Nuova invenzione di Sea Marconi per la conversione di matrici carboniose in biomateriali e bioenergia con “CO2 Negativo – CO2N”.

L’ultima invenzione del 2010 della Sea Marconi si riferisce ad un impianto modulare per la conversione integrata di matrici carboniose al fine di ricavare e/o valorizzare “prodotti derivati“, “vettori energetici o bioenergetici”, “energia o bioenergia” con impatto ambientale basso o “CO₂-neutrale – CO₂n” o “CO₂-Negativa – CO₂N” e/o “Zero Emissioni – ZE”.

Questa invenzione, con domanda di brevetto internazionale Sea Marconi, è principalmente basata sulla configurazione impiantistica di reattori rotanti multifunzione, posti in serie o parallelo tra di loro, in grado di realizzare i diversi processi di conversione nelle specifiche condizioni operative richieste. L’ideazione Sea Marconi è frutto di una intensa e continua attività multidisciplinare di ricerca e sviluppo a livello italiano, europeo ed internazionale.

L’invenzione rappresenta l’evoluzione dei progetti europei Haloclean Conversion (n° G1RD-1999-00082), basato su Brevetto Europeo di Sea Marconi (EP 1354172 A1, priorità 19.12.2000) di cui Sea Marconi era partner. Tale approccio ha dato risultati positivi in termini di risultati tali da scaturire un nuovo Progetto europeo Haloclean Application (n° G1RD-2002-03014) di cui Sea Marconi era coordinatrice.

Queste positive esperienze a livello europeo hanno innescato un processo di miglioramento continuo per finalizzare un impianto modulare e flessibile nelle sue applicazioni risolvendo quelli che sono stati i fattori critici emersi fino al 2010.

Già nel 2011 è prevista la realizzazione di un impianto su scala tecnica ed uno pilota mobile per effettuare campagne ad hoc on site a livello internazionale.

Nell’ambito della presente invenzione e del suo campo di applicazione vengono di seguito definiti i termini principali.

Gli impianti per la conduzione di procedimenti di conversione di matrici carboniose finora realizzati a livello internazionale come ad esempio per pirolisi e/o pirogassificazione che utilizzano corpi termicamente conduttivi, hanno presentato alcuni fattori critici che di seguito sono riportati.
Fattore critico I – “Esplosione e/o incendio” – Questa criticità è indotta dalla atmosfera esplosiva che può essere innescata se presenta anormali concentrazioni di ossigeno e/o aria in uno o più sottosistemi dell’impianto. Negli impianti di pirolisi e/o pirogassificazione questa condizione è determinata tipicamente da carenze di tenuta e/o non efficiente compartimentazione degli ambienti di reazione rispetto all’ambiente esterno. Gli inneschi possono essere correlati ad reazioni esotermiche incontrollate, inceppamenti reversibili e/o permanenti (ad esempio coclea – corpo riscaldante – cilindro fisso esterno) di organi meccanici che presentano interfacce in movimento i quali possono produrre dei surriscaldamenti localizzati ad altissima temperatura e/o deformazione con usura e/o danneggiamento degli alberi di trasmissione e/o tenute rotanti o fisse. Questa criticità potenzialmente si manifesta anche nei cicli periodici di avviamento, spegnimento e fasi di emergenza poiché l’impianto passa attraverso le condizione di limiti di esplosività inferiore (LEL) e superiore (UEL). La concentrazione limite di ossigeno dipende dalla composizione del gas prodotto, l’umidità, la temperatura e la pressione. Per H₂ e CO a temperatura e pressione ambiente la concentrazione limite è del 4%.

Fattore critico II – “Inceppamento irreversibile con blocco impianto” – Questa criticità è caratterizzata dall’inceppamento tra l’organo di trasporto (ad es. coclea) e la superficie interna del reattore/i nel momento in cui presentino moti relativi tra parti contigue. Questa criticità può innescarsi nel caso in cui siano presenti nel processo corpi termicamente conduttivi di materiale duro. Questi corpi, ad esempio se trattasi di sfere metalliche, potrebbero andare ad inserirsi negli spazi interstiziali tra gli organi contigui in movimento.

Fattore critico III – “Usura, attriti, corrosione” – Questa criticità è caratterizzata da usure, rigature e/o inceppamenti reversibili temporanei, che nella pratica operativa sono correlabili al trasporto del materiale mediante coclea e cilindro del reattore fisso o rotante cioè in presenza di moti relativi tra i due organi. Essi manifestano gli stessi effetti indicati nel Fattore critico II, ma con minore intensità. Fenomeni corrosivi irreversibili dei metalli possono verificarsi in presenza di atmosfere ricche di CO, CO₂ e altri composti gassosi contenenti Carbonio se operanti in un range di temperature da 350°C fino a 800°C. Questi fenomeni, denominati “metal dusting”, provocano la polverizzazione dell’acciaio tale da determinare il progressivo deterioramento delle parti strutturali fino al loro collasso.

Fattore critico IV – “Inefficienza di scambio termico” – Questa criticità è caratterizzata da inefficienze di riscaldamento dovute a basse superfici disponibili per il trasferimento di calore tra le parti riscaldanti e le matrici da convertire. Inoltre l’inefficienza termica può essere amplificata da non efficienti recuperi di energia all’interno dell’impianto stesso.

Fattore critico V – “Inefficienti tenute rotanti e/o statiche ai gas” – Nei brevetti sopra riportati è rivendicata l’estrazione dell’aria/ossigeno potenzialmente presente nel reattore di pirolisi senza fornire precise indicazioni tecniche su come avvenga la compartimentazione del reattore stesso. Inoltre non viene menzionato il tipo ed il numero di livelli di compartimentazione realizzato con idonee ed affidabili soluzioni in grado di garantire l’assenza di ossigeno e le tenute ai gas dall’interno del reattore verso l’ambiente esterno.

Fattore critico VI – “Carenza di mescolamento – mixing” – Il profilo termico può risultare carente e disomogeneo per la mancanza dell’azione energica di mixing dei corpi metallici riscaldanti con la matrice carboniosa presente nel reattore. Di fatto nelle tecnologie presenti a livello internazionale che utilizzano organi di trasporto (ad esempio coclee) con presenza o meno di corpi metallici riscaldanti (come ad esempio sfere metalliche) dal punto di vista operativo il contributo alla mescolazione del materiale da trattare ed i corpi metallici riscaldanti risulta marginale. In queste tecnologie risulta che il materiale da convertire per effetto della gravità rimane adagiato sul fondo del reattore durante tutta la fase di reazione.

Fattore critico VII – “Carenza di frantumazione – “milling”. La conversione termochimica risulta carente o non efficiente per mancanza di un’azione energica di frantumazione del materiale da convertire in grado di aumentare la superficie di scambio ed un intimo contatto tale da ridurre i tempi, l’omogeneità di conversione e la capacità di promuovere delle reazioni innescate da additivi opportunamente formulati. È noto a livello scientifico l’importanza del requisito in termini di minime dimensioni particellari, ma le tecnologie presenti a li vello internazionale non si focalizzano su nessuna funzione di “milling” intrinseca nel processo e la pratica operativa dimostra che il forno rotante e la semplice coclea non realizzano le condizioni dinamiche necessarie a raggiungere tale frantumazione. Per effetto della gravità il materiale ed i corpi metallici riscaldanti rimangono adagiati sul fondo del reattore.

Fattore critico VIII – “Carenza dell’effetto catalitico” – Nelle tecnologie presenti a livello internazionale l’importante e decisiva azione catalitica che può essere svolta dai corpi termicamente conduttivi stessi mediante l’utilizzo di metalli o additivi specifici risulta assente. L’effetto catalitico rende più efficiente e sicuro il processo di conversione ad una temperatura più bassa, in tempi più brevi e con efficiente conversione dei sottoprodotti indesiderati.

Fattore critico IX – “Carenza di flessibilità operativa, compattezza e modularità” – Le tecnologie finora presenti a livello internazionale hanno dimostrato di non focalizzarsi alla flessibilità di materiali accettati. È ormai noto a livello internazionale che il tipico problema che si verifica nei reattori di pirolisi e/o pirogassificazione è la discontinuità di processo dovuta alla carenza di alimentazione che non garantisce le condizioni di omogeneità nella caratteristiche chimico-fisiche (es. umidità, granulometria, ecc.) delle matrici carboniose da convertire. Per processare le matrici carboniose eterogenee e per le diverse applicazioni obiettivo, i procedimenti di conversione devono poi prevedere la combinazione sinergica dei parametri operativi focalizzati alla migliore valorizzazione delle matrici solide (es. produzione torrefatto, biochar, ecc.), liquide (liquido di pirolisi) e gassose (syngas).

Fattore critico X – “Mancanza o inefficiente conversione ed abbattimento dei POPs e/o TARs, neutralizzazione dei gas e/o minimizzare l’effetto serra – GWP”. Nell’ambito della produzione di gas di sintesi (syngas) uno dei principali fattori critici per le applicazioni è rappresentato dalla formazione dei TARs (sottoprodotto dei processi di pirogassificazione comprendente un largo spettro di composti organici, generalmente costituiti da più anelli aromatici – PCA, ecc.). Le caratteristiche fisico chimiche dei TARs viscosi ed insolubili che otturano i condotti rappresentano un vero “Tallone di Achille” in questi impianti e nei sistemi di cogenerazione (es. motori a gas, turbine, ecc.). Un altro tipico composto critico presente nel syngas prodotto da biomasse, oltre agli NO_x, è l’ammoniaca NH₃.