Sapienza Università di Roma

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1 Sapenza Unverstà d Roma Dottorato n Energetca XXV Cclo a.a. 2011/2012 Svluppo d un modello d smulazone per mpant d gassfcazone a bomassa Dottoranda Docente tutor C. De Sants Prof. A. Navglo

2 INDICE Indce... 2 Indce delle Fgure... 4 Introduzone... 6 Conversone Termochmca delle Bomasse Le bomasse Pro e contro dell mpego energetco delle bomasse Caratterstche delle bomasse La gassfcazone Fase d essccamento Fase d prols e process ossdo-rduttv d gassfcazone Stato Dell Arte Un po d stora Tpologe d gassfcator Caratterstche de gassfcator updraft e downdraft Caratterstche de reattor Meccansm d prols Chmca della gassfcazone Termodnamca della gassfcazone Equazon termo-fludodnamche Bblografa Il Modello Implementato Metodologa adottata

3 3.2 Peculartà del modello Prma fase: essccamento della bomassa Modello d prols Scelte modellstche Sstema d equazon Dscretzzazone spazale del reattore Struttura delle sngole slces Predzone della composzone del gas d prols Modello d gassfcazone Scelte modellstche Bblografa Rsultat Test Condott Funzonamento da prolzzatore Parametr sgnfcatv Smulazon Funzonamento da gassfcatore Parametr sgnfcatv Smulazon Concluson Schermate del Modello d Prols Schermate del Modello d Gassfcazone

4 INDICE DELLE FIGURE Fgura 1: prols e gassfcazone Fgura 2: macchna Adler con gassfcatore, del Fgura 3: schematzzazone d un letto fludo e Foto d un mpanto a letto fludo crcolante a lunen, Germana Fgura 4: reattor a letto fsso Fgura 5: schema gassfcatore downdraft Fgura 6: zone d reazone ne gassfcator n controcorrente Fgura 7: zone d reazone n un gassfcatore n equcorrente Fgura 8: prmo modello d reazon nella prols (da Antal, M.J. Varheg, G. 1995) Fgura 9: successvo modello d reazon nella prols (da Antal, M.J. Varheg, G. 1995) Fgura 10: ulterore modello d reazon d prols (da Antal, M.J. Varheg, G. 1995) Fgura 11: reazon prmare d prols Fgura 12: reazon secondare d prols Fgura 13: temperatura adabatca d reazone Fgura 14: energa trasferta al gas Fgura 15: composzone tpca de tar Fgura 16: dscretzzazone spazale confgurazone n equ-corrente Fgura 17: dscretzzazone spazale confgurazone n contro-corrente Fgura 18: andamento del rapporto R Fgura 19: andamento del rapporto R Fgura 20: profl d temperatura della fase solda [ C] a regme

5 Fgura 21: profl d temperatura del soldo [ C] Fgura 22: proflo d concentrazone del char [kg/m 3 ] Fgura 23: profl d concentrazon del syngas [kg/nm 3 ] Fgura 24: profl d concentrazone del Metano e dell drogeno [kg/nm 3 ] Fgura 25: profl d concentrazone del monossdo e dell andrde carbonca [kg/nm 3 ] Fgura 26: schermata nzale modello d prols Fgura 27: dscretzzazone spazale Fgura 28: vettore Bomassa Fgura 29: vettore propretà fsche bomassa Fgura 30: vettore composzone bomassa Fgura 31: struttura del blocco che mplementa blanc Fgura 32: struttura del blocco che mplementa la prevsone della composzone del syngas Fgura 33: struttura del blocco che calcola rate d reazone e mplementa blanc d massa.. 67 Fgura 34: schermata nzale del modello d gassfcazone Fgura 35: dscretzzazone spazale gassfcatore Fgura 36: struttura del blocco che mplementa blanc d massa ed energa Fgura 37: struttura del blocco che mplementa blanc d massa Fgura 38: struttura del blocco che calcola la composzonedel syngas

6 INTRODUZIONE La gassfcazone è un processo d conversone termca nel quale materal combustbl sold contenent carbono e drogeno vengono ossdat solo parzalmente n modo da ottenere la produzone d combustbl gassos. La gassfcazone può utlzzare pressoché qualsas materale organco, comprese le bomasse e rfut plastc e l utlzzo del processo d gassfcazone per la produzone d combustbl appare n prospettva estremamente vantaggoso dal momento che rendment teorc global d conversone energetca sono stmat ntorno al 75-80%. La gassfcazone d bomasse, n partcolare, rappresenta una delle tecnologe pù versatl ed economche e può avere un ruolo sgnfcatvo nell'ambto dell'energa rnnovable, spece n un ottca d contrasto a cambament clmatc. La gassfcazone stessa e la successva combustone de successv process correlat, nfatt, non nfluenzano l blanco del carbono, dal momento che non provocano l emssone d gas ad effetto serra, fatta eccezone per l dossdo d carbono, remesso n quanttà non superore alla quanttà precedentemente assorbta dalle bomasse stesse durante la loro vta bologca. Attualmente la gassfcazone delle bomasse su scala ndustrale è tuttava poco dffusa nel mondo: la rcerca ha computo, non solo n ann recent ma gà negl 70 e 80, enerm pass avant nella conoscenza e nella comprensone de fenomen mentre relatvamente meno ncoraggant sono stat, fnora, tentatv d ngegnerzzare tal conoscenze allo scopo d realzzare soluzon mpantstche performant, economche e, soprattutto, affdabl. In quest ottca è d fondamentale mportanza lo svluppo d software d modellazone che rescano a combnare n manera ottmale tant parametr n goco ne process d gassfcazone, da quell costruttv (dmenson e confgurazone de reattor) a quell tpc della gestone d un reattore (rapporto ara/combustble, rapporto vapore/combustble, temp d permanenza, etc..). 6

7 Lo svluppo d modell affdabl per la predzone del comportamento dnamco de reattor consentrebbe, ad esempo: d effettuare stud d fattbltà per la prevsone de rendment d conversone energetca; d realzzare stud d senstvtà per l ndvduazone e l mantenmento d stabl condzon d processo ottmal, d condurre stud delle dnamche de reattor a fn del mantenmento de reattor stess all nterno d condzon operatve d scurezza, d effettuare stud delle dnamche de reattor a fn della gestone delle fas d startup e turndown de gassfcator. d prevedere gl output del processo n operazon non controllate; d prevedere quando le operazon rschano d dventare percolose o nscure, ad esempo quando la temperatura del reattore dventa troppo alta. Obettvo dell attvtà oggetto della presente trattazone è stato quello d svluppare un modello d smulazone d process d gassfcazone n letto fsso che consentano un anals delle prestazon d svarate tpologe d reattor n dverse condzon d gassfcazone. Ne captol seguent s rporta, oltre alla descrzone de fenomen e dello stato dell arte, una descrzone del modello svluppato, evdenzando n partcolare le potes semplfcatve adottate e le sue potenzaltà. Sono po mostrat alcun rsultat ottenut col modello mplementato. 7

8 CAPITOLO 1 CONVERSIONE TERMOCHIMICA DELLE BIOMASSE 1.1 LE BIOMASSE Con la parola bomassa s ndca ogn materale d orgne bologca e dunque legato alla chmca del carbono; n altr termn s può far rfermento ad ogn sostanza che derva drettamente o ndrettamente dalla fotosntes clorofllana escludendo da tale defnzone le sostanze che s presentano n forma fossle. Dal punto d vsta normatvo, l Decreto legge 29 dcembre 2003, n. 387 (spesso ndcato come Testo Unco Ambentale), defnsce bomassa la parte bodegradable de prodott, rfut e resdu provenent dall agrcoltura (comprendente sostanze vegetal ed anmal) e dalla slvcoltura e dalle ndustre connesse, nonché la parte bodegradable de rfut ndustral ed urban. In queste defnzon rentrano un ampa varetà d sostanze che possono essere suddvse nelle seguent categore: bomassa da colture energetche: alber o cespugl appostamente coltvat a fn energetc (poppo, eucalptus, salce, mschantus, sorgo dolce, etc.); resdu forestal: frascame, ramagle, foglame e resdu var dervant dalla manutenzone de bosch; resdu agrcol: resdu dervant da fattore e azende agrcole (pagla, bagassa, pante sradcate, potature, etc.); reflu zootecnc: sostanza organca prodotta da allevament anmal (letame, fangh d lavaggo delle stalle, etc.); resdu agrondustral e dell ndustra almentare: sostanze d scarto dervant da process produttv (sanse, vnacce, lolla d rso, gusc d noccole e mandorle, etc.); 8

9 rfut sold urban: la sola parte organca; resdu ndustral, urban e altro: scart legnos provenent da ndustre d lavorazone del legno, dal legno urbano, reflu cvl, etc. S può affermare che la bomassa è la forma pù sofstcata d accumulo dell energa solare: nfatt la fotosntes clorofllana avvene graze all azone dell energa solare che raggunge la Terra; senza d essa non avrebbe luogo. L utlzzo energetco delle bomasse è una pratca da sempre esstta, e anz esse le bomasse hanno rappresentato la prma fonte energetca utlzzata dall uomo (oltre alla propra), e sono tutt ogg una delle pù dffuse, occupando una quota par all ncrca al 10% dell energa utlzzata nel mondo PRO E CONTRO DELL IMPIEGO ENERGETICO DELLE BIOMASSE Vantagg Se gestte n manera sostenble, le bomasse rappresentano una fonte rnnovable, dunque la loro dsponbltà è pratcamente eterna. Inoltre dal punto d vsta delle emsson d andrde carbonca (CO 2 ) n atmosfera, l loro mpego per scop energetc fornsce un contrbuto pratcamente nullo d gas ad effetto serra, ovvero la quanttà d CO 2 che vene emessa durante l loro utlzzo è crca par alla quanttà che esse stesse hanno assorbto dall atmosfera durante l cclo d crescta. La stessa quanttà d CO 2 peraltro verrebbe ugualmente emessa anche nel caso n cu una generca bomassa vensse lascata n campo, o ne bosch, poché marcendo e degradandos, emettono comunque la CO 2 che hanno assorbto, nseme ad altr gas serra (metano, CH 4, ad esempo). In un anals pù rgorosa, quale può essere quella cosddetta lfe cycle assessment (anals del cclo d vta), bsogna consderare anche le emsson d gas serra d tutte le attvtà collegate alla produzone, raccolta, trattamento, e trasporto della bomassa fno al punto d utlzzo. In effett dunque l contrbuto che l utlzzo energetco delle bomasse dà alla concentrazone d CO 2 n atmosfera, non è esattamente nullo; tuttava, n una gestone sostenble delle bomasse, tale contrbuto è decsamente trascurable. Le bomasse sono dsponbl n vare forme e spece, quas ovunque sulla Terra, dunque non rsentono delle crs nternazonal, che modfcano nvece pesantemente la dsponbltà e prezz del petrolo, del gas naturale e, pù n generale, d tutte le font fossl. L utlzzo energetco delle bomasse contrbusce alla rduzone della dpendenza dalle font fossl, partcolarmente forte n Itala. Se ben gestto, l utlzzo d bomasse a scop energetc, ha una rcaduta sul terrtoro nteressato, con la possbltà d creazone d una flera, che può contrbure all ncremento dell economa e allo svluppo del settore agrcolo. 9

10 Svantagg Le bomasse hanno un basso potere calorfco, l che sgnfca che per ottenere la stessa potenza ottenuta con una data quanttà d combustbl fossl, occorre utlzzare una quanttà d bomassa superore. Questo svantaggo è però quas sempre compensato dal mnor costo della bomassa rspetto a combustbl fossl. L almentazone d grosse central rchede un elevata quanttà d bomassa che, tranne cas partcolar, non può essere dsponble nelle vcnanze dell mpanto stesso. Questo mplca che c s debba approvvgonare altrove con aumento de cost d trasporto e delle emsson d gas serra. In genere l costo dventa non sostenble quando s superano dstanze d km dalla centrale, e questo costtusce un lmte sulla tagla degl mpant che s possono realzzare. Le emsson d partcolato durante la combustone, sono n generale pù elevate nel caso delle bomasse rspetto a combustbl tradzonal; tuttava va rcordato che normal sstem d abbattmento delle polver d cu gl mpant sono sempre dotat, sono pù che suffcent a mantenere le emsson ben al dsotto de lmt d legge. L organzzazone e la gestone degl mpant a bomasse rsulta pù complcata d quell a font fossl (possbltà d autocombustone delle scorte, contnutà d approvvgonamento, ecc.) CARATTERISTICHE DELLE BIOMASSE Composzone Le caratterstche delle bomasse sono ampamente varabl a causa della grande quanttà d sostanze che fanno capo a questa categora. Restrngendo l campo alle bomasse legnose ed erbacee, s possono ndvduare le sostanze pù comunemente present. In lnea d massma s possono ndcare le seguent percentual come termn d rfermento: lgnna 20-45%, cellulosa 30-45%, emcellulosa 25-35%; come s vede le percentual sono puttosto varabl, e questo è dovuto sa al tpo d materale consderato, sa alla parte che d tale materale s selezona (cortecca, foglame, ecc.). I tre compost appena ctat assolvono funzon dverse nelle pante. In partcolare: la cellulosa costtusce le mcrofbre che conferscono resstenza e stabltà alla panta; l emcellulosa tene nseme le vare mcrofbre conferendogl un orentamento preferenzale, formando coè le fbre pù grand normalmente vsbl ad esempo nel legno spaccato; la lgnna funzona da collante tra le vare fbre e rnforza noltre le dfese della panta contro l attacco d fungh e altr agent patogen. 10

11 Oltre a tre compost prncpal, nelle bomasse sono present n percentual varabl, anche altre sostanze qual terpen, grass, cere, tannn, e sal norganc. Dal punto d vsta degl element chmc present, l carbono è l elemento prncpale (40-52%), seguto dall ossgeno (41-51%), dall drogeno (5-7%), e nfne dall azoto e dallo zolfo, present n percentual che n genere non arrvano all 1%. Sono noltre sempre present altr element qual l potasso (K), l calco (Ca), e altr, che n genere rmangono nelle cener. La percentuale d cener dpende dal tpo d sostanze: n genere nelle bomasse legnose la percentuale è nferore al 5-6%, ma n alcun cas, e n altre tpologe d bomasse, s può arrvare anche al 20%. Umdtà Una delle caratterstche pù mportant dal punto d vsta dello sfruttamento energetco delle bomasse, è l contenuto d umdtà. Ogn bomassa contene, nfatt, una certa quanttà d acqua legata, ad esempo, alla lnfa presente nelle fbre del legno o nelle fogle, all acqua ntrappolata ne por present nella bomassa, o anche all acqua depostata sulla parte pù esterna delle pante a causa della pogga. Rapporto C/N Il rapporto tra l contenuto d carbono e azoto, ndcato con C/N è un parametro estremamente rlevante dal momento che fornsce ndcazon su quale sa l processo d conversone energetca mglore per un dato materale. Il carbono tende ad accumulars soprattutto nelle zone pù dure delle pante, quelle pù legnose; al contraro l azoto tende ad accumulars nelle part pù verd, nelle fogle, ne germogl, ne nuov ram. Inoltre l carbono è una sostanza combustble, mentre l azoto è un elemento nerte. Questo sgnfca che bomasse nelle qual la frazone d carbono non è suffcentemente elevata rspetto a quella d azoto, non possono essere mpegate n process termochmc: n lnea generale affnché una bomassa possa essere effcentemente convertta con process termochmc è necessaro che l rapporto C/N rsult superore a 30. Denstà della bomassa e frazone d vuoto Esprme la massa d materale che s trova n una untà d volume. Può essere espressa come denstà fsca del materale, o come denstà apparente. La denstà fsca ndca la denstà vera e propra del materale che, per bomasse legnose, osclla soltamente tra 600 e 900 kg/m 3 ; la denstà apparente tene nvece conto de vuot che rmangono e che, però, aumentano l volume occupato dalla bomassa. Tenendo dunque conto anche del volume vuoto, la denstà apparente rsulta dunque pù bassa d quella fsca. La denstà apparente dpende dal materale consderato e dalla sua pezzatura. 11

12 Contenuto d sostanze volatl Quando la bomassa vene rscaldata, legam che tengono nseme le vare sostanze nzano a rompers, e tal compost vengono lberat dalla matrce solda andando a formare nuov compost gassos. Quest compost gassos rlascat durante la fase d devolatlzzazone della bomassa, sono dett sostanze volatl. Le sostanze volatl sono l componente fondamentale della bomassa, anche solda, rappresentandone crca l 70-90% del peso. Le temperature d formazone delle sostanze volatl, sono relatvamente basse ( C), e l loro rlasco è molto rapdo. Sono essenzalmente composte da gas combustbl (CO, H 2, C x H y ), da CO 2, da vapore acqueo, e da altre sostanze genercamente ndcate come TAR (catram, sal, ecc.). 1.2 LA GASSIFICAZIONE Il processo d gassfcazone permette la trasformazone d combustbl eterogene come le bomasse n un gas che può essere utlzzato, a seconda delle caratterstche, n mpant per la produzone d energa, n turbne a gas o trasformato secondo opportun trattament, al fne d ottenere combustbl lqud come l metanolo. Il processo nel complesso è composto da tre fas prncpal: una fase d essccamento, n cu l umdtà contenuta nella bomassa evapora; la bomassa entrante lbera sotto forma d vapore l acqua presente nella propra struttura molecolare. una fase d prols (endotermca): quando la bomassa vene rscaldata a crca C, essa s decompone dando luogo ad un resduo soldo (CHAR) composto da C pratcamente puro (se s trascurano pccole tracce d altr element del tutto nnfluent a fn del processo) e lberando CO, CO 2, H 2 O, CH 4 e H 2 (gas d prols), oltre ad una mscela d drocarbur pesant condensabl (TAR), per la quale s stma una composzone chmca meda del tpo CH α O β. una fase d gassfcazone propramente detta, ossa la conversone n gas della parte solda precedentemente ottenuta dalla prols. Alla fase d gassfcazone concorrono una sere d reazon d rduzone (sa reazon endotermche che esotermche) e d ossdazone (reazon fortemente esotermche) FASE DI ESSICCAMENTO L umdtà nfluenza n manera sgnfcatva le reazon d combustone e modfca la rpartzone tra dvers prodott. Per questo motvo è necessaro conoscere n manera approfondta l prmo processo che combustbl ncontrano all ngresso nell apparecchatura: l essccamento. 12

13 L acqua è contenuta all nterno della bomassa n due dfferent mod, come acqua legata e come acqua nterstzale. L nfluenza del fenomeno d essccamento sul processo globale d prols e gassfcazone della bomassa può essere descrtto n mod dvers. Una prma metodologa consste nel supporre che l essccamento sa un fenomeno estremamente veloce e nel tenere conto del calore sottratto alla bomassa per la vaporzzazone attraverso una quanttà costante n fase d blanco termco. Nella seconda metodologa l fenomeno vene descrtto come se fosse una reazone chmca attraverso una cnetca del prmo ordne rspetto all umdtà contenuta nella partcella. La costante cnetca è legata alla temperatura da una relazone che segue l modello d Arrhenus. Nel terzo caso s utlzza una relazone d tpo algebrco per descrvere l andamento della temperatura del combustble n funzone dell umdtà contenuta. Il quarto metodo è detto modello d dffusone e derva da rcerche che rguardano l essccamento del legno a temperature nferor a 200 C. Il moto dell acqua nterstzale e del gas attraverso la partcella vene descrtto attraverso una forma modfcata della legge d Darcy ed l movmento dell acqua legata attraverso un processo d dffusone FASE DI PIROLISI E PROCESSI OSSIDO-RIDUTTIVI DI GASSIFICAZIONE S ndca col termne d prols la decomposzone per va termca d un combustble n assenza d un agente ossdante (tranne quello eventualmente gà presente nel combustble), con la fnaltà d decomporre la matera prma n una frazone solda (char) e una volatle composta da sostanze condensabl (tar) e da gas. Il processo d prols consste nella degradazone termca della bomassa n assenza d un agente ossdante e conduce alla formazone d tre sottoprodott: 1. Un resduo soldo carbonoso detto CHAR con formula bruta CH O : parametr e dpendono dalla composzone della bomassa utlzzata e dalle condzon n cu avvene la prols ma generalmente sono molto pccol, prossm a zero. 2. Un gas d prols composto da: vapor d acqua, CO 2,CO, H 2, CH 4 e altr drocarbur legger (ncondensabl). 3. Una frazone volatle composta da una dstrbuzone d drocarbur pù pesant (condensabl), dett TAR. Le condzon alle qual vene condotta la prols rsultano partcolarmente rlevant per l processo: a seconda delle condzon d eserczo adottate è, nfatt, possble spostare l rsultato della reazone verso le frazon pù leggere (prols lenta) o pesant (prols veloce). Nel secondo caso, nel caso n cu quello che s vuole è massmzzare la produzone d gas, s rende necessara la successva promozone d reazon d crackng all nterno del reattore. Per 13

14 questa ragone, la prols veloce vene d solto promossa n process dedcat alla produzone d Bo Ol e non fnalzzat alla produzone d gas. Il resduo soldo carbonoso rsultante dalla prols ha ancora un elevato contenuto energetco da sfruttare per la produzone d un gas combustble: la sua conversone n gas avvene n presenza d un agente ossdante che può essere ara o una mscela d ara e vapore; ad essa partecpano sa reazon endotermche che reazon esotermche d ossdazone. FIGURA 1: PIROLISI E GASSIFICAZIONE. (IMMAGINE DA WIKIPEDIA) 14

15 CAPITOLO 2 STATO DELL ARTE 2.1 UN PO DI STORIA Una rudmentale forma d gassfcazone - la dstllazone a secco - fu realzzata per la prma volta su scala commercale nel 1812, quando una compagna d Londra la utlzzò per la produzone del cosddetto gas d cttà. Il prmo reattore commercale, nella versone pù semplce, coè n controcorrente, per la gassfcazone contnua d combustbl sold con ara fu, nvece, nstallato nel La tecnologa della gassfcazone, sempre per lo pù medante reattor n controcorrente, fu n seguto ampamente utlzzata per svarate applcazon ndustral fno agl ann 20, quando gassfcator vennero gradualmente dsmess n favore d altre tecnologe basate su font fossl. FIGURA 2: MACCHINA ADLER CON GASSIFICATORE, DEL (IMMAGINE DA WIKIPEDIA). 15

16 Una rnascta dell nteresse ne confront d questa tecnca s ebbe a seguto della crs energetca degl ann 70: essa venne, nfatt, vsta come un alternatva, relatvamente poco costosa, per mpant d generazone d pccola tagla, n que paes n va d svluppo che maggormente rsentvano degl elevat prezz del petrolo e che dsponevano, al contraro, d grand quanttà d bomasse reperbl a basso costo: alla fne degl ann 80 almeno una decna d costruttor (prevalentemente europe) producevano mpant d generazone d pccola tagla a legna o a carbone d legna, almeno quattro paes n va d svluppo (Flppne, Indonesa, Brasle e Inda) avevano avvato pan energetc che prevedevano lo svluppo d tecnologe local n questo settore e alcun mpant d gassfcazone vennero nstallat graze a progett fnanzat da mprendtor local; tuttava pratcamente nessuno d quest progett ebbe peno successo, a causa d problem sa tecnc (non va dmentcato che la gestone d quest mpant rchede grande competenza), sa fnanzar ed economc, che sttuzonal. Attualmente, d fronte all mmnenza dell esaurmento de combustbl fossl e alla evdente non sostenbltà ambentale de sstema energetc su d ess basat, l nteresse verso questa tecnologa è rvolto n prma battuta alle potenzaltà che dervano dall mpego su larga scala n mcroturbne o n caldae de gas combustbl così ottenut e n seconda stanza - dato l elevato contenuto d H 2 e CO - alle potenzaltà che la rcerca prospetta se quest ultm venssero sfruttat all nterno d dspostv ad elevatssmo rendmento come le celle a combustble. I tmor per cambament clmatc evdentemente n corso, nonché l deletero mpatto delle pogge acde, stanno sempre pù ncentvando la rcerca d nuov metod pù pult ed ecosostenbl per la generazone d energa elettrca. È n quest ottca che, ad esempo, molta attenzone è attualmente posta sulle potenzaltà d tecnologe basate su ccl combnat almentat da gassfcator d bomassa che utlzzano turbne d dervazone aeronautca, dal momento che, secondo alcun stud, potrebbero raggungere effcenze d conversone energetca estremamente elevate senza generare carch d gas ad effetto serra per l atmosfera. Allo stesso modo la rcerca d font rnnovabl d combustbl lqud ha portato allo svluppo d process d flash-prols almentat a bomasse. Il progetto ngegnerstco d modern reattor per la gassfcazone e la prols rchede una profonda conoscenza delle cnetche d prols delle bomasse. 2.2 TIPOLOGIE DI GASSIFICATORI Le tpologe d gassfcator esstent sono numerose. Una prma suddvsone può essere operata anztutto dstnguendo gassfcator n due categore: reattor a letto fludo, reattor a letto fsso. 16

17 I gassfcator a letto fludo utlzzano combustbl smnuzzat n partcelle e l agente ossdante sale attraverso una grata a veloctà abbastanza elevate da mantenere le partcelle n sospensone. Al d sopra del letto l vessel metallco del reattore aumenta d dametro n modo da provocare un rcrcolo delle partcelle nel letto stesso. I fenomen d turbolenza che caratterzzano l letto d quest reattor asscurano un ottmo rmescolamento della matera e, d conseguenza, eccellent scamb termc, ottmo contatto combustble soldo / prodott gassos, nonché cnetche d reazon molto veloc. Cò nonostante questa forma d reattore è molto complessa da gestre e, d conseguenza, gassfcator a letto fludo dventano convenent solo per mpant d tagla superore a 10 MW. FIGURA 3: SCHEMATIZZAZIONE DI UN LETTO FLUIDO E FOTO DI UN IMPIANTO A LETTO FLUIDO CIRCOLANTE A LUNEN, GERMANIA. (IMMAGINE DA WIKIPEDIA). I gassfcator a letto fsso, nvece, utlzzano un letto soldo d carburante attraverso l quale passano l agente ossdante e gas svluppat dal processo. I gassfcator a letto fsso sono l unca tpologa utlzzable per applcazon d pccola tagla e s suddvdono a loro volta n gassfcator updraft (o n controcorrente) e gassfcator downdraft (o n equcorrente). 17

18 FIGURA 4: REATTORI A LETTO FISSO. (UPDRAFT A SX, DOWNDRAFT A DX). Le caratterstche del gas prodotto da un gassfcatore dpendono anche dal tpo d agente ossdante utlzzato. Nonostante l ara sa l agente gassfcante largamente pù utlzzato, sono not anche process d gassfcazone che vengono condott medante l uso d altre mscele gassose (ossgeno, vapore d acqua o drogeno). La gassfcazone d bomasse può avvenre mpegando come agente gassfcante: ara o mscele ara/vapore: n tal caso l gas prodotto ha un basso potere calorfco dell ordne d 4-6 MJ/Nm 3 che può essere utlzzato come combustble per motor; ossgeno puro: s ottene n tal caso una mscela con potere calorfco medo dell ordne d MJ/Nm 3 che vene soltamente convertta per ottenere altr prodott come metano o metanolo; drogeno: s ottene una mscela con alto potere calorfco dell ordne d 40 MJ/Nm 3 che ha gl stess utlzz d quello a potere calorfco medo. Nella pratca ndustrale, dove l parametro prevalente rsulta l fattore economco, non è frequente ncontrare mpant che utlzzno ossgeno, vapore o addrttura drogeno perché non rsultano economcamente convenent. 18

19 1.1.1 CARATTERISTICHE DEI GASSIFICATORI UPDRAFT E DOWNDRAFT I gassfcator updraft rappresentano la pù semplce tpologa esstente (non a caso furono prm ad essere realzzat): n ess la bomassa vene mmessa dall alto del reattore e s muove verso l basso, mano a mano che gl strat sottostant vengono trasformat n cenere come rsultato della conversone della bomassa; la presa d ara è, nvece, stuata sul fondo del reattore e l gas fuoresce dalla parte superore: la bomassa s muove qund n senso opposto al flusso gassoso. I maggor vantagg d questo tpo d gassfcatore sono seguent: semplctà, elevato grado d conversone, possbltà d utlzzare bomassa con un contenuto d umdtà relatvamente alto (fno al 50%), opportuntà d varare la tpologa d combustble con cu è almentato l processo senza rpercusson eccessvamente negatve sulla sua effcaca. I gassfcator updraft non rsultano, nfatt, partcolarmente sensbl al tpo d bomassa utlzzato come combustble. Altra caratterstca de gassfcator n controcorrente è l elevato scambo d calore nterno che porta ad avere n uscta un gas a temperature relatvamente basse, che sono snonmo d elevate effcenze d gassfcazone: Un nconvenente è nvece rappresentato dall mportante presenza d tar e prodott d prols nel syngas n uscta che rendono dffcoltoso un accurato condzonamento del gas (rsulta, nvece, puttosto bassa la presenza d polver). Dal punto d vsta pratco, seguendo l percorso dell ara all nterno dell apparecchatura, quest ultma vene almentata dal fondo del reattore e attraversa una grgla che, oltre ad avere la funzone d dstrbure equamente l flusso n tutta la sezone, serve a sostenere l peso del letto. Al d sopra della grgla, l gas entra n contatto con l soldo che, essendo entrato dall alto, ha gà termnato la fase d prols ed è qund costtuto essenzalmente da char con l quale l gas reagsce fno a combustone completa. Il letto n corrspondenza del fondo del reattore presenta una temperatura superore a 1000 C. La cenere formata durante la reazone passa attraverso la grata e s raccogle nel fondo. Il gas ad elevata temperatura, orma prvo d ossgeno, sale verso l alto scambando calore e contnuando a reagre con l char. Esso passa qund nella zona d rduzone n cu partecpa alle reazon d gassfcazone del char. Per un gassfcatore n controcorrente, la temperatura vgente n questa parte del reattore è ancora molto elevata ed è per questo che la maggor parte delle reazon d rduzone avvengono n questa zona. In corrspondenza della zona d rduzone talvolta vene 19

20 almentata una portata d vapore che n alcun cas serve da moderatrce della temperatura. Un alternatva è costtuta all utlzzo d ara umdfcata per la combustone. Man mano che gas cald salgono verso l alto, reagscono consumando calore a causa delle reazon endotermche (d gassfcazone e d devolatlzzazone) così che la loro temperatura scende progressvamente e all uscta da questa zona gas s trovano a crca 600 C. Nella parte ancora pù alta del reattore ncontrano la bomassa e/o l carbone e fornscono l calore necessaro a far avvenre l fenomeno della prols. Per gassfcator almentat con bomassa, l processo n contro-corrente costtusce un lmte per tale tpologa d reattore: la bomassa e l gas prodotto vanno nfatt n controcorrente e, producendo la bomassa un elevato quanttatvo d TAR, questo s rtrova nel syngas. La maggor parte de prodott volatl della prols vengono trascnat dalla corrente d gas. Solo una pccola parte, condensando, contnua l suo percorso lungo l reattore. In questo modo l TAR non raggunge la sezone d rduzone e fa parte del gas n uscta. Prma d abbandonare l reattore, l calore resduo contenuto ne gas vene scambato con l combustble n ngresso e avvene l evaporazone dell acqua contenuta n esso. In defntva l gassfcatore può essere consderato come un semplce reattore d forma clndrca n cu la bomassa e/o l carbone, almentat dall alto, durante l loro tragtto lungo l reattore subscono la prols per dare char, TAR e gas. Quest prodott a loro volta reagscono producendo altre sostanze flude che rsalgono verso l alto, mentre l char procede verso l basso. Il reattore può schematcamente essere suddvso nelle seguent zone a partre dal fondo: Zona 1: almentazone agente gassfcante ovvero ara umda, combustone del char, raccolta delle cener, temperature prossme a 1000 C; Zona 2: ambente rducente, reazon d gassfcazone del char, temperature prossme a 600 C; Zona 3: devolatlzzazone e prols del combustble; Zona 4: essccamento del combustble: temperatura del gas par a C. Ne gassfcator downdraft la bomassa è mmessa dall alto e anche la presa d ara s trova sulla parte superore del reattore: l gas esce dal fondo del reattore qund bomassa e flusso gassoso s muovono nella stessa drezone. Gl svantagg del gassfcatore downdraft sono sostanzalmente seguent: elevata presenza d polver nel gas n uscta, ncapactà d operare con combustbl non precedentemente trattat (s rende quas sempre necessara un operazone d pellettzzazone o rduzone n trucol della bomassa), 20

21 necesstà d utlzzare combustbl con contenuto d umdtà nferore al 25% qualora s utlzz ara come agente ossdante. Altra caratterstca del gassfcatore downdraft è l elevata temperatura del gas n uscta, che va d par passo con una nferore effcenza d gassfcazone rspetto all updraft. Dal punto d vsta pratco un gassfcatore downdraft è realzzato come d seguto descrtto. La parte clndrca superore della camera nterna è semplcemente un magazzno per la bomassa che deve essere mmessa: essa vene perodcamente rempta aprendo l copercho, che è comandato da una molla, la quale funzona anche come valvola d scurezza n caso d esplosone de gas. FIGURA 5: SCHEMA GASSIFICATORE DOWNDRAFT. All ncrca ad un terzo dell altezza, a partre dal fondo, c è una sere d ugell drett radcalmente, qual permettono l ngresso dell agente ossdante e che sono soltamente n numero dspar, n modo tale che gas cald svluppat n corrspondenza d n ugello non s scontrno con quell provenent dall ugello d fronte: l ossgeno (o qualunque altro agente ossdante s decda d utlzzare) può essere spnto all nterno del reattore da un compressore (ed è questo l nostro caso) e s parla qund d gassfcator pressurzzat, oppure può passare attraverso l combustble perché rsucchato, e s parla n tal caso d gassfcator ad asprazone. Durante l attvtà del reattore l ara entrante bruca parte della bomassa soprastante gl ugell e parte del charcoal che rempe la zona del gassfcatore al d sotto degl ugell, nonché la maggor parte del tar. 21

22 La maggor parte della bomassa è convertta n gas nella zona d combustone, che s trova localzzata all altezza degl ugell, a partre dal momento n cu l contenuto d matera volatle supera l 80%; da questo punto d vsta, l gassfcatore rsulta, n qualche modo, autostablzzante: se, nfatt, l char-coal n prossmtà degl ugell rsulta nsuffcente, vene brucato e prolzzato pù combustble, d conseguenza la formazone d charcoal aumenta; se, nvece, n condzon d carco eccessvo, s forma troppo char, l lvello d quest ultmo sale fno agl ugell e l ara n ngresso lo bruca. In questo modo la zona d reazone vene mantenuta al lvello degl ugell; al d sotto s trova, nvece, la zona d rduzone. Dopo la combustone/prols della bomassa e del char al lvello degl ugell, gas cald d combustone che ne dervano (CO 2 e H 2 O) passano, nfatt, attraverso gl strat d char caldo che s trovano nella zona sottostante al lvello degl ugell e qu vengono parzalmente rdott a gas combustbl (CO e H 2 ). Questo processo porta ad un sgnfcatvo raffreddamento del gas, dal momento che l calore sensble del gas vene convertto n energa chmca, oltre a dsgregare completamente l char e a mglorare la qualtà del gas convertendo quas tutto l tar che era sfuggto alla combustone nella zona degl ugell. Gl strat d char, che vanno va va rducendos n cenere, sono sostenut da una grata moble che può essere scossa ad ntervall n modo da effettuare le operazon d pulza. 2.3 CARATTERISTICHE DEI REATTORI Ne reattor updraft la bomassa passa, nell ordne, attraverso le zone d essccamento, dstllazone, rduzone e ossdazone. Le elevate temperature raggunte n questa fase garantscono la quas totale dstruzone de compost catramos (thermal crackng): n questo modo l gas prodotto ha un bassssmo contenuto d tar (per contro rsulta però sgnfcatva la presenza d partcolato nel flusso gassoso n uscta a causa della struttura stessa del reattore). Ne gassfcator downdraft (equcorrente) nvece prodott della prols (gas, tar e char) attraversano la zona d ossdazone dove vengono parzalmente brucat con l agente ossdante (ara o O 2 ) per fornre l calore necessaro al processo d prols e alle successve reazon endotermche d gassfcazone. Nella pratca, ovvamente, un gas del tutto prvo d tar è decsamente dffcle, per non dre mpossble, da ottenere, qund un condzonamento del syngas è comunque auspcable e talvolta necessaro, ma rsulta senz altro meno complcato. Ne reattor a letto fludzzato, al contraro d cò che avvene ne gassfcator a letto fsso, non s dstnguono le zone d trasformazone della bomassa (essccazone, prols, rduzone e combustone), bensì queste nteressano ogn sngola partcella, man mano che l calore s dffonde dalla sua superfce verso l nterno. 22

23 FIGURA 6: ZONE DI REAZIONE NEI GASSIFICATORI IN CONTROCORRENTE FIGURA 7: ZONE DI REAZIONE IN UN GASSIFICATORE IN EQUICORRENTE. 2.4 MECCANISMI DI PIROLISI Come gà accennato, per prols s ntende l nseme delle reazon che avvengono per effetto del calore e che portano alla scomposzone del reagente n una fase solda pesante (char) e una leggera composta d prodott condensabl e gas. Una volta mmersa la partcella n un ambente ad elevata temperatura, l calore s trasfersce al suo nterno tramte un meccansmo d conduzone. Lo scambo tra la superfce della partcella e l ambente esterno avvene nvece attraverso meccansm d convezone e d rraggamento. Man mano che la temperatura degl strat pù estern della partcella sale nza la formazone de prm prodott. I gas, una volta generat, devono dffondere prma all nterno e po all esterno della partcella e, durante questo percorso contrbuscono al trasfermento d calore all nterno del mezzo poroso. All nterno della sngola partcella d bomassa prolzzante sono pertanto ndvduabl tre zone: una regone esterna, dove l soldo poroso è costtuto da char, n cu l processo d prols è completato; una zona d reazone ntermeda; una regone nterna, n cu l soldo è ancora tutto costtuto da bomassa, dove la temperatura non è suffcentemente elevata per nnescare le reazon. 23

24 Il confne tra le vare zone non è, ovvamente, netto: le tre zone possono, nfatt, essere pù o meno compenetrate. Dalla precedente esposzone del fenomeno s può dedurre che l metodo pù approprato per descrvere la cnetca delle reazon sembrerebbe quello d fare rfermento ad un modello a gran. Allo stato attuale della rcerca, però, l processo, a causa della sua complesstà, vene descrtto n manera dversa a seconda degl obettv che c s pone e delle condzon operatve a cu c s rfersce. Alcun autor hanno svluppato de modell a volume reagente ma la maggor parte propone delle cnetche d tpo pseudo-omogeneo. Inoltre l accurata comprensone delle cnetche d reazone che sono alla base de meccansm d decomposzone termca d una bomassa è d fondamentale mportanza a fn d una corretta modellazone del fenomeno. D recente gl sforz della rcerca n tal senso s stanno avvalendo non solo d metodologe spermental estremamente sofstcate ma anche de recent progress comput n termn d capactà computazonal, ovvero d smulazon numerche molto accurate. Tutto questo ha reso possbl una sere d scoperte che hanno d molto mglorato la comprensone del fenomeno d prols e, d conseguenza, sgnfcatve mglore nella progettazone de reattor. In partcolare gl sforz della rcerca s sono concentrate non tanto sulla chmca della prols a temperature molto alte o molto basse, la cu conoscenza aveva gà raggunto un buon lvello negl ann 80, bensì come effetto dell nteresse commercale verso tal applcazon sulle cnetche d prols a temperatura moderata. Il peso d una bomassa ascutta, ovvero al netto dell acqua non legata, è costtuto al 50% da cellulosa. Le scoperte pù recent rguardano propro prodott ntermed e meccansm d degradazone termca della cellulosa alle temperature ntermede. Allo stato attuale delle cose, s potzza che prncpal percors d decomposzone attv durante la prols della cellulosa sano essenzalmente due: uno porta alla formazone del levoglucosano (un prodotto relatvamente stable), l altro nvece porta alla formazone d glcolaldede. Anche se nel presente lavoro non s è sces nella modellazone de fenomen a tale lvello d dettaglo è comunque d fondamentale mportanza tenere presente che percors d decomposzone della cellulosa sono strettamente nterconness con le cnetche d prols dell ntera bomassa. È, ad esempo, noto che la prols del levoglucosano fornsca ulterore char ed è stato anche suggerto che la formazone del char possa non essere uno step prmaro ma un rsultato della rpolmerzzazone della frazone volatle. Partcolare attenzone s sta recentemente dedcando anche agl effett d eventual pretrattament effettuat sulla bomassa e sulla possbltà d catalzzare reazon che sono tpche del range d temperature della gassfcazone n modo da shftarle a temperature pù basse e spostare gl equlbr verso composzon del gas d prols che rsultno pù rcche d que compost energetcamente pù convenent (drogeno, monossdo d carbono). 24

25 In questa sede cò che nteressa è fare l punto l punto sullo stato attuale della conoscenza de meccansm d prols e sulla loro connessone tra la chmca alla base e modell cnetc svluppat. La maggor parte de modell cnetc reperbl n letteratura s concentra sulla descrzone matematca della decomposzone proltca d un campone d bomassa, suffcentemente pccolo da poters rtenere omogeneo, da poter consderare la sua temperatura unforme e da poter rtenere che l trasporto d massa sa suffcentemente agevole da permettere l mmedata lberazone de vapor lberat per prols. Queste assunzon sono alla base anche del modello svluppato nel corso delle attvtà oggetto della presente trattazone. Per quanto rguarda la formazone del char, le evdenze spermental portano a presuppore un ruolo chave dell nterazone fase gassosa - fase solda, ovvero s rtene che a dare orgne alla formazone d quest ultmo sa sostanzalmente la decomposzone de materal cellulosc operata da vapor proltc. Il tempo d resdenza della frazone volatle nella bomassa durante la reazone d prols nfluenza fortemente la resa e la formazone del char. Tpcamente nella degradazone termochmca d un legno la resa n CHAR può varare tra l 25% e l 35%. C s potrebbe attendere che questa resa aument n presenza d catalzzator o graze ad un attento controllo della cronstora della temperature del reattore. Sfortunatamente tale speranza non è al momento supportata da nessuna evdenza spermentale. Al contraro rese che sforano l 47% sono state n alcun cas ottenute graze al controllo d quelle condzon che nfluenzano la formazone de vapor durante la prols del substrato soldo. In partcolare rese elevate n CHAR vengono ottenute solo quando tal vapor vengono tenut a lungo a contatto con l resduo soldo caldo, preferblmente ad alta pressone. Pretrattament a C possono far sì che la resa n char della cellulosa aument dal 13% a pù del 27%. Le evdenze a supporto della tes suddetta per quanto concerne la formazone del char comprendono le rese stranamente elevate d char (13%) ottenute n una sere d esperment effettuat senza pretrattament sulla bomassa e la dmnuzone della rese d char (dal 13% all 8% crca) regstrate per altr esperment condott sottovuoto. Ne prm ann 70 quest rsultat furono utlzzat per razonalzzare l modello d reazon compettve della prols mostrato n Fgura 8. In seguto questo modello fu n seguto rvsto sulla base del fatto che era stato svluppato mpegando per gl esperment d rfermento campon d dmenson eccessve che potevano aver dato luogo alla formazone d char per nterazon vapore-soldo durante l prolungato pretrattamento termco. 25

26 FIGURA 8: PRIMO MODELLO DI REAZIONI NELLA PIROLISI (DA ANTAL, M.J. VARHEGI, G. 1995). Stud successv d anals cnetca della prols della bomassa sotto vuoto condott prncpalmente per termogravmetra (con esperment della durata anche d 1000 h a 226 C) ne qual la perdta d peso venva smulata mpegando un computer, portarono successvamente ad potzzare per la prols l modello llustrat n Fgura 9. FIGURA 9: SUCCESSIVO MODELLO DI REAZIONI NELLA PIROLISI (DA ANTAL, M.J. VARHEGI, G. 1995). L anals d dat a temperature elevate e lo studo delle energe d attvazone apparent per cascuno step evdenzava energe d attvazone relatvamente elevate attrbute allo step B (222 kj/mol) e allo step C (compresa tra 170 e 205 kj/mol), ad ndcare che l rateo d prols della bomassa è estremamente sensble alla temperatura. Anche n questo caso non era tuttava trascurable l ruolo gocato dalle nterazon fase vapore-fase solda, dal momento che gl esperment erano stat condott con campon d bomassa d dmenson suffcentemente grand da mpedre l mmedata fuga de vapor proltc, dando qund luogo alla formazone d char per meccansm legat alle nterazon vapore-soldo. Successv stud sulla cnetca d prols della bomassa sotto vuoto attraverso rscaldamento dscontnuo d campon da 250 mg a temperature varabl tra 258 e 407 C unt ad un ntegrazone numerca delle equazon dfferenzal rsultant dal modello dato n Fgura 10 dmostrarono la capactà d aderre correttamente a dat della perdta d peso d una bomassa n va d prols. 26

27 FIGURA 10: ULTERIORE MODELLO DI REAZIONI DI PIROLISI (DA ANTAL, M.J. VARHEGI, G. 1995). Anche questo modello utlzzava valor puttosto elevat per le energe d attvazone assocate agl step d start-up (243 kj/mol) e a quello d volatlzzazone (198 kj/mol). Rmanevano, noltre, alcune ambgutà negl ordn e nelle costant pre-esponenzal utlzzate nel modello. Quest prm stud, sebbene ancora mprecs e dscordant tra d loro ebbero n ogn caso, l merto d enfatzzare l mpatto della forte endotermctà della prols sulla cronstora della temperatura del sub-strato a temperature maggor d crca 340 C e d rchamare l attenzone sul ruolo delle nterazon vapore-soldo nella formazone del char. Effett legat a parametr secondar: Prerscaldamento e portata d gas su calor d prols e sulle rese n char: a basse portate d gas, un prerscaldamento d 2 h a 240 C aumenta la resa n char solo del 2,5% mentre ad alte portate l aumento della resa n char è trascurable. Inoltre, calor d reazone osservat sono esotermc a basse portate e fortemente endotermc a portate elevate. Questo vene attrbuto alla formazone d una frazone volatle ntermeda che reagsce n manera fortemente esotermca se non vene mmedatamente asportata, a scapto della resa energetca del processo. Pressone: stud spermental mostrano un forte aumento della resa n char all aumentare della pressone (dall 1,5% n peso a 0.1 MPa e portata d gas elevata fno al 23% a 1.0 MPa con basse portate). Scambo termco: stud a bassa veloctà d rscaldamento (1-5 C/mn) n gas effluente hanno mostrato rese d char molto basse (crca 2.5%). Sarebbe adeguato un modello semplce, a sngolo step, del prmo ordne avente la seguente forma. Allo stato attuale s rtene: che l char sa prncpalmente un prodotto prmaro della prols dervante dalla decomposzone della fase solda, 27

28 che la prols della fase solda conssta d due reazon parallele n competzone tra loro precedute da un step nzale, tutt con energe d attvazone relatvamente elevate, A fn della modellazone, nel presente lavoro, la decomposzone proltca della bomassa è stata, n sostanza, schematzzata come nella Fgura 11: k 1 CHAR Bomassa k 3 TAR k 2 Syngas FIGURA 11: REAZIONI PRIMARIE DI PIROLISI. S è noltre tenuto conto della presenza d reazon secondare che portano alla formazone d ulterore gas e char a partre dal TAR prodotto. Oltre alle reazon prmare sono state pertanto prevste delle dnamche secondare: gl drocarbur pesant possono, nfatt, a loro volta degradars termcamente e portare alla produzone d CHAR e syngas, come schematzzato nella seguente Fgura 12: k 4 Syngas TAR k 5 CHAR FIGURA 12: REAZIONI SECONDARIE DI PIROLISI. 2.5 CHIMICA DELLA GASSIFICAZIONE Il set d reazon chmche che ha luogo n fase d gassfcazone è l seguente: Reazon eterogenee: avvengono tra l char e l agente ossdante o tra l char e prodott gassos che s vanno formando e sono quelle che portano alla gassfcazone 28

29 vera e propra del char. La prma è una combustone ed è qund esotermca, le altre nvece sono endotermche. c1 C O k CO CO (1.1) 2 2 kc2 C CO2 2CO (1.2) C (1.3) C c3 2 H 2 k CH H O k c4 H CO (1.4) Reazon n fase gassosa: sono reazon d combustone che portano alla lberazone d calore che sostene le reazon endotermche d gassfcazone. CH 3 k g 1 O2 CO H 2O (1.5) CO O g 2 2 k 2 k g CO 3 2 H 2 O2 2 H 2 2 O (1.6) (1.7) Combustone del TAR: CH O O k ct 2 CO H 2O (1.8) Water-gas shft: è una reazone endotermca all equlbro che modfca la composzone del gas favorendo la produzone d Idrogeno. CO H k 2O wgs CO2 H 2 (1.9) S dstnguono, all nterno d un reattore d gassfcazone, una zona d rduzone e una d ossdazone (combustone). Le prncpal reazon che hanno luogo nella zona d rduzone d un gassfcatore, tra reagent sold e gassos, sono le (1.2), (1.3), (1.4) e la water-gas shft reacton (1.9). Le reazon (1.2) e (1.3) sono le pù mportant dello stado d rduzone e per avere luogo rchedono calore che vene fornto dalle reazon d combustone, d conseguenza la temperatura nella zona d rduzone è nferore rspetto a quella che s ha nella zona d combustone. In partcolare, dalla reazone (1.4) s deduce che una maggore presenza d H 2 O determna nel syngas uscente una maggore presenza d monossdo e d drogeno. La reazone (1.9) descrve, nvece, l cosddetto equlbro acqua-gas : l rapporto tra prodotto delle concentrazon de due prodott (CO 2 e H 2 ) e prodotto delle concentrazon de due reagent (CO e H 2 O) è par ad una costante d equlbro K w che è funzone uncamente 29

30 della temperatura e che, essendo la (1.9) una reazone endotermca, aumenta all aumentare della temperatura. In realtà l equlbro chmco della (R 2.3) vene effettvamente raggunto solo n condzon teorche d equlbro termodnamco: tuttava numeros rsultat spermental confortano la buona aderenza alla realtà de dat calcolat all equlbro. È propro per ncentvare le reazon R.22 e R23 che ne reattor vene soltamente ntrodotto del vapore acqueo asseme all agente ossdante. Nella zona d ossdazone hanno luogo, nvece, la combustone del char e quella del tar, nonché quella d parte del gas prodotto reazon (1.1), (1.5), (1.6), (1.7) e (1.8) - che fornscono, come gà detto, l calore necessaro alle reazon d rduzone. La quanttà d calore fornta dalla reazone d combustone del tar dpende ovvamente dalla composzone meda d quest ultmo, che è funzone del tpo d bomassa utlzzata. Idealmente sarebbe preferble aggungere la mnor quanttà d O 2 possble, n questo modo le reazon (1.1) e (1.8) porterebbero alla formazone d CO e le reazon (1.5), (1.6) e (1.7) verrebbero nbte, massmzzando così la presenza d H 2 e CO nel syngas, ma questo porterebbe ad una produzone d calore nsuffcente a garantre lo svluppo delle reazon d rduzone, facendo così dmnure la resa del gassfcatore. Nella pratca s cerca d ntrodurre una quanttà d ossdante tale da garantre l mglor compromesso possble tra queste due esgenze contrastant. Quella d valutare le portate ottmal d agente ossdante (O 2 ) e vapore acqueo che massmzzno la produzone d un syngas rcco d CO e H 2 è una delle possbltà offerte da un opportuno modello d smulazone. 2.6 TERMODINAMICA DELLA GASSIFICAZIONE S defnsce temperatura adabatca d reazone T a quella temperatura che s raggungerebbe qualora l sstema s portasse all equlbro (n corrspondenza d una specfcata quanttà d S chama nvece rapporto d equvalenza φ l rapporto tra la quanttà (n peso) d O 2 aggunto per ogn kg d bomassa e la quanttà d O 2 stechometrcamente necessara per la combustone d un kg d bomassa: tenendo presente che l ossdazone completa d una bomassa standard rchede un rapporto n peso ossgeno-bomassa par a crca 1,47, s ha che valor d φ tpc della gassfcazone sono compres tra 0,25 e 0,4: come s può vedere n Fgura 13, valor della temperatura adabatca n corrspondenza de qual s ha gassfcazone s aggrano ntorno a 1200 C. 30

31 FIGURA 13: TEMPERATURA ADIABATICA DI REAZIONE. FIGURA 14: ENERGIA TRASFERITA AL GAS. La Fgura 14 rporta, nvece, l andamento della frazone d energa che dalla bomassa vene trasferta al syngas n funzone del rapporto d equvalenza: da essa s evnce che, n corrspondenza d un rapporto d equvalenza par a crca 0,25, pratcamente tutto l char vene convertto n gas e la frazone d energa che dalla bomassa vene trasferta al gas raggunge un massmo. Al contraro, con meno ossgeno parte del char non vene convertto, mentre con una quanttà d O 2 superore parte del gas vene brucata e la temperatura sale rapdamente. È qund desderable lavorare con rapport d equvalenza quanto pù possble prossm a 0, EQUAZIONI TERMO-FLUIDODINAMICHE Dal punto d vsta termofludodnamco, lo studo del comportamento d un reattore d gassfcazone può essere effettuato mmagnando che esso sa percorso da: una fase solda: costtuta dalla bomassa entrante che va scomparendo e dal CHAR che s va formando; una fase gassosa composta da un gas la cu composzone (nzalmente concdente con quella dell agente ossdante) s va modfcando e da tar che s vanno svluppando, e ntroducendo opportune potes nelle equazon d blanco della massa e dell energa per le due fas. 31

32 32 In partcolare nella presente trattazone s è trattato l reattore come costtuto d slces omgenee, s è pertanto consderata a fn del calcolo solo la componente assale delle veloctà delle due fas. S sono noltre legat termn del secondo ordn legat a fenomen dffusv. Le equazon semplfcate che governano l moto della fase solda e della fase gassosa all nterno d un reattore sotto le suddette potes sono le seguent: Blanc d matera per component della fase solda: char bomassa R x C U t C r N j j s, 1, Blanc d massa per component della fase gassosa: tar syngas R x C U t C r N j j g, 1, Equazon complessve d contnutà, per la fase solda e quella gassosa: s s r s N N N j j N S t C R x C U 1 1 1, 1 (fase solda) g g r g N N N j j N g t C R x C U 1 1 1, 1 (fase gassosa) I rate R,j rappresentano le veloctà d comparsa/consumo delle vare spece, mentre α rappresenta la frazone d vuoto. Il campo d temperatura può essere nvece calcolato a partre dalle equazon d blanco termco per le due fas: Blanco termco per la fase solda (bomassa+char): s e g s sg j j s p s s p P T T h H R x T C C U t T C C,,,, Blanco termco per la fase aerforme (gas+tar): g e s g sg j j g p g g p P T T h H R x T C C U t T C C,,,, Nelle equazon precedent s e P, e g e P, ndcano le frazon mpartte rspettvamente alla fase solda e a quella gassosa d una potenza termca che occorre fornre dall esterno per consentre l avvamento del reattore (ad esempo medante resstenze elettrche), al netto delle dsperson termche verso l ambente esterno.

33 2.7 BIBLIOGRAFIA [Rf. 1.] [Rf. 2.] [Rf. 3.] [Rf. 4.] [Rf. 5.] [Rf. 6.] [Rf. 7.] Mchael Jerry Antal Jr., Gabor Varhegy Cellulose Pyrolyss Knetcs: The Current State of Knowledge, Ind. Eng. Chem. Res., 34, A. Orsn Svluppo d modell e smulazon numerche del processo d gassfcazone che utlzza mscele d ossgeno e CO 2, report d Rcerca d Sstema Elettrco, B.V. Babu, Pratk N. Sheth, - Modelng and smulaton of reducton zone of downdraft bomass gasfer: Effect of char reactvty factor, Energy Converson and Management, 47, Mchael L. Boroson, Jack B. Howard, John P. Longwell, and Wllam A. Peters, Heterogeneous Crackng of Wood Pyrolyss Tars over Fresh Wood Char Surfaces, Energy & Fuels, 3, Colomba D Blas and Carmen Branca Knetcs of Prmary Product Formaton from Wood Pyrolyss, Ind. Eng. Chem. Res., 40, Colomba D Blas Mult-phase mosture transfer n the hgh- temperature dryng of wood partcles, Chemcal Engneerng Scence, Vol. 52, No. 2, Colomba D Blas Dynamc behavour of stratfed downdraft gasfers, Chemcal Engneerng Scence, Vol. 55, [Rf. 8.] M.J. Groeneveld, W.P.M. van Swaaìj - Gasfcaton of Char Partcles wth CO 2 and H 2 O, Chemcal Engneerng Scence, Vol. 35,1980. [Rf. 9.] [Rf. 10.] [Rf. 11.] [Rf. 12.] [Rf. 13.] Theodore R. Nunn, Jack B. Howard, John P. Longwell and Wllam A. Peters Product Compostons and Knetcs n the Rapd Pyrolyss of Mlled Wood Lgnn, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1985, 24. Joseph L. Felmer, Peter L. Slveston, and Robert R. Hudgns Steady-State Study of the Fscher-Tropsch Reacton, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 20, Egbert S. Lox and Glbert F. Froment - Knetcs of the Fscher-Tropsch Reacton on a Precptated Promoted Iron Catalyst. 2. Knetc Modelng, Ind. Eng. Chem. Res. 1993, 32. Gerard P. van der Laan, Antone A.C.M. Beenackers Intrnsc knetcs of the gas sold Fscher Tropsch and water gas shft reactons over a precptated ron catalyst, Appled Catalyss A: General 193 (2000). Wllam H. Zmmerman and Dragomr B. Bukur Reacton Knetcs Over Iron Catalysts Used for the Fscher-Tropsch Synthess, Canadan Journal of Chemcal Engneerng. Volume 68, Aprl,

34 CAPITOLO 3 IL MODELLO IMPLEMENTATO 3.1 METODOLOGIA ADOTTATA Oggetto della presente tes è stato lo svluppo d un modello matematco n grado d smulare l comportamento d reattor a letto fsso per acqusre la massma sensbltà nel campo della prols/gassfcazone, sa a lvello chmco (cnetca delle reazon, reagent e prodott), sa a lvello fsco (forma del reattore, confgurazone, pezzatura della bomassa). A tal scopo s è proceduto: dentfcando le fenomenologe pù rlevant che hanno luogo durante la prols e la gassfcazone d una bomassa; ndvduando un set d equazon e reazon suffcentemente semplc da mplementare, ma al contempo suffcentemente accurate da descrvere fenomen nella loro complesstà; selezonando una sere d coeffcent spermentalmente tarabl che mettano n relazone parametr d controllo e dnamche d reazone. Quest anals preventva ha consentto d prosegure l attvtà con lo svluppo e l mplementazone d un modello dnamco de due fenomen, modellando prols e gassfcazone come event separat n modo da coglere le dverse peculartà d cascuno. Per l mplementazone del modello è stato utlzzato Smulnk: un partcolare tool dell'ambente d calcolo scentfco MathLab, appostamente svluppato per consentre d dscretzzare equazon dfferenzal che descrvono fenomen anche compless e per vsualzzarne l'evoluzone nel tempo e nello spazo. 34

35 L approcco adottato mra ad ndvduare un modello l pù possble semplce e flessble ma allo stesso tempo capace d fornre una descrzone completa della dnamca delle fenomenologe. 3.2 PECULIARITÀ DEL MODELLO Il modello rende possble la smulazone d: gassfcator d bomassa; prolzzator d bomassa, ovvero reattor n cu hanno luogo solo process d prols; reattor d gassfcazone d carbone o d char provenente da un prolzzatore. Tutte le precedent tpologe d reattore possono essere smulate n tre dverse confgurazon: 1. confgurazone vertcale n equcorrente: l flusso della fase solda e d quella gassosa evolvono muovendos parallelamente dall alto verso l basso. In tal caso l volume del reattore all avvo s suppone nteramente rempto d bomassa. 2. confgurazone vertcale n controcorrente:l flusso della fase solda e quella gassosa evolvono parallelamente ma l prmo va dall alto verso l basso, l secondo dal basso verso l alto; anche n questo caso l reattore all avvo s suppone nteramente rempto d bomassa. 3. confgurazone orzzontale n equcorrente: costruttvamente concde con la confgurazone d un tamburo rotante nel quale l flusso della fase solda e quello della fase gassosa avanzano parallelamente (l prmo per l effetto dell azone meccanca d una sere d pale). In questo caso è possble specfcare l grado d rempmento del reattore. Il modello matematco descrve l fenomeno complessvo della gassfcazone dal punto d vsto chmco-fsco scndendo n due dstnt moment d calcolo l fenomeno d prols e quello d gassfcazone vera e propra e prendendo n consderazone: l evaporazone dell umdtà non legata; process evolutv d conversone del soldo che portano alla formazone d gas e char; le reazon chmche omogenee n fase gas; le reazon eterogenee gas-soldo. La maggor parte de modell reperbl n letteratura è n grado d predre l funzonamento d questo genere d apparecchature studando l fenomeno dal punto d vsta dell equlbro. 35

36 Il presente studo s è proposto, nvece, d modellare queste apparecchature tenendo conto delle cnetche d reazone. Da un punto d vsta fludodnamco, l modello è n grado d calcolare profl d veloctà della fase solda e gassosa, profl d temperatura della fase solda e della fase gassosa, oltre che profl d concentrazone delle spece che partecpano alle reazon. 3.3 PRIMA FASE: ESSICCAMENTO DELLA BIOMASSA Come gà accennato l acqua è presente nella bomassa n due forme: acqua legata e acqua nterstzale. Della prma s tene conto attraverso le cnetche d prols, della seconda nvece occorre tenere conto attraverso una modellazone del processo d essccamento. Sono possbl dvers metod, brevemente descrtt nel paragrafo Tutt presentano de vantagg e degl svantagg. Il prmo, ad esempo, è molto semplce da utlzzare ma non è capace d descrvere n manera soddsfacente l andamento de profl nella zona d essccamento. Il secondo metodo non ha questo dfetto pur essendo comunque d facle utlzzo ma, nonostante questo, genera comunque delle mperfezon poché s prefgge d descrvere dvers process attraverso un unca relazone. Quando s utlzza l terzo metodo, a causa della forma con la quale le relazon sono state svluppate, non s resce a descrvere n modo ottmale l fenomeno dell evaporazone. L ultmo modello consente nvece d descrvere n manera penamente soddsfacente l procedere del fenomeno ma comporta un elevata complesstà d calcol (rsoluzone d equazon dfferenzal a dervate parzal d secondo ordne). In questo lavoro, a causa della molttudne d fenomen convolt nel processo d gassfcazone e qund per l esgenza d semplctà d calcolo, l fenomeno dell essccamento è stato descrtto attraverso una relazone cnetca agguntva, seconda la quale la veloctà con cu l reagente acqua s trasforma nel prodotto vapore è data da: R u k u u Nell espressone della veloctà d crescta sono present: la denstà ρ u dell umdtà espressa n [kg/m 3 d bomassa], una costante cnetche k u calcolata n funzone della temperatura della bomassa. Non s prende noltre n consderazone l processo d rcondensazone dell acqua. 36

37 3.4 MODELLO DI PIROLISI SCELTE MODELLISTICHE Il modello mplementato per la prols è ndvduato da un set d equazon, reazon e parametr che descrvano questa fase d termodegradazone della bomassa n regme tempovarante. Nel presente lavoro, come accennato nel par. 2.4, s è adottata una schematzzazone a volume reagente, pù donea per la modellazone d reattor ed è stato preso n consderazone, per cò che rguarda la prols della bomassa, l meccansmo cnetco mostrato n Fgura 11, che consdera le reazon d produzone d TAR, char e gas n manera separata. Per generaltà s è noltre tenuto conto del contrbuto alla cnetca globale mputable alle reazon secondare d decomposzone del TAR (Fgura 12): tale contrbuto non rsulta nfatt trascurable laddove la prols avenga a temperature anche moderatamente alte o quando la veloctà d rmozone del gas non sa suffcentemente elevata. Il modello prevede n ngresso una sere d nput numerc lett da fle (un esempo n Appendce C) e organzzat n vettor che vengono nzalzzat prma d entrare nel blocco che rsolve le equazon d conservazone. Tralascando d descrvere l fenomeno della prols n funzone del contenuto d emcellulosa, cellulosa e lgnna, la bomassa è stata modellata come mostrato nelle Fgura 29 e Fgura 30 n Appendce A: la composzone vene portata da un vettore d tant component quant sono gl element che s suppone compongano la bomassa (C, H, O, N, S, Cl, K, Mg, umdtà, frazone volatle, contenuto d cener). Un vettore composto d cnque element porta le propretà fsche della bomassa (temperatura, portata, concentrazone, calore specfco, potere calorfco), mentre un vettore d due element porta l energa assocata alla bomassa (dstnta tra energa chmca ed energa termca). Oltre al vettore contenente parametr chmco-fsc della bomassa è possble nzalzzare dall esterno (n manera del tutto analoga) anche un set d tre vettor contenent parametr chmco-fsc d un eventuale corrente gassosa n ngresso: questo è stato fatto per consentre d smulare confgurazon mpantstche nelle qual s prevede un rcrcolo d syngas provenente da un reattore d gassfcazone che pre-rscald la bomassa n ngresso. È, noltre, possble defnre n ngresso anche la presenza d eventual catalzzator, ad esempo d ossd d ferro che, come detto precedentemente, possono catalzzare della reazone d WGS facendo sì che l energa d attvazone d quest ultma s abbass fno a renderla possble anche n range d temperatura che sono tpc de reattor d prols. 37

38 La potenza termca fornta dall esterno per mantenere n temperatura l reattore vene specfcata attraverso un vettore che un numero d component par al numero delle slces nelle qual vene dscretzzato spazalmente l reattore: questo per consentre d smulare confgurazon nelle qual l rscaldamento non è uforme lunog l asse del reattore. Il gas d prols è stato supposto composto da: vapor d acqua, CO 2,CO, H 2, CH 4 e altr drocarbur legger (ncondensabl) che sono stat modellat come metano-equvalent, ovvero s sono assunte per ess le stesse propretà fsche del metano e sono stat ad esso assmlat n tutto e per tutto. S è scelto d modellare l CHAR come composto d solo Carbono, mentre la frazone volatle composta da una dstrbuzone d drocarbur pù pesant (condensabl), ovvero TAR, è stata modellata come un unca sostanza avente peso molecolare medo MW = 95 g/mol e propretà fsche concdent con quelle del naftalene, drocarburo pesante ndcato n letteratura come quello presente n maggor quanttà (Fgura 15). FIGURA 15: COMPOSIZIONE TIPICA DEI TAR SISTEMA DI EQUAZIONI Elenco Incognte veloctà della fase solda (U sol ) veloctà della fase gassosa (U gas ); temperatura della fase solda (T sol ) temperatura della fase gassosa (T gas ) concentrazon d bomassa e char (C bo, C char ) concentrazon d gas e tar (C gas, C tar ) 38

39 composzone del gas d prols: monossdo d carbono (CO), vapor d acqua (H 2 O), andrde carbonca (CO 2 ), drogeno (H 2 ), metano e metano-equvalent (CH 4 ), per un totale d 13 ncognte. Chusura del sstema Due equazon sono date dalle equazon d blanco d massa per due costtuent della fase solda n forma dscretzzata: t U sc U C N C r, OUT dx s IN s j1 R bomassa char, j, Due equazon sono date dalle equazon d blanco d massa per due costtuent della fase gassosa n forma dscretzzata: U gc U gc N r, C OUT IN t dx Il sstema sarebbe a questo punto chuso se non fosse per la necesstà d predre l evoluzone della composzone del gas d prols n funzone de parametr che caratterzzano l processo (composzone chmca della bomassa ovvero quanttà n cu cascun elemento fondamentale che la compone rsulta essere presente, quanttà d ossgeno aggunto al sstema, pressone, temperatura adabatca d reazone, etc...). Questo mplca l ntroduzone d 5 ulteror ncognte e qund la necesstà d ntrodurre altr 5 vncol per la chusura del sstema: l problema è stato rsolto ntroducendo 3 blanc 39 g j1 R syngas tar, j, Altre due equazon sono date dalla forma dscretzzata delle equazon complessve d contnutà per le due fas, solda e gassosa: U C Ns Ns Ns Nr s OUT s IN C t 1 1 dx 1 j1 U C U C R, j Ng N N s g Nr s OUT s IN C t 1 1 dx 1 j1 U C Un equazone è data dalla forma dscretzzata nello spazo dell equazone d blanco termco per la fase solda: C C T U scc p, Ts U scc p, Ts t p, s OUT dx IN R, j R, jh j hsg T s Tg Pe, s L ultma equazone è la forma dscretzzata nello spazo dell equazone d blanco termco per la fase gassosa: C C T U scc p, Ts U scc p, Ts t p, g OUT dx IN R, jh j hsg T g Ts Pe, g

40 elemental su carbono, drogeno e ossgeno e due rapport spermental d natura emprca (s veda l successvo par ) DISCRETIZZAZIONE SPAZIALE DEL REATTORE Un ulterore peculartà del modello è la sua modulartà. Il reattore vene modellato come composto d un certo numero d slces (fette) dentche l una all altra, d spessore suffcentemente pccole da poter rtenere che le grandezze sano omogenee lungo l asse del reattore. Cascuna slce rappresenta un mn-reattore nel quale vengono rsolte tutte le equazone, tenedo conto delle cnetche d reazone tpche della temperatura della slce corrente. In questo modo s ha la possbltà d affnare la dscretzzazone spazale l asse del reattore semplcemente aumentando l numero slces. S trascurano nvece gradent radal, ovve s suppone che le grandezze sano unform sulla -esma sezone del reattore. FIGURA 16: DISCRETIZZAZIONE SPAZIALE CONFIGURAZIONE IN EQUI-CORRENTE FIGURA 17: DISCRETIZZAZIONE SPAZIALE CONFIGURAZIONE IN CONTRO-CORRENTE Nella confgurazone d reattore n controcorrente s hanno, rspetto al modello del prolzzatore, alcune complcazon d tpo numerco: nel calcolo del funzonamento della - esma porzone n cu l reattore è suddvso, nfatt, s necessta anche d nformazon provenent dalla zona (+1). Per tale ragone è stato necessaro ntrodurre de blocch d delay che fanno sì che l calcolo delle grande relatve al volume -esmo all stante d tempo t avvensse basandos su grandezze calcolate per l volume (+1)-esmo all stante d tempo precedente (t-dt). 40

41 3.5.3 STRUTTURA DELLE SINGOLE SLICES Cascuna delle slces nelle qual vene suddvso l reattore s artcola n una sere d blocch, n alcun cas anndat l uno dentro l altro. In cascuna slce s prevedono le seguent fas: 1. Calcol prelmnar: n questo blocco s effettua l nzalzzazone delle veloctà nzal delle due fas solda ( U ) e gassosa ( U ) (solo per la prma slce) e l d parametr geometrc: : l volume s V della slce corrente, l passo d ntegrazone spazale dx,, g la frazone d vuoto comprensva non solo de vuot nterstzal tra sngol chp d bomassa ma anche del grado d vuoto dovuto al parzale rempmento nel caso d confgurazone orzzontale o a tamburo rotante; 2. Rsoluzone de blanc d massa: n forma dscretzzata e per cascun flusso evolvente (bomassa, char, tar, gas d prols). Da quest s rcava l evoluzone delle concentrazon C per cascun flusso evolvente, che possono po essere messe n relazone con le relatve portate. Come s vede dalla forma dscretzzata delle equazon, queste fornscono n output de segnal d dervate che vengono ntegrat da SmulInk attraverso un blocco ntegratore che deve essere nzalzzato con opportune condzon nzal. I rate R j che compaono nelle equazon d blanco vengono calcolat potzzando che le cnetche d reazone sano descrvbl tramte costant d Arrhenus, del tpo: k j A e j T R E j I dat utlzzat sono rportat n Tabella Rsoluzone de blanc d energa: n forma dscretzzata per la fase solda e gassosa. Da blanc termc s rcava la temperatura delle due fas, supponendo che tar e gas s trovno alla stessa temperatura e che bomassa e char s trovno alla stessa temperatura. In questa fase s tene conto delle anche delle dsperson con l esterno la cu enttà, potzzando che la parete esterna del reattore sa cobentata e s trov a temperatura mposta T wall, vene valutata come segue: P 4 e h, s s, out Dp T s Twall s Pe 41

42 Analogamente a quanto avvene per l blanco termco della fase solda, nell equazone precedente P e, g che va scaldare la fase gassosa, calcolata come segue: P e, g p è la quota parte della potenza fornta dalle resstenze T g T wall s P e 4 h g, out 1 D Nelle equazon d blanco d energa l coeffcente d scambo termco tra la fase solda e quella gassosa vene valutato attraverso la seguente relazone emprca, reperta n letteratura: h sg 2.06C p U g Re Pr L ntegrazone nel tempo delle equazon d blanco vene effettuata da SmulInk ed è possble sceglere tra dvers solutor, nel caso specfco s è optato per un solutore che adatta l passo d ntegrazone temporale all ntenstà de gradent. Il calore specfco della bomassa è stato valutato, n funzone della temperatura, attraverso la relazone seguente: C bo a bt Il calore specfco del syngas, nvece, vene calcolato come meda pesata de calor specfc C p, de var component, attraverso una funzone della temperatura d tpo polnomale, secondo la relazone: 2 3 C p, a bt ct dt Il calore specfco del TAR è stato assunto par a quello del naftalene, coerentemente con la scelta gà menzonata d modellarlo come costtuto d questo solo componente. Per l char, modellato come composto d solo carbono, s è utlzzata la seguente relazone: C p, char c a bt. 2 T In Tabella 1 seguente valor delle costant usat per l calcolo. 42

43 a b c d Bomassa , Char 923,43 9,13E-01-4,08E+07 - Tar -377,3 6,30E+00-5,08E-03 1,60E-06 CO 1102,5-4,59E-01 9,96E-04-4,50E-07 CO ,67E+00-1,27E-03 3,90E-07 H ,64E+00-6,91E-03 3,80E-06 CH ,26E+00 7,84E-04-7,10E-07 H 2 O 1791,1 1,07E-01 5,86E-04-2,00E-07 O 2 874,44-1,00E-04 5,46E-04-3,30E-07 N ,5 4,85E-01 9,57E-04-4,20E-07 TABELLA 1: COSTANTI PER IL CALCOLO DEI CALORI SPECIFICI. 4. Predzone della composzone del syngas d prols: s predce, per cascuna porzone d reattore, la quanttà d cascun componente che vene svluppato nella slce corrente e l aggornamento della corrente provenente dalla slce precedente PREDIZIONE DELLA COMPOSIZIONE DEL GAS DI PIROLISI Avendo potzzato che l gas svluppato sa composto da cnque component, altrettante sono le ncognte da determnare: le cnque equazon necessare a chudere l sstema e a permettere d ndvduare la soluzone sono date da: tre blanc elemental su C, H e O ; l ntroduzone d una costante emprca che stablsca l valore del rapporto tra la quanttà d metano e quella d CO 2 n funzone della temperatura raggunta dalla fase gassosa nella -esma slce: CH 4 CO 2 R1( T syngas ) l ntroduzone d una costante emprca che stablsca, n funzone della stessa temperatura, l valore del rapporto tra le quanttà d monossdo e d andrde carbonca: CO CO 2 R ( 2 T syngas ) La composzone così calcolata vene successvamente utlzzata per rcalcolare le propretà fsche del syngas (calore specfco, potere calorfco, etc ) e po attrbuta al vettore syngas n uscta dalla slce corrente che entra, con tutte le propre caratterstche chmco-fsche opportunamente aggornate, come nput alla slce successva. 43

44 Le espresson da attrbure a due rapport sono state rnvenute n letteratura 1-2 e sono: R e 1 R T T T Va notato che la tecnca utlzzata è valda solo nell potes che l syngas prodotto stazon n cascuna porzone del reattore per un tempo suffcentemente lungo da portars n condzon d equlbro per la temperatura attrbuta a quella porzone d reattore. FIGURA 18: ANDAMENTO DEL RAPPORTO R 1. (ANDAMENTO IN VERDE) FIGURA 19: ANDAMENTO DEL RAPPORTO R 2. (ANDAMENTO IN VIOLA). 1 Sharma A.K., Rav M.R., Kohl S., Modellng product composton n slow pyrolyss of wood. 2 Thunman H, Nklasson F, Johnson F, and Leckner B, 2001, Composton of volatle gases and thermochemcal propertes of wood for modellng of fxed or fludzed beds,energy & Fuel, 15,

45 3.5 MODELLO DI GASSIFICAZIONE Obettv del modello d gassfcazone: mettere a dsposzone uno strumento n grado d stablre preventvamente la quanttà d agente ossdante con l quale va almentato l reattore a seconda della portata d CHAR da gestre, n modo che rsult strettamente suffcente a garantre che s svlupp l calore necessaro per sostenere le reazon endotermche d rduzone senza nfcare l effcenza d conversone, fornre una prevsone della composzone e del contenuto energetco del gas combustble prodotto. L mplementazone d un modello d gassfcazone separato da quello d prols presenta essenzalmente seguent vantagg: rende possble lo studo n regme tempovarante d una vasta sere d confgurazon d mpanto, n partcolare lo studo del comportamento d un reattore funzonante come gassfcatore d solo carbone oltre che d bomassa; rende possble l calcolo separato d portate, composzon e PCI del gas svluppato nelle due dverse fas d prols e d gassfcazone SCELTE MODELLISTICHE Il modello d gassfcazone, così come quello mplementato per la prols, s rfà ad una schematzzazone a volume reagente ed è ndvduato da un set d equazon, reazon che prevede n ngresso una sere d parametr e nput numerc lett da fle e organzzat n vettor che vengono nzalzzat prma d entrare nel blocco che rsolve le equazon d conservazone. La modellazone della bomassa, del char, del syngas e del tar avvene n manera analoga a quanto fatto per la gassfcazone e llustrato nel paragrafo Per quanto rguarda l agente ossdante, questo vene modellzzato come una corrente gassosa la cu composzone può essere nzalzzata dall esterno n manera dfferente a seconda che l agente ossdante sa ara, ossgeno puro o anche una mscela d ara e vapore o ossgeno e vapore. Anche n questo caso s può specfcare una potenza termca fornta dall esterno per lo startup del reattore che vene specfcata attraverso un vettore composto da un numero d component par al numero delle slces nelle qual vene dscretzzato spazalmente l reattore n modo da consentre d smulare confgurazon nelle qual l rscaldamento non è unforme lungo l asse del reattore. 45

46 Per quanto rguarda la modellazone della parte chmca, le costant d reazone chmche sono modellate secondo Arrhenus e rate vengono calcolat come rportato nelletabella 2 e Tabella 3. In Tabella 3 sono rportat anche valor assunt per nel calcolo delle costant d Arrhenus. Reazone R j E [J/K mol] A [s -1 ] Bomassa Gas R 1 = k 1 C bo Bomassa Tar R 2 = k 2 C bo Bomassa CHAR R 3 = k 3 C bo TAR Gas R 4 = k 4 C tar TAR CHAR R 5 = k 5 C tar TABELLA 2 CINETICHE DI REAZIONE Reazone R j E [kj/mol] A [s -1 ] C + O CO + 2 CO 2 R 1 CO T k k CCO 2 C + CO R2 2 2 CO 1 1 Tsk2 km C + 2H 2 CH 4 C + H O CO + 2 H 2 R R 3 4 s s 1 C 1 T k s 3 H 2 m 1 k m CCO 1 1 T k k 4 m CO C CH C 4 2 R k T g O CO + O 2 R k C C 0.5 C H + O2 2 H2O 6 6 CO O H2 2 O O2 TAR + O CO + H2O g TAR O2 R k C C H R k T C C CO + H2O CO2 H 2 CO2 + H R 2 wgs k4 CcoCH2O K E. 6 TABELLA 3: COSTANTI UTILIZZATE PER IL CALCOLO DEI RATEI DI REAZIONE 3 C C D Blas, C., Dynamc Behavor of Stratfed Downdraft Gasfers, Chem. Eng. Sc., 55, 2931 (2000). 46

47 3.6 BIBLIOGRAFIA 47 [Rf. 1.] [Rf. 2.] [Rf. 3.] [Rf. 4.] [Rf. 5.] [Rf. 6.] [Rf. 7.] [Rf. 8.] [Rf. 9.] [Rf. 10.] [Rf. 11.] [Rf. 12.] [Rf. 13.] [Rf. 14.] D Blas, C. - Modelng Wood Gasfcaton n a Countercurrent Fxed-Bed Reactor, AIChE Journal, September 2004, Vol. 50, No. 9. Rogel, A., Agullòn, J. The 2-D Euleran Approach oh Entraned Flow and temperature n a Bomass Stratfed Downdraft Gasfer,Amercan Journal of Appled Scences 3 (10), Kenneth M. Bryden and Kenneth W. Ragland Numercal Modelng of a Deep, Fxed Bed Combustor, Energy & Fuels 10, Colomba D Blas and Carmen Branca, Mathematcal Model for the Nonsteady Decomposton of Intumescent Coatngs, AIChE Journal, October 2001 Vol. 47, No. 10. Takash Kashwag and Hdesaburo Nambu - Global Knetc Constants for Thermal Oxdatve Degradaton of a Cellulosc Paper Combuston and flame, S. Sva Kumar, K. Ptchand and E. Natarajan - Modelng and Smulaton of Down Draft Wood Gasfer, Journal of Appled Scences 8 (2), C. Mandl, I. Obernberger, F. Bederman Updraft fxed-bed Gasfcaton of soft-wood pellets: mathematcal modelng and comparson wth expermental data, Proceedngs of the 17 th European Bomass Conference and Exhbton, June/July G. Cau, S. Murga Modellazone e spermentazone del processo d wgs operato sul syngas provenente da gassfcazone del carbone che utlzza CO2 come agente gasfcante, report d Rcerca d Sstema Elettrco, Avdhesh K. Sharma, M.R. Rav and S. Kohl - Modellng Product Composton In Slow Pyrolyss Of Wood. Fabrce Patsson, Etenne Lebas, Francos Hanrot, Dens Abltzer, and Jean- Leon Houzelot Coal Pyrolyss n a Rotary Kln: Part I. Model of the Pyrolyss of a Sngle Gran, Metallurgcal And Materals Transactons B, Volume 31b, Aprl Fabrce Patsson, Etenne Lebas, Francos Hanrot, Dens Abltzer, and Jean- Leon Houzelot Coal Pyrolyss n a Rotary Kln: Part II. Overall Model of the Furnace, Metallurgcal And Materals Transactons B, Volume 31b, Aprl I. Petersen, J.Werther Three-dmensonal modelng of a crculatng fludzed bed gasfer for sewage sludge, Chemcal Engneerng Scence 60 (2005). Purnomo, D. J. Aerts and K. W. Ragland Pressurzed Downdraft Combuston of Woodchps, Twenty-Thrd Internatonal Symposum on Combuston, Z. A. Zanal, R. Al, C.H. Lean, K.N. Seetharamu, Predcton of performance of a downdraft gasfer usng equlbrum modelng for dfferent bomass materals, Energy Converson and Management 42 (2001). [Rf. 15.] M. Venkata Ramanan, E. Lakshmanan, R. Sethumadhavan and S. Renganarayanan - Performance Predcton And Valdaton Of Equlbrum Modelng For Gasfcaton Of Cashew Nut Shell Char, Brazlan Journal of Chemcal Engneer Vol. 25, No. 03, July - September, 2008

48 [Rf. 16.] Avdehsh Sharma, - Modelng and smulaton of a downdraft bomass gasfer 1. Model development and valdaton, Energy Converson and Management 52 (2011). [Rf. 17.] Henrk Thunman, Fredrk Nklasson, Flp Johnsson, and Bo Leckner Composton of Volatle Gases and Thermochemcal Propertes of Wood for Modelng of Fxed or Fludzed Beds, Energy & Fuels,

49 CAPITOLO 4 RISULTATI 4.1 TEST CONDOTTI Come gà spegato, l modello mplementato è n grado d smulare reattor d gassfcazone completa o d sola prols, n dverse confgurazon: letto fsso n equcorrente (downdraft), letto fsso n controcorrente (updraft) o tamburo rotante. Da un punto d vsta termofludodnamco l modello permette d calcolare profl d vare grandezze d nteresse n funzone della coordnata assale del reattore, n partcolare: profl d concentrazone delle spece d nteresse n fase solda e gassosa, sa quelle reagent sa quelle n va d produzone; profl d veloctà del soldo e del gas; profl d temperatura delle due fas. Questo consente d analzzare n che msura le dverse regon s sovrappongono all'nterno del reattore e d mettere n relazone tra loro le vare grandezze (ad esempo le concentrazon delle dverse spece con la temperatura locale). Il modello può, noltre, essere utlzzato per condurre anals d senstvtà. Come gà spegato, sono nnumerevol parametr che nfluenzano l funzonamento d un reattore: l'anals d senstvtà su parametr pù mportant consente d stablre come quest nfluenzno la resa energetca e l'effcenza d conversone del processo. Le confgurazon d rfermento scelte per la valdazone del modello sono state due: Prolzzatore almentato a bomassa n equcorrente, Gassfcatore almentato con materale carbonoso n controcorrente. 49

50 Le ragon d questa scelta rsedono essenzalmente nella volontà d testare separatamente l funzonamento del modello per due fenomen d prols e d gassfcazone e al tempo stesso verfcarne la capactà d lavorare sa nella confgurazone n equcorrente che n n quella controcorrente. 4.2 FUNZIONAMENTO DA PIROLIZZATORE PARAMETRI SIGNIFICATIVI Per quanto rguarda la prols, la dstrbuzone tra dvers prodott e la composzone del gas prodotto, oltre che dalla tpologa d bomassa almentata, dpendono fortemente dal tpo d reattore nel quale s fa avvenre la reazone e dalla veloctà d rscaldamento della bomassa. In partcolare, con alte veloctà d rscaldamento, basse temperature e bass temp d resdenza s sposta la conversone verso prodott condensabl (TAR).Al contraro, pù l processo d prols è lento (ovvero caratterzzato da basse veloctà d rscaldamento e, d conseguenza, da temp d permanenza nel reattore pù elevat) pù la conversone s sposta a favore d char e prodott gassos. I parametr fondamental da controllare, pertento, sono seguent: composzone e umdtà della bomassa almentata; tempo d resdenza: legato alla portata d bomassa (a partà del grado d rempmento del reattore); veloctà d rscaldamento, legato alla potenza termca fornta dall esterno; confgurazone del reattore: s assume un rempmento del 100% per smulare un letto fsso downdraft e un rempmento nferore per smulare un reattore a tamburo rotante SIMULAZIONI La composzone elementale della bomassa assunta per test d seguto llustrat è la seguente: carbono: % drogeno: 6 % ossgeno: % azoto: 0.12 % zolfo: 0.03 % cloro: 0.02 % potasso: 1.5 % 50

51 magneso: 1.5 %. Nella seguent Tabella 4 e Tabella 5 sono rportat gl nput fondamental per le smulazon condotte per testare l modello n confgurazone orzzontale, varando parametr sgnfcatv. Confgurazone equcorrente Tamburo rotante orzzontale CASO Rempmento [%] Umdtà n ngresso [%] P e [kw] Portata [kg/h] , , , , , , , , ,0 15 TABELLA 4: ESEMPIO DI SET DI SIMULAZIONI CONDOTTE PER LA CONFIGURAZIONE EQUICORRENTE (TAMBURO ROTANTE). Confgurazone equcorrente Letto fsso downdraft CASO Umdtà n ngresso [%] P e [kw] Portata [kg/h] , , , , , , , ,5 18 TABELLA 5: ESEMPIO DI SET DI SIMULAZIONI CONDOTTE PER LA CONFIGURAZIONE EQUICORRENTE (LETTO FISSO DOWNDRAFT) I rsultat ottenut n termn percentual d effcenza d conversone e d component del gas d prols n uscta (a regme) sono rassunt nell seguent Tabella 6 e Tabella 7. 51

52 In alcun cas quell n cu l umdtà della bomassa entrante è pù elevata - l modello evdenza un effcenza d conversone della bomassa non totale: cò sgnfca che la potenza fornta dallo stack d resstenze non è suffcente poché molta potenza vene sottratta dall evaporazone e questo avvene a dscapto del processo d prols. Nella seguente Fgura 20 s rportano, a ttolo esemplfcatvo, de profl d temperatura (anch ess a regme). Confgurazone equcorrente Tamburo rotante orzzontale CASO T out,gas [ C] Effcenza d conversone [%] H 2 [%vol] CO [%vol] CH 4 [%vol] PCI [MJ/Nm 3 ] ,6% 14,9% 11,8% 9, ,2 48,8% 19,8% 12,0% 10, ,7 47,1% 18,0% 12,4% 9, ,9% 16,4% 11,3% 9, ,6% 13,8% 10,8% 10, ,9 45,5% 20,8% 12,5% 9, ,6% 13,2% 10,8% 13, ,3 52,0% 15,4% 11,3% 10, ,1 48,9% 18,4% 12,5% 12,30 TABELLA 6: RISULTATI DEL SET DI SIMULAZIONI IN TABELLA 4. Confgurazone equcorrente Tamburo rotante orzzontale CASO T out,gas [ C] Effcenza d conversone [%] H 2 [%vol] CO [%vol] CH 4 [%vol] PCI [MJ/Nm 3 ] ,9% 17,3% 10,4% 9, ,1% 15,7% 11,0% 9, ,9% 13,7% 11,8% 9, ,8 48,1% 18,1% 12,2% 9, ,7% 16,7% 11,6% 10, ,6% 14,1% 10,0% 9, ,5% 13,7% 11,9% 9, ,0 49,0% 18,2% 11,7% 9,82 TABELLA 7: RISULTATI DEL SET DI SIMULAZIONI IN TABELLA 5. 52

53 FIGURA 20: PROFILI DI TEMPERATURA DELLA FASE SOLIDA [ C] A REGIME (SET DI SIMULAZIONI IN TABELLA 4). 53

54 4.3 FUNZIONAMENTO DA GASSIFICATORE PARAMETRI SIGNIFICATIVI Come gà accennato pù volte, per quanto rguarda la gassfcazone parametr pù mportant da tenere sotto controllo sono: la temperatura, l rapporto ara/combustble (A/C), l rapporto vapore/combustble (V/C). In partcolare l rapporto tra l combustble e l agente ossdante almentato al sstema d gassfcazone rsulta d fondamentale mportanza nel determnare la resa energetca del processo. Occorre nfatt ottmzzare l valore del rapporto ara/combustble al fne d garantre una corretta combustone e allo stesso tempo sfruttare n modo adeguato l energa posseduta n orgne nel combustble n modo da rtrovarla ne prodott della gassfcazone. Percò è necessaro almentare al reattore solo la quanttà d agente ossdante suffcente a garantre che s svlupp l calore necessaro per sostenere le reazon d prols e quelle d gassfcazone. La gassfcazone con ara presenta, nfatt, l problema della dluzone del gas prodotto dovuto alla presenza dell azoto che, con la sua nerza termca, determna l abbassamento del potere calorfco SIMULAZIONI Come per l modello della prols, anche per la gassfcazone s sono effettuate una sere d smulazon per testare l funzonamento del modello. I test sono stat condott consderando un reattore d gassfcazone n confgurazone updraft almentato dal solo char provenente da un processo d prols separato (o da carbone) come combustble e da una mscela ara-vapore o da sola ara come agente gassfcante. Il modello della gassfcazone ha evdenzato, rspetto alla prols, una problematca n pù, n parte legata alla dffcoltà d modellare un processo n controcorrente: la gestone della smulazone della fase d avvamento del reattore. Un prmo set d smulazon effettuate, cu nput prncpal sono rportat n Tabella 8, aveva nfatt mostrato che fornendo n ngresso un char con caratterstche corrspondent a quelle d un char n uscta da un prolzzatore n condzon d regme (T C) l modello fornsce come output rsultat non sgnfcatv, ovvero evdenza che non s nnescano reazon: l char non vene consumato e la composzone del gas n uscta concde con quella dell agente ossdante n ngresso. Questo ndcava charamente che le condzon n ngresso non erano suffcent ad avvare l processo. 54

55 CASO Char [kg/h] A/C V/C P e [kw] T IN,char [ C] O 2 [%l] N 2 [%] H 2 0 [%] 1 3 0, , , , , , TABELLA 8: PRIMO SET DI SIMULAZIONI CONDOTTE. Per nnescare le reazon occorre fornre una potenza esterna che scald notevolmente l substrato soldo (crca 1000 C): n tal modo l gas che ne vene n contatto s scalda fno a valor elevat (crca 800 C). Solo quando la temperatura locale del gas (sulla quale è basato l calcolo de rate d reazone) s porta a tal valor s è vsto che s sono effettvamente nnescate le reazon d gassfcazone, alcune delle qual essendo esotermche contrbuscono po al mantenmento della catena d reazon. In Tabella 9 sono rassunt gl nput d una sccessva tranche d smulazon. CASO Char [kg/h] A/C V/C P e [kw] T IN,char [ C] H 2 0 [kg/h] N 2 [Kg/h] O 2 [kg/h] 1 3 0,2 0, ,7 2,7 0, ,2 0, ,7 2,7 0, ,4 0, ,4 5,5 0, ,4 0, ,4 5,5 0, ,5 0, ,7 6,9 0, ,5 0, ,7 6,9 0,9 TABELLA 9:ESEMPIO DI SET DI SIMULAZIONI. I rsultat ottenut relatv alle smulazon d cu n Tabella 9 sono rassunt nella seguente Tabella

56 CASO Syngas [kg/h] T out,syngas [ C] CH 4 [%vol] H 2 [%vol] CO 2 [%vol] CO [%vol] H 2 O [%vol] N 2 [%vol] 1 7, ,3% 5,4% 24,3% 16,3% 12,3% 37,4% 2 7, ,8% 6,6% 21,6% 18,0% 8,6% 37,4% 3 10, ,1% 9,9% 20,1% 10,3% 8,0% 43,6% 4 10, ,5% 11,2% 18,9% 11,8% 6,0% 43,6% 5 11, ,2% 7,6% 25,1% 6,1% 7,1% 47,9% 6 11, ,9% 8,3% 24,8% 7,4% 5,7% 47,9% TABELLA 10:RISULTATI SIMULAZIONI IN TABELLA 9. I successv grafc mostrano profl d alcun compost al varare del rapporto ara/carbone al valore (A/C = 0,3 0,4 0,5). Il dverso apporto d ara, nfluenzando le relatve reazon, modfca l estensone delle zone d gassfcazone e combustone. FIGURA 21: PROFILI DI TEMPERATURA DEL SOLIDO [ C] (ANALISI DI SENSITIVITÀ AL VARIARE DEL RAPPPORTO ARIA/COMBUSTIBILE). I profl d temperatura rspettvamente del soldo e del gas (e Fgura 21) lungo l reattore evdenzano n modo netto la dstnzone tra le zone del reattore n cu avvengono le reazon d combustone e quelle d gassfcazone. Nelle fgure seguent vengono noltre presentat grafc che rportano gl andament (lungo la coordnata assale del reattore) delle concentrazon de var compost consderat una volta raggunto lo stato stazonaro. Le concentrazon de compost sold sono espresse n kg/m 3 d reattore mentre quelle de compost gassos sono espresse n kg/m 3 d gas. 56

57 In partcolare la seguente Fgura 22 mostra l proflo d concentrazone del char lungo l reattore. La concentrazone del char resta nzalmente costante fno al raggungmento d una temperatura para a crca 650 C, nelle part centrale e nferore del reattore, dove la temperatura mostra un brusco aumento, l char subsce le reazon d gassfcazone e combustone e la sua concentrazone va dmnuendo rapdamente. In uscta dal reattore (x/l=1) l suo consumo è completo. FIGURA 22: PROFILO DI CONCENTRAZIONE DEL CHAR [kg/m 3 ]. La seguente Fgura 23 mostra nvece profl d concentrazone (normalzzat con l valore nzale d concentrazone d agente gassfcante) del syngas. Dal confronto tra la Fgura 22 e la Fgura 23 s può osservare come la scomparsa del char concda con la formazone del syngas. FIGURA 23: PROFILI DI CONCENTRAZIONI DEL SYNGAS [kg/nm 3 ]. 57

58 Nelle seguent Fgura 24 e Fgura 25 sono mostrat profl delle concentrazon de component del syngas lungo l reattore. FIGURA 24: PROFILI DI CONCENTRAZIONE DEL METANO E DELL IDROGENO [kg/nm 3 ] Per l monossdo s osserva una crescta nzale, po un flesso n corrspondenza d una zona dove l CO cresce pù lentamente per effetto della presenza della reazone d water gas shft che lo converte n andrde carbonca e nfne un ulterore aumento per effetto delle reazon d gassfcazone del char, nella parte fnale, overo n basso. Dverso andamento presenta l andrde carbonca che è presente sa come prodotto della reazone d combustone del char che come prodotto della reazone d shft. FIGURA 25: PROFILI DI CONCENTRAZIONE DEL MONOSSIDO E DELL ANIDRIDE CARBONICA [kg/nm 3 ]. 58

59 CONCLUSIONI Scopo della rcerca è stato quello d svluppare un modello matematco capace d smulare n dnamco l comportamento d reattor d prols e gassfcazone d bomassa. Il modello matematco svluppato prende separatamente n consderazone process evolutv d conversone del soldo che portano alla formazone d gas e char n fase d prols, le reazon eterogenee gas-soldo, le reazon chmche omogenee n fase gas, consentendo d descrvere dal punto d vsto chmco-fsco sa l fenomeno complessvo della gassfcazone d bomassa sa la prols come fenomeno a sé stante. Buona parte de modell reperbl n letteratura sono n grado d predre l funzonamento d tale apparecchatura studando l fenomeno dal punto d vsta dell equlbro. Il presente studo s è proposto, nvece, d modellare l apparecchatura tenendo conto delle cnetche d reazone. Sulla base d esgenze pratche l modello è stato successvamente testato per verfcarne l funzonamento n due confgurazon: Prolzzatore a letto fsso almentato a bomassa, n confgurazone a fluss n equcorrente (downdraft o tamburo rotante), Gassfcatore) almentato con char provenente da un separato processo d prols n confgurazone a fluss controcorrente (updraft). Le due confgurazon testate hanno dmostrato una buona aderenza con dat d letteratura. Da un punto d vsta fludodnamco, l modello è n grado d calcolare profl d veloctà della fase solda e gassosa, profl d temperatura della fase solda e della fase gassosa, oltre che profl d concentrazone delle spece che partecpano alle reazon, ovvero la portata d gas prodotto. 59

60 La rcerca svolta s prefgura come fase nzale d modellazone delle cnetche fsche che hanno luogo all nterno d un reattore e rappresenta la ndspensable base propedeutca allo svluppo d un vero e propro sstema d controllo d un mpanto. Possbl futur svlupp del progetto sono pertanto rappresentat sa da una modellazone pù accurata de var fenomen convolt sa dallo svluppo d software d controllo n grado d: acqusre dat provenent da un reattore spermentale, confrontare gl outout del modell con dat spermental, rtarare parametr ed coeffcent del modello sulla base degl output spermental. 60

61 APPENDICE A SCHERMATE DEL MODELLO DI PIROLISI FIGURA 26: SCHERMATA INIZIALE MODELLO DI PIROLISI 61

62 FIGURA 27: DISCRETIZZAZIONE SPAZIALE. (P.ES. IN 4 SLICES) 62

63 FIGURA 28: VETTORE BIOMASSA FIGURA 29: VETTORE PROPRIETÀ FISICHE BIOMASSA. 63

64 64 FIGURA 30: VETTORE COMPOSIZIONE BIOMASSA.

65 65 FIGURA 31: STRUTTURA DEL BLOCCO CHE IMPLEMENTA I BILANCI

66 66 FIGURA 32: STRUTTURA DEL BLOCCO CHE IMPLEMENTA LA PREVISIONE DELLA COMPOSIZIONE DEL SYNGAS.

67 67 FIGURA 33: STRUTTURA DEL BLOCCO CHE CALCOLA I RATEI DI REAZIONE E IMPLEMENTA I BILANCI DI MASSA.

68 APPENDICE B SCHERMATE DEL MODELLO DI GASSIFICAZIONE FIGURA 34: SCHERMATA INIZIALE DEL MODELLO DI GASSIFICAZIONE. 68

69 FIGURA 35: DISCRETIZZAZIONE SPAZIALE GASSIFICATORE. (P. ES. IN 3 SLICES) 69

70 70 FIGURA 36: STRUTTURA DEL BLOCCO CHE IMPLEMENTA I BILANCI DI MASSA ED ENERGIA.

71 FIGURA 37: STRUTTURA DEL BLOCCO CHE IMPLEMENTA I BILANCI DI MASSA. IL BLOCCO IN ALTO CALCOLA I RATEI DI REAZIONE. 71

72 72 FIGURA 38: STRUTTURA DEL BLOCCO CHE CALCOLA LA COMPOSIZIONEDEL SYNGAS.