Processi di combustione

Una combustione è una reazione esotermica chimica tra combustibile e comburente per produrre calore che dipende dalla qualità del combustibile; il comburente deve contenere ossigeno (aria). Questa reazione genera anidride carbonica: (essendo il 23% dell’aria) corrispondono a 4/0,23 = 17,39 kg di aria. Servono gradienti termici elevati ed una miscela stechiometrica ma non è detto che l’ossigeno interagisca completamente con il metano e per questo motivo si generano incombusti. Se il metano non incontra sufficiente ossigeno interagisce con una quantità minore di e quindi si verifica una combustione incompleta:

+1

2 →

Per evitare gli incombusti si usa un eccesso d’aria:

=

7.1. Tecnologie di cattura della CO

7.1.1. Post-combustione

Il processo di post-combustione è il più diffuso ed il più semplice e la cattura della è effettuata mediante separazione dal gas di scarico ad avvenuta la combustione.

Le tecnologie più diffuse sono quella di assorbimento (chimico e fisico), di adsorbimento (a letto e metodi rigenerativi), processi criogenici, membrane (separazione di gas o assorbimento).

26

 Assorbimento. Il componente gassoso viene assorbito dal solvente liquido che riesce a catturare la e risalendo la porta verso l’alto e la divide dal solvente che ritorna in colonna che lavora in un ciclo chiuso. In testa alla colonna di rigenerazione esce la che entra in un condensatore dove rimane gassosa, e può essere separata dal vapore ritornato liquido che riscende verso il basso e ricircola nel ribollitore.

Es.: Dobbiamo rimuovere il 90% della contenuta in una corrente di gas combusti di 50 kg/s (percentuale di = 7.5%). A tal fine si utilizza una miscela di ammine di portata pari a 12 kg/s. Ricavare: la portata di solvente e di gas in uscita dall’unità di assorbimento; a quantità di calore da fornire allo scambiatore Portata solvente e gas in uscita:

, = + 3,37kg

 Adsorbimento. Viene utilizzato un solvente solido (spugna) in cui le molecole di gas vengono catturate ed ha la funzione di aumentare la superficie di contatto aumentando il percorso del gas e quindi il vantaggio è che non ho bisogno di un riempimento. Lo svantaggio è che è un processo discontinuo in quanto le spugne arrivano a saturazione e devono essere rigenerate: la rigenerazione è effettuata come l’assorbimento, si aumenta la temperatura e la cattura si libera ed esce.

Nella colonna a sinistra avviene il processo di adsorbimento in cui il solvente solido adsorbe appunto e deve essere successivamente “ripulito”; per separare la da questo solvente solido si utilizza un gas caldo (vapore) che riscalda il solido, allora la si libera e viene portata in testa. Nella colonna di sinistra avviene la rigenerazione del solvente attraverso un processo discontinuo e quindi la corrente di viene inviata ad un’altra colonna affiancata così che l’altra si rigenera contemporaneamente.

 Membrana. La membrana è un dispositivo che è selettivo nei confronti di un componente: ammette il passaggio unicamente della . In ingresso abbiamo il gas combusto, abbiamo in uscitala (il ritenuto) e il permeato, descritto dalla legge:

Flusso permeato = permeabilità ∙ ∆

27 La permeabilità è la tendenza che possiede un componente nel

permeare attraverso una membra e rispetto alla è molto elevata, mentre è molto bassa per il resto del gas. Ho una differenza di pressione (o concentrazione) a monte e a valle della membrana ma il passaggio è dato dalla permeabilità. Lavorando sul tempo di permanenza del passaggio del gas all’interno della membrana questo mi garantisce una buona separazione di natura prettamente fisica.

7.1.2. Pre-combustione

Avviene un processo di gassificazione dove si produce un syngas che poi va in un sistema di cattura della . Il syngas, a questo punto, sarà unicamente formato da che, una volta elaborato dal ciclo combinato, produrrà esclusivamente ed energia elettrica.

7.1.3. Oxy-combustione

Il grafico ha in ordinata il lavoro per kg di (quanta energia spendo per catturare un kg di ) mentre sulle ascisse abbiamo la frazione molare della nel gas da trattare: se la è scarsamente presente mi costerà molto in termini energetici rimuoverla. Se andiamo a leggere il bilancio massico 16 g di deve interagire con 278 g di aria per poter far avvenire la combustione in modo stechiometrico.

16 g di CH + 278 g di aria = 44 g di CO + 36 g di H O + 214 g di N

Nelle reazioni non stechiometriche la percentuale sarà ancora più bassa (5-10%) per cui il lavoro di rimozione sarà molto elevato. Per questo si utilizza l’oxy-combustione facendo reagire l’ossigeno puro e quindi non ho l’azoto nei gas combusti:

16 g di CH + 64 g di O = 44 g di CO + 36 g di H O → % =44

80= 55%

Si utilizza il processo ASU (Unità di Separazione dell’Aria) che con una distillazione criogenica (a temperature molto basse) separa la molecola di da sfruttando le diverse temperature di condensazione; le temperature così basse richiedono una spesa aggiuntiva.

28

7.2. Stoccaggio della CO

La è un inerte per cui non può essere riutilizzata sotto forma energetica per cui si attua uno stoccaggio.

Una prima idea è quella di riutilizzarla in pozzi petroliferi saturi dove si riesce più ad estrarre il combustibile fossile. Il problema è il difficile trasporto di da un sito all’altro essendo un gas: non ho un’infrastruttura come il metanodotto. Una soluzione può essere comprimerla oppure condensarla ma in termini energetici ed economici questo processo può essere sconveniente.

7.2.1. Carbon Capture and Utilization

Una seconda idea è quella della carbon capture, ovvero sfruttare il carbonio contenuto all’interno della e quindi realizzo un ciclo di utilizzazione della .

 Metanazione. Utilizzo la per produrre metano e quindi è un perfetto esempio di economia circolare. Ho un duplice problema però, devo produrre che non esiste in natura e per generarlo devo o utilizzare processi di gassificazione (quindi riprodurre ) oppure utilizzare celle elettrolisi dell’acqua (quindi una spesa energetica).

+ 4 → + 2 ∆ = −165 kJ/mol

Questa reazione è endotermica per cui avviene solo ad elevate temperatura attraverso un processo di Sabatier in cui entra il syngas dove, grazie ad un catalizzatore che velocizza la reazione, entra nel reattore a letto fisso e poi entra nella sezione di separazione per condensazione.

 CO2 idrogenazione.

+ 3 → + ∆ = −49,8 kj

mol

2 → + ∆ = −23 kj

mol

In questo caso viene prodotto metanolo che è un prodotto di ampio uso industriale (industria della plastica) e può essere utilizzato come additivo per le benzine (brucia bene)

 Fischer Tropsch.

+ → + reverse WGS ∆ = 41 kj

mol

+ (2 + 1) → +

La mi produe che attraverso la reazione di Fischer Tropsch mi produce metano.

 CO2 to Urea. Anche l’urea è un composto industriale importante: per produrre urea ho bisogno di un carbonato di ammonio e lo produco da ammoniaca e :

+ 3 → 2

29

 Estrazione supercritica. Il gas si trova ad una pressione supercritica (molto elevata) e quindi le sue proprietà fisiche sono un mix fra liquido e gas. La ha il vantaggio di essere supercritica a temperature moderate (sopra i 31°C): la viene mandata ad una pompa, si scalda e la uso come solvente in una colonna di assorbimento per estrarre dei composti da delle matrici vegetali. Il solvente supercritico è a bassa temperatura e per i composti biologici è un processo che avviene ad una temperatura tale per cui le molecole non vengono degradate.