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SIB UI453R
DESCRIZIONE del modello di utilità dal titolo:
"REATTORE PER LA GASSIFICAZIONE DI BIOMASSE A LETTO FLUIDO
5 BOLLENTE CON DUE CAMERE INTERCONNESSE"
a nome di:
Ente per le Nuove Tecnologie l'Energia e l'Ambiente (ENEA) di Roma - ITALIA.
Università degli Studi dell'Aquila di L'Aquila - ITALIA.
10
RIASSUNTO
La presente invenzione si riferisce ad un reattore 1 comprendente un corpo principale
2 a sviluppo sostanzialmente verticale nel quale avviene la gassificazione delle
biomasse; una prima camera di fluidizzazione lenta 3 ed una seconda camera di
fluidizzazione veloce 4 con sviluppo verticale e contigue, atte ad accogliere il letto e
15 disposte in una porzione inferiore del corpo principale 2; un setto 5 di separazione
della prima camera di fluidizzazione lenta 3 dalla seconda camera di fluidizzazione
veloce 4; e un sistema di fluidizzazione del letto comprendente mezzi 6, 7 e 8 per
l'immissione di un agente gassificante nelle camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4.
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DISEGNO PRINCIPALE
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FIG.3
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DESCRIZIONE
La presente innovazione si riferisce ad un reattore per la gassificazione di biomasse a
5 letto fluido bollente e al relativo impianto di gassificazione.
Tale reattore appartiene al settore degli impianti per la trasformazione delle biomasse
in combustibili, e più precisamente in quello dei gassificatori per la trasformazione
delle biomasse (solide) in gas combustibili.
Per gassificazione di biomasse si definisce essenzialmente un processo di conversione
lo termochimica per la trasformazione di un combustibile dallo stato solido a quello
gassoso mediante la reazione con ossigeno libero o vincolato. Essa avviene attraverso
tre fasi fondamentali:
- una prima fase di essiccazione della biomassa in cui si realizza la disidratazione
del materiale;
15 - una seconda fase di pirolisi che produce gas, tars o oli vaporizzati e un residuo
solido-carbonioso; e
- una terza fase di gassificazione in cui i prodotti della pirolisi reagiscono con
l'agente gassificante, dando origine a vari composti, combustibili e non.
Con il calore ottenuto dalla combustione di una parte del materiale da valorizzare si
20 ottiene l'energia necessaria alle fasi di essiccamento e volatilizzazione.
Questo procedimento permette di "trasferire" il contenuto energetico della sostanza
solida iniziale nel potere calorifico di un combustibile in fase gassosa, che risulta
essere utilizzabile con maggiore facilità per un numero più ampio di impieghi.
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Per quanto detto, il processo di gassificazione rappresenta il sistema più semplice per
ottenere gas combustibili da sostanze solide. Data la sua importanza, negli ultimi anni
sono stati sviluppati numerosi impianti di gassificazione con caratteristiche differenti.
In generale, è possibile individuare due tipologie principali di gassificatori: i
5 gassificatori a letto fisso e i gassificatori a letto fluido.
Come detto in precedenza, il reattore per la gassificazione di biomasse della presente
innovazione rientra nella seconda tipologia a letto fluido.
In generale, i gassificatori di biomassa a letto fluido sono essenzialmente dei
contenitori a sviluppo prevalentemente verticale al cui interno viene inserito un
10 minerale in forma granulare con determinate caratteristiche termiche (capacità
termica), catalitiche e meccaniche (sabbia, olivina, dolomite sono i materiali più
utilizzati). Tale materiale che costituisce il letto, viene fluidizzato per mezzo di un
flusso di aria (o altro agente fluidizzante/gassificante) proveniente dal fondo del
reattore e ha la funzione di uniformare la temperatura all'interno del letto stesso,
15 trasportare il calore da una zona all'altra del reattore (fungendo da vettore termico) e
favorire le reazioni di cracking e/o reforming catalitico per alcune specie presenti nel
gas prodotto (funzione catalitica).
Generalmente, nei reattori per la gassificazione, la biomassa viene introdotta in
maniera continua nel letto fluido dove subisce una serie di reazioni che la trasformano
20
in gas (vapori, gas inerti e combustibili) e residui (principalmente sotto forma di
ceneri).
Nei gassificatori a letto fluido la componente gassosa comprende gas (incondensabili),
vapori (condensabili) e particelle solide trascinate (un misto di ceneri, sabbia fine,
char). In particolare, la componente gassosa contiene ad esempio: ossido di carbonio,
25 anidride carbonica, idrogeno, metano, azoto, vapore e tar (composti organici,
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indesiderati, ad alto peso molecolare che condensano a temperature relativamente
basse).
Sempre nei gassificatori a letto fluido la componente solida elutriata con la corrente
gassosa contiene parte dalla biomassa in ingresso (char non gassificato e ceneri) e una
5 certa quantità di sabbia persa dal minerale che costituisce il letto.
Pertanto, i reattori prevedono, generalmente, almeno due condotti di uscita: uno per
la componente gassosa e uno per la componente solida.
I gassificatori per biomasse a letto fluido più diffusi sono di due tipologie:
- a letto fluido bollente; e
10 - a letto fluido circolante
o varianti di essi come ad esempio doppio letto fluido.
Nei gassificatori per biomasse a letto fluido bollente l'espansione del letto resta
confinata nella porzione inferiore del reattore. In particolare, il materiale che
costituisce il letto viene sollevato e mantenuto in sospensione (fluidizzato) attraverso
15 un flusso dell'agente gassificante di portata maggiore o uguale a quella necessaria per
la fluidizzazione (portata di minima fluidizzazione) ma inferiore a quella per la quale il
materiale viene spinto al di fuori del reattore. In questo modo, il materiale solido
contenuto nel reattore resta in sospensione e in uno stato di agitazione al suo interno.
I gassificatori per biomasse a letto fluido bollente prendono il nome dal caratteristico
20 aspetto del letto fluido di materiale in ebollizione. Tale aspetto è dovuto al
comportamento di una parte dell'agente gassificante che, durante il funzionamento del
gassificatore, crea delle bolle le quali risalendo il letto fluido dal fondo del reattore, si
ingrossano ed infine "scoppiano" in superficie.
Nei reattori di questo tipo tra la superficie del letto fluidizzato e prima del condotto di
25 uscita della componente gassosa c'è una zona del reattore "libera", chiamata
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"freeboard", la quale consente ad una parte del materiale solido elutriato di ricadere
nel letto.
In particolare, i reattori a letto fluido bollente classici, come verrà estesamente
discusso in seguito, presentano i seguenti due fenomeni caratteristici:
5 - le particelle di biomassa hanno la tendenza a segregare sulla superficie del letto
fluido; e
- parte del materiale solido del letto fluido presente in superficie viene spinto nel
"freeboard" dalle bolle di agente gassificante quando queste arrivate in
superficie "scoppiano".
10 Pertanto, i gassificatori a letto fluido bollente classici sono provvisti, in
corrispondenza del condotto di uscita della componente gassosa prodotta nel reattore,
di un ciclone atto a separare almeno parzialmente il gas dal particolato.
Nei gassificatori per biomasse a letto fluido circolante, invece, la portata di aria che
viene inviata nel reattore è tale da trasportare il materiale del letto fuori dal reattore
15 insieme al gas. Pertanto, i gas sificatori di biomasse a letto fluido circolante prevedono
una serie di cicloni comunicanti con il corpo del reattore, dove avviene la separazione
tra la componente gassosa e quella solida che viene riportata nella parte bassa del
reattore.
Il successo in ambito commerciale dei reattori a letto fluido è determinato
20 principalmente dalla buona qualità del gas prodotto dovuta all'elevato tasso di
mescolamento delle particelle solide, alla temperatura uniforme nel reattore e gli alti
tassi di reazione. Inoltre, il processo di gassificazione a letto fluido, se confrontato
con quello a letto fisso, presenta una maggiore tolleranza per le dimensioni delle
particelle, un funzionamento più sicuro frutto di un elevato controllo della
25 temperatura e la possibilità di aggiungere sorbenti e composti che favoriscono il
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cracking e reforming del catrame e la catalisi della gassiflcazione (catalizzatori).
Questi vantaggi, sono presenti in misura maggiore o minore sia nei gassificatori per
biomasse letto fluido bollente che in quelli a letto fluido circolante.
Come accennato in precedenza, il reattore per la gassificazione di biomasse della
5 presente innovazione rientra nella tipologia a letto fluido bollente.
I gassificatori a letto fluido, sia di tipo bollente che circolante, a fronte dei numerosi
vantaggi descritti, presentano alcuni svantaggi.
Il principale svantaggio riguarda la difficoltà di mantenere le particelle di biomassa
(più leggere in genere di quelle del letto) all'interno del letto fluido. Infatti, il letto
10 fluido tende a portare sulla sua superficie le particelle di biomassa con densità minore
rispetto a quella media del letto come accade nei liquidi. Tale circostanza influisce
sulla resa del gassificatore in particolare con riferimento alla cinetica delle reazioni di
gassificazione del char e al cracking e reforming dei catrami in quanto le condizioni in
superficie (temperatura, scambio termico e contatto solido-gas) sono meno
15 vantaggiose di quelle all'interno del letto.
Un ulteriore problema specifico dei letti bollenti riguarda i ridotti tempi di permanenza
della componente gassosa prodotta nel reattore all'interno del "freeboard" che non
consente un ulteriore fase di reazione tra componente gassosa e l'agente gassificante.
Al precedente problema è associato anche l'inconveniente relativo all'effetto di
20 trascinamento delle particelle fini in seno alla componente gassosa, che determina la
necessità di dotare l'impianto di costosi ed efficienti sistemi di rimozione della
particelle solide. Il gas "bonificato" deve essere sufficientemente "pulito" da renderlo
adeguato per l'utilizzo nei sistemi di generazione accoppiati all'impianto di
gassificazione (motori a c.i., turbine, etc).
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Per ovviare ai suddetti inconvenienti, sono state studiate e proposte in letteratura
architetture di reattori a letto fluido con circolazione interna.
La più conosciuta è quella proposta da Kuramoto.
Kuramoto ha realizzato un prototipo di reattore in piccola scala, con quattro regioni
5 interconnesse contenute in un singolo contenitore principale e diviso in due settori
adiacenti. In particolare, nel reattore di Kuramoto le differenze nelle velocità di
fluidizzazione (e nelle densità del letto) presenti nei due settori permettono alle
particelle di muoversi da un settore verso l'altro per mezzo di orifizi presenti nella
parete divisoria e di fluire sopra le piastre verticali che separano le due regioni nello
10 stesso settore.
Il reattore di Kuramoto presenta l'inconveniente di prevedere un'architettura
particolarmente complessa che determina difficoltà sia nella realizzazione dell'impianto
che nella sua gestione.
Il problema tecnico che è alla base della presente innovazione è quello di fornire un
15 reattore per la gassificazione di biomasse a letto fluido bollente che consenta di
ovviare agli inconvenienti sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota.
Tale problema viene risolto da un reattore per la gassificazione di biomasse a letto
fluido bollente secondo la rivendicazione 1.
Secondo il medesimo concetto inventivo, la presente innovazione si riferisce altresì ad
20 un impianto per la gassificazione di biomasse a letto fluido bollente secondo la
rivendicazione 25.
Caratteristiche preferite della presente innovazione sono presenti nelle rivendicazioni
dipendenti della stessa.
La presente innovazione fornisce alcuni rilevanti vantaggi.
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Il principale vantaggio della presente innovazione consiste nella previsione di un setto
verticale che divide la camera del letto in due zone (a sviluppo verticale) comunicanti.
In particolare, nel reattore della presente innovazione, il sistema di circolazione del
letto fluido deriva dall'applicazione dello stesso principio fisico inizialmente studiato
5 sperimentalmente da Kuramoto ma riportato ad un architettura semplificata e più
efficiente nella quale coesistono due letti inferiormente e superiormente comunicanti e
fluidizzati da un agente gassificante che presenta per ciascun letto differenti velocità e
direzioni di fluidizzazione.
Altri vantaggi, caratteristiche e le modalità di impiego della presente innovazione
io risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di
realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. Verrà fatto
riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:
- la Figura l A mostra una vista in prospettiva dall'alto e in parziale sezione di
impianto gassificatore secondo la presente innovazione;
15 - la Figura 1B mostra l'impianto di Figura l A ruotato intorno alla verticale di
circa 90';
- la Figura 2 mostra un vista in sezione trasversale di un reattore secondo una
forma di realizzazione preferita della presente innovazione;
- le Figure 2A e 2B mostrano rispettivamente un dettaglio della porzione
20 inferiore del reattore di Figura 2 e un ingrandimento del fondo del dettaglio della
Figura 2A;
- la Figura 3 mostra una vista in sezione trasversale dell'impianto di Figura l A
durante una fase operativa.
Con riferimento inizialmente alla Figura 2 un reattore per la gassificazione di biomasse
25 a letto fluido bollente è complessivamente indicato con 1.
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Il reattore 1 comprendente principalmente: un corpo principale 2 a sviluppo
sostanzialmente verticale nel quale avviene la gassificazione delle biomasse; una prima
camera di fluidizzazione lenta 3 ed una seconda camera di fluidizzazione veloce 4 con
sviluppo verticale e contigue, atte ad accogliere il letto e disposte in una porzione
5 inferiore del corpo principale 2; un setto 5 di separazione della prima camera di
fluidizzazione lenta 3 dalla seconda camera di fluidizzazione veloce 4; e un sistema di
fluidizzazione del letto comprendente mezzi 6, 7 e 8 per l'immissione di un agente
gassificante nelle camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4.
In una forma di realizzazione preferita, il reattore 1 può essere realizzato in lega
10 speciale resistente alla temperatura e alla corrosione, ad esempio Alloy 800 HT, in
modo da non richiedere un rivestimento di materiale refrattario.
Come mostrato in Figura 2, il corpo principale 2 presenta uno sviluppo verticale
asimmetrico.
In particolare, il corpo principale 2 presenta un profilo inclinato almeno in
15 corrispondenza della sua porzione inferiore in cui è disposta la camera di
fluidizzazione lenta 3.
Assumendo come riferimento l'asse verticale (V) riportato in Figura 2, in una forma di
realizzazione preferita, il corpo principale 2 presenta una prima parete laterale 21
inclinata rispetto all'asse verticale (V) e convergente verso il basso, ed una seconda
20 parete laterale 22 opposta alla prima sostanzialmente parallela alla verticale (V). Le
pareti 21 e 22 definiscono a loro volta rispettivamente una prima parete laterale della
camera di fluidizzazione lenta 3 ed una seconda parete laterale della camera di
fluidizzazione veloce 4. Naturalmente, secondo la presente forma di realizzazione la
prima parete laterale 21 e la seconda parete laterale 22 sono opposte al setto di
25 separazione 5.
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Come mostrato in Figura 2, la prima parete laterale 21 è inclinata di un angolo a
rispetto alla verticale (V) e, secondo la presente forma di realizzazione, presenta una
porzione superiore 211 parallela all'asse verticale (V).
In generale, l'angolo a di inclinazione della prima parete laterale 21 è minore
5 dell'angolo di riposo del materiale del letto (rispetto alla verticale (V)) in modo tale da
consentire lo scorrimento sulla parete 21 delle particelle del letto fluido e contrastare
la formazione di zone non fluidizzate nel letto.
Per esempio, secondo una forma di realizzazione preferita, nella quale il letto è
realizzato con sabbia, l'angolo a è uguale a 30 0 circa, quando l'angolo di riposo
io rispetto alla verticale (V) per la sabbia è di circa 50°.
Secondo l'innovazione, la prima camera di fluidizzazione lenta 3 e la seconda camera
di fluidizzazione 4 sono superiormente ed inferiormente comunicanti attraverso
rispettivi passaggi. Come verrà illustrato in seguito, sempre secondo l'innovazione, la
camera di fluidizzazione lenta 3 è una camera di fluidizzazione discendente e la
15 camera di fluidizzazione veloce 4 è una camera di fluidizzazione ascendente.
Con riferimento alla Figura 2A e secondo una forma di realizzazione preferita, i mezzi
per l'immissione dell'agente gassificante del sistema di fluidizzazione del letto
comprendono: primi 6, secondi 7 e terzi 8 mezzi per l'immissione di un agente
gassificante.
20 In particolare, i primi mezzi per l'immissione dell'agente gassificante sono posti in
corrispondenza di una porzione di fondo della camera di fluidizzazione lenta 3 e sono
atti a determinare l'ingresso di almeno un flusso dell'agente gassificante con una
direzione inclinata rispetto alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione
veloce 4.
25 I secondi mezzi 7 per l'immissione di un agente gassificante sono posti in
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corrispondenza di una porzione di fondo della camera di fluidizzazione veloce 4, e
sono atti a determinare l'ingresso di almeno un flusso dell'agente gassificante diretto
lungo la verticale (V).
I terzi mezzi 8 per l'immissione di un agente gassificante sono posti in corrispondenza
5 della prima parete laterale 21 sulla porzione afferente la camera di fluidizzazione lenta
3 e sono atti a fluidizzare la porzione di letto prossima a detta parete laterale inclinata
21.
Come mostrato in Figura 2A, la disposizione complessiva dei mezzi 6, 7, 8 per
l'immissione di un agente gassificante è tale che il sistema di fluidizzazione del letto è
10 atto a realizzare, attraverso il passaggio superiore e il passaggio inferiore di
comunicazione delle camere 3 e 4, una circolazione del letto fluido rispettivamente
dalla camera di fluidizzazione veloce 4 alla camera di fluidizzazione lenta 3 e dalla
camera di fluidizzazione lenta 3 alla camera di fluidizzazione veloce 4 consentendo di
trasferire all'interno del letto fluido almeno una parte delle particelle di biomassa.
15 In particolare, come mostrato in Figura 2B, i primi mezzi 6 per l'immissione di un
agente gassificante comprendono una prima piastra di distribuzione 6 inclinata rispetto
alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione veloce 4.
Detta piastra di distribuzione 6 presenta in generale una pluralità di fori 61 per
l'immissione dell'agente gassificante e nella presente forma di realizzazione comprende
20
una pluralità di elementi di copertura parziale 62 che impediscono alla particelle del
letto fluido di introdursi nei fori 61.
Come per i primi mezzi 6, anche i secondi 7 e i terzi 8 mezzi per l'immissione di un
agente gassificante comprendono rispettivamente una seconda 7 ed una terza 8 piastra
di distribuzione. La seconda piastra di distribuzione 7 è posta ortogonalmente alla
25 verticale (V).
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In generale, i primi 6, secondi 7 e terzi 8 mezzi per l'immissione di un agente
gassificante possono comprendere ciascuno una piastra di distribuzione o un fascio
tubiero. Come mostrato per esempio in Figura 2, in una forma di realizzazione
preferita i primi mezzi 6 per l'immissione di un agente gassificante comprendono una
5
piastra di distribuzione 6 mentre i secondi 7 e i terzi 8 mezzi per l'immissione di un
agente gassificante comprendono ciascuno un fascio tubiero.
Secondo una forma di realizzazione preferita, il setto 5 è superiormente e/o
inferiormente regolabile in lunghezza, come mostrato in Figura 2. La possibilità di
regolare superiormente il setto 5 influisce sulla quantità di materiale che può essere
10 immesso nel reattore 1 per formare il letto, mentre la possibilità di regolare
inferiormente il setto 5 influisce sulla circolazione del materiale del letto fluido tra le
camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4.
Con riferimento alla Figura 1, il reattore 1 comprendente una o una pluralità luci 9 per
l'immissione della biomassa nel letto fluido disposte in prossimità e/o in detta porzione
15
inferiore del corpo principale 2. Le luci 9 sono disposte in modo tale da consentire
l'introduzione della biomassa ad altezze diverse del letto fluido.
Secondo forme di realizzazione alternative, il reattore 1 può comprendere inoltre:
- mezzi per l'introduzione nel reattore 1 di elementi catalizzanti atti a favorire il
cracking catalitico nel letto;
20 - un dispositivo di analisi del gas presente nel reattore 1, il quale prevede mezzi
per il prelievo del gas dal corpo principale 2;
- mezzi di misurazione della temperatura presente internamente al corpo
principale 2;
- mezzi di misurazione della pressione presente internamente al corpo principale
25 2;e
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- mezzi atti ad aumentare il tempo di residenza 13 del gas all'interno del corpo
principale 2, quale ad esempio almeno un deflettore 13 posto in
corrispondenza di una porzione superiore ("freeboard") di detto corpo
principale 2.
5 Naturalmente, secondo dette forme di realizzazione alternative del reattore 1 della
presente innovazione gli elementi sopra elencati possono essere assenti, presenti in
specifiche combinazioni o tutti presenti.
Con riferimento alle Figure 1A, 1B e 3, un impianto gassificatore comprendente un
reattore 1 per la gassificazione di biomasse a letto fluido bollente secondo la presente
lo innovazione è complessivamente indicato con 100.
Il funzionamento del reattore 1 sopra descritto e del relativo impianto di
gassiflcazione 100 apparirà chiaro dalla descrizione del relativo funzionamento.
In particolare, il funzionamento del reattore 1 verrà ora descritto a titolo
esemplificativo con riferimento ad una forma di realizzazione preferita in cui è
15 presente il deflettore 13.
In generale, l'impianto gas sificatore 100 è retto da una struttura metallica di sostegno,
non rappresentata nelle figure, per mezzo di appoggi 25 saldati al corpo principale 2.
Inoltre, esso prevede un bocchello 12 che collega il reattore 1 ad un bruciatore, per
esempio a gplimetano, necessario nella fase di avviamento dell'impianto di
20 gassifiecazione.
Con riferimento alla Figura 3, il reattore 1 viene predisposto riempiendo le camere di
fluidizzazione lenta 3 e veloce 4 con della sabbia o altro minerale atto a realizzare il
letto. La sabbia viene immessa fino a raggiungere la porzione superiore del setto
regolabile 5.
25 Il setto 5 di separazione delle camere 3 e 4 viene preventivamente regolato
superiormente, in modo da aumentare o diminuire l'altezza delle camere 3 e 4 in virtù
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della quantità di sabbia che si vuole immettere nel reattore e dell'espansione del letto
in condizioni di funzionamento (letto fluido). Quindi, il setto 5 viene regolato
inferiormente per aumentare o diminuire il passaggio inferiore di comunicazione tra le
due camere 3 e 4 in modo da influire sull'intensità del flusso di materiale solido che
5 circola tra le due camere.
Quindi, viene posizionato un bocchello di inserimento della biomassa in
corrispondenza di una delle luci 9 per l'immissione della biomassa che nel presente
esempio si trova all'altezza del "pelo libero" del letto, come mostrato nelle Figure 1 A
e 1B.
10 In generale, la biomassa viene portata da una tramoggia di stoccaggio al reattore 1
attraverso un sistema di coclee di dosaggio e alimentazione non rappresentate nelle
figure.
Quando il reattore è operativo la portata ponderale di materiale organico che si
immette nella prima camera lenta 3 attraverso il bocchello si mescola al minerale del
15
letto fluido (in questo caso sabbia) dove dà inizio alle reazioni di gassificazione che
trasformano il solido organico (biomassa) in gas.
La fase operativa ha inizio immettendo nel reattore 1 l'agente gassificante attraverso il
sistema di fluidizzazione del letto. L'agente gassificante nel presente esempio è una
miscela di vapore e aria arricchita di ossigeno.
20 Durante la fase operativa, all'interno del letto fluido viene mantenuta una temperatura
intorno agli 800 ± 850 °C ciò viene realizzato dosando opportunamente la quantità di
agente gassificante e bruciando la relativa "quota" di solido e/o di gas combustibile.
Tale temperatura garantisce lo svolgimento delle reazioni per la trasformazione della
biomassa. Nel presente esempio, la pressione media di funzionamento del reattore 1 è
25 circa uguale a quella atmosferica. È chiaro che secondo forme di realizzazioni
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alternative del reattore 1, la pressione a cui avvengono i processi di gassificazione
potranno essere diverse da quella ambiente.
Nella presente forma di realizzazione, il reattore 1 prevede dei mezzi per la
misurazione della pressione e della temperatura posizionati a diverse altezze sul corpo
5
principale 2 in modo da monitorare a quelle altezze i valori di pressione e temperatura
presenti nel reattore.
Durante la fase operativa l'agente gassificante necessario alla combustione parziale
della biomassa e alla fluidizzazione del letto, entra nelle camere di fluidizzazione lenta
3 e veloce 4 del reattore attraverso la piastra di distribuzione 6 e i fasci tubieri 7 e 8
10 passando dapprima attraverso dei collettori rappresentati in Figura 1. Secondo la
presente innovazione, il letto fluido è sottoposto ad una intensità del flusso dell'agente
gassificante diversa nelle due camere 3 e 4. In particolare, l'intensità del flusso
dell'agente gassificante presente nella camera di fluidizzazione veloce 4 è maggiore
dell'intensità di flusso presente nella camera di fluidizzazione lenta 3.
15 In generale, in un reattore a letto fluido bollente, lo stato di fluidizzazione implica che
la perdita di pressione attraverso il letto equilibri il peso del solido per unità di sezione
trasversale. Inoltre, l'espansione del letto è proporzionale alla velocità con cui si
"invia" l'agente gassificante, ciò è dovuto principalmente ad un aumento nella crescita
delle bolle che si formano in fondo alle camere di fluidizzazione subito sopra la piastra
20 distributrice dell'aria.
Nel reattore 1 della presente innovazione, il passaggio inferiore di comunicazione tra
le due camere 3 e 4 induce queste ultime a comportarsi in accordo con il principio dei
vasi comunicanti, cioè le altezze dei letti nelle camere di fluidizzazione lenta 3 e
veloce 4 sono uguali. Quindi, se il materiale del letto è sufficiente da permettere alle
25 particelle di fluire sopra il setto 5, grazie alle differenti "velocità di fluidizzazione" nei
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due letti (che implicano differenti densità medie) si instaura, attraverso il passaggio
inferiore, una proporzionale differenza di pressione che induce e sostiene la
circolazione del materiale solido.
Pertanto, nella camera a più alta densità, che per quanto detto corrisponde alla camera
5 di fluidizzazione lenta 3, il letto fluido tenderà a scendere, mentre nella camera di
fluidizzazione veloce 4 (che contiene una frazione più alta di bolle) il materiale tenderà
a salire.
Secondo una forma di realizzazione preferita del reattore 1, le particelle (leggere) di
biomassa vengono alimentate nel letto più denso (camera di fluidizzazione lenta 3),
io dove la loro tendenza a segregare in superficie è neutralizzata dal processo di
circolazione del letto fluido.
In particolare, come mostrato in Figura 2A, quando le particelle di biomassa sono
rilasciate sulla superficie del letto fluido della camera di fluidizzazione lenta 3, esse
assumono un comportamento cinetico "quasi-circolare", dovuto alla loro tendenza
15 naturale a "galleggiare" sulla superficie del letto fluido.
Questo fenomeno è evidente nella porzione superiore della camera di fluidizzazione
lenta 3 poiché in questa zona:
- la velocità di circolazione del letto fluido verso il basso tende a diventare più
piccola della velocità di risalita delle particelle di biomassa. e
20 - il flusso di particelle, proveniente dalla camera di fluidizzazione veloce 4
(attraverso il passaggio superiore di connessione delle camere) tende a spingere le
particelle di biomassa all'interno del letto fluido.
Pertanto, gli opposti fenomeni sopra illustrati possono indurre una particella di
biomassa a oscillare per un certo tempo nella regione superiore della camera di
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fluidizzazione lenta 3 fino a quando essa non "sprofonda" abbastanza in basso da
seguire la circolazione del letto fluido.
Naturalmente, come detto in precedenza, un contributo fondamentale alla circolazione
del letto fluido è fornito dal sistema di fluidizzazione del letto e dalla disposizione
5 complessiva dei mezzi 6, 7 e 8 per l'immissione dell'agente gassificante atti a
determinare l'ingresso di almeno un flusso dell'agente gassificante in corrispondenza
del passaggio inferiore di comunicazione tra le camere 3 e 4 con una direzione
inclinata rispetto alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione veloce 4,
come mostrato nelle Figure 2A e 2B.
10 Da quanto sin qui illustrato, apparirà chiaro, che all'interno delle camere di
fluidizzazione lenta 3 e veloce 4, il diverso "regime" di fluidizzazione realizzato dal
sistema di fluidizzazione crea, ad altezze diverse, condizioni differenti di densità e
pressione che consentono la circolazione interna (tra le camere 3 e 4) del letto fluido e
contribuiscono a rendere uniforme la temperatura in tutto il letto. Pertanto, la
15 circolazione del letto fluido tra camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4, consente,
come detto precedentemente, di portare il materiale organico (biomassa) che si trova
sulla "superficie" del letto fluido della camera 3 all'interno del letto.
Come mostrato in Figura 3, il reattore 1 può prevedere un elemento di separazione
10, atto a dividere il corpo principale 2 da un magazzino di scarico ceneri 101 del
20 gassificatore 100. Tale elemento 10, può essere aperto facendogli assumere diverse
altezze in modo da regolare la quantità totale di materiale solido che è presente nel
letto fluido. Infatti, il sovraccarico di materiale viene fatto uscire dal corpo principale
2 e portato nel magazzino 101 da cui può essere a sua volta estratto per mezzo di una
valvola rotativa non rappresentata.
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Allo stesso modo il materiale solido più pesante e di dimensioni maggiori presente
nelle camere di fluidizzazione lenta 3 e veloce 4, secondo una forma di realizzazione
preferita del reattore 1, si accumula, a causa del suo peso, in una "camera" di raccolta
11 posta al di sotto dei secondi mezzi 7 per l'immissione dell'agente gassificante. Il
5 materiale solido accumulato nella "camera" di raccolta 11 può essere rimosso per
mezzo di valvola rotativa non rappresentata nelle figure.
Nel reattore 1 durante la fase operativa di trasformazione della biomassa viene
prodotto un notevole volume di gas. I flussi gassosi che lasciano i letti di
fiuidizzazione veloce e lenta si mescolano nel "freeboard" prima di lasciare il reattore
10 1. In particolare, la geometria del reattore oggetto della presente innovazione ed in
particolare l'asimmetria del corpo principale 2, che realizza sezioni del reattore 1
sempre maggiori procedendo verso l'alto lungo la verticale (V), tiene conto della
fluidodinamica del processo di gassificazione e del fatto che la trasformazione della
biomassa sviluppa, come si è detto, un notevole volume di gas.
15 In particolare, le dimensioni del "freeboard" sono calcolate facendo riferimento alla
teoria relativa alla elutriazione delle particelle solide, in modo da consentire al gas di
separarsi dal materiale elutriato per caduta di quest'ultimo. La teoria relativa alla
elutriazione delle particelle solide essendo alla portata di un tecnico medio del ramo
non verrà discussa nel presente documento.
20 Per migliorare il mescolamento delle componenti gassose provenienti dalle camere di
fluidizzazione lenta 3 e veloce 4, è presente nel "freeboard" il deflettore 13.
Quest'ultimo ha anche la funzione di favorire un ulteriore fase di reazione tra il gas
prodotto nelle camere 3 e 4 e la porzione di agente gassificante proveniente dalla
camera di fluidizzazione veloce 4. Come mostrato in Figura 3, una volta che la
25 componente gassosa ha attraversato il "freeboard", essa percorre un condotto 102 e
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arriva in un ciclone 103 dove la maggior parte delle particelle solide presenti nella
componente gassosa vengono separate dal gas e immesse nel magazzino 101
attraverso un dipleg 104 (la cui altezza va opportunamente calcolata) che termina con
una valvola trickle 105.
5 Quindi, il gas separato dalle particelle solide esce dal ciclone 103 attraverso un
condotto 106 e viene inviato verso delle apparecchiature che si trovano a valle del
reattore per essere ulteriormente filtrato.
Infine, il reattore può comprendere un passo d'uomo 23 per le operazioni di
manutenzione e una porzione superiore 24 del corpo principale 2 amovibile mostrate
10 nelle Figure 1 A e 1B.
Sarà apprezzato che, dati sperimentali ottenuti in laboratorio in un impianto in scala
pilota, per mezzo di un modello freddo costruito secondo le regole geometriche e
dinamiche di similitudine, confermano il ruolo fondamentale della circolazione delle
particelle del letto fluido al fine di aumentare il tempo di residenza delle particelle
15 leggere di combustibile (biomassa) all'interno del letto fluidizzato e confermano che il
"principio dei letti fluidizzati intercormessi" può essere applicato con successo alla
gassificazione della biomassa.
Sarà apprezzato inoltre, che il reattore della presente innovazione fornisce un gas
combustibile (syngas) a basso contenuto di catrami e particolato.
20 Sarà inoltre compreso che la presente innovazione è suscettibile di numerose forme e
varianti di realizzazione alternative a quelle sin qui descritte.
La presente innovazione è stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di
realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che
afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell'ambito di protezione
25 delle rivendicazioni qui di seguito esposte.
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RIVENDICAZIONI
1. Reattore (1) per la gassificazione di biomasse a letto fluido bollente per uso in un
impianto di gassificazione comprendente:
- un corpo principale (2) a sviluppo sostanzialmente verticale nel quale avviene
5 la gassificazione delle biomasse;
- una prima camera di fluidizzazione lenta (3) ed una seconda camera di
fluidizzazione veloce (4) contigue, con sviluppo sostanzialmente verticale (V),
atte ad accogliere il letto e disposte in una porzione inferiore di detto corpo
principale (2), detta prima camera (3) e detta seconda camera (4) essendo
10 superiormente ed inferiormente comunicanti attraverso rispettivi passaggi;
- un setto (5) di separazione tra detta prima camera di fluidizzazione lenta (3) e
detta seconda camera di fluidizzazione veloce (4);
- un sistema di fluidizzazione del letto comprendente mezzi (6, 7, 8) per
l'immissione di un agente gassificante in dette camere di fluidizzazione lenta (3) e
15 veloce (4) atti a determinare l'ingresso di almeno un flusso di agente gassificante
in corrispondenza di detto passaggio inferiore con una direzione inclinata rispetto
alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione veloce (4); la
disposizione complessiva di detti mezzi (6, 7, 8) essendo tale che il sistema di
fluidizzazione del letto è atto a realizzare, attraverso detto passaggio superiore e
20 detto passaggio inferiore, una circolazione del letto fluido rispettivamente dalla
camera di fluidizzazione veloce (4) alla camera di fluidizzazione lenta (3) e dalla
camera di fluidizzazione lenta (3) alla camera di fluidizzazione veloce (4)
consentendo di trasferire all'interno del letto fluido almeno una parte delle
particelle di biomassa.
25 2. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta prima camera di
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fluidizzazione lenta (3) e detta seconda camera di fluidizzazione veloce (4) sono
rispettivamente una camera di fluidizzazione discendente ed una camera di
fluidizzazione ascendente.
3. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti
5 mezzi (6; 7; 8) per l'immissione di un agente gassificante comprendono:
- primi mezzi (6) per l'immissione di un agente gassificante posti in
corrispondenza di una porzione di fondo di detta camera di fluidizzazione lenta
(3) e atti a determinare l'ingresso di detto almeno un flusso con una direzione
inclinata rispetto alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione
10 veloce (4);
- secondi mezzi (7) per l'immissione di un agente gassificante posti in
corrispondenza di una porzione di fondo di detta camera di fluidizzazione veloce,
atti a determinare l'ingresso di almeno un flusso dell'agente gassificante diretto
lungo la verticale (V).
15 4. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detti primi mezzi (6) per
l'immissione di un agente gassificante comprendono una prima piastra di distribuzione
(6) inclinata rispetto alla verticale (V) e rivolta verso la camera di fluidizzazione
veloce (4), detta prima piastra di distribuzione (6) comprendendo una pluralità di fori
(61) per l'immissione dell'agente gassificante.
20 5. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta prima piastra di
distribuzione (6) inclinata comprende una pluralità di elementi di copertura parziale
(62) dei fori (61) della piastra (6) atti ad impedire l'immissione delle particelle del letto
nei fori (61).
6. Reattore (1) secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detti secondi mezzi (7) per
25 l'immissione di un agente gassificante comprendono una seconda piastra di
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distribuzione (7) ortogonale rispetto alla verticale (V) o un fascio tubiero.
7. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto
corpo principale (2) presenta uno sviluppo verticale asimmetrico.
8. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto sviluppo verticale
5 asimmetrico presenta un profilo inclinato almeno in corrispondenza di detta sua
porzione inferiore in cui è disposta detta camera di fluidizzazione lenta (3) e
convergente verso la porzione inferiore del corpo principale (2).
9. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto
corpo principale (2) presenta una prima parete laterale (21), opposta al setto (5),
10 inclinata rispetto all'asse verticale (V) di un predeterminato angolo a e convergente
verso la sua porzione inferiore la quale parete (21) definisce una prima parete laterale
della camera di fluidizzazione lenta (3).
10. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta prima parete
laterale (21) presenta una porzione superiore (211) parallela all'asse verticale (V).
15 11. Reattore (1) secondo la rivendicazione 9, in cui detto angolo a di inclinazione
di detta prima parete laterale (21) è minore dell'angolo di riposo del materiale del letto
rispetto alla verticale (V) in modo tale da consentire lo scorrimento sulla parete (21)
stessa delle particelle del letto quando fluidizzato.
12. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto angolo a di
20 inclinazione di detta prima parete laterale (21) è uguale a 30 0 circa rispetto alla
verticale (V).
13. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto
corpo principale (2) presenta una seconda parete laterale (22) opposta al setto (5) e
sostanzialmente parallela alla verticale (V) la quale definisce una seconda parete della
25 camera di fluidizzazione veloce (4).
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14. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti quando
dipendenti dalla rivendicazione 8, in cui detti mezzi (6; 7; 8) comprendono terzi mezzi
(8) per l'immissione di un agente gassificante posti in corrispondenza di detta prima
parete laterale (21) sulla porzione afferente la camera di fluidizzazione lenta (3), detti
5 terzi mezzi (8) essendo atti a fluidizzare il letto sulla parete laterale inclinata (21).
15. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto
setto (5) è superiormente e/o inferiormente regolabile in lunghezza in modo tale che la
variazione superiore del setto (5) influisce sulla quantità di materiale del letto che può
essere immesso nel reattore (1) e che la variazione inferiore del setto (5) influisce sulla
io circolazione di materiale del letto fluido tra le camere di fluidizzazione lenta (3) e
veloce (4).
16. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,
comprendente una o una pluralità luci (9) per l'immissione della biomassa nel letto
fluido disposte in prossimità e/o in detta porzione inferire del corpo principale (2);
15 detta pluralità luci (9) essendo disposte in modo tale da consentire l'introduzione della
biomassa nel letto ad altezze diverse.
17. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,
comprendente mezzi per l'introduzione nel reattore (1) di elementi catalizzanti atti a
favorire il cracking catalitico nel letto.
20 18. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto
agente gassificante è una miscela di vapore e aria arricchita di ossigeno.
19. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,
comprendente un dispositivo di analisi del gas presente all'interno del reattore (1).
20. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto dispositivo di
25 analisi del gas comprende mezzi per il prelievo del gas dal corpo principale (2).
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21. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,
comprendente mezzi di misurazione della temperatura presente internamente al corpo
principale (2).
22. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,
5
comprendente mezzi di misurazione della pressione presente internamente al corpo
principale (2).
23. Reattore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti,
comprendente mezzi (13) atti favorire un ulteriore fase di reazione tra il gas prodotto
nelle camere (3) e (4) e la porzione di agente gassificante proveniente dalla camera di
10 fluidizzazione veloce (4).
24. Reattore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui mezzi atti ad
aumentare il tempo di residenza del gas sono almeno un deflettore (13) posto in
corrispondenza di una porzione superiore di detto corpo principale (2).
25. Impianto gassificatore (100) comprendente un reattore per la gassificazione di
15
biomasse a letto fluido bollente secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 24.
p.p. Ente per le Nuove Tecnologie l'Energia e l'Ambiente (ENEA)
Università degli Studi dell'Aquila
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