IT201700107615A1 - Reattore per gassificazione di biomasse e combustibili solidi secondari - Google Patents

Description

REATTORE PER GASSIFICAZIONE DI BIOMASSE E

COMBUSTIBILI SOLIDI SECONDARI

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un nuovo tipo di reattore per la gassificazione delle biomasse e di Combustibili Solidi Secondari (CSS), la cui finalità è la produzione di energia termica (acqua calda e vapore) e di un gas di sintesi (syngas) che può essere a sua volta utilizzato in motori a combustione interna o in turbine per la produzione di energia elettrica e di un’ulteriore quantitativo di energia termica.

La gassificazione è un processo termochimico in cui la materia organica reagisce con quantità limitate di aria od ossigeno per produrre un gas di sintesi detto syngas che contiene principalmente (in proporzioni dipendenti dal combustibile in ingresso e dai parametri del processo) CH4, CO, H2, ed altri gas non combustibili in quantità trascurabili.

Sebbene la tecnologia della gassificazione sia ormai conosciuta ed utilizzata da parecchio tempo, il problema di fornire in uscita un syngas di buona qualità e la gestione delle ceneri e dei residui di particolati e contaminanti organici (c.d “CHAR” e “TAR”) è rimasto un fattore determinante nella valutazione della qualità e dell’efficienza di un gassificatore. In particolare i TAR, se non rimossi correttamente, possono causare gravi problemi ai motori a combustione interna.

Varie tipologie di combustibile possono essere utilizzate all’interno del reattore, come ad esempio pellet di legno, cippato di legno, residui di potature, biomasse derivate dall’agricoltura (ad esempio la lolla di riso o i residui del mais), residui animali disseccati (pollina, coniglina, etc.), nonchè CSS derivato da rifiuti urbani ed ospedalieri non pericolosi.

Esistono al momento attuale in commercio diversi tipi di gassificatori, che potremmo grossolanamente dividere in 4 categorie principali, “up-draft”, “down-draft”, “a letto fluido” ed “a letto trascinato”. Ora, senza voler entrare nel dettaglio del funzionamento di ciascuna delle categorie di cui sopra (che possono anche coesistere, ad esempio un gassificatore può essere down-draft a letto fisso), per cui si rimanda alla letteratura scientifica e tecnica di riferimento, possiamo comunque dire che in genere le problematiche che affliggono questo tipo di impianti risiedono principalmente nello scarso potere calorifico del syngas prodotto, nella presenza dei già citati TAR e CHAR, nelle relativamente basse temperature di processo che impediscono la corretta rimozione delle sostanze nocive, nonchè nella tendenza che il combustibile ha ad aggregarsi nel reattore (circostanza dovuta alle elevate temperature del combustibile e delle pareti del reattore nonchè al fatto che generalmente il combustibile muove all’interno del reattore per semplice gravità), andando così ad intasare il reattore con dei “grumi” di consistenza anche elevata, spesso difficili da rimuovere.

Il reattore oggetto della presente invenzione, di tipo completamente nuovo rispetto a quelli attualmente in commercio, permette di risolvere le problematiche di cui sopra, grazie alle elevate temperature di reazione che si sviluppano al suo interno ed alla presenza di due distinti motori elettrici a bassa potenza, uno che provvede, per mezzo di una coclea e di paletti di diverse lunghezze all’agitazione della biomassa nella parte superiore onde evitare il formarsi di grumi o blocchi e permettendo un riscaldamento uniforme del reagente, ed un altro che provvede alla rapida rimozione dei residui nella parte inferiore.

Con riferimento alla Fig.1 “Disegno Gassificatore”, si specifica la seguente

LEGENDA

1:Tubo di aspirazione aria

2:Condotto uscita acqua calda

3:Caldaia

4:Misuratore di gas

5:Valvola di chiusura automatica ad azionamento elettrico

6:Camera di preriscaldamento aria

7:Zona di ulteriore sintesi gas

8:Camera di alimentazione vapore

9:Preriscaldatore con serpentina

10:Zona di rigenerazione del gas

11:Cono rovesciato riscaldato

12:Bocchettone ingresso acqua con sensori

13:Zona di sintesi gas

14:Lame di scarico residui di ceneri

15:Albero di torsione inferiore

16:Motore inferiore

17:Tramoggia per raccolta ceneri

18:Coclea per evacuazione ceneri

19:Grata

20:Alloggiamento cono tramoggia

21:Iniettori del vapore nella zona di sintesi

22:Intercapedine riempita con materiale refrattario isolante

23:Agitatore a pale rotanti

24:Condotto di uscita del gas

25:Zona di gassificazione primaria

26:Lance per la fornitura miscela vapore-aria

27:Rivestimento esterno del reattore in materiale termoisolante

28:Camera del combustibile a tramoggia

29:Coclea per l'agitazione del combustibile

30:Bocchettone di uscita del gas di sintesi

31:Pale di agitazione del combustibile

32:Sensori di livello inferiore del combustibile

33:Coperchio del reattore

34:Sensori di livello superiore del combustibile

35:Sistema di alimentazione del combustibile con otturatore

36:Motore superiore

37:Tubo cavo coclea

38:Caldaia a vapore

Facendo sempre riferimento alla Figura 1, che rappresenta una vista frontale del reattore, si possono immediatamente notare alcuni aspetti salienti dell’invenzione; si può notare infatti che il reattore è coperto all'esterno con materiali termoisolanti (27) e la superficie interna della zona di gassificazione primaria è coperta anch’essa con materiali termoisolanti (22). Il reattore è inoltre dotato di un tubo di aspirazione dell'aria con un misuratore di gas e di una valvola di bloccaggio controllabile con un azionamento elettrico.

L'alimentazione del reattore con la camera del combustibile si avvale sistema di torsione superiore costituito da una coclea rotante in modo da spingere il combustibile lentamente verso la zona di gassificazione primaria a cui sono saldati dei paletti di lunghezza decrescente dall’alto in basso, che movimentano lo stesso.

Nella parte inferiore invece, nella zona di rigenerazione del gas a forma di cono rovesciato, l’ubicazione del riscaldatore nella cavità tra le pareti del cono ed il suo contenitore promuove un ulteriore riscaldamento uniforme del reagente nel cono, aumentando l'efficienza chimica dei gas infiammabili senza comportare un aumento nelle dimensioni della struttura.

Inoltre avendo il reattore, rispetto a configurazioni “classiche”, una ulteriore zona di sintesi di gas posta all’ingresso della caldaia a gas di scarico, si può ottenere un incremento del potere calorifico del syngas.

Entrando nel dettaglio, con riferimento alla Figura 1, il reattore di gassificazione è composto come segue.

Il reattore comprende una caldaia (3) con due involucri interni ed esterni disposti concentricamente in forma di scambiatori di calore anulari, con un condotto di gas (24) fra loro, una camera del combustibile a tramoggia (28) con un miscelatore a coclea (29) con pali per l’agitazione del combustibile (31), una zona di gassificazione primaria (25) e una zona di rigenerazione del gas (10), a cui è adiacente un preriscaldatore con serpentina (9).

Il reattore di gassificazione nella parte superiore è provvisto di un coperchio (33), con un sistema di alimentazione automatico del combustibile con otturatore (35) posto su di esso, e un motore a ingranaggi (36) che provvede a muovere la coclea.

Nella camera del combustibile sono presenti due sensori di livello superiore del combustibile ridondanti (34) fissati al coperchio, e due sensori ridondanti di livello inferiore (32), anch’essi fissati al coperchio.

Le lance (26) che forniscono una miscela vapore-aria si trovano fissate al perimetro della zona di gassificazione primaria (25).

Il reattore è dotato nella parte inferiore di un albero di torsione (15) mosso da un motore a ingranaggi (16) e collegato ad un agitatore a pale rotanti (23) disposto in un cono troncato a tramoggia (11), sigillato nel suo alloggiamento rivestito di materiale termoisolante (20), di una griglia (19), di lame di scarico del residuo di ceneri (14) anch’esse fissate all’albero, di una tramoggia di raccolta ceneri (17), ed infine di una coclea per l’evacuazione delle ceneri stesse al sistema di raccolta esterno.

Il gas prodotto nella zona di sintesi (13) prima di passare all'inizio dal condotto di uscita del gas (24), transita in una ulteriore zona di sintesi di gas (7), e successivamente arriva al bocchettone di uscita sotto forma di syngas (30).

Nella cavità sigillata formata tra le pareti del cono/tramoggia (11) e del suo contenitore (20) viene alimentato un preriscaldatore (9) per il riscaldamento del cono stesso (11).

La caldaia d'acqua (3) è compresa tra due involucri interni ed esterni disposti a concentricità, realizzati in forma di camicie di scambio termico, ed è provvista di sensori di livello e temperatura (12).

Il tubo di aspirazione dell’aria (1) è provvisto di un misuratore di gas (4) e di una valvola di chiusura automatica controllata (5) con azionamento elettrico.

La caldaia a vapore (38) ha un’uscita nella camera di alimentazione a vapore (8), che è adiacente ad una camera di preriscaldamento dell'aria (6), da dove l’aria riscaldata si mescola con il vapore per poi essere immessa attraverso le lance (26) alla zona di gassificazione primaria (25).

Per realizzare l'isolamento termico delle superfici esterne, il reattore di gassificazione è ricoperto da un materiale isolante termico resistente alla corrosione, e da un secondo strato più interno di isolante termico classico. La superficie interna della zona di gassificazione primaria è foderata con materiali termoisolanti refrattari che garantiscono una resistenza al calore fino a 1600 ° C.

Passiamo ora a vedere in dettaglio il funzionamento del reattore.

Il combustibile per la gassificazione (che come detto in precedenza può essere costituito da vari tipi di biomassa come ad esempio pellet, cippato di legna, etc, oppure CSS) viene immesso attraverso l’otturatore del sistema di alimentazione automatico (35) nella camera di combustibile a tramoggia (28) e riempie la camera fino a che che il sensore di livello superiore del combustibile (34) viene attivato.

Il motore superiore ad ingranaggi (36) che lavora secondo un algoritmo predeterminato dipendente dal tipo di combustibile immesso e dai suoi parametri fisici (come l’Umidità Relativa UR) aziona la coclea e le barre ad essa collegate, spingendo il combustibile verso il basso attraverso la camera (28), ed al contempo agitandolo onde assicurare un riscaldamento ed un’essiccazione uniformi e l’assenza di formazione di grumi di materiale.

Quando il livello del combustibile si abbassa al sensore di livello inferiore (32), il sensore viene attivato e nuovo combustibile viene versato nella camera di combustibile fino a quando il sensore di livello superiore del carburante (34) è innescato.

Il combustibile, che passando attraverso la camera (28), subisce un processo di essiccazione e preriscaldamento, viene quindi spinto nella zona di gassificazione primaria (25) dove le lance (26) forniscono al processo una miscela di vapore-aria.

L'aria atmosferica necessaria per il processo di gassificazione viene fornita attraverso il tubo di aspirazione aria (1), e la quantità di aria immessa è controllata da un misuratore di gas (4) che controlla la valvola automatica (5) con un azionamento elettrico.

Attraverso il condotto di aspirazione aria (1), l'aria entra nella camera di preriscaldamento aria (6) e si mescola con il vapore proveniente dalla camera di alimentazione vapore (8), che è a sua volta alimentata con il vapore generato nella caldaia a vapore (38). Il vapore nella caldaia a vapore (38) proviene dalla fornitura di acqua calda prodotta nella caldaia dell'acqua (3) e regolata dal bocchettone di ingresso con sensore di livello dell'acqua calda (12).

Il combustibile entra nella zona di gassificazione primaria (25), in cui la miscela di vapore e aria proveniente dalle lance (26) funge da ossidante e dove la reazione autotermica dell'ossidazione di idrogeno, zolfo e carbonio avviene in condizioni di mancanza di ossigeno, ossia con la non completa ossidazione del carbonio; ciò comporta una temperatura di processo compresa tra i 1300 °C ed i 1450 °C, fatto che consente di ridurre drasticamente la formazione di ossidi di azoto.

La zona di rigenerazione del gas (10) all'interno del cono (11) viene riscaldata dal preriscaldatore (9) situato nella cavità disposta tra la parete dell'alloggiamento (20) e la parete del cono (11), che funge anche da “starter” per l’accensione del reattore (con tempi contenuti rispetto ai dispositivi tradizionali).

L’albero di torsione inferiore (15), azionato dal motore a ingranaggi (16), muove l’agitatore a pale (23), che mescola il gas di sintesi e le ceneri all’interno della zona di rigenerazione (10), spingendo il syngas verso le pareti riscaldate del cono (11) contribuendo quindi alla separazione dello stesso dalle ceneri che vengono smaltite attraverso la grata (19) per poi cadere sul fondo della zona di sintesi (13) , dove le lame (14) provvedono a scaricarle nella tramoggia di raccolta (17) da cui poi vengono rimosse dalla coclea (18).

Nella zona di rigenerazione (10), la reazione avviene con l'assorbimento di calore, in conseguenza del quale il gas viene raffreddato bruscamente a una temperatura di 350-500 ° C.

Inoltre, il gas che esce dalla zona di rigenerazione (10) entra nella zona di sintesi (13) e lì, a causa dei parametri di processo, della diminuita temperatura del gas, dell’iniezione di vapore per mezzo degli iniettori (21), il gas perde notevolmente velocità. Con la perdita di velocità, anche la temperatura del gas scende ulteriormente.

La mancanza di idrogeno necessario per la sintesi viene alimentata sotto forma di vapore attraverso gli iniettori (21) che lo prelevano dalla caldaia a vapore (38).

Inoltre il gas attraversa la zona di ulteriore sintesi (7), dove la sua temperatura aumenta nuovamente fino alla temperatura di sintesi, e il vapore acqueo formato nella zona (13), a sua volta, contribuisce alla distribuzione di idrogeno per la reazione, eliminando tra l’altro le impurità meccaniche.

Il calore rilasciato nella reazione di produzione del gas viene trasferito in parte alla caldaia a vapore (38) ed in parte alla caldaia (3) in cui l’acqua viene riscaldata fino a 90 °C ed inviata all’uscita attraverso il condotto (2).

Il gas di sintesi ottenuto viene inviato verso il bocchettone di uscita (30) attraverso il condotto di uscita del gas (24), fornendo calore tramite uno scambiatore di calore anulare, che consente di aumentare notevolmente l'area di scambio termico, alla caldaia a vapore (38). L'acqua calda ottenuta dallo scambiatore di calore, come detto in precedenza, va ad alimentare la caldaia a vapore (38), dove viene riscaldata a circa 115 °C.

Nel condotto di uscita del gas (24), il gas di sintesi viene raffreddato alla temperatura d’inizio di condensazione delle resine, e poi inviato, una volta uscito dal bocchettone (30), ad uno stadio esterno di purificazione dalla condensa.

Claims (1)

1. REATTORE PER GASSIFICAZIONE DI BIOMASSE E COMBUSTIBILI SOLIDI SECONDARI RIVENDICAZIONI 1. Un reattore per la gassificazione di biomasse e Combustibili Solidi Secondari comprendente: a) un coperchio (33) su cui è montato un sistema di alimentazione automatico del combustibile con otturatore (35); b) una caldaia d'acqua (3), compresa tra due involucri interni ed esterni disposti a concentricità, realizzati in forma di camicie di scambio termico; c) una camera del combustibile a tramoggia (28) con al suo interno un miscelatore rotante a coclea (29) a cui sono fissati dei pali perpendicolari di lunghezza decrescente dall’alto in basso (31); d) una zona di gassificazione primaria (25) immediatamente sotto la camera del combustibile; e) una zona di rigenerazione del gas (10) a forma di cono rovesciato, posta in un involucro riscaldato da un preriscaldatore con serpentina (9), al cui interno è presente un agitatore a pale rotanti (23), ed alla cui estremità inferiore è presente una grata (19); f) una zona di sintesi (13) ed una ulteriore zona di sintesi (7) per la raffinazione del gas, con degli iniettori (21) che immettono vapore, ed al cui interno sono presenti delle lame rotanti (14) per l’evacuazione verso l’esterno dei residui di cenere; g) una caldaia di vapore acqueo (38), che corre lungo tutto il perimetro del reattore; h) un tubo di aspirazione dell’aria (1) provvisto di un misuratore di gas (4) e di una valvola di chiusura a comando elettrico controllabile (5); i) delle camere di preriscaldamento dell’aria (6) e di alimentazione del vapore (8); j) delle lance (26) per la fornitura della miscela aria-vapore nella zona di gassificazione primaria; k) un motore superiore (36) ed uno inferiore (16) per la movimentazione dei dispositivi rotanti; 2. Il reattore per la gassificazione di biomasse secondo la rivendicazione 1, in cui nella camera del combustibile sono presenti due sensori di livello del combustibile (inferiore (32) e superiore (34)), che comandano il sistema di immissione del combustibile nella camera stessa. 3. Il reattore per la gassificazione di biomasse secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui Il motore superiore ad ingranaggi (36) lavora secondo un algoritmo predeterminato dipendente dal tipo di combustibile immesso e dai suoi parametri fisici, azionando la rotazione della coclea (29) e delle barre ad essa collegate (31), spingendo il combustibile verso il basso attraverso la camera del combustibile ed al contempo agitandolo. 4. Il reattore per la gassificazione di biomasse secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui è presente nella zona di sintesi del gas (13) un albero di torsione (15), azionato dal motore inferiore (16), e che a sua volta muove l’agitatore a pale (23) che mescola il gas di sintesi e le ceneri all’interno della zona di rigenerazione (10), spingendo il syngas verso le pareti riscaldate del cono (11), contribuendo quindi alla separazione dello stesso dalle ceneri che vengono smaltite attraverso la grata (19). 5. Il reattore per la gassificazione di biomasse secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui le lame rotanti (14) fissate all’albero di torsione (15) provvedono all’evacuazione dei residui di cenere verso l’esterno, facendoli cadere all’interno di una tramoggia di raccolta (17) posta sotto la zona di sintesi (13) e da cui poi le stesse vengono espulse tramite una coclea orizzontale (18). 6. Il reattore per la gassificazione di biomasse secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui sia la caldaia ad acqua (3) (che è provvista di un condotto di uscita verso l’utenza) che quella a vapore (38) vengono riscaldate dal calore rilasciato nella reazione di produzione del gas nonchè (solo la caldaia a vapore) dal raffreddamento del gas di sintesi nel suo percorso verso il bocchettone di uscita (30). 7. Il reattore per la gassificazione di biomasse secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui l’aria atmosferica prelevata attraverso il tubo di aspirazione (1) viene riscaldata e poi mescolata con il vapore proveniente dalla caldaia a vapore (38) e quindi immessa nella zona di gassificazione primaria (25) attraverso le lance (26).