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Anno Accademico 2018-19

Corso di Tecnologie Energetiche Industriali ________________________________________________________

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

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IMPIANTI IGCC (impianti integrati di gassificazione del carbone

con cicli combinati gas-vapore)

Approfondimenti:

Giorgio Cau, Daniele Cocco, Appunti sui Processi di gassificazione

Giovanni Lozza, Turbine a gas e cicli combinati, Editrice Esculapio

https://www.netl.doe.gov/research/coal/energy-systems/gasification/gasifipedia/intro-to-gasification

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

impianto a ciclo combinato gas-vapore

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

Impianto combinato gas-vapore

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

p = 1 bar

T = 1000 °C

Influenza dei parametri α e μ

SEZIONE DI GASSIFICAZIONE (tipologia di gassificatori)

Letto trascinato

GE Energy (ex Texaco)

CB&I E-Gas (ex Destec)

Shell Gasifiers

Siemens Gasifiers

Prenflo Gasifier

MHI Gasifier

Altri …

Letto fisso (o mobile)

Lurgi

BGL (British Gas - Lurgi)

Letto Fluido

KBR (Kellog, Brown & Root) transport gasifiers

Great Point Energy

HTW (High Temperature Winkler)

U-gas

GASSIFICATORI A LETTO FISSO (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, KBR,

U-GAS

GE (ex Texaco), Shell, Prenflo,

CBI (ex 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 – GE-TEXACO

SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO DEL SYNGAS Quench con ricircolo del syngas freddo – SHELL e PRENFLO

SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO DEL SYNGAS Spegnimento (quench) ad alta temperatura – DESTEC-MHI

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