Impianto di trasformazione di rifiuti di biomasse e rifiuti solidi urbani

La gasificazione della biomassa e dei rifiuti solidi urbani (MSW) differisce per molti aspetti dalla gasificazione del carbone, del coke o dalla conversione del gas naturale in gas di sintesi.In questa sezione verranno discusse queste differenze, la tecnologia utilizzata per la gasificazione di biomassa e MSW, e fornire una breve panoramica di alcuni impianti in funzione.

Gassificatori a letto fluidizzato (BFB), un tipo di gassificatore a letto fluidizzato generalmente caratterizzato da una sezione trasversale più grande, altezza più corta, velocità di fluidizzazione più basse e letti più densi,sono le più dimostrate delle tecnologie di gasificazione della biomassa esaminateLa tecnologia BFB è stata utilizzata su un'ampia gamma di temperature, pressioni, capacità di produzione e una varietà di tipi di biomassa.e la produzione di idrogeno beneficiano di alte temperature, come quelli osservati nella gasificazione del carbone, perché a temperature superiori a 1.200-1.300°C si formano poco o nessun catrame, metano o idrocarburi più elevati,mentre la produzione di gas di sintesi (idrogeno [H2] e monossido di carbonio [CO]) è massimizzataDiversi gassificatori BFB sono stati utilizzati a pressioni elevate (> 20 bar) che sarebbero vantaggiose per la sintesi di combustibili e chimici.Mentre questo elimina la necessità di un compressore che segue il gassificatore, è necessario un sistema di alimentazione più complesso.e molto probabilmente dovrebbe essere essiccato o torricato per consentire le temperature di funzionamento più elevate.

La scelta dell'ossidante (una combinazione di aria, ossigeno e/o vapore) ha un effetto sostanziale sulla composizione del gas di sintesi in uscita.che dilui il gas prodotto e danneggia i processi di sintesiPer questo motivo, è di solito necessario un impianto di ossigeno. Variare l'input del rapporto vapore/ossigeno è un modo per regolare il rapporto H2/CO al fine di soddisfare i requisiti di sintesi.La sintesi del combustibile per il trasporto Fischer-Tropsch con catalizzatori di ferro richiede un rapporto H2/CO di circa 0.6, è ottimale, mentre per il cobalto catalistico sarebbe preferibile un rapporto di 2.La produzione di metanolo sarebbe favorita con un rapporto H2/CO di circa 2 e per la produzione di idrogeno dovrebbe essere il più elevata possibileSe non è possibile raggiungere temperature più elevate all'interno del gassificatore BFB, potrebbe essere necessario il cracking del catrame.Questo non è il caso e quindi la pulizia del gas è piuttosto minima per le applicazioni di sintesi.Lo studio rileva che i gassificatori BFB sono tra le opzioni a basso costo di capitale per la gasificazione della biomassa e, considerate tutte le cose, i gassificatori BFB sono molto adatti per combustibili, prodotti chimici,e produzione di idrogeno.

gassificatori circolanti a letto fluidizzato (CFB), generalmente caratterizzati da una sezione trasversale più piccola, un'altezza più alta e velocità di fluidizzazione più elevate,non sono stati dimostrati con biomassa nella misura di BFBInfatti, la letteratura esaminata mostrava pochissime prove a pressione elevata e tutte a temperature inferiori a 1000°C.Mentre i gassificatori a letto fluidizzato sono stati testati (al momento dell'articolo) fino a 35 barCome per la gasificazione con CFB, le dimensioni delle particelle dovrebbero essere ridotte e le materie prime essiccate.Probabilmente il problema più grande con CFB è la mancanza di dimostrazioni con ossigeno puro e / o vapore, il che limita notevolmente la fiducia nella tecnologia per le applicazioni di sintesi.perché la mancanza di vapore significa che la reazione di spostamento acqua-gas viene soppressa.

Non sono stati dimostrati gassificatori a letto fisso (FB) su un ampio intervallo con biomassa.Questa progettazione del gassificatore tende a produrre grandi quantità di catrame o di carbone non convertito e pertanto non è stata ampiamente perseguita.Tuttavia, sono in grado di gestire materie prime eterogenee come MSW e quindi hanno un utilizzo per i rifiuti in combustibile o rifiuti in energia.

gassificatori a riscaldamento indiretto, che possono essere connessi, fluidizzati o circolanti;sono in una fase iniziale di sviluppo e non sono stati testati su una vasta gamma di applicazioniInfatti, a partire dal giugno 2002, queste unità erano state testate solo a pressione atmosferica.ma sono in grado di produrre un gas di fusione con un valore termico molto elevatoUn vantaggio è che non richiedono ossigeno o aria per la gasificazione,il che significa che non è necessario impianto di ossigeno (minori costi di capitale e perdite di efficienza) e nessuna diluizione dell'azotoQueste unità tendono ad avere rendimenti più elevati di metano e di altri idrocarburi, che sarebbero un problema per le applicazioni di sintesi, ma vantaggiosi per la generazione di calore/energia.,L'acquisto di idrocarburi può essere riformato a vapore o parzialmente ossidato, generalmente attraverso elevati tassi di aggiunta di vapore che favoriscono l'attività di spostamento acqua-gas.Questi sistemi devono essere studiati ulteriormente.

Per ulteriori informazioni su questo argomento si rimanda a "Benchmarking Biomass Gasification Technologies for Fuels, Chemicals and Hydrogen Production" [PDF].

Esempi di impianti di gasificazione di biomassa e di MSW

Burlington, VT ¢Nell'agosto 2000 è stato aggiunto alla centrale elettrica McNeil un gassificatore a bassa pressione da 12 MW che utilizza 200 tonnellate al giorno (tpd) di trucioli di legno.la produzione di gas di fusione che viene alimentato nella caldaia esistente dell'impianto (articolo sulla valutazione dell'impatto ambientale sulla pagina web della valutazione dell'impatto ambientale sulla biomassa per la produzione di energia elettrica).

Cfr. la relazione “Base di dati dei gassificatori di biomassa per la simulazione al computer”,che contiene un riassunto dell'impianto VT di Burlington e di oltre una dozzina di altri impianti di gasificazione o dimostrazioni di biomassa in tutto il mondo.

Gasificatori per rifiuti solidi urbani

Come indicato in precedenza, i gasificatori FB sono in grado di gestire materie prime eterogenee come gli MSW. Ciò è importante perché, come indicato nella sezione sulle caratteristiche degli MSW,La composizione dei rifiuti non residui può variare notevolmente (immagina il contenuto di un cassonetto), con molte forme, dimensioni, densità e composizione diverse) e richiede un gassificatore flessibile.La gasificazione a pressione atmosferica riduce la complessità rispetto all'alimentazione di un alimentare altamente non uniforme a pressioneSe possibile, è vantaggioso evitare costosi sistemi di preparazione dei mangimi come i risultati della polverizzazione.

gassificazione plasmatica, che utilizza un arco di plasma elettrico estremamente caldo per decomporre MSW in gas semplici e solidi residui;è attualmente in esame per molti grandi impianti di gasificazione di MSWL'elettricità ad alta tensione e corrente produce un arco di plasma tra due elettrodi.il prodotto del gas di sintesi può essere utilizzato in una turbina per generare potenzialmente più energia elettrica di quella richiestaL'arco plasmatico può raggiungere temperature fino a 13.900°C, che possono decomporre materie prime difficili in semplici molecole di gas costituenti e un sottoprodotto di scorie solide.

Difficoltà

La biomassa e i rifiuti solidi urbani possono rappresentare problemi per i progettisti di sistemi di gasificazione, che presentano problemi per i sistemi di alimentazione, poiché queste materie prime sono in gran parte eterogenee nello stato di consegna.Un po' di biomassa, come la segatura delle segherie, può trovarsi in condizioni adatte a molti sistemi di alimentazione esistenti, mentre altri, come la maggior parte dei rifiuti di scarto, richiederebbero un'ampia preparazione o una personalizzazione del sistema di alimentazione.La biomassa e gli MSW possono anche avere caratteristiche quali un elevato contenuto di umidità che può richiedere l'essiccazione pre-gassificazione.Il contenuto di cenere può variare ampiamente, il che significa che il gassificatore deve essere in grado di gestire livelli potenzialmente elevati di cenere.la biomasse e la gasificazione dei rifiuti solidi richiedono flessibilità nella progettazione per gestire gli alimenti non uniformi.

Co-gassificazione del carbone e della biomassa

La co-gassificazione di miscele di carbone e biomassa è attualmente di notevole interesse,derivanti da una serie di vantaggi che possono derivare dall'approccio relativo alla gasificazione convenzionale del carbone liscio:

Le caratteristiche di basse o zero emissioni di carbonio della biomassa riducono proporzionalmente l'impronta di carbonio dell'intero processo di gasificazione sull'ambiente.

L'aggiunta di biomassa al miscuglio di mangimi migliora il rapporto H2/CO nel gas prodotto, che di solito è auspicabile per la sintesi di combustibili liquidi.

La materia inorganica presente nella biomassa catalizza la gasificazione del carbone.

La co-gassificazione ha anche un vantaggio riducendo il tipico elevato contenuto di catrame risultante dalla gassificazione a biomassa di biomassa retta.

Le operazioni di base di co-gassificazione delle miscele di carbone e biomassa sono illustrate nella figura 1.

Figura 1. Variate operazioni di gasificazione del carbone-biomasse

In primo luogo, invece di un singolo schema di preparazione delle materie prime, si è deciso di utilizzare un sistema di preparazione di materie prime basato su un sistema di preparazione di materie prime basato su un sistema di preparazione di materie prime basato su un sistema di preparazione.di solito è necessario disporre di operazioni di preelaborazione separate per il carbone e la biomassaLa biomasse, di solito ad alto contenuto di umidità, non è solitamente solo essiccata, ma anche torrificata (che comporta il riscaldamento a temperature tipicamente comprese tra 200 e 320 °C in assenza di ossigeno,in cui la biomassa subisce una lieve forma di pirolisi) e eventualmente compattata, che migliora notevolmente la qualità come materia prima per l'uso del combustibile o per la gasificazione.per una gasificazione ottimale è necessaria una riduzione delle dimensioni sia del carbone che della biomassa a particelle di dimensioni uniformi.

Le reazioni e le trasformazioni di co-gassificazione condividono aspetti di quelle della gassificazione del carbone e della gassificazione della biomassa, ma includono anche alcuni effetti sinergici non definiti.Tuttavia, in generale l'approccio di base per la scelta della tecnologia di co-gassificazione è lo stesso di quello per la gassificazione convenzionale a carbone,con le proprietà delle materie prime e l'utilizzo desiderato del gas di fusione che determinano in gran parte il tipo di gasificatore da utilizzareSe il gas di fusione deve essere utilizzato per la generazione di energia elettrica, un gassificatore a letto fisso a discesa è una buona scelta perché rilascia gas ad alta temperatura con basse impurità.I gassificatori a letto fluidizzato potrebbero non essere la scelta migliore per alcune applicazioni di co-gassificazione, poiché può verificarsi una defluidificazione del letto fluidizzato a causa dell'agglomeramento di ceneri a basso punto di fusione presenti nella biomassa,insieme al blocco dei tubi a valle a causa di un eccessivo accumulo di catrame.

È stato osservato che i gassificatori a flusso trainato dovrebbero essere studiati per la co-gassificazione del carbone e della biomassa, data la loro capacità di accettare diversi tipi di materie prime,il profilo di temperatura uniforme all'interno della zona di reazione, il breve tempo di permanenza del reattore e le conversioni di carbonio elevate, che sono tutte di maggiore importanza per affrontare i problemi associati alla co-gassificazione.

Le composizioni dei gas del prodotto sono influenzate sia dal tipo di biomassa co-gassificata sia dalla sua percentuale nella miscela di mangimi.in particolare, la lignina nella biomassa legnosa sembra aumentare il rendimento di H2 nel gas di sintesi.ma l'ottimale è una funzione complessa del tipo di carbone utilizzato, tipo di biomassa, tipo di gasificatore e condizioni operative, composizione desiderata del gas di sintesi, ecc.,Per non parlare delle quantità disponibili di biomassa che possono essere notevolmente inferiori al carbone disponibile..

Oltre al gassificatore, è importante anche il tipo di agente di gasificazione.l'uso di catalizzatori influisce sulla produzione di gas di sintesiUn esempio interessante è uno studio sulla co-gassificazione del carbone di Puertollano miscelato con pino, petcoke e polietilene (PE). Findings were that the use of dolomite catalysts helped in increasing the gasification rate along with reducing hydrogen sulfide (H2S) generation and increasing sulfur and chlorine retention in the solid phase.

La depurazione del gas di sintesi derivato dalla co-gassificazione comprende le stesse operazioni necessarie per la gassificazione convenzionale del carbone, compresa la rimozione delle particelle, la rimozione dello zolfo, ecc.,La produzione di gas di combustibile fossile può essere molto più complessa rispetto alla gassificazione del carbone o della gassificazione della biomassa da sola., poiché potrebbero essere necessarie misure sia per le specie presenti nel gas di sintesi derivato dal carbone grezzo (zolfo e mercurio) sia per quelle presenti in quantità elevate da gassificazione della biomassa (catrame e alcali).

In futuro, la co-gassificazione del carbone e della biomassa è promettente come mezzo per ridurre sostanzialmente l'intensità di carbonio della gassificazione.utilizzare combustibili a biomasse a basso costo, quali i rifiuti di legno e i combustibili ad alto contenuto energetico, coltivazioni di biomassa marginali come il switchgrass, e migliorare i processi di gasificazione ottimizzando la qualità del gas di sintesi e aumentando la capacità di produzione.