Basi tecniche del syngas - gts-syngas.com · L’analisi di qualità del cippato: proprietà...

Valter Francescato – dir. AIEL

Basi tecniche del syngas

Viale dell'Università, n°14 - AGRIPOLIS35020 - Legnaro (Padova – Italia)

www.aiel.cia.itTel +39 049 88.30.722Fax +39 049 88.30.718

AIEL – Associazione di filiera (300 imprese)

www.aiel.cia.it

Fondata nel 2001

Gruppo Gassificazione In progress …

www.gruppolegnoagripolis.it

CONTENUTI

� Gassificazione: concetti di base

� Mezzi gassificanti

� Tipi di gassificatori � letto fisso

� Qualità biomassa (cenni GPPB AIEL)

� Caratteristiche del syngas: fattori che influenzano la sua composizione

Gassificazione (Vergasung)

� Rispetto alla “classica” combustione, la gassificazione è unatrasformazione termochimica delle biomasse solide in un vettore

energetico secondario

� I processi sono gli stessi della combustione

� Le singole fasi sono (però) separate in senso spaziale e

temporale

� La trasformazione termochimica delle biomasse solide portaalla formazione di gas di sintesi: syngas.

Tecnica di gassificazione

� Non esiste al momento un gassificatore ideale per i diversi tipi dibiomasse, tutti mostrano vantaggi e svantaggi in riferimento a: tipo

di biomassa e qualità del gas prodotto

� Con l’ausilio di un mezzo gassificante (Vergasungsmittel), lareazione di gassificazione trasforma il carbonio contenuto nellabiomassa in syngas

Materiale di partenza Mezzi di gassificazione Gas prodotto

Carbonio

Ossigeno (1/2 O2) CO

Vapore (H2O) CO + H2

Anidride carbonica (CO2) 2 CO

Idrogeno (2 H2) CH4

Aria (21% O2, 79% N2) CO + N2

Mezzi di gassificazione

� Aria è il più facile da gestire e il più economico � effetto diluizione AZOTO

� Ossigeno in una miscela con vapore � costoso (solo grandi impianti)

� Vapore � gas privo di azoto, ma necessario apporto calore (allotermia)

Confronto tra i diversi concetti di gassificazione in relazione al mezzo gassificante e al tipo di calore disponibile (Hu: potere calorifico del gas prodotto). Fonte: Kaltschmitt et al.

Tipi di gassificatori

I gassificatori si distinguono in base a :

� Tipo di reattore e tipo di contatto tra il mezzo gassificante e la biomassa

� Tipo di calore disponibile (autotermia o allotermia)

� Tipo di mezzo gassificante

� Condizioni di pressione nel reattore (atmosferica o in pressione)

I gassificatori si dividono fondamentalmente in tre tipi

o a letto fisso (Festbettvergaser)

o a letto fluido (Wirbelschichtvergaser)

o a letto trascinato (Flugstromvergaser)

Gassificatori a letto fissoo Nei gassificatori a letto fisso la biomassa è attraversata dal mezzo

gassificante

o Reagisce con la biomassa liberando i gas che, attraversando il letto fisso dimateriale, vengono poi estratti dal reattoreo Le particelle di biomassa non sono quindi in movimento (dimensionerelativamente grande , velocità dei flussi è piuttosto bassa)o Tuttavia, siccome le ceneri escono sempre dal basso, la biomassa in formariversata si muove molto lentamente attraverso il reattore

In questo tipo di rettore avvengono perciò, in settori nettamente separati, le varie fasi del processo di gassificazione:

• RISCALDAMENTO-ESSICAZIONE,

• DEGRADAZIONE PIROLITICA,

• OSSIDAZIONE

• RIDUZIONE

Funzionamento (letto fisso equi-corrente, autotermia)

Fonte: Kaltschmitt et al. mod.

Tipi di gassificatori a letto fisso: pregi e difetti a confronto

Fonte: Kaltschmitt et al. mod.

Qualità biomassa: letto fisso equi-corrente

o biomassa di elevata qualità: pezzatura (P) e contenuto idrico M ( < 15-

20%)

o M: mantenere elevata omogeneità della distribuzione delle temperaturenelle varie zone del reattore (qualità gas)

o M: evitare che il vapore generatore nella zona di essiccazione influenzi

negativamente il bilancio termico del gassificatore

o P: deve essere regolare, grossolana e priva di parti fini, per garantire una

corretta permeabilità del letto di carbone al passaggio del gas

o elevato pericolo di formazione di scorie di fusione (Schlackenbildung) a

causa delle alte temperature nella zona di ossidazione, in particolare nel

caso di impiego di biomasse ricche di composti basso fondenti.

oTanto maggiore è la potenza del gassificatore tanto più difficile diventa

garantire le condizioni di lavoro ottimali (< 2 MWt)

A1 BA2

refili

stanghe

Cimali e ramaglia conifere

ORIGINE DEL MATERIALE E QUALITÀ

Rami latifoglie

stanghe

tronchi

piattaforma

� Sviluppo della professionalità: formazione,

aggiornamento (manuale, contratti fornitura cippato, listini prezzi professionali)

� Progetto piattaforme biomasse

� Supporto creazione laboratorio ABC

� Catalogo dei produttori professionali: Pagine AIEL:

incontro domanda-offerta

� Rubrica Mercati&Prezzi - Agriforenergy

PRODUTTORI BIOMASSEPRODUTTORI BIOMASSE

catalogo: 5 regioni, 150

aziende, 86 cippato, 25

serv.cippatura, 16 contracting

Piattaforma Consorzio Comunalie Parmensi www.comunalie.com

Laboratorio Analisi BioCombustibili

Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali

www.tesaf.unipd.it/biofuel

Referente – dott. Andrea [email protected]

Qualità dei biocombustibili, norme di riferimento e percorsi di certificazione – Verona PROGETTO FUOCO 2012

Dipartimento Te.S.A.F. - Università degli Studi di Padova

Quadro normativo di riferimento: le analisi

Specifiche e classificazioni

UNI EN 14961-1

• Campionamento - CEN/TS 14778

• Contenuto idrico - UNI EN 14774

• Contenuto in ceneri - UNI EN 14775

• Distribuzione granulometrica - UNI EN 15149

• Terminologia - UNI EN 14588

• Massa volumica sterica - UNI EN 15103

• Potere calorifico - UNI EN 14918

• Macro e Micro elementi - CEN/TS 15290-15297

L’analisi di qualità del cippato: proprietà



Ø mm

100.0

63.0

45.0

16.0

8.0

3.15

0

L’analisi di qualità del cippato: distribuzione granulometrica

VTT, 2009 http://p29596.typo3server.info/modificato

P45B

grossolana

≤6%

principale

>75%

fine

≤8%

P16B

grossolana

≤3%

principale

>75%

fine

≤12%

Inceppamento alimentazione

CombustioneSicurezza



Il gas all’uscita del reattore è composto essenzialmente da:

� Gas combustibili: H2, CO, CH4, event. composti carboniosi a catena corta

� Gas inerti (non combustibili) con effetto diluente: H2O, CO2, N2

� Impurità: particolato (polveri, ceneri, …) Alcali

(prevalentemente composti del sodio e potassio), composti

carboniosi a catena lunga (catrame), composti azotati (NH3), composti HCN (acido cianidrico), composti dello zolfo (H2S), ecc..

MJ/m3 kWh/m3

Metano 35,9 10,0CO 12,6 3,5H2 10,8 3,0

Caratteristiche del Syngas (composizione)

Caratteristiche del Syngas (composizione)

La composizione del syngas è influenzata principalmente da:

� Tipo e quantità di mezzo gassificante (aria, O2, vapore,CO2, loro miscele)

� Tipo di fonte di calore disponibile (auto/allo termia)

� Tipologia costruttiva del reattore (intensità di mescolanza tra biomassa e gassificante, tempo di ritenzione della biomassa e del gas nel reattore, ecc..)

� Temperatura di gassificazione

� Condizioni di pressione del reattore

� Tipo e forma della biomassa (pezzatura, umidità, composizione chimica, …)

� Presenza di un catalizzatore (velocità reazione)

Caratteristiche del Syngas (gassificante)

Tipica composizione del syngas (secco, 1mbar, O°C) prodotto dal legno con l’ausilio di un gassificante azotato (aria) e non azotato (vapore/O2)

Fonte: Kaltschmitt et .al

Il syngas che si ottiene dal legno con l’ausilio dell’aria come gassificante ha un pci compreso tra 3-

6,5 MJ/m3 (0,8-1,8 kwh/m3), si tratta quindi di un gas povero (< 8,5 MJ/m3 - Schwachgas).Arricchendo l’aria di ossigeno o impiegando vapore (gassificante allotermico), si ottiene un mezzogassificante ricco di H2O e privo o molto povero di azoto, perciò il pci del syngas sale fino a 10-16

MJ/m3.

Caratteristiche del syngas (tipo di reattore)

Tipica composizione del syngas ottenuta con gassificatori a letto fisso impiegandolegno secco M 10-15% e aria quale mezzo gassificante. Non ci sono sensibili

differenze di composizione. Di norma nei gassificatori equi-corrente si usabiomassa secca al 10-15%. Un maggiore contenuto idrico comporta un aumentodella CO2 e del vapore acqueo pertanto ad una diminuzione del potere calorificodel syngas.

Fonte: Kaltschmitt et al.

Caratteristiche del Syngas (temperatura)

La temperatura gioca un ruolo fondamentale per gli equilibri chimici e la velocità delle reazioni.Il grafico mostra come varia la composizione del syngas in un gassificatore a letto fluido (doppio letto) a vapore (allotermico) con una potenza termica di 100 kW (rif. al gas secco). Come si nota nell’intervallo 700-900 °C l’H2 aumenta chiaramente, mentre diminuiscono CO e CH4; la CO2 non mostra una chiara tendenza.


Caratteristiche del Syngas (pressione)

L’aumento di pressione nel reattore agisce spostando il punto di equilibrio di determinatereazioni sensibili alla pressione. L’aumento di pressione comporta un aumento di CO2 eCH4 e diminuisce H2 e CO nel syngas. La tabella riporta la composizione del syngasprodotto da cippato con aria come gassificante in condizioni di pressione atmosferica econ pressioni variabili da 5 fino a 20 bar (impianto a letto fluido).


Caratteristiche del syngas (tipo di biomassa)

Non è molto influente sulla composizione delle componenti principali del syngas, comeinvece lo sono altri parametri - come ad es. il gassificante o la temperatura di gassificazione– molto più incisivi. Il tipo di biomassa può avere una qualche influenza invece sullapresenza di impurità nel syngas, es. componenti dello zolfo, dell’azoto e alogenati.

Impurità nel syngas (1/5)

A causa di limitazioni fisiche e del fatto che le condizioni di equilibrio delle

reazioni chimiche in parte non sono raggiunte, oltre alle alte temperature digassificazione e i lunghi tempi di permanenza nel reattore, non tutti i prodottidella degradazione pirolitica possono essere completamente trasformati in CO,CO2, CH4 e H2. Questo da luogo nel reattore alla presenza di composti carboniosi

quali: il catrame e i condensabili organici

A seconda del tipo di gassificatore, delle condizioni di gassificazione e il tipo dibiomassa impiegata il gas grezzo (Rohgas) può contenere inoltre diverse quantitàdi: particolato grossolano, particolato fine, alcali, e composti dello zolfo,

dell’azoto e alogenati così come metalli pesanti

Queste impurità, in particolare il catrame e il particolato, possono causare:� Erosione, corrosione e o deposizione nelle parti dell’impianto a valle delreattore� Inquinamento ambientale attraverso l’emissione di sostanze nocive� Contaminazione di eventuali catalizzatori

La conoscenza e il monitoraggio del contenuto di queste sostanze nel gasprodotto è determinante. Inoltre, per ridurre o eliminare gli effetti negativi diqueste sostanze è fondamentale la loro rimozione prima dell’impiego del gas inmotori e turbine.

Tipici valori di particolato nel gas grezzo in gassificatori a letto fisso



CATRAME (Teere)

• generato nella zona di decomposizione pirolitica

• complesso mix di composti organici idrocarboniosi.• si depositano attraverso la loro condensazione nelle componenti dell’impiantodi gassificazione in cui il gas è raffreddato o compresso

• una certa quantità si forma attraverso l’influsso della temperatura e del tempo

di ritenzione del particolato e del gas nella zona calda del gassificatore• composti assolutamente da allontanare dal gas grezzo• smaltimento problematico, effetti negativi sull’ambiente

Nei gassificatori equi-corrente e in quelli a doppio focolare i composti delcatrame passano attraverso la caldissima zona di riduzione e vengono quindiqui,almeno in teoria, decomposti. In questi gassificatori risulta quindi - inconfronto a quelli contro-corrente – un minore contenuto di catrami. Tuttavia sitratta in questo caso di sostanze molto stabili, che comportano una maggioredifficoltà nell’allontanamento a valle del reattore.


Alcali (S, K)

Si trovano nel gas grezzo soprattutto come composti del sodio e potassio. Questivaporizzano dalla biomassa intorno agli 800 °C come KOH o KCl e possono condensare susuperfici più fredde (da 600 °C) come depositi solidi o particolato (< 5µm).Possono creare fenomeni corrosivi ad es nelle turbine. La loro quantità nel gas grezzodipende principalmente dalle condizioni di reazione (temperatura e pressione) e dal tipo direattore.

Composti dello Zolfo (S)

È rappresentato perlopiù in forma di H2S, dipende dal contenuto di zolfo della biomassaed è influenzato dalle temperature che si sviluppano nel reattore. Il legno naturalecontiene pochissimo zolfo (0,015-0,045%) pertanto i valori di H2S si attestano tra 50 e 100ppm, quindi si può evitare di prevedere sistemi di rimozione.

Composti alogenati (Cl)

Nel caso di legno naturale non è necessaria la rimozione. Contenuto molto basso, si rilevanel gas HCl < 10 ppm.


Composti azotati (N)

Sono rappresentati perlopiù (50-80%) da ammoniaca e in parte anche acido cianidrico

(HCN).- Il loro contenuto varia a seconda del processo di gassificazione e dipende anche dal contenuto di azoto della biomassa (nel legno varia da 0,1 a 0,5% �� in un letto fluido ad aria in laboratorio ha comportato rispettivamente 800 e 1700 ppm di NH3). - La componente azotata è influenzata anche da temperature e pressione di gassificazione.- L’ammoniaca pare possa essere causa di abbassamento della capacità lubrificante

dell’olio quando il gas è usato in un motore. Fonte: Kaltschmitt et al.


Grazie per l’attenzione!

Per saperne di più

www.aiel.cia.it

[email protected]

Tel. 049.88.30.722

www.biomasstradecentre2.eu

Basi tecniche del syngas - gts-syngas.com · L’analisi di qualità del cippato: proprietà...

Documents

Transcript of Basi tecniche del syngas - gts-syngas.com · L’analisi di qualità del cippato: proprietà...