2 C 36 1 C I P I I IV VI VIII X INDICE 1

(1)

I

INDICE

I

NDICE DELLE FIGURE

I

NDICE DELLE TABELLE

P

REMESSA

I

NTRODUZIONE

C

APITOLO

1

1.1 Processi di conversione energetici

1.1.1 Gassificazione

1.1.2 Pirolisi

1.2 Tar: tecniche di campionamento ed analisi

1.2.1 Tar

1.2.2 Produzione del tar

1.2.3 Tecniche di campionamento del tar

1.2.4 Tecniche di analisi del tar

C

APITOLO

2

2.1 Impianto di gassificazione “GASTONE”

2.1.1 Sezione di caricamento della biomassa

2.1.2 Reattore di gassificazione

2.1.3 Sezione di raffreddamento, lavaggio e filtrazione gas

IV

VI

VIII

X

1

2

5

7

10

15

26

36

39

40

44

(2)

INDICE

II

2.1.4 Sezione di movimentazione e smaltimento gas

2.1.5 Ausiliari d’impianto

2.1.6 Sistema di controllo e modalità di funzionamento

2.1.7 Strumentazione di controllo ed analisi

2.2 Impianto di pirolisi “TAREK”

2.2.1 Descrizione dell’impianto

2.2.2 Strumentazione di controllo ed analisi

2.2.3 Ottimizzazione dell’impianto

C

APITOLO

3

3.1 Sistema di campionamento tar

3.1.1 Punto di campionamento

3.1.2 Descrizione del sistema

3.1.3 Ottimizzazione dell’impianto

3.2 Campionamento ed analisi dei gas mediante micro-GC

3.2.1 Punto di campionamento

3.2.2 Strumentazione

3.2.3 Procedura sperimentale

3.3 Determinazione del contenuto di umidità

3.3.1 Metodologia

3.3.2 Strumentazione e procedura sperimentale

3.4 Analisi immediata

3.4.1 Metodologia

3.4.2 Strumentazione

3.4.3 Procedura sperimentale

3.5 Analisi elementare

3.5.1 Metodologia

47

48

50

52

55

56

58

61

62

64

66

68

69

70

74

75

76

77

79

81

82

(3)

INDICE

III

3.5.2 Strumentazione

3.5.3 Procedura sperimentale

3.6 Analisi TG-FTIR

3.6.1 Strumentazione

3.6.2 Determinazioni quantitative FTIR

3.7 Analisi GC-MS

3.7.1 Strumentazione

C

APITOLO

4

4.1 Metodologie e risultati sperimentali della produzione di

tar da pirolisi

4.1.1 Caratterizzazione della biomassa

4.1.2 Modalità di prova

4.1.3 Elaborazioni risultati

4.1.4 Ulteriori analisi

4.1.5 Risultati sperimentali

4.2 Metodologie e risultati sperimentali della produzione di

tar da gassificazione

4.2.1 Caratterizzazione della biomassa

4.2.2 Modalità di prova

4.2.3 Risultati sperimentali

C

ONCLUSIONI

B

IBLIOGRAFIA

83

85

87

88

89

92

93

94

96

98

120

122

125

145

149

(4)

IV

INDICE DELLE FIGURE

Capitolo 1

Fig. 1.1 – Schema dei processi di conversione termochimica

Fig. 1.2 – Schema del processo di gassificazione della biomassa

Fig. 1.3 – Meccanismo di reazione globale di Pirolisi

Fig. 1.4 – Schema reazioni di Pirolisi (Evans e Milne 1987)

Fig. 1.5 – Schema di sviluppo del tar proposto da Elliott, 1988

Fig. 1.6 – Punto di rugiada delle classi di tar in relazione alla concentrazione (Bergman, 2002) Fig. 1.7 – Produzione di tar in funzione della temperatura di esposizione (Backer, 1988) Fig. 1.8 – Pirolisi del legno: effetti della temperatura sulla decomposizione dei prodotti (Fagbemi, 2001)

Fig. 1.9 – Partners partecipanti allo sviluppo del Tar Protocol

Fig. 1.10 – Schema di campionamento per condensazione

Fig. 1.11 – Schema campionamento tar di Xu et al

Fig 1.12 – Schema dell’apparato sperimentale di Sun et al. (2010) per PAH-LIF

Capitolo 2

Fig. 2.1 – Schema a blocchi dell’impianto di gassificazione

Fig. 2.2 – Flow-sheet dell’impianto di gassificazione

Fig. 2.3 – Sistema di alimentazione biomassa Fig. 2.4 – Vista e sketch del reattore di gassificazione

Fig. 2.5 – Zone del gassificatore

1 3 6 7 8 9 12 13 15 17 20 22 37 38 39 41 42

Fig. 2.6 – Sezione del gassificatore e foto degli elementi significativi che lo compongono Fig.2.7 – Sezione di clean-up: ciclone e scrubber venturi

Fig. 2.8 – Sezione di clean-up: condensatore con chiller, filtri fini 1 e 2, filtro di sicurezza Fig. 2.9 – (a) TC-3, (b) trasmettitore wireless, (c) interfaccia per la visualizzazione e la registrazione del segnale delle termocoppie Fig. 2.10 – (a) Lettura dei manometri Pn e Pg,

(b) manometro FF-2

Fig. 2.11 – Flow-sheet dell’impianto di pirolisi Fig. 2.12 – Impianto pilota di pirolisi, TAREK Fig. 2.13 – posizionamento cavi scaldanti Fig. 2.14 – Configurazione finale dell’impianto pilota di pirolisi

Capitolo 3

Fig. 3.1 – Schema Tar-sampling

Fig. 3.2 – (a) Impinger 1, (b) Impinger 2 e 3 Fig. 3.3 – Prove di campionamento con olio minerale

Fig. 3.4 – Sistema di campionamento tar Fig. 3.5 – Analizzatore micro-GC Agilent 3000 Fig. 3.6 – Parametri del metodo impiegato per l’analisi del syngas

Fig. 3.7 – Esempio di cromatogramma ottenuto per il modulo A

Fig.3.8 – Esempio di cromatogramma ottenuto per il modulo B

Fig. 3.9 – Esempio di output di stampa di un’analisi con micro-GC

Fig. 3.10 – Analizzatore termogravimetrico TA Instruments TGA Q500

Figura 3.11 – Sezione fornace TGA Q500 e visualizzazione dei percorsi dei gas di flussaggio 43 45 47 52 53 53 56 57 59 60 62 63 65 65 69 71 71 72 72 77 78

(5)

INDICE DELLE FIGURE

V

Fig. 3.12 – Esempio di curva TG

Fig. 3.13 – Analizzatore elementare LECO TruSpec CHN

Fig. 3.14 – Tubo di combustione

dell’analizzatore Leco

Fig. 3.15 – Schema dell’accoppiamento TG-FTIR

Capitolo 4

Fig. 4.1 – Andamento delle temperature Prova 3 Fig. 4.2 – posizionamento termocoppie in R1 Fig. 4.3 – Andamento della portata di gas Prova3

Fig. 4.4 – Andamento composizioni syngas Prova 3

Fig.4.5 – Andamento portata gas Prova 3 Fig. 4.6 – Ripartizione dei prodotti di pirolisi della Prova 3

Fig. 4.7 – Analisi TG del Tar campionato nella provetta 1 della Prova 2

Fig. 4.8 – Analisi DTG del Tar campionato nelle prove di pirolisi

Fig. 4.9 – Analisi DTG del Tar campionato nelle prove di pirolisi

Fig. 4.10 – Ripartizione dei prodotti di pirolisi della Prova 3

Fig. 4.11 – Provette 1, 2A e 2B

Fig.4.12 – Campioni cippato per analisi distribuzione dimensionale

Fig.4.13 – Campioni char per analisi distribuzione dimensionale

Fig. 4.14 – Distribuzione dimensionale cippato e char

Fig. 4.15 – Biomassa caricata

Fig. 4.16 – Posizionamento campionatore tar Fig. 4.17 – Evoluzione della temperatura nelle quattro termocoppie della sezione di clean-up Fig. 4.18 – Posizionamento termocoppie nella sezione di clean-up 81 84 85 88 100 100 102 103 105 109 111 112 114 116 116 118 119 119 120 124 127 128

Fig. 4.19 – Acquisizioni della temperatura lungo la gola del gassificatore

Fig. 4.20 – Evoluzione delle principali specie gassose durante tre test

Fig. 4.21 – Condensato campionato nell’impinger 3 nel Test 5

Fig. 4.22 – Residui di char recuperati dalla vasca di raccolta nei Test 1 e 5

Fig. 4.23 – Confronto tra miscela e particolato nel letto

Fig. 4.24 – Punti di campionamento e aspetto del particolato da gassificazione

Fig. 4.25 - composti rappresentativi di classe 5 nel campione PC

Fig. 4.26 – Rappresentazione dei bilanci materiale ed elementare

Fig. 4.27 – Rappresentazione del bilancio energetico 129 130 133 134 136 138 140 141 142

(6)

INDICE DELLE FIGURE

VI

INDICE DELLE TABELLE

Capitolo 1

Tab. 1.1 – Composizione tipica di syngas da gassificazione del legno

Tab. 1.2 – Reazioni coinvolte nel processo di gassificazione di biomassa

Tab 1.3 – Classificazione dei componenti tar Tab. 1.4 – Componenti chimici di tar da biomasse (Elliott, 1988)

Tab. 1.5 – Effetto della temperature sulla distribuzione dei principali componenti del tar (g/kg dry wood)

Tab. 1.6 – Composizione elementare di tar ottenuto a 500°C (Fagbemi, 2001)

Tab. 1.7 – Confronto test ECN e VTT

Tab. 1.8 – Review dei metodi di Tar sampling in letteratura

Tab. 1.9 – Review dei metodi di analisi del Tar in letteratura

Capitolo 2

Tab. 2.1 – Caratteristiche nominali del gassificatore, dal fornitore

Tab. 2.2 – Caratteristiche tecniche del reattore di gassificazione

Tabella 2.3 – Temporizzazione del moto raschiatore, impostabile su PLC

Tab. 2.4 - Caratteristiche chimico-fisiche della biomassa nominale processata dall’impianto

Capitolo 3

Tab. 3.1 – Tempo di residenza del gas negli impinger

Tab. 3.2 – Parametri operativi del sistema di campionamento tar 3 4 8 10 11 14 17 25 35 36 40 43 44 64 66

Tab. 3.3 – Composizione dell’Agilent Universal Gas Calibration Standard

Tab. 3.4 – Profilo della combustione per il metodo biomassa e metodo carbone

Capitolo 4

Tab. 4.1 – Analisi TG di cippato di pioppo Tab. 4.2 – Analisi elementare di cippato di pioppo

Tab. 4.3 – Condizioni operative Tab. 4.4 – Andamento portate Prova 3

Tab. 4.5 – Andamento composizioni (%) gas Prova 3

Tab. 4.6 – Composizioni (%) medie gas prove di pirolisi

Tab. 4.7 – Produzione gas da pirolisi Tab. 4.8 – Pesate cestello Prova 3

Tab. 4.9 – Pesate componenti campionatore tar Prova 3

Tab. 4.10 – Rese di pirolisi

Tab. 4.11 – Calcolo del rapporto di volume per stima tar totale Prova 3

Tab. 4.12 – Distribuzione delle frazioni del tar nelle provette (% in peso)

Tab. 4.13 – Calcolo massa volatili Prova 3 Tab. 4.14 – Bilanci di massa globali sulle prove effettuate

Tab. 4.15 – Analisi TG Char residuo da pirolisi (% in peso)

Tab. 4.16 – Analisi CHN Char residuo da pirolisi (% DRY)

Tab. 4.17 – Analisi CHN Tar da pirolisi Tab. 4.18 – Contenuto d’acqua delle frazioni di Tar della Prova 3

73 86 94 94 99 101 103 104 104 105 106 106 106 107 108 109 110 110 115 115

(7)

INDICE DELLE TABELLE

VII

Tab. 4.19 – Analisi GC-MS campionamenti della Prova 3

Tab. 4.20 – Proprietà dei campioni utilizzati. (ar: as recieved)

Tab. 4.21 – Test di gassificazione

Tab. 4.22 – Composizione syngas mediata sui test

Tab. 4.23 – Residui char analisi TG ed elementare

Tab. 4.24 – Analisi TG ed elementare particolato nel letto

Tab. 4.25 – Analisi TG ed elementare particolato

Tab. 4.26 – Analisi GC-MS campione PC Tab. 4.27 – Analisi e misurazioni per bilanci materiali ed elementari

Tab. 4.28 – Chiusure bilanci

Tab 4.29 – Risultati dei bilanci di massa

117 122 126 131 135 136 137 139 142 143 144