ITTO20121122A1 - Reattore di piro-gassificazione. - Google Patents

Description

TITOLO: REATTORE DI PIRO-GASSIFICAZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un reattore di piro-gassificazione, compreso in un impianto di pirogassificazione, della tipologia downdraft, atto alla produzione di gas di sintesi o syngas a partire da biomassa, ad esempio di origine organica.

È noto il processo di pirolisi il quale, a seguito del riscaldamento sostanzialmente in assenza di ossigeno, attraverso un processo di dissociazione molecolare delle sostanze immesse, preferibilmente organiche, consente di realizzare una fase solida costituita essenzialmente da carbone, una fase gassosa che comprende, in proporzioni variabili, principalmente idrocarburi.

La percentuale fra fase solida e gassosa à ̈ funzione dei parametri della reazione quali ad esempio tempo di attuazione del processo e temperatura alla quale avviene la reazione.

Tale processo avviene essenzialmente a temperature comprese fra i 400÷700 °C.

Gli idrocarburi compresi nella fase gassosa hanno una struttura molecolare molto complessa, con ridotto potere combustibile.

È noto, inoltre, il processo di gassificazione il quale consta in un’ossidazione incompleta di un combustibile solido, con la presenza di un agente gassificatore atto a cedere ossigeno, ad una temperatura compresa fra i 800÷1300 °C, e in ambiente carente di ossigeno.

Sono noti numerosi impianti di piro-gassificazione della tipologia downdraft, atti alla produzione di gas di sintesi. In tali impianti la biomassa introdotta dall’alto scorre verso il basso subendo le seguenti reazioni: essicazione, pirolisi e carbonizzazione della biomassa introdotta. Lo scarto di produzione, sostanzialmente ceneri, sono accumulate nella parte inferiore dell’impianto ed opportunamente rimosse.

Tali impianti sono affetti da numerosi problemi tecnici fra i quali:

• la formazione di tar e quindi la scarsa qualità del gas prodotto;

• tempi e costi elevati per l’avviamento e lo spegnimento dell’impianto;

• elevato costo di realizzazione dell’impianto dovuto all’impiego massiccio di materiale refrattario, al fine di poter raggiungere le suddette temperature senza rischiare la fusione del materiale di cui à ̈ composto il reattore di gassificazione.

L’uso di materiale refrattario oltre all’elevato costo del materiale stesso, determina una serie di problemi quali ad esempio l’inerzia termica, manutenzione e massa dell’impianto. Infatti, i materiali refrattari hanno intrinsecamente un’inerzia termica elevata, scaldandosi e raffreddandosi molto lentamente. Questo comporta che in caso sia necessario apportare delle opere di manutenzione à ̈ necessario attendere molte ore dallo spegnimento dell’impianto prima di poter operare, perché à ̈ necessario attendere che la temperatura dello stesso materiale abbia raggiunto una temperatura tale da consentire le opere di manutenzione in sicurezza.

Nelle soluzioni dell’arte nota, nella parte inferiore del reattore, sotto il nucleo, à ̈ presente una griglia la quale à ̈ atta a sorreggere il carbone o char ottenuto dal processo di pirolisi. Lo stesso carbone à ̈ espulso quando questo ha raggiunto una dimensione tale da poter superare le maglie della stessa griglia, poiché il carbone ha raggiunto una dimensione inferiore alle luci della griglia stessa.

Il carbone che supera tale griglia giunge in un cenerario dove sarà rimosso. Il carbone giunto nel cenerario non ha ancora esaurito completamente le sue funzioni termiche e filtranti per la produzione del gas di sintesi. Questo comporta uno sfruttamento non ottimale della biomassa introdotta.

L’arte nota non à ̈ quindi in grado di garantire che la biomassa sia sfruttata nella sua totalità durante il processo di piro-gassificazione. Si desidera quindi che nel cenerario giunga solamente la cenere, scarto fisiologico del processo di piro-gassificazione, ed evitare che possa giungervi anche del carbone.

La presente invenzione si propone di risolvere i suddetti problemi tecnici realizzando un reattore, per impianti di piro-gassificazione, il quale comprende un impianto di raffreddamento tale da consentire di non utilizzare materiale refrattario e permettere la completa reazione della biomassa ed un particolare sistema di griglie per ottimizzare lo sfruttamento della biomassa.

Un aspetto della presente invenzione riguarda un reattore con le caratteristiche dell’allegata rivendicazione 1.

Un ulteriore aspetto della presente invenzione riguarda un impianto di piro-gassificazione con le caratteristiche dell’allegata rivendicazione 10.

Le caratteristiche accessorie sono riportate nelle allegate rivendicazioni dipendenti.

Le caratteristiche ed i vantaggi del reattore secondo la presente invenzione saranno chiari ed evidenti dalla seguente descrizione brevettuale di una forma di realizzazione preferita, non limitativa, del reattore e dell’impianto, e dalle figure in allegato le quali illustrano rispettivamente nel dettaglio:

• la figura 1 mostra in una vista prospettica complessiva l’impianto di piro-gassificazione comprendente un reattore secondo la presente invenzione;

• le figure 2A, 2B e 2C illustrano il reattore secondo la presente invenzione, in particolare la figura 2A una vista prospettica del reattore, le figure 2B e 2C mostrano due viste laterali dello stesso reattore;

• le figure 3A, 3B e 3C mostrano il nucleo del reattore secondo la presente invenzione, in particolare la figura 3A mostra in una vista complessiva il reattore comprendente la struttura di raffreddamento, la figura 3B mostra una sezione laterale di figura 3A e la figura 3C mostra, in una vista prospettica il nucleo a cui à ̈ stata rimossa la struttura di raffreddamento;

• le figure 4A, 4B mostrano una forma di realizzazione preferita delle griglie comprese nel nucleo secondo la presente invenzione, in particolare la figura 4A mostra in una vista dall’alto la sezione B-B del reattore di figura 2C; la figura 4B mostra in una vista dall’alto la sezione C-C del reattore di figura 2C.

Con riferimento alle citate figure, il reattore 3 di piro-gassificazione à ̈ di tipo downdraft.

Ai fini della presente invenzione con il termine reattore di tipo downdraft s’intende un gassificatore in equi - corrente, in cui il flusso di gassificazione segue il flusso di combustibile, quale la biomassa, verso il basso, lungo un asse verticale “Z†.

Il reattore secondo la presente invenzione à ̈ atto ad essere applicato ad un impianto di piro-gassificazione 2. Una forma di realizzazione del piro - gassificatore 2 à ̈ ad esempio illustrata in figura 1.

Il reattore 3, secondo la presente invenzione comprende: almeno un primo ingresso 32 tramite cui à ̈ immessa una quantità di biomassa prestabilita; una vasca di accumulo 31 in cui à ̈ immessa la biomassa da piro -gassificare, ed almeno un secondo ingresso 34 tramite cui viene immesso un mezzo fluidificante, quale ad esempio aria e/o ossigeno e/o altre miscele di gas, nel reattore 3, tramite un impianto di immissione mezzo fluidificante “A†, come ad esempio illustrato nelle figure 2A, 2B e 2C.

Detto impianto di immissione mezzo fluidificante “A†à ̈ atto ad immettere nell’impianto di piro-gassificazione 2 un fluido o mezzo fluidificante, quale ad esempio aria e/o ossigeno e/o altre miscele di gas.

Il reattore comprende un nucleo 4 in cui avvengono i processi di pirolisi e di gassificazione, posto al di sotto di detta vasca di accumulo 31, rispetto a detto asse verticale “Z†. In detto nucleo 4 giunge il combustibile o biomassa pirolizzata. In detta vasca di accumulo 31 durante la discesa della biomassa stessa avviene l’essicazione della biomassa e la sua pirolisi.

Detto nucleo 4 comprende almeno una prima camera di reazione 41, ove avviene il processo di gassificazione, e almeno una prima griglia 43.

Detta prima griglia 43 Ã ̈ atta a sorreggere la biomassa durante il processo di piro-gassificazione proveniente per caduta da detta vasca di accumulo 31,; in articolare, atta sorreggere il carbone ottenuto dalla fase di pirolisi precedente. Nelle figure 3A-3C Ã ̈ illustrata, in diverse viste, una forma di realizzazione preferita del reattore 3 secondo la presente invenzione.

Il reattore 3, secondo la presente invenzione, comprende una struttura di raffreddamento 5, atta a circondare il nucleo 4, avvolgendolo, realizzando un’intercapedine 51. Detta struttura di raffreddamento 5 à ̈ fluidicamente connessa a detto impianto di immissione mezzo fluidificante “A†, in modo tale da consentire lo scorrere di un flusso di fluido in detta intercapedine 51, ad esempio aria e/o ossigeno e/o una miscela di gas.

In detta intercapedine 51 à ̈ costretto a passare detto mezzo fluidificate, ad esempio a temperatura ambiente, immesso tramite detto impianto di immissione mezzo fluidificante “A†. Questo mezzo fluidificante, preferibilmente a temperatura ambiente, nel suo passaggio continuo raffredda le pareti esterne 40 del nucleo 4, sottraendo calore per convenzione, impedendo alle stesse pareti esterne 40 di raggiungere temperature critiche quali ad esempio la temperatura di fusione. Detta intercapedine 51 à ̈ illustrata chiaramente in figura 3B.

Detto secondo ingresso 34 d’immissione di un mezzo fluidificante à ̈ in corrispondenza di detto nucleo 4, consentendo l’immissione del mezzo fluidificate, quale ad esempio aria, contenuto in detta intercapedine 51 almeno all’interno di detta prima camera di reazione 41.

La posizione di detto secondo ingresso consente di distribuire l’elemento ossidante contenuto nel mezzo fluidificante, nel presente caso aria, dove à ̈ maggiormente richiesta. L’immissione del mezzo fluidificante nel nucleo 4 permette la reazione di dissociazione molecolare dei gas, che attraversano detto nucleo 4, propria del processo di gassificazione, permettendo lo svolgimento di tale processo in modo compiuto, grazie all’elevata temperatura a cui si trova il nucleo 4 stesso. Nelle figure 4A-4B à ̈ illustrato il nucleo 4 in cui à ̈ visibile la struttura di raffreddamento 5. Nella figura 4C, invece à ̈ visibile il nucleo 4 a cui à ̈ rimossa detta struttura di raffreddamento 5.

Detto nucleo 4 e detta struttura di raffreddamento 5 sono preferibilmente realizzati totalmente in materiale metallico, non refrattario, ad esempio in acciaio. La presente soluzione permette dunque di ridurre i costi di realizzazione del reattore 3 e di conseguenza dell’impianto 2, poiché non à ̈ richiesto l’utilizzo di materiali refrattari per controllare la temperatura del nucleo 4. Il reattore 3 secondo la presente invenzione permettere comunque di raggiungere le temperature ottimali nel nucleo 4 al fine pirolizzare e gassificare la biomassa e ottenere un gas di sintesi di elevata qualità.

Nella forma di realizzazione preferita, detto secondo ingresso 34 per l’immissione del mezzo fluidificante, ad esempio aria, à ̈ un setto che segue sostanzialmente la totalità del perimetro esterno di detta prima camera 41.

Detto secondo ingresso 34 permette l’immissione dell’elemento ossidante in modo sostanzialmente uniforme in tutte la sezione del nucleo 4. Tale soluzione permette di uniformare l’immissione dell’elemento ossidante nella prima camera di reazione 41, al fine di avere un’immissione uniforme, non puntuale come invece avviene nelle soluzioni dell’arte nota.

Nella forma di realizzazione preferita, detto secondo ingresso 34 per l’immissione del mezzo fluidificante à ̈ posto sostanzialmente in corrispondenza della porzione centrale di detta prima camera 41, come ad esempio illustrato nelle figure 3B e 3C. tale conformazione del nucleo 4 e del secondo ingresso 34 permette di ottimizzare l’immissione dell’ossidante nel nucleo, ed in particolare nella prima camera di reazione 41, al fine di ottimizzare la reazione all’interno del nucleo 4.

Nella forma di realizzazione preferita, il nucleo 4 comprende almeno una seconda camera di reazione 42. Detta camera di reazione 42 à ̈ posta al di sotto di detta prima camera di reazione 41, con riferimento a detto asse verticale “Z†.

La prima e seconda camera di reazione (41, 42) sono divise dalla prima griglia 43. La seconda camera di reazione 42 e delimitata inferiormente da una seconda griglia 44, come ad esempio visibile in figura 3B.

Detta seconda griglia 44 à ̈ atta a far sostare, per un periodo di tempo superiore, il carbone o char proveniente dal processo di pirolisi, all’interno del nucleo 4.

Detta seconda camera di reazione 42 comprende una pluralità di prime aperture 422 , atte a consentire l’immissione del mezzo fluidificante, ad esempio aria, contenuto in detta intercapedine 51, all’interno di detta seconda camera di reazione 42.

Preferibilmente, dette prime aperture 422 sono preferibilmente fori, ad esempio circolari, uniformemente distribuiti sulle pareti esterne 40 in corrispondenza di detta seconda camera di reazione 42.

La seconda griglia 44, in combinazione con dette prime aperture fa si che il carbone o char sia investito nuovamente dal mezzo fluidificante, ad esempio aria, al fine di completare le sue funzioni termiche, completando la reazione e divenire cenere. Infatti, l’ossigeno contenuto nel mezzo fluidificante, a contatto con il carbone attivo o brace, permette di mantenere elevata la temperatura consentendo ai gas di pirolisi di compiere una dissociazione molecolare completa al fine di ottenere un gas di sintesi privo di molecole di carbonio lunghe definite tar.

Nella forma di realizzazione preferita, la prima griglia e la seconda griglia (43, 44) hanno una densità di seconde aperture 45 sostanzialmente equivalente, preferibilmente identica.

Come illustrato nelle figure 4A e 4B le due griglie (43, 44) sono sostanzialmente identiche. Dette seconde aperture 45 hanno sostanzialmente una forma ad asola allungata. Come illustrato nelle figure 4A e 4B ogni griglia à ̈ divisa in quattro quadranti ogni quadrante comprende dette seconde aperture 45 allineate lungo una predeterminata direzione. Ogni quadrante ha una direzione di allineamento, delle seconde aperture 45, sostanzialmente ruotata di 90° rispetto al successivo e al precedente quadrante. Inoltre, le seconde aperture 45, poste in quadranti non consecutivi fra loro, risultano in doppio speculare fra loro stesse.

La densità delle seconde aperture 45 in dette prima e seconda griglia sono funzione delle dimensioni del reattore stesso, ed in particolare della vasca di accumulo 31, oltre che delle dimensioni del particolato della biomassa introdotta.

Detta intercapedine 51 della struttura di raffreddamento 5, nella forma di realizzazione illustrata comprende una primo vano 52 ed un secondo vano 53.

Sostanzialmente, detto primo vano 52 avvolge detta prima camera di reazione 41, circondandola; mentre, detto secondo vano 53 avvolge detta seconda camera di reazione 42, circondandola.

Detti primo e secondo vano (52, 53) sono preferibilmente suddivise da una piastra forata atta a consentire il transito di un flusso di fluido, ad esempio aria, fra i due vani (52 53).

In generale, un impianto di piro-gassificazione 2, ad esempio illustrato in figura 1, comprende un involucro esterno 21, un coperchio 22, un cenerario 24.

L’involucro esterno 21 ha preferibilmente una forma sostanzialmente cilindrica.

Il reattore 3, secondo la presente invenzione, à ̈ posto all’interno dell’involucro esterno 21.

Detto coperchio à ̈ atto a sigillare la porzione superiore della vasca di accumulo 31.

Detto cenerario 24 à ̈ atto a raccogliere le ceneri di scarto del processo di piro-gassificazione delle biomasse. Il cenerario 24 ha una forma sostanzialmente troncoconica, svolgendo una funzione di imbuto verso un’apertura di scarico 25, posta in corrispondenza della base minore, tramite cui vengono rimosse le suddette ceneri, in modo automatico e/o manuale.

Come visibile in figura 1, preferibilmente in corrispondenza dell’involucro esterno 21 à ̈ compreso un punto di spillatura del gas 211 di sintesi. Detto gas di sintesi spillato tramite detto punto di spillatura 211, à ̈ inviato verso uno o più impianti di purificazione e/o raffreddamento dello stesso gas, non illustrati. Detto punto di spillatura 211 à ̈ ad esempio un condotto flangiato, posto tangenzialmente all’involucro esterno 21.

Detto primo ingresso 32, compreso nel reattore 3, Ã ̈ ad esempio un elemento tubature atto a condurre la biomassa, proveniente da un impianto di immissione biomassa, non illustrato, verso il reattore 3.

Detto impianto d’immissione mezzo fluidificante “A†comprende almeno un condotto 26. Detto condotto 26 à ̈, ad un capo, fluidicamente connesso al struttura di raffreddamento 5 e al capo opposto fuoriesce del reattore 3.

Eventualmente, detto impianto “A†comprende almeno un dispositivo d’immissione di un mezzo fluidificante, non illustrato, atto ad immettere un fluido nell’impianto “A†. Detto dispositivo d’immissione à ̈ connesso a detto condotto 26..

Nella forma di realizzazione preferita detto condotto 26 comprende essenzialmente due bracci atti ad immettere il mezzo fluidificante nell’intercapedine 51 sostanzialmente in due punti distanti 180° fra loro.

L’impianto di piro-gassificazione 2, secondo la presente invenzione, comprende almeno un dispositivo riscaldante 24, come noto, atto ad innescare il processo di piro-gassificazione portando in temperatura il reattore 3. Detto dispositivo riscaldante 24 à ̈ ad esempio una resistenza ad incandescenza.

Il reattore 3 secondo la presente invenzione permette di ottenere una protezione passiva delle parti soggette ad alte temperature, quale il nucleo 4 tramite l’implementazione della struttura di raffreddamento 5 descritta precedentemente.

La presenza di detto secondo ingresso 34 a forma di setto, posto in corrispondenza del nucleo 4 ed in particolare in corrispondenza della prima camera di reazione 41, permette di ottenere una distribuzione sostanzialmente ideale dell’elemento ossidante all’interno del nucleo 4.

L’utilizzo di una struttura di raffreddamento 5 in cui non sono utilizzati materiali refrattari permette di ridurre notevolmente i costi di realizzazione. Inoltre, l’utilizzo di materiali quali l’acciaio a differenza dei materiali refrattari permette di eliminare il problema dell’inerzia termica dell’impianto consentendo una rapida accensione del reattore 3 stesso e/o un rapido spegnimento. I tempi di accensione e spegnimento sono pari ad 1/10 rispetto ai tempi richiesti nelle soluzioni dell’arte nota, impieganti materiali refrattari. Tale velocità di spegnimento dell’impianto permette di poter intervenire, ad esempio per opere di manutenzione, anche dopo poche ore dallo spegnimento dell’impianto stesso. Non impiegando materiali refrattari, oltre alla riduzione dei costi di realizzazione, di conseguenza, vi à ̈ una riduzione dei costi di manutenzione durante la vita dell’impianto stesso.

La suddivisione del nucleo 4 in due camere di reazione (41, 42) comprendendo una seconda griglia 44, e l’utilizzo di una struttura di raffreddamento 5 atta a consentire l’immissione del mezzo fluidificante anche nella seconda camera di reazione 42, permette di sfruttare integralmente la biomassa introdotta nell’impianto di pirogassificazione. Infatti, la biomassa à ̈ sfruttata sia in termini di funzione termica per incrementare la temperatura nel nucleo sia la sua funzione filtrante del gas di sintesi, ottenendo come scarto solamente cenere.

RIFERIMENTI NUMERICI

Impianto di piro-gassificazione 2 Involucro esterno 21 Punto di spillatura gas 211 Coperchio 22 Cenerario 23 Dispositivo riscaldante 24 Apertura di scarico 25 Condotto 26 Reattore 3 Vasca di accumulo 31 Primo ingresso 32 Secondo ingresso 34 Nucleo 4 Pareti esterne 40 Prima camera di reazione 41 Seconda camera di reazione 42 Prime aperture 422 Prima griglia 43 Seconda griglia 44 Seconde aperture 45 Struttura di raffreddamento 5 Intercapedine 51 Primo vano 52 Secondo vano 53 Impianto di immissione mezzo fluidificante A Asse verticale Z

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI: 1. Reattore (3) di piro-gassificazione di tipo downdraft atto ad essere applicato ad un impianto di pirogassificazione (2); detto reattore (3) comprende: • almeno un primo ingresso (32)tramite cui à ̈ immessa una quantità di biomassa prestabilita; • una vasca di accumulo (31) in cui à ̈ immessa la biomassa da pirolizzare e gassificare; • almeno un secondo ingresso (34) tramite cui viene immesso un mezzo fluidificante nel reattore (3), tramite un impianto di immissione mezzo fluidificante (A); • un nucleo (4) in cui avvengono i processi di pirolisi e di gassificazione, posto al di sotto di detta vasca di accumulo (31); detto nucleo (4)comprende almeno una prima camera di reazione (41) e almeno una prima griglia (43) atta a sorreggere la biomassa durante il processo di pirogassificazione; detto reattore à ̈ caratterizzato dal fatto che: • comprende una struttura di raffreddamento (5), atta a circondare il nucleo (4), avvolgendolo, realizzando un’intercapedine (51); • detta struttura di raffreddamento (5) à ̈ fluidicamente connessa a detto impianto di immissione mezzo fluidificante (A), in modo tale da consentire lo scorrere di un flusso di fluido in detta intercapedine (51); • detto secondo ingresso (34) d’immissione del mezzo fluidificante à ̈ in corrispondenza di detto nucleo (4) consentendo l’immissione del mezzo fluidificante contenuto in detta intercapedine (51) almeno all’interno di detta prima camera di reazione(41).
2. 2. Reattore secondo la rivendicazione 1, in cui detto nucleo (4) e detta struttura di raffreddamento (5) sono totalmente realizzati in acciaio.
3. 3. Reattore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui tale nucleo (4) comprende almeno una seconda camera di reazione (42) posta al di sotto di detta prima camera di reazione(41); detta prima e seconda camera (41, 42) sono divise da detta prima griglia (43) e detta seconda camera di reazione (42) e delimitata inferiormente da una seconda griglia (44).
4. 4. Reattore secondo la rivendicazione 2, in cui detta seconda camera di reazione(42) comprende una pluralità di prime aperture (422), atte a consentire l’immissione del mezzo fluidificante, contenuto in detta intercapedine (51), all’interno di detta seconda camera (42).
5. 5. Reattore, secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui à ̈ detto secondo ingresso (34) à ̈ un setto che segue sostanzialmente la totalità del perimetro esterno di detta prima camera di reazione(41).
6. 6. Reattore secondo la rivendicazione 5, in cui detto secondo ingresso (34) Ã ̈ posto sostanzialmente in corrispondenza della porzione centrale di detta prima camera di reazione(41).
7. 7. Reattore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto struttura di raffreddamento (5) comprende una primo vano (52) ed un secondo vano (53) suddivisi da una piastra forata atta a consentire il transito di un flusso di fluido fra i due vani (52 53).
8. 8. Reattore secondo la rivendicazione 7, in cui detto primo vano (52) avvolge sostanzialmente detta prima camera (41) del nucleo (4) e detto secondo vano (53) avvolge sostanzialmente detta seconda camera (42) dello stesso nucleo (4).
9. 9. Reattore secondo la rivendicazione 3, in cui detta prima e seconda griglia (43, 44) hanno una densità di seconde aperture (45) sostanzialmente equivalente.
10. 10. Impianto di piro-gassificazione (2) comprendente un involucro esterno (21), un coperchio (22), un cenerario (24); detto impianto (2) Ã ̈ caratterizzato dal fatto di comprendere un reattore (3) secondo la rivendicazione 1.