Costruzione dell’apparecchiatura per la piro-gassificazione

Al fine di effettuare la sperimentazione sulla piro-gassificazione su scala di laboratorio è stato necessario mettere a punto un metodo e, di conseguenza, un’apparecchiatura che permettesse di studiare su piccola scala questo complesso processo.

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Hydranal ®-Solvent.

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E’ già stato descritto che l’uso di apparecchiature di laboratorio particolarmente sofisticate non sempre permette di simulare in maniera affidabile il decorso del processo termico che le particelle combustibili subiscono in un bruciatore reale. Per questo motivo, si è cercata una soluzione particolarmente semplificata.

L’ipotesi di lavoro a cui si è ispirata la scelta di base consiste nel ritenere che, anche in condizioni operative limitatamente rappresentative delle effettive condizioni operanti in un generico piro-gassificatore, i combustibili solidi impiegati possano dare luogo a risposte che sono comunque rappresentative di comportamenti caratteristici.

E’ stato utilizzato un forno a muffola “modificato” che permettesse di effettuare prove di pirolisi su piccole quantità di campione: dal punto di vista della rappresentatività fenomenologica sono state usate quantità minime di rifiuto e di miscele dello stesso, in modo da garantire un omogeneo comportamento dell’intera massa del campione.

Questa soluzione, se da una parte risulta la peggiore dal punto di vista analitico, in quanto ci troveremmo poi ad analizzare quantità minime di prodotti o matrici estremamente diluite, dall’altra aumenta la rappresentatività dell’esperimento (unitamente all’incertezza dell’analisi, come svantaggio) e, in definitiva, la possibilità di descrivere i risultati dell’esperimento.

Questa problematica impone di individuare quali siano le condizioni di compromesso che rendono “utile” l’esperimento stesso.

Come è facilmente intuibile da quanto introdotto, l’attività sperimentale vera e propria è stata preceduta da una intensa quanto articolata serie di attività preliminari che sono servite a verificare se nel sistema prescelto avvenissero le reazioni di degradazione termica

di combustibili solidi per la produzione di miscele CO/H2. Per fare questo, è stato impiegato

come sistema di rilevazione un gas-cromatografo con rivelatore TCD per determinare le componenti presenti nella miscela di gas.

Il reattore impiegato per le prove era costituito da un forno a muffola e sia l’inserimento del materiale che il prelievo del gaso prodotto avvengono attraverso il foro centrale di cui lo sportello del forno è dotato (Figura 28). Il prelievo dei gas da analizzare è avvenuto proprio da questo foro grazie all’utilizzo di un tubo di ferro, cavo all’interno, della lunghezza di 60 cm circa. L’apparecchiatura era dotata anche di un sistema chiuso, rappresentato in Figura 29, denominato “reattore di pirolisi”. L’apparato consiste in una scatola di acciaio inox

avente dimensioni esterne pari a mm 115 x 115 x 90 h e volume utile interno pari a 0,8 L (mm 100 x 100 x 80 h). Questa scatola ha dimensioni idonee per essere alloggiata all’interno della camera della muffola (luce fontale: mm 210 x 140 h e profondità 310 mm).

Figura 28. La foto illustra il forno a muffola e il sistema utilizzato per il campionamento.

Figura 29. Schema del reattore di pirolisi.

Sulla parte superiore la scatola è dotata di un coperchio, anch’esso in acciaio inox, che permette la sigillatura mediante una serie di viti e guarnizione di tenuta.

Sulla parte frontale la scatola è equipaggiata con un segmento di tubo cilindrico (Φex mm 20), anch’esso in acciaio, che permette l’inserimento del campione. Sul retro della scatola metallica è presente un foro che permette il collegamento della serpentina metallica di adduzione del gas per il pre-condizionamento del sistema (N2) che viene fatto passare

attraverso il foro presente nella camera della muffola, posto sulla parete opposta all’ingresso. L’assemblaggio del reattore di pirolisi avviene come mostrato in Figura 30.

Figura 30. Assemblaggio del reattore di pirolisi alla muffola (sezione)

In questa figura si distinguono (partendo dalla sinistra):

 un tappo di tenuta in materiale refrattario dotato di apertura per la fuoriuscita del gas durante le fasi di pre-confezionamento;

 il tubo di alimentazione del pirolizzatore, che sporge fuori dallo sportello della muffola (dal quale viene effettuato anche il campionamento del gas prodotto durante il processo);

 un anello di tenuta (in colore azzurro) che serve a rendere solidale il pirolizzatore allo sportello;

 lo sportello della muffola (in rosso) recante sul retro gli strati di refrattario che vanno a determinare la tenuta con il corpo della muffola;

 il corpo del pirolizzatore;

 la serpentina per il gas di pre-condizionamento.

Il pirolizzatore è così inserito nella muffola, posta in riscaldamento mentre all’interno dell’apparato viene fatto fluire in continuo il gas di condizionamento. Nel frattempo si

provvede a pesare il campione ed a collocarlo sulla sonda di alimentazione, rappresentata in Figura 31.

Figura 31. La foto illustra la sonda di alimentazione

Il sistema è costituito da:

 un’asta in acciaio di opportuna lunghezza;

 una vaschetta concava in acciaio per alloggiare il campione.

Quando la muffola ha raggiunto la temperatura desiderata, si provvede a:  chiudere l’alimentazione del gas di condizionamento;

 inserire la sonda di alimentazione con il campione pesato.

A questo punto, sempre molto rapidamente, si provvede ad eseguire l’operazione illustrata in Figura 32, consistente nella rotazione del tappo della sonda, che consente sia di sigillare l’ingresso del pirolizzatore, che di “scaricare” il campione sul fondo del pirolizzatore. Questa operazione è quella che determina “l’inizio prova”.

Figura 32. Rappresentazione della operazione di inizio prova.

Mediante questo nuovo apparecchio per i test di piro-gassificazione su scala di laboratorio sono state effettuate prove per la valutazione delle prestazioni energetiche dei rifiuti “a singolo” ed in miscela.

Le determinazioni hanno riguardato:

 misura della composizione e PCI del syngas

 determinazione dell’efficienza energetica del processo  studio di eventuali sinergie

 studio di eventuali effetti catalitici

Le variabili inizialmente indagate hanno riguardato i seguenti aspetti:  la quantità di materiale caricato;

 la portata dell’azoto di flussaggio;

 la quantità di gas prelevato, a mezzo di una buretta gas-volumetrica.

L’aspetto del campionamento del gas prodotto è quello che ha costituito la criticità principale, sia per la sua determinazione quantitativa che qualitativa. La muffola non è un’apparecchiatura concepita per questi scopi ed è stato necessario adoperarsi nel trovare un metodo di campionamento che fosse adatto ai nostri scopi. L’approccio ritenuto più idoneo è stato quello di effettuare i vari campionamenti dal foro centrale di cui è fornito lo sportello del forno; questo ha permesso di campionare tutto il gas formatosi dalla gassificazione del materiale in esame.

Come sistema di campionamento è stata utilizzata una siringa da gas del volume di 60 mL; successivamente si è passati al campionamento mediante sacchi in Nalophan® riempiti mediante un sistema di pompaggio sottovuoto e, infine, è stata impiegata una buretta gas- volumetrica che ha permesso di quantificare il volume totale prodotto per grammi di materiale caricato nella singola prova.

Per verificare il corretto funzionamento del sistema è stato sufficiente, dopo aver aperto la linea dell’azoto, collegare un flussimetro all’estremità del tubo di acciaio e controllare la presenza o meno del flusso di gas in uscita da quest’ultimo.

In base agli esiti della attività sperimentale di seguito presentata, il sistema di conduzione dei test di piro-gassificazione si è dimostrato, in linea di principio, idoneo allo scopo di fornire delle utili informazioni sul comportamento alla gassificazione di rifiuti e loro miscele.