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Il contributo della chimica per una generazione
a “zero emissioni”: focus su NOx e CO2
Sauro Pasini
Enel Ingegneria e Innovazione - Ricerca
Roma, 21 giugno 2011
Il ruolo della chimica nei temi tecnologici dell’energia, Roma, 21 Giugno 2011
Uso: Riservato aziendale
Schema di un impianto di potenza avanzato
2
FILTRO
DeSOx
GGH
DeNOx
Caldaia
Ceneri
GessoFuel
Combustione
low-NOx
Sezione di
abbattimento
NOx
Sezione di
abbattimento
polveri
Sezione di
abbattimento
SO2
LJ Soluzione
ricca di CO2
Sorbente
Sezione di
abbattimento
CO2
1- NOx2- CO2
Focus:
1. La riduzione degli ossidi di azoto durante la combustione
2. La cattura della CO2 nei fumi di combustione
“zero emissioni”
Il ruolo della chimica nei temi tecnologici dell’energia, Roma, 21 Giugno 2011
Uso: Riservato aziendale
3
Tempo
Temperatura Turbolenza
Termodinamica
Quali reazioni possono avvenire
Cinetica chimica
In che tempo avvengono
FluidodinamicaCome si miscelano le specie chimiche
Scambio termico
Come si trasferisce il calore
Il triangolo del fuoco I fenomeni in gioco
La combustione: un fenomeno complesso
Il ruolo della chimica nei temi tecnologici dell’energia, Roma, 21 Giugno 2011
Uso: Riservato aziendale
Opzioni per abbattere i NOx nei sistemi di combustione
4
REDUCING ATMOSPHERE
OXYCYANOGEN(OCN,HNCO)
NOX
N2
FRAGMENTS
HYDROCARBON
CH, CH2
NITRICCOMPOUNDS
SPECIE AMMONIACALI
(NH3, NH2, NH, N)
CYANOGEN(HCN, CN)
HYDROCARBO
N
FRAGMENTS
CH, CH2
NOX
N2
N2O
H
AIRFUEL
A
B
F
F
E
B
D
B D
G
G B
B
BC
B
B
AMMONIACAL SPECIES
(NH3, NH2, NH, N)
THERMALNOX
PROMPTNOX
FUELNOX
OXIDISING ATMOSPHERE
La cinetica dei NOx è determinata da cammini di reazione reversibili e in competizione,
che possono essere influenzati agendo sulle condizioni di combustione
Cinetica formazione/distruzione NOx
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Uso: Riservato aziendale
Il controllo dei NOx nel bruciatore
L’idea:
ossidare senza ossidare!
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Uso: Riservato aziendale
Come agire sulla reattoristica di fiamma
Swirl basso
Swirl alto
Swirl medio
Aerodinamica di fiamma
(numero di Swirl)
Caratteristiche Atomizzazione
Dimensioni gocce, velocità, angolo di spray
Agendo sulle caratteristiche aerodinamiche del
bruciatore e del sistema di iniezione del
combustibile è possibile realizzare una struttura di
fiamma in grado di ridurre la formazione di NOx
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Uso: Riservato aziendale
Bruciatori Low-NOx per caldaie frontali: olio
Bruciatore TEA (Triflusso Enel Ansaldo) per olio
NOx < 450 mg/Nm3 olio
NOx < 250 mg/Nm3 gas
Circa 4200 MWe installati
ΔNOx ~ 60-65%
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Uso: Riservato aziendale
Bruciatori Low-NOx per caldaie frontali: carbone
Bruciatore TEA-C (Triflusso Enel Ansaldo) per carbone
NOx < 650 mg/Nm3 carbone
Circa 1500 MWe installatiCentrale del Sulcis, 250 MWe
ΔNOx ~ 50%
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Uso: Riservato aziendale
CII = 15 %
CI = 85 %
MB
ASH
OFA
REB
Coal
o gas
POVERA
POVERA
RICCA
Reburning
Schema applicativo
Schema reattoristico
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Uso: Riservato aziendale
Geometria della caldaia
Come progettare un sistema di reburning
Il progetto di un sistema di reburning è molto complesso: il miscelamento è un fattore critico
soprattutto per caldaie di grosse dimensioni. Esistono poi vincoli stringenti legati alla geometria
della caldaia esistente. E’ necessaria una modellistica fluidodinamica, termica e reattoristica molto
complessa, per definire le condizioni di progetto ottimali.
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Uso: Riservato aziendale
Meccanismo cinetico complesso
Modulo “Hydrocarbon Combustion”
Politecnico di Milano (Ranzi, et al 1998)
190 specie, 2600 reazioni
Modulo NOx
Politecnico di Milano (Ranzi, et al 1998)
22 specie, 150 reazioni
Modulo SOx
Università di Leeds (2001)
21 specie, 92 reazioni
La chimica del reburning è complessa: centinaia di specie radicali e migliaia di reazioni.
Non è ancora possibile accoppiare questa cinetica complessa nei codici fluidodinamici 3D
Suddivisione del volume di caldaia in una serie di
semplici reattori chimici
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Uso: Riservato aziendale
Meccanismo cinetico complessoSchematizzazione reattoristica della caldaia
Geometria Campo dimoto
Campo ditemperature
NOx
Rete di reattori chimici generata per
post-processing
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Uso: Riservato aziendale
Alcune applicazioni sul parco termoelettrico Enel
Riduzione NOx = 65 ÷ 75%
NOx finali < 200 mg/Nm3 (olio)
7200 MWe installati
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Alcune applicazioni sul parco termoelettrico Enel
Monfalcone, 320 MWe, olio Vado Ligure, 320 MWe, carbone
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Uso: Riservato aziendale
Schema di un impianto di potenza avanzato
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FILTRO
DeSOx
GGH
DeNOx
Caldaia
Ceneri
GessoFuel
Sezione di
abbattimento
NOx
Sezione di
abbattimento
polveri
Sezione di
abbattimento
SO2
LJ Soluzione
ricca di CO2
Sorbente
Sezione di
abbattimento
CO2
1- NOx2- CO2
Focus:
1. La riduzione degli ossidi di azoto durante la combustione
2. La cattura della CO2 nei fumi di combustione
“zero emissioni”
Combustione
low-NOx
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Uso: Riservato aziendale
Chemical
looping
CO2 hydrate
Microbial
/Algae
Others
Chemical
(TSA)
Zeolites
ACs
Physical
(PSA,TSA)
Metal Oxides
Si/Al Gels
Inorganic
membrane
Metallic
Polysulphone
Polyamide
Organic
membrane
Ceramics
Others
Cellulose derivatives
Others
Caustics
Rectisol
Others
Physical
Selexol
Amines
Others
Chemical
Cryogenics Others Adsorption MembranesAbsorption
Tecnologie di cattura post-combustione
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Uso: Riservato aziendale
Lo schema del processo di assorbimento
2 RNH2
RNH-CO2- + RNH3
+
CO2
CO2 pura
calore
Sorbente
50 ~ 90 % di tutta
l’energia richiesta
Un sorbente, organico o inorganico, lega in modo reversibile la CO2 mediante una
reazione chimica e la rilascia in seguito ad un innalzamento termico.
Il processo è energeticamente molto penalizzante (30%): è in corso in
tutto il mondo un’intensa attività di ricerca per sviluppare sorbenti più
efficienti.
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Uso: Riservato aziendale
Sorbente
ottimale
Alta
capacità di
assorbimento
CO2
Bassa
energia di
rigenerazione
Scarsa
degradazione
& bassa
corrosività
Bassa
volatilità &
migliore
stabilità
Alta velocità
assorbimento
& stripping
La sfida da vincere: il sorbente ottimale
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La strategia di ricerca
Scala laboratorio
Centro Ricerche- Brindisi
Fumi 2 Nm3/h
CO2 0.4 kg/h
• Valutazione del processo
• Messa a punto dei protocolli
analitici
Scala pilota
Centrale- Brindisi
Fumi10˙000 Nm3/h
CO2 2˙500 kg/h
• Valutazione prestazioni
• Analisi emissioni
• Test su processi innovativi
Scala dimostrativa
Centrale– P.to Tolle
Fumi 810˙000 Nm3/h
CO2 180˙000 kg/h
• Scale up tecnologia
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Uso: Riservato aziendale
Il pilota di scala industriale
A Brindisi, presso la centrale Federico II è stato realizzato un pilota
industriale da 10.000 Nm3/hr, per testare le effettive prestazioni della
tecnologia su una scala significativa : efficienza, consumo energetico,
sottoprodotti di reazione, emissioni
Schema della sezione di cattura
Lay-out dell’impianto
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210
500
1000
1500
2000
2500
B.7.1.1 B.7.1.2 B.7.1.3 B.7.1.4
Cap
ture
d C
O2
kg/
h
Instrument Liq.Balance ASPEN Mean
3,2
3,24
3,28
3,32
3,36
3,4
3,44
25 27 29 31 33 35 37 39 41
solvent flow m3/h
Spe
cifi
c co
nsu
mp
tio
n G
J/tC
O2
Mean value 90%
Day 18/01/2011 18/01/2011 17/01/2011 17/01/2011
Gas flow rate Nm3/h 10056 10054 10030 10159
CO2 content %voldry 12,08 12,04 12,33 12,18
Solvent flow rate m3/h 40 32 30 28
MEA conc. mol/l 5,06 5 4,94 4,98
Steam flow rate kg/h 2799 2560 2700 2799
CO2 Mean value 1795,5 1709,5 1817 1830,5
Specific consumption
Mean value GJ/ton CO2 3,41 3,275 3,245 3,33
Efficiency mean value % 85 85 85 85
Stripper Pressure bar 1,8 1,8 1,8 1,8
Verifica del bilancio di massa
Principali parametri di processo
Ottimizzazione del consumo energetico
Errore sul bilancio: < 5%
Minimo consumo energetico ~ 3.3 GJ/ton CO2
Efficienza di cattura della CO2 (media): ~ 85%
Primi risultati sperimentali (MEA al 30%)
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Uso: Riservato aziendale
Le previsioni di sviluppo della tecnologia
Diminuzione penalizzazione della tecnologia di cattura
Le tecnologie di prossimo sviluppo
15105 20
Sorbenti amminici MEA (impiegati a Brindisi e per
futuro PT)
Sorbenti liquidi
Tecnologie di attuale interesse per progetti di ricerca in Enel
2
4
6
8
10
12
14
Perd
ita e
ffic
ien
za (
%)
Disponibilità della tecnologia (anni ancora necessari)
I test sui sorbenti utilizzati
nell’impianto pilota di Brindisi
permetteranno di sviluppare
sorbenti innovativi,
caratterizzati da una minor
penalizzazione energetica
Lo sviluppo dei sorbenti liquidi
utilizzati in impianti post-
combustione permetterà di
ridurre anche del 40%-50%
l’impatto della CCS sulla
generazione (per impianti
commerciali costruiti dopo il
2025)
Tecnologie di futuro sviluppo (es. membrane)
I test sul pilota di Brindisi di sorbenti innovativi hanno l’obiettivo di verificare la loro effettiva prestazione energetica e gli associati costi di esercizio.