Attività sulla gassificazione del carbone

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ATTIVITÀ SULLA GASSIFICAZIONE DEL CARBONE P. Deiana, C. Bassano, M. Subrizi (ENEA) Settembre 2012 Report Ricerca di Sistema Elettrico Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico ‐ ENEA Area: Produzione di energia elettrica e protezione dell’ambiente

Progetto: Studi sull’utilizzo pulito dei combustibili fossili e ca ttura e sequestro della CO2 Responsabile del Progetto: Stefano Giammartini, ENEA

Alle attività descritte nel rapporto hanno partecipato attivamente i colleghi: A. Assettati, A. Grasso, A. Dedola, G. Guidarelli (ENEA)

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Indice

Sommario ... Introduzio 2. Prove in p 2.1 Pr 2.2 Si 2.3 Li 2.4 At 2.4.1 2.4.2 2.4.3 3. Prove su i 3.1 La 3.2 St 3.3 Si 3.4 At 3.4.1 3.4.2 3.4.3 4. Conclus 5. Riferim ... one ... piccola scala s rove in piccola istema di acqu nea di campio ttività svolte . Sperimentaz Progettazion Nuovo GESS mpianto ENEA a piattaforma trumentazione istema di anal ttività svolte . Sensore di liv Monitoraggi Esempio di u sioni ... menti bibliogra ... ... u mini impian a scala su min uisizione e con onamento ed ... zione e risulta ne ... ICA (GEnerato A/SOTACARB pilota ... e e controllo .. lisi gas ... ... vello ... o delle tempe una procedura ... afici ... ... ... nto ... ni impianto ... ntrollo ... analitica syng ... ti ... ... ore Speriment BO ... ... ... ... ... ... erature intern a di prova ... ... ... ... ... ... ... ... gas ... ... ... ... tale di SIngas ... ... ... ... ... ... ne al gassificat ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... da CArbone) . ... ... ... ... ... ... tore ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4 ... 5 ... 6 ... 7 ... 8 ... 9 ... 10 ... 11 ... 15 ... 15 ... 17 ... 18 ... 20 ... 21 ... 22 ... 23 ... 25 ... 29 ... 33 ... 33 4 5 6 7 8 9 0 7 8 0 2 9 3 3

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Sommario

Si è dato proseguo alle attività di sperimentazione, svolte presso il Centro di Ricerche ENEA di Casaccia, dove è ubicato il mini impianto gassificatore updraft dotato di sensoristica industriale e di un sistema di acquisizione e controllo capace di operare sia in maniera automatica che manuale sui principali parametri di processo con l’ausilio di un sistema di analisi gas che effettua il monitoraggio in continuo del gas di sintesi. L’obiettivo delle attività sperimentali condotte sul mini impianto è stato quello di testare le modalità di esercizio per il miglioramento del processo di produzione di syngas, nonché di testare strumentazione atta al controllo del processo. In particolare le attività si sono sviluppate focalizzando l’attenzione sulla qualità del syngas prodotto e sul definire le modalità di conduzione dell’impianto, attraverso l’utilizzo di strumentazione e analitica di supporto al controllo di impianto.

Ha avuto corso un attività di progettazione e realizzazione di un nuovo impianto GEneratore Sperimentale di SYngas da CArbone in grado di esercire e monitorare il processo di gassificazione, la depurazione del syngas e il suo smaltimento in torcia. In particolare si è andati a riprogettare un nuovo reattore di gassificazione prevedendo l’utilizzo di un refrattario interno e migliorando il sistema di scarico ceneri e quello di alimentazione del carbone con l’obiettivo di definire dal punto di vista progettuale un sistema in grado di funzionare in continuo grazie al miglioramento dei sistemi di carico e scarico e a temperature più elevate grazie alla presenza di un refrattario interno che fa da schermo termico tra processo e struttura metallica. La progettazione si è sviluppata in modo da potere effettuare più attività di ricerca, testando differenti metodologie di gassificazione basate sull’utilizzo di diverse geometrie interne.

Sono proseguite le attività di coordinamento e collaborazione alla sperimentazione presso gli impianti della Piattaforma Pilota Sotacarbo. In particolare si è dato corso ad un’attività di monitoraggio del processo di gassificazione. Infatti al fine di avere una migliorata mappatura termica del processo in svolgimento all’interno del gassificatore si è proceduto con l’installazione di una serie di punti di misura basati su termocoppie di tipo K disposte a 120° su tre direttrici della parte cilindrica.

Tra i primi risultati si è riscontrata una dinamica più rapida per il sistema con le termocoppie in parete, inoltre è degno di nota il fatto che i profili termici ricavati danno un’informazione anche in senso radiale, in caso di avarie si ha una maggior ridondanza dei dati sui diversi piani ed anche la sostituzione di un singolo sensore è possibile senza operazioni troppo dispendiose o che comportino la fermata dell’impianto.

L’obiettivo è quello di poter efficacemente monitorare il processo ed effettuare con cognizioni di causa le operazioni di carico del carbone, di scarico delle ceneri, di modulazione dei reagenti gassosi e di movimentazione dello stirrer omogeneizzatore in modo da pervenire ad un funzionamento stabile ed efficiente in linea con le richieste di gas necessarie all’utenza finale (produzione elettrica o di idrogeno/syngas).

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Introduz

Il presente di realizzaz gassosi e liq Gli obiettiv Nel partico sperimenta A tale scopo sugli impian funzioname Si è dato p dove è ubic acquisizione di processo sintesi. L’o modalità d strumentaz l’attenzione attraverso l Nel partico contenuto d di agenti ga Ha avuto co di SYngas d syngas e il s Sono proseg Piattaforma gassificazio all’interno termocoppi Tra i primi inoltre è de caso di ava sensore è p L’obiettivo operazioni movimenta efficiente i idrogeno/sy

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2. Prove in piccola scala su mini impianto

Le attività di sperimentazione si sono svolte presso il Centro di Ricerche ENEA di Casaccia, dove è ubicato il mini impianto gassificatore updraft GESSICA (GEneratore Sperimentale di SIngas da CArbone) dotato di sensoristica industriale e di un sistema di acquisizione e controllo capace di operare sia in maniera automatica che manuale sui principali parametri di processo. Completa la dotazione un sistema di analisi gas che effettua il monitoraggio in continuo del gas di sintesi.

Le attività hanno visto lo sviluppo ed il proseguo di quanto svolto nelle annualità precedenti.

L’obiettivo delle attività sperimentali condotte sul mini impianto è stato quello di testare le modalità di esercizio per il miglioramento del processo di produzione di syngas, nonché di testare strumentazione atta al controllo del processo. In particolare le attività si sono sviluppate focalizzando l’attenzione sulla qualità del syngas prodotto e sul definire le modalità di conduzione dell’impianto, attraverso l’utilizzo di strumentazione e analitica di supporto al controllo di impianto.

Si sono quindi, condotte prove e test relativi a diverse condizioni di funzionamento, modificando la miscela degli agenti gassificanti al fine di pervenire ad una serie di informazioni utili alla messa a punto ed all’ottimizzazione dei processi e delle apparecchiature. La finalità ultima è quella di fornire dati utili ad successivo upgrade dell’impianto.

In particolare le attività si sono sviluppate indagando il processo di gassificazione con CO2 preriscaldata, su un carbone di tipo alaskiano ad alto contenuto di volatili.

Attraverso l’attività di sperimentazione si è caratterizzato il processo e si sono definite le modalità e i principali parametri con cui operare per il raggiungimento delle condizioni di esercizio ottimali e stazionarie; si sono inoltre valutati i tempi e le modalità di risposta del sistema al variare dei parametri di ingresso quali la tipologia di agenti gassificanti e la tipologia di carbone utilizzato. Di seguito viene descritta l’apparato sperimentale utilizzato e le modalità con cui si sono effettuate i test di esercizio.

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2.1 Pro

L’impianto 30 kW term ciclone, un Il combusti dosatore vo coibentato mediante u Un sistema processo. L l’avviament remoto. L’alimentaz collegate tr dotazioni d per le previ Tutte le line monitorane Il syngas pr una prima bruciatore d Al fine di co di termocop Il gassificato in barra me processo di del process

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limentazione oduzione de ellare posizio scaldati elet di adduzion ete dell’ aria mentazione p ortunament r inviato ad u ccia, viene , il gassificato re. ul principio d orando in co alla definizio solidi. nzialità varia prodotto cos continuo m verter. Il ga e degli agen l vapore ne onata sul fon ttricamente, ne dei gas d

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2.2 Sistema di acquisizione e controllo

L’intero impianto pilota è dotato di un sistema di acquisizione e controllo dei principali parametri operativi che permette il monitoraggio del processo.

Tale sistema è stato realizzato in Enea con l’ausilio di prodotti hardware e software della National Instruments. Il software, costruito su architettura Labview, consente la completa visione di tutti i valori dei parametri di interesse forniti dagli strumenti montati in campo, e permette l’effettuazione delle opportune regolazioni sia in manuale che in automatico durante il normale funzionamento. Il codice così fatto, sviluppato su sistema operativo Windows XP, opera tramite protocollo TCP/IP facendo dialogare un computer portatile con una batteria di schede di acquisizione dati, connesse ai diversi sensori. Come riportato nella Figura successiva, la pagina principale del sinottico permette di avere sotto controllo tutti i dati strumentali in tempo reale e di controllare il processo nel suo complesso con semplicità e sicurezza sia in modalità automatica che manuale. Il sistema di regolazione e controllo è dotato anche di allarmi per il blocco del processo in caso di anomalie di funzionamento.

In particolare, la strumentazione così approntata, permette di acquisire e controllare un insieme di informazioni riguardanti il processo di gassificazione quali: il profilo di temperatura lungo l’asse del reattore, le portate gas di alimentazione del syngas prodotto ed il quantitativo di carbone presente nel reattore mediante un misuratore di livello. Sulla base di questi dati è possibile pervenire agli andamenti nel tempo e quindi ai consumi e alle quantità orarie di syngas prodotto. Figura 2: Sinottico del sistema di acquisizione e controllo Figura 2: sinottico del minigassificatore

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2.3 Lin

Al fine di m component prodotti. L’impianto attraverso l un sistema In particola evitare che dello strum campionam Le trappole condensazio assicura il fl Il micro‐GC monitorand strumento c e di un rilev riporta il cro

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monitorare ti durante è equipagg ’utilizzo di u modulare e re la linea d e composti i mento. Il ga mento, il cui s fredde sono one e cattu lussaggio de C permette do l’andame compatto e vatore TCD in omatogramm F

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L’analitica modulare è un sistema costituito da più moduli a cella che permette la misura in continuo dei principali composti costituenti il syngas (H2, CO, CO2, CH4, H2S, O2) basandosi su differenti principi di misura a seconda del composto che si deve misurare (Figura 5) Figura 5: Analitica modulare e sinottico di interfaccia con l’operatore Il gas prelevato ed avviato al sistema modulare di analisi dei gas prima di essere avviato agli strumenti viene riscaldato con un’apposita sonda riscaldante. L’acquisizione dei dati dell’analitica modulare avviene con rate di qualche secondo e la composizione è visibile all’operatore in un sinottico su PC, così da avere visione in tempo reale dell’andamento del processo e potere monitorare la conduzione del’impianto.

2.4 Attività svolte

L’attività sperimentale svolta sul mini gassificatore si è posta come finalità l’approfondimento degli aspetti tecnologici e sperimentali del processo di gassificazione del carbone per definirne problematiche e vantaggi intrinseci del processo. In particolare le attività si sono sviluppate indagando il processo di gassificazione con CO2 preriscaldata. Su un carbone di tipo alaskiano ad alto contenuto di volatili. Nell’ambito delle tecnologie innovative per la produzione di energia con separazione e confinamento della CO2, sono state recentemente proposte numerose conFigurazioni impiantistiche alternative alle tecnologie convenzionali. Tra queste appare molto interessante la possibilità di operare la gassificazione del carbone (o la co‐gassificazione di carbone e biomasse) utilizzando la CO2 come agente gassificante. Tale tecnologia, oltre a consentire, in generale, una maggiore efficienza di conversione del carbonio presente nel combustibile, consente infatti di avere, a valle del gassificatore, un syngas composto principalmente da CO, idrogeno, CO2 e vapor d’acqua e, a valle del sistema di combustione, un gas combusto composto quasi esclusivamente da anidride carbonica e vapore, facilmente separabili mediante una semplice condensazione dell’acqua. La tecnologia di gassificazione con CO2 non presenta, allo stato attuale, applicazioni commerciali, ma sono diversi, a livello mondiale, gli studi e le sperimentazioni a riguardo.

La reazione coinvolta nel processo di gassificazione che utilizza CO2 come agente gassificante è la seguente:

C solido + CO2 → 2CO ∆H= + 159,7 kJ/mol

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Dato che la fornirgli cal come calore Nell’ambito miscelata a 2.4.1 Spe L’attività sp quali agire i Attraverso principali p stazionarie; ingresso qu Nel partico differenti ti A titolo di e analizzare la A valle delle di tipo Alask C Il potere c presentava Al fine di in della misce temperatur Il forno tub temperatur 1 L’analisi im Materiali Am reazione ris lore, tale ca e sviluppato o dell’attività ll’O2 in modo erimentazion perimentale in modo da d l’attività di parametri co ; si sono ino ali la tipolog lare l’attività pologie di m esempio di s a gassificazio e verifiche fu ka provenien Tabella Carbonio fisso Volatili Ceneri Umidita' alorifico sup una granulo nviare la cor ela degli ag ra (Figura 6) olare è di fo re che perm

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ntale di test d ta ed eleme laska second del carbone % 9,5 MJ/kg, rente di 742 stito l’impian

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uo sviluppo è o e trasmess gresso al ga rametri sper definite le m di esercizio variare dei p arbone alto ttuato con l’ o utilizzando riportate in t 142/021 so s.s. sostan sostanza sec 1,72 ,87 ,91 ,16 2,32 0,0 tilizzata nell’ o a monte d trollo e sett matico di co mperatura e

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inoltre attraverso la visione su pannello dei valori misurati da due termocoppie posizionate esternamente al forno tubolare è possibile seguire il valore della temperatura impostato nella prova sperimentale. La temperatura di ingresso della CO2 si è settata sul valore di 250°C.

La conduzione della prova ha visto succedersi le diverse fasi: di start up ed accensione mediante l’adduzione di aria che ha portato il gassificatore alla temperatura di esercizio; di gassificazione con agenti gassificanti aria/vapore, e infine di gassificazione con una miscela CO2/O2. al 75 % in peso di CO2

Durante la fase di esercizio si è mantenuta costantemente la temperatura al di sotto dei 900 °C al fine di operare in condizioni di sicurezza. A tale scopo si è monitorato continuamente il profilo di temperatura lungo l asse del reattore attraverso le termocoppie posizionate sul mantello. Figura 6: allestimento del set up sperimentale gassificatore e forno di preriscaldo La tabella 3 riporta le portate degli agenti gassificanti durante il test sperimentale. Per ciascuna di queste fasi si è mantenuto stabile il regime di gassificazione, mantenendo quasi costanti i parametri di gassificazione, con produzione di syngas di buona qualità energetica, che ha determinato un comportamento quasi stazionario con una fiamma stabile nel bruciatore. Tabella 3: portate degli agenti gassificanti nelle fasi del test sperimentale Agenti gassificanti aria/vapore CO2/O2 intervallo di tempo 13:30‐15:30 15:30‐18:00 portata media aria kg/h 3 ‐ portata media vapore kg/h 1,25 ‐ portata media ossigeno kg/h ‐ 1,03 portata media CO2 kg/h ‐ 3,21

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In Figura 7 component Nella fase d gassificator leggerment La fase della conseguenz La Figura 9 gassificazio Va indicato contenuto d Infatti gassi attraverso ingresso, il c Infine in F l’avviament condizioni s Agenti gass intervallo d H2S H2 O2 CH4 CO2 CO N2 Altro PCI syngas ( 7 è riporta ti, nelle diffe di gassificazio i updraft in te al di sopra a gassificazio za dello svilu riporta il po ne con CO2 i o che il cont di CO nel gas ificando con l’oxicombust contenuto e Figura 8 è to del mini g sperimentali Tabella 4 ificanti i tempo (kJ/Nm3) ato l’andam renti fasi del one con aria/ n queste co a del 20 %. one con CO2 ppo della re otere calorif l contenuto tenuto energ s il cui potere n CO2 e O2, o tione del ch nergetico de riportata la assificatore. . 4: Composizi ento tempo lla prova spe /vapore si è ndizioni, co ha prodotto azione di Bo ica del synga energetico d getico del sy e calorifico è ossia fornen har, con l’inc

el syngas in u composizio Il carbone a ione media d com orale della erimentale. ottenuto un on valori de o un syngas r udouard. as durante i della syngas h yngas ottenu è elevato. ndo parte de cremento de uscita, espres one in volu analizzato ha del syngas ne mposizione % composizion n gas con la c l contenuto ricco in CO c l test, da cu ha raggiunto uto con valo el calore nec

ella % in vo sso come PC ume del syn a presentato elle due fasi aria/vap 13:30‐15 % vol. 0,5 16,6 0,6 2,3 12,9 21,2 46,0 2 5397

ne del syng composizione o in H2 di q on concentr i si evidenzi o valori intor ori alti è un cessario allo lume di O2 CI, migliora. ngas nel te una buona r del test sper pore 5:30 6 9 2 0 7

gas nei suo e tipica dell’e quasi al 20 azioni fino a a che duran no ai 10 MJ/ a conseguen sviluppo de contenuto n mpo ottenu reattività in rimentale CO 15:30 0 8 0 1 2 6 98 oi principali esercizio dei % e di CO l 70 % come te la fase di /Nm3. nza dell’alto ella reazione nel flusso in uta durante entrambe le O2/O2 0‐18:00 0,4 8,8 0,3 1,5 1,8 5,2 ‐ 2 824 i i O e i o e n e e

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Figura 7: Andamento della composizione del syngas durante un test sperimentale Figura 8: Composizione media del syngas nelle due differenti fasi di esercizio 0 10 20 30 40 50 60 70 80 12.30 13.00 13.30 14.00 14.30 15.00 15.30 16.00 16.30 17.00 17.30 18.00 %vol. tempo H2S H2 O2 CH4 CO2 CO

0%

20%

40%

60%

80%

100%

aria/vapore

CO2/O2

N2

CO

CO2

CH4

O2

H2

H2S

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Figu 2.4.2 Pro L’attività in grado di ese in torcia. In particola refrattario l’obiettivo d migliorame refrattario i La progetta metodologi L’apparecch scarico dei temperatur 2.4.3 Nuo Si è dato co di gassificaz La realizzaz normalmen un’impianto kJ/Nm3 ra 9: Andam ogettazione parola si è ercire e mon are si è and

interno e m di definire da

nto dei sist interno che f azione si è s e di gassifica hiatura proge solidi, ingres re, pressioni, ovo GESSICA orso alla prog zione del car ione del nuo nte trasporta o mobile che 0 2000 4000 6000 8000 10000 12.30 3 mento della p sviluppata, c nitorare il pr

ati a riproge migliorando i

al punto di v emi di caric fa da scherm sviluppata in azione basat ettata, most sso e uscita , portate e liv A (GEneratore gettazione ed bone e di tra ovo impianto abile su cam e può essere 13.00 13.30 otere calorif come sopra rocesso di ga ettare un nu l sistema di vista progett co e scarico mo termico tr n modo da p e sull’utilizzo trata in Figur dei gas e di vello, strume e Sperimenta d alla realizz attamento d o comprende mion (4000x facilmente t 14.00 14.30 fico inferiore descritto, co assificazione, uovo reatto scarico cen tuale un siste o e a tempe ra processo e potere effett o di diverse g ra, è dotata accesso al s entazione de ale di SIngas azione di un el gas di sint e un nuovo s 2200x2000). trasportato e 15.00 15.30 tempo e del syngas d on la finalità , la depurazi re di gassifi neri e quello

ema in grado erature più e struttura m tuare più at geometrie in di un tutta u sistema per s estinata al co da CArbone nuovo impia tesi prodotto skid di dime . La tal cosa ed esercito in 0 16.00 16.3 durante un t à di realizzar one del syng cazione prev o di aliment

o di funziona elevate gra metallica.

tività di rice nterne. una serie di sensori di va ontrollo del s e) anto prova p o. nsioni tali da a consente n differenti s 30 17.00 17.3 test sperime re un nuovo gas e il suo s vedendo l’u azione del c are in contin zie alla pres erca, testand bocchelli di ario tipo per suo funziona per lo studio a rientrare n di avere a sedi operativ 30 18.00 ntale impianto in smaltimento tilizzo di un carbone con nuo grazie al senza di un do differenti adduzione e la misura di mento dei processi nella sagoma disposizione ve. PCI n o n n l n i e i i a e

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Fig. 10 – Lavori di realizzazione del nuovo impianto GESSICA Fig. 11 – Lavori di realizzazione dello skid del nuovo impianto GESSICA La dotazione di impianto comprende un nuovo reattore refrattariato, una nuova sezione di abbattimento polveri e lavaggio, un nuovo sistema di acquisizione e controllo. L’impianto così descritto verrà avviato nel proseguo della nuova annualità.

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3. Prove

Nell’ambito gassificazio sugli impia condizioni apparecchia In questo a presso la P l’analitica d continuo. S microonde Infine, poic gassificazio impianti in scaturite alc conduzione In particola avere una proceduto c su tre dirett Tra i primi inoltre è de caso di ava sensore è p L’obiettivo operazioni movimenta efficiente i idrogeno/sy

e su impia

o delle attivit ne del carbo nti di gassif di funziona ature. ambito sono Piattaforma di corredo in Si è inoltre t guidate in ba hé i principa ne risiedono condizioni cune osserva e dell’impiant re si è dato migliorata m con l’installa trici della pa risultati si è egno di nota rie si ha una ossibile senz è quello di p di carico d zione dello in linea co yngas).

anto ENE

tà inerenti la one sono pro ficazione co amento, tes state effett Pilota SOTA n modo da p testato il fu arra metallic ali obiettivi o nell’acqui ottimali di f azioni sulle c to nelle fasi corso ad un mappatura t azione di una rte cilindrica è riscontrata il fatto che i a maggior rid za operazion poter efficac del carbone, stirrer omo n le richie

EA/SOTA

sperimenta oseguite pres n aria, vapo si alla mes

uate diverse ACARBO, mig poter effettu nzionamento ca nelle cond della campa sizione di c funzionamen criticità del p di start‐up e n’attività di m termica del a serie di pun a. una dinami i profili term dondanza de ni troppo disp cemente mo , di scarico ogeneizzatore

ste di gas

ACARBO

zione sul cam sso la piattaf

ore, ossigen ssa a punto e modifiche gliorando il uare sperime o di un nuo dizioni di un n agna sperime conoscenze nto, sulla ba processo stes in esercizio. monitoraggio processo in nti di misura ica più rapid ici ricavati d ei dati sui div pendiose o c nitorare il p delle cene e in modo

necessarie

mpo e l’ottim forma pilota no e CO2, c

o ed all’ott alla compon sistema di s entazioni più ovo sensore normale ese entale relativ e compete ase dell’espe sso dalla cui . o del proces n svolgiment a basati su te da per il sist anno un’info versi piani ed che comporti

rocesso ed e eri, di modu da pervenir all’utenza mizzazione d SOTACARBO con prove e timizzazione nentistica de scarico cene ù accurate e di livello ba rcizio del gas vi all’ottimiz nze relative erienza mat analisi si è p so di gassific to all’intern ermocoppie d tema con le

ormazione a d anche la so

ino la fermat effettuare co ulazione dei re ad un fun

finale (pro

egli impianti O le attività s e test relativ e dei proce egli impianti eri, la strum e con funzio asato sul pri ssificatore. zzazione del e alla condu

urata in im pervenuti a m

cazione. Infa o del gassif di tipo K disp termocoppi nche in sens ostituzione d ta dell’impia on cognizion i reagenti g nzionamento duzione ele i e sistemi di sperimentali vi a diverse essi e delle preesistenti entazione e onamento in incipio delle processo di uzione degli pianto sono modificare la atti al fine di ficatore si è poste a 120° ie in parete, so radiale, in di un singolo nto. ni di causa le gassosi e di o stabile ed ettrica o di i i e e i e n e i i o a i è ° , n o e i d i

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3.1 La p

Nell’ambito trattamento ridotte di a piattaforma Galusha) e u Tale impian dedicate un di idrogeno

In particola una unità c raffreddam (necessario soda; un pre A valle del inviato com ipoclorito d kW (elettric Una porzion trattamento 350‐400 °C, assorbimen In particola con un sorb presenti ne soluzione a syngas, idro una purezza

piattaform

o delle attiv o del syngas genti inquin a pilota comp una linea pe nto, oltre alla na alla produ . re, con riferi compatta ch ento del syn per il funzio ecipitatore e precipitator mpletamente i sodio in so ci) per la pro ne del synga o a caldo de , e inviato a nto della CO2 re, l’unità di bente a base el syngas. L’u

cquosa di m ogeno che vi a dell’ordine

ma pilota

vità di ricer

s per una p anti e di ani prendente d r la depurazi a sezione di g uzione di ene Figura 12: Sc imento alla F he è compo ngas e la prim onamento co elettrostatico re elettrosta e al secondo luzione acqu duzione di e as prodotto, el syngas per un sistema 2, seguito da desolforazio e di ossido di

unità di CO‐ monoetanola iene success del 97%, co

rca per lo s roduzione d dride carbon due impianti ione e lo sfru gassificazion ergia elettric chema di flu Figura sopras osta da tre d ma rimozione on carboni a o a umido (W atico, nelle c

o stadio di d uosa e, succe nergia elettr pari a circa 2 r la produzio di desolfora ll’unità di pu one a caldo c i zinco, che c

shift e assor mmina in un ivamente pu me è risultat sviluppo di di idrogeno e nica, Enea e di gassificaz uttamento e e, comprend ca e una al tr sso semplific stante, il syn differenti co e di polveri e ad alto tenor WESP) per la condizioni no desolforazion essivamente, rica. 20‐25 Nm3/ one di idroge zione a cald urificazione d comprende d consentono rbimento de n reattore a urificato in u to dalla prim un process ed energia e Sotacarbo h ione in letto nergetico de de due differ rattamento a cato dell’imp ngas provenie olonne: una e tar; un prim re di zolfo), rimozione d ominali di fu ne a freddo , a un motor h, può esser eno. In tale o, seguito d dell’idrogeno due reattori, una rimozion ella CO2 (qu

bolle) conse una unità PSA ma campagna

so di gassifi elettrica a e hanno recen o fisso up‐dra el syngas. renti linee di a caldo del s pianto pilota ente dal gass torre di lav mo stadio di utilizzante u elle polveri e unzionament o, utilizzante re a combust re inviata, in linea il gas è a un sistema o. , in conFigur ne accurata est’ultimo e ente l’arricch A (pressure s a sperimenta cazione del emissioni est temente svi aft (tecnolog trattamento syngas per la . sificatore vie vaggio (scru desolforazio na soluzione e del tar resi to, il syngas una miscel tione interna alternativa, è riscaldato, a integrato d razione lead‐ dei compost effettuato m himento in i swing adsorp ale sull’impia carbone e tremamente luppato una gia Wellman‐ o del syngas, a produzione ene inviato a bber) per il one a freddo e acquosa di dui. può essere la di soda e a da circa 24 alla linea di fino a circa di CO‐shift e ‐leg, riempiti ti dello zolfo ediante una drogeno del ption) fino a anto. e e a ‐ , e a l o i e e 4 i a e i o a l a

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Tale purezz pienamente al motore a idrogeno, s quanto gara utilizzabili p Il gassificato (opportuna pressoché a svolgimento agenti gass deriva da u media taglia Il reattore massima de conFigurazi raffreddam difficilment Pertanto il analoghi ga attraverso u termocoppi dell’asse. Il gassificat funzioni nec apparecchia Il combusti fino al livell ghigliottina dosato e im fine di ridur Gli agenti g un generato Figura 13 za, pur esse e in linea con a combustion sebbene sia antisce un b per un futuro ore pilota de mente adat atmosferica. o delle varie sificanti, il ca un particolar

a.

ha un diame el letto di co oni conven ento (le pa e realizzabili comportam assificatori d un unico con ia multipla ore pilota è cessarie all’e ature princip bile, fornito o della tram (tra le qual mmesso all’in rre le emissio gassificanti (a ore di vapor ‐ Parte infer ndo significa n il possibile ne interna. La molto infer uon compro o scale‐up de ella piattafo

tata alla tag . Il reattore e funzioni a aricamento re interesse etro interno ombustibile p zionali Wel areti interne i in un reatto mento termo di taglia com ndotto coass dotata di 1 è dotato di esercizio dell pali. a bordo im oggia di cari i il combust nterno del re oni di polver aria e vapore re (della pote riore del gass ativamente utilizzo dell’ a taglia della iore rispetto omesso tra i ell’impianto. rma Sotacar glia), progett è poi equip supporto de del combust alla applica o di 300 mm pari a circa 1 llman‐Galush e sono rive ore di piccole odinamico d mmerciale. Il siale allo ste 11 sensori d una serie d lo stesso. Di pianto in big camento e im tibile viene i eattore. La tr i di carbone e) vengono p enzialità nom sificatore pil inferiore all ’idrogeno pr a linea di trat o alle taglie ridotti costi rbo è un lett tato per op paggiato con

ella gassifica tibile e lo sc azione della m e un’altezz

1300 mm (pe ha, il gassi estite in ma e dimensioni dell’apparecc combustibi sso reattore distribuiti lun i apparecch seguito è pr g bags da ci mmesso nell nertizzato co ramoggia di c nel corso de prodotti risp minale di 10 ota e dettag ’attuale stat rodotto per l ttamento a c degli impia di sperimen to fisso up‐d erare con a n una serie azione, quali carico delle tecnologia a za complessi er un totale ficatore no ateriale refr i. chiatura risu le viene intr ; il profilo te ngo tutta l’ iature ausili resentata, in rca 1 m3, vi la stessa. Me on una corr carico è colle elle operazio pettivamente 0 kg/h) e m glio dei reatt to dell’arte ’arricchimen caldo del syn nti commer ntazione e l’a draft di tecno limentazione di apparecc la produzio ceneri. La s a impianti c iva pari a 20

di circa 90 d n è dotato attario), né ulta essere rodotto all’i ermico è det altezza del arie per lo n breve sinte

ene sollevat ediante una ente di azot egata a un s ni di caricam e mediante u iscelati, per tori a bolle. della tecnol nto del synga ngas per la pr rciali, è stata accuratezza ologia Wellm e ad aria e hiature ausi one e l’immi scelta di tale commerciali 000 mm, co dm3). A diff o né della dell’agitato differente r nterno del g terminato m reattore, in svolgimento esi, una desc to mediante rotocella e u to) il combu

istema di as mento. un compress mezzo di du logia PSA, è as da inviare roduzione di a assunta in dei risultati, man‐Galusha a pressione liarie per lo issione degli e tecnologia di piccola e n un’altezza erenza delle camicia di ore interno, rispetto agli gassificatore ediante una n prossimità o delle varie rizione delle un paranco una valvola a stibile viene pirazione, al sore d’aria e ue valvole di è e i n , a e o i a e a e i , i e a à e e o a e l e i

(20)

regolazione, poco prima dell’immissione nella parte bassa del reattore. Per i test di gassificazione con ossigeno e anidride carbonica è stato dotato il sistema di un apposito miscelatore, che consente di regolare la composizione della miscela fino a una concentrazione massima di ossigeno del 25%. Lo scrubber e una torcia consentono infine la depurazione e la combustione del syngas prodotto.

3.2 Strumentazione e controllo

A supporto delle sperimentazioni, il sistema è dotato di una serie di strumenti che consentono di monitorare, in modo continuo, i principali parametri in gioco, e principalmente le pressioni, le portate e le temperature degli agenti gassificanti e del syngas prodotto e i profili di termici all’interno del reattore. L’intero impianto è dotato di un sistema di acquisizione e controllo dei principali parametri operativi del processo. Il sistema completo, comprendente tutti gli organi e dispositivi necessari all’invio di comandi. Sono inoltre previsti funzionamento manuale e/o automatico, controlla e gestisce tutte le apparecchiature e si interfaccia con eventuali altri sistemi di automazione tramite sistemi di input/output fisici e/o di rete. La funzione di controllo e’ quella di coordinamento e segnalazione di tutto il sistema in oggetto, effettua pertanto tutto il controllo degli azionamenti, le sequenze di conFigurazione di impianto e le sequenze di messa in sicurezza di impianto, la gestione degli interblocchi, la visualizzazione sinottica ed il coordinamento degli stati di tutti i sottosistemi interessati allo svolgimento della funzione dell’impianto nella sua globalità. Figura 14 ‐ Esempio di sinottico del sistema di acquisizione e controllo del gassificatore

Sono inoltre previsti sinottici di vista d’insieme e sinottici dedicati alla visualizzazione di dettaglio di ogni zona o circuito.

La descrizione delle logiche e’ fatta mediante stati e transizioni. Il controllore acquisisce gli input da campo e dà i comandi mediante schede di I/O dedicate. Il monitoraggio dell’impianto e’ effettuato mediante sinottici su supervisore. E’ possibile muoversi da un sinottico all’altro sia tramite mouse sia tramite tasti

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dedicati, ve grandezze a Un sinottico visualizzare visualizzazio su disco per

3.3 Sist

L’impianto l’utilizzo di analisi. Nel dettagli metri di line l’analisi del Le linee s posizionam nelle varie dapprima strumentaz l’analisi del delle misce della conce Il micro gas Tale analisi nota. Figura erificare lo st analogiche d o è dedicato i file di lo one sotto for r la realizzazi

tema di an

è dotato di un campion io il sistema ee di traspor syngas. ono costitu ento delle p sezioni che ripulito da ione di anali syngas viene ele non press ntrazione di cromatograf viene effett 15 ‐ Laborat tato delle ut i interesse. o alla gestio og su disco rma di grafic ione degli st

nalisi gas

un sistema namento on di campiona rto e condizio ite principa prese è stato costituiscon tar conden isi. Viene po e utilizzato u surizzate in composti qu fo effettua l’ tuata previa torio mobile tenze in base one degli all

e stampan co on‐line de orici di misura i line, convog amento è com onamento d almente da o opportuna no l’impiant nsabili, polv i condizionat un carrello at fase gassosa uali: CO2, H2 analisi del ca taratura eff di analisi gas e al colore ( armi, secon nte. Sono in ell’andament n continuo gliato ad un mposto da 1 el campione valvole, fil mente studi to. Il syngas veri e HCl,

to alla corre ttrezzato com a e di micro 2, CO, CH4, N ampione di s ettuata tram

s ENEA e car

marcia/arres do le seque noltre previs to di grandez della compo micro GC de 15 prese di ca e oltre chè da ltri, conden iato per mon

prelevato d tutte sosta tta tempera mpleto di po o‐gascromato N2, COS, H2S syngas in un mite bombole rrello di preli sto/anomalia enze ISO sta

ste alcune zze analogich osizione dei ella Agilent d ampionamen alle sopra cit satori, tuba nitorare la c dai diversi p anze che po tura ed infin ompa di cam

ografo a due . tempo medi e di miscele evo e analisi a) e visualizz ndard con p pagine di t he e la loro a gas prodott dotato di du nto del synga tate apparec azioni e flu composizione

punti di inte ossono dan ne inviato all pionamento e colonne pe io pari a circa di gas a con i gascromato zare tutte le possibilità di rend per la archiviazione ti attraverso ue moduli di as, circa 200 chiature per ussometri. Il e del syngas eresse viene nneggiare la ’ analisi. Per o per l’analisi er la misura a tre minuti. ncentrazione ografica e i a e o i 0 r l s e a r i a . e

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3.4 Attività svolte

Le attività sperimentali in taglia più significativa sono state svolte, in coordinamento tra personale ENEA e Sotacarbo, presso la Piattaforma Pilota Sotacarbo, dove sono state approntate tutta una serie di modifiche e migliorie degli impianti. Il campo di sperimentazione si è concentrato sul processo di gassificazione e sull’ottimizzazione dei processi e delle apparecchiature per il funzionamento in continuo del gassificatore. • Griglia • Sensore di livello • Termocoppie • Procedura di prova

A tale scopo per monitorare l’altezza del letto in continuo si è alloggiato all’interno del gassificatore un sensore di livello, funzionante del tipo a ultrasuoni guidati in barra metallica, dotato di un sistema di acquisizione del segnale.

L’obiettivo finale è quello di ottenere un insieme di informazioni provenienti dalla misura delle diverse grandezze caratterizzanti l’esercizio del gassificatore (livello, temperature, pressioni, portate in ingresso ed in uscita, composizione syngas) in modo da pervenire, agendo sull’alimentazione degli agenti gassificanti e sulle operazioni di carico/scarico dei solidi, ad una strategia di controllo ottimale del processo che possa garantire innanzi tutto il funzionamento stazionario in continuo e dall’altro la massimizzazione di parametri quali p.es. rendimento di gassificazione, portata totale, potere calorifico, contenuto in idrogeno del syngas e la minimizzazione del contenuto di inquinanti nel syngas e di incombusti nei solidi scaricati.

I dati relativi alla misura dell’altezza del letto durante l’esercizio dei vari avviamenti effettuati, sono stati elaborati insieme ai dati forniti dalle termocoppie alloggiate lungo l’altezza del reattore, al fine di ottenere una funzione di correlazione tra tutte le informazioni disponibili; funzione utile alla conduzione del gassificatore stesso e quindi al controllo del processo di gassificazione durante l’esercizio.

Una seconda attività effettuata ha riguardato il monitoraggio delle temperature della griglia durante il funzionamento del gassificatore. Sono state inserite delle termocoppie sulla parte fissa della griglia di scarico ceneri al fine di avere una mappatura delle temperature. L’obiettivo è quello di accertarsi che durante il funzionamento non si realizzino sovratemperature che potrebbero portare a danneggiamenti della griglia stessa. Un secondo obiettivo è stato quello di avere una mappatura spaziale delle temperature dei materiali solidi in fase di scarico. Una caratterizzazione in questo senso può essere infatti utile per un ulteriore ottimizzazione delle geometrie della griglia. Un terzo obiettivo è stato quello di avere una mappatura spaziale delle temperature dei materiali solidi sopra griglia utile per determinare lo stato di avanzamento delle zone di combustione.

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3.4.1 Sen Il sensore d liquidi che una sonda, guidati da u Gli impulsi elaborazion taratura, vis Il vantaggio quali per es la sicurezza caratteristic risultato di Un ulteriore che ne perm A titolo di e La prova è carbone pr accensione da consenti si è caricato Durante l’e con l’obiett del reattore controlland al di sopra d nsore di livel i livello a mi per i solidi. realizzata co una fune o un nel loro pe ne, che inter sualizzabile d o di tale stru sempio inten a di funzion che del prod misura. e vantaggio mette il suo u esempio si rip stata svolta roveniente d e quindi una ire il control o nella fase d sercizio si è tivo di aume e, alimentan o le tempera dei 1000°C. lo croonde gui Il principio a on un opport na barra inse ercorso sara preta il segn da un monito Figura 16 ‐ V umentazione nse formazio namento e l dotto, per es è la possibili utilizzo nei re porta l’andam a con l’obie dall'Alaska. a fase di gas lo della tem di avviament mantenuto entare la res ndo il proce ature sula gr date è un se attraverso c tuno materia erita nel mat anno riflessi nale d’eco e or posizionat Vista di detta e è che i tipi oni di polvere a precisione empio altern ità di utilizza eattori di gas mento del liv ttivo di valu La fase ope sificazione d peratura ope o fino a met

il livello del a del proces sso con car riglia in modo

ensore che pe ui viene effe ale di condu teriale di cui dalla super lo converte to sulla testa glio del misu ci problemi e, forti rumo e di misura. nanza di mat are tale strum

ssificazione vello del lett utare le pre erativa del durante la qu erativa che s a. letto il più p sso; pertanto bone fresco o da preserv ermette la m ettuata la m zione, di imp si vuole rilev rficie del pro

in una infor a dello strum uratore di liv riscontrabili ori o presenz . Inoltre for teriale asciu mentazione i o durante un stazioni del test sperim uale si è rego si è mantenu possibile cos o si sono ese e reattivo. vare il sistem misura in con isura si basa pulsi a micro vare il livello

odotto e ril mazione di l mento. vello carbone nel misurar za di conden rmazioni con tto o umido in letti di sol n test sperim processo d entale ha v olato il mix a uta al di sott stante intorn eguiti una se La fase di s ma di scarico

ntinuo del liv a su l’emana oonde ad alta . evati dall’el ivello, previa e. re il livello d nsa non com niche di ma , non compr lidi ad alte te mentale. i gassificazio visto un’iniz aria/vapore i o dei 1100°C no al valore erie di carich scarico è sta da valori di t vello sia per i azione lungo a frequenza, ettronica di a opportuna di letti solidi, promettono ateriale o le romettono il emperature, one: con un ziale fase di n modo tale C. Il reattore di 1400 mm he e scarichi ata eseguita temperatura i o , i a , o e l , n i e e m i a a

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Figura 17 :Andamento dell’altezza de letto durante un test sperimentale presso la piattaforma pilota di Sotacarbo Nel test sperimentale riportato la conoscenza dell’altezza del letto ha permesso di esercire il gassificatore in continuo fornendo i dati necessari alle operazioni di alimentazione e scarico. Pertanto l’informazione relativa all’altezza del letto insieme agli altri dati di esercizio quali temperature lungo l’asse, temperature di griglia, portata di gas, composizione del gas e altri dati, consente di eseguire un corretto controllo del processo di gassificazione e di migliorare le prestazioni del gassificatore. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 9.00.00 11.00.00 13.00.00 15.00.00 17.00.00 19.00.00 21.00.00 23.00.00 altezza (mm) tempo (h)

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3.4.2 Mo Nella condi del process lungo un’un parziale, in formazioni è di ostaco ENEA) che controllabil prosecuzion Per tutti qu all’interno d termocoppi totale dei se le sette term Il lavoro di p da personal Le diverse gassificator orizzontali m Si è proced coibentazio montaggio predisposiz nitoraggio d zione pregre o avviene gr nica barra) ch quanto indi di cammini p olo (al pari d

sarebbe m ità del proce ne delle sper uesti motivi del gassific ie di tipo K d ensori è pari mocoppie su predisposizio le ENEA in co e fasi di atti

e pilota con monitorate. uto quindi a one esterna dei raccord ione degli at Ga elle tempera essa il monit razie alla pre he attraversa ividua un un preferenziali della barra d molto utile p esso nelle fa rimentazioni

al fine di a atore si è disposte a 12 i a trenta dis ulla griglia. Fig. 18 ‐ Sch one e di inst ollaborazione vità hanno n i riferimen alla foratura sono stati p di a compre

ttacchi per le assificatore TC tip ature interne toraggio dell senza di una a il reattore nico profilo d i che alteran di livello) alla

per migliora asi più critich . avere una m proceduto c 20° su tre di tribuiti su di hema dispos allazione de e con i tecnic contemplato nti per tre f

e all’incision posizionati e ssione tipo e sonde sull’e po K e al gassificat a temperatu a termocopp lungo tutta di temperatu no il processo a installazio are l’omogen he nelle qua migliorata m con l’installa rettrici della eci piani lun sizione senso lla sensoristi ci di SOTACA o la tracciat fori distribui ne del rivest e saldati a t swagelok c esterno del r tore ura interna d pia multipla ( la sua altezz ure, la prese o ed inficiano

ne di un ag neità del le

li intasamen

appatura te zione di una a parte cilind go tre dirett

ori TC e acqu

ica e del sist ARBO. tura del man

ti ogni 120° timento del g

ig i manicot on foro pas reattore di ga del gassificat dotata di 11 a. Oltre a da enza della so o la corrette itatore inter etto reagent nti ed occlus ermica del p a serie di pu drica. Al mom

rici a 120°. A

isizione dati

ema di acqu ntello di coi ° sui piani r

gassificatore tti da mezzo ssante da 6 assificazione Da tore durante 1 punti di mis are un’inform onda è causa ezza della mi rno (stirrer p te e per au

ioni bloccan

processo in unti di misu mento attua A queste si so isizione è sta ibentazione elativi alle d e. Una volta

o pollice di mm ha co e. ta Logger e P e lo svolgersi sura disposti mazione solo a di possibili sura. Inoltre proposto da umentare la no di fatto la svolgimento ra basati su le il numero ommano poi ato eseguito esterna del dieci sezioni smontata la diametro. Il ompletato la PC i i o i e a a a o u o i o l i a l a

(26)

Una fase ulteriore ha interessato la foratura del refrattario interno con una apposita punta. All’interno dei fori così creati è stato inserito un tubo in acciao inox (AISI316) in modo da realizzare un pozzetto aperto. A seguire si è passati al montaggio su tutti i manicotti filettati degli attacchi swagelok con foro da 3 mm e all’inserzione delle termocoppie nei raccordi svegelok con l’opportuno serraggio a tenuta. Il collegamento delle termocoppie ai cavi compensati di prolunga e la connessione dei cavi alle morsettiere dei data logger hanno completato la parte di interfacciamento delle linee di segnale. La predisposizione dell’alimentazione data logger ed il collegamento verso il PC via connessione TCP‐IP hanno infine portato all’avviamento del sistema di monitoraggio temperature ed all’effettuazione delle prime prove di monitoraggio e registrazione delle temperature all’interno del gassificatore. Fig. 19 – Disposizione dei fori e delle connessioni dei sensori TC

Il sistema consente la misura on line delle temperature nella parete interna e sulla griglia. La tal cosa si rileva utile durante il funzionamento dell’impianto per accertare l’uniformità di condizioni del letto, individuare eventuali anomalie di stratificazione delle temperature (spesso dovute a disuniformità legate alla presenza di cammini preferenziali), programmare le azioni di carico e scarico del letto evitando onerosi surriscaldamenti della griglia.

Il sistema provvede anche alla registrazione dei dati che possono essere utilizzati a posteriori per valutazioni sull’andamento del componente e sull’ottimizzazione del processo. In particolare è in corso di valutazione il confronto con i dati provenienti dalla termocoppia multipla originariamente presente all’interno del reattore.

Tra i primi risultati si è riscontrata una dinamica più rapida per il sistema con le termocoppie in parete, inoltre è degno di nota il fatto che i profili termici ricavati danno un’informazione anche in senso radiale, in caso di avarie si ha una maggior ridondanza dei dati sui diversi piani ed anche la sostituzione di un singolo sensore è possibile senza operazioni troppo dispendiose o che comportino la fermata dell’impianto. La visualizzazione è consentita anche in remoto grazie alla presenza di un PC collegato con protocollo web con un cavo di rete. Come riportato nella Figura sottostante.

(27)

A titolo di pressoché s Alla prima s del reattore Altezza reattore Fig. 20 – esempio si stazionario e Fig. 21 situazione co e (500‐600 °C D1 D2 – Schermata riportano tr d ad una di i (a) 1 – Mappatu fasi di avvia orrispondon C) che vanno D3 monitoragg re mappatu incipiente sp ura termica d amento (a), s o temperatu o poi a degra io e acquisiz re relative a pegnimento. (b) della parete stazionario ( ure abbastan adare verso ione dati (Da

alle fasi di a

interna del r b), pre‐speg nza limitate l’alto e una ataLogger Yo avviamento, reattore (svi nimento (c) in prossimit certa disom okogawa)

ad una fas

(c)

luppo)

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