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Impianto dimostrativo di gassificazione a letto fisso

L’impianto dimostrativo di gassificazione a letto fisso è stato concepito per trattare differenti tipologie di carboni (fino a 5 MW termici) e biomasse ed è stato utilizzato, a partire dal 2012, per effettuare test di gassificazione con differenti combustibili. È costituito principalmente da tre sezioni:
– un reattore di gassificazione a letto fisso con tecnologia up-draft;
– un sistema di lavaggio gas (clean-up) tramite scrubber in equi-corrente;
– una torcia per bruciare il syngas prodotto.

Impianto dimostrativo di gassificazione a letto fisso

L’impianto è utilizzato per lo studio e l’ottimizzazione del processo di gassificazione con vari combustibili: inizialmente con alcune tipologie di carbone, successivamente per la co-gassificazione di carboni e biomasse e, negli ultimi anni, di sole biomasse. Queste ultime sono di natura legnosa (cippato di pino, di eucaliptus o di cipresso, a seconda della disponibilità). L’obiettivo principale è quello di individuare le condizioni operative per la produzione di un syngas avente elevato potere calorifico, ottimizzando al meglio la conversione chimico-fisica dal combustibile solido a quello gassoso.

Il sistema di gassificazione è del tipo letto fisso up-draft, alimentato ad aria e progettato per operare a pressione pressoché atmosferica. Il reattore ha un diametro interno di 1300 mm per un’altezza complessiva di 2800 mm (con un’altezza massima del letto pari a 2400 mm). L’introduzione del combustibile avviene attraverso una tramoggia posta sulla sua parte superiore, a cui segue un condotto con forma a Y, integrato da tre valvole a ghigliottina atte alla gestione della tempistica del caricamento. Questo avviene in automatico tramite un trasportatore a catena “Redler”: il materiale da gassificare è introdotto nella tramoggia inferiore attraverso un muletto e, grazie al trasportatore, viene portato nella tramoggia superiore dove sono poste quattro celle di carico ciascuna delle quali può gestire fino a 150 kg di combustibile.

Reattore di gassificazione dell’impianto dimostrativo

Il reattore di gassificazione al suo interno ha delle pareti in acciaio raffreddate tramite una camicia dove circola dell’acqua. Il sistema di raffreddamento del gassificatore è completato da un corpo cilindrico superiore e da un condensatore ad aria con flusso forzato. Il profilo termico all’interno del gassificatore è monitorato con l’ausilio di 36 termocoppie posizionate su sei livelli differenti delle pareti del reattore. Il letto di combustibile poggia sopra una griglia metallica che consente lo scarico delle ceneri attraverso un sistema composto da più piani concentrici. La fase di accensione avviene tramite l’ausilio di sei irradiatori ceramici disposti in maniera circolare a una altezza di 500 mm dal fondo del reattore. Gli agenti gassificanti necessari al funzionamento del reattore sono aria di processo e vapore, generati rispettivamente da una soffiante con una portata massima di 1100 m3/h e da due caldaie in grado di produrre una portata pari a 250 kg/h ognuna, ad una pressione di 4 bar. Il materiale inerte residuo della gassificazione viene raccolto, sotto forma di cenere, sul fondo del reattore: attraverso una rotazione della griglia viene scaricato e conferito in discarica. La tabella che segue riassume alcuni dettagli costruttivi e operativi.

Potenza nominale 5 MWth
Portata nominale di biomassa 360 kg/h
Diametro interno del reattore 1300 mm
Altezza del reattore 2800 mm
Massima temperatura del letto 800-900 °C
Temperatura uscita syngas 300 °C
Potere calorifico syngas 4-5 MJ/kg
Rendimento di gas freddo 80-85%

 

All’interno del gassificatore, il combustibile solido si sposta gradualmente verso il fondo del reattore ed entra in contatto con gli agenti gassificanti, dando luogo ai processi di essiccazione, devolatilizzazione, pirolisi, gassificazione e combustione (parziale), quest’ultima a una temperatura dell’ordine degli 800-900 °C. Gli agenti gassificanti, invece, attraversano il letto di combustibile verso l’alto: l’ossigeno reagisce nella parte bassa del letto, mentre l’azoto viaggia verso l’alto trascinando il gas di sintesi prodotto (costituito da una miscela composta principalmente da H2, CO, CO2 e tracce di CH4, oltre allo stesso azoto), che lascia il reattore a circa 300 °C con un potere calorifico inferiore dell’ordine dei 4-5 MJ/kg. L’aggiunta di vapore promuove la reazione di water-gas shift conversion, promuovendo un arricchimento del gas in idrogeno. Il rendimento complessivo del processo di gassificazione (detto comunemente “rendimento di gas freddo e dato dal rapporto tra la potenza chimica associata al syngas prodotto e quella associata al combustibile in ingresso) è dell’ordine dell’80-85%, grazie agli scambi energetici in controcorrente.

Lo scrubber è una torre di lavaggio che ha lo scopo di effettuare il lavaggio del syngas tramite un flusso d’acqua equi corrente. Il processo permette la riduzione della temperatura del gas (da circa 200-300 °C a 30-50 °C), la rimozione delle polveri e degli idrocarburi pesanti (tar). Collegato allo scrubber c’è un contenitore di accumulo che consente di avere costantemente un efficiente volume di acqua disponibile per il lavaggio del gas. Nella parte bassa della vasca di accumulo sono presenti una valvola per lo scarico della frazione sedimentata, una presa per il reintegro dell’acqua evaporata durante il lavaggio nello scrubber e un’altra per l’invio dell’acqua scaricata come refluo: questa viene raccolta in un pozzetto a bordo impianto ed è successivamente convogliata a un sistema di trattamento scarichi, posto sempre nell’area della piattaforma pilota. Nella torcia, infine, avviene la combustione del syngas prodotto nel gassificatore e lavato nello scrubber.

Sistema di lavaggio e pulizia del syngas (scrubber e vasca di accumulo)

I parametri operativi del processo di gassificazione vengono settati e monitorati da remoto presso una sala controllo, posta nell’area adiacente alla Piattaforma Pilota. La composizione del syngas (sia all’uscita del gassificatore che dello scrubber) può essere determinata in continuo tramite un armadio analitico: sono determinate le concentrazioni puntuali dei componenti principali del gas, ovvero idrogeno, ossido di carbonio, anidride carbonica, metano, idrogeno solforato. Viene monitorata anche la concentrazione dell’ossigeno (comunque presente solo in tracce nel syngas, ma indice dell’efficacia del processo). I dati dei test sperimentali condotti vengono registrati e analizzati per intraprendere, nel corso del test e alla loro conclusione, le azioni atte a migliorare la qualità del processo sulla base dei risultati attesi.