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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]
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©Copyright Fraunhofer UMSICHT, 2013
Folie 2
© Fraunhofer UMSICHT
Principi della tecnologia di gassificazione di
legna – metodi, potenze e applicazioni
Dipl.-Ing. Tim Schulzke – Capogruppo conversione termochimica
© 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
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
Folie 5
© Fraunhofer UMSICHT
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 6
© 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 7
© Fraunhofer UMSICHT
� Fondazione 1990
� Bilancio operativo 2011 24,8 Mio. €
� di cui ricavo industriale 9,8 Mio. €
� Collaboratori/collaboratrici 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
Fraunhofer UMSICHT (Oberhausen)
Impossibile v isualizzare l'immagine.
Oberhausen,
Osterfelderstraße 3
Fraunhofer UMSICHT,
Sulzbach-Rosenberg
Dal 1.7.2012,
45 collaboratori
© 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
Folie 9
© Fraunhofer UMSICHT
Processi fisici/chimici di base
0 100 200 300 400 500 600 700 800 °C
Acqua libera
non legata
viene espulsa
Acqua legata
a cellule viene
espulsa
Riscald. ed essiccazione
Decomposizione pirolitica
Decomposiz.
Termica
comincia,
basse quantità
di catrame,
CO, CO2
Reazioni di
decomposizio
ne sono più
forti, velocità
di
decomposizio
ne aumenta
fortemente
Apice della
formazione di
idrocarburo
tramite
decomposizio
ne
Reazioni di
decomposiz.
finiscono,
soprattutto
catrame
viscoso
Gassificazione del carbonio residuio (coke)
Gassificazione
Campi di decomposizione di:
Emicellulosa
Cellulosa
Lignina
Folie 10
© Fraunhofer UMSICHT
Reazioni importanti della gassificazione
Pirolisi primaria:
Combustibile
→
Catrame primario(CHxOy),
H2O, CO2, CO, CH4,
C2H4,
Carbonio (C)
∆RH°298 = >> 0 kJ/mol
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 ⇔ H2O ∆RH°298 = - 242 kJ/mol
H2-Combustione/ossidazione
CO + 0,5 O2 ⇔ CO2 ∆RH°298 = - 283 kJ/mol
CO- Combustione/ossidazione
CH4 + 0,5 O2 ⇔ CO + 2 H2 ∆RH°298 = - 110 kJ/mol
CH4- Combustione/ossidazione parziale
CO + H2O ⇔ CO2 + H2 ∆RH°298 = - 41 kJ/mol
Reazione omogenea gas d’idrato - Shift
CH4 + CO2 ⇔ 2 CO + 2 H2 ∆RH°298 = + 247 kJ/molReazione secca reforming CH4 + H2O ⇔ CO + 3 H2 ∆RH°298 = + 206
kJ/mol
Steam Reforming / metanazione inversa
Reazioni eterogene:
C + 2O1
ϕ
⇔ 2CO1
2CO
22
−
ϕ+
ϕ−
∆RH°298 = - 393 kJ/mol(für ϕ = 1)
(Parziale) ossidazione di carbonio
C + CO2 ⇔ 2 CO ∆RH°298 = + 173 kJ/mol Reazione Boudouard C + H2O ⇔ CO + H2 ∆RH°298 = + 131 kJ/mol Reazione eterogena gas d‘idrogeno C + 2 H2 ⇔ CH4 ∆RH°298 = - 75
kJ/mol
Gassificazione idrante
© 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
Folie 12
© Fraunhofer UMSICHT
Classificaz. della gassificazione di biomasse – tipo di reattore
Controcorrente Flusso parallelo
Letto fluido
stazionario
Letto fluido
circolante
Letto mobile/letto solido Letto fluidizzato
Gas Combustibile
Aria Ceneri
Gas
Ceneri
Combustibile
Aria
Combustibile
Aria secondaria
Gas
Ceneri
Aria sifoneAria
primaria
Combustibile
Aria
Gas Ceneri
Aria
Letto fluido
Freeboard
Zona di essiccazione
Zona di pirolisi
Zona di riduzione
Zona di ossidazione
Folie 13
© Fraunhofer UMSICHT
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 14
© Fraunhofer UMSICHT
Classificaz. della gass.di biomasse – mezzi di gass.
Gassificazione di biomasse
autotermica
AriaO2
(+H2O/CO2)
allotermica
H2O CO2
Basso potere calorifico
alto contenuto di N2
Medio potere calorifico
N2-frei
Finora solo
accademicamente
Calore
Corrente
Calore/corrente
sintesi chimica
-> Metano, carburante, sostanze chimiche di base
Folie 15
© Fraunhofer UMSICHT
Composizione del gas – confronto aria/vapore
Gassificazione con aria Gassificazione con vapore
UMSICHT CFB (≈ 900°C) Güssing FICFB* (≈ 840°C)
N2
43 %
H2O
10 % CO2
13 %
CO
16 %H2
14 %
CH4
4 %
Catrame (incluso benzolo)
< 0,5 %
H2O
35 %
CO2
13,7 %
CO
15,6 %
H2
26 %
CH4
6,5 %
N2
1,3 %
C2H6
1,6 %
Teer
≈ 0,3 %
Pot.cal.: Hu ≈ 2,56 kWh/Nm3
Pot.cal.secco: Hu ≈ 3,48 kWh/Nm3
Fattore 2,25
Potere calorifico: Hu ≈ 1,38 kWh/Nm3
Potere calorifico secco: Hu ≈ 1,53 kWh/Nm3
*Pfeifer et al., Presentazione at 15th European Biomass Conference, Berlin,
2007
© 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
Folie 17
© Fraunhofer UMSICHT
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 18
© 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 19
© Fraunhofer UMSICHT
Composizione del gas UMSICHT (ZWS)
N2
43 %
H2O
10 % CO2
13 %
CO
16 %H2
14 %
CH4
4 %
ca. 30 % benzolo:
ca. 30 % naftalina:
ca. 30 % PAK
(soprattutto C12H8,
C14H10, C16H10)
ca. 10 % altri
monoaromatici
R1
R2Catrame - Mass.-%
„Catrame“ ≈≈≈≈ 0,5 %
Potere calorifico senza „catrame“:
Hu ≈ 1,38 kWh/Nm3
Folie 20
© Fraunhofer UMSICHT
Misure primarie per diminuire il catrame (letto fluido)
Contenuto di catrame in dipendenza dal materiale
� Arena
� Dolomite (fresca)
� Altri materiali (naturali e sintetici)
� Olivina
� Limite per utilizzo in motore (1996)
10.000 mg/Nm34.250 mg/Nm3
300 mg/Nm3
120 - 350 mg/Nm3
2.500 mg/Nm3
50 mg/Nm3
Folie 21
© Fraunhofer UMSICHT
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
� 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)
Ingresso
gas
Uscita gas
Catalizzatori
a favi
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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
Folie 23
© Fraunhofer UMSICHT
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 24
© 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 25
© 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 26
© Fraunhofer UMSICHT
FRAUNHOFER UMSICHT
Reparto Biorefinery, Biofuels
Foto: photocase.de
Grazie per l‘attenzione!
Kontakt:
Fraunhofer UMSICHT
Osterfelder Straße 3
46047 Oberhausen
E-Mail: [email protected]
Internet: http://www.umsicht.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. Tim Schulzke
Telefon: +49-208-8598-1155
E-Mail: [email protected]
© 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
6. Esempi
Folie 28
© Fraunhofer UMSICHT
Burkhardt (180 kWel)
Spanner Re2 (30 -50 kWel)
Esempio per piccoli impianti (gassificazione a letto fisso)
Folie 29
© Fraunhofer UMSICHT
Esempio per impianti grandi (gassificazione a letto fisso)
Harboøre
Controcorrente 3,5 MWth
Wiener Neustadt
Corrente continua modificata 2,2 MWth
Folie 30
© Fraunhofer UMSICHT
Esempio per impianti grandi (gassificazione a letto fluido)
Batelle/Ferco 55 MWth
Värnamo 18 MWth
Lahti I co-combustione
40-70 MWth
Lahti II
2x80 MWth
Folie 31
© Fraunhofer UMSICHT
Esempi per impianti medi (letto fluido)
Güssing 8 MWth
Senden 15 MWth
Grassau 1,5 MWth
Skive 19,5 MWth