PSA Adsorbimento ad alta pressione

Il processo PSA (acronimo di “Pressure Swing Adsorpion”) è un processo a secco, introdotto a scala commerciale intorno agli anni ’60; separala CO2 tramite adsorbimento su colonne, in condizioni elevata pressione e bassa temperatura,

per favorire il trasferimento delle componenti gassose sulla superficie dei granuli adsorbenti.

La tecnologie PSA utilizza colonne con riempimento di carboni attivi, allumina, zeoliti o gel di silice, a seconda dei gas che devono essere adsorbiti (CO2, H2O), permettendo viceversa il passaggio del metano, che comunque viene

adsorbito sul solito, seppur in piccola parte. I meccanismi di rimozione son di due tipi, a seconda del tipo di materiale: adsorbimento, su matrici quali il carbone attivo, e stacciatura molecolare nel caso delle zeoliti. L’adsorbimento è reversibile e la capacità di adsorbimento vene ristabilita mediante un processo di rigenerazione.

Descrizione del processo

Il processo, di cui è riportato un esempio in Figura 4.8, è svolto su più colonne in parallelo, generalmente da 4 a 6, in modo da garantire la continuità di trattamento e produzione di biometano.

Figura 4.8: Schematizzazione del principio di adsorbimento di sostanze gassose in una colonna a carboni attivi.

Figura 4.9: Configurazione impiantistica di un sistema PSA (Bio.Ret.E- Quaderni di ricerca 2011).

Il ciclo di funzionamento completo di ogni colonna, che dura tipicamente tra i 2-10 minuti (Bauer et al., 2013), consta di quattro fasi: 1) una prima fase di pressurizzazione tra i 3-10 bar (tipicamente 8 bar); 2) l’alimentazione del biogas con scarico continuo del flusso privato dell’anidride carbonica; 3) lo scarico mediante depressurizzazione; e la 4) fase di spurgo. La prima parte del flusso generato dallo scarico viene inviata ad una colonna adiacente vuota, allo scopo

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Le tecnologie per l’upgrade del biogas

principale di pressurizzarla, risparmiando energia. In questo modo si ottiene però anche il beneficio che il metano rilasciato per desorbimento dalla prima colonna si ritrova nella seconda e viene reso quasi completamente disponibile nel flusso che si genera durante la fase 2) nella seconda colonna, riducendo così lo slip di metano. Raggiunto l’equilibrio tra le due colonne, il collegamento tra le due viene interrotto e viene completato lo svuotamento della prima riducendo la pressione fino al valore atmosferico.

Un ciclo completo in colonna PSA è definito ciclo “Skarstrom”, è mostrato in Figura 4.10 insieme all’andamento qualitativo della pressione per ogni fase. La perdita di pressione complessiva in un ciclo è dell’ordine di 1 bar e questo si svolge ad una temperatura compresa tra 5 e 35°C (Beil&Beyrich, 2013).

Figura 4.10: Schema delle 4 fasi del ciclo PSA con relativo andamento nel tempo della pressione (elaborazione figura Bauer et al., 2013).

E’ opportuno che in alimentazione il biogas sia preventivamente disidratato e trattato per la rimozione di H2S; in

particolare l’idrogeno solforato deve essere rimosso a causa della capacità di legarsi al riempimento in maniera irreversibile e che quindi non può essere rigenerato.

Nel passaggio su carboni attivi o setacci molecolari, vengono inoltre adsorbiti anche l’azoto molecolare (N2, fino al

50% su impianti che trattano portate elevate, Beil&Beyrich, 2013) e l’ossigeno O2. Ciò è possibile agendo sul valore di

pressione applicata o sulla granulometria del materiale di riempimento.

Variando il numero di colonne, aumentano le possibilità di modificare il ciclo di processo per aumentare la produzione di metano, ridurne le perdite ed aumentare l'efficienza energetica del processo.

Nei sistemi di vecchia generazione il recupero del metano era del 94%, con quindi uno slip del 6%, i sistemi più recenti riducono lo slip al di sotto del 2,5 %, con recuperi quindi del 97,5 – 98,5 %. Il tenore di metano nel flusso trattato è compreso tra il 96 e 97%, valori superiori oltre al 99% sono dichiarati da alcuni costruttori, ma comportano minori tassi di recupero. Stante il contenuto non trascurabile di metano nell’off-gas, può risultare opportuno e necessario un trattamento, con tecnologie di ossidazione catalitica o rigenerazione termica, a seconda del contenuto di metano e idrogeno solforato.

I sistemi PSA richiedono un consumo di energia elettrica compreso tra di 0.16 e 0.35 kWhel /Nm3 biogas grezzo, con valori inferiori per gli impianti più recenti, che si collocano generalmente nell0intervallo 0,17 – 0,23 kWhel /Nm3

biogas grezzo in ragione della percentuale iniziale di metano e della pressione nella fase di adsorbimento, che determina conseguentemente la pressione a cui viene reso disponibile il biometano.

Le linee di adsorbimento contano, da lungo tempo, ampie realizzazioni commerciali nel settore della separazione di gas in svariati processi industriali. Insieme al lavaggio con acqua, esse rappresentano il sistema di maggior diffusione, rispetto al quale presentano alcuni vantaggi in termini dell’elevata qualità del gas prodotto (presenza di impurezze e di umidità) senza dover ricorrere all’utilizzo di soluzioni liquide o di altre sostanze chimiche; per contro, gli impianti risultano costruttivamente complessi, con esigenze operative e di controllo raffinate. Può operare a portate variabili nell’intervallo 40- 100% rispetto al valore nominale ed è applicato per un ampio range di portate. Un quadro riassuntivo dei principali vantaggi e svantaggi del sistema è presentato in Tabella 4.5.

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Le tecnologie per l’upgrade del biogas

Tabella 4.5: Caratteristiche distintive dei sistemi con tecniche PSA (Bio.Ret.E- Quaderni di ricerca 2011).

Vantaggi

Svantaggi

Nessuna richiesta di acqua o chemicals Necessità pretrattamenti biogas Tolleranza del sistema a possibili contaminanti nel biogas

grezzo Complessità dell’impianto, di gestione e manutenzione

Rimozione contestuale di O2 e N2 Alti costi di investimento

Numerose esperienze applicative Produzione di acque di scarto, la cui trattabilità va studiata

Possibile recupero CO2 separata Consumi di energia elettrica

Biogas in uscita secco

Nessun consumo di calore

Il processo operato a minori pressioni e desorbimento con vuoto prende il nome di VSA (Vacuum Swing Adsorption), ma a conoscenza degli scriventi non è applicato per l’upgrading del biogas.