IT201800003927A1 - Generatore di gas da biomasse e/o rifiuti. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda un generatore di gas da biomasse e/o rifiuti a matrice organica contenenti carbonio.

Più in particolare, un generatore in conformità del presente trovato consente di trattare biomasse eventualmente addizionate con altri materiali contenenti carbonio per produrre gas.

Il generatore in oggetto è realizzato mediante un reattore comprendente una bocca di carico dei materiali da trattare, una sezione di scarico attraverso la quale fuoriesce il carbone a matrice organica ed una sezione di uscita dei gas. Una zona di ossidazione del reattore è provvista di un sistema di alimentazione dell’aria che permette di introdurre aria in modo uniforme e controllato, grazie ad una distribuzione puntuale che favorisce lo svolgimento dei processi chimico-fisici che hanno luogo all’interno del reattore stesso. Questi ed ulteriori vantaggi e caratteristiche del presente trovato saranno più e meglio compresi da ogni tecnico del ramo grazie alla descrizione che segue ed agli annessi disegni, forniti a titolo esemplificativo ma da non considerarsi in senso limitativo, nei quali:

la Fig.1 rappresenta una schematica vista prospettica di un generatore in conformità del presente trovato;

la Fig.2 rappresenta una schematica vista in sezione laterale del generatore di Fig.1;

la Fig.3 rappresenta una possibile forma di realizzazione della distribuzione dell’aria nella zona di ossidazione;

le Figg.4A e 4B rappresentano particolari relativi ad un condotto di distribuzione dell’aria del sistema di Fig.3;

la Fig.5 rappresenta un’altra possibile forma di realizzazione della distribuzione dell’aria nella zona di ossidazione;

le Figg.6 e 7 rappresentano particolari relativi ad un condotto di distribuzione dell’aria del sistema di Fig.5;

la Fig.8 rappresenta schematicamente, vista dall’alto, una corona di estrazione del gas dal reattore;

la Fig.9 è uno schema relativo ai sistemi di alimentazione e di scarico del reattore;

la Fig.10 rappresenta schematicamente una ulteriore disposizione degli ugelli di immissione dell’aria nella zona di ossidazione.

Ridotto alla sua struttura essenziale e con riferimento alle figure degli annessi disegni, un generatore di gas in conformità del presente trovato comprende un reattore a sviluppo prevalente verticale (1) costituito da un corpo tubolare nel quale sono formati: una bocca superiore (A) di carico dei materiali, una zona (B) di ossidazione, una sezione inferiore di scarico (C) attraverso la quale fuoriescono i residui solidi, ed una sezione superiore (D) di fuoriuscita dei gas. Il reattore (1) poggia su una piattaforma orizzontale (E) che lo supporta. I materiali in ingresso uniti alle biomasse comprendono materiali contenenti carbonio: farmaci, anche confezionati in blister e scatola di cartone con relativi foglietti illustrativi; pancali di legno; rifiuti ospedalieri; fanghi organici; pneumatici triturati; filtri olio-aria-gasolio interi; imballaggi in genere triturati. In pratica, tutte le tipologie di rifiuti ad eccezione dei materiali inerti in genere non contenenti carbonio. Ad esempio, la frazione del materiale diverso dalla biomassa è pari al 10% del totale. La biomassa è costituita, ad esempio, da biomassa vergine da produzione agricola o forestale oppure biomassa da recupero come scarti derivanti da potature e più in generale da produzioni agricole o forestali. La biomassa può essere caratterizzata da umidità anche maggiore dell’80% senza che ciò comprometta il corretto funzionamento del generatore.

Il materiale sottoposto a gassificazione viene introdotto nel reattore dall’alto, attraverso la bocca di carico (A).

Nella zona di ossidazione (B) è predisposto un sistema di alimentazione dell’aria che, ad esempio, può essere realizzato in due modi diversi. Con riferimento all’esempio mostrato nelle Figg.3-4, una pluralità di condotti orizzontali (2) immettono aria nella zona di ossidazione (B) attraverso una pluralità di ugelli (20) predisposti sia sul lato superiore dei condotti stessi (lato rivolto verso la bocca del reattore), sia lateralmente (21). Gli ugelli superiori (20) sono protetti da cappellotti (22) che impediscono al materiale in discesa di ostruirne l’apertura e permettono di diffondere l’aria secondo flussi non concentrati ma diffusi circolarmente come rappresentato schematicamente in Fig.4B dove le frecce tratteggiate rappresentano l’aria uscente dagli ugelli superiori (20) e diffusa dai cappellotti (22). Gli ugelli laterali (21) possono essere omessi.

In alternativa, con riferimento all’esempio mostrato nelle Figg.5-6, si utilizzano condotti verticali (3) con ugelli di uscita superiori (30), i quali sono rivestititi da una camicia di materiale refrattario removibile (31). Anche in questo caso, l’uscita (30) dei condotti (3) è coperta da un cappellotto (32). L’aria fuoriesce dalla parte superiore dei detti condotti verticali. L’aria può fuoriuscire anche lateralmente (33) dai condotti verticali (3). Ancora in alternativa, i condotti verticali (3) possono essere formati all’interno delle colonnine di materiale refrattario anziché essere costituiti da elementi (tubi) distinti dalle colonnine stesse.

I detti ugelli (20, 21; 30, 33), in entrambi i casi descritti, sono preferibilmente collocati ad una distanza compresa tra 1,00 mt e 1,50 mt dalla base inferiore del reattore (1). Tale distanza consente al carbone diretto verso la base del reattore di raffreddarsi in modo naturale evitando, in tal modo, di impiegare sistemi di raffreddamento ausiliari che comportano consumo di energia elettrica.

Le caratteristiche strutturali del carbone in uscita possono essere modificate sia regolando la temperatura nella zona di ossidazione, sia regolando il tempo di permanenza del materiale nella zona di ossidazione. Tale tempo di permanenza viene regolato modificando la velocità di estrazione del carbone. Queste due variabili permettono di scegliere sia la quantità che la qualità del carbone in uscita (carbone vegetale o “biochar”se il reattore è alimentato solo con biomassa, ovvero più in generale carbone se il reattore è alimentato con biomassa ed altro materiale che, esemplificativamente, può essere costituito da frazioni di rifiuti solidi urbani meglio indicate come materiali vegetali contenuti nei rifiuti urbani da raccolta diretta o differenziata, materiali plastici selezionati oggi definiti come CSS, e/o CDR). In particolare, ad esempio, regolando la portata dell’aria immessa nella zona di ossidazione, possono svilupparsi temperature comprese tra 600°C e 1200°C.

Nella zona di ossidazione (B) l’aria è immessa in modo puntiforme, realizzando una molteplicità di punti di immissione dell’aria anziché una diffusione incontrollata di quest’ultima. In partica, si ha una reazione di ossidazione uniformemente distribuita indipendentemente dalle dimensioni del reattore grazie all’efflusso puntuale e non incontrollato dell’aria nella zona di ossidazione. In conformità del presente trovato, gli ugelli attraverso i quali è immessa l’aria nella sezione di ossidazione (B) sono disposti internamente a tale sezione, anziché perifericamente, e sono posizionati in punti prestabiliti di tale sezione in modo tale che, all’interno di quest’ultima, l’aria sia immessa in punti prestabiliti che sono opportunamente distanziati dal bordo periferico della sezione di ossidazione stessa.

Preferibilmente, i predetti condotti verticali (3) rispettano una disposizione nella quale esse formano una pluralità di terne in disposizione triangolare, in cui, viste dall’alto, i condotti (3) di ogni terna sono disposti ai vertici di un triangolo preferibilmente equilatero il cui lato, preferibilmente, misura 20 cm. La predetta disposizione, schematicamente rappresentata in Fig. 7 dove è evidenziata dalle linee tratteggiate, è ugualmente preferita nel caso in cui si ricorra ai condotti orizzontali (2) anziché a quelli verticali. In quest’ultimo caso, gli ugelli superiori (20) dei condotti (20) saranno disposti secondo lo stesso schema di Fig.7.

In pratica, si realizza un reticolo di ugelli di immissione dell’area all’interno della zona di ossidazione (B). Tale reticolo di ugelli è sviluppato su una unica quota (quota degli ugelli 30) o su due quote (quota degli ugelli 30 e quota degli ugelli 33, 21 se previsti). La doppia quota degli ugelli può anche essere realizzato mediante uso di colonnine (3) di altezza differente come nello schema di Fig. 10.

I prodotti in uscita dal reattore (1) sono gas combustibile e carbone.

Il reattore (1) è un corpo tubolare senza restringimenti, cioè un corpo tubolare a sezione trasversale praticamente costante, il cui volume è esemplificativamente compreso tra 5 m<3>e 100 m<3>in funzione della potenza dell’impianto di gassificazione. Ciò permette il raffreddamento naturale del gas e l’ingresso continuativo o discontinuo ma frequente della carica dall’alto. La carica dall’alto contribuisce al raffreddamento del gas prodotto e costituisce un filtro che si rinnova ad ogni carica. Le generose dimensioni della parte superiore del reattore permettono anche il rallentamento dell’aria immessa attraverso gli ugelli nella zona di ossidazione e diretta verso l’alto, con ridotto o nullo trascinamento delle polveri di carbone verso l’alto. Grazie alla capacità raffreddante del reattore, in uscita possono aversi solo frazioni di idrocarburi leggeri e non altobollenti né mediobollenti. Tuttavia, qualora si decidesse di produrre idrocarburi altobollenti o mediobollenti, si può ridurre la quantità di carica introdotta e/o aumentare la velocità di estrazione del gas. Ad esempio, l’altezza complessiva del reattore è compresa tra 4 e 16 mt. Preferibilmente, le operazioni di carico del materiale sottoposto a gassificazione e rispettivamente di scarico sono eseguite ad intervalli di tempo molto ridotti (ad esempio ogni 15 minuti).

Il carbone fuoriesce al di sotto della zona di ossidazione (B) e cade su una piattaforma dove è montato un sistema del tipo cosiddetto “redler” che spinge il carbone verso uno scarico laterale (5) al di sotto del quale è predisposta una coclea di estrazione (6).

Quando si scarica il carbone, viene azionato il sistema di scarico (5,6) attraverso il quale il carbone viene convogliato in un corrispondente contenitore (7). Quest’ultimo è collegato con lo scarico (5) mediante una prima coclea estrattrice (6) ed una seconda coclea estrattrice (61) posizionata a valle della prima e collegata con quest’ultima. Una terza coclea (62) estrae il carbone dal contenitore (7). La prima e la terza coclea (6, 61, 62) è azionata da un corrispondente motore elettrico (M6, M61, M62). La prima e la terza coclea (6, 62) presentano rispettive valvole (600, 620) che controllano le bocche di ingresso di tali coclee. La terza coclea è ferma quando la prima e la seconda lavorano e viceversa. Nella fase di scarico del materiale dal reattore (1), la valvola che controlla l’ingresso della terza coclea è chiusa e, viceversa, nella fase di azionamento della terza coclea (62) la bocca di ingresso della prima coclea viene chiusa. In tal modo, si impedisce l’ingresso di aria nella zona di ossidazione attraverso il sistema di scarico.

E’ preferibile stoccare separatamente la biomassa e gli altri materiali ed immetterli separatamente in una sola coclea di carico del reattore.

Nella zona superiore (D) del reattore è predisposta una corona di aspirazione del gas (DC). L’aspirazione così operata favorisce la rettilinearità del flusso di gas all’interno del reattore e quindi assicura un maggior contatto tra il gas in uscita e la massa in ingresso.

Ad esempio, il gas in uscita è ad una temperatura compresa tra 70 e 75°C. Il reattore è in depressione (ad esempio da -1 mbar a -80mbar, preferibilmente tra -2 mbar e -10 mbar). Tale depressione è ottenuta, ad esempio, modulando la portata dell’aria in ingresso (e conseguentemente la velocità di efflusso dell’aria attraverso gli ugelli della zona di ossidazione) e la velocità di estrazione del gas in uscita. In tal modo, non si avranno fuoriuscite di gas dal reattore verso l’esterno.

All’interno del reattore è predisposto un sensore di livello (SC) che comanda il sistema di carico come ulteriormente descritto nel seguito. In conformità dell’esempio illustrato in Fig.9, il sistema di alimentazione del carico comprende un magazzino di stoccaggio in due sezioni, qui definite di carica (C1) e di precarica (C2). La sezione di carica (C1) alimenta quella di precarica (C2) e quest’ultima alimenta il reattore (1). Un sistema di convogliamento dei materiali a coclea (8) collega la sezione di carica (C1) con quella di precarica e presenta una rispettiva valvola (V8) di apertura/chiusura. Una ulteriore coclea (9) collega la sezione di precarica con la bocca del reattore (1) che, a sua volta, è controllata da una valvola di apertura/chiusura (V1). Le coclee (8, 9) sono controllate da rispettivi motori di azionamento (M8, M9). In fase di immissione del materiale nel reattore (1), la sezione di precarica (C2) è isolata dalla sezione di carica (C1) la cui valvola (V8) viene chiusa. Grazie a ciò, si evita di introdurre aria dall’alto nel reattore (1) durante la fase di immissione dei materiali da gassificare. Quando il sensore (SC) rileva carenza di materiale nel reattore (1), la coclea (8) preleva il materiale dalla sezione di carica (C1) ed alimenta la sezione di precarica (C2). In questa fase, il caricamento del reattore è inibito.

Resta inteso che in luogo delle predette coclee possono essere utilizzati convogliatori di altro tipo.

Allo scarico, il carbone può essere vagliato. La frazione polverulenta può essere eliminata, mentre, se desiderato, la frazione più grossa può essere riportata allo stoccaggio per essere successivamente immessa nel reattore insieme alla biomassa.

Il reattore è capace di trattare biomasse eterogenee e con umidità fino all’80%. L’acqua estratta dall’alto e derivata attraverso apposite unità di lavaggio/filtrazione, di per sé note, può essere distillata in una colonna di distillazione frazionata a piatti (intervallo di 1°C tra un piatto e l’altro della colonna) per estrarne sostanze (come ad esempio tannini, fenoli, polifenoli, idrocarburi leggeri, resine e basi per produrre antigrittocamici, antivegetativi, soluzioni tanniche con aggiunta di azota per produrre concimi azotati tannici) da ricollocare sul mercato.

La zona di ossidazione (B) è in una sezione in cui la parete laterale interna (B1) è rivestita di materiale refrattario e corrispondentemente la parete laterale esterna è rivestita da una camicia tubolare (B2) nella quale circola acqua.

I processi di carico/scarico si ripetono con frequenza di 5-20 minuti, ad esempio 15 minuti come detto in precedenza, in modo tale che la temperatura del gas nella parte superiore del reattore sia dell’ordine di grandezza precedentemente indicato.

In pratica i particolari di esecuzione possono comunque variare in modo equivalente per ciò che attiene ai singoli elementi descritti e illustrati, senza per questo uscire dall’ambito dell’idea di soluzione adottata e perciò restando nei limiti della tutela accordata dal presente brevetto.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1) Generatore di gas da materiali costituiti da biomasse e/o rifiuti a matrice organica contenenti carbonio, comprendente un reattore a sviluppo prevalentemente verticale (1) costituito da un corpo tubolare nel quale sono formati una bocca (A) di carico dei materiali, una zona (B) di ossidazione, una sezione inferiore di scarico (C) attraverso la quale fuoriescono i residui solidi, ed una sezione superiore (D) di fuoriuscita dei gas prodotti nel reattore (1), caratterizzato dal fatto che nella detta zona di ossidazione (B) sono predisposti ugelli (20, 21; 31) attraverso i quali viene immessa aria ed i quali sono almeno in parte orientati con le rispettive uscite verso l’alto, cioè verso la parte superiore del reattore, i detti ugelli essendo posizionati internamente ad una sezione trasversale del reattore stesso, anziché perifericamente ,così da realizzare un reticolo di ugelli di immissione dell’aria internamente alla zona di ossidazione (B).
2. 2) Generatore di gas secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che i detti ugelli (20, 21; 31) formano una pluralità di terne di ugelli in disposizione triangolare, in cui gli ugelli di ogni terna risultano ai vertici di un triangolo equilatero.
3. 3) Generatore di gas secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che la lunghezza del lato di ciascun triangolo equilatero è pari a 20 cm.
4. 4) Generatore di gas secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che i detti ugelli sono predisposti su relativi condotti orizzontali (3) che si estendono trasversalmente alla zona di ossidazione (B).
5. 5) Generatore di gas secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che i detti ugelli sono predisposti su relativi condotti verticali (4) che si estendono verticalmente dalla parte inferiore del reattore fino alla zona di ossidazione (B).
6. 6) Generatore di gas secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che i detti condotti verticali (4) sono rivestiti da colonnine di materiale refrattario removibili.
7. 7) Generatore di gas secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che i detti condotti verticali (4) sono formati all’interno di colonnine di materiale refrattario.
8. 8) Generatore di gas secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la zona inferiore di scarico (C) è provvista di un estrattore a coclea (6).
9. 9) Generatore secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il reattore (1) è un corpo tubolare a sezione trasversale costante.
10. 10) Generatore secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il reattore (1) è un corpo tubolare di volume compreso tra 5m<3>e 100 m<3>.
11. 11) Generatore secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il reattore (1) è in depressione durante il suo funzionamento.
12. 12) Generatore secondo la rivendicazione 11 caratterizzato dal fatto che la depressione del reattore (1) va da -1 mbar a -80mbar, preferibilmente da -2 mbar a -10 mbar.