Design del reattore

3.2.1. G

I gassificatori a letto fisso sono caratterizzati da un letto nel quale il combustibile si muove lentamente verso il basso sotto l’azione della forza di gravità. Il combustibile è gassificato attraverso il contatto con gli agenti ossidanti, che si possono muovere in equi- o controcorrente. Nella configurazione in controcorrente il gas di sintesi caldo proveniente dalla zona di gassificazione viene utilizzato per preriscaldare e pirolizzare la biomassa che si muove verso il basso. Questa tecnologia determina un consumo di ossigeno ridotto, ma il gas di sintesi contiene in sospensione i prodotti di pirolisi. La temperatura di uscita del gas di sintesi è generalmente abbastanza ridotta, anche se temperature decisamente più elevate (e quindi fenomeni di slagging) si verificano nel cuore del letto.

 Gassificatore “Downdraft”

Il combustibile viene alimentato dalla parte superiore e gli agenti sono introdotti dal basso verso la zona del letto. Nel gassificatore si distinguono le zone di essiccazione, pirolisi, ossidazione e di riduzione. Il syngas ha un ridotto LHV a causa della grande quantità di energia che viene convertita in calore. Il syngas è rilasciato nella parte inferiore del reattore, e le ceneri possono essere separate agevolmente. Il syngas prodotto dovrebbe teoricamente avere un ridotto contenuto di tar grazie al cracking termico nella zona ad alta temperatura (di riduzione)

 Vantaggi: il gassificatore downdraft è costruttivamente semplice e non richiede cicloni per la rimozione delle particelle (char, ceneri). La qualità del syngas è buona soprattutto per processi semplici.

 Svantaggi: il syngas ha elevata concentrazione di che quindi riduce la tonalità termica del combustibile.

Inoltre, tollera ridotte variazioni delle proprietà del combustibile (pezzatura e moisture content).

Il design di un gassificatore downdraft Imbert si basa sul parametro «hearth load» , definito come la quantità di gas prodotto per unità di area di sezione trasversale alla gola, l'area cioè più piccola della sezione trasversale nel reattore. Normalmente è espressa in termini di Nm3/h cm2; è stato dimostrato che i gassificatori possono lavorare con nel range di 0.1 − 0.9 /ℎ . È possibile distinguere quattro zone separate nel gassificatore, ognuna delle quali è caratterizzata da un passo importante nel processo di conversione del combustibile in un gas combustibile. I processi in queste quattro zone sono esaminati qui sotto e la base di disegno sarà discussa nella seguente sezione:

a) Zona di essiccazione (sezione di ingresso). Il combustibile solido è introdotto nel gassificatore alla parte superiore. Non è necessario utilizzare apparecchiature di alimentazione complesse, perché una piccola quantità di perdite d'aria possono essere tollerate in questo punto. Come conseguenza del trasferimento di calore dalle parti più basse del gassificatore, la biomassa o il legno viene essiccato e quindi si sposta verso la sezione successiva. Il vapore acqueo evolve verso il basso e si aggiunge al vapore acqueo formato nella zona di ossidazione. Una parte di questo può essere ridotta ad idrogeno il resto finisce come umidità nel gas.

b) Zona di pirolisi. A temperature superiori a 250 ° c, il combustibile di biomassa inizia la pirolisi con una serie di reazioni non completamente prevedibili e noti, ma con una generale riduzione delle grandi molecole (quali cellulosa, emi-cellulosa e lignina) in molecole di medie dimensioni e carbonio (Char). I prodotti di pirolisi fluiscono verso il basso nelle zone più calde del gassificatore. Alcuni saranno bruciati nella zona di ossidazione, e il resto si ridurrà ulteriormente a molecole ancora più piccole di idrogeno, metano, monossido di carbonio, etano, etilene, se il tempo di permanenza nella zona calda è abbastanza a lungo. Se il tempo di permanenza nella zona calda è troppo breve o la temperatura troppo bassa, le molecole di medie dimensioni possono fuoriuscire e si condensano come catrami e olii, nelle parti a bassa temperatura del sistema.

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c) Zona di ossidazione. Una zona di combustione (ossidazione completa) si forma al livello in cui viene introdotto l'ossigeno (aria). Le reazioni con l’ossigeno sono fortemente esotermiche e provocano un brusco aumento locale della temperatura fino a valori molto elevati. Una funzione importante della zona di ossidazione, oltre alla generazione di calore, è quella di convertire ed ossidare i prodotti condensabili provenienti dalla zona di pirolisi. Per evitare i punti freddi nella zona di ossidazione, le velocità dell'ingresso dell'aria e la geometria del reattore devono essere opportunamente dimensionate.

d) Zona di riduzione. I prodotti di reazione della zona di ossidazione (gas caldi e carbone incandescente) si muovono verso il basso nella zona di riduzione e grazie al calore sensibile dei gas e del char vengono convertiti nei componenti finali del gas di sintesi che può essere utilizzato in modo differente in funzione della sua composizione. Le ceneri che derivano dalla gassificazione della biomassa dovrebbero occasionalmente essere rimosse dal gassificatore. Solitamente una grata mobile nella parte inferiore dell'apparecchiatura è considerata necessaria. Questo rende possibile mescolare il letto a carboncino nella zona di riduzione, e quindi aiuta a prevenire blocchi che possono portare ad ostruzione del flusso di gas.

 Gassificatore “Updraft”

Anche in questo caso il gassificatore presenta zone distinte di essiccazione, pirolisi, ossidazione e riduzione. I gassificatori updraft possono tollerare combustibile ad elevato Moisture Content. Tuttavia, i gassificatori updraft producono catrame in percentuale compresa tra il 5% e il 20% e quindi non sono particolarmente adatti per i motori. La biomassa entra dall’alto viaggiando verso il basso e incontrando gli agenti ossidanti in controcorrente.

Il calore prodotto dalle reazioni esotermiche nella zona di combustione viene assorbito nella parte endotermica di riduzione e di pirolisi. A seconda delle condizioni di pirolisi, si può generare una varietà di vapori (wood oil and wood tar) nel flusso gassoso. Se il gas viene fatto bruciare immediatamente questo è poco importante, altrimenti la condensazione del tar può dare problemi

3.2.2. G

Offrono ottima miscelazione tra reagenti e ossidanti, facilitando i meccanismi di trasporto di calore e di massa.

Questo garantisce una distribuzione uniforme delle specie e della temperatura nel letto, e quindi inevitabilmente ciò porta ad un’emissione di biomassa parzialmente reagita rimossa insieme alla cenere. I gassificatori a letto fluido sono quindi operati a temperature limitate e inferiori al punto di softening della cenere: slagging e softening quindi compromettono fluidizzazione del letto.

Il dimensionamento della pezzatura della biomassa è critico; materiale che è troppo fine tende ad essere trascinato nel gas di sintesi lasciando il letto. Il fatto che le temperature operative debbano essere inferiori determina la necessità di operare con biomasse ad elevata reattività. Essendo il letto fluido, la biomassa che vi interagisce può galleggiare, affondare o rimanere immersa, e dipende dalla differenza di densità (Archimede).

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L’obiettivo complessivo è il miglioramento delle condizioni di miscelamento tra combustibile ed agente ossidante.

Ci sono differenti regimi di fluidizzazione in funzione del tipo e della velocità delle bolle: bollente (“bubbling”) o circolante (“slugging”). Si differenziano dalla velocità del fluido rispetto alla fase solida. Il circolante garantisce un grado di mixing elevato rispetto al bollente (miglior fenomeno diffusivo intorno alle bolle).

à: =

È necessario dimensionare il letto per avere un tempo di residenza ottimale. Se la forza peso netta della particella fosse in equilibrio con la forza agente verso l’alto si avrebbe:

Δ ∙ = (1 − ) ∙ − ∙

La caduta di pressione locale attraverso un mezzo poroso è funzione della porosità del letto, della velocità del flusso e della forma delle particelle, secondo l’equazione di Ergun:

Δ = 150 ∙(1 − )

∙ + 1,751 −

∙

La caduta di pressione aumenta con la velocità . Allora si può ricavare la velocità minima al di sopra della quale si ha la fluidizzazione quando il Δ corrisponde a quello del peso. Tale condizione è detta fluidizzazione minima:

Δ = (1 − ) ∙ −

Da cui è possibile ricavare la velocità minima di fluidizzazione:

= = [ + ] ^. − = −

Per velocità maggiori di quella minima di fluidizzazione, il DP è più che controbilanciato dall’aumento della porosità. Le dimensioni del letto vengono scelte per avere un tempo di residenza ottimale, dell’ordine di 1-2 s.

Aumentando la velocità del fluido il regime passa da ebollizione a letto circolante (con trasporto del materiale inerte). Il regime cambia in base alla differenza tra la velocità della fase solida e della fase gas. La Temperatura massima è ancora determinata in base alla fusione delle ceneri. Al diminuire della T la produzione di catrame aumenta (reazioni più lente, meno efficienti le reazioni di cracking termico). I letti circolanti sono caratterizzati da miscelazione molto intensa e quindi consentono una conversione di carbonio maggiori.

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Per entrambi i regimi si ha comunque una differenza di velocità tra fluido e solido detta slip velocity. Se si raggiungono velocità elevate la slip velocity si annulla e si ha il trascinamento del solido cambiando le condizioni di scambio termico. In questo caso il letto è detto letto fluido “a trasporto”. La temperatura massima è determinata in base alla fusione delle ceneri. Al diminuire di T aumenta la produzione di catrame (reazioni più lente, cracking termico meno efficace). Note le condizioni di velocità si ricava anche il tempo di permanenza che, insieme alla temperatura, ci permettono di valutare la cinetica della reazione.

A valle del gassificatore a letto fluido vi sarà sempre un ciclone che, a seconda del letto, ricopre diversi ruoli:

 Per il letto fluido bollente (stazionario) depura il syngas prodotto;

 Per il circolante separa il syngas dal letto rigenerandolo e facendolo poi ricircolare.

Comunque sia il syngas deve essere sempre pulito da polveri e TAR. Le polveri vengono separate con i cicloni precedentemente introdotti. Lo zolfo si elimina con un letto attivo formando carbonati o con uno scrubber. Il TAR, che ha comunque un valore energetico, viene catturato con un con temperatura superiore ai 400°C con un catalizzatore o viene separato con un rapido raffreddamento. Il trattamento a bassa temperatura è disponibile in commercio ma è energy intensive perchè richiede raffreddamento (energia perduta); le operazioni ad alta temperatura sarebbero preferibili per aumentare l’efficienza di conversione.