IMPIANTO DI COGENERAZIONE A BIOMASSA CON

IMPIANTO DI COGENERAZIONE
A BIOMASSA
CON TECNOLOGIA DI GASSIFICAZIONE
POTENZA 24 kWe, 40 kWt
Presentazione
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IMPIANTO G25
L’impianto G25 è un impianto cogenerativo a biomassa vegetale legnosa (cippato, bricchetti) il cui
funzionamento si basa sulla tecnologia della gassificazione. New Eng, grazie ad una collaborazione
con un partner di carattere internazionale nel mondo della cogenerazione a biomassa, si avvale di una
comprovata tecnologia per la produzione di syngas a partire dal consumo di cippato e della sua
conversione in energia elettrica e termica. La prima può essere immessa in rete e, per l'origine del
combustibile, permette di accedere direttamente alla tariffa incentivante spettante agli
impianti a biomassa, secondo quanto precisato dal D.M. 6 luglio 2012. La seconda può
essere impiegata per soddisfare i fabbisogni delle diverse attività presenti nel sito di installazione:
riscaldamento, acqua calda sanitaria o tecnica, trigenerazione.
L’impianto di cogenerazione è in grado di fornire 24 kW elettrici e 40 kW termici.
Tale soluzione è stata sviluppata da New Eng tenendo in particolare considerazione aspetti quali:
efficienza energetica complessiva
qualità della biomassa utilizzabile
prodotti residui
costi dell’investimento iniziale.
Il gruppo cogenerativo è costituito dai seguenti componenti principali:
essiccatore cippato completo di sistema di caricamento al gassificatore
gassificatore
sistema trattamento syngas
sistema trattamento condensati
motore endotermico e generatore elettrico
sistema di recupero termico
sistema di recupero e stoccaggio dei prodotti residui (carbonella/ceneri)
quadro inverter per l’allacciamento alla rete elettrica
quadro di controllo.
L’unità cogenerativa, ha una potenza nominale di 24 kWe, con produzione massima di circa
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100 Nm /h di syngas a partire da un fabbisogno di circa 36 kg/h di cippato con umidità
massima dello stesso inferiore al 15%.
L’essiccatore, sfruttando una quota del calore recuperato dall’impianto, garantisce questo
valore massimo di contenuto d’acqua per il corretto mantenimento delle reazioni all’interno
del gassificatore. Il caricamento della tramoggia del gassificatore (hopper) avviene mediante
nastro e valvole a ghigliottina.
Il sistema di trattamento del syngas in uscita dal gassificatore consta di un recuperatore
termico, di una torre di lavaggio (scrubber) per l’abbattimento della concentrazione di
particolato e catrami, di una batteria di filtraggio a segatura e di un filtro di sicurezza a
cartuccia.
Mediante il circuito chiuso di lavaggio ad acqua del sistema di trattamento dei condensati,
le particelle in sospensione nel syngas vengono estratte e raccolte nella vasca di
decantazione.
Dopo essere stato completamente filtrato, il gas viene quindi inviato e utilizzato nel motore
endotermico collegato al generatore elettrico.
Il motore è raffreddato mediante un circuito che permette il recupero del calore dell’acqua di
camicia, mentre uno scambiatore abbassa la temperatura dei gas di scarico. Il calore
raccolto dal sistema di recupero termico viene accumulato in un gruppo inerziale o smaltito
a seconda delle esigenze.
Il sistema di scarico dei prodotti di combustione ottenuti dal gassificatore è costituito da
una coclea per l’estrazione della carbonella che viene stoccata in contenitori ermetici
intercambiabili.
Per l’allacciamento del generatore alla rete elettrica si impiega un quadro inverter che
mantiene la frequenza dell’energia elettrica prodotta entro valori compatibili con quelli imposti
dal gestore della rete; questo componente si rende necessario a seguito delle variazioni del
regime del motore, dovute alle inevitabili fluttuazioni del potere calorifico del syngas a causa
delle differenze, anche minime, di qualità e umidità, del cippato.
L’automazione di tutto il sistema è garantita da un quadro di controllo che ne permette il
funzionamento e
il
monitoraggio
continuo
mediante
connessione
remota.
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DETTAGLI FUNZIONAMENTO UNITA’ COGENERATIVA
Il gassificatore utilizzato da New Eng è di tipo
down-draft, adatto per le applicazioni di
generazione di potenza che richiedono un
syngas particolarmente puro. La biomassa è
alimentata alla bocca del gassificatore. Il
reattore è progettato in modo da immettere aria
in
quantità
controllata
per
realizzare
l’ossidazione parziale della biomassa e per
supportare i processi termo-chimici che guidano
la produzione del syngas.
L'alimentazione della biomassa è realizzata con
un sistema a tenuta d'aria posto sopra la
tramoggia
del
gassificatore
(hopper).
L’alimentatore a nastro ha due serrande
elettriche che evitano l'ingresso di aria
incontrollata nella parte alta del gassificatore.
Nell’hopper avvengono i processi di parziale
combustione e gassificazione. Esso è dotato di
ugelli per l'adduzione dell'aria direttamente
nella zona di combustione. Sensori di livello
verificano la quantità di biomassa e ne
controllano il caricamento automatico. La fase
di accensione del cippato avviene mediante
apposito accenditore ad aria calda.
Nel reattore avvengono le reazioni di riduzione e la completa gassificazione. Alla base di esso viene
creato un letto di carbone di quantità predeterminata che facilita la fase di accensione del sistema. Il
moto-vibratore e il rotore a pettine, regolano l’altezza del letto di carbone livellandolo ed eliminandone
l'eccesso di materiale. La rimozione della carbonella dal reattore è effettuata tramite un sistema a
coclea che scarica in un contenitore ermetico specifico per lo stoccaggio. La carbonella può essere
reintrodotta nel gassificatore rimescolata a nuovo cippato, utilizzata per la combustione in altri
processi (essa infatti detiene ancora un considerevole e sfruttabile potere calorifico) oppure distribuita
come ammendante a supporto di coltivazioni agricole.
Il recuperatore termico, posto in uscita dal gassificatore, abbassa la temperatura del syngas da 500 a
150 °C circa, permettendo di impiegare tale energia per l’essicazione della biomassa. Questa quota di
calore è già stata sottratta dal computo della potenzialità termica dell’impianto nel suo complesso. In
esso inoltre vengono raccolti parte dei catrami che si vengono inevitabilmente a formare a seguito del
brusco raffreddamento. Un sistema di apertura rapido dello scambiatore consente di velocizzare le
normali operazioni di pulizia durante la manutenzione ordinaria dell’unità cogenerativa.
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La torre di lavaggio (scrubber), funzionante con
un circuito chiuso ad acqua, ha le funzioni di
abbattere notevolmente la presenza di prodotti
organici in sospensione nel gas che vengono
così trascinati fuori dal ciclo oltre ad abbassare
la temperatura del gas a circa 30 °C, valore
ottimale per l'alimentazione del motore
endotermico. Il circuito è dotato di vasca per la
raccolta e decantazione dei prodotti così
sequestrati derivanti da tale “lavaggio”; un
sistema di sonde ed elettrovalvole gestisce il
corretto livello dell'acqua nel processo.
Il sistema di filtraggio a segatura e a cartuccia
pulisce completamente il syngas dalla presenza
di particelle ancora presenti e potenzialmente
dannose per il motore. I filtri sono presenti in
modo ridondante con una doppia linea in
parallelo per non bloccare il funzionamento
dell’impianto
durante
le
operazioni
di
manutenzione. I filtri a segatura, appositamente
progettati, trattengono gli ultimi catrami presenti
nel gas senza produrre ulteriori scarti da
smaltire: la segatura viene infatti reimmessa
nuovamente nel ciclo di gassificazione,
effettuando così un ulteriore trattamento dei
prodotti raccolti con la segatura.
I filtri a cartuccia sono di tipo industriale e di
facile reperibilità e sostituzione. Lo stato di
pulizia delle batterie filtranti viene monitorato
mediante sistema di controllo a pressione
differenziale tra ingresso e uscita della linea.
Il sistema di trattamento del gas prevede anche
un abbattitore di umidità, dovuta questa
all’umidità presente nell’aria comburente, alle
reazioni di gassificazione e al lavaggio del gas
caldo mediante lo scrubber.
In uscita dai filtri è posta una soffiante di
estrazione del syngas per le fasi di avviamento
dell’impianto, soffiante che viene disattivata a
motore endotermico avviato.
Valvole motorizzate automatiche deviano il
flusso del gas alla torcia di by-pass o al motore.
Il motore e il generatore elettrico poggiano su
un apposito package insonorizzato dove sono
alloggiati anche i recuperatori di calore dei gas
di scarico e quello dell’acqua di raffreddamento
del
motore.
Gli
scambiatori
sono
rispettivamente di tipo a fascio tubiero e a
piastre. Il motore industriale “Prakash”
impiegato
nel
gruppo
cogenerativo
è
opportunamente
modificato
per
il
funzionamento con gas di sintesi.
I gas combusti del motore, prima di essere
inviati alla marmitta silenziata attraversano lo
scambiatore che abbassa la loro temperatura a
circa 70 °C. Il calore recuperato da questi due
circuiti è la principale fonte termica dell’impianto
di cogenerazione nel suo complesso. Il calore
recuperato viene così inviato al sistema di
accumulo, dove si ottiene una temperatura
media di circa 70-80 °C sfruttabile per le utenze
o
per
migliorare
l'essiccazione.
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Il quadro di controllo permette infine la diagnosi e la gestione remota del gruppo
cogenerativo. Mediante sensori di temperatura e di pressione posti nell’impianto ed alle
logiche appositamente studiate, gestisce il funzionamento di valvole, attuatori, soffianti e
allarmi di sicurezza. L’interfaccia del programma di gestione è intuitiva e di facile utilizzo. Tutti
i parametri misurati come temperature, pressione, stati di attivazione dei motori e l’energia
elettrica immessa in rete vengono memorizzati grazie ad un data-logger per la ricostruzione
dello storico del funzionamento dell’impianto.
Altri punti di forza dell’impianto G25 di New Eng sono:
L'impiego di un impianto relativamente piccolo semplifica le operazioni di manutenzione che
risultano veloci e facili sia da parte del Cliente sia da parte del personale New Eng Srl ovvero
del centro assistenza più vicino.
Ulteriore vantaggio del gruppo di gassificazione proposto è la possibilità di impiegare
materiale di bassa qualità e di varia natura; la necessità di biomasse con particolari
caratteristiche infatti comporta costi annui aggiuntivi non trascurabili. Il costruttore del
gassificatore garantisce il funzionamento con diverse essenze legnose, purché sia garantito
un tasso di umidità non superiore al 15% (valore che scende al 10% in caso di biomasse
molto fini e polverose). Questo valore di umidità residua è facilmente raggiungibile mediante
l’integrato sistema di essiccazione, componente che preleva una frazione limitata dell’energia
termica recuperata dell’impianto. Unico altro ma plausibile limite richiesto è l’assenza di corpi
di origine non organica o di terriccio. Il quantitativo di biomassa necessario al funzionamento,
stimato in 270 ton/anno, è relativamente contenuto e contribuisce in modo attivo anche allo
sviluppo di una filiera corta di approvvigionamento.
Nel suo insieme l’impianto ha ridotti prodotti residui: la segatura proveniente dalle fasi di
pulizia dei filtri, ricca di particelle e catrami, una volta essiccata dell’umidità contenuta, viene
rimessa nel ciclo di trasformazione opportunamente mescolata alla biomassa nuova. In
questo modo si recuperano gli effetti di tutte le sostanze ancora dotate di potere calorifico e
sfruttabili nel processo di gassificazione.
La carbonella che viene invece estratta dal gassificatore rappresenta, più che uno scarto, una vera e
propria fonte energetica “secondaria” del ciclo. Può essere infatti impiegata nei seguenti modi:
come combustibile da miscelare alla biomassa fresca per il gassificatore (max 10%)
come combustibile per altro ciclo esterno all’impianto previa compattazione mediante apposito
macchinario
come ammendante naturale in campo agricolo come secondo gli allegati 2 e 7 del decreto
legislativo 29 aprile 2010, n. 75 (G.U. Serie Generale n° 186 del 12-8-2015). Questo impiego
inoltre, al contrario degli altri utilizzi, svolge un ruolo importante nell’azione di sequestro di
CO2 presente nell’atmosfera.
Anche i catrami e i condensati del circuito chiuso della torre di lavaggio del syngas possono essere
essiccati e rimessi nel gassificatore opportunamente mescolati al cippato fresco.
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Vengono riportate di seguito alcune specifiche relative all’unità cogenerativa:
Tipo di combustibile
Dimensioni della biomassa
Umidità massima ammissibile nella biomassa
cippato di legno, bricchetti, pellet
Minima: 15 x 15 x 10 mm
Massima: 70 x 70 x 10 mm
Materiale fine ammissibile inferiore al 15%
15% (tipica 12%)
PCI minimo della biomassa sul secco
16 MJ/kg
Temperatura di pirolisi raggiungibile
700-800 °C
Consumo orario *
36 kg/h
100 Nm 3/h
Produzione oraria massima di syngas
PCI medio del syngas
4 MJ/kg (1.1 kWh/kg)
Produzione di ceneri (in volume)
6-10%
Efficienza di conversione tipica del gassificatore
> 75%
Composizione tipica del syngas
CO 16,4±0,33%
H2 8,7±0,41%
CO2 13,10±0,26%
CH4 3,3±0,13%
N2 54,0±0,55%
Potenza elettrica nominale
Potenza termica nominale **
* valore soggetto a variazioni a seconda della pezzatura e dell’essenza legnosa impiegata
** al netto dell’energia termica necessaria per essiccare la biomassa dal 30 al 15% di umidità
24 kW
40 kW
Possibile layout dell’impianto G25.
I dati e le informazioni tecniche riportate nel presente documento sono soggetti a continui aggiornamenti senza necessità di
preavviso da parte di New Eng srl.
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