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SIB UI453R

DESCRIZIONE del modello di utilità dal titolo:

"REATTORE PER LA GASSIFICAZIONE DI BIOMASSE A LETTO FLUIDO

5 BOLLENTE CON DUE CAMERE INTERCONNESSE"

a nome di:

Ente per le Nuove Tecnologie l'Energia e l'Ambiente (ENEA) di Roma - ITALIA.

Università degli Studi dell'Aquila di L'Aquila - ITALIA.

10

RIASSUNTO

La presente invenzione si riferisce ad un reattore 1 comprendente un corpo principale

2 a sviluppo sostanzialmente verticale nel quale avviene la gassificazione delle

biomasse; una prima camera di fluidizzazione lenta 3 ed una seconda camera di

fluidizzazione veloce 4 con sviluppo verticale e contigue, atte ad accogliere il letto e

15 disposte in una porzione inferiore del corpo principale 2; un setto 5 di separazione

della prima camera di fluidizzazione lenta 3 dalla seconda camera di fluidizzazione

veloce 4; e un sistema di fluidizzazione del letto comprendente mezzi 6, 7 e 8 per

l'immissione di un agente gassificante nelle camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4.

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DISEGNO PRINCIPALE

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FIG.3

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DESCRIZIONE

La presente innovazione si riferisce ad un reattore per la gassificazione di biomasse a

5 letto fluido bollente e al relativo impianto di gassificazione.

Tale reattore appartiene al settore degli impianti per la trasformazione delle biomasse

in combustibili, e più precisamente in quello dei gassificatori per la trasformazione

delle biomasse (solide) in gas combustibili.

Per gassificazione di biomasse si definisce essenzialmente un processo di conversione

lo termochimica per la trasformazione di un combustibile dallo stato solido a quello

gassoso mediante la reazione con ossigeno libero o vincolato. Essa avviene attraverso

tre fasi fondamentali:

- una prima fase di essiccazione della biomassa in cui si realizza la disidratazione

del materiale;

15 - una seconda fase di pirolisi che produce gas, tars o oli vaporizzati e un residuo

solido-carbonioso; e

- una terza fase di gassificazione in cui i prodotti della pirolisi reagiscono con

l'agente gassificante, dando origine a vari composti, combustibili e non.

Con il calore ottenuto dalla combustione di una parte del materiale da valorizzare si

20 ottiene l'energia necessaria alle fasi di essiccamento e volatilizzazione.

Questo procedimento permette di "trasferire" il contenuto energetico della sostanza

solida iniziale nel potere calorifico di un combustibile in fase gassosa, che risulta

essere utilizzabile con maggiore facilità per un numero più ampio di impieghi.

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Per quanto detto, il processo di gassificazione rappresenta il sistema più semplice per

ottenere gas combustibili da sostanze solide. Data la sua importanza, negli ultimi anni

sono stati sviluppati numerosi impianti di gassificazione con caratteristiche differenti.

In generale, è possibile individuare due tipologie principali di gassificatori: i

5 gassificatori a letto fisso e i gassificatori a letto fluido.

Come detto in precedenza, il reattore per la gassificazione di biomasse della presente

innovazione rientra nella seconda tipologia a letto fluido.

In generale, i gassificatori di biomassa a letto fluido sono essenzialmente dei

contenitori a sviluppo prevalentemente verticale al cui interno viene inserito un

10 minerale in forma granulare con determinate caratteristiche termiche (capacità

termica), catalitiche e meccaniche (sabbia, olivina, dolomite sono i materiali più

utilizzati). Tale materiale che costituisce il letto, viene fluidizzato per mezzo di un

flusso di aria (o altro agente fluidizzante/gassificante) proveniente dal fondo del

reattore e ha la funzione di uniformare la temperatura all'interno del letto stesso,

15 trasportare il calore da una zona all'altra del reattore (fungendo da vettore termico) e

favorire le reazioni di cracking e/o reforming catalitico per alcune specie presenti nel

gas prodotto (funzione catalitica).

Generalmente, nei reattori per la gassificazione, la biomassa viene introdotta in

maniera continua nel letto fluido dove subisce una serie di reazioni che la trasformano

20

in gas (vapori, gas inerti e combustibili) e residui (principalmente sotto forma di

ceneri).

Nei gassificatori a letto fluido la componente gassosa comprende gas (incondensabili),

vapori (condensabili) e particelle solide trascinate (un misto di ceneri, sabbia fine,

char). In particolare, la componente gassosa contiene ad esempio: ossido di carbonio,

25 anidride carbonica, idrogeno, metano, azoto, vapore e tar (composti organici,

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indesiderati, ad alto peso molecolare che condensano a temperature relativamente

basse).

Sempre nei gassificatori a letto fluido la componente solida elutriata con la corrente

gassosa contiene parte dalla biomassa in ingresso (char non gassificato e ceneri) e una

5 certa quantità di sabbia persa dal minerale che costituisce il letto.

Pertanto, i reattori prevedono, generalmente, almeno due condotti di uscita: uno per

la componente gassosa e uno per la componente solida.

I gassificatori per biomasse a letto fluido più diffusi sono di due tipologie:

- a letto fluido bollente; e

10 - a letto fluido circolante

o varianti di essi come ad esempio doppio letto fluido.

Nei gassificatori per biomasse a letto fluido bollente l'espansione del letto resta

confinata nella porzione inferiore del reattore. In particolare, il materiale che

costituisce il letto viene sollevato e mantenuto in sospensione (fluidizzato) attraverso

15 un flusso dell'agente gassificante di portata maggiore o uguale a quella necessaria per

la fluidizzazione (portata di minima fluidizzazione) ma inferiore a quella per la quale il

materiale viene spinto al di fuori del reattore. In questo modo, il materiale solido

contenuto nel reattore resta in sospensione e in uno stato di agitazione al suo interno.

I gassificatori per biomasse a letto fluido bollente prendono il nome dal caratteristico

20 aspetto del letto fluido di materiale in ebollizione. Tale aspetto è dovuto al

comportamento di una parte dell'agente gassificante che, durante il funzionamento del

gassificatore, crea delle bolle le quali risalendo il letto fluido dal fondo del reattore, si

ingrossano ed infine "scoppiano" in superficie.

Nei reattori di questo tipo tra la superficie del letto fluidizzato e prima del condotto di

25 uscita della componente gassosa c'è una zona del reattore "libera", chiamata

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"freeboard", la quale consente ad una parte del materiale solido elutriato di ricadere

nel letto.

In particolare, i reattori a letto fluido bollente classici, come verrà estesamente

discusso in seguito, presentano i seguenti due fenomeni caratteristici:

5 - le particelle di biomassa hanno la tendenza a segregare sulla superficie del letto

fluido; e

- parte del materiale solido del letto fluido presente in superficie viene spinto nel

"freeboard" dalle bolle di agente gassificante quando queste arrivate in

superficie "scoppiano".

10 Pertanto, i gassificatori a letto fluido bollente classici sono provvisti, in

corrispondenza del condotto di uscita della componente gassosa prodotta nel reattore,

di un ciclone atto a separare almeno parzialmente il gas dal particolato.

Nei gassificatori per biomasse a letto fluido circolante, invece, la portata di aria che

viene inviata nel reattore è tale da trasportare il materiale del letto fuori dal reattore

15 insieme al gas. Pertanto, i gas sificatori di biomasse a letto fluido circolante prevedono

una serie di cicloni comunicanti con il corpo del reattore, dove avviene la separazione

tra la componente gassosa e quella solida che viene riportata nella parte bassa del

reattore.

Il successo in ambito commerciale dei reattori a letto fluido è determinato

20 principalmente dalla buona qualità del gas prodotto dovuta all'elevato tasso di

mescolamento delle particelle solide, alla temperatura uniforme nel reattore e gli alti

tassi di reazione. Inoltre, il processo di gassificazione a letto fluido, se confrontato

con quello a letto fisso, presenta una maggiore tolleranza per le dimensioni delle

particelle, un funzionamento più sicuro frutto di un elevato controllo della

25 temperatura e la possibilità di aggiungere sorbenti e composti che favoriscono il

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cracking e reforming del catrame e la catalisi della gassiflcazione (catalizzatori).

Questi vantaggi, sono presenti in misura maggiore o minore sia nei gassificatori per

biomasse letto fluido bollente che in quelli a letto fluido circolante.

Come accennato in precedenza, il reattore per la gassificazione di biomasse della

5 presente innovazione rientra nella tipologia a letto fluido bollente.

I gassificatori a letto fluido, sia di tipo bollente che circolante, a fronte dei numerosi

vantaggi descritti, presentano alcuni svantaggi.

Il principale svantaggio riguarda la difficoltà di mantenere le particelle di biomassa

(più leggere in genere di quelle del letto) all'interno del letto fluido. Infatti, il letto

10 fluido tende a portare sulla sua superficie le particelle di biomassa con densità minore

rispetto a quella media del letto come accade nei liquidi. Tale circostanza influisce

sulla resa del gassificatore in particolare con riferimento alla cinetica delle reazioni di

gassificazione del char e al cracking e reforming dei catrami in quanto le condizioni in

superficie (temperatura, scambio termico e contatto solido-gas) sono meno

15 vantaggiose di quelle all'interno del letto.

Un ulteriore problema specifico dei letti bollenti riguarda i ridotti tempi di permanenza

della componente gassosa prodotta nel reattore all'interno del "freeboard" che non

consente un ulteriore fase di reazione tra componente gassosa e l'agente gassificante.

Al precedente problema è associato anche l'inconveniente relativo all'effetto di

20 trascinamento delle particelle fini in seno alla componente gassosa, che determina la

necessità di dotare l'impianto di costosi ed efficienti sistemi di rimozione della

particelle solide. Il gas "bonificato" deve essere sufficientemente "pulito" da renderlo

adeguato per l'utilizzo nei sistemi di generazione accoppiati all'impianto di

gassificazione (motori a c.i., turbine, etc).

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Per ovviare ai suddetti inconvenienti, sono state studiate e proposte in letteratura

architetture di reattori a letto fluido con circolazione interna.

La più conosciuta è quella proposta da Kuramoto.

Kuramoto ha realizzato un prototipo di reattore in piccola scala, con quattro regioni

5 interconnesse contenute in un singolo contenitore principale e diviso in due settori

adiacenti. In particolare, nel reattore di Kuramoto le differenze nelle velocità di

fluidizzazione (e nelle densità del letto) presenti nei due settori permettono alle

particelle di muoversi da un settore verso l'altro per mezzo di orifizi presenti nella

parete divisoria e di fluire sopra le piastre verticali che separano le due regioni nello

10 stesso settore.

Il reattore di Kuramoto presenta l'inconveniente di prevedere un'architettura

particolarmente complessa che determina difficoltà sia nella realizzazione dell'impianto

che nella sua gestione.

Il problema tecnico che è alla base della presente innovazione è quello di fornire un

15 reattore per la gassificazione di biomasse a letto fluido bollente che consenta di

ovviare agli inconvenienti sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota.

Tale problema viene risolto da un reattore per la gassificazione di biomasse a letto

fluido bollente secondo la rivendicazione 1.

Secondo il medesimo concetto inventivo, la presente innovazione si riferisce altresì ad

20 un impianto per la gassificazione di biomasse a letto fluido bollente secondo la

rivendicazione 25.

Caratteristiche preferite della presente innovazione sono presenti nelle rivendicazioni

dipendenti della stessa.

La presente innovazione fornisce alcuni rilevanti vantaggi.

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Il principale vantaggio della presente innovazione consiste nella previsione di un setto

verticale che divide la camera del letto in due zone (a sviluppo verticale) comunicanti.

In particolare, nel reattore della presente innovazione, il sistema di circolazione del

letto fluido deriva dall'applicazione dello stesso principio fisico inizialmente studiato

5 sperimentalmente da Kuramoto ma riportato ad un architettura semplificata e più

efficiente nella quale coesistono due letti inferiormente e superiormente comunicanti e

fluidizzati da un agente gassificante che presenta per ciascun letto differenti velocità e

direzioni di fluidizzazione.

Altri vantaggi, caratteristiche e le modalità di impiego della presente innovazione

io risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di

realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. Verrà fatto

riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

- la Figura l A mostra una vista in prospettiva dall'alto e in parziale sezione di

impianto gassificatore secondo la presente innovazione;

15 - la Figura 1B mostra l'impianto di Figura l A ruotato intorno alla verticale di

circa 90';

- la Figura 2 mostra un vista in sezione trasversale di un reattore secondo una

forma di realizzazione preferita della presente innovazione;

- le Figure 2A e 2B mostrano rispettivamente un dettaglio della porzione

20 inferiore del reattore di Figura 2 e un ingrandimento del fondo del dettaglio della

Figura 2A;

- la Figura 3 mostra una vista in sezione trasversale dell'impianto di Figura l A

durante una fase operativa.

Con riferimento inizialmente alla Figura 2 un reattore per la gassificazione di biomasse

25 a letto fluido bollente è complessivamente indicato con 1.

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657

Il reattore 1 comprendente principalmente: un corpo principale 2 a sviluppo

sostanzialmente verticale nel quale avviene la gassificazione delle biomasse; una prima

camera di fluidizzazione lenta 3 ed una seconda camera di fluidizzazione veloce 4 con

sviluppo verticale e contigue, atte ad accogliere il letto e disposte in una porzione

5 inferiore del corpo principale 2; un setto 5 di separazione della prima camera di

fluidizzazione lenta 3 dalla seconda camera di fluidizzazione veloce 4; e un sistema di

fluidizzazione del letto comprendente mezzi 6, 7 e 8 per l'immissione di un agente

gassificante nelle camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4.

In una forma di realizzazione preferita, il reattore 1 può essere realizzato in lega

10 speciale resistente alla temperatura e alla corrosione, ad esempio Alloy 800 HT, in

modo da non richiedere un rivestimento di materiale refrattario.

Come mostrato in Figura 2, il corpo principale 2 presenta uno sviluppo verticale

asimmetrico.

In particolare, il corpo principale 2 presenta un profilo inclinato almeno in

15 corrispondenza della sua porzione inferiore in cui è disposta la camera di

fluidizzazione lenta 3.

Assumendo come riferimento l'asse verticale (V) riportato in Figura 2, in una forma di

realizzazione preferita, il corpo principale 2 presenta una prima parete laterale 21

inclinata rispetto all'asse verticale (V) e convergente verso il basso, ed una seconda

20 parete laterale 22 opposta alla prima sostanzialmente parallela alla verticale (V). Le

pareti 21 e 22 definiscono a loro volta rispettivamente una prima parete laterale della

camera di fluidizzazione lenta 3 ed una seconda parete laterale della camera di

fluidizzazione veloce 4. Naturalmente, secondo la presente forma di realizzazione la

prima parete laterale 21 e la seconda parete laterale 22 sono opposte al setto di

25 separazione 5.

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Come mostrato in Figura 2, la prima parete laterale 21 è inclinata di un angolo a

rispetto alla verticale (V) e, secondo la presente forma di realizzazione, presenta una

porzione superiore 211 parallela all'asse verticale (V).

In generale, l'angolo a di inclinazione della prima parete laterale 21 è minore

5 dell'angolo di riposo del materiale del letto (rispetto alla verticale (V)) in modo tale da

consentire lo scorrimento sulla parete 21 delle particelle del letto fluido e contrastare

la formazione di zone non fluidizzate nel letto.

Per esempio, secondo una forma di realizzazione preferita, nella quale il letto è

realizzato con sabbia, l'angolo a è uguale a 30 0 circa, quando l'angolo di riposo

io rispetto alla verticale (V) per la sabbia è di circa 50°.

Secondo l'innovazione, la prima camera di fluidizzazione lenta 3 e la seconda camera

di fluidizzazione 4 sono superiormente ed inferiormente comunicanti attraverso

rispettivi passaggi. Come verrà illustrato in seguito, sempre secondo l'innovazione, la

camera di fluidizzazione lenta 3 è una camera di fluidizzazione discendente e la

15 camera di fluidizzazione veloce 4 è una camera di fluidizzazione ascendente.

Con riferimento alla Figura 2A e secondo una forma di realizzazione preferita, i mezzi

per l'immissione dell'agente gassificante del sistema di fluidizzazione del letto

comprendono: primi 6, secondi 7 e terzi 8 mezzi per l'immissione di un agente

gassificante.

20 In particolare, i primi mezzi per l'immissione dell'agente gassificante sono posti in

corrispondenza di una porzione di fondo della camera di fluidizzazione lenta 3 e sono

atti a determinare l'ingresso di almeno un flusso dell'agente gassificante con una

direzione inclinata rispetto alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione

veloce 4.

25 I secondi mezzi 7 per l'immissione di un agente gassificante sono posti in

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corrispondenza di una porzione di fondo della camera di fluidizzazione veloce 4, e

sono atti a determinare l'ingresso di almeno un flusso dell'agente gassificante diretto

lungo la verticale (V).

I terzi mezzi 8 per l'immissione di un agente gassificante sono posti in corrispondenza

5 della prima parete laterale 21 sulla porzione afferente la camera di fluidizzazione lenta

3 e sono atti a fluidizzare la porzione di letto prossima a detta parete laterale inclinata

21.

Come mostrato in Figura 2A, la disposizione complessiva dei mezzi 6, 7, 8 per

l'immissione di un agente gassificante è tale che il sistema di fluidizzazione del letto è

10 atto a realizzare, attraverso il passaggio superiore e il passaggio inferiore di

comunicazione delle camere 3 e 4, una circolazione del letto fluido rispettivamente

dalla camera di fluidizzazione veloce 4 alla camera di fluidizzazione lenta 3 e dalla

camera di fluidizzazione lenta 3 alla camera di fluidizzazione veloce 4 consentendo di

trasferire all'interno del letto fluido almeno una parte delle particelle di biomassa.

15 In particolare, come mostrato in Figura 2B, i primi mezzi 6 per l'immissione di un

agente gassificante comprendono una prima piastra di distribuzione 6 inclinata rispetto

alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione veloce 4.

Detta piastra di distribuzione 6 presenta in generale una pluralità di fori 61 per

l'immissione dell'agente gassificante e nella presente forma di realizzazione comprende

20

una pluralità di elementi di copertura parziale 62 che impediscono alla particelle del

letto fluido di introdursi nei fori 61.

Come per i primi mezzi 6, anche i secondi 7 e i terzi 8 mezzi per l'immissione di un

agente gassificante comprendono rispettivamente una seconda 7 ed una terza 8 piastra

di distribuzione. La seconda piastra di distribuzione 7 è posta ortogonalmente alla

25 verticale (V).

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In generale, i primi 6, secondi 7 e terzi 8 mezzi per l'immissione di un agente

gassificante possono comprendere ciascuno una piastra di distribuzione o un fascio

tubiero. Come mostrato per esempio in Figura 2, in una forma di realizzazione

preferita i primi mezzi 6 per l'immissione di un agente gassificante comprendono una

5

piastra di distribuzione 6 mentre i secondi 7 e i terzi 8 mezzi per l'immissione di un

agente gassificante comprendono ciascuno un fascio tubiero.

Secondo una forma di realizzazione preferita, il setto 5 è superiormente e/o

inferiormente regolabile in lunghezza, come mostrato in Figura 2. La possibilità di

regolare superiormente il setto 5 influisce sulla quantità di materiale che può essere

10 immesso nel reattore 1 per formare il letto, mentre la possibilità di regolare

inferiormente il setto 5 influisce sulla circolazione del materiale del letto fluido tra le

camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4.

Con riferimento alla Figura 1, il reattore 1 comprendente una o una pluralità luci 9 per

l'immissione della biomassa nel letto fluido disposte in prossimità e/o in detta porzione

15

inferiore del corpo principale 2. Le luci 9 sono disposte in modo tale da consentire

l'introduzione della biomassa ad altezze diverse del letto fluido.

Secondo forme di realizzazione alternative, il reattore 1 può comprendere inoltre:

- mezzi per l'introduzione nel reattore 1 di elementi catalizzanti atti a favorire il

cracking catalitico nel letto;

20 - un dispositivo di analisi del gas presente nel reattore 1, il quale prevede mezzi

per il prelievo del gas dal corpo principale 2;

- mezzi di misurazione della temperatura presente internamente al corpo

principale 2;

- mezzi di misurazione della pressione presente internamente al corpo principale

25 2;e

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- mezzi atti ad aumentare il tempo di residenza 13 del gas all'interno del corpo

principale 2, quale ad esempio almeno un deflettore 13 posto in

corrispondenza di una porzione superiore ("freeboard") di detto corpo

principale 2.

5 Naturalmente, secondo dette forme di realizzazione alternative del reattore 1 della

presente innovazione gli elementi sopra elencati possono essere assenti, presenti in

specifiche combinazioni o tutti presenti.

Con riferimento alle Figure 1A, 1B e 3, un impianto gassificatore comprendente un

reattore 1 per la gassificazione di biomasse a letto fluido bollente secondo la presente

lo innovazione è complessivamente indicato con 100.

Il funzionamento del reattore 1 sopra descritto e del relativo impianto di

gassiflcazione 100 apparirà chiaro dalla descrizione del relativo funzionamento.

In particolare, il funzionamento del reattore 1 verrà ora descritto a titolo

esemplificativo con riferimento ad una forma di realizzazione preferita in cui è

15 presente il deflettore 13.

In generale, l'impianto gas sificatore 100 è retto da una struttura metallica di sostegno,

non rappresentata nelle figure, per mezzo di appoggi 25 saldati al corpo principale 2.

Inoltre, esso prevede un bocchello 12 che collega il reattore 1 ad un bruciatore, per

esempio a gplimetano, necessario nella fase di avviamento dell'impianto di

20 gassifiecazione.

Con riferimento alla Figura 3, il reattore 1 viene predisposto riempiendo le camere di

fluidizzazione lenta 3 e veloce 4 con della sabbia o altro minerale atto a realizzare il

letto. La sabbia viene immessa fino a raggiungere la porzione superiore del setto

regolabile 5.

25 Il setto 5 di separazione delle camere 3 e 4 viene preventivamente regolato

superiormente, in modo da aumentare o diminuire l'altezza delle camere 3 e 4 in virtù

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della quantità di sabbia che si vuole immettere nel reattore e dell'espansione del letto

in condizioni di funzionamento (letto fluido). Quindi, il setto 5 viene regolato

inferiormente per aumentare o diminuire il passaggio inferiore di comunicazione tra le

due camere 3 e 4 in modo da influire sull'intensità del flusso di materiale solido che

5 circola tra le due camere.

Quindi, viene posizionato un bocchello di inserimento della biomassa in

corrispondenza di una delle luci 9 per l'immissione della biomassa che nel presente

esempio si trova all'altezza del "pelo libero" del letto, come mostrato nelle Figure 1 A

e 1B.

10 In generale, la biomassa viene portata da una tramoggia di stoccaggio al reattore 1

attraverso un sistema di coclee di dosaggio e alimentazione non rappresentate nelle

figure.

Quando il reattore è operativo la portata ponderale di materiale organico che si

immette nella prima camera lenta 3 attraverso il bocchello si mescola al minerale del

15

letto fluido (in questo caso sabbia) dove dà inizio alle reazioni di gassificazione che

trasformano il solido organico (biomassa) in gas.

La fase operativa ha inizio immettendo nel reattore 1 l'agente gassificante attraverso il

sistema di fluidizzazione del letto. L'agente gassificante nel presente esempio è una

miscela di vapore e aria arricchita di ossigeno.

20 Durante la fase operativa, all'interno del letto fluido viene mantenuta una temperatura

intorno agli 800 ± 850 °C ciò viene realizzato dosando opportunamente la quantità di

agente gassificante e bruciando la relativa "quota" di solido e/o di gas combustibile.

Tale temperatura garantisce lo svolgimento delle reazioni per la trasformazione della

biomassa. Nel presente esempio, la pressione media di funzionamento del reattore 1 è

25 circa uguale a quella atmosferica. È chiaro che secondo forme di realizzazioni

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alternative del reattore 1, la pressione a cui avvengono i processi di gassificazione

potranno essere diverse da quella ambiente.

Nella presente forma di realizzazione, il reattore 1 prevede dei mezzi per la

misurazione della pressione e della temperatura posizionati a diverse altezze sul corpo

5

principale 2 in modo da monitorare a quelle altezze i valori di pressione e temperatura

presenti nel reattore.

Durante la fase operativa l'agente gassificante necessario alla combustione parziale

della biomassa e alla fluidizzazione del letto, entra nelle camere di fluidizzazione lenta

3 e veloce 4 del reattore attraverso la piastra di distribuzione 6 e i fasci tubieri 7 e 8

10 passando dapprima attraverso dei collettori rappresentati in Figura 1. Secondo la

presente innovazione, il letto fluido è sottoposto ad una intensità del flusso dell'agente

gassificante diversa nelle due camere 3 e 4. In particolare, l'intensità del flusso

dell'agente gassificante presente nella camera di fluidizzazione veloce 4 è maggiore

dell'intensità di flusso presente nella camera di fluidizzazione lenta 3.

15 In generale, in un reattore a letto fluido bollente, lo stato di fluidizzazione implica che

la perdita di pressione attraverso il letto equilibri il peso del solido per unità di sezione

trasversale. Inoltre, l'espansione del letto è proporzionale alla velocità con cui si

"invia" l'agente gassificante, ciò è dovuto principalmente ad un aumento nella crescita

delle bolle che si formano in fondo alle camere di fluidizzazione subito sopra la piastra

20 distributrice dell'aria.

Nel reattore 1 della presente innovazione, il passaggio inferiore di comunicazione tra

le due camere 3 e 4 induce queste ultime a comportarsi in accordo con il principio dei

vasi comunicanti, cioè le altezze dei letti nelle camere di fluidizzazione lenta 3 e

veloce 4 sono uguali. Quindi, se il materiale del letto è sufficiente da permettere alle

25 particelle di fluire sopra il setto 5, grazie alle differenti "velocità di fluidizzazione" nei

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due letti (che implicano differenti densità medie) si instaura, attraverso il passaggio

inferiore, una proporzionale differenza di pressione che induce e sostiene la

circolazione del materiale solido.

Pertanto, nella camera a più alta densità, che per quanto detto corrisponde alla camera

5 di fluidizzazione lenta 3, il letto fluido tenderà a scendere, mentre nella camera di

fluidizzazione veloce 4 (che contiene una frazione più alta di bolle) il materiale tenderà

a salire.

Secondo una forma di realizzazione preferita del reattore 1, le particelle (leggere) di

biomassa vengono alimentate nel letto più denso (camera di fluidizzazione lenta 3),

io dove la loro tendenza a segregare in superficie è neutralizzata dal processo di

circolazione del letto fluido.

In particolare, come mostrato in Figura 2A, quando le particelle di biomassa sono

rilasciate sulla superficie del letto fluido della camera di fluidizzazione lenta 3, esse

assumono un comportamento cinetico "quasi-circolare", dovuto alla loro tendenza

15 naturale a "galleggiare" sulla superficie del letto fluido.

Questo fenomeno è evidente nella porzione superiore della camera di fluidizzazione

lenta 3 poiché in questa zona:

- la velocità di circolazione del letto fluido verso il basso tende a diventare più

piccola della velocità di risalita delle particelle di biomassa. e

20 - il flusso di particelle, proveniente dalla camera di fluidizzazione veloce 4

(attraverso il passaggio superiore di connessione delle camere) tende a spingere le

particelle di biomassa all'interno del letto fluido.

Pertanto, gli opposti fenomeni sopra illustrati possono indurre una particella di

biomassa a oscillare per un certo tempo nella regione superiore della camera di

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fluidizzazione lenta 3 fino a quando essa non "sprofonda" abbastanza in basso da

seguire la circolazione del letto fluido.

Naturalmente, come detto in precedenza, un contributo fondamentale alla circolazione

del letto fluido è fornito dal sistema di fluidizzazione del letto e dalla disposizione

5 complessiva dei mezzi 6, 7 e 8 per l'immissione dell'agente gassificante atti a

determinare l'ingresso di almeno un flusso dell'agente gassificante in corrispondenza

del passaggio inferiore di comunicazione tra le camere 3 e 4 con una direzione

inclinata rispetto alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione veloce 4,

come mostrato nelle Figure 2A e 2B.

10 Da quanto sin qui illustrato, apparirà chiaro, che all'interno delle camere di

fluidizzazione lenta 3 e veloce 4, il diverso "regime" di fluidizzazione realizzato dal

sistema di fluidizzazione crea, ad altezze diverse, condizioni differenti di densità e

pressione che consentono la circolazione interna (tra le camere 3 e 4) del letto fluido e

contribuiscono a rendere uniforme la temperatura in tutto il letto. Pertanto, la

15 circolazione del letto fluido tra camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4, consente,

come detto precedentemente, di portare il materiale organico (biomassa) che si trova

sulla "superficie" del letto fluido della camera 3 all'interno del letto.

Come mostrato in Figura 3, il reattore 1 può prevedere un elemento di separazione

10, atto a dividere il corpo principale 2 da un magazzino di scarico ceneri 101 del

20 gassificatore 100. Tale elemento 10, può essere aperto facendogli assumere diverse

altezze in modo da regolare la quantità totale di materiale solido che è presente nel

letto fluido. Infatti, il sovraccarico di materiale viene fatto uscire dal corpo principale

2 e portato nel magazzino 101 da cui può essere a sua volta estratto per mezzo di una

valvola rotativa non rappresentata.

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Allo stesso modo il materiale solido più pesante e di dimensioni maggiori presente

nelle camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4, secondo una forma di realizzazione

preferita del reattore 1, si accumula, a causa del suo peso, in una "camera" di raccolta

11 posta al di sotto dei secondi mezzi 7 per l'immissione dell'agente gassificante. Il

5 materiale solido accumulato nella "camera" di raccolta 11 può essere rimosso per

mezzo di valvola rotativa non rappresentata nelle figure.

Nel reattore 1 durante la fase operativa di trasformazione della biomassa viene

prodotto un notevole volume di gas. I flussi gassosi che lasciano i letti di

fiuidizzazione veloce e lenta si mescolano nel "freeboard" prima di lasciare il reattore

10 1. In particolare, la geometria del reattore oggetto della presente innovazione ed in

particolare l'asimmetria del corpo principale 2, che realizza sezioni del reattore 1

sempre maggiori procedendo verso l'alto lungo la verticale (V), tiene conto della

fluidodinamica del processo di gassificazione e del fatto che la trasformazione della

biomassa sviluppa, come si è detto, un notevole volume di gas.

15 In particolare, le dimensioni del "freeboard" sono calcolate facendo riferimento alla

teoria relativa alla elutriazione delle particelle solide, in modo da consentire al gas di

separarsi dal materiale elutriato per caduta di quest'ultimo. La teoria relativa alla

elutriazione delle particelle solide essendo alla portata di un tecnico medio del ramo

non verrà discussa nel presente documento.

20 Per migliorare il mescolamento delle componenti gassose provenienti dalle camere di

fluidizzazione lenta 3 e veloce 4, è presente nel "freeboard" il deflettore 13.

Quest'ultimo ha anche la funzione di favorire un ulteriore fase di reazione tra il gas

prodotto nelle camere 3 e 4 e la porzione di agente gassificante proveniente dalla

camera di fluidizzazione veloce 4. Come mostrato in Figura 3, una volta che la

25 componente gassosa ha attraversato il "freeboard", essa percorre un condotto 102 e

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arriva in un ciclone 103 dove la maggior parte delle particelle solide presenti nella

componente gassosa vengono separate dal gas e immesse nel magazzino 101

attraverso un dipleg 104 (la cui altezza va opportunamente calcolata) che termina con

una valvola trickle 105.

5 Quindi, il gas separato dalle particelle solide esce dal ciclone 103 attraverso un

condotto 106 e viene inviato verso delle apparecchiature che si trovano a valle del

reattore per essere ulteriormente filtrato.

Infine, il reattore può comprendere un passo d'uomo 23 per le operazioni di

manutenzione e una porzione superiore 24 del corpo principale 2 amovibile mostrate

10 nelle Figure 1 A e 1B.

Sarà apprezzato che, dati sperimentali ottenuti in laboratorio in un impianto in scala

pilota, per mezzo di un modello freddo costruito secondo le regole geometriche e

dinamiche di similitudine, confermano il ruolo fondamentale della circolazione delle

particelle del letto fluido al fine di aumentare il tempo di residenza delle particelle

15 leggere di combustibile (biomassa) all'interno del letto fluidizzato e confermano che il

"principio dei letti fluidizzati intercormessi" può essere applicato con successo alla

gassificazione della biomassa.

Sarà apprezzato inoltre, che il reattore della presente innovazione fornisce un gas

combustibile (syngas) a basso contenuto di catrami e particolato.

20 Sarà inoltre compreso che la presente innovazione è suscettibile di numerose forme e

varianti di realizzazione alternative a quelle sin qui descritte.

La presente innovazione è stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di

realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che

afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell'ambito di protezione

25 delle rivendicazioni qui di seguito esposte.

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RIVENDICAZIONI

1. Reattore (1) per la gassificazione di biomasse a letto fluido bollente per uso in un

impianto di gassificazione comprendente:

- un corpo principale (2) a sviluppo sostanzialmente verticale nel quale avviene

5 la gassificazione delle biomasse;

- una prima camera di fluidizzazione lenta (3) ed una seconda camera di

fluidizzazione veloce (4) contigue, con sviluppo sostanzialmente verticale (V),

atte ad accogliere il letto e disposte in una porzione inferiore di detto corpo

principale (2), detta prima camera (3) e detta seconda camera (4) essendo

10 superiormente ed inferiormente comunicanti attraverso rispettivi passaggi;

- un setto (5) di separazione tra detta prima camera di fluidizzazione lenta (3) e

detta seconda camera di fluidizzazione veloce (4);

- un sistema di fluidizzazione del letto comprendente mezzi (6, 7, 8) per

l'immissione di un agente gassificante in dette camere di fluidizzazione lenta (3) e

15 veloce (4) atti a determinare l'ingresso di almeno un flusso di agente gassificante

in corrispondenza di detto passaggio inferiore con una direzione inclinata rispetto

alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione veloce (4); la

disposizione complessiva di detti mezzi (6, 7, 8) essendo tale che il sistema di

fluidizzazione del letto è atto a realizzare, attraverso detto passaggio superiore e

20 detto passaggio inferiore, una circolazione del letto fluido rispettivamente dalla

camera di fluidizzazione veloce (4) alla camera di fluidizzazione lenta (3) e dalla

camera di fluidizzazione lenta (3) alla camera di fluidizzazione veloce (4)

consentendo di trasferire all'interno del letto fluido almeno una parte delle

particelle di biomassa.

25 2. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta prima camera di

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fluidizzazione lenta (3) e detta seconda camera di fluidizzazione veloce (4) sono

rispettivamente una camera di fluidizzazione discendente ed una camera di

fluidizzazione ascendente.

3. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti

5 mezzi (6; 7; 8) per l'immissione di un agente gassificante comprendono:

- primi mezzi (6) per l'immissione di un agente gassificante posti in

corrispondenza di una porzione di fondo di detta camera di fluidizzazione lenta

(3) e atti a determinare l'ingresso di detto almeno un flusso con una direzione

inclinata rispetto alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione

10 veloce (4);

- secondi mezzi (7) per l'immissione di un agente gassificante posti in

corrispondenza di una porzione di fondo di detta camera di fluidizzazione veloce,

atti a determinare l'ingresso di almeno un flusso dell'agente gassificante diretto

lungo la verticale (V).

15 4. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detti primi mezzi (6) per

l'immissione di un agente gassificante comprendono una prima piastra di distribuzione

(6) inclinata rispetto alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione

veloce (4), detta prima piastra di distribuzione (6) comprendendo una pluralità di fori

(61) per l'immissione dell'agente gassificante.

20 5. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta prima piastra di

distribuzione (6) inclinata comprende una pluralità di elementi di copertura parziale

(62) dei fori (61) della piastra (6) atti ad impedire l'immissione delle particelle del letto

nei fori (61).

6. Reattore (1) secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detti secondi mezzi (7) per

25 l'immissione di un agente gassificante comprendono una seconda piastra di

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distribuzione (7) ortogonale rispetto alla verticale (V) o un fascio tubiero.

7. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto

corpo principale (2) presenta uno sviluppo verticale asimmetrico.

8. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto sviluppo verticale

5 asimmetrico presenta un profilo inclinato almeno in corrispondenza di detta sua

porzione inferiore in cui è disposta detta camera di fluidizzazione lenta (3) e

convergente verso la porzione inferiore del corpo principale (2).

9. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto

corpo principale (2) presenta una prima parete laterale (21), opposta al setto (5),

10 inclinata rispetto all'asse verticale (V) di un predeterminato angolo a e convergente

verso la sua porzione inferiore la quale parete (21) definisce una prima parete laterale

della camera di fluidizzazione lenta (3).

10. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta prima parete

laterale (21) presenta una porzione superiore (211) parallela all'asse verticale (V).

15 11. Reattore (1) secondo la rivendicazione 9, in cui detto angolo a di inclinazione

di detta prima parete laterale (21) è minore dell'angolo di riposo del materiale del letto

rispetto alla verticale (V) in modo tale da consentire lo scorrimento sulla parete (21)

stessa delle particelle del letto quando fluidizzato.

12. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto angolo a di

20 inclinazione di detta prima parete laterale (21) è uguale a 30 0 circa rispetto alla

verticale (V).

13. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto

corpo principale (2) presenta una seconda parete laterale (22) opposta al setto (5) e

sostanzialmente parallela alla verticale (V) la quale definisce una seconda parete della

25 camera di fluidizzazione veloce (4).

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14. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti quando

dipendenti dalla rivendicazione 8, in cui detti mezzi (6; 7; 8) comprendono terzi mezzi

(8) per l'immissione di un agente gassificante posti in corrispondenza di detta prima

parete laterale (21) sulla porzione afferente la camera di fluidizzazione lenta (3), detti

5 terzi mezzi (8) essendo atti a fluidizzare il letto sulla parete laterale inclinata (21).

15. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto

setto (5) è superiormente e/o inferiormente regolabile in lunghezza in modo tale che la

variazione superiore del setto (5) influisce sulla quantità di materiale del letto che può

essere immesso nel reattore (1) e che la variazione inferiore del setto (5) influisce sulla

io circolazione di materiale del letto fluido tra le camere di fluidizzazione lenta (3) e

veloce (4).

16. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,

comprendente una o una pluralità luci (9) per l'immissione della biomassa nel letto

fluido disposte in prossimità e/o in detta porzione inferire del corpo principale (2);

15 detta pluralità luci (9) essendo disposte in modo tale da consentire l'introduzione della

biomassa nel letto ad altezze diverse.

17. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,

comprendente mezzi per l'introduzione nel reattore (1) di elementi catalizzanti atti a

favorire il cracking catalitico nel letto.

20 18. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto

agente gassificante è una miscela di vapore e aria arricchita di ossigeno.

19. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,

comprendente un dispositivo di analisi del gas presente all'interno del reattore (1).

20. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto dispositivo di

25 analisi del gas comprende mezzi per il prelievo del gas dal corpo principale (2).

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21. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,

comprendente mezzi di misurazione della temperatura presente internamente al corpo

principale (2).

22. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,

5

comprendente mezzi di misurazione della pressione presente internamente al corpo

principale (2).

23. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,

comprendente mezzi (13) atti favorire un ulteriore fase di reazione tra il gas prodotto

nelle camere (3) e (4) e la porzione di agente gassificante proveniente dalla camera di

10 fluidizzazione veloce (4).

24. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui mezzi atti ad

aumentare il tempo di residenza del gas sono almeno un deflettore (13) posto in

corrispondenza di una porzione superiore di detto corpo principale (2).

25. Impianto gassificatore (100) comprendente un reattore per la gassificazione di

15

biomasse a letto fluido bollente secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 24.

p.p. Ente per le Nuove Tecnologie l'Energia e l'Ambiente (ENEA)

Università degli Studi dell'Aquila

Società Italiana Brevetti S.p.A.

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