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Bei Fragen wenden Sie sich bitte an:
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und
Energietechnik UMSICHT
Dipl.-Chem. Iris Kumpmann
Abteilungsleiterin Public Relations
Osterfelder Straße 3
46047 Oberhausen
Tel.:
0208-8598-1200
E-Mail: [email protected]
Principi della tecnologia di gassificazione di
legna – metodi, potenze e applicazioni
Dipl.-Ing. Tim Schulzke – Capogruppo conversione termochimica
Folie 2
© Fraunhofer UMSICHT
AGENDA
1. L‘associazione Fraunhofer e Fraunhofer UMSICHT
2. Processi fisici/chimici di base nella gassificazione di biomassa
3. Classificazione della gassificazione di biomassa
Tipo di reattore
Mezzi di gassificazione
4. Sfide tecniche nella gassificazione della biomassa
5. Applicazioni
© Fraunhofer
AGENDA
1. L‘associazione Fraunhofer e Fraunhofer UMSICHT
2. Processi fisici/chimici di base nella gassificazione di biomassa
3. Classificazione della gassificazione di biomassa
Tipo di reattore
Mezzi di gassificazione
4. Sfide tecniche nella gassificazione della biomassa
5. Applicazioni
© Fraunhofer
L‘associazione Fraunhofer
Fondata nel 1949 dal ministero per la ricerca
Patrono Joseph von Fraunhofer:
Imprenditore
Amm. di una vetreria, produttori di apparecchi ottici
Inventore
Metodo per la produzione di vetro senza striature
Ricercatore
Diffrazione della luce
Linee di Fraunhofer
nello spettro solare
Folie 5
© Fraunhofer UMSICHT
L‘associazione Fraunhofer
Ricerca e sviluppo
Organizzazione all‘avanguardia per ricerca
applicata in Europa
Invenzioni
Posizione 14 tra i brevetti tedeschi1
Imprenditoria
60 istituti lavorano come centri profit
1⁄3 ricerca industriale
1⁄3 ricerca finanziata pubblicamente
1⁄3 da Bund/regioni (ricerca iniziale)
1
Fonte: Deutsches Patent- und Markenamt, Stand 2007
Folie 6
© Fraunhofer UMSICHT
Fraunhofer UMSICHT (Oberhausen)
Impossibile v isualizzare l'immagine.
Fondazione
1990
Bilancio operativo 2011
24,8 Mio. €
di cui ricavo industriale
Collaboratori/collaboratrici
9,8 Mio. €
345 (198 fissi)
Studi, tesi, master
35
Aiutanti stud./scient.
86
Tirocinanti
11
Apprendisti
15
Spin-Offs
13
Progetti
ca. 300/anno
Superficie laboratorio e tecnica
4 500 m²
Folie 7
© Fraunhofer UMSICHT
Oberhausen,
Osterfelderstraße 3
Fraunhofer UMSICHT,
Sulzbach-Rosenberg
Dal 1.7.2012,
45 collaboratori
AGENDA
1. L‘associazione Fraunhofer e Fraunhofer UMSICHT
2. Processi fisici/chimici di base nella gassificazione di biomassa
3. Classificazione della gassificazione di biomassa
Tipo di reattore
Mezzi di gassificazione
4. Sfide tecniche nella gassificazione della biomassa
5. Applicazioni
© Fraunhofer
Processi fisici/chimici di base
Gassificazione
Gassificazione del carbonio residuio (coke)
Decomposizione pirolitica
Decomposiz.
Reazioni di
Termica
decomposizio
comincia,
ne sono più
basse quantità forti, velocità
di catrame,
di
CO, CO2
decomposizio
ne aumenta
fortemente
viene espulsa
Reazioni di
decomposiz.
finiscono,
soprattutto
catrame
viscoso
Campi di decomposizione di:
Riscald. ed essiccazione
Acqua libera
non legata
Apice della
formazione di
idrocarburo
tramite
decomposizio
ne
Acqua legata
a cellule viene
espulsa
Lignina
Cellulosa
Emicellulosa
0
100
Folie 9
© Fraunhofer UMSICHT
200
300
400
500
600
700
800 °C
Reazioni importanti della gassificazione
Pirolisi primaria:
Catrame primario(CHxOy),
Combustibile
→ H2O, CO2, CO, CH4,
∆RH°298 = >> 0 kJ/mol
C2H4,
Carbonio (C)
Pirolisi secondaria:
Catrame primario
→ Catr. secondario (CHxOy),
CO, CO2, C2H4, CH4, H2 ∆RH°298 = > 0 kJ/mol
Reazioni omogenee delle fasi del gas:
Catr. sec (CHxOy) → C, CO, H2
H2 + 0,5 O2
⇔ H 2O
CO + 0,5 O2
⇔ CO2
CH4 + 0,5 O2
⇔ CO + 2 H2
CO + H2O
⇔ CO2 + H2
CH4 + CO2
CH4 + H2O
⇔ 2 CO + 2 H2
⇔ CO + 3 H2
∆RH°298
kJ/mol
∆RH°298
kJ/mol
∆RH°298
kJ/mol
∆RH°298
kJ/mol
∆RH°298
∆RH°298
kJ/mol
=
- 242
H2-Combustione/ossidazione
=
- 283
CO- Combustione/ossidazione
=
- 110
CH4- Combustione/ossidazione parziale
=
- 41
Reazione omogenea gas d’idrato - Shift
= + 247 kJ/molReazione secca reforming
= + 206
Steam Reforming / metanazione inversa
Reazioni eterogene:
C +
1
ϕ
O

2
C + CO2
C + H 2O
C + 2 H2
Folie 10
© Fraunhofer UMSICHT
⇔  2 −

2 
 2

− 1  CO
 CO + 
ϕ 
 ϕ

⇔ 2 CO
⇔ CO + H2
⇔ CH4
2
∆RH°298 = - 393 kJ/mol(Parziale) ossidazione di carbonio
(für ϕ = 1)
∆RH°298 = + 173 kJ/mol Reazione Boudouard
∆RH°298 = + 131 kJ/mol Reazione eterogena gas d‘idrogeno
∆RH°298 =
- 75
Gassificazione idrante
kJ/mol
AGENDA
1. L‘associazione Fraunhofer e Fraunhofer UMSICHT
2. Processi fisici/chimici di base nella gassificazione di biomassa
3. Classificazione della gassificazione di biomassa
Tipo di reattore
Mezzi di gassificazione
4. Sfide tecniche nella gassificazione della biomassa
5. Applicazioni
© Fraunhofer
Classificaz. della gassificazione di biomasse – tipo di reattore
Letto mobile/letto solido
Letto fluidizzato
Zona di essiccazione
Zona di pirolisi
Zona di riduzione
Zona di ossidazione
Gas
Combustibile
Letto fluido
Freeboard
Gas
Ceneri
Gas
Ceneri
Combustibile
Aria
Aria secondaria
Combustibile
Combustibile
Aria
Aria
Aria
Ceneri
Controcorrente
Folie 12
© Fraunhofer UMSICHT
Gas
Ceneri
Flusso parallelo
Letto fluido
stazionario
Aria
primaria
Aria sifone
Letto fluido
circolante
Gassificazione nel reattore a letto fluido
Vantaggi in confronto al reattore a letto fisso
Inventario dei solidi: più del 90 % del materiale per il trasferimento del calore,
perciò buona regolaribità tramite immissione di combustibile e aria
Lieve differenza di temperatura nel reattore
Temperatura di reazione regolabile »liberamente«
»alto« per combustione buona, alta temperatura del singas
»basso« per combustili problematici (p.e. paglia)
Variabilità del combustibile
Pellet con alta densità
Prodotti da shredder con bassa densità e alto contenuto di parti fini
Buona scalabilità
Svantaggi in confronto al reattore a letto fisso
Costi specifici di investimento pià alti per basse potenze
Il combustibile deve essere dosato in continuo e uniformemente
Folie 13
© Fraunhofer UMSICHT
Classificaz. della gass.di biomasse – mezzi di gass.
Gassificazione
di biomasse
autotermica
Aria
Basso potere calorifico
alto contenuto di N2
Calore
Corrente
Folie 14
© Fraunhofer UMSICHT
allotermica
O2
(+H2O/CO2)
H2O
Medio potere calorifico
N2-frei
CO2
Finora solo
accademicamente
Calore/corrente
sintesi chimica
-> Metano, carburante, sostanze chimiche di base
Composizione del gas – confronto aria/vapore
Gassificazione con aria
UMSICHT CFB (≈ 900°C)
CO2
13,7 %
H2O
10 %
N2
43 %
Gassificazione con vapore
Güssing FICFB* (≈ 840°C)
CO2
13 %
H2O
35 %
CO
15,6 %
CO
16 %
H2
14 %
H2
26 %
N2
1,3 %
CH4
4%
Catrame (incluso benzolo)
< 0,5 %
Teer
≈ 0,3 %
*Pfeifer
CH4
6,5 %
C2H6
1,6 %
et al., Presentazione at 15th European Biomass Conference, Berlin,
2007
kWh/Nm3
Potere calorifico: Hu ≈ 1,38
Pot.cal.: Hu ≈ 2,56 kWh/Nm3
Potere calorifico secco: Hu ≈ 1,53 kWh/Nm3 Pot.cal.secco: Hu ≈ 3,48 kWh/Nm3
Fattore 2,25
Folie 15
© Fraunhofer UMSICHT
AGENDA
1. L‘associazione Fraunhofer e Fraunhofer UMSICHT
2. Processi fisici/chimici di base nella gassificazione di biomassa
3. Classificazione della gassificazione di biomassa
Tipo di reattore
Mezzi di gassificazione
4. Sfide tecniche nella gassificazione della biomassa
5. Applicazioni
© Fraunhofer
Sfide nella gassificazione delle biomasse
3 difficoltà principali
Dosaggio della biomassa
Riguarda soprattutto i letti fluidi
Esigenza: dosaggio continuo (eventualmente contro pressione)
Fluidibilità del combustibile molto variabile: Pellet, cippati, trucioli
Distribuzione del mezzo di gassificazione tramite la sezione del reattore
Concerne soprattutto i gassificatori a letto fisso
Esigenza: distribuzione uniforme tramite tutta la sezione
Effetto sul combustibile: nessuna parte fine ammessa
Causa principale per limite Scale-Up a ca. 1 MW immissione combustibile
Pulizia del gas
Catrame, zolfo, cloro, ammoniaca, Z
Folie 17
© Fraunhofer UMSICHT
Pulizia del gas da legna
Compiti per la pulizia del gas da legna
Eliminazione del catrame
secco
umido
Eliminazione di polveri
caldo
freddo
Raffreddamento
Eventualmente eliminazione di ulteriori componenti nocivi
Zolfo
Alcali
Z
Folie 18
© Fraunhofer UMSICHT
Composizione del gas UMSICHT (ZWS)
H2O
10 %
N2
43 %
„Catrame“ ≈ 0,5 %
ca. 30 % PAK
(soprattutto C12H8,
C14H10, C16H10)
H2
14 %
ca. 30 % benzolo:
CO2
13 %
CO
16 %
CH4
4%
Potere calorifico senza „catrame“:
ca. 30 % naftalina:
ca. 10 % altri
monoaromatici
Catrame - Mass.-%
Folie 19
© Fraunhofer UMSICHT
R1
Hu ≈ 1,38 kWh/Nm3
R2
Misure primarie per diminuire il catrame (letto fluido)
Contenuto di catrame in dipendenza dal materiale
Arena
4.250 mg/Nm3
Dolomite (fresca)
300 mg/Nm3
Altri materiali (naturali e sintetici)
120 - 350 mg/Nm3
Olivina
2.500 mg/Nm3
Limite per utilizzo in motore (1996)
50 mg/Nm3
Folie 20
© Fraunhofer UMSICHT
10.000 mg/Nm3
Trattamento del gas da legna – un esempio di soluzione
2 strati 3x3 di monoliti Ni
⇒ Flusso laminare in canali (uG < 1,5 m/s)
⇒ Ritenzione ≈ 0,4 sec
Ingresso
gas
Pulizia a impulsi per eliminazione di polveri
1 sec impulsi N2 ogni 1,5 h
Distribuito nel tempo
Immissione di aria tra i due strati
Regolazione della temp.(ingresso nel 2. strato oltre 900°C)
Trattamento dell’aria tra gli esercizi di prova
Rigenerazione (eliminazione di zolfo e coke)
Folie 21
© Fraunhofer UMSICHT
Catalizzatori
a favi
Uscita gas
AGENDA
1. L‘associazione Fraunhofer e Fraunhofer UMSICHT
2. Processi fisici/chimici di base nella gassificazione di biomassa
3. Classificazione della gassificazione di biomassa
Tipo di reattore
Mezzi di gassificazione
4. Sfide tecniche nella gassificazione della biomassa
5. Applicazioni
© Fraunhofer
Applicazioni
Possibilità di utilizzo per il gas di legna
Gas di legna come carburante
Gassificatore Imbert: camion, trattori
Applicazioni in processi termici
(con)combustione in caldaie
Combustione in forni, vasche in vetro
Impianti termici ed elettrici
Riscaldamento con produzione di corrente fino a centrale elettrica
Materia prima per sintesi
Metano, carburanti, alcool, DME, Monomeri per materie plastiche
Folie 23
© Fraunhofer UMSICHT
Chimica singas
Metano
CO + 3 H2 ⇔ CH4 + H2O
∆RH=-206 kJ/mol
(3:1)
Sintesi Fischer-Tropsch
n CO + 2n H2 ⇔ (-CH2-)n + n H2O
∆RH=-158 kJ/mol
(2:1)
Metanolo
CO + 2 H2 ⇔ CH3OH
∆RH=-98,7 kJ/mol
(2:1)
Etanolo
2 CO + 4 H2 ⇔ C2H5OH + H2O
∆RH=-256 kJ/mol
(2:1)
Dimetiletere
2 CO + 4 H2 ⇔ H3C-O-CH3 +H2O
∆RH=-219 kJ/mol
(2:1)
Metano
2 CO + 2 H2 ⇔ CH4 + CO2
∆RH=-247 kJ/mol
(1:1)
Etanolo
3 CO + 3 H2 ⇔ C2H5OH + CO2
∆RH=-297 kJ/mol
(1:1)
Dimetiletere
3 CO + 3 H2 ⇔ H3C-O-CH3 + CO2
∆RH=-258 kJ/mol
(1:1)
Folie 24
© Fraunhofer UMSICHT
Condizioni per la reazione
Sintesi
Temperatura
Pressione
Metano
≈ 300 °C
≈ 25 bar
Sintesi Fischer-Tropsch
160 – 220 °C
0 – 30 bar
Metanolo
< 280 °C
50 – 200 bar
Dimetiletere
< 280 °C
50 – 200 bar
Etanolo
250 - 400 °C
30 – 100 bar
Folie 25
© Fraunhofer UMSICHT
FRAUNHOFER UMSICHT
Reparto Biorefinery, Biofuels
Grazie per l‘attenzione!
Kontakt:
Fraunhofer UMSICHT
Osterfelder Straße 3
46047 Oberhausen
E-Mail:
[email protected]
Internet: http://www.umsicht.fraunhofer.de
Folie 26
© Fraunhofer UMSICHT
Foto: photocase.de
Dipl.-Ing. Tim Schulzke
Telefon:
+49-208-8598-1155
E-Mail:
[email protected]
AGENDA
1. L‘associazione Fraunhofer e Fraunhofer UMSICHT
2. Processi fisici/chimici di base nella gassificazione di biomassa
3. Classificazione della gassificazione di biomassa
Tipo di reattore
Mezzi di gassificazione
4. Sfide tecniche nella gassificazione della biomassa
5. Applicazioni
6. Esempi
© Fraunhofer
Esempio per piccoli impianti (gassificazione a letto fisso)
Burkhardt (180 kWel)
Spanner Re2 (30 -50 kWel)
Folie 28
© Fraunhofer UMSICHT
Esempio per impianti grandi (gassificazione a letto fisso)
Harboøre
Controcorrente 3,5 MWth
Folie 29
© Fraunhofer UMSICHT
Wiener Neustadt
Corrente continua modificata 2,2 MWth
Esempio per impianti grandi (gassificazione a letto fluido)
Batelle/Ferco 55 MWth
Värnamo 18 MWth
Lahti I co-combustione
40-70 MWth
Folie 30
© Fraunhofer UMSICHT
Lahti II
2x80 MWth
Esempi per impianti medi (letto fluido)
Skive 19,5 MWth
Güssing 8 MWth
Grassau 1,5 MWth
Folie 31
© Fraunhofer UMSICHT
Senden 15 MWth