Capitolo 5
Impianto pilota
5.1
Generalità
L’impianto pilota impiegato per la sperimentazione (Figura 5.1) è stato messo a disposizione dall’azienda ITALPROGETTI Engineering SpA ed è situato in località Capanne nel comune di Montopoli Val d’Arno (Pi).
Figura 5.1: Veduta complessiva dell’impianto pilota
L’impianto, di cui in Figura 5.2 si riporta il flow-sheet, si può suddividere in tre sezioni principali:
Alimentazione e preriscaldamento; Gassificatore;
F ig u ra 5 .2 : F lo w -s h e e t d e ll ’i m p ia n to p il o ta d i g a ss if ic a zi o n e
5.2
Sezione di alimentazione
La biomassa viene caricata nella tramoggia D01 (Figura 5.3) da cui, mediante una coclea, è introdotta nella camera di gassificazione. La portata di alimentazione è regolata da un inverter (SIC01) che agisce sul numero di giri del motore elettrico.
La tramoggia è inoltre dotata di un misuratore di livello a quadro (LTI01) con allarme di minimo e di uno scuotitore automatico ad azionamento pneumatico (A01), per evitare la formazione di impaccamenti.
Figura 5.3: Tramoggia di alimentazione
Nell’impianto pilota è stato inoltre previsto un sistema di recupero del calore dei fumi uscenti dal reattore: questi fluiscono in controcorrente con l’aria in ingresso da preriscaldare in uno scambiatore a doppio tubo coibentato (Figura 5.4).
A seconda delle esigenze, tuttavia, il suddetto scambiatore può essere bypassato alimentando l’aria direttamente al reattore, tramite il bocchello che nel flow-sheet di Figura 5.2 si trova in corrispondenza della termocoppia TIR11.
MOTORE COCLEA SCUOTITORE AUTOMATICO A01 MISURATORE DI LIVELLO LTI01
Figura 5.4: Scambiatore di preriscaldamento dell’aria
5.3
Sezione di reazione
Il gassificatore è predisposto per operare in letto fisso in configurazione up-draft e viene alimentato dalla coclea ad un’altezza di circa 1 m dalla griglia di supporto del letto. La colonna di gassificazione è stata completamente coibentata con lana di ceramica per evitare dispersioni di calore e garantire così l’autotermicità del processo di gassificazione.
Il gassificatore (Figura 5.5) può essere diviso in tre sezioni: sezione di allontanamento gas;
sezione di gassificazione; sezione di raccolta ceneri.
INGRESSO ARIA USCITA FUMI INGRESSO FUMI USCITA ARIA
Figura 5.5: Veduta globale (sx) e della parte strumentata (dx) della colonna di gassificazione
5.3.1 Sezione di allontanamento gas
Costituisce la parte più alta della colonna ed è composta da due sezioni tubolari disposte in verticale, raccordate tra loro da una sezione troncoconica.
Questa sezione è adibita alla separazione tra i gas che escono dalla testa della colonna e le particelle più pesanti.
5.3.2 Sezione di gassificazione
E’ costituita da una colonna troncoconica lunga 1,46 m ed avente il diametro più grande di 0,168 m e più piccolo di 0,139 m.
Il gassificatore è dotato di otto termocoppie (TIR01-08): le prime due distano 15 cm l’una dall’altra, mentre le successive 7 cm. Per indicare la temperatura di reazione è
A L L O N T A N A M E N T O G A S G A S S IF IC A Z IO N E R A C C O L T A C E N E R I CONDOTTO ALIMENT. GPL SISTEMA MOVIMENTAZ. GRIGLIA A02 TERMOCOPPIE TIR01-TIR08
stata considerata la lettura della prima termocoppia (TIR01), posta a ~5 cm dal fondo del reattore, essendo la più vicina alla zona di formazione del letto di reazione.
Sul fondo è prevista una griglia con asole di 4 mm e passo 8 mm, che separa tale sezione dalla parte sottostante e che svolge una triplice funzione:
permette alle particelle di cenere di cadere nella sezione di raccolta; permette l’accumulo di fango necessario alla formazione del letto; garantisce una migliore distribuzione del flusso di aria al letto.
Per evitare l’impaccamento della griglia è stato previsto un pettine ad azione pneumatica (A02), comandabile a quadro, che scorrendo negli interstizi della griglia favorisce la discesa delle ceneri nella sezione sottostante.
Figura 5.6: Disegno del pettine e della griglia con asola di 4 mm e passo 8 mm (sx) e veduta della griglia dall’alto (dx)
Nella zona al di sotto della griglia si alimenta aria aspirata per mezzo di un ventilatore (P01) predisposto a valle dell’impianto; tale portata è misurata per mezzo di un flussimetro (FTIRC01). Il controllo della portata viene effettuato basandosi sul valore rilevato dal flussimetro, ed agendo quindi, mediante un inverter, sulla frequenza della soffiante.
Sotto la griglia è inoltre saldato un tubo di dimensioni maggiori (Figura 5.5) necessario nella fase di accensione, che avviene mediante l’utilizzo di una fiamma alimentata a GPL.
TERMOCOPPIA TIR01 TERMOCOPPIA
Figura 5.7: Veduta interna dal basso della colonna di gassificazione
5.3.3 Sezione di raccolta ceneri
Tale sezione è costituita da una camera con un volume pari a ~0,23 m3 ed ha il compito di raccogliere le ceneri che si formano durante la gassificazione. E’ inoltre dotato di un’apertura per la rimozione delle ceneri.
5.4
Sezione di depurazione del gas prodotto
I gas in uscita dal gassificatore sono inviati ad un ciclone (D04) (Figura 5.8) che ha il compito di rimuovere le particelle solide più pesanti trascinate dalla corrente stessa. La temperatura del gas è misurata mediante la termocoppia TIR10 posta a ~20 cm dall’ingresso del ciclone.
Il trattamento successivo è costituito da un decantatore (D05) (Figura 5.8) accoppiato ad un venturi scrubber (S01) (Figura 5.8). Il funzionamento di questa sezione risulta il seguente: i gas passano all’interno del venturi scrubber nel quale vengono a contatto in equicorrente con parte dell’acqua di riciclo del serbatoio D02, che contiene l’acqua chiarificata proveniente dal decantatore D05 che viene iniettata attraverso l’ugello nebulizzatore. La corrente gassosa, che ha ceduto parte del tar e delle polveri, la cui aggregazione viene promossa dall’acqua nebulizzata, passa attraverso il decantatore D05. In questa apparecchiatura, la corrente gassosa si separa verso l’alto, mentre nella
TERMOCOPPIA TIR06 TERMOCOPPIA TIR07 TERMOCOPPIA TIR08 INGRESSO COCLEA
parte conica inferiore si raccoglie l’acqua di lavaggio trascinata, contenente gli inquinanti, che viene convogliata nel serbatoio D202.
La movimentazione dell’acqua di lavaggio di questa prima parte della sezione di depurazione è assicurata dalla pompa G01. A protezione dell’ugello da 20 µm è stato previsto il filtro in acciaio inox F01 da 60 µm.
Figura 5.8: Prima parte della sezione di depurazione del gas di sintesi
Il gas in uscita dal decantatore è alimentato allo scrubber C01 (Figura 5.9), in cui subisce un lavaggio con acqua in controcorrente. Per aumentare la superficie di contatto tra l’acqua e il gas, lo scrubber è provvisto di un riempimento di circa 1 m di altezza, costituito da anelli in materiale polimerico con diametro di circa 3 cm.
L’acqua impiegata nel lavaggio è ricircolata continuamente mediante una pompa (G02) e diffusa all’interno dello scrubber mediante un ugello a spirale. Tale ugello funziona secondo il principio della deflessione del getto, deviato da una superficie con profilo a spirale che determina l’angolo di spruzzo; inoltre non è soggetto a rischio di occlusione.
VENTURI SCRUBBER S01 DECANTATORE D05 CICLONE D04 SERBATOIO D02
di liquidi altamente viscosi. A protezione dell’ugello dello scrubber è stato previsto il filtro F02 da 20 µm.
Figura 5.9: Seconda parte della sezione di depurazione del gas di sintesi
Gli effluenti gassosi in uscita dallo scrubber passano nel serbatoio D03 (Figura 5.9), contenente un riempimento metallico, dove avviene la condensazione dell’eventuale acqua di lavaggio trascinata e delle condense.
Per proteggere il ventilatore da eventuali trascinamenti o residui solidi, è stato inoltre predisposto, dopo il serbatoio D03, il filtro F03.
Una volta uscito dal suddetto filtro, il gas attraversa il ventilatore (P01) (Figura 5.10), che permette la circolazione della corrente gassosa all’interno dell’impianto stesso.
FILTRO F02 SCRUBBER C01 SOFFIANTE P01 SERBATOIO D03 FILTRO F03 FLUSSIMETRO FTIR01
Sul ramo di mandata del ventilatore sono stati inoltre predisposti il flussimetro FTIR02, per la misura della portata in uscita, e una valvola rompifiamma.
Figura 5.10: Ventilatore P01
Parte della portata di syngas in uscita dall’impianto viene convogliata alla sezione di analisi, dove, tramite il gas-cromatografo e lo spettrometro di massa, viene determinata la sua composizione.
Il gas che viene alimentato alla sezione di analisi, che è saturo di acqua, oltre ad abbassare il potere calorifico del gas stesso, rischia di compromettere la strumentazione stessa, dal momento che le colonne capillari del gas-cromatografo sono dotate di una fase stazionaria che assorbe acqua. Per ovviare a questo problema sono stati posti due appositi filtri (Figura 5.11) in serie capaci di deumidificare il gas.
5.5
Gestione dell’impianto
Le funzioni principali e i parametri dell’impianto sono controllati e monitorati mediante un pannello di controllo touch screen (Figura 5.12).
Figura 5.12: Pannello di controllo touch screen
Dal pannello di controllo è possibile monitorare i seguenti parametri:
• le temperature all’interno del gassificatore mediante le otto termocoppie (TIR01-08) poste lungo la colonna di reazione;
• la temperatura del gas prodotto prima dell’ingresso nello scambiatore di calore (TIR09);
• la temperatura del gas prodotto prima dell’ingresso nel ciclone (TIR10); • la temperatura dell’aria prima dell’ingresso nel reattore (TIR11);
• la temperatura del gas prodotto prima dell’ingresso nello scrubber (TIR13); • la differenza di pressione dopo il ciclone (PTIR01);
• la portata di aria in ingresso al gassificatore (FTIRC01); • la portata del gas prodotto in uscita dall’impianto (FTIR02).
Inoltre dal touch screen è possibile intervenire su:
• l’accensione e lo spegnimento della pompe del venturi scrubber (G01) e dello scrubber (G02);
• l’accensione e lo spegnimento del ventilatore (P01);
• l’accensione e lo spegnimento della coclea di alimentazione dei fanghi; • variazione del numero di giri del motore della coclea;
• variazione del numero di giri del motore del ventilatore; • movimentazione del pettine della griglia (A02);
• azionamento dello scuotitore della coclea (A01).
Tutti i parametri monitorati vengono registrati da un programma, collegato direttamente al pannello di controllo dell’impianto mediante una rete locale.
Il controllo dell’impianto può essere settato in due modalità:
• manuale: si interviene manualmente sui parametri manipolabili dell’impianto; • automatica: si imposta la modalità automatica dell’impianto settando la quantità
d’aria necessaria al processo, che viene mantenuta costante da un regolatore PID capace di agire sul numero di giri del motore della soffiante.
