Pyrobio di Finaxo: Italcanditi, Pedrengo (BG)

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1 Report visita tecnica impianto di Pirolisi Pyrobio di Finaxo: Italcanditi, Pedrengo (BG) Aradelli Priscilla, Cantù Giacomo, Gabba Marco, Zatti Matteo Introduzione Il processo di pirolisi 1 di una sostanza consiste nella decomposizione termochimica della stessa, in un ambiente inerte e ad una temperatura variabile tra i 450 C e i 900 C. Tale decomposizione produce i seguenti prodotti: Un gas combustibile, incondensabile a pressione e temperatura ambiente, chiamato syngas. Una frazione liquida a pressione e temperatura ambiente ricca in idrocarburi pesanti, chiamata tar. Una frazione solida carboniosa chiamata char. I rapporti relativi di questi prodotti dipendono fortemente dalle condizioni operative scelte, al punto da poter individuare due tipologie di pirolisi: 1. Pirolisi lenta : la biomassa permane nel reattore di pirolisi per circa 10 minuti a bassa temperatura (400 C 500 C). Il prodotto prevalente è il char. 2. Pirolisi veloce : la biomassa permane nel reattore di pirolisi per pochi secondi ad alta temperatura (600 C 900 C). Il prodotto prevalente è il syngas. Le principali criticità riguardano tar e char: mentre infatti il syngas può essere bruciato per sostenere la reazione di pirolisi stessa o utilizzato in un motore a gas per ottenere energia elettrica, la frazione liquida e quella solida necessitano di ulteriori trattamenti prima di un loro uso: Il tar spesso subisce trattamenti di cracking (termico o fotochimico), in maniera tale da convertirlo in gas incondensabili a pressione e temperatura ambiente e massimizzare quindi la resa in syngas del processo. Il char può essere bruciato per sostenere la richiesta termica del processo o per eventuali altri recuperi di calore. Tuttavia, dal momento che in questa fase si accumulano i metalli pesanti, è necessario prevedere un adeguato trattamento dei fumi di combustione. 1 Prabir Basu, Biomass Gasification and Pyrolysis, ISBN:

2 Il processo Pyrobio, sviluppato da Finaxo, rientra nella categoria di pirolisi veloce ed ha la particolarità di massimizzare la resa in syngas, ottenendo come unico prodotto secondario le ceneri contenute nella biomassa. Questo risultato viene raggiunto grazie ad un sistema di scambio termico diretto brevettato (Brevetto n ) che consiste nel porre il fango a contatto con biglie di acciaio INOX ad altissima temperatura (850 C). In questo modo lo scambio termico avviene in maniera uniforme con tutta la biomassa trattata e le reazioni di pirolisi e cracking termico dei gas creati avvengono pressoché istantaneamente e simultaneamente. 2

3 Impianto Italcanditi, Pedrengo (BG). L impianto scelto per la visita è stato quello installato da Synecom (rivenditore italiano Finaxo) presso Italcanditi a Pedrengo (BG). Il funzionamento dell impianto ci è stato mostrato dal Paolo Peri, Amministratore Delegato di Synecom. L impianto è dimensionato per il trattamento di 250 kg di sostanza secca l ora e può lavorare per 7500 h / anno. L alimentazione dell impianto è costituita da una miscela di fanghi di origine agroalimentare, legno, carta e cartone secondo le proporzioni riportate in Tabella 1: Tabella 1 - Composizione dell'alimentazione all'impianto. Alimentazione Portata tal quale 1000 kg/h Sostanza Secca 25 % Portata sostanza secca 250 kg_ss /h Potere Calorifico Inferiore 11 MJ/kg Legno e Carta Portata tal quale kg/h Sostanza Secca 80 % Portata sostanza secca kg_ss /h Potere Calorifico Inferiore 19.7 MJ/kg_ss Fanghi digeriti Portata tal quale kg/h Sostanza secca 20 % Portata sostanza secca kg_ss /h Potere Calorifico Inferiore MJ/kg_ss Per preparare tale miscela di alimentazione il fango digerito nell impianto di Italcanditi viene mescolato a carta e legno (precedentemente sminuzzati a una dimensione di 500 mm 3 ) in maniera tale da ridurre il contenuto di umidità ed

4 innalzare il potere calorifico della miscela. Secondo quanto detto dall operatore, legno e carta costituiscono il 25% in peso della sostanza secca in ingresso. Il processo si articola nelle seguenti fasi: Essiccamento della biomassa alimentata Pirolisi Raffreddamento del syngas Recupero energetico del syngas in un motore cogenerativo Per effettuare la reazione di pirolisi vengono utilizzate biglie di acciaio riscaldate in forni alimentati a gas naturale. I fumi di combustione di tali forni vengono utilizzati per riscaldare l olio diatermico utilizzato nell essiccatore. Uno schema del processo è rappresentato in Figura 1. Figura 1 Schermata del sistema di controllo del processo Pyrobio

5 Essiccatore L essiccamento della corrente alimentata all impianto avviene in un essiccatore a due stadi a camicia con olio diatermico come fluido termovettore. I due stadi sono posti ortogonalmente uno rispetto all altro per ottimizzare l ingombro totale della macchina. La miscela di fanghi, legno e carta passa all interno dell essiccatore insieme a una parte dei fumi uscenti dallo scambiatore di calore olio-fumi; questo accorgimento ha lo scopo di migliorare l efficienza dell essiccatore prevenendo la condensazione del vapore prodotto sui fanghi in ingresso nell essiccatore a temperatura ambiente. L olio diatermico, che lavora tra le temperature di 200 C e 350 C, passa nella camicia esterna dell essiccatore, in co-corrente con i fanghi. Il primo stadio di essiccamento porta i fanghi ad un tenore di sostanza secca pari al 30%, mentre il secondo stadio all 85%. Non essendo disponibili dati sulla portata di olio circolante nell impianto e sulla quantità di fumi immessi nell essiccatore, è stato assunto che tale quantità sia pari al 10% dei fumi prodotti. Eseguendo un bilancio di energia sull essiccatore, risulta che il calore scambiato per essiccare i fanghi in ingresso è pari a circa 5.66 MW. Pirolizzatore Il fango essiccato viene alimentato in continuo, attraverso una vite infinita, al reattore di pirolisi. Per fornire il calore necessario alla reazione vengono alimentate al reattore, in batch da 1.5 minuti, sfere di acciaio AISI 310S del diametro di 20mm preriscaldate a 850 C in un ciclo esterno. Tali sfere sono alimentate in quantità tale da risultare in rapporto volumetrico 8 a 1 rispetto al fango, con un rapporto massico sfere / fanghi pari a circa 42. Il fango percorre la lunghezza del reattore di pirolisi in 12 minuti, pertanto nel reattore si trovano contemporaneamente 8 carichi di sfere. Syngas e sfere lasciano il reattore alla temperatura di 450 C. Le sfere sono riscaldate utilizzando forni alimentati a metano, predisposti per essere alimentati anche con il syngas prodotto dalla pirolisi nel caso, in futuro, si volessero ridurre gli autoconsumi. Dal momento che il riscaldamento di un carico di biglie avviene in 9 minuti, vi sono 6 forni che operano in parallelo in successione. Il calore complessivo necessario a riscaldare la massa di sfere usata per pirolizzare i 250 kg_ss/h in ingresso è pari a circa 6.90 MW. Lo scambio intenso che avviene durante il contattamento tra i fanghi e le biglie fa sì che il fango venga pirolizzato in pochi istanti, mentre il tempo di residenza

6 prolungato permette il cracking completo del syngas prodotto. In tal modo i prodotti in uscita dal pirolizzatore sono solo gas incondensabili a pressione e temperatura ambiente e ceneri. Queste ultime costituisco circa il 10% della sostanza secca in ingresso e contengono circa l 1% di carbonio residuo. La composizione media del syngas fornitaci è la seguente: Tabella 2 - Composizione (fr. Molari) e Potere Calorifico del Syngas prodotto N 2 10% H 2 10% CH 4 10% CO 25 CO 2 30% H 2 O 15% PCI 6.35 MJ/kg Il syngas prodotto viene inviato ad un ciclone per la rimozione delle polveri e quindi raffreddato attraverso un ciclo frigorifero ad una temperatura tra i 15 C e i 90 C 3. Viene infine inviato ad un motore cogenerativo di taglia 200 kwel. In Figura 2 è riportato lo schema del processo con i bilanci di massa ed energia semplificati dell impianto. Per praticità di calcolo il processo non è stato modellato dinamicamente come quello originale ma normalizzato a 250 kg_ss/h in ingresso. La maggior parte dei dati sono stati forniti dall amministratore delegato di Synecom durante la visita, mentre per quelli mancanti sono stati utilizzati dati presi dalla letteratura di settore. 3 Non sono stati specificati i criteri di controllo e le caratteristiche di funzionamento della sezione di raffreddamento del syngas.

7 M 253 M 2278 M 2422,8 M 108 T 120 T 120 T 25 T 25 LHV 44 paper M wet mass flow rate kg/h wood MC moisture content kg_h2o/kg digested sludge T temperature C sludge LHV lower heating value MJ/kg diathermic oil DLHV dry lower heating value MJ/kg_dry P 20,93 flue gas P electric power kw flue gas+vapour Q thermal power kw M 2531 air HX oil-fg T 850 OVEN natural gas steel balls ash syngas P 6,11 M 269 M 5890 M 5890 M M T 450 T 350 T 200 T 850 T 450 LHV 6353,74 SYNGAS COOLING MOLAR COMPOSITION : CH4 0,10 no change in M, MC, DLHV M 39,06 H2 0,10 MC 0,20 M 269 CO 0,25 DLHV 21,4 T 50 N2 0,10 SHREDDER LHV 6353,7 CO2 0,30 DRYER PYROLIZER M 39,06 H2O 0,15 MC 0,20 M 1000 M 294 DLHV 18 MC 0,75 MC 0,15 DLHV 13,18 T 100 T 25 Q 566,02 Q 686,27 M 25 T 450 COGENERATIVE ENGINE DIGESTER M 922 PCI_dry sludge kj/kg M 959 MC 0,75 T_out dryer C 100,00 T 100 DLHV Mballs/Msludge - 42 Q 277,86 P 166,24 T syngas out pyrolysis C 450 Air fuel Ratio in the oven - 22,36 T_out fg oven C 850,00 Fraction of fg that continue - 0,10 T oil in HX C 200,00 T oilout HX C 350,00 COP frigo - 2,00 Figura 2 - Bilancio di massa ed energia dell'impianto

8 I principali parametri di funzionamento sono riassunte in Tabella 3. Tabella 3 Parametri di funzionamento dell'impianto di pirolisi Pyrobio presso Italcanditi, Pedrengo (BG) Dimensioni dell installazione 700 m 3 Area occupata dall installazione, ingresso e aree di servizio incluse 380 m 2 Portata fanghi 1000 Kg/h Quantità di fanghi pirolizzata t_ss / anno Altri materiali in ingresso Legno, nocciolini, carta, cartone Tempo di funzionamento 7500 h / anno Pretrattamento fanghi Essiccamento SS pre - essiccamento 25 % SS post - essiccamento 85 % Fluido scambiante essiccatore Olio diatermico T Olio ingresso essiccatore 350 C T olio uscita essiccatore 200 C Volume pirolizzatore 1 m 3 Temperatura di pirolisi 450 C Mezzo scambiante usato nel pirolizzatore Sfere di acciaio Diametro sfere 20 mm Materiale sfere AISI 310S T sfere ingresso pirolizzatore 850 C T sfere uscita pirolizzatore 450 C

9 Tabella 4 - Bilancio energetico dell'impianto INPUT OUTPUT Energia chimica Energia termica Energia Elettrica CORRENTI (LHV) [kw] rif 25 C [kw] [kw] FANGHI DIGERITI CARTA&CARTONE Energia Primaria [kw] GAS NATURALE COMPRESSORE SYNGAS COOLING TRITURATORE MOVIMENTAZIONE FUMI ESSICCATORE VAPORE ESSICCATORE FUMI CHE BYPASSANO ESSICCATORE CENERI SYNGAS ENERGIA PRIMARIA CONSUMATA (INPUT- OUTPUT) % ENERGIA PRIMARIA RECUPERATA (SYNGAS/INPUT) % In Tabella 4 viene riportato il bilancio di energia primaria dell impianto. Da tale bilancio risulta che il 26% circa dell energia primaria alimentata all impianto rimane disponibile nel syngas in uscita e può essere utilizzata per ottenere energia elettrica in un motore cogenerativo. Interessante è osservare l ottimizzazione del recupero energetico dell impianto: infatti dei 1324 kw prodotti dai 108 kg/h di gas naturale circa 686 kw sono ceduti alle sfere, mentre circa 638 kw escono dai forni attraverso i fumi caldi. Tale calore viene recuperato nello scambiatore olio-fumi e quindi non è necessaria alcuna spesa ausiliaria per fornire calore all essiccatore. Se non fosse effettuato tale recupero termico, sarebbero necessari circa 82 kg/h di gas naturale aggiuntivo per poter fornire all essiccatore il calore richiesto.