Il contributo della chimica per una generazione · Il ruolo della chimica nei temi tecnologici...

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”



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



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



Il controllo dei NOx nel bruciatore

L’idea:

ossidare senza ossidare!



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



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%



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%



CII = 15 %

CI = 85 %

MB

ASH

OFA

REB

Coal

o gas

POVERA

POVERA

RICCA

Reburning

Schema applicativo

Schema reattoristico



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.



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)


Modulo SOx

Università di Leeds (2001)


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



Meccanismo cinetico complessoSchematizzazione reattoristica della caldaia

Geometria Campo dimoto

Campo ditemperature

NOx

Rete di reattori chimici generata per

post-processing



Alcune applicazioni sul parco termoelettrico Enel

Riduzione NOx = 65 ÷ 75%

NOx finali < 200 mg/Nm3 (olio)

7200 MWe installati



Alcune applicazioni sul parco termoelettrico Enel

Monfalcone, 320 MWe, olio Vado Ligure, 320 MWe, carbone



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



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



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.



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



19

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



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



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%)



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.



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Grazie per l’attenzione

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