anno accademico 2013-14 corso di sistemi energetici...
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Anno Accademico 2013-14
Corso di Sistemi Energetici II ________________________________________________________
IMPIANTI IGCC (impianti integrati di gassificazione del carbone
con cicli combinati gas-vapore)
Giorgio Cau
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali
Università di Cagliari
CONFIGURAZIONE DELL’IMPIANTO IGCC
ISOLA DI GASSIFICAZIONE
sezione di gassificazione
sezione di preparazione del combustibile primario
sezione di preparazione dell’ossidante
sezione di condizionamento del syngas
ISOLA DI POTENZA
carbone
ossigeno
acqua
gassificazione raffreddam.
e depurazione
gas grezzo
~
sezione di potenza ASU
aria
vapore gas
pulito
N2, Ar,
CO2, …
energia elettrica
H2S, COS, NH3, particolato, …
scorie
gas combusti
SISTEMI INTEGRATI DI GASSIFICAZIONE - IGCC
Materia volatile: H2O, CnHm, CO, CO2,
…
Carbonio fisso: C, S, O, N, H, …
Ceneri
Acqua (umidità)
C + ½O2 CO ossidazione parziale
C + O2 CO2 ossidazione totale
C + H2O CO + H2
C + 2H2O CO2 + 2H2 gassificazione
C + CO2 2CO
C + 2H2 CH4 idrogassificazione
CO + H2O CO2 + H2 CO shift
CO + 3H2 CH4 + H2O metanazione
Syngas grezzo
CO, H2, CH4, …
CO2, H2O, N2, …
H2S, COS, NH3, HCN, …
Ceneri
+
PROCESSO DI GASSIFICAZIONE
ossidante: O2, aria
moderatore: H2O
COMPOSIZIONE CARBONI SULCIS E DI IMPORTAZIONE
Analisi immediata (%Wt) Sulcis Sud Africa
Carbonio fisso 34,14 54,00
Volatili 37,36 23,00
Ceneri 17,00 15,00
Umidità 11,50 8,00
Analisi elementare (%Wt) Sulcis Sud Africa
Carbonio 52,92 65,45
Idrogeno 3,93 3,85
Zolfo 6,00 0,54
Azoto 1,50 1,62
Ossigeno 7,15 5,54
Ceneri 17,00 15,00
Umidità 11,50 8,00
Potere Calorifico Inf. (MJ/kg) 20,00 25,00
CONFIGURAZIONE DELL’IMPIANTO IGCC
ISOLA DI GASSIFICAZIONE
sezione di gassificazione
sezione di preparazione del combustibile primario
sezione di preparazione dell’ossidante
sezione di condizionamento del syngas
ISOLA DI POTENZA
PARAMETRI CARATTERISTICI DELLA GASSIFICAZIONE
TG temperatura di gassificazione
pG pressione di gassificazione
α rapporto massico ossigeno/combustibile
μ rapporto massico acqua/combustibile
φ rapporto massico ossigeno/ossidante
Influenza della temperatura e della pressione
Influenza dei parametri α e μ
SEZIONE DI GASSIFICAZIONE (tipologia di gassificatori)
Letto mobile
Lurgi
BGL (British Gas - Lurgi)
Letto Fluido
KRW (Kellog Rust Westinghouse)
HTW (High Temperature Winkler)
U-gas
Letto trascinato
Shell
Texaco
Prenflo
Destec
Koppers_Totzek
GASSIFICATORI A LETTO MOBILE
CARATTERISTICHE DEI GASSIFICATORI A LETTO FISSO (MOBILE)
Elevata efficienza energetica, favorita dallo scambio termico in controcorrente fra carbone entrante e gas di sintesi uscente
Temperatura interna al reattore limitata dalla temperatura di fusione delle ceneri e bassa temperatura del gas prodotto
Basso consumo di ossigeno ed elevato consumo di vapore
Limiti nella accettabilità di carboni con elevato contenuto di ceneri e con elevato contenuto (max. 10-30%) di fini di carbone (particelle con diametro inferiore a 6 mm)
Syngas con elevate percentuali di idrocarburi pesanti e bassi trascinamenti di particolato
composizione tipica del syngas: CO 15%, CO2 30%, H2 45%, CH4 10% (processi con estrazione delle ceneri allo stato secco)
Bassa potenzialità (13 ore di permanenza del carbone all'interno del reattore)
GASSIFICATORI A LETTO FLUIDO
CARATTERISTICHE DEI GASSIFICATORI A LETTO FLUIDO
Distribuzione uniforme di temperatura lungo il reattore, con valori inferiori alla
temperatura di fusione delle ceneri a causa dei problemi di agglomerazione
(distruzione del letto fluido)
Moderati consumi di ossigeno e di vapore
Preferenza per i carboni molto reattivi (a causa della bassa temperatura operativa)
Syngas con medio-basso contenuto di idrocarburi pesanti ed elevato trascinamento di
particolato
Possibilità di operare la desolforazione internamente al gassificatore;
Composizione tipica del syngas: CO 40%, CO2 20%, H2 30%
Media potenzialità (3060 minuti di permanenza del carbone all'interno del reattore)
GASSIFICATORI A LETTO TRASCINATO
CARATTERISTICHE DEI GASSIFICATORI A LETTO TRASCINATO
Flusso in equicorrente tra carbone, ossigeno e vapore ed elevata temperatura
operativa
Basso consumo di vapore ed elevato consumo di ossigeno
Possibilità di gassificare qualunque tipo di carbone, con alimentazione in forma secca
o di slurry
Syngas praticamente privo di idrocarburi pesanti e di metano
Scorie prodotte allo stato vetrificato e praticamente inerti
Composizione tipica del syngas: CO 60%, CO2 3%, H2 30%
Elevata potenzialità (pochi secondi di permanenza del carbone all'interno del reattore)
CARATTERISTICHE DEI GASSIFICATORI
Tipo di gassificatore
Letto fisso Letto fluido Letto trascinato
Pressione 20-30 bar 20-30 bar 20-80 bar
Temperatura 400-600 °C 800-1000 °C 1200-2000 °C
Moderatore Vapore Vapore Acqua/vapore
Rapporto 0,3-1,5 0,3-0,8 0-0,1
Ossidante Ossigeno/aria Ossigeno/aria Ossigeno
Rapporto 0,3-0,6 0,5-0,8 0,7-1,0
Granulometria carbone
5-50 mm 3-4 mm 50-100 m
Alimentazione Secco Secco Secco/slurry
Scorie Secche/fuse Secche Fuse
Principali
tecnologie Lurgi, BGL
HTW, KRW,
U-GAS
Texaco, Shell,
Prenflo, Destec
SEZIONI FONDAMENTALI DI UN IMPIANTO IGCC
Carbone
Aria
Ossigeno
Scorie
SyngasgrezzoSEZIONE
DI
GASSIFICAZIONE
SEZIONE
DI
CONDIZIONAMENTO
Syngas
H2S, COS, NH3,Polveri, ecc.
PREPARAZIONE
OSSIDANTE
PREPARAZIONE
COMBUSTIBILE
Vapore
SEZIONE DI PREPARAZIONE DEL COMBUSTIBILE PRIMARIO
Ricevimento, stoccaggio e movimentazione. Comprende tutte le apparecchiature necessarie alle operazioni di scarico del combustibile dai mezzi di trasporto, allo stoccaggio a breve e a lungo termine, e al trasporto fino alla sezione di macinazione o di preparazione della carica di alimento.
Macinazione. Comprende uno o più mulini, i quali hanno il compito di ridurre le dimensioni del carbone grezzo fino a quelle specificatamente richieste dai successivi trattamenti (miscelazione con acqua, agglomerazione o immissione diretta nel gassificatore).
Preparazione della carica di alimento. La configurazione di questa sezione dipende dal tipo di gassificatore. Nel caso di alimentazione con combustibili allo stato liquido essa è rappresentata dalla sezione di preparazione della miscela acqua-carbone ("slurry") o di preparazione delle miscele di idrocarburi pesanti. Nel caso di alimentazione con combustibili allo stato solido in gassificatori a letto fisso può invece comprendere la sezione di agglomerazione dei fini.
Alimentazione al gassificatore. L'utilizzo di sistemi di alimentazione del carbone allo stato solido richiede la pressurizzazione del polverino attraverso specifiche tramogge ermetiche ("lock-hoppers"), mentre l'alimentazione dei combustibili liquidi (miscele acqua-carbone o idrocarburi pesanti) viene realizzata attraverso un sistema di pompe.
SEZIONE DI PREPARAZIONE DELL’OSSIDANTE (produzione di ossigeno)
L'uso dell'ossigeno consente di ridurre le portate in gioco (circa il 50%) e con esse il costo del gassificatore e delle apparecchiature a valle di esso;
Il gas prodotto utilizzando l'ossigeno non è diluito con l'azoto e possiede un più elevato potere calorifico (circa 818 MJ/Nm3 contro 48 MJ/Nm3);
Il sistema di produzione dell'ossigeno richiede consistenti investimenti iniziali e presenta elevati assorbimenti energetici (circa 1 MJ per kg di ossigeno prodotto);
La presenza dell'unità di frazionamento criogenico dell’aria (ASU) comporta in ogni caso una notevole complicazione impiantistica ed una diminuzione della disponibilità dell'impianto;
Nel caso di gassificazione in pressione l'utilizzo dell'ossigeno (prodotto a pressione prossima a quella atmosferica) comporta un minor lavoro di compressione in virtù delle minori portate.
gas grezzo
gas pulito
(CO, H2, CO2, H2O)
particolato,
TAR, fenoli,
NH3, HCN,
HCl, …
raffreddam.
e pulizia
vapore
separazione
zolfo
produzione
zolfo puro
H2S, COS
zolfo
commerciale
gas
CONDIZIONAMENTO DEL SYNGAS
SEZIONE DI CONDIZIONAMENTO DEL SYNGAS
sistema di raffreddamento del syngas
sistema di depurazione del syngas
rimozione del particolato
rimozione dello zolfo
rimozione degli altri inquinanti secondari
sistema di trasformazione del syngas
CO-Shift
Metanazione
GTL
…
SEZIONE DI CONDIZIONAMENTO DEL SYNGAS
SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO DEL SYNGAS Raffreddamento ad alta temperatura – TEXACO
SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO DEL SYNGAS Spegnimento (quench) ad alta temperatura - DESTEC
SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO DEL SYNGAS Quench con ricircolo del syngas freddo – SHELL
SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO DEL SYNGAS Quench spinto a bassa temperatura - TEXACO
SISTEMI DI RIMOZIONE (A FREDDO) DEL PARTICOLATO
syngas grezzo
ric
irco
lo
scarico
serbatoio liquor
scarico liquor
ove
rflo
w
syngas depurato
acqua
sezione
di gola
zona
di
scru
bb
ing
separatore
centrifugo
deumidificatore
syngas grezzo
ric
irco
lo
scarico
serbatoio liquor
scarico liquor
ove
rflo
w
syngas depurato
acqua
sezione
di gola
zona
di
scru
bb
ing
separatore
centrifugo
deumidificatore
gas grezzo
gas depurato
polveri separate
SEPARATORE A CICLONE(A SECCO) SEPARATORE SCRUBBER (A UMIDO)
SISTEMI (A FREDDO) DI RIMOZIONE DEI COMPOSTI DELLO ZOLFO
Sezione di desolforazione
Processi fisici (elevate concentrazioni dei composti dello zolfo)
Rectisol
Purisol
Selexol
Processi chimici (basse concentrazioni dei composti dello zolfo)
MEA
DEA
MDEA
Sezione di recupero dello zolfo elementare
Sezione di trattamento finale dei “gas di coda”
SEZIONE DI DESOLFORAZIONE
Solvente rigenerato
Vapore
COLONNA
DI
ASSORBIM.
SCCOLONNA
DI
RIGENERAZ.Gas
grezzo
Gasdepurato
Solvente saturo
H2S e COS
Gas datrattare
Aria
Acqua
Vapore
Acqua
Vapore
Zolfopuro
Gas dicoda
FORNACEREATTORE
GVR GVR
SEZIONE DI RECUPERO DELLO ZOLFO ELEMENTARE (processo Claus)
SEZIONE DI RECUPERO DELLO ZOLFO ELEMENTARE (processo Claus)
2222 23
termicoStadio
SOOHOSH
SOHSOSH 322
catalitico Stadio
222
SOHOSH 332
33
acomplessiv Reazione
222
RIMOZIONE DI ALTRI INQUINANTI
NH3, HCN, HCl solubili in acqua
alcali condensano sulla superficie del particolato
TAR, fenoli vengono ricircolati dopo condensazione
combustibile (syngas)
comburente (aria)
~ turbina
a gas
fumi vapore
energia elettrica
(35-40%)
GVR impianto a vapore
~
energia elettrica
(60-65%)
fumi
ISOLA DI POTENZA
INTEGRAZIONE SEZIONI
SCHEMA IMPIANTO IGCC SHELL
INDICI DI PRESTAZIONE DEI GASSIFICATORI
Rendimento di gas freddo
Rendimento di gas caldo
GFG G
C C
M Hi
M Hi
ePPCC
AVVGGG
GCLQHiM
hhMhHiM
/
)()(
IMPIANTI INNOVATIVI CON TECNOLOGIE “CCS” E “ZE”
Impianti di gassificazione del carbone con coproduzione di idrogeno
e di energia elettrica e con separazione e sequestro della CO2
Impianti ZE-IGHC, ovvero impianti di gassificazione del carbone con
combustione di idrogeno con ossigeno ad emissioni nulle (o quasi)
carbone
ossigeno
acqua
gassificazione raffreddam.
e depurazione
gas grezzo
~
sezione di potenza ASU
aria
vapore
gas pulito
N2, Ar,
CO2, …
energia elettrica
H2S, COS, NH3, particolato, …
distribuzione
ad altre utenze
produzione
idrogeno
CO2
accumulo
CO2
idrogeno
H2O, N2,
NOX, etc.
scorie
COPRODUZIONE DI IDROGENO E DI ENERGIA ELETTRICA
gas grezzo
gas pulito
(CO, H2)
particolato,
NH3, …
idrogeno
lavaggio e
raffreddam.
vapore
separazione
zolfo
conversione
CO (shift)
produzione
zolfo puro
separazione
CO2-H2
H2S, COS
zolfo
commerciale CO2
vapore
gas
gas pulito
(CO2, H2)
reazione di shift:
CO + H2O CO2 + H2
PRODUZIONE DI IDROGENO DAL SYNGAS
carbone
ossigeno
acqua
gassificazione raffreddam.
e depurazione
gas grezzo
~
sezione di potenza ASU
aria
vapore
gas pulito
N2, Ar,
CO2, …
energia elettrica
H2S, COS, NH3, particolato, …
distribuzione
ad altre utenze
produzione
idrogeno
CO2
accumulo
CO2
idrogeno
H2O, N2,
NOX, etc.
scorie
H2O
IMPIANTI AD EMISSIONI NULLE (ZE-IGHC)
SEGREGAZIONE DELLA CO2
Oceani. Gli oceani costituiscono un enorme e naturale contenitore per la CO2. L’impatto della segregazione della CO2 negli oceani è praticamente trascurabile su scala globale. Su scala locale potrebbe incidere sullo sviluppo della vita nel mare.
Acquiferi salini. Costituiscono anch’essi un notevole potenziale di stoccaggio della CO2. La CO2 può essere iniettata nelle falde mediante pozzi realizzati con le stesse tecniche di perforazione applicate per l’estrazione del petrolio e del gas.
Giacimenti di petrolio e gas. La CO2 può essere iniettata nei giacimenti di petrolio e gas in esercizio per aumentarne la resa (Enhanced Oil Recovey, EOR, ed Enhanced Gas Recovery, EGR), al posto di CO2 prodotta ad hoc.
Giacimenti di carbone. La CO2 separata dai combustibili fossili può essere iniettata nei giacimenti di carbone profondi non coltivabili con contestuale estrazione di metano (Enhanced coal-bed methane, ECBM).
SEQUESTRO DELLA CO2
Giacimenti di petrolio, EOR
Acquiferi salini Oceani
Giacimenti gas
SEQUESTRO OFF-SHORE DELLA CO2
SEQUESTRO OFF-SHORE DELLA CO2
SEQUESTRO OFF-SHORE DELLA CO2
SEQUESTRO IN GIACIMENTI PROFONDI DI CARBONE, ECBM
SISTEMA INTEGRATO CENTRALE A IDROGENO DA GAS NATURALE CON SEQUESTRO EOR DELLA CO2
PROGETTI DIMOSTRATIVI DI SEQUESTRO GEOLOGICO DELLA CO2
