Miscela combustibile in alimentazione: ipotesi alla base dello studio

L’impianto di gassificazione potrà essere alimentato con carbone (estero o locale), biomassa (cippato di legno) o miscele di carbone e biomassa. In particolare le apparecchiature a valle del gassificatore (sezione di trattamento e condizionamento del syngas e sezione di generazione elettrica) dovranno garantire il funzionamento ottimale in continuo dell’impianto in corrispondenza di condizioni di carico differenti a seconda del mix di combustibili utilizzato.

La scelta delle miscele ipotizzate, in termini di tipologia e percentuali di carbone e biomassa in alimentazione, è legata non solo a considerazioni di carattere economico-gestionale relative all’approvvigionamento del combustibile (in particolare alla stagionalità del cippato), ma anche a considerazioni di natura chimico fisica relative al processo. Difatti la potenzialità dell’impianto, corrispondente al 100% del carico di carbone e/o biomassa in condizioni nominali, è influenzata della reattività del combustibile alimentato. In generale il cippato di legno ha reattività maggiori o al più paragonabili a quelle del carbone (in particolare Sulcis). Ciò dovrebbe in teoria consentire di alimentare l’impianto con una portata di combustibile maggiore rispetto a quella di progetto, se verificata l’adeguatezza del sistema di caricamento e alimentazione attualmente presente e l’altezza del letto di gassificazione. In termini di reattività, l’aggiunta di biomassa al carbone avrebbe un effetto benefico in quanto ne aumenterebbe la velocità di gassificazione, tuttavia occorre ricordare che, in generale, la co- gassificazione di miscele di carbone con biomassa in alta percentuale comporta numerosi svantaggi economici e gestionali legati al più basso potere calorifico della miscela (minori produzioni di energia elettrica), maggiori contenuti di umidità e volatili e produzione di tar (con aggravio dei costi relativi alla sezione di pulizia), maggiore quantità di ceneri bassofondenti con necessità di controllare in maniera adeguata la temperatura in prossimità della griglia (questo ultimo aspetto meno importante nel caso di uso di cippato di legno, caratterizzato per sua natura da basso tenore di ceneri).

Nello svolgimento di questo studio teorico, è stato deciso di esprimere l’indice di reattività dei combustibili in alimentazione tramite il parametro SGR (Specific Gasification Rate), che, nel caso di reattori updraft, è corrispondente al Grate Loading (o carico sulla griglia). Tale parametro è numericamente espresso come la quantità (in massa) di combustibile gassificato per unità di tempo e di superficie della sezione del gassificatore in corrispondenza della zona del letto. Solitamente una elevata reattività del combustibile non è strettamente legata a una buona qualità del syngas prodotto nel senso che la composizione e le caratteristiche del syngas dipendono strettamente dalla composizione del combustibile e dalla portata degli agenti gassificanti aria e/o vapore. La SGR è tanto maggiore quanto maggiore è la temperatura del letto di gassificazione ed inoltre varia in maniera proporzionale al cosiddetto rapporto di equivalenza (ossia del rapporto aria alimentata/aria stechiometrica necessaria alla combustione) e in relazione alla velocità superficiale del gas (tipicamente compresa fra 0,1-0,16 m/s). Inoltre il valore della reattività tiene conto di: − proprietà del combustibile, in particolare la distribuzione granulometrica: una dimensione non

eccessivamente fine, ma uniforme (20-40 mm) promuove una uniforme distribuzione del gas attraverso il letto;

− pressione nella zona di gassificazione, che influenza la reattività in quanto pressioni elevate, specialmente nel caso di granulometrie più fini, comportano una diminuzione delle resistenze diffusive di trasporto di materia fra il char e i gas;

− forma in cui vengono scaricate le ceneri (stato fuso o secco), in quanto questi differenti metodi implicano temperature differenti sulla griglia: il punto di fusione delle ceneri limita fortemente la temperatura del letto e pertanto la velocità di gassificazione;

− utilizzo di aria o altri agenti gassificanti (O2 o CO2);

− altezza del letto di gassificazione, in quanto influenza i fenomeni diffusivi: un letto troppo alto e disomogeneo comporta fenomeni di channeling e cammini preferenziali, implicando una riduzione della SGR;

− velocità di riduzione della CO2 e del vapore (con riferimento per lo più alle reazioni in fase

eterogenea fra gli agenti gassificanti e il char prodotto dalla de volatilizzazione); − presenza di alcuni metalli nelle ceneri;

− la presenza di inertite nel caso del carbone e di lignina nel caso della biomassa, entrambe con l’effetto di limitare la SGR.

Solitamente ad una SGR elevata corrispondono anche elevati valori di SGPR (Specific Gas Production Rate, [m3/m2/h]).

La letteratura scientifica riporta infatti, nel caso di co-gassificazione di carbone con diverse percentuali di biomasse, l’instaurarsi di effetti sinergici che sono rilevabili in diverse condizioni e per diversi parametri. Solitamente, nel caso di impianti di piccola taglia, con percentuali di biomassa pari al 20-50% in peso questi effetti non influiscono in maniera determinante, ma con maggiori percentuali di biomassa possono compromettere il buon funzionamento dei sistemi di caricamento e alimentazione [60]. In reattori a pressione atmosferica tali effetti sinergici sono meno pronunciati, inoltre, nel caso di utilizzo di aria/vapore in gassificatori a ceneri secche con alimentazioni con granulometrie grossolane in controcorrente, come appunto in reattori updraft, tali effetti sinergici possono considerarsi totalmente assenti. Sulla base di queste considerazioni nel presente lavoro il parametro di reattività della miscela è stato calcolato come somma pesata degli effetti singoli dei differenti combustibili, a partire da dati sperimentali, ed i valori riportati (vedi tabella 8 seguente) sono da considerarsi di primo tentativo, in quanto fortemente legati non solo alle caratteristiche di composizione della miscela, ma anche alle caratteristiche morfologiche e strutturali dei combustibili e alle condizioni di processo (temperatura e pressione operative, rapporti aria/combustibile e vapore/combustibile). Un’accurata valutazione sarà ripetuta a seguito di analisi dei dati sperimentali in condizioni opportune di funzionamento, in modo da poter tenere in debita considerazione eventuali effetti sinergici derivanti dal miscelarsi dei due combustibili utilizzati.

Tab. 8: Valori del parametro di reattività SGR per i combustibili della miscela.

UNITÀ DI MISURA CARBONE ESTERO

(SUDAFRICANO)(2) CARBONE SULCIS CIPPATO DI FAGGIO

INDICE DI REATTIVITÀ SGR(1) [kg/m2/hr] 500 528 528

CLASSE GRANULOMETRICA [mm× mm× mm] 5-60 5-60 10×10×40

RAPPORTO VAP./COMBUSTIBILE [kg/kg] 0,34 0,26 0,1

RAPPORTO ARIA/COMBUSTIBILE [kg/kg] 2,43 1,80 0,9

Note:

(1) In assenza di dati sperimentali, il valore minimo dell’indice di reattività consigliato per il carbone è pari a 220 kg/m2/hr.

(2) Dato sperimentale Sotacarbo: nel corso delle campagne sperimentali condotte sulla gassificazione negli impianti sperimentali Sotacarbo, il carbone sudafricano, in relazione al suo alto contenuto di inertite, ha mostrato una reattività di gran lunga inferiore rispetto a sperimentazioni analoghe (ARI, doc. R03963US6001L). Va tuttavia evidenziato che le prove sperimentali sono state finora condotte in condizioni off-design (fuori dalle specifiche progettuali) e per un basso numero di ore di funzionamento. In generale è possibile ipotizzare che in funzionamento in continuo il carbone sudafricano possa mostrare reattività maggiori in regimi lunghi.