Numerose sono le università, gli istituti di ricerca e le industrie impegnati con diversi obiettivi nello sviluppo delle tecnologie legate alla gassificazione delle biomasse.
biomassa, ma anche sulle soluzioni impiantistiche per le sezioni di depurazione e pulizia dal gas prodotto.
Tra i più promettenti settori di ricerca emersi in questi ultimi anni sono sicuramente da ricordare quello avviato dalla università danese DTU che ha messo appunto il progetto di un gassificatore a due stadi denominato Viking. L’impianto presenta delle novità dal punto di vista impiantistico separando la fase di pirolisi e di gassificazione vera e propria in due distinte apparecchiature e soprattutto promette una produzione di gas con bassissimo contenuto di tar e una produzione di acqua di processo praticamente nulla.
Per quanto riguarda la ricerca nella tecnologia di depurazione del gas vera e propria, bisogna dire che anche se la depurazione a umido del gas è completamente messa a punto e affidabile avendo dimostrato la sua efficacia in diversi un pianti sperimentali, problemi rimangono per la pulizia e lo smaltimento dell’acqua di processo.
Nel campo della depurazione a secco interessante è il progetto della società olandese Kara (ora partner della Shell) che ha realizzato un impianto di gassificazione privo di dispositivi di depurazione umida eliminando il problema degli effluenti liquidi e facendo funzionare il motore da combustione interna con una temperatura del gas relativamente alta all’aspirazione.
Ancora, tra le tecnologie più recenti e innovative di depurazione del gas, figura la tecnologia denominata OLGA e preparata dall’istituto di ricerca olandese ECN. Tale tecnologia si basa sull’uso di un particolare olio e non dell’acqua come mezzo di rimozione dei tars dal gas[45,46]. I risultati ottenuti dalle sperimentazioni condotte e presentati a Strasburgo nell’ottobre del 2002 al meeting sulla gassificazione delle biomasse, hanno dimostrato la validità della tecnologia che a questo punto si dimostra pronta ad essere commercializzata.
Restando nell’ambito di pulizia e trattamento del gas, molto importante risulta lo sforzo compiuto per la preparazione di un protocollo unitario di misura del tar nel gas e quindi per la stesura da parte del CEN del documento di normazione standard for sampling and analysis of tar and particles in biomass producer gas che costituirà la base obiettiva di analisi e misura degli inquinanti presenti nel gas e classificherà le tecnologia di abbattimento dei vari impianti in maniera omogenea.
Tra i progetti finanziati dalle Comunità Europea che coinvolge diversi istituti ed industrie tra cui l’ENEA, è da citare il clean energy from biomass[47]. L’obiettivo del progetto è lo sviluppo di un processo di gassificazione a letto fluido (FICFB) per produrre un gas ad alto contenuto
di idrogeno da utilizzare poi in celle a combustibile per la produzione di energia elettrica[48].
CAPITOLO 5
L’impianto
Joule
con
Tecnologia Fast Internally
Circulating Fluidized Bed
FICFB:
Esperienze
Sperimentali
5.1 Generalità
L’impianto operante presso il Centro Ricerche ENEA di Trisaia utilizza il processo FICFB (Fast Internally Circulating Fluidized Bed), che sarà descritto con maggiore dettaglio più avanti. Tale processo è stato sviluppato dall’Università della Tecnologia di Vienna (TUV) su un impianto pilota da 100 kWt, un primo scale-up è l’impianto Trisaia, realizzato nell’ambito del progetto europeo “Hydrogen-rich gas from biomass steam gasification”, che ha visto la partecipazione, oltre che dell’ENEA, anche della stessa TUV. Considerando la producibilità di gas ed il potere calorifico atteso, la potenza dell’impianto di Trisaia
Il successivo progetto europeo “Clean energy from biomass” ha consentito l’integrazione nell’impianto di una sezione di purificazione innovativa ad alta temperatura, che a sua volta sarà descritta brevemente in seguito. Tale sezione, per un gassificatore pressurizzato, rende possibile l’alimentazione diretta della cella a carbonati fusi con il gas prodotto, o comunque consente l’utilizzo del gas in pressione direttamente nelle facility per la produzione di energia elettrica. Nel caso dell’impianto presente, operante a pressione atmosferica, valutazioni energetiche, legate all’efficienza del processo di compressione, rendono preferibile il raffreddamento del gas all’uscita della sezione di clean-up. In ogni caso la validazione del processo di purificazione a caldo è un risultato fondamentale, soprattutto in considerazione dei futuri possibili sviluppi riguardanti l’integrazione tra processo di gassificazione e MCFC[58].
Di seguito si riporta una vista fotografica dell’impianto Joule:
Figura 5.1 Impianto Joule CR ENEA Trisaia
Come si può osservare dalla figura 5.1, il gassificatore è composto da un reattore di gassificazione, dal rettore di combustione, da un ciclone che separa il materiale del letto dai gas esausti e da un sifone. Il materiale del letto è una roccia naturale denominata olivina[59] importata dall’Austria e avente un alto punto di fusione, circa 1750°C, le sue proprietà fisiche sono mostrate nella tabella 5.1:
Caratteristiche Generali della Olivina
Densità di Bulk 2050-1900 kg/m3 Diametro Medio 344 µm
Espansione Termica (1100°C) 1.3% Durezza di Mohs 6.5-7.0
Calore Specifico 0.95-1.05 kJ/kg °C
Composizione Sabbia di Olivina
%SiO2 41.9
%MgO 49.5
%Fe2O3 7.1
%Al2O3 1
%H2O+%CO2 0.5
Mineralogia Sabbia di Olivina
%Forsererite(Mg2SiO4) 94
%Fayallite(Fe2SiO4) 6
Tabella 5.1 Caratteristiche chimico-fisiche dell’olivina
utilizzata per le esperienze sperimentali
L’olivina transita tra il reattore di gassificazione e di combustione e il ruolo di tale sabbia è quello di fornire l’apporto termico necessario per far avvenire le reazioni di gassificazione che nel loro complesso sono endotermiche. L’olivina, infatti, è riscaldata nel combustore operante alla temperatura di 900°C, temperatura inferiore rispetto a quella di fusione della sabbia, esce dal reattore alla stessa
temperatura di combustione e viene fatta circolare nel reattore di gassificazione attraverso un sifone in cui si inietta una piccola quantità di vapore; nel reattore di gassificazione la sabbia cede il suo calore sensibile essendo la temperatura di gassificazione di circa 800°C e viene fatta ricircolare nel reattore di combustione per un successivo riscaldamento[61].
Inoltre anche una esigua quantità di carbone, circa il 15% del carbonio contenuto nella biomassa in ingresso che non partecipa alle reazioni di gassificazione viene trasportata dalla sabbia dal reattore di gassificazione a quello di combustione in cui viene bruciata producendo un opportuno apporto energetico.
Di seguito si riporta una vista dedicata della sezione di combustione-gassificazione, rappresentativa del “core” dell’impianto in oggetto:
Figura 5.2 Schema d’impianto del doppio letto fluido
ricircolante
Nel reattore di gassificazione, anche semplicemente chiamato gassificatore, il letto di materiale inerte è fluidizzato da un’agente gassificante che nel caso preso in considerazione è vapore surriscaldato da un generatore industriale di vapore ad una temperatura di 500°C. Pertanto la biomassa alimentata meccanicamente nel gassificatore viene gassificata con vapore producendo in tal caso un gas
di sintesi con un alto contenuto di idrogeno e medio-alto potere calorifico; il syngas esce dal gassificatore a pressione ambiente poiché il gassificatore preso in considerazione è del tipo non pressurizzato anche se la pressione del letto fluidizzato è leggermente superiore a quella ambiente.
Nel reattore di combustione, denominato anche combustore, viene introdotta una piccola quantità di gasolio (circa un decimo della portata di biomassa) e l’aria preriscaldata da un generatore di aria calda fino ad una temperatura di 400°C. La combustione che avviene con un elevato valore di λ, definito come rapporto tra l’ossigeno fornito durante il processo di combustione e quello stechiometrico, riscalda la sabbia come detto sopra e produce un gas di scarico che viene trattato prima di andare al camino.
La separazione tra la sabbia e i gas di scarico avviene in un ciclone interposto tra il gassificatore e il combustore.
La temperatura nel gassificatore dipende dalla frazione di circolazione della sabbia e dalla temperatura del combustore; la temperatura nel combustore è controllata da dei regolatori che possono variare la portata di combustibile ausiliare. La differenza di temperatura media tra quella del combustore e del gassificatore è di circa 100°C, questa differenza è maggiore di quella di progetto che è di circa
valore della frazione di circolazione della sabbia rispetto a quella di progetto.
L’impianto sopra descritto è caratterizzato da una potenza di circa 500 kWth e non essendo attualmente collegato con nessun utilizzatore elettrico non fornisce nessuna potenza elettrica; a breve, però, l’impianto pilota verrà collegato ad una cella a combustibile a carbonati fusi essendo il syngas idoneo a tale impiego poiché ricco di idrogeno.