La gassificazione della biomassa: teoria del processo e stato dell arte della tecnologia

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1 La gassificazione della biomassa: teoria del processo e stato dell arte della tecnologia Marco Baratieri Bolzano, TIS-Innovation Park 22 ottobre 2010

2 Cos é la gassificazione COMBUSTIONE GASSIFICAZIONE PIROLISI Processo di conversione termico (termo-chimico) di un combustibile solido (biomassa) in un combustibile gassoso (gas di sintesi o syngas) 2

3 Cos é la gassificazione GASSIFICAZIONE PIROLISI CHAR CENERI CALORE BIOMASSA SYNGAS TAR TAR CALORE ARIA o VAPORE Catalizzatore (?) 3

4 Perché la gassificazione? VANTAGGI RISPETTO A TRASPORTO E DISTRIBUZIONE RENDIMENTO DI COMBUSTIONE EMISSIONI TAGLIA / RENDIMENTO UTILIZZO DEL GAS [ LIQUIDO ] Vs [ SOLIDO ] [ GAS ] [ LIQUIDO ] Vs [ SOLIDO ] [ GAS ] CONTROLLO MIGLIORE MOTORI C.I. TURBINE A GAS SISTEMI AD ELEVATA EFFICIENZA PRODUZIONE DI LIQUIDI 4

5 Perché la gassificazione? BIOMASSA ceneri, char tar, particolato SNG (gas naturale sintetico) ELETTRICITÁ GASSIFICAZIONE inquinanti (S) IDROGENO (usi industriali) PRODOTTI CHIMICI COMB. LIQUIDI CARBURANTI FERTILIZZANTI CALORE 5

6 Dentro al gassificatore TIPO DI LETTO FISSO FLUIDO 6

7 Gassificatori: a letto fisso gassificante gassificante gassificante 7

8 Gassificatori: a letto fluido BFB letto fluido bollente CFB letto fluido ricircolato EF 8

9 Gassificatori: prestazioni e parametri - temperatura e pressione di esercizio - ER rapporto di equivalenza - SC rapporto vapore/carbonio - velocità media superficiale - carico al focolare - il potere calorifico del gas - la velocità del flusso di gas - quantità di gas prodotto - efficienza di conversione - consumo di combustibile - quantità di tar prodotto - quantitá di particelle solide trasportate 9

10 Schemi di impianto Biomassa ciclo a vapore RESIDUI Combustione del gas così come prodotto, oppure dopo trattamenti non particolarmente spinti posti a valle dell apparecchiatura di conversione (es.: generatore di vapore) Biomassa motori c.i. turbine a gas Utilizzo del gas come combustibile in apparecchiature di conversione diretta (motori alternativi, turbine a gas), previa depurazione spinta 10

11 Qualitá del syngas Composizione Potere calorifico inferiore (MJ Nm -3 ) Potere calorifico inferiore: gas naturale ~ 36 MJ Nm -3 biogas (55-65% CH4 ) ~ MJ Nm -3 11

12 Qualitá del syngas Potere calorifico del syngas [MJ Nm -3 ] scala di laboratorio piccola scala scala pilota Dati di 30 impianti sperimentali ( ) Potere calorifico biomassa [MJ kg -1 ] Temperatura di gassificazione [ C] 12

13 Tecnologie di trattamento gas Sostanze indesiderate : particolato tar, composti alcalini, composti dell azoto composti dello zolfo composti del cloro Trattamenti (clean-up): convenzionali: ad umido alternativi: a secco 13

14 Tecnologie di trattamento gas Trattamento ad umido Burner Gassificatore (or) Gasifier exhaust gases (or) syngas syngas Heat exchanger scambiatore ciclone Cyclone (150 C) torre di lavaggio (scrubber) Scrubber Bag filter particolato Particulate Filtro a maniche ~30 C Condensed water condensato Particulate particolato 14

15 Tecnologie di trattamento gas Trattamento a secco Heat exchanger ciclone Cyclone (400 C) adsorbitore Adsorber (400 C) Heat exchanger Gassificatore Gasifier Syngas (~800 C) scambiatore scambiatore Particulate particolato filtro ceramico Ceramic filter (300 C) filtro elettrostatico Electrostatic precipitator (300 C) Cyclone (300 C) to the electrochemical section particolato 15

16 Utilizzo del syngas: energia Motori a combustione interna alimentati da combustibile standard (gas naturale) o gas di sintesi (10-16 MJ Nm -3 ) Rendimento Elettrico (%) Rendimento Elettrico - Syngas (%) Rendimento Termico (%) 45 Rendimento Termico - Syngas (%) Potenza Elettrica (kw) [dati GE-Jenbacher]

17 Utilizzo del syngas: es. di scenari GASSIFICATORE Letto fluido ricircolato (CFB) SISTEMA DI COGENERAZIONE 1) Motore alternativo (Layout 1) 2) Turbina a gas (CCGT) (Layout 2) 3) Cella a combustibile (Layout 3)

18 Bilancio energetico Risultato di simulazioni di processo all equilibrio termodinamico: 100% 30 % - teorico! 80% Layout 1 Layout 3 Bisogna tener conto di: 60% 40% 30 % 20% Layout 2 Layout 3 Layout 1 Layout 2 - rendimento di conversione (scostamento dall equilibrio termodinamico) - perdite e autoconsumi 0% rendimento Global efficiency totale rendimento elettrico Electric efficiency = 25 %

19 Punti critici Elementi di criticitá variabilitá del combustibile (umiditá, pezzatura ) elevate temperature e ambiente chimico aggressivo pulizia del syngas Conseguenze-interazioni gassificatore poco versatile (automazione spinta) problemi di durabilitá, per fenomeni di corrosione ed usura del reattore (leghe metalliche speciali) affidabilitá perdita di efficienza costi di esercizio (smaltimento condensati, tar) sistemi di cogenerazione affidabilitá del sistema 19

20 20 Südtirol - Alto Adige (10.10) Gassifizierungsanlage Impianti di gassificazione

21 LUB gruppo di Fisica Tecnica Linee di ricerca: Sfruttamento energetico delle biomasse Termofisica degli edifici 21

22 LUB gruppo di Fisica Tecnica Sfruttamento energetico delle biomasse Competenze e interessi Modellazione Mod. Termodinamico di gassificazione (2-fasi) Mod. Cinetico di torrefazione (3-fasi) Simulazioni di impianto (b.o.p.) Strumenti: Matlab & Simulink Fortran 22

23 LUB gruppo di Fisica Tecnica Sfruttamento energetico delle biomasse Competenze e interessi Sperimentazioni progettazione e set-up di sistemi batch di gassificazione e pirolisi progettazione e set-up di sistemi continuidi gassificazione e pirolisi snalisi di tar bioremediation analysis (coll. Gruppo di Microbiologia) Laboratorio: analisi gas (gas-cromatografia, spettrometria di massa) analisi dei liquidi (hplc) 23

24 La gassificazione della biomassa: teoria del processo e stato dell arte della tecnologia Grazie per la cortese attenzione! Marco Baratieri marco.baratieri@unibz.it Bolzano, TIS-Innovation Park 22 ottobre 2010

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