IT202000025321A1 - Processo di gassificazione di materiale organico e impianto per attuare un tale processo - Google Patents

Processo di gassificazione di materiale organico e impianto per attuare un tale processo Download PDF

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Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Processo di gassificazione di materiale organico e impianto per attuare un tale processo"
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce in generale ai processi di gassificazione dei materiali organici.
La gassificazione pu? essere definita come la conversione termochimica di un combustibile solido o liquido in un gas, attuata mediante la presenza di un agente gassificante e altri reagenti (aria/ossigeno e/o acqua/vapore) conducendo a una sua parziale combustione. Il processo nel complesso ? formato concettualmente da tre fasi: una prima fase fortemente esotermica di combustione, una seconda fase di pirolisi e infine la conversione del carbonio in gas (CO, H2, CH4; gassificazione propriamente detta). Il gas prodotto nel processo ? in genere denominato ?syngas? o gas di sintesi.
Si denomina pirolisi la decomposizione per via termica di un combustibile in assenza di apporto di ossigeno (tranne quello eventualmente gi? presente nel combustibile), con la finalit? di produrre idrocarburi solidi (il cosiddetto ?char?), liquidi o gassosi. A seconda soprattutto della rapidit? del processo ? possibile spostare il risultato della reazione verso le frazioni pi? leggere (liquidi e gas; pirolisi veloce) o pesanti (char e liquidi: pirolisi lenta).
Le principali reazioni che avvengono durante la gassificazione sono:
C O2 ? CO2 (Combustione)
C ? O2 ? CO (Ossidazione parziale) C H2O ? CO H2 (Reforming del carbone) C CO2 ? 2CO (Reazione di Boudouard) C 2H2 ? CH4 (Metanazione)
CO H2o(g) ? CO2 H2 (Water/Gas Shift Reaction) Sono note due tipologie di gassificatori a letto fisso a funzionamento atmosferico.
Il reattore viene detto fisso perch? la biomassa inserita nel gasogeno poggia su una griglia e si muove verso il basso man mano che viene consumata. La gassificazione avviene quindi in condizioni essenzialmente statiche.
Le due tipologie utilizzate sono i reattori downdraft (o equicorrente) e i reattori updraft (o controcorrente). L?elemento di differenziazione ? dato dal verso dei flussi del combustibile solido e dei gas (agente gassificante e gas prodotto); mentre nel tipo updraft il gas e la biomassa si muovono in senso opposto (rispettivamente verso l?alto e verso il basso), nel downdraft essi si muovono nella medesima direzione (verso il basso).
Tale differenza ? fondamentale poich? condiziona il processo stesso cui ? sottoposto il combustibile e la qualit? del gas prodotto. Infatti le zone di ossidazione e riduzione sono invertite e quindi nel caso del downdraft i gas di pirolisi sono obbligati a passare attraverso la zona di ossidazione, ad alta temperatura, favorendo il cracking termico dei tar con il risultato che il gas avr? un contenuto di sostanze condensabili di un ordine di grandezza minore rispetto al gas uscente dal reattore updraft.
Tale basso contenuto di contaminanti rende possibile l?utilizzazione del gas prodotto direttamente in motori a combustione interna per la produzione di energia elettrica.
Per lo stesso motivo gli updraft hanno pi? difficolt? di applicazione per la generazione di elettricit? in motori a combustione interna in quanto richiedono una pulizia pi? spinta. In genere per essi ? pi? vantaggiosa l?utilizzazione per produzione di calore attraverso la combustione diretta del gas prodotto in caldaie.
Le soluzioni classiche hanno in comune alcune caratteristiche fondamentali:
- i processi che avvengono all?interno del reattore possono essere controllati esternamente solamente attraverso due parametri: portata dell?agente gassificante e depressione dei gas in uscita;
- la distribuzione delle reazioni all?interno del reattore avviene in maniera stratificata;
- lo spessore degli strati di reazione e le loro temperature sono frutto di delicati equilibri termofluidodinamici raggiunti attraverso un compromesso finalizzato a trovare l?ottimo sui gas in uscita (non ? possibile il controllo e l?ottimizzazione della singola reazione);
- l?agente gassificante, per distribuirsi omogeneamente all?interno del reattore, ha bisogno di trovare dei passaggi all?interno della biomassa. Tale necessit? limita inferiormente la pezzatura della biomassa stessa e la quantit? di polveri presenti che sono le principali cause di intasamento del reattore.
Soprattutto nei reattori di tipo downdraft, la cui peculiarit? ? quella di produrre un gas pulito tale da poter essere usato in motori a combustione interna, l?omogenea distribuzione dell?agente gassificante su tutta la sezione del reattore ? fondamentale per il cracking termico dei tar.
? essenziale garantire che tutti i gas prodotti nella precedente reazione di pirolisi (il cosiddetto ?pyrogas?), vengano coinvolti da una successiva reazione di combustione che ne innalzi la temperatura al punto di distruggere le catene idrocarburiche pi? lunghe e preparare il gas stesso alla successiva fase di riduzione. Eventuali zone in cui non fosse garantita la presenza di ossigeno, oltre a una riduzione nella produzione di syngas, permetterebbero il passaggio del pyrogas tal quale e, di conseguenza, la presenza di ?tar? (o olio di pirolisi) nei gas in uscita (causa di intasamento sia della linea di pulizia gas che del malfunzionamento dei motori a combustione interna).
Nelle soluzioni classiche, oltre ad essere impedita la possibilit? di ottimizzare le singole fasi, ? limitato l?uso di biomassa di piccola pezzatura come combustibile proprio perch? questa intaserebbe gli interstizi che sono utilizzati dall?agente gassificante per distribuirsi omogeneamente all?interno del reattore.
Ulteriore limitazione delle soluzioni classiche ? la presenza di umidit? all?interno della biomassa che, nella fase di riscaldamento, si converte in vapore sottraendo calore al processo e occupando volume con l?effetto di soffocare ad inibire le altre reazioni.
Il problema diventa tanto pi? importante quanto pi? si cerca di aumentare la potenza prodotta dall?impianto aumentando le dimensioni del reattore (scale-up).
Allo scopo di superare i limiti imposti dai sistemi di gassificazione a stadio singolo, sono stati proposti sistemi pluristadio configurati per la realizzazione delle fasi del processo (pirolisi, gassificazione e riduzione), in pi? camere di reazione separate e sequenziali.
In questo modo, oltre ad ottimizzare le condizioni di processo di ogni singola fase, migliorando quindi la qualit? del syngas in uscita, ? possibile pretrattare il combustibile in ingresso nella fase di pirolisi (meno sensibile delle fasi successive alla matrice geometrica della biomassa), scomponendolo termicamente nelle sue fasi principali (pyrogas e char) che vengono a loro volta inviate in diversi punti di un successivo reattore per facilitarne la trasformazione in syngas.
Sistemi pluristadio sono ad esempio noti da DE 10 2009 047 445 A1 ed EP 2 808 377 A1. DE 10 2009 047 4445 A1 descrive un impianto comprendente un primo reattore (coclea di pirolisi) e un secondo reattore fisicamente separato. Il secondo reattore ? un gassificatore a letto fluido che gassifica una biomassa diversa da quella contenuta nel reattore di pirolisi. EP 2 808 377 A1 descrive un impianto comprendente un reattore di pirolisi, una camera di ossidazione e un forno di riduzione fisicamente separati. Il gas di pirolisi prodotto nel reattore di pirolisi viene trattato nella camera di ossidazione e poi immesso nel forno di riduzione. Il residuo solido carbonioso prodotto nel reattore di pirolisi viene immesso nel forno di riduzione.
Uno scopo dell?invenzione ? quello di rendere disponibile un processo di gassificazione pluristadio che permetta una rimozione il pi? possibile completa del tar dal gas di pirolisi.
Un altro scopo dell?invenzione ? quello di rendere disponibile un impianto di gassificazione pluristadio configurato per permettere l?attuazione del processo di gassificazione nel modo il pi? efficiente possibile.
Forma pertanto oggetto dell?invenzione un processo di gassificazione di materiale organico, comprendente i seguenti passi:
- sottoporre un materiale organico a una fase di essiccazione allo scopo di abbassarne il contenuto di umidit?, ottenendo materiale organico secco e vapore, ed estrarre il vapore,
- sottoporre il materiale organico secco a pirolisi e generare dal materiale organico secco un gas di pirolisi e un residuo solido carbonioso, il gas di pirolisi contenendo una frazione di tar,
- separare il gas di pirolisi dal residuo solido carbonioso, in cui separare il gas di pirolisi comprende prelevare il gas di pirolisi e convogliarlo separatamente dal residuo solido carbonioso generato dalla pirolisi,
- sottoporre il gas di pirolisi a un trattamento termochimico, e
- dopo il trattamento termochimico, far penetrare il gas di pirolisi trattato attraverso un letto riducente composto dal residuo solido carbonioso generato dalla pirolisi, e produrre un gas di sintesi,
in cui sottoporre il gas di pirolisi a un trattamento termochimico comprende
sottoporre il gas di pirolisi a una prima combustione con un agente gassificante in condizioni sub-stechiometriche, attraverso l?utilizzo di ugelli eiettori disposti al disotto e a monte del letto riducente, e ottenere il cracking della frazione di tar contenuta nel gas di pirolisi, e
sottoporre il gas di pirolisi a una seconda combustione con introduzione di agente gassificante addizionale in una camera disposta al disopra e a valle degli ugelli eiettori, e completare la combustione della frazione di tar, e
in cui l?agente gassificante addizionale ? almeno in parte costituito dal vapore estratto nella fase di essiccazione, e
in cui il gas di pirolisi trattato viene alimentato verso l?alto al letto riducente attraverso un?interfaccia fra il letto riducente e la camera, il gas di pirolisi trattato essendo fatto fluire verso l?alto attraverso il letto riducente.
Forma inoltre oggetto dell?invenzione un impianto per attuare il processo secondo l?invenzione, comprendente
un primo reattore a coclea disposto con asse di rotazione orizzontale, detto primo reattore essendo previsto per sottoporre il materiale organico ad essiccazione e pirolisi e presentando un?uscita vapore, un?uscita gas di pirolisi e un?uscita residuo solido carbonioso,
un secondo reattore comprendente una camera inferiore e una camera superiore, nella camera inferiore essendo disposti detti ugelli eiettori, i quali sono collegati con l?uscita gas di pirolisi del primo reattore, e nella camera superiore essendo disposta un?alimentazione di agente gassificante addizionale, e
un terzo reattore disposto al disotto dell?uscita residuo solido carbonioso del primo reattore e al disopra del secondo reattore, detto terzo reattore comprendendo il letto riducente composto dal residuo solido carbonioso, il quale ? alimentabile per gravit? tramite l?uscita residuo solido carbonioso,
in cui il terzo reattore ? in comunicazione di fluido con il secondo reattore tramite detta interfaccia.
Secondo l?invenzione, il materiale organico (biomassa) viene pretrattato nel primo reattore dove ? possibile prevedere che la reazione avvenga attraverso scambio termico indiretto, e non attraverso il contatto combustibile/comburente. Da questa fase si ottiene una componente di vapore (steam), una componente solida carboniosa (char) e una componente volatile idrocarburica (pyrogas).
I gas di pirolisi vengono prelevati e trattati separatamente (tar-cracking e combustione) in maniera da ottimizzare e focalizzare questa fase alla completa distruzione dei tar (la combustione coinvolge solo il pyrogas).
Il vapore generato nella prima parte del primo reattore, viene prelevato, surriscaldato all?interno del sistema stesso, ed utilizzato per incrementare le reazioni di reforming del carbone e di water/gas shift.
A questo punto i gas combusti possono attraversare il letto di carbonio, creato in precedenza nella fase di pirolisi, per ridursi e creare il syngas.
Per semplificare si tratta di un flusso in controcorrente modificato (stile updraft) dove i gas di pirolisi attraversano la fase di combustione, scomponendosi e dando origine a un gas con un contenuto di tar inferiore a quello presente nei reattori in equicorrente (downdraft).
Conseguenza fondamentale derivante dall?utilizzazione della presente invenzione ? la possibilit? di utilizzare biomassa con un elevato contenuto di umidit?, l?assenza di limite inferiore sulla pezzatura della biomassa (compatibile con l?uso degli scarti), e soprattutto nessun vincolo sullo scale-up dell?impianto.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del processo e dell?impianto secondo l'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata con riferimento ai disegni annesso, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui
la figura 1 che illustra schematicamente un impianto per attuare un processo secondo l?invenzione, e
la figura 2 illustra schematicamente un ugello eiettore utilizzato nell?impianto di figura 1.
La Figura 1 illustra un impianto di gassificazione comprendente una pluralit? di distinti reattori disposti all?interno di una struttura di contenimento.
L?impianto illustrato comprende un primo reattore 10 previsto per sottoporre il materiale organico ad essiccazione e pirolisi. Il primo reattore 10 ? in particolare un reattore a coclea, comprendente una coclea di trasporto 11 disposta con asse di rotazione x orizzontale. Ad estremit? opposte del reattore 10 sono rispettivamente disposti un ingresso materiale organico 13, e un?uscita gas di pirolisi 15 e un?uscita residuo solido carbonioso 17.
L?ingresso materiale organico 13 comprende una tramoggia per l?inserimento del materiale organico (generalmente biomassa solida triturata) nel reattore 10.
Nel primo tratto del reattore 10, dove le temperature sono idonee all?evaporazione del solo contenuto di umidit? presente nel materiale organico, sono ricavate delle aperture 10a nel mantello del reattore attraverso le quali viene prelevato, tramite una ventola 19, il vapore creatosi nella fase di essiccazione.
L?uscita gas di pirolisi 15 ? prevista per il prelievo della componente volatile (pyrogas o gas di pirolisi) del materiale organico sottoposto a pirolisi. In corrispondenza dell?uscita gas ? prevista una camera di raccolta 15a posta a valle del reattore di pirolisi 10, per il convogliamento del gas di pirolisi. L?uscita residuo solido carbonioso 17 ? prevista per lo scarico del residuo solido carbonioso risultante dalla pirolisi del materiale organico.
Al fine di ottimizzare lo scambio termico, e quindi ridurre le dimensioni del reattore, l?albero della coclea ? configurato in modo da mantenere il materiale organico a contatto con le pareti del reattore, che sono a loro volta a contatto con i gas caldi provenienti dalla successiva fase di combustione, fonte dell?energia termica necessaria a far avvenire il processo di pirolisi. Un ulteriore accorgimento che pu? essere adottato per aumentare la superficie di scambio termico, ? quello di utilizzare, per la coclea di pirolisi, un albero cavo attraverso il quale i gas caldi hanno la possibilit? di essere convogliati.
L?impianto comprende inoltre un secondo reattore 20 e un terzo reattore 30 disposti l?uno sopra l?altro; in particolare il terzo reattore 30 ? disposto al disotto dell?uscita residuo solido carbonioso 17 del primo reattore 10 e al disopra del secondo reattore 20. Vantaggiosamente, il primo reattore 10, il secondo reattore 20 e il terzo reattore 30 sono integrati all?interno di una medesima struttura portante al fine di realizzare un impianto il pi? possibile compatto.
Il terzo reattore 30 comprende un letto riducente 31 composto dal residuo solido carbonioso scaricato per gravit? dall?uscita residuo solido carbonioso 17 del primo reattore. Il letto riducente 31 ? supportato da una griglia 23 fungente da interfaccia fra il terzo reattore 30 e il secondo reattore 20. La griglia 23 divide pertanto il terzo reattore 30, dove ? disposto il letto riducente 31, dal secondo reattore 20.
In alternativa alla griglia, pu? essere presente un altro tipo di interfaccia che consenta l?alimentazione verso l?alto del gas di pirolisi dal secondo reattore 20 al letto riducente 21, come verr? chiarito nel seguito.
Il secondo reattore comprende una camera inferiore 20? e una camera superiore 20??. Nella camera inferiore 20? ? disposta una pluralit? di ugelli eiettori 25, i quali sono collegati con l?uscita gas di pirolisi 15 del primo reattore 10 attraverso una tubazione. Gli ugelli eiettori 25 sono inoltre collegati a un?alimentazione di agente gassificante, quale aria. Un ugello 25 ? rappresentato schematicamente in Figura 2. Esso presenta un ingresso centrale 25a collegato con l?alimentazione dell?agente gassificante, e provvisto di un restringimento 25b e di una sezione divergente 25c a valle del restringimento 25b. A monte del restringimento 25b ? ricavato un ingresso gas 25d, collegato con l?uscita gas di pirolisi 15 del primo reattore. Per effetto Venturi, il passaggio dell?aria nell?ingresso centrale 25a provoca l?aspirazione del gas di pirolisi 25d, mentre per effetto Coanda i gas sono forzati a seguire il contorno della superficie della sezione divergente 25c. Ci? complessivamente provoca un efficiente mescolamento dell?agente gassificante (aria) con il gas di pirolisi. In Figura 2, con BF ? indicata una fiamma azzurra prodotta dalla combustione del gas di pirolisi in condizioni sub-stechiometriche.
Nella camera superiore 20? del secondo reattore 20 ? disposta un?alimentazione di agente gassificante addizionale 27, a una quota intermedia fra gli ugelli eiettori 25 e il letto riducente 31. L?alimentazione di agente gassificante addizionale ? collegata a una mandata della ventola 19. L?ingresso della ventola 19 ? collegato, mediante valvole di controllo, alle aperture di uscita vapore 10a del primo reattore 10 e a un?alimentazione di aria. Il contenuto di umidit? del materiale organico, trasformato in vapor d?acqua e surriscaldato, pu? essere cos? almeno in parte utilizzato come agente gassificante addizionale.
Dalla camera di raccolta 15a posta a valle del primo reattore 10, il pyrogas viene aspirato dagli ugelli eiettori 25 che, sfruttando l?effetto Venturi con l?effetto Coanda, provvedono a miscelare il pyrogas con l?ossigeno contenuto nell?agente gassificante in condizioni sub-stechiometriche.
L?elevata temperatura del pyrogas immesso, combinata alla presenza di ossigeno, d? luogo a una prima combustione dei tar contenuti nel pyrogas e a una conseguente rottura degli idrocarburi a catena lunga in composti pi? semplici.
Nella successiva camera di combustione, definita in corrispondenza dell?alimentazione agente gassificante addizionale 27, tramite ugelli previsti nell?alimentazione addizionale 27 viene aggiunta la quantit? di comburente necessaria alla combustione completa dei tar.
In questa fase, se lo si ritiene necessario, a seconda delle caratteristiche della biomassa in ingresso, l?aria di combustione pu? essere inumidita con il vapore prelevato dal reattore di pirolisi 10 per dar luogo al reforming del carbone e alla reazione di Water/Gas Shift.
Il gas di pirolisi trattato nel modo sopra descritto viene quindi fatto penetrare attraverso la griglia o interfaccia 23 e quindi attraverso il letto riducente 31 composto dal char proveniente dal reattore di pirolisi 10. I gas provenienti dalla camera di combustione (in prevalenza CO2 e H2O) attraversando questo letto di carbonio rovente subiscono le successive reazioni di riduzione (reazione di Boudouard) ottenendo il syngas con la composizione voluta (in prevalenza CO, H2 e in quantit? minore CH4).
I gas caldi, dopo questa fase sono convogliati in modo da avvolgere il reattore di pirolisi 10 trasmettendogli il calore necessario a far avvenire, al suo interno, le reazioni richieste.
All?interno dell?impianto possono essere previste ulteriori camere idonee ad alloggiare materiali con la funzione di catalizzare il processo di rottura degli eventuali tar ancora presenti, o di modificare la composizione del syngas stesso variando le percentuali dei gas presenti. In queste camere possono inoltre essere previsti accorgimenti per una prima pulizia in termine di abbattimento delle polveri presenti.

Claims (4)

RIVENDICAZIONI
1. Processo di gassificazione di materiale organico, comprendente i seguenti passi:
- sottoporre un materiale organico a una fase di essiccazione allo scopo di abbassarne il contenuto di umidit?, ottenendo materiale organico secco e vapore, ed estrarre il vapore,
- sottoporre il materiale organico secco a pirolisi e generare dal materiale organico secco un gas di pirolisi e un residuo solido carbonioso, il gas di pirolisi contenendo una frazione di tar,
- separare il gas di pirolisi dal residuo solido carbonioso, in cui separare il gas di pirolisi comprende prelevare il gas di pirolisi e convogliarlo separatamente dal residuo solido carbonioso generato dalla pirolisi,
- sottoporre il gas di pirolisi a un trattamento termochimico, e
- dopo il trattamento termochimico, far penetrare il gas di pirolisi trattato attraverso un letto riducente (31) composto dal residuo solido carbonioso generato dalla pirolisi, e produrre un gas di sintesi,
in cui sottoporre il gas di pirolisi a un trattamento termochimico comprende
sottoporre il gas di pirolisi a una prima combustione con un agente gassificante in condizioni sub-stechiometriche, attraverso l?utilizzo di ugelli eiettori (25) disposti al disotto e a monte del letto riducente (31), e ottenere il cracking della frazione di tar contenuta nel gas di pirolisi, e sottoporre il gas di pirolisi a una seconda combustione con introduzione di agente gassificante addizionale in una camera (20??) disposta al disopra e a valle degli ugelli eiettori (25), e completare la combustione della frazione di tar,
in cui l?agente gassificante addizionale ? almeno in parte costituito dal vapore estratto nella fase di essiccazione, e
in cui il gas di pirolisi trattato viene alimentato verso l?alto al letto riducente (31) attraverso un?interfaccia (23) fra il letto riducente (31) e la camera (20??), il gas di pirolisi trattato essendo fatto fluire verso l?alto attraverso il letto riducente (31).
2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui detti ugelli eiettori (25) sono basati su effetto Venturi ed effetto Coanda.
3. Impianto per attuare un processo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente
un primo reattore a coclea (10) disposto con asse di rotazione (x) orizzontale, detto primo reattore essendo previsto per sottoporre il materiale organico ad essiccazione e pirolisi e presentando un?uscita vapore (10a), un?uscita gas di pirolisi (15) e un?uscita residuo solido carbonioso (17),
un secondo reattore (20) comprendente una camera inferiore (20?) e una camera superiore (20??), nella camera inferiore essendo disposti detti ugelli eiettori (25), i quali sono collegati con l?uscita gas di pirolisi (15) del primo reattore (10), e nella camera superiore essendo disposta un?alimentazione di agente gassificante addizionale (27), e
un terzo reattore (30) disposto al disotto dell?uscita residuo solido carbonioso (17) del primo reattore (10) e al disopra del secondo reattore (20), detto terzo reattore comprendendo il letto riducente (31) composto dal residuo solido carbonioso, il quale ? alimentabile per gravit? tramite l?uscita residuo solido carbonioso (17),
in cui il terzo reattore (30) ? in comunicazione di fluido con il secondo reattore (20) tramite detta interfaccia (23).
4. Impianto secondo la rivendicazione 3, in cui l?uscita vapore (10a) del primo reattore (10) ? collegata all?alimentazione di agente gassificante addizionale (27).
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