Gassificazione e pirolisi

La transizione verso un’energia a basse emissioni di anidride carbonica impone un utilizzo sempre più sostenibile e pulito dei combustibili fossili, tra i quali il carbone. Una via percorribile per l’impiego pulito del carbone è quella della sua gassificazione, termine che indica quei processi che convertono combustibili solidi o liquidi in un combustibile gassoso in condizione autotermica o allotermica. Tale tecnologia permette di utilizzare un combustibile fossile come il carbone per la produzione di vettori energetici puliti come l’idrogeno e l’energia elettrica, rendendolo particolarmente interessante per i prossimi futuri scenari energetici. Ciò premesso, un’importante attività di ricerca del Laboratorio è incentrata sui temi della gassificazione, del successivo trattamamento (decarbonatazione) del syngas prodotto, del processo di “gas clearing” principalmente da tar e zolfo, e separazione della CO₂ con successiva combustione del syngas. Differenti e complesse sono le tecnologie coinvolte. In particolare il Laboratorio opera nei seguenti settori:

Gassificazione del carbone in letto fisso

L’ottica è quella di migliorare il processo di gassificazione nelle sue criticità di esercizio, legate a problematiche di controllo o a singoli componenti specifici. A tal fine vengono condotti test sperimentali presso l’impianto sperimentale di Casaccia (impianto GESSYCA), e presso gli impianti della Piattaforma Pilota di SOTACARBO spa.

Presso l’impianto GESSYCA, il nuovo gassificatore è predisposto all’attività di ricerca e allo sviluppo di opportune metodologie di controllo automatico del processo, per esempio modificando il profilo interno del letto di carbone, con un conseguente beneficio sulla stabilità e continuità del processo di gassificazione. Altro aspetto importante riguarda lo sviluppo di sensoristica speciale e di componenti innovativi, che assicurino un funzionamento stabile e continuo dei dispositivi. Sull’impianto GESSYCA vengono inoltre messi a punto processi di pulizia (clean-up) del syngas per la de-solforazione ed eliminazione del tar in particolare in relazione all’uso di carboni di basso rango (es. Sulcis).

Impianto GESSYCA
Impianto GESSYCA

Impianto GESSYCA: sinottico del sistema di controllo
Impianto GESSYCA: sinottico del sistema di controllo

Referente:
P. Deiana,

 

Cattura della CO₂ ad alta temperatura mediante sorbenti solidi a base di ossido di calcio

È stato sviluppato e realizzato il dimostratore di un processo innovativo di cattura multi-ciclica della CO₂ e dell’H₂S ad alta temperatura da correnti gassose (syngas) prodotto mediante un gassificatore di carbone a letto fluido con ossigeno attraverso l’uso di sorbenti solidi. Per la cattura della CO₂ con sorbenti solidi è stata scelta la tecnologia a “letto fluido” che garantisce l’omogeneità della temperatura nel volume del letto, un buon grado di mescolamento tra catalizzatore e sorbente della CO₂ e facilita la continuità del processo di cattura, favorendo la circolazione del solido verso il reattore di rigenerazione del sorbente.

Dal punto di vista sperimentale, è stato sintetizzato un materiale sorbente per la cattura della CO₂ per mezzo della tecnica dell’idrolisi del CaO e testato differenti catalizzatori. L’attività è volta ad aumentare il più possibile il numero di cicli di assorbimento-rigenerazione, con perdite di efficienza trascurabili, riducendo i costi dell’intero processo.
Il processo di gassificazione, studiato in laboratorio e trasferito sulla piattaforma ZECOMIX, avviene attraverso un reattore a letto fluido bollente da 50 kg/h di carbone in condizione autotermica in cui il mezzo gassificante è una miscela di H₂O e O₂. La reazione esotermica tra carbonio e O₂ serve a fornire il calore necessario per far avanzare le reazioni endotermiche per la gassificazione del carbone. Il materiale del letto è composto prevalentemente da olivina (doppio silicato di ferro e magnesio) granulare. L’olivina agisce anche da catalizzatore per le reazioni di reforming di tar che si vengono a formare durante il processo di gassificazione del carbone.
L’innovativo ciclo di de-carbonatazione e trattamento di clean-up (da zolfo e tar) del syngas, è basato sull’uso di sorbenti solidi ad alta temperatura (ciclo ZECOMIX ad alto rendimento, da cui prende nome l’omonima piattaforma sperimentale, su scala pilota, rappresentativa del complesso ciclo integrato, fino alla produzione di energia). L’interesse verso processi avanzati di tale natura, basati sull’impiego di sorbenti solidi operanti ad alta temperatura (500-700 °C), risiede principalmente nella possibilità realistica di ottenere ridotti costi di rimozione per tonnellata di CO₂, di gran lunga inferiori agli attuali valori per tecnologie industriali più mature. La tecnica è applicabile alla separazione della CO₂ dal gas combustibile (assetto pre-combustion) o dai fumi di combustione (assetto post-combustion). La modellazione di un reattore a letto fluido è una delle attività in cui il laboratorio Processi per la cobustione sostenibile (UTTEI-COMSO) è attivo come partner nel progetto europeo UNIFHY (Unique Gasifier for Hydrogen production)

Schema semplificato della Piattaforma Sperimentale ZECOMIX
Schema semplificato della Piattaforma Sperimentale ZECOMIX

Piattaforma Sperimentale ZECOMIX
Piattaforma Sperimentale ZECOMIX

Profilo termico nel reattore di gassificazione durante la fluidizzazione dell’olivina e la gassificazione del carbone: procedura di avviamento
Profilo termico nel reattore di gassificazione durante la fluidizzazione dell’olivina e la gassificazione del carbone: andamento della temperatura media all’interno del letto fluidizzato (curva in blu) e della temperatura di alimentazione dell’agente fluidizzante/gassificante (curva in rosso)
. Nel dettaglio:
(1) inserimento Olivina;

(2) crescita del letto fluido;

(3) chiusura alimentazione NG, inizio caricamento Carbone;

(4) inizio combustione Carbone;

(5) inizio gassificazione (reazione endotermica), intorno ai 700°C l’alimentazione in aria viene interrotta si passa a O₂ e H₂O;

(6) raggiungimento delle Condizioni di autotermicità: la temperatura del letto inizia a decrescere,  il carbone viene convertito in un gas combustibile e la temperatura media del letto raggiunge un valore stabile a ~900 °C.

Produzione di H₂ e CO durante la fase di gassificazione
Prroduzione di H₂ e CO durante la fase di gassificazione

Maggiori informazioni sono disponibili presso il sito di MERIL (Mapping of the European Research Infrastructure Landscape), dove vengono raccolte le infrastrutture di ricerca di maggiore rilevanza e di eccellenza scientifica in ambito europeo.

Sviluppo di tecnologie avanzate di gassificazione/pirolisi

L’attività concerne la messa a punto di un processo innovativo di pre-trattamento e produzione di syngas pulito, di qualità migliore rispetto ai tradizionali processi di gassificazione di carbonio di basso rango, e di char a basso contenuto di zolfo.
A tal fine è stato messo a punto un sistema integrato di pirolisi preventiva per la rimozione dello zolfo e del tar, e successiva gassificazione del char, da applicare a carboni di basso rango. Per la sua dimostrazione è stato progettato e realizzato un mini-impianto pilota presso il C. R. Casaccia (Impianto VALCHIRIA) per lo studio dell’intero ciclo integrato. La modularità dell’impianto VALCHIRIA permette di utilizzare i principali componenti dello stesso (pirolizzatore e gassificatore) in modo stand alone e di conseguenza affrontare, anche separatamente, gli studi sulle diverse tematiche: pirolisi, gassificazione a letto fluido, trattamento delle due tipologie di syngas (da pirolisi e da gassificazione), abbattimento del tar e dello zolfo.

Impianto VALCHIRIA, durante la fase di realizzazione
Impianto VALCHIRIA (durante la realizzazione)

vista impianti Valchiria

vista2 impianto valchiria
Alcune viste dell'impianto VALCHIRIA


Referente:
S. Stendardo,