Analisi dei risultati delle prove combinate di assorbimento e rigenerazione

Per verificare la possibilità di riutilizzare la soluzione di assorbimento nella colonna di assorbimento, alcune soluzioni ottenute nelle prove di rigenerazione sono state alimentate nuovamente nella colonna di assorbimento (prove 18-AS e 19-AS rispettivamente) dopo un’opportuna correzione per ristabilire la concentrazione iniziale di NaOH nella soluzione di carico (3.8 mol/l).

Inoltre, al fine di ridurre la quantità totale di acqua richiesta per il processo di rigenerazione, le acque reflue del lavaggio finale recuperate nella prova R3a è stata utilizzata per il trattamento di prelavaggio realizzato nella prova R3b insieme con una aggiunta di acqua distillata in modo da raggiungere il valore di L/S imposto.

In Tabella 5.28 e Tabella 5.29 sono riportati i risultati ottenuti per queste prove specifiche rispettivamente di assorbimento e rigenerazione.

Quanto alla fase di assorbimento, le prestazioni del processo in termini di efficienza di rimozione della CO2 non sono sembrati variare in maniera significativa se le soluzioni rigenerate sono state utilizzate al posto delle soluzioni alcaline contenenti solo sostanze pure.

In riferimento alla fase di rigenerazione come può essere notato in Tabella 5.29, i valori di efficienza di rigenerazione complessiva ottenuti nelle prove R3a e R3b sono abbastanza simili.

Tuttavia, la concentrazione di NaOH misurata nella prova R3b è stata più alta di quella osservata nel test R3b.

Questa differenza può essere spiegata considerando che per il trattamento di prelavaggio condotto nella prova R3b sono state utilizzate principalmente le acque di scarto raccolte dopo il lavaggio finale del prodotto solido ottenuto nella prova R3a.

Questa acqua di scarico ha presentato una concentrazione di NaOH di 0.55 mol/l dovuta alla sua aggiunta al prodotto solido della fase di rigenerazione che conteneva più di due litri di soluzione rigenerata. (vedi Tabella 5.29).

Quindi, questi risultati indicano la fattibilità del riutilizzo delle soluzioni alcaline rigenerate nel processo integrato di assorbimento e rigenerazione, un fattore fondamentale per la sostenibilità di questo metodo di upgrading del biogas.

Inoltre, appare possibile un’ottimizzazione nell’uso dell’acqua di processo, in realtà anche vantaggiosa se opportunamente condotta, ad esempio utilizzando l’acqua di scarto adottata per lavare il prodotto della reazione di rigenerazione per la fase di trattamento di prelavaggio.

5.10. Valutazione tecnico-economica del processo di assorbimento con

rigenerazione

Per questo processo la valutazione su scala industriale è stata svolta presupponendo che l'assorbimento sia eseguito utilizzando 3.8 eq/l di soluzione acquosa di NaOH in un rapporto pari a 9 litro di soluzione per Nm3, in modo da ottenere una qualità accettabile di biogas trattato (CH4 > 96 %) (Persson et al., 2006), immettendo biogas con composizione 50% CO2 e 50% CH4 in volume (Lombardi et al., 2012).

Per quanto riguarda la fase di rigenerazione, le prove su scala pilota hanno mostrato che usando la soluzione con NaOH 3.8 eq/l, l'efficienza complessiva della rigenerazione non può superare il 50 % (Lombardi et al., 2012b). I residui di APC devono essere lavati prima di essere utilizzati per la rigenerazione, per rimuovere cloruri (in particolare CaClOH), e anche per essere post- lavati dopo il processo di carbonatazione, al fine di migliorare ulteriormente il loro comportamento rispetto alla lisciviazione dei metalli, in modo conforme ai criteri di smaltimento per il conferimento in discarica dei rifiuti non pericolosi (Baciocchi et al., 2012).

Ipotesi di impianto industriale e taglia dell’impianto

E’ stata fatta un'ipotesi preliminare del processo su scala industriale per stimare la quantità di flusso di entrata e uscita e per definire un layout di massima dell’impianto, come illustrato nella Figura 5.54.

Figura 5.54 Layout di massima di un ipotetico processo industriale di up-grading del biogas per assorbimento con rigenerazione (Lombardi L. et al., 2012b).

Il biogas viene alimentato da un opportuno compressore, alla colonna di assorbimento, ed è aggiornato a biometano; nell’analisi sono escluse le attrezzature per la sua consegna alla rete del gas naturale. La soluzione di assorbimento viene preparata

miscelando gli alcali e l'acqua; a valle della colonna di assorbimento la soluzione spenta viene inviata ad un reattore di carbonatazione in cui è messo in contatto con i residui di APC (precedentemente lavate) e ha luogo la reazione di rigenerazione, la sospensione viene poi filtrata separando la soluzione rigenerata che viene rimandata- dopo opportuna correzione di reagente e acqua - all'ingresso della colonna . I residui di APC in ingresso al processo vengono prima pre- lavati, l'impasto viene poi filtrata, le acque di scarico separate sono raccolte e conservato per un ulteriore trattamento; i residui di APC lavati vengono alimentati al reattore di carbonatazione dove vengono messi in contatto con la soluzione di assorbimento; la sospensione viene filtrata i residui di APC carbonatati vengono post - lavati, la sospensione risultante viene poi filtrata e le acque reflue separate sono raccolte e conservate per un ulteriore trattamento; i residui carbonatati e post-lavati richiedono uno smaltimento finale .

È un dato di fatto che la quantità di residui di APC in ingresso sono proporzionali alla portata di biogas da trattare (Lombardi et al., 2012b ), come mostrato nella Tabella 1.

Tabella 5.30 Quantità richieste di residui di APC in ingresso al variare delle dimensioni dell’impianto di up- grading del biogas per assorbimento con rigenerazione.

Annualmente sono richieste quantità abbastanza grandi di residui.

Considerando che la produzione di residui di APC APC risulta circa il 3% in massa dei rifiuti in ingresso a un inceneritore, la produzione di 2-3 impianti della tipica gamma di dimensioni di quelli italiani (70.000-140.000 t/anno) può coprire il fabbisogno di residui di APC per un impianto di up- grading nel range di dimensioni da 200-300 Nm3/h . Dunque, la taglia di riferimento per le stime preliminari su scala industriale si è ipotizzata a 250 Nm3_{/h di biogas in ingresso. Sono possibili dimensioni maggiori, ma} con un incremento delle distanze di fornitura.

Va aggiunto che le grandi discariche possono produrre più di 1.000 Nm3_{/h di biogas,} quindi un impianto di up-grading del biogas da 250 Nm3/h può essere definito come un impianto di piccola taglia.

La portata media di ingresso e flussi in uscita del processo, in riferimento ad un trattamento di 250 Nm3/h di biogas, sono stati stimati a partire dai dati delle prove in scala pilota (Lombardi et al., 2012b ) e sono riassunti nella Tabella 5.31.

Tabella 5.31 Caratteristiche dei flussi di ingresso e uscita dell’impianto di up-grading del biogas per assorbimento con rigenerazione.

Valutazione economica

Costi di capitale sono stati stimati considerando la colonna di assorbimento; il compressore di alimentazione del gas; tre serbatoi miscelati per pre - lavaggio, post- lavaggio e carbonatazione, pompe, tre filtropresse e tubazioni. Sono stati effettuati dei preventivi per i componenti principali e stimati i costi degli altri. E’ stato calcolato l'ammortamento annuale.

I costi operativi sono stati calcolati ipotizzando 7.200 ore di funzionamento all'anno, compresi i costi della manodopera, energia elettrica, acqua, trattamento delle acque reflue; reagente per la correzione della soluzione rigenerata, manutenzione (calcolata come il 3.5% del costo del capitale) e la remunerazione del capitale finanziario (calcolato come il 7 % del costo di metà del capitale).

Inoltre, sono state fatte diverse ipotesi per quanto riguarda i residui di APC, che di solito sono classificati come rifiuti pericolosi.

Nello scenario di base (scenario 1) il prezzo che viene pagato dall’impianto per i residui È lo stesso con il quale vengono smaltiti.

In effetti, i residui di APC in uscita dopo i trattamenti di lavaggio e carbonatazione possono raggiungere le caratteristiche di rifiuti non pericolosi (Baciocchi et al., 2012). In questo caso, per l'immissione di residui di APC viene pagato dal produttore un prezzo abbastanza elevato per il loro trattamento, che rappresenta un reddito per il processo di Assorbimento con Rigenerazione.

All'uscita del processo di Assorbimento con Rigenerazione i residui di APC non pericolosi possono essere disposti a costi inferiori (Scenario 2). Questo scenario è stato confrontato con il caso base in cui il processo è in grado di produrre residui di APC non pericolosi in uscita.

La tabella 4 riassume i costi considerati e riporta il costo specifico di up-grading nei due casi (Scenario 1 e 2).

Nello Scenario 1, i contributi più importanti per i costi complessivi sono dati dal

reagente per la correzione (circa il 13%), il trattamento delle acque reflue (circa il 46%) e lo smaltimento finale dei residui di APC (33%).

La possibilità di disporre dei residui di APC trattati come rifiuti non pericolosi (scenario 2) permette la riduzione del costo specifico (0.39 €/kWh), che è ancora abbastanza elevato rispetto alle altre tecnologie convenzionali, il cui costo potenziamento specifico è ben al di sotto di 0.10 €/kWh di biometano (Browne J, 2011).

In questo caso, i principali contributi provengono ancora da reagente di correzione e dal trattamento delle acque reflue.