Impianti di cattura della CO 2 basati sull’ossi-combustione

L’ossicombustione è una delle possibili tecnologie di cattura della CO2. e consiste nel bruciare un combustibile utilizzando come comburente ossigeno ad elevato grado di purezza. L’impiego dell’ossigeno al posto dell’aria produce fumi con un’elevata frazione molare di anidride carbonica e un bassissimo contenuto d’inerti (azoto principalmente), risultando principalmente composti da anidride carbonica e acqua (quest’ultima in forma di vapore). L’assenza dell’azoto nel processo di combustione deve essere compensata con il ricircolo di una parte dei fumi, che svolgono la funzione di diluente dei gas di reazione e di moderatori della temperatura di combustione (cfr. CAPITOLO II).

Con il termine “cattura” si fa riferimento al processo di produzione di un flusso di anidride carbonica con livelli di purezza compatibili con il successivo trasporto verso il sito di stoccaggio. Lo stoccaggio, generalmente geologico, viene tipicamente denominato “sequestro”. Il processo è complessivamente identificato con la sigla CCS (Carbon Capture and Sequestration).

Il processo di un impianto CCS basato sull’ossicombustione si distingue, rispetto ad un impianto tradizionale, per la presenza delle seguenti sezioni aggiuntive:

ASU (Air Separation Unit). Impianto di produzione dell’ossigeno dall’aria

CPU (Compression and Purification Unit). Impianto di compressione e purificazione della CO2

ASU – “Air Separation Unit”. L’ossigeno alimentato al sistema di combustione deve

essere prodotto attraverso un processo di separazione dall’aria. Questo processo può essere realizzato attraverso numerose tecnologie: adsorbimento, membrane ceramiche e distillazione criogenica (tabella 8).

La tecnologia più consolidata per grandi capacità produttive è la tecnologia criogenica. La separazione criogenica dell’ossigeno dall’aria è una tecnologia matura e commerciale. La capacità produttiva tipica è di circa 3000 TPD ad unità, mentre sono in progettazione unità fino a 5000 TPD di ossigeno prodotto.

L’ossigeno viene separato dall’azoto per distillazione criogenica, realizzata in due colonne di distillazione separate, esercite a due livelli di pressione diversi.

tabella 8 – Sinottico delle principali tecnologie commerciali per la produzione d’ossigeno[1] Tecnologia Maturità tecnologica Capacità produttiva [TPD] Purezza Adsorbimento Commerciale 10÷15016 88÷94%

Distillazione criogenica Commerciale 80÷3000 90%÷99,9%

Membrane a conduzione ionica

In sviluppo

(scala Pilota) - 99÷99,9%

Dopo un processo di filtrazione, deumidificazione e rimozione dell’anidride carbonica, l’aria viene raffreddata recuperando freddo dai gas in uscita dalla colonna e poi ulteriormente raffreddata fino alla temperatura del processo criogenico. Poi, l’aria viene inviata nelle colonne di distillazione.

Maggiore è la purezza desiderata dell’ossigeno, maggiore è il consumo energetico necessario a rimuovere l’argon dall’ossigeno già separato dall’aria, in quanto questi due gas hanno un punto di ebollizione simile. Una volta arrivati ad una purezza del 97,5% circa, i costi per aumentare la purezza crescono di molto. La purezza massima che l’ASU può raggiungere è il 99% per l’ossigeno gassoso e il 99,9% per l’ossigeno liquido. Il costo di produzione di un impianto criogenico è di circa 250 kWh per tonnellata di ossigeno separata.

CPU – “Compression and Purification Unit”. La combustione con ossigeno al posto

dell’aria ha il vantaggio di rendere disponibili, a valle del processo di combustione, fumi in larga parte costituiti da CO₂ (tipicamente in frazioni molari sul secco prossime o maggiori del 90%). Tuttavia, questo livello di concentrazione, così come la presenza di specie inerti e inquinanti, non è compatibile con il trasporto della CO₂ verso il sito di stoccaggio geologico (“sequestro”) ed è necessario un processo di purificazione, nel quale sono rimosse le specie inquinanti e gli incondensabili.

In tabella 9 sono riportate le penalità energetiche associate alla purificazione della CO2, qualora sia resa disponibile a monte del processo di purificazione col 93% di purezza e alla pressione di 10 bar.

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Impianti basati sulle tecnologie ad adsorbimento e progettati “ad hoc” possono superare la soglia delle 150 TPD. Rimangono tuttavia limiti economici connessi con la realizzazione o il trasporto di serbatoi di grande diametro e limiti tecnologici legati ad una distribuzione efficace del flusso nella camera di adsorbimento. La produzione d’ossigeno con purezze inferiori a quelle massime della tecnologia ad adsorbimento, consente di aumentare la capacità produttiva.

tabella 9 – Penalità energetiche associate alla purificazione della CO2, resa disponibile al 93% di

purezza e alla pressione di 10 bar tecnologia purezza della CO2 contenuto di ossigeno contenuto d’acqua efficienza di cattura penalità energetiche

Sola compressione > 92% 1÷3% 0.5% Prossima al

100% 52 kWh/tCO2 compressione e purificazione (sola rimozione degli incondensabili) > 96% < 0.9% < 450 mg/Nm3 > 89% 113 kWh/tCO2 ( 1 ) compressione e purificazione (rimozione degli incondensabili e degli inquinanti) 99.97% 10 ppmv < 450 mg/Nm3 > 87.4% 122 kWh/tCO2 ( 1 )

(1) Dato modificato sulla base di quello riportato da Allam et al. (2005), relativo alla purificazione di un flusso di CO2 prodotto da processi di ossi-combustione atmosferici. Il dato in tabella è stato ottenuto sottraendo il lavoro di compressione da 1 bar a 10 bar (pressione del processo pressurizzato a cui la tabella fa riferimento). Questa estrapolazione è lecita in quanto il processo di purificazione inizia a pressioni superiori a 10 bar.

Il processo di purificazione della CO₂ consiste in tre operazioni fondamentali: deumidificazione, rimozione degli inquinati e rimozione dei gas incondensabili17. Il processo di deumidificazione si realizza, parzialmente, condensando il vapore presente con scambio a contatto diretto. Per economicità si utilizza una sorgente termica fredda a temperatura ambiente. Il lavaggio dei fumi che si realizza durante il processo di condensazione promuove l’abbattimento delle polveri e rimuove una quota significativa dei gas acidi e degli alogenuri. A valle di questo processo, per rimuovere ulteriormente il vapore acqueo fino a livelli compatibili con il trasporto (<500 ppm), s’impiegano setacci molecolari o sorbenti idrofili rigenerabili.

La rimozione dei gas incondensabili si realizza a pressioni superiori a quella critica della CO₂. Superata la pressione critica, la CO₂ liquida a temperatura ambiente è inviata in una camera pressurizzata, dove gli incondensabili si separano dalla fase liquida. Nella parte superiore del recipiente si raccolgono i gas incondensabili, mischiati alla CO₂ in fase vapore, che si trova in equilibrio con il suo liquido alla temperatura del recipiente. Questo miscuglio viene espulso attraverso uno spurgo. La frazione molare maggiore del flusso espulso è costituita da inerti, che vengono rimossi e inviati in atmosfera dopo essere stati riscaldati ed espansi per un recupero energetico.

17 _{Si fa riferimento ai gas in condensabili nelle condizioni di trasporto della CO2 (110 bar, temperatura}

Poiché una parte della CO2 viene trascinata insieme agli inerti, queste tecnologie impediscono di raggiungere il 100% di efficienza di cattura. Il flusso di CO₂ purificato è, infine, compresso fino alla pressione di trasporto, che dipende dalla lunghezza del gasdotto, ma che è tipicamente maggiore di 110 bar.

Alcuni autori (White 2007[17]) hanno proposto soluzioni di rimozione degli inquinanti integrate con il processo di purificazione della CO2. La caratteristica unificante delle soluzioni integrate è che la rimozione degli inquinanti (prevalentemente SO₂) avviene in modo integrato col processo di rimozione degli inerti, eliminando il bisogno di apparecchiature dedicate per la rimozione degli inquinanti. Tali soluzioni si contrappongono a quelle basate su tecnologie più consolidate, nelle quali avviene prima la rimozione degli inquinanti e successivamente la rimozione degli inerti.