Dimensionamento, progettazione e realizzazione dell’impianto pilota d

Dimensionamento dell’impianto pilota

Dalle analisi preliminari di laboratorio è stata valutata la capacità di cattura della CO2 da parte delle scorie di fondo (BA) da inceneritore di rifiuti solidi urbani (MSWI) ed è stato determinato il parametro chiave che è la portata specifica di biogas (Nm3/h·tBA), stabilito a circa 2 Nm3/h·tBA. A partire da queste considerazioni si è deciso che il volume del reattore in scala pilota fosse inferiore a 4 m3, capace di trattare 2 Nm3/h di gas di discarica. L’altro parametro fondamentale per il dimensionamento del reattore è la densità delle scorie di fondo, che è valutato essere di 1.6 t/m3.

Quindi, la relazione tra la portata di biogas e il volume del biogas porta ai seguenti dati di partenza:

BA [t Densità [t/m3 Volume del reattore [m3

Portata di biogas [Nm3/h

Progettazione del reattore pilota

L’impianto pilota per la cattura della CO2 e la riduzione degli H2S dal gas di discarica con le ceneri di fondo da inceneritore di rifiuti solidi urbani è stato progettato per trattare 2 Nm3/h di biogas prelevato da una sottostazione all’interno della discarica di Podere Rota a Terranuova Bracciolini.

Il processo è caratterizzato dal contatto diretto tra le BA e il biogas. Per consentire lo scambio di CO2 tra il gas e il solido è necessario progettare un sistema capace di contenere il residuo, senza alcun ingresso di aria, e di proteggerlo dalle condizioni atmosferiche, consentendo al biogas di fluire attraverso lo strato del mezzo poroso. Sulla base dei risultati degli esperimenti precedentemente condotti dall’Università di Vienna, si è deciso di realizzare un test completo in scala pilota trattando una portata di 2 Nm3/h di biogas, che richiede 1 tonnellata di BA da inceneritore di rifiuti.

Progettazione del reattore

Poiché il diametro del reattore – in riferimento al nucleo delle BA – deve essere non inferiore a 500 mm, considerando un’area di base di circa 0.35 m2 e assumendo una densità delle BA di 1.66 t/m3, si può dedurre un’altezza del corpo del reattore di 2 m. Dopo una discussione con l’ufficio tecnico dell’impianto di discarica riguardo all’altezza ammissibile del reattore, considerando anche le questioni relative alla facilità di riempimento del reattore, si è deciso di limitare l’altezza del sistema.

Di conseguenza è stato necessario suddividere il sistema in due reattori gemelli disposti in serie.

Il volume interno di ciascuno dei due reattori dovrebbe quindi contenere 500 kg di scorie con densità di 1.66 t/m3. Al fine di semplificare la realizzazione, specialmente in relazione al sistema di tenuta (connessioni con guarnizione), ciascun reattore è stato progettato con una superficie di base quadrata di dimensioni 600x600 mm, risultando quindi un parallelepipedo.

Il corpo principale di ciascun reattore è realizzato piegando una lamiera in acciaio inox AISI 316L. L’acciaio inossidabile è richiesto essendo il materiale direttamente a contatto con le BA e il biogas. Una singola lamiera di acciaio è utilizzata per realizzare

tre dei quattro lati del parallelepipedo. Il quarto lato sarà realizzato come una porta che può essere aperto. Le dimensioni della lamiera piegata sono state definite considerando anche le problematiche relative alla dimensione massima che può essere lavorata dal costruttore (dimensione massima che possono gestire i dispositivi).

La dimensione complessiva deve tenere conto del contenimento della quantità definita di BA e di lasciare opportuni volumi in cima e sul fondo del reattore, per permettere rispettivamente lo sviluppo e la distribuzione del flusso sulla superficie dello strato di scorie.

Figura 4.2 Lamiera piegata el corpo del reattore.

Successivamente sono state progettate due flange rettangolari da saldare sulla parte superiore e sulla parte inferiore della lamiera. Quella inferiore permette il collegamento del corpo del reattore al supporto inferiore. Quella superiore permette il collegamento con un coperchio che può essere aperto. Questo coperchio consente di aprire la sommità del reattore per caricare le ceneri pesanti. L’operazione di carico sarà effettuata tramite

una scavatrice. Ciascuna delle due flange è costituita da Quattro piastre di spessore 5 mm. Le piastre sono collegate ortogonali tra loro. La Figura 4.3 mostra le dimensioni. In particolare il lato anteriore di ciascuna flangia è progettato con un profilo a L (realizzato per piegatura) in maniera da consentire la saldatura di due piastre supplementari a formare una flangia rettangolare anteriore per il collegamento ad un coperchio: in questo modo viene ridotto il numero di saldature necessarie.

Il portello anteriore è necessaria per consentire lo scarico di BA esauste, al termine del test.

Figura 4.3 Una delle flange di collegamento del corpo del reattore.

Per rinforzare i collegamenti tra le flange e la lamiera d’acciaio piegata, sono stati utilizzati rinforzi triangolari in acciaio inox AISI 316 45x45x5 mm.

La verifica di resistenza dei vari componenti è stata fatta con l’ausilio del software Solidworks. I vari componenti sono sottoposti a sollecitazioni quando vengono caricati dal peso delle ceneri. Così è stato verificato se tali sollecitazioni portano al superamento del limite di snervamento dell’acciaio.

Nel caso del corpo flangiato del reattore, lo schema statico è stato semplificato approssimando il collegamento inferiore con un giunto e applicando un carico triangolare sulle pareti, precauzionale rispetto alla distribuzione effettiva del carico

(carico delle ceneri di fondo). Il sistema di coordinate richiesto per realizzare l’analisi è posto sulla parte inferiore del serbatoio, come se fosse riempito completamente.

La densità assunta è 1600 kg/m3.

Lo schema statico e i risultati dell’analisi sono mostrati in Figura 4.4, Figura 4.5 e Figura 4.6.

Figura 4.4 Impostazione dei vincoli e dei carichi per la verifica del corpo del reattore.

Figura 4.6 Diagramma delle deformazioni del corpo del reattore.

Poiché in alcuni punti localizzati si supera il limite di snervamento dell’acciaio (220 N/mm2), sono stati inseriti dei rinforzi per ciascuna parete.

Tali rinforzi sono dei profilati in acciaio di sezione a C UNI EN 10279 80x45 UPN e devono essere saldati alle flange rettangolari e alle pareti esterne del serbatoio.

Il nuovo schema per la verifica statica della riconfigurazione proposta è mostrato in

Figura 4.8 Diagramma degli sforzi del corpo con i rinforzi montati.

Per questa configurazione, lo sforzo massimo trovato nella lamiera è di 61.5 N/mm2, mentre la resistenza allo snervamento è oltre 220 N/mm2.

Sebbene le deformazioni massime siano sulla parete, esse sono di circa 0.71 mm: dunque il corpo del reattore non subisce deformazioni significative.

Il fondo del serbatoio è fatto con una piastra di acciaio inossidabile AISI 316L con uno spessore di 5 mm e consente il posizionamento della flangia di base del corpo.

Questa piastra presenta un foro di diametro 33.7 mm dove è saldato il tubo di alimentazione del gas. Il tubo di ingresso del gas è da 1” GAS.

Il fondo del reattore è saldato ad un sistema di supporto fatto interamente in acciaio inox. Due profili strutturali di sezione a C UNI EN 10279 80x5 mm in AISI 316L sono saldati di testa in maniera da formare una croce. Tale croce è il supporto della piastra dove gravano le ceneri. All’estremità di ciascun profilo strutturale vengono tagliati parte dei lati per realizzare l’alloggiamento dei piedi.

Figura 4.10 L’elemento strutturale del supporto del corpo del reattore.

Inoltre, quattro rinforzi triangolari di spessore 5 mm sono saldati tra l’elemento strutturale e i piedi.

Figura 4.11 La struttura del supporto del reattore pilota.

Il peso complessivo del reattore più le scorie di fondo sono distribuiti a terra da quattro piastre in acciaio AISI 316 di spessore 5 mm. Il collegamento saldato delle piastre con i piedi dell’elemento strutturale è rinforzato con fazzoletti triangolari.

Lo schema statico del sistema di supporto del reattore è simulato con un carico distribuito sul fondo del serbatoio di 6500 N, tenendo conto cautelativamente delle ceneri e dei componenti che gravano sul fondo del reattore.

Figura 4.13 Diagramma delle sollecitazioni della struttura di supporto del reattore.

Figura 4.14 Diagramma delle deformazioni della struttura di supporto del reattore.

Viene lasciato uno spazio libero nella parte inferiore del reattore, in modo da permettere la distribuzione del biogas in ingresso sulla superficie di fondo delle ceneri, con lo scopo di promuovere il contatto tra gas e BA.

Lo spazio libero è stato realizzato predisponendo un supporto tale da mantenere le BA ad una certa altezza dal fondo del reattore.

Tra le varie opzioni inizialmente si è deciso di realizzare il sistema di supporto con una rete metallica coperta da uno strato di tessuto che impedisce alle ceneri di cadere sul fondo del serbatoio. Allo stesso tempo lo strato di tessuto permette il passaggio del

biogas attraverso il mezzo poroso sovrastante. La rete metallica è saldata ad un supporto di spessore 5 mm saldato a 5 piedini con profilo a C UNI EN 10279 80x5 mm in AISI 316L.

In una seconda fase, dopo aver discusso con i costruttori, la rete metallica è stata sostituita da una piastra forata di spessore 2 mm con fori di 10 mm e passo di 20 mm.

Figura 4.15 Piastra forata rialzata per la disposizione delle scorie di fondo.

Per ridurre il numero di piastre di differente spessore, è stato scelto un supporto di spessore 5 mm. Per verificare la resistenza, i piedi sono impostati come giunti ed è stato applicato un carico distribuito sulla superficie della piastra di 5000 N.

Figura 4.17 Diagramma degli sforzi del componente dove sono disposte le ceneri.

Figura 4.18 Diagramma delle deformazioni del componente dove sono disposte le ceneri.

La sollecitazione massima sulla piastra forata è risultata di 181 N/mm2_{. Questo valore è} ben al di sotto del limite di snervamento del materiale (oltre 220 N/mm2_{): la} configurazione del componente può essere ulteriormente migliorata, dal momento che ad esempio in alcune parti della piastra le deformazioni sono circa 1 mm.

L’elemento di supporto può essere lavorato per piegatura saldando alcune parti come in Figura 4.19, evitando di concentrare gli sforzi nella parte centrale.

Figura 4.19 Configurazione del supporto della piastra forata con elementi realizzati per piegatura.

Il componente è verificato fissando le estremità realizzate per piegatura e caricando la piastra forata con 5000 N, distribuiti sulla superficie di appoggio delle scorie

Figura 4.21 Diagramma degli sforzi del sistema per la disposizione delle scorie di fondo

Figura 4.22 Diagramma delle deformazioni del sistema per la disposizione delle scorie di fondo

Se la sollecitazione massima è ulteriormente diminuita, la deformazione massima dell’ordine di 0.56 mm può essere considerata trascurabile.

La Figura 4.23 mostra uno schema di montaggio del reattore, nel quale sono mostrate tre guarnizioni in gomma da 5 mm di spessore, che seguono esattamente il contorno della flangia rettangolare del corpo del reattore.

Le guarnizioni sono interposte tra il corpo e rispettivamente la parte inferiore del reattore, la piastra superiore per il caricamento e il portellone di scarico, collegati da

bulloni in modo tale da assicurare la continuità della deformazione della guarnizione stessa.

Per l’isolamento termico del reattore sono stati utilizzati materiali isolanti Armaflex adesivi, forniti in rotoli dalla ditta Armacell. In Tabella 4.3 sono riportate le caratteristiche.

Tabella 4.3 Caratteristiche del materiale isolante flessibile Armaflex