Il Pirolizzatore

In questo paragrafo è riportata la descrizione delle attività e i risultati relativi alla fase di start up dell’impianto di pirolisi di scala pre-industriale prodotto dall’azienda Agrimeccanica S.r.l e modificato dal team di ricerca presso il laboratorio di biocombustibili e biomasse di Sardegna Ricerche. Tutte le attività si collocano all’interno del progetto di ricerca L.R 7/2007 “Studio di Impianto di piccola potenza per la piroscissione di fitomasse e cogenerazione via syngas”.

La fase di start up è articolata in due step:

I° avvio del reattore di pirolisi e individuazione dei problemi impiantistici.
Risoluzione dei problemi e II° avvio della fase di start up mediante la pirolisi di fitomasse.

La prima fase di sperimentazione, necessaria poiché l’impianto è in fermo dal 2008, ha consentito di acquisire familiarità con la macchina consentendo agli operatori di capire il ciclo produttivo e il funzionamento di ciascun componente. Tale attività ha permesso inoltre l’individuazione delle problematiche impiantistiche risolte nella seconda fase.

Successivamente sono state eseguite delle prove processando scarti di biomassa legnosa a diverse temperature.

Dai dati sperimentali ottenuti è stato possibile effettuare il bilancio di massa relativo al processo di pirolisi, l’analisi energetica delle matrici e l’analisi chimica del gas.

L’IMPIANTO DÌ PIROLISI

Le prove sperimentali sono state eseguite utilizzando un impianto di pirolisi di scala pre-industriale caratterizzato da una capacità massima di carico di 100 kg/h. Il core del sistema è il tamburo rotante in cui avviene la decomposizione termochimica in ambiente inerte. La potenza termica necessaria al processo è fornita mediante resistenze elettriche.

Tutto il sistema è monitorato da un controllore a logica programmabile, PLC, che mediante le termocoppie e i pressostati, gestisce il processo produttivo attraverso cicli automatici programmati.

L’impianto di pirolisi è composto dalle seguenti sezioni:

Sistema di carico: coclea predosatrice e coclea dosatrice;
Modulo di pirolisi: reattore a tamburo rotante e raffinatore riscaldati da resistenze elettriche;
Modulo di condensazione: scambiatore di calore per la condensazione dei vapori di pirolisi in olio e separazione del gas;
Sistema di scarico: coclea di estrazione e post estrazione del char;
Sistema di accumulo: compressore ATEX utilizzato per lo stoccaggio del gas prima dell’utilizzo nel cogeneratore;
Cogeneratore: motore a combustione interna alimentato dal gas di pirolisi.

Figura 1 L’impianto di pirolisi, particolare della coibentazione del reattore

Figura 2 L’impianto di pirolisi nella configurazione finale

Descrizione delle componenti

Sistema di carico della materia prima

Tale sistema è composto da una coclea pre-dosatrice e una coclea dosatrice. La prima è lunga circa 5 metri e separata dalla coclea dosatrice mediante una valvola a controllo pneumatico detta valvola dosatrice. Il materiale viene caricato in un tramoggia di carico separata dall’ambiente esterno attraverso una valvola a controllo pneumatico detta valvola pre-dosatrice; la coclea dosatrice posizionata al di sopra della bocca di ingresso del reattore di pirolisi è messa in rotazione da un moto-riduttore gestito da un inverter.

Il materiale proveniente dalla coclea pre-dosatrice viene caricato nella tramoggia della coclea di pre-carico da cui la coclea dosatrice preleva il materiale da inviare direttamente al reattore.

Figura 3 Sistema di carico: coclea predosatrice e tramoggia di precarico.

Modulo di pirolisi e raffinatore

E’ composto da un tamburo rotante riscaldato da 2 resistenze da 4kW (configurazione di default) e messo in rotazione da un moto-riduttore gestito da un inverter. Il materiale proveniente dalla coclea dosatrice entra nel reattore decomponendosi in vapori e char.

Figura 4. Modulo di pirolisi: reattore e particolare del raffinatore (render)

Modulo di condensazione

I vapori proseguono il loro cammino nel raffinatore e infine verso lo scambiatore ad acqua dove avviene la condensazione dei vapori in olio e la separazione del gas.

Figura 5 Sezione del modulo di condensazione

Sistema di scarico del char

Lo scarico del char avviene mediante un coclea di estrazione e una di post estrazione. La coclea di estrazione, regolata tramite inverter, preleva le ceneri direttamente dal reattore di pirolisi inviandole alla coclea di post estrazione. Quest’ultima, separata dalla coclea di estrazione mediante una valvola a controllo pneumatico (valvola di estrazione) e separata dall’ambiente esterno da una valvola a controllo pneumatico chiamata valvola di post-estrazione scarica le ceneri in appositi contenitori.

Figura 6. Particolare della sezione per lo scarico del char.

Sistema di accumulo del gas

Il gas prodotto viene accumulato in un apposito compressore ATEX (certificato per le aree esplosive) da 200 l. Il carico del compressore è automatico e la regolazione avviene tramite PLC grazie ai due sensori di pressione posti in testa e in coda al reattore. Il sistema durante la fase di start up è stato dotato di un contatore volumetrico per la misurazione della quantità prodotta di gas e di una trappola di condensa per trattenere l’acqua in esso contenuta.

Figura 7. Il compressore atex per l’accumulo del gas.

Cogeneratore

L’unità di cogenerazione utilizza il gas prodotto dall’impianto prelevandolo dal compressore di stoccaggio per la produzione di energia elettrica e termica. La potenza massima erogabile è di 10 kW elettrici. Secondo una configurazione impiantistica futura, la potenza termica dei gas di scarico potrà essere recuperata per il preriscaldo della biomassa prima di entrare nel reattore.

Figura 8. Il motore a combustione interna alimentato con il gas di pirolisi.

Schema di processo

La biomassa caricata nella tramoggia di carico percorre due coclee prima di essere caricata all’interno del reattore. Il ciclo di carica è automatico, la sequenza e i tempi di apertura/chiusura delle valvole pneumatiche sono stati impostati tramite PLC.

Il reattore di pirolisi è costituito da un tamburo di lunghezza circa 900mm e diametro 440mm posto in rotazione all’interno di un cilindro fisso coibentato.

La coibentazione del reattore di pirolisi è costituita da fibra ceramica e da lana di roccia.

Il reattore di pirolisi è riscaldato e mantenuto in temperatura grazie e 2 resistenze elettriche di potenza 4kW ciascuna (configurazione di default) poste all’interno di 2 tubi che si comportano come tubi radianti. Il calore è trasferito al solido sia per conduzione che per irraggiamento:

Il trasferimento per conduzione avviene quando il materiale si appoggia sui tubi nella fase di avanzamento
Il trasferimento per irraggiamento è dato dal fatto che i tubi sono portati al color rosso (oltre i 650-700°C).

Il movimento del solido da far reagire è generato da un asse meccanico azionato da un moto-riduttore. La fuoriuscita dei gas di pirolisi dal reattore nel punto di attraversamento dell’asse è impedita da una tenuta a baderne grafitate 8×8.

Per evitare lo scarico dei gas in atmosfera il reattore di pirolisi è separato dall’ambiente con un sistema a doppia valvola: nell’area di carico e in quella di scarico le 2 valvole non sono mai aperte contemporaneamente, in questo modo non esiste un percorso diretto tra il reattore stesso e l’ambiente esterno.

Il gas prodotto nel reattore è trasferito mediante un condotto verticale in un contenitore vuoto, riscaldato internamente da 2 tubi radianti di potenza pari a 3kW ciascuno denominato raffinatore. Quest’ultimo può essere riempito di materiale, a scelta dell’operatore, per eseguire, ad esempio, prove sulla capacità di catalizzare alcune reazioni dei vapori di pirolisi, prima della loro condensazione.

La condensazione avviene, mediante un “raffreddamento indiretto” in uno scambiatore alimentato ad acqua dove i gas e i vapori di pirolisi vengono raffreddati senza entrare in diretto contatto con la stessa.

Il condensato è stoccato in una apposito contenitore posto al di sotto del condensatore dalla quale può essere estratto agendo su una valvola manuale.

Il gas separato dal condensato viene aspirato dal compressore e stoccato nell’apposito serbatoio previo passaggio nella trappola di condensa (modifica impiantistica).

Infine il cogeneratore preleva il gas dal compressore per la produzione di energia elettrica.

Figura 9. Layout impianto

ATTIVITA’ DI START UP DELL’IMPIANTO DÌ PIROLISI

La fase di start up dell’impianto di pirolisi è stata articolata in due step fondamentali:

Step1: I° avvio del reattore di pirolisi e individuazione e risoluzione dei problemi impiantistici.
Step2: II° avvio della fase di start up mediante la pirolisi di fitomasse.

Step1: I° avvio del reattore di pirolisi, individuazione e risoluzione dei problemi impiantistici.

Durante il primo step, il team di ricerca ha effettuato il check up dei componenti di impianto verificando :

Collegamenti elettrici impianto di pirolisi;
Sistemato elettrovalvole pneumatiche;
Collegamento PLC-PC;
Verifica e messa in moto del cogeneratore mediante bombola GPL;
Verifica e sblocco del compressore;
Verifica del circuito di raffreddamento e condensatore;
Pulizia del raffinatore con rimozione del catalizzatore;
Verifica della coibentazione del reattore.

Terminata la fase di check up, sono stati effettuati due test a caldo per verificare la tenuta dell’impianto e di tutti gli items accessori.

Tali prove hanno consentito inoltre di testare i cicli di lavoro automatici preimpostati tramite PLC, nella fattispecie:

ciclo di precarico e purga (mediante gas inerte) del materiale in ingresso;
ciclo di carico e lavoro;
ciclo di scarico e purga del char;
ciclo di carico del compressore;

Durante il primo test il reattore è stato portato a 450°C, sono stati caricati in tramoggia 10kg di polverino di Pino nero con umidità al 20%, Il processo è durato circa 90 minuti escludendo il tempo di riscaldamento del reattore pari a 5 h circa. Al termine della prova sono stati ottenuti i seguenti i risultati mostrati in figura 10 e figura 11.

Figura 10. Distribuzione dei prodotti di pirolisi durante la prima prova

Durante questo primo test sono state rilevate delle perdite di vapori e gas di pirolisi da diversi punti dell’impianto: coclea di carico, raffinatore e condensatore. Inoltre sono stati rilevate dei fenomeni vibrazionali derivanti dalla rotazione del reattore.

Per il secondo test, effettuato a 450°C circa, sono stati carica in tramoggia 10 kg di polverino di pneumatico. Anche in questo caso il processo è durato 90 minuti circa escludendo il tempo di riscaldamento uguale al caso precedente.

Al termine della prova sono stati ottenuti 2.1 kg di olio, 3.5 kg di gas e 4.4 kg di gas circa.

Figura 11 Distribuzione dei prodotti di pirolisi durante la seconda prova

Durante questa prova sono state rilevate ulteriori perdite: dall’albero di trasmissione del reattore e dalla coclea di pre-estrazione del char.

I test eseguiti hanno consentito di individuare i punti deboli dell’impianto, le perdite e i relativi problemi impiantistici. A tal proposito si è deciso di procedere con lo smontaggio completo dell’impianto e di tutti i sistemi ausiliari in modo da individuare l’origine dei problemi e capire meglio il funzionamento dello stessi.

Figura 12. Particolare del reattore: il sistema di riscaldamento.

Figura 13 Particolare del reattore: il tamburo rotante

Figura 14 Particolare del tamburo rotante: alette interne per la movimentazione della biomassa.

La fase di manutenzione ha permesso di identificare i seguenti problemi:

Perdite dalla flangia anteriore;
Perdite dalla flangia posteriore;
Mancanza delle baderne negli alberi di trasmissione;
Usura della boccola del reattore;
Tempo di riscaldamento troppo lungo;
Assenza di contatore volumetrico per la misurazione della quantità di gas prodotto;
Ossidazione dei pistoni del compressore di accumulo del gas;
Consumo elevato di acqua utilizzata per la condensazione dei vapori di pirolisi.
Avanzamento lento del materiale all’interno del pirolizzatore.
Raffreddamento repentino del reattore durante l’immissione di materiale.

Per l’eliminazione delle perdite dalle flange sono state utilizzate delle guarnizioni in grafite da 5 mm; le guarnizioni sono state create ad hoc utilizzando dei fogli 1mx1m.

Nell’albero di trasmissione è stata inserita una baderna da 12mm di sezione nel sistema di serraggio .

I problemi vibrazionali sono stati risolti sostituendo la boccola del tamburo rotante e inserendo un cuscinetto nell’albero di trasmissione. Questi due accorgimenti consentono di ridurre notevolmente le vibrazioni agevolando la rotazione del tamburo.

L’inserimento di due resistenze aggiuntive (3 kW ciascuna) consentirà di ridurre notevolmente i tempi di riscaldamento del reattore.

Per limitare il contenuto di acqua nel gas è stata installata la trappola di condensa prima della sezione di ingresso al compressore.

Figura 15. Il sistema per la cattura della condensa e per il contatore volumentrico per la misurazione della portata di gas.

Per la condensazione dei vapori è stato creato un sistema di circolazione forzato ad acqua che approvvigionandosi da una vasca di accumulo consente di limitare il consumo di acqua dalla rete.

Il tamburo rotante è stato modificato internamente inserendo 3 setti a elica distanziati di 120° ciascuno per agevolare l’avanzamento del materiale all’interno del reattore.

Figura 16 Particolari delle modifiche al tamburo rotante

Le prove hanno messo in evidenza un raffreddamento improvviso (ΔT=90°C) durante l’immissione della biomassa nel reattore e intasamenti nella sezione di ingresso al reattore. Il raffreddamento era dovuto al contatto del materiale con i tubi che contengono le resistenze durante la fase di carico nel reattore. Al fine di ridurre il ΔT è stato installato nel motore della coclea dosatrice una precoppia riduttrice.

Step2: II° avvio della fase di start up mediante la pirolisi di fitomasse.

Durante il secondo avvio sono state eseguite due prove utilizzando fitomasse residuali, nella fattispecie segatura di legno (faggio/pino nero) e crusca. Grazie all’installazione delle nuove resistenze è stato ridotto il tempo di riscaldamento del reattore passando da 5h a 1.5h, i test sono stati eseguiti in un range di temperatura che va da 450°C a 650°C e utilizzando una velocità di rotazione del reattore di 3.5 giri/min.

Test con segatura di legno

I primi test di pirolisi sono stati eseguiti utilizzando della segatura di legno (pino nero/faggio) avente umidità al 18%. Per evitare problemi di intasamento in questa fase sono state processati sono 2-6 kg per volta e tempi di permanenza tra 33 e 45 secondi all’interno del reattore.

Di seguito si riportano i grafici rappresentavi dell’esperimento.

L’analisi del gas è stata eseguita con l’analizzatore portatile Geotech in grado di rilevare le percentuali di CH₄, CO₂ e O₂. Gli altri gas come H2, propano, propilene, butano, butene, C5, etano, etc. vengono rilevati come BAL (Balance). Inoltre è stato notato che bruciando il gas con un Becco di Bunsen viene generata una fiamma incolore, segno che il gas è caratterizzato anche da una buona percentuale di idrogeno.

Figura 17. Percentuale massica relativa al contenuto di acqua nel gas di pirolisi

L’olio è composto da una miscela di aromatici, fenoli volatili del legno, tra cui i più noti guaiacolo, siringolo, pirocatecolo, metanolo, aldeidi, furani e alcheni; è caratterizzato da una densità media di 1.04 kg/m³ e un pH medo pari a 2.8-3.

Figura 18. Sistema di estrazione dell’olio.

Il char non è altro che un residuo carbonioso (composizione media da analisi elementare C=75% H=5.5% N=2.5%) con un contenuto energetico pari a 26 MJ/kg.

Figura 19. Particolare di un conglomerato di char

Le prove con la segatura hanno dato dei buoni risultati soprattutto in merito alla produzione e alla qualità del gas. Per quanto riguarda gli l’olio e il char le rese corrispondono in linea di massima a quanto viene riportato in letteratura.

Le modifiche impiantistiche hanno risposto abbastanza bene alla prove condotte ad alta temperatura eliminando le perdite e i problemi rilevati durante il primo avvio.

Test con la crusca

Successivamente ai test con la segatura di legno, si è voluto procedere con la pirolisi della crusca. La crusca è una biomassa ad alto contenuto di azoto, quindi con un basso rapporto C/N e per questo il suo utilizzo non è particolarmente indicato nei processi di conversione termochimica.

Tale conferma è stata data dalle prove eseguite nell’impianto che hanno generato non pochi problemi, date le caratteristiche chimico fisiche del materiale:

Intasamento sezione di ingresso reattore;
Intasamento sezione di ingresso raffinatore;
Accumulo di vapori nella sezione di ingresso del reattore e nella coclea dosatrice;
Condensazione dei vapori nella coclea dosatrice e blocco della stessa.

Figura 20 Particolare degli intasamenti nelle coclee e all’ingresso del reattore

Il problema principale è stato l’accumulo di vapori nella sezione di ingresso al reattore e il loro reflusso nella coclea dosatrice. Questo fenomeno ha dato origine alla formazione di conglomerati bituminosi che hanno intasato la coclea di alimentazione generando il blocco del reattore.

A causa di questo fenomeno il reattore è stato smontato completamente per poter effettuare la pulizia di tutti gli organi interessati dall’intasamento mediante la rimozione degli strati bituminosi.

Per evitare l’accumulo di vapori di pirolisi e la condensazione indesiderata degli stessi è stato montato nella sezione di ingresso al reattore, un sistema di bypass che nel caso di una sovrappressione ne consente il trasferimento diretto al raffinatore.

Figura 21. Particolare degli accumuli bituminosi nella tramoggia dosatrice.

Figura 22. Accumuli di residuo carbonioso estratti dalla sezione di carico, e particolare dell’intasamento all’ingresso del raffinatore.

Figura 23 Particolare del sistema di by-pass per evitare l’accumulo di vapori.

In virtù di quanto è stato esposto nei paragrafi precedenti, durante il progetto di ricerca sono stati raggiunti i seguenti risultati:

Messa in marcia e avvio di un impianto di pirolisi di scala pre-industriale;
Prove sperimentali ad alta temperatura utilizzando differenti materiali;
Individuazione delle criticità relative alle tecnologie di pirolisi;
Analisi elementare dei prodotti ottenuti;
Studio delle caratteristiche tecniche di un impianto di pirolisi;
Apprendimento dei processi manutentivi di un impianto meccanico e nel particolare di un impianto di pirolisi;
Apprendimento delle conoscenze di base per la programmazione tramite PLC dei cicli automatici di processo;
Accrescimento delle competenze di gestione di un impianto industriale, analisi dei problemi e problem solving;
Accrescimento delle nozioni relative alla meccanica pratica.