Cogenerazione di piccola taglia mediante impianti di

gassificazione

Pisa 18 marzo 2015

Enrico Biagini

Contributi di

Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale – UNIPI

Centro di Ricerca Interuniversitario Biomasse da Energia – CRIBE

Cooperativa TEA

Indice presentazione

Cos’è la gassificazione

Ruolo dei partners (sinergie e complementarietà):

CRIBE studio diversi feedstocks su impianto sperimentale (individuazione criticità e effetto pretrattamenti)

DICI-UNIPI modellazione / ottimizzazione reattore

Pisa 18 marzo 2015

DICI-UNIPI modellazione / ottimizzazione reattore e studio di processo e di filiera

TEA ingegnerizzazione impianto (pulizia syngas, scale-up, recuperi termici)

Conclusioni, sinergie e confronti

Cos’è la gassificazione

Processo termochimico che trasforma un combustibile solido in combustibile

gassoso (syngas). Per piccole potenzialità (100-1000 kW termici) si utilizza aria

come agente gassificante.

Vantaggi:

• combustione del gas più efficiente, con alto rapporto elettricità/calore,

minori emissioni inquinanti,

Pisa 18 marzo 2015

• minori emissioni inquinanti,

• eventualmente gas trasportabile e convertibile (es. idrogeno);

Svantaggi:

• processo più complesso della combustione diretta,

• specifiche ristrette sul combustibile (umidità e pezzatura),

• richiesta pulizia del gas da polveri e tar (per evitare condense e fermi

d’impianto)

Cos’è la gassificazione

BIOMASSA

PARETI

CELLULARI

FIBRE DI

CELLULOSA

solo calore

Pisa 18 marzo 2015

solo calore

PIROLISI

Char (residuo carbonioso)

Tar (oli condensati)

Gas (H2, CO, CH4, CO2)

poco ossigeno

GASSIFICAZIONE

Char + O2 = CO

Char + H2O = CO + H2

Tar + O2 = CO, H2, CH4

ossigeno in eccesso

COMBUSTIONE

Char + O2 = CO2

Tar + O2 = CO2 + H2O

Gas + O2 = CO2 + H2O

PCI gasconversione

char e tar

T max

Schema del gassificatore a letto fisso downdraft per piccola scala (100-1000 kWt)

ESSICCAMENTO

PIROLISI

ingresso biomassa

Tambiente

Composizione:

H2 15-20%

CO 18-24%

CH4 1-3%

Pisa 18 marzo 2015

PIROLISI

OSSIDAZIONE

GASSIFICAZIONE

letto fisso su grata

syngas

rimozione solido residuo

ingresso ariaTpicco

(900-1200°C)

Tuscita

(350-550°C)

CH4 1-3%

CO2 8-16%

N2 resto

Potere calorifico

5-6 MJ/Nm3

1200-1500 kcal/Nm3

1.4 – 1.7 kW h/Nm3

Centro di Ricerca Interuniversitario Biomasse da Energia

BiodieselBiodieselGassificazioneGassificazione

Impianti dimostrativi di bioraffineria

Coltivazioni energetiche

(energy crops)

Biomasse

Pisa 18 marzo 2015 CombustioneCombustioneFermentazioneFermentazione

Cippato/pellet di legno

Residui forestali

Residui agricoli

Residui industriali

(legno, alimentare)

Frazioni organiche

Alghe

Le attività di CRIBE nel progetto BPT sulla gassificazione

• SCOPO: estendere il range di combustibili utilizzabili nel gassificatore

(rispetto al cippato di legno, materiale di riferimento).

• ATTIVITA’: prove sperimentali su diversi residui agricoli e coltivazioni

energetiche per valutare l’operatività, validare le specifiche sui materiali

Pisa 18 marzo 2015

energetiche per valutare l’operatività, validare le specifiche sui materiali

e l’effetto dei pretrattamenti (cippatura, pellettizzazione).

• SINERGIE: elaborazione dati sperimentali e parametri di processo per

validazione modelli di gassificazione (sinergie con DICI-UNIPI)

Impianto GASTONE (CRIBE) S.Piero a Grado - Pisa

Biomass

Tank

Loading

System

Gasifier

LC max

LC min

Air

Particulate

Cyclone

Vegetable-oil towers

Condenser

Sawdust

Filters

Bag

Filter

Chiller

Flare

Blower

to water

collection

TC0

FI

TC1

TC2

TC3

∆P

∆P

∆P ∆P

∆P

Cooler

Venturi

Pisa 18 marzo 2015

To water

collectionfrom cooling tower

GASSIFICATORE A LETTO FISSO DI

TIPO DOWNDRAFT;

- 30-80 kg/h di biomassa;

- 150-350 kWtermici;

- 40-80 kWelettrici;

- gassificazione con aria;

- superficie impianto 60 m2.

PULIZIA/RAFFREDDAMENTO

DEL SYNGAS CON:

- scrubber/assorbimento;

- condensatore;

- filtri a riempimento;

- filtro a manica;

- torre di raffreddamento.

Impianto GASTONE (CRIBE) S.Piero a Grado - Pisa

Parametro Unità Limiti Dimensioni

particelle

Limiti

Umidità %wt <20 %wt

Potere calorifico MJ/kg dry >17.5 >100 mm 0

Materia volatile %wt dry >78 63-100 mm <2

Ceneri a 900°C %wt dry <3 3.15-8 mm <10

Azoto %wt dry <1 <3.15 mm <2

Specifiche richieste al combustibile per una gassificazione duratura

poche polveri,

nessun pezzo

grossolano

Pisa 18 marzo 2015

area di buon

funzionamento

dell’impianto

materiale fuori

specifica: richiesti

pretrattamenti

Prove di gassificazione su GASTONE (CRIBE)tutoli di mais

50

75

100

100

150

200

ca

ric

on

el

rea

tto

re(m

Ba

r)

syn

ga

s p

rod

ott

o(m

3/h

) Q DPg

Pisa 18 marzo 2015

0

25

0

50

10.00 11.00 12.00 13.00

Pe

rdit

ed

ic

ari

co

Po

rta

tas

yn

ga

s

Orario prova (TEST 2)

Prove di gassificazione su GASTONE (CRIBE)tutoli di mais

INGRESSO

Portata di biomassa: 81 kg/h

Umidità biomassa: 10.1%wt

Compositione biomassa: C 46.59%wt (dry)

H 5.97%wt(dry)

N 0.51%wt (dry)

ceneri 2.12%wt (dry)

Potere calorifico inferiore: 17.3 MJ/kg (dry)

Portata di aria: 87.5 m3/h

Rapporto di equivalenza: 0.28

USCITA

Portata di syngas prodotto: 149 m3/h (dry)

Compositione del syngas: H2 17.3

%vol (dry) N2 45.7

CH4 1.98

CO 22.6

CO2 12.0

C2H4 0.39

Potere calorifico del syngas: 5.70 MJ/m3 (dry)

Portata di biochar prodotto: 5-8 kg/h

Pisa 18 marzo 2015

Rapporto di equivalenza: 0.28

Potenza termica in ingresso: 350 kW

Portata di biochar prodotto: 5-8 kg/h

INDICI DI PROCESSO

Produzione specifica di syngas: 2.04 m3/kg (dry)

Potenza termica del syngas: 237 kW

Efficienza di gas freddo: 67.4%

Potenza elettrica generabile: 76 kW

Efficienza dell’impianto: 21.6%

BILANCI MATERIALI

Chiusura bilancio materiale (CHO): 88-91%

Carbonio in ingresso (biomassa) 34.1 kg/h

Carbonio in uscita (fumi) 30.0 kg/h

Carbonio sequestrato (biochar) 3-4 kg/h

Maggiori dettagli su :

Gasification of agricultural residues in a demonstrative plant: corn cobs. Bioresource Technology 173 (2014) 110-116

Gasification of agricultural residues in a demonstrative plant:. Chemical Engineering Transactions 37 (2014) 151-156

Prove di gassificazione su GASTONE (CRIBE)

Pellet di

legno

Tutoli di

mais

Sarmento

di vite

Lolla

di riso

Produzione specifica (Nm3 di syngas

prodotto / kg di biomassa secca)2.20 2.04 2.31 2.26

Efficienza di gas freddo (efficienza di 68.6 67.4% 69.0 54.4

Pisa 18 marzo 2015

Efficienza di gas freddo (efficienza di

gassificazione)68.6 67.4% 69.0 54.4

Efficienza dell’impianto (rapporto tra potenza

elettrica prodotta e potenza termica

associata alla biomassa alimentata)

22.0 21.6 22.1 17.4

Prove di gassificazione su GASTONE (CRIBE)

ALTE PERDITE DI

CARICO

basso flusso di

gas, ostruzione

reattore

PELLET LEGNO LOLLA RISO TUTOLI MAIS SARMENTO VITECIPPATO LEGNO

Pisa 18 marzo 2015

dimensione/forma particelle

densità

FORMAZIONE

DI PONTI

difficoltà

nell’alimentazione,

ostruzione del

reattore, regime di

combustione

BASSE PERDITE

DI CARICO

svuotamento

reattore, regime di

combustione, basso PCI

del gas

MISCANTO

Dipartimento di Ingegneria Civile e

Industriale – Università di Pisa

Ingegneria Aerospaziale, Chimica, Civile, Logistica,

Meccanica e Nucleare

Ingegneria Chimica:

Pisa 18 marzo 2015

• progettazione, controllo e modellazione di processi chimici industriali,

• ingegneria ambientale,

• combustibili e tecnologie termochimiche,

• ottimizzare di sistemi.

Dipartimento di Ingegneria Civile e

Industriale – Università di PisaAttività nel progetto BioPower in Tuscany

Sviluppo di modelli predittivi del gassificatore a diversi livelli di dettaglio utilizzabili come strumento di ottimizzazione e studi di processo/filiera per:

• valutare l’efficacia di diverse configurazioni del reattore e opzioni

Pisa 18 marzo 2015

• valutare l’efficacia di diverse configurazioni del reattore e opzioni d’impianto per migliorare la qualità del syngas,

• ottimizzare il rendimento dell’impianto (per es. recuperi termici),

• studiare potenziali opzioni (per es. conversione del syngas a idrogeno),

• fornire dati per valutazioni ambientali ed economiche.

Primo livello: modelli di equilibrio

• generalmente si usano approcci all’equilibrio termodinamico che non tengono conto

della reale configurazione del reattore e danno valutazioni non accurate sulla

conversione del char e sul contenuto di tar e metano nel syngas;

• il metano deriva dalla pirolisi della biomassa,

così come il tar. Si trovano nel syngas

per bypass del gas di pirolisi o

della biomassa nella zona

di riduzione:

ARIA

ZONA DI PIROLISI

GAS e TAR

Pisa 18 marzo 2015

ARIA

ZONA DI

OSSIDAZIONE E ALTA

TEMPERATURA

cammini

preferenziali in

assenza di ossigeno

particelle

grandi con core

non reagito

Primo livello: modelli di equilibrio

• come primo approccio si è

considerato che una parte di

materiale bypassa la riduzione del

reattore. In tal modo si ha un

accordo migliore con i dati

sperimentali (modello bi-equilibrio)

rispetto al semplice modello di

equilibrio.

Pisa 18 marzo 2015

Secondo livello: modelli cinetici

Si tratta di separare le varie fasi durante la gassificazione e tenere conto

dell’effettiva configurazione del reattore. Ciò permette di valutare l’effetto delle

condizioni operative e ottimizzare il reattore agendo sulle singole fasi

ESSICCAMENTO

ingresso biomassa

DEVOLATILIZZAZIONE

Ingresso biomassa

GASSIFICATORE

H-BIOM

Pisa 18 marzo 2015

PIROLISI

OSSIDAZIONE

GASSIFICAZIONE

letto fisso su grata

syngas

rimozione solido residuo

ingresso aria

DEVOLATILIZZAZIONE

MIX1

GASIF

SEPASH

MIXHEAT

Ingresso aria

Solido residuo

syngas

H-DEVO

H-IN

H-REACT

H-REC

DISP

Terzo livello: modello termo-fluidodinamico

Con un approccio di dettaglio

ancora maggiore si segue la

movimentazione del solido e

del gas all’interno del

gassificatore sezione per

sezione per determinare i

profili di temperatura,

concentrazione e velocità Gasifying

agent

Biomass

SOLID PHASEGAS PHASE

Heat streams

Mass streams

P F

R

P F

R

Pisa 18 marzo 2015

concentrazione e velocità

lungo l’asse del gassificatore

Solid Residues

t=0 IGNITION

agent

SynGas

DispersionDispersion

P F

R

P F

R

P F

R

P F

R

essiccamento

biomassafumi

Quarto livello: modello di processo e di filiera

Si include lo schema del reattore nel modello di processo (comprendente le

unità di pulizia del gas e il suo utilizzo) e di filiera:

• per ottimizzare l’efficienza globale ,

• per limitare emissioni inquinanti e valutare carbon footprint,

• per fornire indicazioni su valutazioni economiche.

Pisa 18 marzo 2015

gassificatore linea pulizia syngas combustione syngas

recuperi termici

biomassa

calore prodotto

elettricità

prodotta

Quarto livello: studio di filiera

legno

Database biomasse:

needs coltivazione e

raccolto, trasporto,

proprietà

miscanto

Database

pretrattamenti:

essiccam. naturale

essiccam. forzato

Database

processo:

combustione

Database

utilizzo:

ORC

EFMGT

Prodotti:

Elettricità

Calore

(bassa T)

Pisa 18 marzo 2015

miscanto

sansa

verde

urbano

essiccam. forzato

comminuzione

densificazione

gassificazione

SE

ICE

PEMFC

conversione

(bassa T)

Calore

(alta T)

Combusti-

bili gassosi

(metano,

idrogeno)

Cooperativa TEAinsieme con il partner Rengea Tech,sviluppano tecnologicamente e distribuiscono commercialmente impianti di piccola

cogenerazione pre-allestiti in container basati sulla piro-gassificazione della biomassa

legnosa, grazie a un forte servizio post-vendita che ne assicuri la performance nel tempo.

VISION

Il futuro dell’azienda guarda alle tecnologie legate alle fonti rinnovabili con una forte

tendenza alla miniaturizzazione degli impianti tanto da renderli fruibili da clienti in

abitazioni private.

Pisa 18 marzo 2015

abitazioni private.

CORE VALUES

Semplicità

Reciprocità

Ecologia

STRATEGIA

La società ha come focus il tema delle energie rinnovabili e parte dalla ricerca

applicata, portando le tecnologie esistenti a un livello di industrializzazione tale da

permetterne la commercializzazione su ampia scala e assicurandone le prestazioni nel

tempo a vantaggio del cliente.

Cooperativa TEA

Pisa 18 marzo 2015

Cooperativa TEA nel progetto BPT

1. STUDIO IMPIANTO PILOTA (40 kWel)

2. SCALE-UP DELL’IMPIANTO (100 kWel)

3. MESSA A PUNTO DEL SISTEMA DI PULIZIA DEL SYNGAS

Pisa 18 marzo 2015

4. OTTIMIZZAZIONE DEL GASSIFICATORE (sunergia con DICI-UNIPI)

5. BILANCI DI MATERIA ED ENERGIA

(materiale di riferimento: cippato di legno)

Risultati preliminari (impianto 40 kW)

• portata biomassa tal quale alimentata = 40 kg/h (umidità 13%wt)

• portata aria alimentata = 44 Nm3/h (rapporto equivalenza 0.28)

• syngas prodotto = 87.5 kg/h (79 Nm3/h) PCI = 5.7 MJ/Nm3

composizione H2 N2 CH4 CO CO2 C2Hn

%vol (secco) 18.3 45.9 1.8 21.9 11.5 0.6

Pisa 18 marzo 2015

%vol (secco) 18.3 45.9 1.8 21.9 11.5 0.6

• biochar in uscita = 1.4 kg/h (ceneri 21.5, C 74.2, H 1.1%wt)

• rendimenti energetici:

cold gas efficiency 73% (kWth syngas/kWth biom)

rendimento motore 31.4% (kWel prod/kWth syngas)

rendimento impianto 22.9% (kWel prod/kWth biom)

Problematiche operative: il TAR

Il tar è uno dei maggiori problemi per la

fattibilità della gassificazione delle

biomasse. Si tratta di composti organici

condensabili, sottoprodotti della pirolisi,

che si depositano nelle tubazioni (insieme

alle polveri), riducendo il funzionamento

di valvole, filtri e del motore di combustione.

Pisa 18 marzo 2015

Reattori di tipo downdraft sono quelli che producono minor quantità di tar

(rispetto a updraft e letti fluidi) ma occorre limitarne la formazione nel reattore

(garantendo alte temperature di gassificazione) e una pulizia spinta del syngas (a

umido – con acqua o solventi organici – e/o a secco – filtri o adsorbimento).

Per motori a combustione interna sono generalmente raccomandati valori

massimi di tar dell’ordine di 50 mg/Nm3 di syngas e di 30 mg/Nm3 per le polveri.

Ottimizzazione dell’impianto di gassificazione

1. E’ stato messo a punto un sistema semplice e riproducibile per la misura di

polveri e tar nel syngas;

2. Sono state apportate modifiche alla configurazione dell’impianto per garantire

l’alta temperatura nel reattore e abbattere termicamente il tar:

recupero termico per preriscaldo aria di gassificazione,

recupero termico per essiccamento spinto del materiale alimentato,

Pisa 18 marzo 2015

recupero termico per essiccamento spinto del materiale alimentato,

torrefazione in linea del materiale alimentato.

3. E’ stata realizzata una linea di pulizia del syngas in due stadi:

il primo permette di togliere le polveri a temperatura superiore a quella di

condensazione del tar (ciclone e filtro a maniche),

il secondo fa condensare il tar in una serie di colonne a umido.

E’ in corso (attraverso altri progetti) la purificazione in linea delle acque

ricircolate, evitando così il trasporto e il trattamento delle acque in centri esterni.

Impianto di gassificazione (100 kW)

Pisa 18 marzo 2015

Schema impianto di gassificazione

Reattore di Chiller per

Scrubber e

colonne di lavaggio

syngas per

abbattimento tar

Scambiatori per

recupero termico

Ciclone per

abbattimento

polveri, biochar

e ceneri

Filtro a maniche per

depolverazione syngas

Pisa 18 marzo 2015

Reattore di

gassificazione

per produzione

di syngas

Coclea di

torrefazione per

alimentazione

biomassa

Chiller per

raffreddamento

acqua di

lavaggio

Risultati prove di gassificazione

Pisa 18 marzo 2015

Prove sperimentali su cippato di legno. Perdite di carico misurate nelle varie sezioni

dell’impianto. Stabilità dei valori misurati.

Risultati prove di gassificazioneParametri funzionali valori durante lo stazionario valore medio

TR0 (°C) temperatura ingresso reattore 74

TR1 (°C) temperatura pirolisi reattore 271

TR2 (°C) temperatura ossidazione reattore 712

TR3 (°C) temperatura riduzione reattore 567

TR4 (°C) temperatura uscita reattore 557

TS1 (°C) temperatura uscita scambiatore 139

Parametri operativi

Pisa 18 marzo 2015

rapporto di equivalenza nel gassificatore 0.28

potere calorifico inferiore del syngas (MJ/Nm3) 5.3

Composizione media syngas

CO

(%vol)

H2

(%vol)

CO2

(%vol)

CH4

(%vol)

O2

(%vol)tar

(mg/Nm3)polveri

(mg/Nm3)

21.8 14.0 9.1 3.48 2.64 32.4 0.9

Analisi acque di lavaggio

pH COD (mg/l)

fenoli (mg/l)

IPA (mg/l)

N

ammonio (mg/l)

Residuo 105°C

(%m)

Ceneri 600°C

(%s.s.)

7.22 12140 1.03 <0.1 222 0.21 1.7AnalisiBiochar

ceneri (%wt dry) C (%wt dry) H (%wt dry) N (%wt dry) PCI (MJ/kg dry)

11.2 79.15 1.06 0.41 26.1

Risultati prove di gassificazione

GASSIFICAZIONE MOTORE

Cippato umido (15%)

62 kg/h

aria gassificazione

92 kg/h

syngas

160 kg/h

aria combustione

(330 kg/h)

fumi

490 kg/h

potenza elettrica

generata

70 kWe

potenza termica

dai fumi caldi

(potenziale)

80 kWt

potenza termica

per essiccamento (da 40 a 15%)

20-30 kWt

Pisa 18 marzo 2015

biochar

6 kg/h

(330 kg/h)

consumi elettrici

9 kWe

70 kWe

potenza termica

dal circuito raffreddante

(potenziale)

45 kWt

Indici prestazionaliProduttività specifica (Nm3 di syngas/kg di biomassa secca) 2.7

Cold Gas Efficiency 79%

Potenza elettrica generata (kWel) 70.5

Rendimento elettrico dell’impianto 26.7%

Rendimento termico (potenziale) 50%

Risultati prove di gassificazione

recupero termico possibile

(in parte utilizzato per

essiccamento cippato)

Pisa 18 marzo 2015

DIAGRAMMA ENERGETICO

in seguito a scale up impianto, ottimizzazione del reattore, recuperi termici e

essiccamento/torrefazione del cippato il rendimento dell’impianto è aumentato

significativamente da 22-23% (impianto 40 kW) a 26-27% (impianto 100 kW)

Sistema di gassificazionecompatto, integrato, razionale

Pisa 18 marzo 2015

Conclusioni, sinergie e complementarietà

• l’impianto sperimentale CRIBE è stato usato per studiare la gassificazionedi residui agricoli fuori specifica, per ampliare la disponibilità di materialinel territorio, e valutare l’opportunità di pretrattamenti per unfunzionamento comparabile a quello del materiale di riferimento (cippato);

• i dati sperimentali hanno permesso a DICI-UNIPI di validare modelli adiversi livelli di dettaglio sul gassificatore e l’intero impianto in modo dafornire parametri operativi significativi e informazioni utili per migliorare laconfigurazione del reattore e ottimizzare le prestazioni dell’impianto;

Pisa 18 marzo 2015

configurazione del reattore e ottimizzare le prestazioni dell’impianto;

• prove preliminari sull’impianto pilota (40 kW) hanno permesso a TEA dirisolvere problematiche operative (formazione di condense, accumuli dimateriale nelle tubazioni) e progettare lo scale-up dell’impianto;

• l’ingegnerizzazione e lo scale-up dell’impianto TEA (100 kW) è il fruttodell’ottimizzazione del gassificatore, della linea di lavaggio del syngas e deirecuperi termici studiati anche in sinergia con i centri di ricerca.

Conclusioni, confrontiProcesso Materiale Efficienza

elettrica %

Efficienza

termica %

Temperatura utile

(°C)

Gassificazione /

ICE ottimizzatoCippato di legno 25-27 25-35 80 e 500

Gassificazione /

ICECippato di legno 22-25 25-35 80 e 500

Gassificazione /

ICEResidui 20-23 25-35 80 e 500

Pisa 18 marzo 2015

Gassificazione /

ICE

Residui fuori

specifica15-20 25-35 80 e 500

Combustione /

ORCVari 10-12 50-70 30-80

Combustione /

EFMGTVari 9-12 40-60 80

Combustione /

SEVari 8-10 40-60 80