La prima fase di sperimentazione, necessaria poich\u00e9 l’impianto \u00e8 in fermo dal 2008, ha consentito di acquisire familiarit\u00e0 con la macchina consentendo agli operatori di capire il ciclo produttivo e il funzionamento di ciascun componente. Tale attivit\u00e0 ha permesso inoltre l’individuazione delle problematiche impiantistiche risolte nella seconda fase.<\/p>\n
Successivamente sono state eseguite delle prove processando scarti di biomassa legnosa a diverse temperature.<\/p>\n
Dai dati sperimentali ottenuti \u00e8 stato possibile effettuare il bilancio di massa relativo al processo di pirolisi, l’analisi energetica delle matrici e l’analisi chimica del gas.<\/p>\n
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L’IMPIANTO D\u00cc PIROLISI<\/strong><\/p>\n Le prove sperimentali sono state eseguite utilizzando un impianto di pirolisi di scala pre-industriale caratterizzato da una capacit\u00e0 massima di carico di 100 kg\/h. Il core del sistema \u00e8 il tamburo rotante in cui avviene la decomposizione termochimica in ambiente inerte. La potenza termica necessaria al processo \u00e8 fornita mediante resistenze elettriche.<\/p>\n Tutto il sistema \u00e8 monitorato da un controllore a logica programmabile, PLC, che mediante le termocoppie e i pressostati, gestisce il processo produttivo attraverso cicli automatici programmati.<\/p>\n L’impianto di pirolisi \u00e8 composto dalle seguenti sezioni:<\/p>\n <\/p>\n Figura 1 L’impianto di pirolisi, particolare della coibentazione del reattore<\/p>\n Figura 2 L’impianto di pirolisi nella configurazione finale<\/p>\n \u00a0<\/em><\/strong><\/p>\n Descrizione delle componenti<\/em><\/strong><\/p>\n Sistema di carico della materia prima<\/u><\/em><\/p>\n Tale sistema \u00e8 composto da una coclea pre-dosatrice e una coclea dosatrice. La prima \u00e8 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 \u00e8 messa in rotazione da un moto-riduttore gestito da un inverter.<\/p>\n 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.<\/p>\n Figura 3 Sistema di carico: coclea predosatrice e tramoggia di precarico.<\/p>\n Modulo di pirolisi e raffinatore<\/u><\/em><\/p>\n 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.<\/p>\n Figura 4. Modulo di pirolisi: reattore e particolare del raffinatore (render<\/em>)<\/p>\n Modulo di condensazione<\/u><\/em><\/p>\n 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.<\/p>\n Figura 5 Sezione del modulo di condensazione<\/p>\n Sistema di scarico del char<\/u><\/em><\/p>\n 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.<\/p>\n Figura 6. Particolare della sezione per lo scarico del char.<\/p>\n <\/p>\n Sistema di accumulo del gas<\/u><\/p>\n Il gas prodotto viene accumulato in un apposito compressore ATEX (certificato per le aree esplosive) da 200 l. Il carico del compressore \u00e8 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 \u00e8 stato dotato di un contatore volumetrico per la misurazione della quantit\u00e0 prodotta di gas e di una trappola di condensa per trattenere l’acqua in esso contenuta.<\/p>\n Figura 7. Il compressore atex per l’accumulo del gas.<\/p>\n Cogeneratore<\/u><\/em><\/p>\n L’unit\u00e0 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 \u00e8 di 10 kW elettrici. Secondo una configurazione impiantistica futura, la potenza termica dei gas di scarico potr\u00e0 essere recuperata per il preriscaldo della biomassa prima di entrare nel reattore.<\/p>\n Figura 8. Il motore a combustione interna alimentato con il gas di pirolisi.<\/p>\n Schema di processo<\/strong><\/p>\n La biomassa caricata nella tramoggia di carico percorre due coclee prima di essere caricata all’interno del reattore. Il ciclo di carica \u00e8 automatico, la sequenza e i tempi di apertura\/chiusura delle valvole pneumatiche sono stati impostati tramite PLC.<\/p>\n Il reattore di pirolisi \u00e8 costituito da un tamburo di lunghezza circa 900mm e diametro 440mm posto in rotazione all’interno di un cilindro fisso coibentato.<\/p>\n La coibentazione del reattore di pirolisi \u00e8 costituita da fibra ceramica e da lana di roccia.<\/p>\n Il reattore di pirolisi \u00e8 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 \u00e8 trasferito al solido sia per conduzione che per irraggiamento:<\/p>\n Il movimento del solido da far reagire \u00e8 generato da un asse meccanico azionato da un moto-riduttore. La fuoriuscita dei gas di pirolisi dal reattore nel punto di attraversamento dell’asse \u00e8 impedita da una tenuta a baderne grafitate 8×8.<\/p>\n Per evitare lo scarico dei gas in atmosfera il reattore di pirolisi \u00e8 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.<\/p>\n Il gas prodotto nel reattore \u00e8 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 pu\u00f2 essere riempito di materiale, a scelta dell’operatore, per eseguire, ad esempio, prove sulla capacit\u00e0 di catalizzare alcune reazioni dei vapori di pirolisi, prima della loro condensazione.<\/p>\n La condensazione avviene, mediante un \u201craffreddamento indiretto\u201d in uno scambiatore alimentato ad acqua dove i gas e i vapori di pirolisi vengono raffreddati senza entrare in diretto contatto con la stessa.<\/p>\n Il condensato \u00e8 stoccato in una apposito contenitore posto al di sotto del condensatore dalla quale pu\u00f2 essere estratto agendo su una valvola manuale.<\/p>\n Il gas separato dal condensato viene aspirato dal compressore e stoccato nell’apposito serbatoio previo passaggio nella trappola di condensa (modifica impiantistica).<\/p>\n Infine il cogeneratore preleva il gas dal compressore per la produzione di energia elettrica.<\/p>\n Figura 9. Layout impianto<\/p>\n <\/p>\n ATTIVITA’ DI START UP DELL’IMPIANTO D\u00cc PIROLISI<\/strong><\/p>\n La fase di start up dell’impianto di pirolisi \u00e8 stata articolata in due step fondamentali:<\/p>\n <\/p>\n Step1: I\u00b0 avvio del reattore di pirolisi, individuazione e risoluzione dei problemi impiantistici.<\/em><\/strong><\/p>\n Durante il primo step, il team di ricerca ha effettuato il check up dei componenti di impianto verificando :<\/p>\n Terminata la fase di check up, sono stati effettuati due test a caldo per verificare la tenuta dell’impianto e di tutti gli items<\/em> accessori.<\/p>\n Tali prove hanno consentito inoltre di testare i cicli di lavoro automatici preimpostati tramite PLC, nella fattispecie:<\/p>\n Durante il primo test il reattore \u00e8 stato portato a 450\u00b0C, sono stati caricati in tramoggia 10kg di polverino di Pino nero con umidit\u00e0 al 20%, Il processo \u00e8 durato circa 90 minuti escludendo il tempo di riscaldamento \u00a0del reattore pari a 5 h circa. Al termine della prova sono stati ottenuti \u00a0i seguenti i risultati mostrati in figura 10 e figura 11.<\/p>\n Figura 10. Distribuzione dei prodotti di pirolisi durante la prima prova<\/p>\n 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.<\/p>\n Per il secondo test, effettuato a 450\u00b0C circa, sono stati carica in tramoggia 10 kg di polverino di pneumatico. Anche in questo caso il processo \u00e8 durato 90 minuti circa escludendo il tempo di riscaldamento uguale al caso precedente.<\/p>\n Al termine della prova sono stati ottenuti 2.1 kg di olio, 3.5 kg di gas e 4.4 kg di gas circa.<\/p>\n Figura 11 Distribuzione dei prodotti di pirolisi durante la seconda prova<\/p>\n <\/p>\n Durante questa prova sono state rilevate ulteriori perdite: dall’albero di trasmissione del reattore e dalla coclea di pre-estrazione del char.<\/p>\n I test eseguiti hanno consentito di individuare i punti deboli dell’impianto, le perdite e i relativi problemi impiantistici. A tal proposito si \u00e8 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.<\/p>\n Figura 12. Particolare del reattore: il sistema di riscaldamento.<\/p>\n Figura 13 Particolare del reattore: il tamburo rotante<\/p>\n Figura 14 Particolare del tamburo rotante: alette interne \u00a0per la movimentazione della biomassa.<\/p>\n La fase di manutenzione ha permesso di identificare i seguenti problemi:<\/p>\n Per l’eliminazione delle perdite dalle flange sono state utilizzate delle guarnizioni in grafite da 5 mm; \u00a0le guarnizioni sono state create ad hoc utilizzando dei fogli 1mx1m.<\/p>\n Nell’albero di trasmissione \u00e8 stata inserita una baderna da 12mm di sezione nel sistema di serraggio .<\/p>\n 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.<\/p>\n L’inserimento di due resistenze aggiuntive (3 kW ciascuna) consentir\u00e0 di ridurre notevolmente i tempi di riscaldamento del reattore.<\/p>\n Per limitare il contenuto di acqua nel gas \u00e8 stata installata la trappola di condensa prima della sezione di ingresso al compressore.<\/p>\n Figura 15. Il sistema per la cattura della condensa e per il contatore volumentrico per la misurazione della portata di gas.<\/p>\n Per la condensazione dei vapori \u00e8 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.<\/p>\n Il tamburo rotante \u00e8 stato modificato internamente inserendo 3 setti a elica distanziati di 120\u00b0 ciascuno per agevolare l’avanzamento del materiale all’interno del reattore.<\/p>\n Figura 16 Particolari delle modifiche al tamburo rotante<\/p>\n Le prove hanno messo in evidenza un raffreddamento improvviso (\u0394T=90\u00b0C) 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 \u0394T \u00e8 stato installato nel motore della coclea dosatrice una precoppia riduttrice.<\/p>\n Step2: \u00a0II\u00b0 avvio della fase di start up mediante la pirolisi di fitomasse.<\/em><\/strong><\/p>\n 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 \u00e8 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\u00b0C a 650\u00b0C e utilizzando una velocit\u00e0 di rotazione del reattore di 3.5 giri\/min.<\/p>\n Test con segatura di legno<\/em><\/strong><\/p>\n I primi test di pirolisi sono stati eseguiti utilizzando della segatura di legno (pino nero\/faggio) \u00a0avente umidit\u00e0 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.<\/p>\n Di seguito si riportano i grafici rappresentavi dell’esperimento.<\/p>\n L’analisi del gas \u00e8 stata eseguita con l’analizzatore portatile Geotech<\/em> in grado di rilevare le percentuali di CH4<\/sub>, CO2<\/sub> e O2<\/sub>. Gli altri gas come H2, propano, propilene, butano, butene, C5, etano, etc. vengono rilevati come BAL (Balance). Inoltre \u00e8 stato notato che bruciando il gas con un Becco di Bunsen<\/em> viene generata una fiamma incolore, segno che il gas \u00e8 caratterizzato\u00a0 anche da una buona percentuale di idrogeno.<\/p>\n Figura 17. Percentuale massica relativa al contenuto di acqua nel gas di pirolisi<\/p>\n L’olio \u00e8 composto da una miscela di aromatici, fenoli volatili del legno, tra cui i pi\u00f9 noti guaiacolo, siringolo, pirocatecolo, metanolo, aldeidi, furani e alcheni; \u00e8 caratterizzato da una densit\u00e0 media di 1.04 kg\/m3<\/sup> e un pH medo pari a 2.8-3.<\/p>\n Figura 18. Sistema di estrazione dell’olio.<\/p>\n Il char non \u00e8 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.<\/p>\n Figura 19. Particolare di un conglomerato di char<\/p>\n \u00a0<\/em><\/strong>Le prove con la segatura hanno dato dei buoni risultati soprattutto in merito alla produzione e alla qualit\u00e0 del gas. Per quanto riguarda gli l’olio e il char le rese corrispondono in linea di massima a quanto viene riportato in letteratura.<\/p>\n Le modifiche impiantistiche hanno risposto abbastanza bene alla prove condotte ad alta temperatura eliminando le perdite e i problemi rilevati durante il primo avvio.<\/p>\n <\/p>\n Test con la crusca<\/em><\/strong><\/p>\n Successivamente ai test con la segatura di legno, si \u00e8 voluto procedere con la pirolisi della crusca. La crusca \u00e8 una biomassa ad alto contenuto di azoto, quindi con un basso rapporto C\/N e per questo il suo utilizzo non \u00e8 particolarmente indicato nei processi di conversione termochimica.<\/p>\n Tale conferma \u00e8 stata data dalle prove eseguite nell’impianto che hanno generato non pochi problemi, date le caratteristiche chimico fisiche del materiale:<\/p>\n Figura 20 Particolare degli intasamenti nelle coclee e all’ingresso del reattore<\/p>\n Il problema principale \u00e8 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\u00a0 generando il blocco del reattore.<\/p>\n A causa di questo fenomeno il reattore \u00e8 stato smontato completamente per poter effettuare la pulizia di tutti gli organi interessati dall’intasamento mediante la rimozione degli strati bituminosi.<\/p>\n Per evitare l’accumulo di vapori di pirolisi e la condensazione indesiderata degli stessi \u00e8 stato montato nella sezione di ingresso al reattore, un sistema di bypass che nel caso di una sovrappressione ne\u00a0 consente il trasferimento diretto al raffinatore.<\/p>\n Figura 21. Particolare degli accumuli bituminosi nella tramoggia dosatrice.<\/p>\n Figura 22. Accumuli di residuo carbonioso estratti dalla sezione di carico, e particolare dell’intasamento all’ingresso del raffinatore.<\/p>\n Figura 23 Particolare del sistema di by-pass per evitare l’accumulo di vapori.<\/p>\n In virt\u00f9 di quanto \u00e8 stato esposto nei paragrafi precedenti, durante il progetto di ricerca sono stati raggiunti i seguenti risultati:<\/p>\n In questo paragrafo \u00e8 riportata la descrizione delle attivit\u00e0 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 attivit\u00e0 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 \u00e8 articolata in due step: I\u00b0 avvio del reattore di pirolisi e individuazione dei problemi impiantistici. Risoluzione dei problemi e II\u00b0 avvio della fase […]<\/a><\/p>\n","protected":false},"author":2883,"featured_media":0,"parent":0,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"footnotes":""},"class_list":["post-1751","page","type-page","status-publish","hentry","post-seq-1","post-parity-odd","meta-position-corners","fix"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/sites.unica.it\/fitogen\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/1751","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/sites.unica.it\/fitogen\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/sites.unica.it\/fitogen\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/sites.unica.it\/fitogen\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2883"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/sites.unica.it\/fitogen\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1751"}],"version-history":[{"count":6,"href":"https:\/\/sites.unica.it\/fitogen\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/1751\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1784,"href":"https:\/\/sites.unica.it\/fitogen\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/1751\/revisions\/1784"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/sites.unica.it\/fitogen\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1751"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}\n
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