Background su Modelli di Processo di Gassificazione al Plasma

Il primo passo seguito al fine di iniziare lo sviluppo di un modello che simulasse il processo di gassificazione al plasma oggetto del presente lavoro di tesi è stato quello di ricercare in letteratura modelli già sviluppati tramite il programma di calcolo Aspne Plus®.

In uno dei primi lavori condotti, A.Corti, L.Lombardi [16], analizzano il processo di gassificazione ed inertizzazione al plasma applicato a rifiuti solidi urbani. Tale processo è ricostruito con un semplice modello all’equilibrio chimico per mezzo del simulatore Aspen Plus®. Per la determinazione dei parametri operativi del modello hanno fatto riferimento a prove sperimentali condotte su un impianto pilota presso il Centro Sviluppo Materiali di Roma.

Tale modello aveva la finalità di verificare le potenzialità di una possibile applicazione di un sistema al plasma allo smaltimento e recupero energetico di rifiuti, in alternativa ai processi convenzionali di termovalorizzazione.

Il blocco principale utilizzato per la simulazione del processo è il reattore di Gibbs, RGIBBS, un’unità che calcola la condizione di equilibrio, rispetto alle specie chimiche in ingresso, con il metodo della minimizzazione dell’energia di Gibbs. Il modello messo a punto rappresenta una semplificazione delle complesse reazioni che avvengono nel processo e che sono determinate dal fattore cinetico.

In Figura 11, è riportato lo schema del modello base costruito per la simulazione del processo di gassificazione.

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Figura 11 - Flow Sheet Modello di Processo Gassificazione al Plasma [16]

La corrente in ingresso è separata in una sottocorrente secca (DRYWASTE) ed in una sottocorrente costituita da sola acqua (WATER) non di legame. La prima di queste due rappresenta il rifiuto alimentato al reattore che subisce un processo di scambio termico con il gas prodotto che esce dalla parte superiore del reattore. La corrente di acqua contenuta nelle frazioni da processare è inviata direttamente al reattore oppure subisce una fase di vaporizzazione a causa dei gas caldi di processo in controcorrente. La definizione del fattore di essiccazione del rifiuto prima del reattore è assai importante per il calcolo dei prodotti di reazione. Infatti il quantitativo di acqua vaporizzata oltre a sottrarre energia termica al gas come calore latente, sottrae massa di acqua ai processi di alta temperatura che avvengono nel reattore.

Al reattore in equilibrio sono fornite altre correnti secondarie in ingresso: vapore d’acqua, aria, ossigeno ed eventuali rifiuti secondari o frazioni solide ad alto contenuto di carbonio per il sostentamento delle reazioni.

40 Per validare il modello sviluppato è stata condotta una operazione di taratura su alcuni parametri di processo in modo da ottenere risultati il più possibile uguali ai risultati sperimentali. In particolare i parametri su cui hanno operato per la taratura del modello sono: la portata di aria infiltrata nel reattore durante la prova; la temperatura del reattore di Gibbs; la differenza di temperatura fra i gas uscenti dall’ultimo scambiatore e la corrente di rifiuti.

Composizione gas Sperimentale (Nm3h-1) Simulazione (Nm3h-1)

H2 157.2 157.29

O2 0 0

C Non misurato 9,53e-05

CO 3.82 4.06

CO2 0.04 1.99e-05

HCl 2.1 1.92

N2 8.35 8.35

Cl2 Non misurato 4.07e-06

NO trascurabili 2.05e-11

NO2 trascurabili Non misurato

Ar 15 15.11

H2O (acqua + vapore) 1.79 + 2.48 5.82e-09

CH2 Non misurato 10.73

C2H6 Non misurato 5.46e-02

C3H8 Non misurato 6.26e-04

C4H10 Non misurato 7.59e-06

Tabella 11 - Risultati dello studio [16]

I risultati ottenuti sul syngas prodotto sono serviti per effettuare una valutazione termodinamica di massima della quantità di energia recuperabile a valle del processo al plasma ipotizzando due configurazioni impiantistiche: ciclo Hirn, Ciclo combinato Turbogas e Ciclo Hirn.

41 Lo studio appena citato è una buona base dalla quale partire per cominciare a sviluppare un modello capace di poter rispecchiare al meglio le condizioni operative reali e i risultati ottenibili.

Studi più recenti hanno mostrato risultati più significativi e più realistici.

La modellazione della gassificazione al plasma effettuata da M.Minutillo et al. [17] presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale di Cassino ha avuto come obiettivo quello di sviluppare un modello che predisse la composizione del syngas che fuoriesce da un reattore di gassificazione al plasma di Combustibile Derivato da Rifiuti (CDR, o RDF, Refuse Derived Fuel) e quantificare il valore di energia recuperabile da questa tipologia di rifiuti per integrare il processo di gassificazione con un ciclo combinato con turbina.

Il modello sviluppato, chiamato EquiPlasmaJet (EPJ), è stato sviluppato utilizzando ASPEN Plus®.

La Figura 12 mostra il flowsheet del modello del reattore di gassificazione al plasma.

Figura 12 - Flow Sheet Modello di Processo Gassificazione al Plasma [17]

A differenza del modello precedentemente discusso, questo prende in considerazione solo la frazione organica del rifiuto alimentato. Questo lavoro parte dal concetto che all’interno del reattore al plasma siano presenti differenti profili di temperature, quindi il processo di gassificazione è modellato mediante due reattori che operano a temperature differenti. Sono utilizzati due reattori RGIBBS, uno ad alta temperatura HTR (Figura 12) e l’altro

42 LTR, nei quali l’equilibrio chimico è calcolato mediante una formulazione non stechiometrica. Il reattore HTR è fatto lavorare alla temperature di circa 2500 °C e simula la zona principale del reattore al plasma nella quale il getto di plasma impatta direttamente il rifiuto. Nel reattore LTR, che opera a temperature di circa 800-1200 °C, il processo di gassificazione va a completezza e la frazione organica è convertita in un gas di sintesi. La fase di devolatilizzazione del rifiuto alimentato è simulata mediante l’utilizzo di un blocco RYIELD, posto prima del reattore HTR, nel quale la frazione organica si decompone nei suoi costituenti elementari secondo specifiche distribuzioni di rese in accordo con la proximate e ultimate analysis.

Inoltre viene modellato anche il getto di plasma che entra nel reattore; questo è fatto mediante l’utilizzo di una scambiatore di calore (DC-ARC), che fornisce il calore necessario a generare il gas plasma. Il plasma gas (PLASMA) è prodotto a circa 4000 °C e la potenza calcolata dalla torcia al plasma è data dalla potenza termica trasferita alla corrente GAS nello scambiatore di calore DC-ARC, considerando un’efficienza termica della torcia del 90%.

L’umidità presente nel rifiuto se ne va con il syngas, in quanto il rifiuto è alimentato dall’alto e il syngas risalendo lungo il reattore preriscalda il rifiuto facendo vaporizzare l’acqua (WATER) in esso presente.

Specifiche Modello Minutillo et al. [17]

Gas Plasma Aria

Pressione Gasificazione (bar) 1.013 HTR Temperature (°C) 2500 Temperatura uscita syngas (°C) 1250 PCI rifiuto alimentato (MW) 12.9 Portata Plasma (kg/s) 0.782

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