biomassa si formano, invece, immediatamente al di sopra di detta zona di combustione/pirolisi. Con una tale configurazione si ottiene una tipologia di gassificatore a letto fisso che non rientra né in quella downdraft, né in quella updraft.

La parte “superiore” 1 è tenuta il più possibile chiusa mediante un coperchio durante l’esercizio per evitare l’eccesso d’aria nella zona di combustione. La figura 5, invece, mostra una rappresentazione tridimensionale della parte “inferiore” 2 del gassificatore, posto immediatamente al di sotto di quella “superiore” appena descritta . Come si può evincere dalla vista in figura 6, detta “parte superiore” 2 è costituita da un primo tratto di forma cilindrica 13 e da un tratto finale 14 a forma tronco conica rovesciata, dove si raccolgono le ceneri quali sottoprodotto dell’intero processo di gassificazione.

Dalle figure 7 e 8 si può notare che, all’interno del tratto cilindrico 13, è presente una piattaforma circolare rotante 15 per mezzo di un ingranaggio a ruote dentate 16, sulla quale sono collocati una pluralità di griglie forate (in ragione della pezzatura biomassa da trattare) 17 per il passaggio selettivo del materiale scarto già consumato dalle reazioni di pirolisi e gassificazione.

I gassificatori a letto fluido per biomasse, sui quali non ci si è soffermati in questa descrizione, sono sicuramente più efficienti in termini di rendimento complessivo, ma implicano costi sia iniziali che di mantenimento superiori rispetto ai gassificatori a letto fisso. Quest’ultimi restano l’opzione più conveniente per la produzione di un gas di sintesi dal basso potere calorifico da utilizzare in impianti di generazione di energia su piccola scala.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Gassificatore a letto fisso alimentato a biomassa costituito da due parti (superiore 1 ed inferiore 2) montate una sull’altra, laddove la camera di reazione all’interno della parte “superiore” (1) è caratterizzata da una forma pressoché bombata, con sezione dapprima a raggio crescente e poi decrescente nel tratto finale, nonché caratterizzata dalla presenza di una pluralità di condotti (11), i quali si dipartono radialmente dall’esterno verso l’interno e mettono in comunicazione la camera di reazione (9) con la superficie esterna (3) mediante l’intercapedine interna (5) per alimentare le reazioni che avvengono nella camera stessa (9) con l’agente gassificante proveniente dall’intercapedine (5) di passaggio.
2) Gassificatore a letto fisso alimentato a biomassa secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la regolazione di agente gassificante da alimentare nel reattore avviene per mezzo di uno o più bocchelli di alimentazione collocati sui condotti laterali in corrispondenza delle aperture esterne (6).
3) Gassificatore a letto fisso alimentato a biomassa, secondo la rivendicazione 1 o 2, laddove la parte “superiore” (1) è costituita da un involucro esterno (3) di forma pressoché cilindrica, da una sezione interna (4) comprendente la camera (o zona) di combustione, da una di intercapedine (5) tra la superficie esterna (3) e la sezione interna (4) del gassificatore.
4) Gassificatore a letto fisso alimentato a biomassa secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detta superficie esterna (3) è dotata di una pluralità di aperture circolari (6) munite di valvole con varie funzioni tra cui l’alimentazione di agente gassificante all’interno del reattore, nonché di una ulteriore apertura laterale (7) per l’uscita del gas di sintesi prodotto.
5) Gassificatore a letto fisso alimentato a biomassa secondo le rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che la sezione interna della parte “superiore” (1), è costituita da un imbocco (8) a forma tronco conica, da organi di mescolamento (12), dalla camera di combustione (9) e da una sezione di uscita (10), nuovamente a forma tronco conica, attraverso la quale i residui del processo passano alla parte “inferiore” (2).
6) Gassificatore a letto fisso alimentato a biomassa secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che la parte “inferiore” (2), posta in serie al di sotto di quella superiore (1), è costituita da un primo tratto a forma cilindrica (13) e da un tratto finale (14) a forma tronco conica con sezione man mano decrescente, dove si raccolgono le ceneri quali sottoprodotto del processo di gassificazione.
7) Gassificatore a letto fisso alimentato a biomassa secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che all’interno del tratto cilindrico (13) del suddetto gassificatore nella parte “inferiore” (2), è presente una piattaforma circolare rotante (15) per mezzo di un ingranaggio a ruote dentate (16), sulla quale sono collocate una pluralità di griglie forate (17) per il passaggio del materiale di scarto verso l’uscita del gassificatore.
8) Sistema per la produzione di energia elettrica comprendente il gassificatore (1) e (2) secondo una delle rivendicazioni precedenti, finalizzato in un primo stadio alla produzione di un gas di sintesi dal basso potere calorifico, successivamente trattato per l’eliminazione di impurità indesiderate ed, infine alimentato ad un motore a combustione interna opportunamente modificato.