Cogenerazione di piccola taglia mediante impianti di ... · Cogenerazione di piccola taglia...
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Cogenerazione di piccola taglia mediante impianti di
gassificazione
Pisa 18 marzo 2015
Enrico Biagini
Contributi di
Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale – UNIPI
Centro di Ricerca Interuniversitario Biomasse da Energia – CRIBE
Cooperativa TEA
Indice presentazione
Cos’è la gassificazione
Ruolo dei partners (sinergie e complementarietà):
CRIBE studio diversi feedstocks su impianto sperimentale (individuazione criticità e effetto pretrattamenti)
DICI-UNIPI modellazione / ottimizzazione reattore
Pisa 18 marzo 2015
DICI-UNIPI modellazione / ottimizzazione reattore e studio di processo e di filiera
TEA ingegnerizzazione impianto (pulizia syngas, scale-up, recuperi termici)
Conclusioni, sinergie e confronti
Cos’è la gassificazione
Processo termochimico che trasforma un combustibile solido in combustibile
gassoso (syngas). Per piccole potenzialità (100-1000 kW termici) si utilizza aria
come agente gassificante.
Vantaggi:
• combustione del gas più efficiente, con alto rapporto elettricità/calore,
minori emissioni inquinanti,
Pisa 18 marzo 2015
• minori emissioni inquinanti,
• eventualmente gas trasportabile e convertibile (es. idrogeno);
Svantaggi:
• processo più complesso della combustione diretta,
• specifiche ristrette sul combustibile (umidità e pezzatura),
• richiesta pulizia del gas da polveri e tar (per evitare condense e fermi
d’impianto)
Cos’è la gassificazione
BIOMASSA
PARETI
CELLULARI
FIBRE DI
CELLULOSA
solo calore
Pisa 18 marzo 2015
solo calore
PIROLISI
Char (residuo carbonioso)
Tar (oli condensati)
Gas (H2, CO, CH4, CO2)
poco ossigeno
GASSIFICAZIONE
Char + O2 = CO
Char + H2O = CO + H2
Tar + O2 = CO, H2, CH4
ossigeno in eccesso
COMBUSTIONE
Char + O2 = CO2
Tar + O2 = CO2 + H2O
Gas + O2 = CO2 + H2O
PCI gasconversione
char e tar
T max
Schema del gassificatore a letto fisso downdraft per piccola scala (100-1000 kWt)
ESSICCAMENTO
PIROLISI
ingresso biomassa
Tambiente
Composizione:
H2 15-20%
CO 18-24%
CH4 1-3%
Pisa 18 marzo 2015
PIROLISI
OSSIDAZIONE
GASSIFICAZIONE
letto fisso su grata
syngas
rimozione solido residuo
ingresso ariaTpicco
(900-1200°C)
Tuscita
(350-550°C)
CH4 1-3%
CO2 8-16%
N2 resto
Potere calorifico
5-6 MJ/Nm3
1200-1500 kcal/Nm3
1.4 – 1.7 kW h/Nm3
Centro di Ricerca Interuniversitario Biomasse da Energia
BiodieselBiodieselGassificazioneGassificazione
Impianti dimostrativi di bioraffineria
Coltivazioni energetiche
(energy crops)
Biomasse
Pisa 18 marzo 2015 CombustioneCombustioneFermentazioneFermentazione
Cippato/pellet di legno
Residui forestali
Residui agricoli
Residui industriali
(legno, alimentare)
Frazioni organiche
Alghe
Le attività di CRIBE nel progetto BPT sulla gassificazione
• SCOPO: estendere il range di combustibili utilizzabili nel gassificatore
(rispetto al cippato di legno, materiale di riferimento).
• ATTIVITA’: prove sperimentali su diversi residui agricoli e coltivazioni
energetiche per valutare l’operatività, validare le specifiche sui materiali
Pisa 18 marzo 2015
energetiche per valutare l’operatività, validare le specifiche sui materiali
e l’effetto dei pretrattamenti (cippatura, pellettizzazione).
• SINERGIE: elaborazione dati sperimentali e parametri di processo per
validazione modelli di gassificazione (sinergie con DICI-UNIPI)
Impianto GASTONE (CRIBE) S.Piero a Grado - Pisa
Biomass
Tank
Loading
System
Gasifier
LC max
LC min
Air
Particulate
Cyclone
Vegetable-oil towers
Condenser
Sawdust
Filters
Bag
Filter
Chiller
Flare
Blower
to water
collection
TC0
FI
TC1
TC2
TC3
∆P
∆P
∆P ∆P
∆P
Cooler
Venturi
Pisa 18 marzo 2015
To water
collectionfrom cooling tower
GASSIFICATORE A LETTO FISSO DI
TIPO DOWNDRAFT;
- 30-80 kg/h di biomassa;
- 150-350 kWtermici;
- 40-80 kWelettrici;
- gassificazione con aria;
- superficie impianto 60 m2.
PULIZIA/RAFFREDDAMENTO
DEL SYNGAS CON:
- scrubber/assorbimento;
- condensatore;
- filtri a riempimento;
- filtro a manica;
- torre di raffreddamento.
Impianto GASTONE (CRIBE) S.Piero a Grado - Pisa
Parametro Unità Limiti Dimensioni
particelle
Limiti
Umidità %wt <20 %wt
Potere calorifico MJ/kg dry >17.5 >100 mm 0
Materia volatile %wt dry >78 63-100 mm <2
Ceneri a 900°C %wt dry <3 3.15-8 mm <10
Azoto %wt dry <1 <3.15 mm <2
Specifiche richieste al combustibile per una gassificazione duratura
poche polveri,
nessun pezzo
grossolano
Pisa 18 marzo 2015
area di buon
funzionamento
dell’impianto
materiale fuori
specifica: richiesti
pretrattamenti
Prove di gassificazione su GASTONE (CRIBE)tutoli di mais
50
75
100
100
150
200
ca
ric
on
el
rea
tto
re(m
Ba
r)
syn
ga
s p
rod
ott
o(m
3/h
) Q DPg
Pisa 18 marzo 2015
0
25
0
50
10.00 11.00 12.00 13.00
Pe
rdit
ed
ic
ari
co
Po
rta
tas
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ga
s
Orario prova (TEST 2)
Prove di gassificazione su GASTONE (CRIBE)tutoli di mais
INGRESSO
Portata di biomassa: 81 kg/h
Umidità biomassa: 10.1%wt
Compositione biomassa: C 46.59%wt (dry)
H 5.97%wt(dry)
N 0.51%wt (dry)
ceneri 2.12%wt (dry)
Potere calorifico inferiore: 17.3 MJ/kg (dry)
Portata di aria: 87.5 m3/h
Rapporto di equivalenza: 0.28
USCITA
Portata di syngas prodotto: 149 m3/h (dry)
Compositione del syngas: H2 17.3
%vol (dry) N2 45.7
CH4 1.98
CO 22.6
CO2 12.0
C2H4 0.39
Potere calorifico del syngas: 5.70 MJ/m3 (dry)
Portata di biochar prodotto: 5-8 kg/h
Pisa 18 marzo 2015
Rapporto di equivalenza: 0.28
Potenza termica in ingresso: 350 kW
Portata di biochar prodotto: 5-8 kg/h
INDICI DI PROCESSO
Produzione specifica di syngas: 2.04 m3/kg (dry)
Potenza termica del syngas: 237 kW
Efficienza di gas freddo: 67.4%
Potenza elettrica generabile: 76 kW
Efficienza dell’impianto: 21.6%
BILANCI MATERIALI
Chiusura bilancio materiale (CHO): 88-91%
Carbonio in ingresso (biomassa) 34.1 kg/h
Carbonio in uscita (fumi) 30.0 kg/h
Carbonio sequestrato (biochar) 3-4 kg/h
Maggiori dettagli su :
Gasification of agricultural residues in a demonstrative plant: corn cobs. Bioresource Technology 173 (2014) 110-116
Gasification of agricultural residues in a demonstrative plant:. Chemical Engineering Transactions 37 (2014) 151-156
Prove di gassificazione su GASTONE (CRIBE)
Pellet di
legno
Tutoli di
mais
Sarmento
di vite
Lolla
di riso
Produzione specifica (Nm3 di syngas
prodotto / kg di biomassa secca)2.20 2.04 2.31 2.26
Efficienza di gas freddo (efficienza di 68.6 67.4% 69.0 54.4
Pisa 18 marzo 2015
Efficienza di gas freddo (efficienza di
gassificazione)68.6 67.4% 69.0 54.4
Efficienza dell’impianto (rapporto tra potenza
elettrica prodotta e potenza termica
associata alla biomassa alimentata)
22.0 21.6 22.1 17.4
Prove di gassificazione su GASTONE (CRIBE)
ALTE PERDITE DI
CARICO
basso flusso di
gas, ostruzione
reattore
PELLET LEGNO LOLLA RISO TUTOLI MAIS SARMENTO VITECIPPATO LEGNO
Pisa 18 marzo 2015
dimensione/forma particelle
densità
FORMAZIONE
DI PONTI
difficoltà
nell’alimentazione,
ostruzione del
reattore, regime di
combustione
BASSE PERDITE
DI CARICO
svuotamento
reattore, regime di
combustione, basso PCI
del gas
MISCANTO
Dipartimento di Ingegneria Civile e
Industriale – Università di Pisa
Ingegneria Aerospaziale, Chimica, Civile, Logistica,
Meccanica e Nucleare
Ingegneria Chimica:
Pisa 18 marzo 2015
• progettazione, controllo e modellazione di processi chimici industriali,
• ingegneria ambientale,
• combustibili e tecnologie termochimiche,
• ottimizzare di sistemi.
Dipartimento di Ingegneria Civile e
Industriale – Università di PisaAttività nel progetto BioPower in Tuscany
Sviluppo di modelli predittivi del gassificatore a diversi livelli di dettaglio utilizzabili come strumento di ottimizzazione e studi di processo/filiera per:
• valutare l’efficacia di diverse configurazioni del reattore e opzioni
Pisa 18 marzo 2015
• valutare l’efficacia di diverse configurazioni del reattore e opzioni d’impianto per migliorare la qualità del syngas,
• ottimizzare il rendimento dell’impianto (per es. recuperi termici),
• studiare potenziali opzioni (per es. conversione del syngas a idrogeno),
• fornire dati per valutazioni ambientali ed economiche.
Primo livello: modelli di equilibrio
• generalmente si usano approcci all’equilibrio termodinamico che non tengono conto
della reale configurazione del reattore e danno valutazioni non accurate sulla
conversione del char e sul contenuto di tar e metano nel syngas;
• il metano deriva dalla pirolisi della biomassa,
così come il tar. Si trovano nel syngas
per bypass del gas di pirolisi o
della biomassa nella zona
di riduzione:
ARIA
ZONA DI PIROLISI
GAS e TAR
Pisa 18 marzo 2015
ARIA
ZONA DI
OSSIDAZIONE E ALTA
TEMPERATURA
cammini
preferenziali in
assenza di ossigeno
particelle
grandi con core
non reagito
Primo livello: modelli di equilibrio
• come primo approccio si è
considerato che una parte di
materiale bypassa la riduzione del
reattore. In tal modo si ha un
accordo migliore con i dati
sperimentali (modello bi-equilibrio)
rispetto al semplice modello di
equilibrio.
Pisa 18 marzo 2015
Secondo livello: modelli cinetici
Si tratta di separare le varie fasi durante la gassificazione e tenere conto
dell’effettiva configurazione del reattore. Ciò permette di valutare l’effetto delle
condizioni operative e ottimizzare il reattore agendo sulle singole fasi
ESSICCAMENTO
ingresso biomassa
DEVOLATILIZZAZIONE
Ingresso biomassa
GASSIFICATORE
H-BIOM
Pisa 18 marzo 2015
PIROLISI
OSSIDAZIONE
GASSIFICAZIONE
letto fisso su grata
syngas
rimozione solido residuo
ingresso aria
DEVOLATILIZZAZIONE
MIX1
GASIF
SEPASH
MIXHEAT
Ingresso aria
Solido residuo
syngas
H-DEVO
H-IN
H-REACT
H-REC
DISP
Terzo livello: modello termo-fluidodinamico
Con un approccio di dettaglio
ancora maggiore si segue la
movimentazione del solido e
del gas all’interno del
gassificatore sezione per
sezione per determinare i
profili di temperatura,
concentrazione e velocità Gasifying
agent
Biomass
SOLID PHASEGAS PHASE
Heat streams
Mass streams
P F
R
P F
R
Pisa 18 marzo 2015
concentrazione e velocità
lungo l’asse del gassificatore
Solid Residues
t=0 IGNITION
agent
SynGas
DispersionDispersion
P F
R
P F
R
P F
R
P F
R
essiccamento
biomassafumi
Quarto livello: modello di processo e di filiera
Si include lo schema del reattore nel modello di processo (comprendente le
unità di pulizia del gas e il suo utilizzo) e di filiera:
• per ottimizzare l’efficienza globale ,
• per limitare emissioni inquinanti e valutare carbon footprint,
• per fornire indicazioni su valutazioni economiche.
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gassificatore linea pulizia syngas combustione syngas
recuperi termici
biomassa
calore prodotto
elettricità
prodotta
Quarto livello: studio di filiera
legno
Database biomasse:
needs coltivazione e
raccolto, trasporto,
proprietà
miscanto
Database
pretrattamenti:
essiccam. naturale
essiccam. forzato
Database
processo:
combustione
Database
utilizzo:
ORC
EFMGT
Prodotti:
Elettricità
Calore
(bassa T)
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miscanto
sansa
verde
urbano
essiccam. forzato
comminuzione
densificazione
gassificazione
SE
ICE
PEMFC
conversione
(bassa T)
Calore
(alta T)
Combusti-
bili gassosi
(metano,
idrogeno)
Cooperativa TEAinsieme con il partner Rengea Tech,sviluppano tecnologicamente e distribuiscono commercialmente impianti di piccola
cogenerazione pre-allestiti in container basati sulla piro-gassificazione della biomassa
legnosa, grazie a un forte servizio post-vendita che ne assicuri la performance nel tempo.
VISION
Il futuro dell’azienda guarda alle tecnologie legate alle fonti rinnovabili con una forte
tendenza alla miniaturizzazione degli impianti tanto da renderli fruibili da clienti in
abitazioni private.
Pisa 18 marzo 2015
abitazioni private.
CORE VALUES
Semplicità
Reciprocità
Ecologia
STRATEGIA
La società ha come focus il tema delle energie rinnovabili e parte dalla ricerca
applicata, portando le tecnologie esistenti a un livello di industrializzazione tale da
permetterne la commercializzazione su ampia scala e assicurandone le prestazioni nel
tempo a vantaggio del cliente.
Cooperativa TEA
Pisa 18 marzo 2015
Cooperativa TEA nel progetto BPT
1. STUDIO IMPIANTO PILOTA (40 kWel)
2. SCALE-UP DELL’IMPIANTO (100 kWel)
3. MESSA A PUNTO DEL SISTEMA DI PULIZIA DEL SYNGAS
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4. OTTIMIZZAZIONE DEL GASSIFICATORE (sunergia con DICI-UNIPI)
5. BILANCI DI MATERIA ED ENERGIA
(materiale di riferimento: cippato di legno)
Risultati preliminari (impianto 40 kW)
• portata biomassa tal quale alimentata = 40 kg/h (umidità 13%wt)
• portata aria alimentata = 44 Nm3/h (rapporto equivalenza 0.28)
• syngas prodotto = 87.5 kg/h (79 Nm3/h) PCI = 5.7 MJ/Nm3
composizione H2 N2 CH4 CO CO2 C2Hn
%vol (secco) 18.3 45.9 1.8 21.9 11.5 0.6
Pisa 18 marzo 2015
%vol (secco) 18.3 45.9 1.8 21.9 11.5 0.6
• biochar in uscita = 1.4 kg/h (ceneri 21.5, C 74.2, H 1.1%wt)
• rendimenti energetici:
cold gas efficiency 73% (kWth syngas/kWth biom)
rendimento motore 31.4% (kWel prod/kWth syngas)
rendimento impianto 22.9% (kWel prod/kWth biom)
Problematiche operative: il TAR
Il tar è uno dei maggiori problemi per la
fattibilità della gassificazione delle
biomasse. Si tratta di composti organici
condensabili, sottoprodotti della pirolisi,
che si depositano nelle tubazioni (insieme
alle polveri), riducendo il funzionamento
di valvole, filtri e del motore di combustione.
Pisa 18 marzo 2015
Reattori di tipo downdraft sono quelli che producono minor quantità di tar
(rispetto a updraft e letti fluidi) ma occorre limitarne la formazione nel reattore
(garantendo alte temperature di gassificazione) e una pulizia spinta del syngas (a
umido – con acqua o solventi organici – e/o a secco – filtri o adsorbimento).
Per motori a combustione interna sono generalmente raccomandati valori
massimi di tar dell’ordine di 50 mg/Nm3 di syngas e di 30 mg/Nm3 per le polveri.
Ottimizzazione dell’impianto di gassificazione
1. E’ stato messo a punto un sistema semplice e riproducibile per la misura di
polveri e tar nel syngas;
2. Sono state apportate modifiche alla configurazione dell’impianto per garantire
l’alta temperatura nel reattore e abbattere termicamente il tar:
recupero termico per preriscaldo aria di gassificazione,
recupero termico per essiccamento spinto del materiale alimentato,
Pisa 18 marzo 2015
recupero termico per essiccamento spinto del materiale alimentato,
torrefazione in linea del materiale alimentato.
3. E’ stata realizzata una linea di pulizia del syngas in due stadi:
il primo permette di togliere le polveri a temperatura superiore a quella di
condensazione del tar (ciclone e filtro a maniche),
il secondo fa condensare il tar in una serie di colonne a umido.
E’ in corso (attraverso altri progetti) la purificazione in linea delle acque
ricircolate, evitando così il trasporto e il trattamento delle acque in centri esterni.
Impianto di gassificazione (100 kW)
Pisa 18 marzo 2015
Schema impianto di gassificazione
Reattore di Chiller per
Scrubber e
colonne di lavaggio
syngas per
abbattimento tar
Scambiatori per
recupero termico
Ciclone per
abbattimento
polveri, biochar
e ceneri
Filtro a maniche per
depolverazione syngas
Pisa 18 marzo 2015
Reattore di
gassificazione
per produzione
di syngas
Coclea di
torrefazione per
alimentazione
biomassa
Chiller per
raffreddamento
acqua di
lavaggio
Risultati prove di gassificazione
Pisa 18 marzo 2015
Prove sperimentali su cippato di legno. Perdite di carico misurate nelle varie sezioni
dell’impianto. Stabilità dei valori misurati.
Risultati prove di gassificazioneParametri funzionali valori durante lo stazionario valore medio
TR0 (°C) temperatura ingresso reattore 74
TR1 (°C) temperatura pirolisi reattore 271
TR2 (°C) temperatura ossidazione reattore 712
TR3 (°C) temperatura riduzione reattore 567
TR4 (°C) temperatura uscita reattore 557
TS1 (°C) temperatura uscita scambiatore 139
Parametri operativi
Pisa 18 marzo 2015
rapporto di equivalenza nel gassificatore 0.28
potere calorifico inferiore del syngas (MJ/Nm3) 5.3
Composizione media syngas
CO
(%vol)
H2
(%vol)
CO2
(%vol)
CH4
(%vol)
O2
(%vol)tar
(mg/Nm3)polveri
(mg/Nm3)
21.8 14.0 9.1 3.48 2.64 32.4 0.9
Analisi acque di lavaggio
pH COD (mg/l)
fenoli (mg/l)
IPA (mg/l)
N
ammonio (mg/l)
Residuo 105°C
(%m)
Ceneri 600°C
(%s.s.)
7.22 12140 1.03 <0.1 222 0.21 1.7AnalisiBiochar
ceneri (%wt dry) C (%wt dry) H (%wt dry) N (%wt dry) PCI (MJ/kg dry)
11.2 79.15 1.06 0.41 26.1
Risultati prove di gassificazione
GASSIFICAZIONE MOTORE
Cippato umido (15%)
62 kg/h
aria gassificazione
92 kg/h
syngas
160 kg/h
aria combustione
(330 kg/h)
fumi
490 kg/h
potenza elettrica
generata
70 kWe
potenza termica
dai fumi caldi
(potenziale)
80 kWt
potenza termica
per essiccamento (da 40 a 15%)
20-30 kWt
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biochar
6 kg/h
(330 kg/h)
consumi elettrici
9 kWe
70 kWe
potenza termica
dal circuito raffreddante
(potenziale)
45 kWt
Indici prestazionaliProduttività specifica (Nm3 di syngas/kg di biomassa secca) 2.7
Cold Gas Efficiency 79%
Potenza elettrica generata (kWel) 70.5
Rendimento elettrico dell’impianto 26.7%
Rendimento termico (potenziale) 50%
Risultati prove di gassificazione
recupero termico possibile
(in parte utilizzato per
essiccamento cippato)
Pisa 18 marzo 2015
DIAGRAMMA ENERGETICO
in seguito a scale up impianto, ottimizzazione del reattore, recuperi termici e
essiccamento/torrefazione del cippato il rendimento dell’impianto è aumentato
significativamente da 22-23% (impianto 40 kW) a 26-27% (impianto 100 kW)
Sistema di gassificazionecompatto, integrato, razionale
Pisa 18 marzo 2015
Conclusioni, sinergie e complementarietà
• l’impianto sperimentale CRIBE è stato usato per studiare la gassificazionedi residui agricoli fuori specifica, per ampliare la disponibilità di materialinel territorio, e valutare l’opportunità di pretrattamenti per unfunzionamento comparabile a quello del materiale di riferimento (cippato);
• i dati sperimentali hanno permesso a DICI-UNIPI di validare modelli adiversi livelli di dettaglio sul gassificatore e l’intero impianto in modo dafornire parametri operativi significativi e informazioni utili per migliorare laconfigurazione del reattore e ottimizzare le prestazioni dell’impianto;
Pisa 18 marzo 2015
configurazione del reattore e ottimizzare le prestazioni dell’impianto;
• prove preliminari sull’impianto pilota (40 kW) hanno permesso a TEA dirisolvere problematiche operative (formazione di condense, accumuli dimateriale nelle tubazioni) e progettare lo scale-up dell’impianto;
• l’ingegnerizzazione e lo scale-up dell’impianto TEA (100 kW) è il fruttodell’ottimizzazione del gassificatore, della linea di lavaggio del syngas e deirecuperi termici studiati anche in sinergia con i centri di ricerca.
Conclusioni, confrontiProcesso Materiale Efficienza
elettrica %
Efficienza
termica %
Temperatura utile
(°C)
Gassificazione /
ICE ottimizzatoCippato di legno 25-27 25-35 80 e 500
Gassificazione /
ICECippato di legno 22-25 25-35 80 e 500
Gassificazione /
ICEResidui 20-23 25-35 80 e 500
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Gassificazione /
ICE
Residui fuori
specifica15-20 25-35 80 e 500
Combustione /
ORCVari 10-12 50-70 30-80
Combustione /
EFMGTVari 9-12 40-60 80
Combustione /
SEVari 8-10 40-60 80