Urheberrechtshinweis - Home: GTS Syngas ... · Classificaz. della gassificazione di biomasse –tipo di reattore Controcorrente Flusso parallelo Letto fluido stazionario Letto fluido

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]

Urheberrechtshinweis

Die Inhalte dieser Präsentation (u.a. Texte, Grafiken, Fotos, Logos etc.) und

die Präsentation selbst sind urheberrechtlich geschützt. Sie wurden durch

Fraunhofer UMSICHT selbständig erstellt. Eine Weitergabe von Präsentation

und/oder Inhalten ist nur mit schriftlicher Genehmigung von Fraunhofer

UMSICHT zulässig.

Ohne schriftliche Genehmigung von Fraunhofer UMSICHT dürfen dieses

Dokument und/oder Teile daraus nicht weitergegeben, modifiziert,

veröffentlicht, übersetzt oder reproduziert werden, weder durch Fotokopien,

Mikroverfilmung, noch durch andere – insbesondere elektronische - Verfahren.

Der Vorbehalt erstreckt sich auch auf die Aufnahme in oder die Auswertung

durch Datenbanken. Zuwiderhandlungen werden gerichtlich verfolgt.

©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







5. Applicazioni

Folie 5


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


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


� 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







5. Applicazioni

Folie 9


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


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







5. Applicazioni

Folie 12


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


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


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


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







5. Applicazioni

Folie 17


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


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


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


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


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

© Fraunhofer

AGENDA







5. Applicazioni

Folie 23


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


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


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

Reparto Biorefinery, Biofuels

Foto: photocase.de

Grazie per l‘attenzione!

Kontakt:

Fraunhofer UMSICHT

Osterfelder Straße 3

46047 Oberhausen


Internet: http://www.umsicht.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. Tim Schulzke

Telefon: +49-208-8598-1155


© Fraunhofer

AGENDA







5. Applicazioni

6. Esempi

Folie 28


Burkhardt (180 kWel)

Spanner Re2 (30 -50 kWel)

Esempio per piccoli impianti (gassificazione a letto fisso)

Folie 29


Esempio per impianti grandi (gassificazione a letto fisso)

Harboøre

Controcorrente 3,5 MWth

Wiener Neustadt

Corrente continua modificata 2,2 MWth

Folie 30


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


Esempi per impianti medi (letto fluido)

Güssing 8 MWth

Senden 15 MWth

Grassau 1,5 MWth

Skive 19,5 MWth

Documents

Urheberrechtshinweis - Home: GTS Syngas ... · Classificaz. della gassificazione di biomasse –tipo di reattore Controcorrente Flusso parallelo Letto fluido stazionario Letto fluido