ITTO20090125A1 - GASIFICATOR EQUIPPED WITH A PERFECT COMBUSTION CHAMBER - Google Patents
GASIFICATOR EQUIPPED WITH A PERFECT COMBUSTION CHAMBERInfo
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Description
Gassificatore dotato di camera di combustione perfezionata Gasifier equipped with an improved combustion chamber
Forma oggetto del presente trovato un gassificatore per la gassificazione di biomasse avente una camera di combustione perfezionata al fine di ottenere un prodotto finale costituito da gas povero, il quale, dopo opportuni trattamenti, può essere alimentato ad un motore a combustione interna. The present invention relates to a gasifier for the gasification of biomass having an improved combustion chamber in order to obtain a final product consisting of lean gas, which, after suitable treatments, can be fed to an internal combustion engine.
Dalla letteratura nota in materia si evince che, per “biomassa” si intende tutto ciò che ha matrice organica derivante principalmente da piante verdi, quali alghe, alberi e coltivazioni come pure da residui forestali e agricoli con esclusione delle materie plastiche derivanti dall’industria petrolchimica, nonché dei combustibili fossili tradizionali (petrolio, carbone)<1>. La biomassa costituisce la forma più sofisticata di accumulo dell’energia solare, la quale consente, attraverso la fotosintesi, di trasformare la CO2atmosferica in sostanza organica utile alla crescita della pianta stessa. In essa l’energia solare, trasformata mediante la fotosintesi, è immagazzinata sottoforma di legami chimici tra gli atomi di carbonio, idrogeno ed ossigeno delle principali molecole (essenzialmente carboidrati). Nell’ambito dei processi di From the known literature on the subject it is clear that, by "biomass" we mean everything that has an organic matrix deriving mainly from green plants, such as algae, trees and crops as well as from forest and agricultural residues with the exclusion of plastic materials deriving from the petrochemical industry , as well as traditional fossil fuels (oil, coal) <1>. Biomass is the most sophisticated form of solar energy storage, which allows, through photosynthesis, to transform atmospheric CO2 into organic substance useful for the growth of the plant itself. In it, solar energy, transformed by photosynthesis, is stored in the form of chemical bonds between the carbon, hydrogen and oxygen atoms of the main molecules (essentially carbohydrates). As part of the processes of
1 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 1): overview of biomass, Bioresource Technology 83 (2002) 37-46. 1 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 1): overview of biomass, Bioresource Technology 83 (2002) 37-46.
conversione della biomassa quali digestione, combustione o decomposizione, tale energia chimica immagazzinata sotto forma di legami è rilasciata rendendosi disponibile per essere utilizzata in maniera diretta o indiretta<2>. conversion of biomass such as digestion, combustion or decomposition, this chemical energy stored in the form of bonds is released making it available to be used directly or indirectly <2>.
I benefici derivanti dall’impiego in termini energetici delle<biomasse sono molteplici e tra i più importanti si annoverano:>� riduzione della quantità di rifiuti solidi da smaltire;The benefits deriving from the use of biomass in energy terms are many and the most important are:> � reduction in the amount of solid waste to be disposed of;
� contenimento delle emissioni di CO2, poiché la CO2prodotta durante la combustione della biomassa è<riassorbita da nuova biomassa piantata in eguale quantità;>� è una forma di energia rinnovabile, per la notevole presenzadi risorse in natura, nonché per la rapidità di rigenerare biomassa in tempi relativamente brevi. � containment of CO2 emissions, since the CO2 produced during the combustion of biomass is <reabsorbed by new biomass planted in equal quantities;> � it is a form of renewable energy, due to the considerable presence of resources in nature, as well as the speed of regenerating biomass relatively quickly.
Per quanto riguarda i processi di conversione della biomassa in energia essi comprendono un’ampia gamma di tipologie di conversione, differenziabili a loro volta per biomassa alimentata, utilizzi finali e infrastrutture richieste. I fattori che influenzano la<scelta del processo di conversione più adatto sono:>As for the biomass-to-energy conversion processes, they include a wide range of conversion types, which can in turn be differentiated by biomass fed, end uses and required infrastructures. The factors that influence the <choice of the most suitable conversion process are:>
<� la tipologia e la quantità di biomassa alimentata;><� the type and quantity of biomass fed;>
� la forma di energia desiderata, ovvero l’obiettivo finale;� parametri ambientali;� the form of energy desired, or the final goal; � environmental parameters;
� condizioni economiche;Economic conditions;
� specifiche di progetto3.� project specifications 3.
2 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 1): overview of biomass, Bioresource Technology 83 (2002) 37-46. 2 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 1): overview of biomass, Bioresource Technology 83 (2002) 37-46.
3 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 2): conversion technologies, Bioresource Technology 83 (2002) 47-54. 3 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 2): conversion technologies, Bioresource Technology 83 (2002) 47-54.
Principalmente i processi di conversione in energia delle biomasse possono essere ricondotti a due grandi categorie: processi termochimici e processi biochimici. Tra i processi termochimici si hanno combustione, pirolisi e gassificazione; mentre tra quelli biochimici si hanno la digestione aerobica o anaerobica (con produzione di biogas) e la fermentazione (con produzione di etanolo). Mainly the processes of converting biomass into energy can be traced back to two broad categories: thermochemical processes and biochemical processes. Among the thermochemical processes there are combustion, pyrolysis and gasification; while among the biochemical ones there is aerobic or anaerobic digestion (with production of biogas) and fermentation (with production of ethanol).
Scopo della presente invenzione è quello di proporre un gassificatore per biomasse avente una camera di combustione dalla forma innovativa, per cui ci si soffermerà soprattutto su questa specifica tecnologia di valorizzazione energetica nell’ambito dei suddetti processi termochimici. The purpose of the present invention is to propose a biomass gasifier having a combustion chamber with an innovative shape, for which we will focus especially on this specific energy enhancement technology in the context of the aforementioned thermochemical processes.
La semplice combustione di biomasse è una pratica molto diffusa per convertire rapidamente l’energia chimica della biomassa in molteplici “output” quali calore, potenza meccanica o elettricità. L’output finale dipende dalla tipologia di impianto utilizzata quali possono essere stufe, forni, caldaie, turbine a vapore, turbogeneratori, ecc. I gas caldi prodotti dalla combustione di biomasse hanno temperature variabili in un range tra gli 800 °C ed i 1000 °C , con la possibilità di bruciare teoricamente qualsiasi tipo di biomassa. Tuttavia la combustione è fattibile solo quando il contenuto di umidità nella biomassa è inferiore al 50%; valori di umidità più elevati, infatti, rendono la biomassa più idonea ad un trattamento di tipo biochimico. Le taglie degli impianti di combustione di biomasse variano da taglie molto piccole, come l’uso domestico, ad impianti industriali di larga scala con potenza dai 100 MW ai 3000 MW con rendimenti variabili tra il 20% ed il 40%<4>. The simple combustion of biomass is a very common practice to quickly convert the chemical energy of biomass into multiple "outputs" such as heat, mechanical power or electricity. The final output depends on the type of plant used which can be stoves, ovens, boilers, steam turbines, turbogenerators, etc. The hot gases produced by the combustion of biomass have variable temperatures in a range between 800 ° C and 1000 ° C, with the possibility of theoretically burning any type of biomass. However, combustion is only feasible when the moisture content in the biomass is less than 50%; higher humidity values, in fact, make the biomass more suitable for a biochemical treatment. The sizes of biomass combustion plants vary from very small sizes, such as domestic use, to large-scale industrial plants with power from 100 MW to 3000 MW with variable yields between 20% and 40% <4>.
La pirolisi, invece, è il processo di decomposizione termochimica dei materiali organici contenuti all’interno delle biomasse, per mezzo della fornitura di calore alla temperatura di circa 500 °C ed in forte carenza di ossigeno. I prodotti della pirolisi sono gassosi, liquidi e solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (veloce, lenta, convenzionale) e dai parametri di reazione. La pirolisi è essenzialmente utilizzata per la produzione di bio-olio impiegando la pirolisi veloce (o flash pirolisi) con un rendimento di conversione all’incirca pari all’80 %. Pyrolysis, on the other hand, is the thermochemical decomposition process of the organic materials contained within the biomasses, by means of the supply of heat at a temperature of about 500 ° C and in severe oxygen deficiency. The products of pyrolysis are gaseous, liquid and solid, in proportions that depend on the pyrolysis methods (fast, slow, conventional) and on the reaction parameters. Pyrolysis is essentially used for the production of bio-oil using fast pyrolysis (or flash pyrolysis) with a conversion efficiency of approximately 80%.
La gassificazione, infine, è un processo di conversione della biomassa in una miscela di gas mediante l’ossidazione parziale della stessa biomassa ad alte temperature (800 °C – 1000 °C). Il gas povero risultante dal processo di gassificazione ha una composizione che dipende dall’agente gassificante impiegato e dal tipo di reattore utilizzato. Ai fini dell’applicazione oggetto della presente invenzione ci si riferirà ad un processo di gassificazione con aria dal quale si ottiene un gas di sintesi dal basso potere calorifico (circa 4-6 MJ/Nm<3>) che può essere direttamente bruciato oppure costituire il combustibile per motori alternativi a gas o a turbina. In generale, il gas di sintesi prodotto può essere impiegato alternativamente come materia prima per la Finally, gasification is a process of converting biomass into a gas mixture through the partial oxidation of the same biomass at high temperatures (800 ° C - 1000 ° C). The lean gas resulting from the gasification process has a composition that depends on the gasifying agent used and the type of reactor used. For the purposes of the application of the present invention, reference will be made to a gasification process with air from which a synthesis gas with a low calorific value (about 4-6 MJ / Nm <3>) is obtained which can be directly burned or constitute fuel for reciprocating gas or turbine engines. In general, the synthesis gas produced can alternatively be used as a raw material for
4 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 2): conversion technologies, Bioresource Technology 83 (2002) 47-54. 4 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 2): conversion technologies, Bioresource Technology 83 (2002) 47-54.
produzione di composti chimici quali il metanolo a sua volta utilizzabile per la produzione di biodiesel. production of chemical compounds such as methanol which in turn can be used for the production of biodiesel.
Scopo del presente trovato, quindi, è dotare un gassificatore a letto fisso alimentato a biomasse di una camera di combustione dalla forma innovativa, non rientrante nelle categorie né di reattore updraft, né di reattore downdraft. The object of the present invention, therefore, is to provide a biomass-fed fixed-bed gasifier with a combustion chamber with an innovative shape, which does not fall within the categories of either an updraft reactor or a downdraft reactor.
I reattori per la gassificazione di biomasse, infatti, appartengono a due grandi categorie: reattori a letto fisso e reattori a letto fluidizzato. Tra i reattori a letto fisso, la diversa direzione del flusso di agente gassificante (aria) rispetto al letto, dà origine principalmente a due diverse tipologie di reattore: updraft, downdraft. In fact, biomass gasification reactors belong to two broad categories: fixed bed reactors and fluidized bed reactors. Among the fixed bed reactors, the different direction of the gasifying agent flow (air) with respect to the bed, mainly gives rise to two different types of reactor: updraft, downdraft.
Nel reattore di tipo updraft la biomassa è caricata alla sommità del gassificatore, mentre l’agente gassificante (aria) è introdotto dal basso dell’unità attraverso una griglia. La biomassa, durante la discesa, è dapprima seccata dai gas caldi prodotti che si muovono verso l’alto, producendo carbone, che continua a scendere, ed altri vapori di pirolisi che si uniscono ai gas caldi prodotti. In seguito nella zona di pirolisi si separano dalla biomassa tutti i composti volatili e si forma una considerevole quantità di catrame, che in parte si unisce al gas di sintesi prodotto in uscita ed in parte si unisce ai residui solidi. Quest’ultimi, man mano che si formano, scendono verso il basso per essere raccolti; mentre nella parte alta del gassificatore, dove la biomassa è essiccata, i gas prodotti sono raffreddati fino ad una temperatura intorno ai 200 °C – 300 °C<5>. Il reattore downdraft, invece, è caratterizzato da un flusso equicorrente tra biomassa e agente gassificante: i prodotti di reazione, prima di uscire dal gassificatore, sono miscelati in una regione turbolenta ad alta temperatura, detta diabolo. In tale regione si realizza il parziale cracking del catrame che ne limita l’eccessiva produzione. A causa dell’elevata temperatura in uscita dei gas prodotti (circa 900 – 1000 °C), l’efficienza complessiva in termini energetici di tale reattore è piuttosto bassa; tuttavia il gas di sintesi prodotto risulta essere a basso contenuto di polveri e catrami. In the updraft type reactor, the biomass is loaded at the top of the gasifier, while the gasifying agent (air) is introduced from the bottom of the unit through a grid. The biomass, during the descent, is first dried by the hot gases produced that move upwards, producing coal, which continues to descend, and other pyrolysis vapors that join the hot gases produced. Subsequently in the pyrolysis zone all the volatile compounds are separated from the biomass and a considerable quantity of tar is formed, which in part joins the synthesis gas produced at the outlet and in part joins the solid residues. The latter, as they are formed, descend to the bottom to be collected; while in the upper part of the gasifier, where the biomass is dried, the gases produced are cooled to a temperature around 200 ° C - 300 ° C <5>. The downdraft reactor, on the other hand, is characterized by an equicurrent flow between biomass and gasifying agent: the reaction products, before leaving the gasifier, are mixed in a turbulent high temperature region, called diabolo. In this region, the partial cracking of the tar takes place, which limits its excessive production. Due to the high output temperature of the gases produced (about 900 - 1000 ° C), the overall energy efficiency of this reactor is rather low; however the synthesis gas produced is low in dust and tars.
La camera di combustione del gassificatore oggetto della presente invenzione, invece, propone un flusso della biomassa dall’alto verso il basso con alimentazione dell’aria lateralmente configurandosi in tal modo come un flusso incrociato. La seguente descrizione dettagliata farà riferimento alle seguenti tavole<allegate da 1/5 a 5/5 dove:>The combustion chamber of the gasifier object of the present invention, on the other hand, proposes a flow of biomass from top to bottom with air supply laterally, thus configuring as a cross flow. The following detailed description will refer to the following tables <attached from 1/5 to 5/5 where:>
� la fig. 1 è una vista in 3D della parte superiore del<gassificatore con all’interno la camera di combustione;>� fig. 1 is a 3D view of the upper part of the <gasifier with the combustion chamber inside;>
� la fig. 2 è una vista laterale della parte superiore delgassificatore con in evidenza alcuni particolari dell’interno<dello stesso;>� fig. 2 is a side view of the upper part of the gasifier highlighting some details of the interior <of the same;>
� la fig. 3 è una vista dall’alto della parte superiore del gassificatore; � fig. 3 is a top view of the upper part of the gasifier;
5 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 3): gasification technologies, Bioresource Technology 83 (2002) 55-63. 5 Peter McKendry, Energy production from biomass (part 3): gasification technologies, Bioresource Technology 83 (2002) 55-63.
� la fig. 4 rappresenta una sezione longitudinale del<gassificatore, così come indicata in fig. 3;>� fig. 4 shows a longitudinal section of the gasifier, as indicated in fig. 3;>
� la fig. 5 è una vista in 3D della parte inferiore del gassificatore posta immediatamente al di sotto della parte superiore del<gassificatore mostrato in fig. 1;>� fig. 5 is a 3D view of the lower part of the gasifier placed immediately below the upper part of the gasifier shown in fig. 1;>
� la fig. 6 è una vista laterale della parte inferiore del<gassificatore;>� fig. 6 is a side view of the lower part of the <gasifier;>
� la fig. 7 rappresenta una sezione longitudinale della parte<inferiore del gassificatore così come indicata in fig. 6;>� fig. 7 shows a longitudinal section of the lower part of the gasifier as indicated in fig. 6;>
� la fig. 8 rappresenta una sezione trasversale della parteinferiore del gassificatore così come indicata in fig. 6. � fig. 8 shows a cross section of the lower part of the gasifier as indicated in fig. 6.
Nel complesso il gassificatore è costituito da una parte “superiore” 1 e da una parte “inferiore” 2 montate rispettivamente una sopra l’altra. Scendendo dall’alto verso il basso, nella parte superiore 1, si realizza il processo di combustione, il quale fornisce il calore alle reazioni di pirolisi della biomassa che avvengono immediatamente al di sotto, fino all’altezza dei fori di adduzione 11 dell’agente gassificante costituito dall’aria. Da questo punto in poi si cominciano le reazioni di vera e propria gassificazione, cioè a dire le reazioni che producono i gas utile agli scopi successivi dell’impianto. La griglia rotante 15 che, opportunamente dimensionata per la pezzatura della biomassa, impedisce alla stessa biomassa di abbandonare la zona di reazione ancora incombusta, separa la zona inferiore 2 da quella superiore 1. La zona inferiore 2 è lo spazio in cui si completano le reazioni di gassificazione; si convoglia il gas prodotto verso la tubazione di uscita; consente la caduta e la raccolta delle ceneri per la loro rimozione tramite un apposito sistema meccanico (fig. 5). Overall, the gasifier consists of an "upper" part 1 and a "lower" part 2 mounted respectively one above the other. Descending from top to bottom, in the upper part 1, the combustion process is carried out, which supplies heat to the pyrolysis reactions of the biomass that take place immediately below, up to the height of the adduction holes 11 of the agent gasifier consisting of air. From this point on, the real gasification reactions begin, that is, the reactions that produce the gases useful for the subsequent purposes of the plant. The rotating grid 15 which, suitably sized for the size of the biomass, prevents the same biomass from leaving the still unburned reaction zone, separates the lower zone 2 from the upper one 1. The lower zone 2 is the space in which the reactions are completed gasification; the gas produced is conveyed to the outlet pipe; it allows the fall and collection of the ashes for their removal by means of a special mechanical system (fig. 5).
La parte superiore 1 del gassificatore è costituita da un involucro esterno 3 di forma pressoché cilindrica, da una sezione interna 4 che ospita le reazioni di combustione, pirolisi e gassificazione (o camera di reazione 9) e da una serie di intercapedini 5 tra la superficie esterna 3 e la sezione interna 4 del gassificatore. Sulla superficie esterna sono presenti una pluralità di aperture circolari 6, la cui apertura parziale consente di regolare l’apporto di agente gassificante durante la produzione di gas si sintesi da biomassa. Sempre sulla superficie laterale esterna del gassificatore è presente il condotto di uscita 7 del gas che conclude il percorso dei gas dalla camera di reazione, attraverso le intercapedini cilindriche, verso l’impianto di trattamento e alimentazione del gas di sintesi prodotto . The upper part 1 of the gasifier consists of an outer casing 3 of an almost cylindrical shape, of an internal section 4 which houses the combustion, pyrolysis and gasification reactions (or reaction chamber 9) and of a series of air spaces 5 between the surface external 3 and internal section 4 of the gasifier. On the external surface there are a plurality of circular openings 6, whose partial opening allows you to regulate the supply of gasifying agent during the production of gas from biomass synthesis. Also on the external side surface of the gasifier there is the gas outlet duct 7 which ends the path of the gases from the reaction chamber, through the cylindrical cavities, to the treatment and supply system of the synthesis gas produced.
Come si può evincere dalla sezione longitudinale della parte “superiore” 1 in fig. 4, al suo interno, partendo dall’alto, si seguono una zona di imbocco 8 a forma tronco conica dove si introduce la biomassa e la si distribuisce uniformemente mediante opportuni organi di mescolamento 12; una camera di reazione 9 caratterizzata da una forma pressoché bombata, dapprima a raggio crescente poi a raggio decrescente; per ultima una sezione di uscita 10, nuovamente a forma tronco conica, in parte sovrapposta alla parte “inferiore 2 in corrispondenza della griglia e della zona di inversione del moto del gas di sintesi. L’adduzione laterale del flusso d’aria all’interno della camera di combustione 9, avviene mediante opportuni condotti 11 che si dipartono radialmente dalla camera di combustione 9 verso l’intercapedine più esterna 5. La regolazione dell’aria avviene mediante un bocchello di alimentazione dell’aria, il quale è circondato da un anello forato collocato sul condotto laterale in corrispondenza delle aperture esterne 6. As can be seen from the longitudinal section of the "upper" part 1 in fig. 4, inside, starting from the top, follow a truncated cone-shaped inlet area 8 where the biomass is introduced and uniformly distributed by means of suitable mixing devices 12; a reaction chamber 9 characterized by an almost rounded shape, first with an increasing radius then with a decreasing radius; lastly, an outlet section 10, again in a truncated cone shape, partly superimposed on the lower part 2 in correspondence with the grid and the zone of inversion of the motion of the synthesis gas. The lateral supply of the air flow inside the combustion chamber 9 takes place by means of suitable ducts 11 which radially branch off from the combustion chamber 9 towards the outermost interspace 5. The air is regulated by means of a nozzle. air supply, which is surrounded by a perforated ring placed on the side duct in correspondence with the external openings 6.
Con una configurazione di questo tipo si genera all’interno del reattore 1 ed in particolar modo nella camera di reazione 9 un flusso “incrociato” tra la biomassa alimentata dall’alto che si muove verso il basso e l’aria (agente gassificante) introdotta lateralmente. Si forma in tal modo una zona molto calda laddove l’aria entra nella camera di reazione all’interno della quale avvengono i processi di combustione/pirolisi e gassificazione; le zone di pirolisi e di pre-essiccazione della biomassa si formano, invece, immediatamente al di sopra di detta zona di combustione/pirolisi. Con una tale configurazione si ottiene una tipologia di gassificatore a letto fisso che non rientra né in quella downdraft, né in quella updraft. With a configuration of this type, a "cross" flow is generated inside the reactor 1 and in particular in the reaction chamber 9 between the biomass fed from above moving downwards and the air (gasifying agent) introduced sideways. In this way, a very hot area is formed where the air enters the reaction chamber within which the combustion / pyrolysis and gasification processes take place; the zones of pyrolysis and pre-drying of the biomass are formed, on the other hand, immediately above said combustion / pyrolysis zone. With such a configuration, a type of fixed bed gasifier is obtained which does not fall into either the downdraft or the updraft one.
La parte “superiore” 1 è tenuta il più possibile chiusa mediante un coperchio durante l’esercizio per evitare l’eccesso d’aria nella zona di combustione. La figura 5, invece, mostra una rappresentazione tridimensionale della parte “inferiore” 2 del gassificatore, posto immediatamente al di sotto di quella “superiore” appena descritta . Come si può evincere dalla vista in figura 6, detta “parte superiore” 2 è costituita da un primo tratto di forma cilindrica 13 e da un tratto finale 14 a forma tronco conica rovesciata, dove si raccolgono le ceneri quali sottoprodotto dell’intero processo di gassificazione. The "upper" part 1 is kept closed as much as possible by a lid during operation to avoid excess air in the combustion area. Figure 5, on the other hand, shows a three-dimensional representation of the “lower” part 2 of the gasifier, placed immediately below the “upper” part just described. As can be seen from the view in figure 6, said "upper part" 2 consists of a first cylindrical section 13 and a final section 14 with an inverted truncated cone shape, where the ashes are collected as a by-product of the entire process of gasification.
Dalle figure 7 e 8 si può notare che, all’interno del tratto cilindrico 13, è presente una piattaforma circolare rotante 15 per mezzo di un ingranaggio a ruote dentate 16, sulla quale sono collocati una pluralità di griglie forate (in ragione della pezzatura biomassa da trattare) 17 per il passaggio selettivo del materiale scarto già consumato dalle reazioni di pirolisi e gassificazione. From figures 7 and 8 it can be seen that, inside the cylindrical section 13, there is a rotating circular platform 15 by means of a gear with toothed wheels 16, on which a plurality of perforated grids are placed (due to the biomass size to be treated) 17 for the selective passage of the waste material already consumed by the pyrolysis and gasification reactions.
I gassificatori a letto fluido per biomasse, sui quali non ci si è soffermati in questa descrizione, sono sicuramente più efficienti in termini di rendimento complessivo, ma implicano costi sia iniziali che di mantenimento superiori rispetto ai gassificatori a letto fisso. Quest’ultimi restano l’opzione più conveniente per la produzione di un gas di sintesi dal basso potere calorifico da utilizzare in impianti di generazione di energia su piccola scala. Fluidized bed gasifiers for biomass, which we have not focused on in this description, are certainly more efficient in terms of overall efficiency, but they involve both initial and maintenance costs higher than fixed bed gasifiers. The latter remain the most convenient option for the production of a synthesis gas with a low calorific value to be used in small-scale power generation plants.
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