IT202100002540A1 - Reattore di gassificazione a letto fisso equicorrente - Google Patents
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Description
?REATTORE DI GASSIFICAZIONE A LETTO FISSO EQUICORRENTE?
DESCRIZIONE
CAMPO DELL?INVENZIONE
La presente invenzione concerne un reattore di gassificazione a letto fisso equicorrente per combustibili solidi, ed un metodo di gassificazione di combustibili solidi per la produzione di syngas che utilizza detto reattore.
STATO DELLA TECNICA
La gassificazione consente di trasferire l?energia chimica contenuta in un combustibile solido in un vettore gassoso i cui componenti principali sono idrogeno, monossido di carbonio, metano, diossido di carbonio e vapore acqueo.
In linea generale, il processo di gassificazione delle biomasse pu? essere visto come una successione di fasi:
i. essiccazione, in cui l?acqua di umidit? che accompagna il combustibile viene allontanata sotto forma di vapore;
ii. pirolisi, ovvero decomposizione termica della biomassa con produzione di gas, vapori condensabili e prodotti solidi (char);
iii. cracking termico dei vapori con produzione di gas e char;
iv. gassificazione del char;
v. ossidazione parziale dei gas combustibili, dei vapori e del char.
Ad esclusione dell?essiccazione, tutte le altre fasi di processo prevedono il coinvolgimento di reazioni chimiche, termicamente indotte. La pirolisi, un processo complessivamente endotermico alle condizioni usuali, ? innescata a temperature superiori ai 250?C con produzione di prodotti in forma vapore, gas (metano, idrogeno, carbon monossido, carbon biossido) e solida (char). Ovviamente, diversi sono i fattori che influenzano la maggiore o minore resa delle differenti specie, come ad esempio la temperatura finale, i tempi di permanenza e la velocit? di riscaldamento del materiale di partenza. La generica reazione di decomposizione termica della biomassa pu? essere scritta come segue:
C?H?O? + calore ? aCO bH2 + cCH4 + dCO2 + eH2O fC+ gC?H?O? Eq. 1
dove C?H?O? ? la biomassa di partenza (in genere CH1.4O0.6), C?H?O? la frazione condensabile e C il char o frazione solida carboniosa.
Le principali reazioni di riduzione sono espresse dalla Eq.2 e dalla Eq.3 che vedono rispettivamente la reazione ad elevata temperatura del char con la CO2 di processo e il vapor d?acqua (quest?ultimo introdotto con l?aria di reazione, in aggiunta a quello liberato dal processo di essiccazione della biomassa e nella fase di pirolisi):
a cui si deve aggiungere il non trascurabile contributo delle reazioni di metanazione e la reazione inversa alla water-gas-shift (WGS):
C+ 2H2 ? CH4 + 87.5 KJ/ mol Eq. 4
CO2 + H2 ? CO H2O? 40.9 KJ/ mol Eq.5
reazioni queste complessivamente endotermiche. Il calore necessario alla ?autotermicit?? del processo ? fornito dalle reazioni di ossidazione parziale del char e di parte dei gas combustibili introducendo all?interno del reattore una quantit? sottostechiometrica di aria o ossigeno (a seconda della tecnologia di gassificazione), secondo le reazioni di seguito riportate:
Di interesse ? la produzione di un gas ad elevato contenuto di idrogeno da utilizzare in applicazioni finali avanzate quali le celle a combustibile, turbine a gas e/o nella produzione di chemicals. La gassificazione con vapore ? una delle tecnologie pi? promettenti viste le buone rese in termini di gas prodotto e l?efficiente riduzione di tar e char in luogo delle favorite reazioni di steam-reforming:
CH4 + H2O ? 3H2 + CO Eq. 10
CO H2O? CO2 + H2 Eq. 11
C+ H2O? CO H2 Eq. 12
C?H? O? + aH2O ? bCO cH2 Eq. 13
La gassificazione aria-vapore se da una parte consente di rendere il processo complessivamente esotermico e quindi in grado di auto sostenersi termicamente, dall?altro presenta lo svantaggio dell?effetto di diluizione dei gas per la presenza di azoto, il che comporta una sostanziale riduzione delle cinetiche di reazione e un pi? basso potere calorifico del syngas prodotto (4-5 MJ/Nm<3>).
In tale scenario risultano evidenti i vantaggi insiti nella tecnologia di gassificazione con ossigeno-vapore. L?utilizzo di ossigeno consente infatti, di ottenere un syngas ad alto potere calorifico (10-13 MJ/Nm<3>). Ovviamente vantaggiosa ? l?assenza di azoto per quanto prima detto. Lo svantaggio di tale tecnologia ? legato all?elevato costo della sezione di produzione dell?ossigeno sia da un punto di vista degli investimenti che dell?esercizio.
Le termodinamiche incidono sulla cinetica delle reazioni e di conseguenza sulla composizione e sulle caratteristiche del syngas prodotto. Al crescere della temperatura si ha una maggiore conversione del combustibile e quindi di produzione di syngas e una riduzione del contenuto di inquinanti organici (tar). La riduzione dei tar per via termica - cracking termico - ? favorita a temperature superiori ai 1100?C consentendone la loro conversione in idrocarburi a basso peso molecolare e idrogeno.
La composizione finale del gas dipende da una serie di parametri operativi, quali l?agente gassificante, la temperatura di reazione, il rapporto di equivalenza, l?umidit? iniziale del combustibile e i tempi di residenza all?interno del gassificatore.
Il principale parametro operativo, correlato all?uso di aria/ossigeno come agente ossidante, ? il rapporto di equivalenza (ER) tra la portata d?aria/ossigeno alimentata al reattore e quella richiesta per la combustione stechiometrica del combustibile impiegato. Un incremento della portata di aria/ossigeno determina un aumento della temperatura di processo e quindi un maggior livello di conversione del combustibile. D?altro canto, la maggiore quantit? di aria induce un pi? alto grado di combustione che causa la riduzione del contenuto energetico del syngas prodotto. Il valore di ER pu? variare in un intervallo compreso tra 0,2 e 0,4.
Le caratteristiche del combustibile influiscono sull?efficacia del processo di gassificazione e, di conseguenza sulla qualit? del gas prodotto. Parametri importanti nella definizione della tipologia di combustibile adeguata al processo sono l?umidit? e la granulometria. In un processo di gassificazione, normalmente, il contenuto di umidit? ? inferiore al 15% pur mantenendo variabile la granulometria. Valori di umidit? superiori al 15-20 % sono causa di problemi di avvio del processo. In funzione della tecnologia di conversione impiegata, la granulometria utilizzata ? compresa tra 20 e 80 mm. Con il diminuire della granulometria si ha una maggiore velocit? di trasferimento di calore al combustibile e di conseguenza una maggiore efficienza di gassificazione e quindi della sua conversione in prodotti gassosi.
Nella tabella 1 sono riportate, a titolo di esempio, le composizioni tipiche del gas ottenuto dalla gassificazione di biomassa legnosa con vari agenti gassificanti.
Tabella 1. Composizione media tipica del gas ottenuto dalla gassificazione della biomassa in funzione dell?agente gassificante.
Le reazioni di gassificazione si realizzano in opportuni reattori chimici, detti gassificatori. Di questi ne esistono di diversi tipi, classificati in base ai principi di funzionamento e alle variabili operative, come ad esempio la conformazione del letto, l?agente gassificante, pressione di funzionamento, tipo di combustibile utilizzato.
Attualmente, sulla base della configurazione e modalit? di esercizio del gassificatore, si possono distinguere tre tipologie di gassificatori: a letto fisso, a letto fluidizzato e a letto trascinato.
Nei reattori a letto fisso, le reazioni di gassificazione avvengono in regime semistazionario del letto di biomassa, il cui suo movimento discendente ? limitato dalla presenza di una griglia posta sulla parte inferiore, zona nella quale vengono generalmente alimentati gli agenti gassificanti. La presenza della griglia di supporto fa s? che il letto di materiale si muova lentamente verso il basso man mano che lo stesso si consuma per effetto delle reazioni di gassificazione. Le ceneri, raccolte alla parte bassa del reattore, al disotto della griglia, vengono allontanate meccanicamente. Il differente moto relativo, controcorrente o equicorrente, tra il letto e il gas prodotto determina l?appartenenza dello specifico reattore alle due grandi classi di gassificatori: Updraft (o controcorrente) o Downdraft (o equicorrente) rispettivamente.
Nei reattori di gassificazione di tipo updraft l?agente gassificante (aria, ossigeno, vapore o loro miscele), si muove in controcorrente, dal basso verso l?alto, rispetto al combustibile. In particolare, il syngas fuoriesce dalla parte alta del reattore mentre gli agenti gassificanti entrano dal fondo, al di sotto di una griglia, venendo in tal modo a contatto con il letto incandescente delle ceneri prima e del combustibile poi. In ragione della particolare morfologia del gassificatore al suo interno ? possibile individuare quattro distinte zone di reazione, partendo dal basso in prossimit? della griglia: di ossidazione, riduzione, pirolisi e essiccamento. Nel corso del processo, il gas che si produce attraversa tutte queste zone arricchendosi, fino all?uscita, in umidit? e soprattutto in vapori organici condensabili (Tar). Sebbene questi gassificatori siano caratterizzati da un?estrema semplicit? costruttiva e di esercizio, presentano un grosso svantaggio legato all?elevato contenuto di tar nel gas prodotto che ne rende difficile l?applicazione diretta in motori a combustione interna per la generazione di energia elettrica.
I gassificatori di tipo downdraft sono invece reattori cosiddetti in ?equicorrente?, sia il combustibile che l?agente ossidante transitano verso la parte bassa del gassificatore. In questi reattori distintiva ? la presenza di una gola in prossimit? dell?ingresso dell?agente gassificante. L?introduzione dell?agente gassificante attraverso appositi ugelli presenti in questa zona favorisce la formazione di una sezione (zona di ossidazione) ad elevata temperatura (circa 1100?C) il cui ruolo ? di cruciale importanza per la riduzione dei tar nel gas combustibile prodotto. Il combustibile ? alimentato in continuo dalla sommit? del reattore, in modo da garantire una costante altezza del letto all?interno dello stesso. Il gas prodotto ? invece estratto al disotto della griglia dopo che lo stesso abbia attraversato la zona di ossidazione e riduzione. Per migliorare l?efficienza termica complessiva del processo, nelle versioni pi? evolute di reattore, il gas ad elevata temperatura ? fatto passare all?interno di una camicia anulare comprendente il reattore. In questo modo parte del calore sensibile posseduto dal gas ? ceduto alle zone di pirolisi e essiccamento del combustibile. Lo scambio ? tanto pi? efficiente quanto minore ? il diametro del gassificatore. Il calore necessario alle reazioni di gassificazione ? liberato dalle reazioni esotermiche che avvengono nella sezione di ossidazione in prossimit? della gola. A differenza che nel reattore updraft, in questo tipo di reattore le zone di pirolisi ed essiccazione della biomassa sono al di sopra della zona di ossidazione e riduzione, pertanto, il passaggio obbligato dei gas attraverso la zona ad elevata temperatura di ossidazione (circa 1100?C), favorisce il cracking termico dei tar riducendone di conseguenza il contenuto. Il relativo basso contenuto di tar all?interno del gas prodotto ne rende indicata l?applicazione in motori a combustione interna per la produzione di energia elettrica e calore.
Uno dei limiti dei reattori downdraft ? tuttavia legato alla presenza della sezione di gola in cui si sviluppano le principali reazioni del processo di gassificazione. La gran parte delle problematiche di natura operativa, principalmente dovute alla tipologia di combustibile e alle sue caratteristiche chimico-fisiche, si presentano appunto in detta sezione. Detti reattori in particolare presentano nella sezione di reazione, ovvero di ?gola?, una griglia metallica stazionaria quale elemento di supporto del combustibile e di regolazione della gassificazione. Quest?ultima ? causa di non pochi inconvenienti operativi. Innanzitutto, impone limitazioni alle caratteristiche chimico-fisiche del combustibile impiegabile (dimensioni, contenuto di ceneri e loro composizione). Inoltre, il progredire delle reazioni di conversione ? causa di continui accumuli sulla superficie della griglia, promotori questi (in particolar modo in presenza di un elevato contenuto di metalli alcalini nelle ceneri) di fenomeni corrosivi ad alta temperatura e di formazione di agglomerati per effetto della vetrificazione delle ceneri (blocco della griglia). La presenza di un sistema di movimentazione e scuotimento della griglia limita detto fenomeno fermo restando l?impossibilit? di eliminarlo in maniera totale. Non ? per? risoluzione a fronte delle limitazioni imposte dalle caratteristiche del combustibile. Sono necessari, inoltre, complessi meccanismi di movimentazione oggetto anch?essi di inceppamento. Ci? ? causa di interventi di manutenzione straordinaria, con cadenza regolare, che comportano il fermo completo dell?impianto, il ripristino o la eventuale sostituzione dei componenti alterati/danneggiati.
SOMMARIO DELL?INVENZIONE
In un suo primo oggetto, la presente invenzione riguarda un reattore di gassificazione in grado di superare i limiti detto limite dei reattori equicorrente.
In un suo primo aspetto, la presente invenzione riguarda un reattore di gassificazione a letto fisso equicorrente atto a gassificare un combustibile solido, comprendente:
- una sezione di alimentazione comprendente un ingresso di alimentazione ed una camera di stoccaggio di detto combustibile solido atta ad alimentare detto combustibile solido lungo una direzione di alimentazione;
- una camera di reazione di detto combustibile solido in comunicazione con detta sezione di alimentazione, comprendente una zona di immissione di un agente gassificante ed una sezione di gola, in cui detta camera di reazione ha sezione circolare lungo un piano perpendicolare alla direzione di alimentazione del combustibile solido ed ? posta a valle di detta sezione di alimentazione lungo detta direzione di alimentazione;
- un pistone atto a scorrere lungo un asse parallelo a detta direzione di alimentazione ed avente una parte terminale alloggiata in detta camera di reazione, in cui detta parte terminale ha sezione tronco-conica lungo un piano parallelo a detta direzione di alimentazione; e
- una sezione post-gassificazione includente un?uscita di scarico delle ceneri derivanti dalla gassificazione del combustibile solido ed uno scambiatore di calore, in cui detta sezione di scarico ? posta a valle di detta camera di reazione lungo detta direzione di alimentazione.
Il reattore di gassificazione secondo la presente invenzione migliora infatti l?efficienza di conversione del materiale combustibile introdotto verso la produzione di syngas a basso contenuto di inquinanti organici (tar) oltre che incrementare la flessibilit? di utilizzo dello stesso (possibilit? di alimentare in camera combustibili solidi con caratteristiche chimico-fisiche diverse tra di loro). La conformazione della camera di reazione, a sezione circolare, prevede la presenza di un pistone a sezione terminale variabile che introduce una serie di migliorie costruttive e funzionali rispetto alle soluzioni precedentemente sviluppate.
Il pistone ha la funzione principale di supportare la carica di combustibile all?interno della camera e di regolarne il progressivo passaggio attraverso la camera di reazione, con ci? rendendo non necessario l?utilizzo di una griglia metallica stazionaria quale elemento di supporto del combustibile e di regolazione della gassificazione, causa dei sopra evidenziati problemi. Inoltre, il pistone, il cui movimento ? vantaggiosamente controllato da una centralina elettronica ricevente segnali di feedback dalla sensoristica di bordo, consente di adeguare l?erogazione in potenza del gassificatore alle effettive richieste del carico (es. motore a combustione interna) con conseguente riduzione dei consumi di combustibile (maggiore efficienza globale). La possibilit? di regolare la sezione di passaggio attraverso la gola mediante il pistone consente di utilizzare una maggiore variet? di combustibile con caratteristiche sia dimensionali che energetiche ampiamente differenti tra loro (es. fanghi di depurazione, pollina, scarti dell?agricoltura e dell?agroindustria, residui forestali e di lavorazione del legno, in forma di cippato e/o pellet, ecc.) in risposta ad uno dei principali limiti operativi dei tradizionali reattori a letto fisso. Il pistone, a superficie di testa con sezione tronco-conica, ha anche la funzione di frantumare/rimuovere, eventuali agglomerati che potrebbero formarsi per effetto della microfusione o della densificazione delle ceneri alle alte temperature. Ci? consente l?utilizzo di combustibili solidi con alto contenuto di ceneri e un comportamento termico critico rispetto alle temperature di esercizio che si raggiungono nella sezione di ossidazione. In ultima istanza, ci? si traduce in una maggiore flessibilit? di impiego e in un incrementato range applicativo.
Il reattore di gassificazione secondo la presente invenzione offre pertanto inoltre ulteriori vantaggi in termini di compattezza realizzativa e modularit? impiantistica (possibilit? di montaggio dell?intera infrastruttura compreso la sezione di purificazione del syngas e di produzione della potenza all?interno di un?unica struttura replicabile ? modularit? ? e facilmente trasportabile).
In un suo ulteriore aspetto, la presente invenzione riguarda inoltre un metodo per la produzione di syngas a partire da un combustibile solido, comprendente le fasi di:
- alimentare almeno un combustibile solido ad un reattore secondo il primo aspetto della presente invenzione,
- gassificare detto almeno un combustibile solido in detto reattore.
I vantaggi e le caratteristiche del metodo secondo la presente invenzione sono gi? stati evidenziati con riferimento al reattore secondo il primo aspetto dell?invenzione e non vengono qui ripetuti.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Nei disegni: la figura 1 rappresenta una vista schematica non in scala in sezione longitudinale del reattore di gassificazione secondo la presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE
In un suo primo oggetto, la presente invenzione riguarda un reattore di gassificazione in grado di superare i limiti detto limite dei reattori equicorrente.
In un suo primo aspetto, la presente invenzione riguarda un reattore di gassificazione a letto fisso equicorrente atto a gassificare un combustibile solido, comprendente: - una sezione di alimentazione comprendente un ingresso di alimentazione ed una camera di stoccaggio di detto combustibile solido atta ad alimentare detto combustibile solido lungo una direzione di alimentazione;
- una camera di reazione di detto combustibile solido in comunicazione con detta sezione di alimentazione, comprendente una zona di immissione di un agente gassificante ed una sezione di gola, in cui detta camera di reazione ha sezione circolare lungo un piano perpendicolare alla direzione di alimentazione del combustibile solido ed ? posta a valle di detta sezione di alimentazione lungo detta direzione di alimentazione;
- un pistone atto a scorrere lungo un asse parallelo a detta direzione di alimentazione ed avente una parte terminale alloggiata in detta camera di reazione, in cui detta parte terminale ha sezione tronco-conica lungo un piano parallelo a detta direzione di alimentazione; e
- una sezione post-gassificazione includente un?uscita di scarico delle ceneri derivanti dalla gassificazione del combustibile solido ed uno scambiatore di calore, in cui detta sezione di scarico ? posta a valle di detta camera di reazione lungo detta direzione di alimentazione.
Il reattore di gassificazione secondo la presente invenzione migliora infatti l?efficienza di conversione del materiale combustibile introdotto verso la produzione di syngas a basso contenuto di inquinanti organici (tar) oltre che incrementare la flessibilit? di utilizzo dello stesso (possibilit? di alimentare in camera combustibili solidi con caratteristiche chimico-fisiche diverse tra di loro). La conformazione della camera di reazione, a sezione circolare, prevede la presenza di un pistone a sezione terminale variabile che introduce una serie di migliorie costruttive e funzionali rispetto alle soluzioni precedentemente sviluppate.
Il pistone ha la funzione principale di supportare la carica di combustibile all?interno della camera e di regolarne il progressivo passaggio attraverso la camera di reazione, con ci? rendendo non necessario l?utilizzo di una griglia metallica stazionaria quale elemento di supporto del combustibile e di regolazione della gassificazione, causa dei sopra evidenziati problemi. Inoltre, il pistone, il cui movimento ? vantaggiosamente controllato da una centralina elettronica ricevente segnali di feedback dalla sensoristica di bordo, consente di adeguare l?erogazione in potenza del gassificatore alle effettive richieste del carico (es. motore a combustione interna) con conseguente riduzione dei consumi di combustibile (maggiore efficienza globale). La possibilit? di regolare la sezione di passaggio attraverso la gola mediante il pistone consente di utilizzare una maggiore variet? di combustibile con caratteristiche sia dimensionali che energetiche ampiamente differenti tra loro (es. fanghi di depurazione, pollina, scarti dell?agricoltura e dell?agroindustria, residui forestali e di lavorazione del legno, in forma di cippato e/o pellet, ecc.) in risposta ad uno dei principali limiti operativi dei tradizionali reattori a letto fisso. Il pistone, a superficie di testa con sezione tronco-conica, ha anche la funzione di frantumare/rimuovere, eventuali agglomerati che potrebbero formarsi per effetto della microfusione o della densificazione delle ceneri alle alte temperature. Ci? consente l?utilizzo di combustibili solidi con alto contenuto di ceneri e un comportamento termico critico rispetto alle temperature di esercizio che si raggiungono nella sezione di ossidazione. In ultima istanza, ci? si traduce in una maggiore flessibilit? di impiego e in un incrementato range applicativo.
Il reattore di gassificazione secondo la presente invenzione offre pertanto inoltre ulteriori vantaggi in termini di compattezza realizzativa e modularit? impiantistica (possibilit? di montaggio dell?intera infrastruttura compreso la sezione di purificazione del syngas e di produzione della potenza all?interno di un?unica struttura replicabile ? modularit? ? e facilmente trasportabile).
La presente invenzione pu? presentare in uno o pi? dei suoi aspetti una o pi? delle caratteristiche preferite qui di seguito riportate, le quali possono essere combinate a piacere fra loro a seconda delle esigenze applicative.
Il reattore secondo la presente invenzione comprende una sezione di alimentazione comprendente un ingresso di alimentazione ed una camera di stoccaggio del combustibile solido atta ad alimentare detto combustibile solido lungo una direzione di alimentazione.
Preferibilmente, la camera di stoccaggio del combustibile ? posta in diretto contatto e al di sopra, rispetto all?asse verticale del reattore, rispetto alla camera di reazione, cos? che la alimentazione del combustibile avvenga lungo una direzione di alimentazione sostanzialmente verticale.
Ci? consente di introdurre il combustibile direttamente all?interno della camera di reazione promuovendone nel contempo la compattazione meccanica, ottenendo cos? una maggiore densit? energetica per unit? di volume.
Questo consente in un aspetto preferito dell?invenzione di ovviare ad una ulteriore problematica, riscontrabile comunemente nei reattori di gassificazione (a letto fisso in particolare), legata alla possibile formazione di ?ponti? all?interno della carica di combustibile. Questa ? causa d?interruzione di esercizio e/o, a seconda dell?entit? del fenomeno, di funzionamento non regolare dell?impianto (composizione del gas non costante, temperatura di processo irregolare, processo instabile ecc.).
Preferibilmente, la sezione di alimentazione comprende anche un dispositivo ?rompiponte? collegato allo stesso sistema di alimentazione, atto a garantire una uniforme distribuzione del combustibile nella camera, evitando, di fatto, la formazione di vuoti (ponti) all?interno dello stesso.
Preferibilmente, la sezione di alimentazione a monte della camera di reazione comprende una filiera (o coclea) di alimentazione, vantaggiosamente a sezione variabile, atta a far avanzare il combustibile solido lungo la direzione di alimentazione. L?innovativo sistema, particolarmente utile nel caso di combustibili a bassa densit? (es. paglie), oltre ad una funzione di compattazione del combustibile solido, garantisce una maggiore uniformit? dimensionale del combustibile, migliorando la conversione della reazione di gassificazione.
Per dare maggiore flessibilit? rispetto alla tipologia di combustibili solidi gassificabili nel reattore oggetto della presente innovazione, la sezione di alimentazione preferibilmente comprende uno o pi? mezzi di alimentazione di uno o pi? additivi per l?innalzamento della temperatura di fusibilit? delle ceneri (quali ad esempio caolino, talco, feldspati). Questi additivi possono risultare infatti particolarmente utili a contrastare la tendenza a formare agglomerati nel corso della gassificazione di combustibili con ceneri basso fondenti (es. pollina, fanghi di depurazione). In questa circostanza il materiale alimentato al reattore oltre ad avere una maggiore densit? energetica e uniformit? dimensionale incorporer? anche un contenuto minimo di minerali per l?aumento del punto di fusione delle ceneri.
La camera di reazione del reattore di gassificazione secondo la presente invenzione ? in comunicazione con detta sezione di alimentazione, ed include una zona di immissione di un agente gassificante ed una sezione di gola. La camera di reazione ha sezione circolare lungo un piano perpendicolare alla direzione di alimentazione del combustibile solido ed ? posta a valle della sezione di alimentazione lungo detta direzione di alimentazione.
Vantaggiosamente, la camera di reazione ? opportunamente dimensionata e progettata, al fine di garantire la completa conversione della materia organica/carboniosa contenuta nel combustibile solido, massimizzando nello stesso tempo il cracking termico delle componenti catramose (tar) che sono tra le principali cause delle problematiche sulle prestazioni di impiego del gas prodotto.
Preferibilmente, la zona di immissione di un agente gassificante della camera di reazione ? posta a monte della sezione di gola lungo la direzione di alimentazione. Preferibilmente, detta zona di immissione di un agente gassificante comprende una pluralit? di ugelli atti ad immettere almeno un agente gassificante in detta camera di reazione.
Preferibilmente, l?almeno un agente gassificante ? aria, aria arricchita al 35-40% in ossigeno, ossigeno, o una loro miscela.
Ancor pi? preferibilmente, detti ugelli sono regolarmente distribuiti lungo tutta la circonferenza della camera di reazione. In tal modo, gli ugelli sono configurati in modo tale da generare all?interno dell?area di reazione le volute condizioni di turbolenza (swirl). Il numero e la dimensione degli ugelli sono definiti in funzione della taglia del gassificatore, secondo conoscenze note al tecnico del ramo.
La sezione di gola del reattore secondo la presente invenzione ? vantaggiosamente conformata in modo tale da raggiungere, in corrispondenza della sezione di ossidazione, una temperatura sufficientemente elevata e comunque tale da sostenere le reazioni di riduzione nella successiva area di reazione.
La sezione di gola definisce sostanzialmente una zona convergente, ovvero un restringimento della sua circonferenza, della camera di reazione. In sostanza, quindi, si configura come una sorta di strozzatura lungo la direzione di alimentazione del combustibile solido.
Preferibilmente detta sezione di gola ? atta ad alloggiare uno o pi? anelli riduttori, detti anelli riduttori essendo atti a ridurre la sezione di passaggio del combustibile solido nella camera di reazione.
Attraverso l?introduzione o la rimozione di anelli riduttori opportunamente dimensionati nella sezione di gola ? infatti possibile vantaggiosamente variare il diametro della camera di reazione. Ci? permette di poter processare all?interno del gassificatore combustibili a bassa densit? energetica limitando la perdita di potenza del reattore.
Il reattore di gassificazione secondo la presente invenzione comprende un pistone atto a scorrere lungo un asse parallelo alla direzione di alimentazione del combustibile solido ed avente una parte terminale alloggiata nella camera di reazione, in cui detta parte terminale ha sezione tronco-conica lungo un piano parallelo a detta direzione di alimentazione.
La particolare forma della parte terminale del pistone, combinata alla sua capacit? di scorrere lungo un asse parallelo alla direzione di alimentazione del combustibile solido consente di variare e regolare il volume utile della camera di reazione. In altre parole, lo scorrimento del pistone lungo detto asse consente di variare la sezione di passaggio del gas e del combustibile nella camera di reazione.
Preferibilmente, la parte terminale di detto pistone ha un profilo a gradini.
In tal modo, il pistone ? conformato in modo tale da operare una certa resistenza al moto del combustibile verso il basso. I gradini evitano infatti che il combustibile in fase di reazione ?scivoli? velocemente verso il basso. Operano cio? una sorta di resistenza al moto.
Preferibilmente, la parte terminale di detto pistone comprende uno o pi? inserti con asse principale perpendicolare alla superficie della parte terminale stessa. Preferibilmente detti inserti, ad esempio dei pioli, sono distribuiti regolarmente lungo tutta la circonferenza della parte terminale del pistone, pi? preferibilmente distribuiti in modo sfalsato lungo almeno due circonferenze della parte terminale di detto pistone.
Detti inserti vantaggiosamente oppongono resistenza al moto del combustibile e, favoriscono lo sgretolamento di eventuali depositi che si dovessero venire a formare.
Preferibilmente, detto pistone ? collegato ad un sistema di movimentazione atto a regolare la posizione della parte terminale di detto pistone in detta camera di reazione.
Il sistema di movimentazione tramite un opportuno software di gestione vantaggiosamente agisce sul pistone. La sezione di passaggio della camera di reazione ? quindi vantaggiosamente modificata dal movimento traslatorio del pistone. A seconda dei livelli di temperatura e/o di pressione raggiunti nella camera di reazione, la sezione ? modificata positivamente (incremento della sezione di passaggio) o negativamente (riduzione della sezione di passaggio) fino a ristabilire le condizioni di processo desiderate.
Preferibilmente, detto pistone ? atto a ruotare intorno ad un asse parallelo alla direzione di alimentazione del combustibile solido.
Preferibilmente, il pistone ruota attorno a detto asse ad intervalli di tempo prestabiliti. La finalit? ? vantaggiosamente quella di evitare che in corrispondenza della zona di passaggio, si creino degli agglomerati di materiale. La rotazione (ad esempio 180 ? oraria, - 180? antioraria) preferibilmente avviene ogni 5-10 minuti. Il movimento del pistone ? regolato da un dispositivo elettronico che opera il dovuto algoritmo. Ad esempio, se si riscontra una caduta di pressione in camera di reazione troppo elevata, e si sta creando un agglomerato, il pistone pu? vantaggiosamente essere abbassato e viene vantaggiosamente eseguita una rotazione lungo l?asse.
Preferibilmente, la camera di reazione comprende una seconda pluralit? di ugelli atti ad immettere un agente gassificante in detta camera di reazione, in posizione a valle della sezione di gola lungo la direzione di alimentazione del combustibile solido.
Rispetto alle usuali configurazioni la presenza di una seconda pluralit? di ugelli atti ad immettere una seconda quantit? di agente gassificante, vantaggiosamente addizionale rispetto alla prima, e consente di migliorare le caratteristiche qualitative del syngas (in termini di purificazione) e di completare la conversione del combustibile.
Anche detti ugelli sono vantaggiosamente regolarmente distribuiti lungo tutta la circonferenza della camera di reazione. In tal modo, gli ugelli sono configurati in modo tale da generare all?interno dell?area di reazione le volute condizioni di turbolenza (swirl) e creare subito a valle della sezione di gassificazione, un?area ad altissima temperatura (1100 ? 1200?C) in modo da favorire il cracking termico dei tar.
In questo modo, sul combustibile parzialmente reagito nelle zone a monte della camera di reazione gi? ad una temperatura sufficientemente elevata (800-900?C) viene insufflata una quantit? aggiuntiva di agente ossidante, ad esempio aria o aria arricchita al 35-40% in ossigeno, in modo da innescare una parziale combustione del combustibile parzialmente reagito stesso e innalzare il livello di temperatura a valori pi? elevati. Il syngas cos? prodotto, attraversando quest?area ad altissima temperatura, viene inoltre vantaggiosamente purificato dai tar grazie all?effetto di cracking termico creatosi.
Il numero e la dimensione degli ugelli sono vantaggiosamente definiti in funzione della taglia del gassificatore.
Preferibilmente, nella camera di reazione sono installati una pluralit? di sensori per il monitoraggio della temperatura e della pressione entro la camera di reazione stessa.
Il reattore di gassificazione secondo la presente invenzione comprende poi, a valle della camera di reazione lungo la direzione di alimentazione del combustibile solido, una sezione post-gassificazione includente un?uscita di scarico delle ceneri derivanti dalla gassificazione del combustibile solido ed uno scambiatore di calore.
Preferibilmente, detto scambiatore di calore ? atto a preriscaldare detto agente gassificante e/o essiccare il combustibile solido a monte della camera di reazione tramite scambio termico con il syngas prodotto.
La presenza dello scambiatore di calore vantaggiosamente consente di migliorare l?efficienza complessiva dell?impianto, recuperando il calore posseduto dal syngas per preriscaldare l?agente gassificante e/o essiccare il combustibile solido prima del loro ingresso nella camera di reazione.
Preferibilmente, detto scambiatore di calore comprende una pluralit? di tubi atti a far fluire detto syngas collocati all'interno di un mantello atto a far fluire detto agente gassificante, ad esempio uno scambiatore a tubi di fumo.
In questo modo il syngas prodotto ad alta temperatura (800?C) attraversa i tubi disposti nel mantello, dove fluisce l?agente gassificante prima della sua immissione in camera di reazione.
Preferibilmente, dentro il mantello sono realizzati passaggi per massimizzare lo scambio termico, secondo nozioni note all?esperto del ramo.
Preferibilmente, l?uscita di scarico delle ceneri comprende una filiera (o coclea) atta a convogliare la cenere all?esterno del reattore.
Preferibilmente, la sezione post-gassificazione comprende inoltre mezzi di convogliamento atti a convogliare le ceneri verso l?uscita di scarico delle ceneri.
Preferibilmente detti mezzi di convogliamento sono uno o pi? pattini solidali con il pistone e ad inclinazione variabile rispetto alla direzione di alimentazione del combustibile solido.
Quando il pistone ruota intorno ad un asse parallelo alla direzione di alimentazione del combustibile solido, detti pattini ruotano convogliando solidalmente con esso in questo modo convogliando le ceneri verso l?uscita di scarico. Quando il pistone si muove per regolare la posizione della parte terminale nella camera di reazione, ovvero sale o scende lungo una direzione parallela alla direzione di alimentazione del combustibile solido, i pattini variano la loro inclinazione rispetto alla direzione di alimentazione del combustibile solido.
Preferibilmente, detti pattini sono fissati al pistone tramite cerniere atte a far variare l?inclinazione dei pattini rispetto alla direzione di alimentazione del combustibile solido a seguito del movimento del pistone.
In un suo ulteriore aspetto, la presente invenzione riguarda inoltre un metodo per la produzione di syngas a partire da un combustibile solido, comprendente le fasi di:
- alimentare almeno un combustibile solido ad un reattore secondo il primo aspetto della presente invenzione,
- gassificare detto almeno un combustibile solido in detto reattore.
I vantaggi e le caratteristiche del metodo secondo la presente invenzione sono gi? stati evidenziati con riferimento al reattore secondo il primo aspetto dell?invenzione e non vengono qui ripetuti.
Preferibilmente, l?almeno un combustibile solido ? selezionato nel gruppo che consiste di: biomasse residuali, residui lignocellulosici, rifiuti solidi dalla raccolta urbana o dalla gestione del verde cittadino.
Il processo di gassificazione secondo la presente invenzione pu? essere condotto in una qualsiasi delle condizioni note all?esperto del ramo per il trattamento di un combustibile solido.
In una forma preferita, il processo di gassificazione, al fine di controllare la composizione finale del gas ? condotto in presenza di almeno agente gassificante vantaggiosamente selezionato nel gruppo che consiste di aria, aria arricchita in ossigeno, preferibilmente al 35-40 % in ossigeno, ossigeno, o una qualsiasi loro miscela.
Preferibilmente, la temperatura di reazione di gassificazione ? compresa nell?intervallo tra 750 ?C e 850 ?C.
Preferibilmente, l?almeno un combustibile solido ha un contenuto di umidit? inferiore al 20%, pi? preferibilmente inferiore al 15%.
Valori di umidit? superiori al 15-20 % possono infatti causare problemi di avvio del processo.
Pertanto, il processo secondo la presente invenzione preferibilmente prevede la fase di ridurre il contenuto di umidit? del combustibile solido, cos? da portare lo stesso a detti valori di umidit?.
Preferibilmente, l?almeno un combustibile solido ha una granulometria compresa tra 20 e 80 mm.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno pi? chiaramente dalla descrizione che segue di alcune sue forme di realizzazione preferite, fatta di seguito con riferimento al disegno allegato in figura 1.
In figura 1 ? riportata una vista schematica non in scala in sezione longitudinale del reattore 1 di gassificazione secondo la presente invenzione. Il reattore comprende una sezione di alimentazione 100, una camera di reazione 200, un pistone 300 ed una sezione post-gassificazione 400. Il reattore di gassificazione 1 ? di tipo a letto fisso equicorrente ed ? atto a gassificare un combustibile solido, non rappresentato in figura 1.
La sezione di alimentazione 100 comprende un ingresso di alimentazione 101, una filiera di alimentazione 102, ed una camera di stoccaggio 103 di detto combustibile solido in comunicazione con detto ingresso di alimentazione 101 ed atta ad alimentare detto combustibile solido lungo una direzione di alimentazione rappresentata in figura 1 dalla freccia 104.
La camera di reazione 200 ? la zona del reattore preposta alla gassificazione del combustibile solido. Essa include la prima zona di immissione 209 di un agente gassificante, la seconda zona di immissione 201 di un agente gassificante, la sezione di gola 202, l?uscita 208 atta a far fuoriuscire il syngas prodotto durante la reazione di gassificazione dal reattore.
La camera di reazione 200 ha sezione circolare ed ? posta a valle di detta sezione di alimentazione 100 lungo detta direzione di alimentazione 104.
La sezione di gola 202 presenta gli anelli riduttori 205 e 206, atti a ridurre la sezione di passaggio del combustibile solido nella camera di reazione 200.
La zona di immissione 209 di un agente gassificante comprende gli ugelli 203, 204 e 207 in posizione a monte della sezione di gola 202 lungo la direzione di alimentazione del combustibile solido 104 e atti ad immettere l?agente gassificante nella camera di reazione 200. Gli ugelli 203, 204 e 207 sono regolarmente distribuiti lungo tutta la circonferenza di detta camera di reazione 200.
La zona di immissione 201 di un agente gassificante comprende gli ugelli 210 e 211 in posizione a valle della sezione di gola 202 lungo la direzione di alimentazione del combustibile solido 104 e atti ad immettere una seconda quantit? di agente gassificante al fine di migliorare le caratteristiche qualitative del syngas (in termini di purificazione) e di completare la conversione del combustibile. Gli ugelli 210 e 211 sono regolarmente distribuiti lungo tutta la circonferenza di detta camera di reazione 200.
Il pistone 300 ? atto a scorrere lungo un asse parallelo alla direzione di alimentazione del combustibile solido 104 ed ha una parte terminale 301 alloggiata nella camera di reazione 200. La parte terminale 301 ha sezione tronco-conica lungo un piano parallelo alla direzione di alimentazione del combustibile solido 104.
Il pistone 300 ? atto a ruotare intorno all?asse 303 parallelo alla direzione di alimentazione 104 del combustibile solido. Il pistone 300 ? inoltre collegato al sistema di movimentazione 302 atto a regolare la posizione della parte terminale 301 del pistone 300 stesso nella camera di reazione 200.
La sezione post-gassificazione 400 del reattore 1 ? posta a valle della camera di reazione 200 lungo la direzione di alimentazione 104 del combustibile solido e comprende lo scambiatore di calore 402 posizionato esternamente alla camera di reazione 200, l?uscita di scarico 401 con la relativa filiera 408 per convogliare le ceneri all?esterno del reattore.
Claims (21)
1. Un reattore (1) di gassificazione a letto fisso equicorrente atto a gassificare un combustibile solido, includente
- una sezione di alimentazione (100) includente un ingresso di alimentazione (101) ed una camera di stoccaggio (103) di detto combustibile solido in comunicazione con detto ingresso di alimentazione (101) ed atta ad alimentare detto combustibile solido lungo una direzione di alimentazione (104);
- una camera di reazione (200) di detto combustibile solido in comunicazione con detta sezione di alimentazione (100), includente una zona di immissione (209) di un agente gassificante ed una sezione di gola (202), in cui detta camera di reazione (200) ha sezione circolare lungo un piano perpendicolare alla direzione di alimentazione (104) del combustibile solido ed ? posta a valle di detta sezione di alimentazione (100) lungo detta direzione di alimentazione (104);
- un pistone (300) atto a scorrere lungo un asse parallelo alla direzione di alimentazione (104) del combustibile solido ed avente una parte terminale (301) alloggiata in detta camera di reazione, in cui detta parte terminale (301) ha sezione tronco-conica lungo un piano parallelo a detta direzione di alimentazione (104);
- una sezione post-gassificazione (400) includente un?uscita di scarico (401) delle ceneri derivanti dalla gassificazione del combustibile solido ed uno scambiatore di calore (402), in cui detta sezione di scarico ? posta a valle di detta camera di reazione lungo detta direzione di alimentazione (104).
2. Il reattore (1) di gassificazione secondo la rivendicazione 1, in cui la camera di stoccaggio (103) di detto combustibile ? posta in diretto contatto e al di sopra, rispetto all?asse verticale del reattore, rispetto alla camera di reazione (200).
3. Il reattore (1) di gassificazione secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la sezione di alimentazione (100) a monte della camera di reazione (200) comprende una filiera di alimentazione (102) atta a far avanzare il combustibile solido lungo detta direzione di alimentazione (104).
4. Il reattore (1) di gassificazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui la zona di immissione (209) di un gassificante ? posta a monte della sezione di gola (202) lungo detta direzione di alimentazione (104).
5. Il reattore (1) di gassificazione secondo la rivendicazione una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detta zona di immissione (209) di un agente gassificante comprende una pluralit? di ugelli (203, 204, 207) atti ad immettere almeno un agente gassificante in detta camera di reazione (200).
6. Il reattore (1) di gassificazione secondo la rivendicazione 5, in cui detti ugelli (203, 204, 207) sono regolarmente distribuiti lungo tutta la circonferenza di detta camera di reazione (200).
7. Il reattore (1) di gassificazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui detta sezione di gola (202) ? atta ad alloggiare uno o pi? anelli riduttori (205, 206), detti anelli riduttori essendo atti a ridurre la sezione di passaggio del combustibile solido nella camera di reazione (200).
8. Il reattore (1) di gassificazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui la parte terminale (301) di detto pistone (300) ha un profilo a gradini.
9. Il reattore (1) di gassificazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui detto pistone (300) ? collegato ad un sistema di movimentazione (302) atto a regolare la posizione della parte terminale di detto pistone nella camera di reazione (200).
10. Il reattore (1) di gassificazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui detto pistone (300) ? atto a ruotare intorno ad un asse (303) parallelo a detta direzione di alimentazione (104) del combustibile solido.
11. Il reattore (1) di gassificazione secondo la rivendicazione 10, in cui il pistone (300) ruota attorno a detto asse (303) ad intervalli di tempo prestabiliti.
12. Il reattore (1) di gassificazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, in cui detta camera di reazione (200) comprende una seconda pluralit? di ugelli (210, 211) atti ad immettere un agente gassificante in detta camera di reazione (200), detta seconda pluralit? di ugelli essendo posta in posizione a valle della sezione di gola (202) lungo la direzione di alimentazione (104).
13. Il reattore (1) di gassificazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui detto scambiatore di calore (402) ? atto a preriscaldare detto agente gassificante e/o essiccare il combustibile solido a monte della camera di reazione (200) tramite scambio termico con il syngas prodotto.
14. Il reattore (1) di gassificazione secondo la rivendicazione 13, in cui detto scambiatore di calore (402) comprende una pluralit? di tubi atti a far fluire detto syngas collocati all'interno di un mantello atto a far fluire detto agente gassificante.
15. Un metodo per la produzione di syngas a partire da un combustibile solido, comprendente le fasi di:
- alimentare almeno un combustibile solido ad un reattore di gassificazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 14,
- gassificare detto almeno un combustibile solido in detto reattore di gassificazione.
16. Il metodo secondo la rivendicazione 15, in cui detto almeno un combustibile solido ? selezionato nel gruppo che consiste di: biomasse residuali, residui lignocellulosici, rifiuti solidi dalla raccolta urbana o dalla gestione del verde cittadino.
17. Il metodo secondo la rivendicazione 15 o 16, in cui detta fase di gassificare ? condotta in presenza di almeno agente gassificante selezionato nel gruppo che consiste di aria, aria arricchita in ossigeno, ossigeno, o una qualsiasi loro miscela.
18. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 15 a 17, in cui detta fase di gassificare ? condotta ad una temperatura compresa nell?intervallo tra 750 ?C e 850 ?C.
19. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 15 a 18, in cui l?almeno un combustibile solido ha un contenuto di umidit? inferiore al 20.
20. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 15 a 19, comprendente la fase di ridurre il contenuto di umidit? del combustibile solido.
21. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 15 a 20, in cui l?almeno un combustibile solido ha una granulometria compresa tra 20 e 80 mm.
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|---|---|---|---|
| IT102021000002540A IT202100002540A1 (it) | 2021-02-05 | 2021-02-05 | Reattore di gassificazione a letto fisso equicorrente |
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| IT202100002540A1 true IT202100002540A1 (it) | 2022-08-05 |
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ID=75439372
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| IT102021000002540A IT202100002540A1 (it) | 2021-02-05 | 2021-02-05 | Reattore di gassificazione a letto fisso equicorrente |
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| IT (1) | IT202100002540A1 (it) |
Citations (4)
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| EP0609802A1 (de) * | 1993-02-02 | 1994-08-10 | JUCH, Helmut | Kontinuierliche Entgasung und/oder Vergasung eines festen Brennstoffs oder Abfallstoffs |
| ES2390146B1 (es) * | 2011-02-15 | 2013-09-19 | José RIBA PICOLA | Sistema para gasificar biomasa combustible y procedimiento de gasificación de biomasa combustible |
| WO2019163765A1 (ja) * | 2018-02-20 | 2019-08-29 | 明和工業株式会社 | 固体燃料のガス化装置、発電装置及びガス化方法 |
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2021
- 2021-02-05 IT IT102021000002540A patent/IT202100002540A1/it unknown
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