PRODUZIONE DI ENERGIA DA BIOMASSE TRAMITE PIROLISI: REALIZZAZIONE DI UN MODELLO MATEMATICO E PROVE SPERIMENTALI IN UN IMPIANTO DIMOSTRATIVO

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1 PRODUZIONE DI ENERGIA DA BIOMASSE TRAMITE PIROLISI: REALIZZAZIONE DI UN MODELLO MATEMATICO E PROVE SPERIMENTALI IN UN IMPIANTO DIMOSTRATIVO Premessa Per migliorare la qualità dell'ambiente e contemporaneamente risparmiare le risorse di combustibili fossili, sta diventando sempre più urgente il ricorso alle fonti energetiche rinnovabili per la produzione di energia (biomasse, eolico, fotovoltaico, rifiuti). Infatti le energie rinnovabili permettono di utilizzare risorse senza pregiudicarne la disponibilità per il futuro [1]. Tra le risorse rinnovabili la biomassa rappresenta una delle fonti energetiche più abbondanti nel pianeta, è particolarmente versatile e possiede un potere calorifico abbastanza elevato [2]. A questo si aggiunge la necessità di individuare una nuova tecnologia per lo smaltimento e il recupero della frazione organica dei rifiuti, sia urbani che speciali, che tenga conto delle esigenze di salvaguardia ambientale e della salute umana e nel contempo comporti un abbattimento dei costi di investimento e di gestione [1]. Molte tecnologie sono state sviluppate per convertire la biomassa in energia, tra le quali la combustione diretta, la digestione anaerobica, la gasificazione e la pirolisi. In funzione delle caratteristiche della biomassa e della tecnologia utilizzata è possibile ottenere energia termica, combustibili gassosi (syngas), o liquidi (olio di pirolisi) [2]. L'Unione Europea da oltre 25 anni incoraggia la studio e lo sviluppo di tecnologie per la gasificazione e la pirolisi della biomassa, anche in vista del raggiungimento degli obiettivi proposti per la riduzione delle emissioni di gas-serra [3]. La Maim Engineering S.r.l. dal 2005 opera nel campo delle energie rinnovabili ed ha portato avanti un'interessante attività di sperimentazione e ricerca sulla pirolisi lenta, umida e catalitica, per il trattamento ed il recupero di scarti a matrice organica di qualsiasi origine. Tale attività si è concretizzata nella creazione di un modello matematico per progettazione di massima degli impianti di pirolisi e la previsione dei prodotti del processo. Contemporaneamente è stato realizzato un impianto in scala pilota, a scopo dimostrativo e per la sperimentazione volta a definire i parametri di processo (soprattutto fluidodinamici e cinetici) necessari per il dimensionamento di impianti su scala più ampia. L impianto dimostrativo, progettato dalla Maim Engineering srl e realizzato dalla AIT srl, è in grado di trattare fino a 20 kg/h di materiale a matrice organica con la produzione di un gas combustibile composto essenzialmente da idrogeno, ossido di carbonio ed idrocarburi leggeri. Il tipo di gas che si produce può essere facilmente bruciato senza danni per l ambiente contribuendo anche alla valorizzazione energetica di qualsiasi rifiuto a matrice organica, come è il caso della pollina [1] o di qualsiasi altra biomassa. Di seguito si riportano una breve presentazione della tecnologia ed i risultati ottenuti dall impianto sperimentaledimostrativo utilizzando diversi materiali: scarti di origine animale (pollina e letame di 1

2 vacca), fanghi di depurazione, rifiuti agroindustriali (sanse), plastica. Descrizione del processo [1] Il processo di pirolisi lenta, umida e catalitica, dopo le reazioni di cracking della matrice organica conduce alla produzione di un syngas composto principalmente da idrogeno e monossido di carbonio, più un residuo a matrice carboniosa (biochar). Il materiale secco è alimentato al reattore (3 in fig. 1) attraverso la tramoggia (1) e la coclea (2). Il reattore (3) è costituito da un tubo in acciaio inox (AISI 316L) resistente ad alte temperature, il suo diametro è di 0,40 m ed è lungo 1,0 m; viene fatto ruotare intorno al suo asse alla velocità di 1 rotazione/min. La rotazione è sufficiente a far avanzare la biomassa consentendo un tempo di permanenza di circa 1 ora. Particolare cura è stata posta nella realizzazione delle tenute del reattore, in modo da ridurre al massimo il trascinamento di aria. Il tubo esterno, del diametro di 1,0 m, è rivestito internamente con uno strato di mattoni refrattari e lana di roccia, per uno spessore complessivo di 20 cm. In una camicia coassiale al reattore (4) circola un gas combusto a circa 700 C. Il fumo caldo usato per il riscaldamento del reattore viene prodotto, nella fase iniziale del processo, con dei bruciatori a GPL, mentre durante il normale esercizio dell'impianto a regime può essere utilizzato una parte del syngas depurato prodotto dallo stesso impianto. Un sistema di controllo automatico tiene costantemente il reattore alla temperatura di 450 C e alla pressione atmosferica, agendo sulla portata di GPL e di syngas. Il gas prodotto viene estratto in continuo da un aspiratore a canali laterali (10) che tiene il sistema costantemente alla pressione atmosferica, con uno scarto di pochi mbar. È inviato dapprima in una zona di calma (5), dove gli inerti ed il biochar vengono scaricati attraverso una valvola rotativa (6). Quindi è inviato ad un ciclone depolveratore (7) dove vengono separati i solidi residui, costituiti da una finissima polvere a matrice carboniosa. Viene quindi raffreddato con acqua in un quench quasi adiabatico (8), in cui la temperatura passa quasi istantaneamente da 450 C a 45 C, lavato in uno scrubber ad umido in controcorrente (9) per eliminare le impurità residue e, dopo essere passato attraverso una guardia idraulica (11) può essere scaricato all esterno per essere bruciato in torcia (11), oppure essere accumulato in un serbatoio per gas (12) per essere poi utilizzato, alla pressione di circa 150 mbar, per alimentare un motore a combustione interna (13). 2

3 Figura 1 - Schema di processo di un impianto di pirolisi In un impianto su scala industriale le acque di lavaggio calde (circa 40 C) uscenti dalla torre di lavaggio e dal quench, contenenti i solidi residui, possono essere inviate ad un decantatore, dove avviene la separazione dall acqua calda chiarificata. In questo caso i fanghi verranno rimossi dal fondo mediante pompa ed inviati alla tramoggia di carico del reattore pirolitico. L'acqua depurata viene raffreddata e inviata nuovamente al sistema di lavaggio. Oltre alla biomassa, viene alimentata anche acqua fino al 30% in peso del materiale alimentato secco. Per favorire le reazioni di pirolisi, si è operato in atmosfera umida ed in presenza di catalizzatori. Ciò, malgrado le temperature di processo siamo relativamente basse, ha consentito di elevare la portata di gas di pirolisi arricchiendolo di idrogeno e ossido di carbonio, ridurre la quantità del residuo solido e annullare la produzione del bio-olio. Nella figura seguente è visibile l impianto dimostrativo come si presenta oggi. Figura 2 - L'impianto dimostrativo di pirolisi 3

4 Risultati della sperimentazione La sperimentazione condotta è stata indirizzata allo studio della variazione della composizione e della quantità di gas prodotto in funzione di alcune variabili del processo. In particolare, fissata la temperatura di reazione (450 C), la presenza di catalizzatore e l'umidità dell'alimentazione (30%), si è scelto di indagare in che modo la qualità del materiale organico alimentato influisce sul rendimento complessivo del processo (quantità e composizione del gas prodotto). In tabella 1 sono riportate le caratteristiche dei diversi campioni utilizzati. Tabella 1 - Caratterizzazione delle biomasse alimentate Pollina Sansa Fanghi di depurazione Letame vaccino Plastica Unità di misura Carbonio (% peso) Idrogeno (% peso) Azoto (% peso) Zolfo (% peso) Ossigeno (% peso) Cloro (% peso) Inorganici (% peso) PCI (potere calorifico inferiore) kcal/kg Con tutti i campioni è stata verificata la possibilità di ottenere syngas con il processo individuato. La composizione del gas ottenuto ed il suo potere calorifico inferiore sono stati calcolati utilizzando il modello matematico sviluppato, e successivamente verificati mediante analisi di laboratorio del syngas prelevato dall impianto. I dati ottenuti sono riportati in tabella 2. Tabella 2 Composizione del syngas di pirolisi ottenuto durante la sperimentazione Fanghi di Pollina Sansa depurazione Letame vaccino Plastica Unità simulaz. analisi simulaz. analisi simulaz. analisi simulaz. analisi simulaz. analisi H 2 51,68 58,05 40,33 40,7 41,08 41,43 15,24 15,92 48,45 39,50 (%volume) CO 13,49 12,2 11,65 10,0 11,64 11,21 14,61 14,91 10,04 10,00 (%volume) CO 2 11,79 10,5 11,88 10,5 20,79 24,48 19,23 19,24 9,11 9,15 (%volume) CH 4 4,98 5,06 3,79 13,5 10,33 10,52 11,4 14,69 8,93 9,40 (%volume) C 2 H 6 1,42 0,89 3,29 3,75 1,84 1,66 2,53 4,07 6,69 6,15 (%volume) C 3 H 8 /C 4 H 10 2,49 2,51 7,58 9,5 4,3 4,1 13,3 16,81 11,157 12,40 (%volume) N 2 and other gas 4,57 9,69 4,87 12,2 4,71 5,5 2,51 9,63 0,59 13,20 (%volume) O 2 5,32 0,49 11,34 0,2 0 0,49 13,87 4,73 0,08 0,20 (%volume) 4

5 H 2 O (steam) 4,24 0,79 5,26 0,00 5,31 0,00 7,31 0,00 4,95 0,00 (%volume) LHV kcal/kg NOTE: * valore medio da varie prove sperimenatli ** valori perturbati da probabile ingresso di aria durante la prova Un confronto tra i valori ottenuti mediante simulazione matematica e da analisi chimica dei campioni è visibile, per le diverse matrici alimentate, nelle figure 1 5. Durante lo svolgersi delle prove non è stato mai ottenuto bio-olio, se non piccoli aggregati catramosi, che sono stati ritrovati nella vasca di raccolta delle acque di lavaggio dopo un numero consistente di prove. Questi dati, insieme allo studio teorico del processo, hanno consentito la taratura di un modello matematico che, in corrispondenza dei vari dati di input immessi, produce come output un foglio elettronico, utilizzabile per determinare il bilancio di materia e di energia del sistema pirolitico e la progettazione di massima di tutto l'impianto. Figura 3 - Composizione del syngas da pollina (%) Figura 5 - Composizione del syngas da fanghi di depurazione Figura 4 -Composizione del syngas da sanse olearie Figura 6 - Composizione del syngas da letame vaccino (%) 5

6 Figura 7 - Composizione del syngas da coriandolato di plastica (%) Impatti ambientali Gli impatti prodotti dall'impianto sono molto modesti. Il modello matematico prodotto consente di stimare quantità e qualità dei residui solidi liquidi e gassosi prodotti dall'impianto. Durante le prove sperimentali, alimentando l'impianto con pollina si sono attenuti i seguenti residui solidi: BIOCHAR: 10% kg/h INERTI: 10-13% (in funzione degli inerti contenuti nella pollina) Il maggiore impatto, relativo all esercizio dell impianto è rappresentato dalle emissioni gassose in atmosfera dei fumi di combustione. Nella tabella 3 è mostrata la composizione dei fumi di combustione prodotti dal sistema di riscaldamento dell'impianto e dai motogeneratori. Per ogni parametro sono stati messi a confronto i valori stimati da modello e quelli ottenuti tramite analisi di laboratorio (media tra i valori ottenuti da due campioni di fumo). Tabella 3 - Composizione dei fumi di combustione (valori medi) Sistema di riscaldamento del reattore Concentrazione limite secondo la normativa italiana (D.Lgs n. 152/06) impianti riscaldati a gas di sintesi * Motogeneratori Concentrazione limite secondo la normative italiana (D.Lgs n. 152/06) motogeneratori Flow rate (Nmc/h) Temperature (K) Density (kg/mc) Umidity(% v/v) Dust (mg/nmc) CO2 (mg/nmc) CO (mg/nmc) < NO2 tot (mg/nmc) SO2 (mg/nmc) < O2 (%) TOC (mg/nmc) NH3 (mg/nmc) < < IPA (mg/nmc) As+Cd+Co+Cr+Hg+Ni+Pb (mg/nmc) * Valori previsti per impianti con potenza termica <3 MW <

7 L'impatto visivo è minimo e per un impianto in scala industriale è legato alla presenza di un gasometro per il syngas, un camino per l'emissione degli off-gas, che possono avere altezze superiori ai 4 m. La figura 9 mostra la simulazione visiva fatta per un impianto di potenza pari a 150 kw. Figura 8- Rendering for a 150 kw plant [4] L'impatto acustico è legato principalmente alla presenza del motogeneratore, dell'aspiratore e delle pompe di ricircolo dell'acqua. Da una stima fatta per un impianto industriale di potenzialità di 3,6 MW, la rumorosità non supererebbe i 60 db(a), perfettamente compatibili con l'installazione in una zona industriale secondo la normativa in vigore [5]. Conclusioni Dai risultati ottenuti si può evidenziare l elevato contenuto di idrogeno e l'elevato potere calorifico nel syngas prodotto per tutte le biomasse utilizzate. La composizione dei fumi di combustione ed in particolare l'assenza di incombusti,polveri sottili, e diossine, evidenzia la notevole potenzialità del processo proposto anche dal punto di vista ambientale. Il processo proposto è in grado di trattare quantità notevoli di materiale, a matrice organica, con modestissimo impatto ambientale. Il quadro economico non viene qui analizzato, ma è estremamente positivo consentendo in media tempi di ritorno inferiori a 5 anni [5]. La notevole modularità garantisce l'adattabilità dell impianto sia a piccoli produttori di scarti organici (caseifici ed altre piccole realtà produttive), sia a strutture di notevoli dimensioni (amministrazioni pubbliche per lo smaltimento di rifiuti urbani, impianti di depurazione, grossi impianti di allevamento). Ringraziamenti La ricerca è condotta con il supporto e la collaborazione della Maim Engineering e dell ing. Mario Cruccu (Cagliari, Sardegna) e cofinanziata con fondi a valere sul POR Sardegna FSE sulla L.R.7/2007 Promozione della ricerca scientifica e dell innovazione tecnologica in Sardegna (L.R.7/2007). 7

8 Bibliografia 1. Mario Cruccu, Impianto dimostrativo di pirolisi 2. Brett Digman, Hyun Soo Joo, Dong-Shik Kima, Recent Progress in Gasification/ Pyrolysis Technologies for Biomass Conversion to Energy 3. A.V.Bridgewater, Bio-Energy Research Group, Aston University, The future for biomass pyrolysis and gasification: status, opportunities and policies for Europe. 4. Maim Engineering, Impianto per la produzione di energia da rifiuti industriali pericolosi e non pericolosi. Studio di impatto ambientale. 5. Maim Engineering, Impianto per la produzione di energia elettrica da biomasse. Progetto esecutivo. 6. Comitato Termotecnico Italiano, Atti del convegno Valorizzazione della pollina a fini energetici e ambientali Problemi e prospettive 7. Direttiva 2008/98/EC del Parlamento Europeo 8. OECD/IEA - International Environmental Agency, Biomass for Power Generation and CHP. 8

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