Raffreddamento del syngas

Caratteristica comune a tutti i gassificatori a letto trascinato è che il syngas è prodotto ad elevata temperatura; è quindi necessario recuperare calore raffreddando il syngas. Il calore così recuperato è una parte non trascurabile dell’energia chimica del combustibile di partenza, pertanto l’efficienza dell’intero impianto IGCC dipende fortemente dalla bontà termodinamica del processo di raffreddamento. Dal punto di vista termodinamico la scelta migliore sarebbe inviare il syngas ad alta temperatura alla turbina a gas. In questo modo il calore sensibile del syngas contribuisce al riscaldamento del fluido di lavoro: viene convertito in lavoro con la stessa efficienza del ciclo a gas. A parità di temperatura massima del ciclo a gas, che è fissata dai limiti superiori imposti dai materiali, se il syngas è a temperatura maggiore è possibile inviarne al combustore una quantità minore. Inoltre con questa soluzione non ci sarebbe alcuna necessità dei dispositivi di raffreddamento con conseguente semplificazione dell’impianto e riduzione dei costi di investimento. Tuttavia sarebbe necessario realizzare una consistente parte dell’impianto in materiale resistente ad alta temperatura, che sono spesso materiali innovativi e dal costo specifico elevato. Inoltre il syngas all’uscita del gassificatore contiene diverse sostanze come composti dello zolfo oltre a fly ashes e particolato che sono dannosi per la turbina a gas o l’HRSG, o che in ogni caso non possono essere liberate nell’ambiente circostante. È necessario quindi rimuovere queste sostanze dal syngas prima della sua combustione, come sarà illustrato in seguito.

Negli impianti IGCC esistenti sono impiegate tecniche di rimozione, basate su filtri o sistemi ad assorbimento chimico o fisico, che non tollerano gas ad alta temperatura. È necessario raffreddare il syngas fino ad una temperatura intorno ai 250°C prima di inviarlo ai dispositivi di trattamento. Attualmente sono allo studio processi che permetterebbero la pulizia del syngas a temperature più elevate, anche fino a 500°C, che vanno sotto il nome di Hot Gas Clean Up (HCGU). Se fosse possibile effettuare la pulizia del syngas a queste temperature si avrebbero i vantaggi esposti in precedenza: eliminazione di parte degli scambiatori, con una notevole semplificazione dell’impianto, e un più efficiente recupero termico. Tuttavia questi processi sono ancora in fase di sviluppo e non si prevedono applicazioni a livello industriale a breve termine.

31 Negli impianti IGCC esistenti oggi il calore è recuperato attraverso scambiatori ed è utilizzato per generare vapore che poi espande nella turbina a vapore producendo lavoro. Uno scambiatore convettivo tradizionale non è compatibile con la temperatura di uscita dal gassificatore, inoltre il gas contiene ceneri sottoforma di slag allo stato liquido che potrebbero danneggiare i banchi dello scambiatore. Per raffreddare il syngas fino alla temperatura di solidificazione dello slag esistono 4 configurazioni di impianto:

 Syngas cooler radiativo: il raffreddamento dalle condizioni di uscita del gassificatore (1200-1400°C) fino alla temperatura di 900°C avviene in un cooler radiativo: si tratta di una grande camera in cui lo scambio termico avviene soprattutto per irraggiamento. Qui lo slag solidifica e poi viene separato attraverso cicloni. Il syngas viene ulteriormente raffreddato in uno scambiatore convettivo, che lo porta ad una temperatura di 250-300°C. Entrambi gli scambiatori producono vapore ad alta o media pressione che è poi inviato alla turbina del ciclo a vapore. Il recupero termico è efficiente, ma a causa delle dimensioni dello scambiatore radiativo è una soluzione dall’elevato costo di investimento [3].

Figura 2.7: Syngas cooler radiativo e convettivo

 Gas quench: si effettua uno spegnimento (quench) del syngas ad alta temperatura attraverso la miscelazione con syngas ricircolato all’uscita di un

32 cooler convettivo che ha una temperatura di circa 300°C. Il syngas è portato ad una temperatura pari a 900-1000°C. A questa temperatura le ceneri solidificano e vengono separate con un ciclone. A valle del quench il raffreddamento prosegue in un cooler convettivo che produce il vapore ad alta pressione necessario per la turbina a vapore [3].

Figura 2.8: Gas Quench

 Water quench totale: il quench può essere effettuato saturando il syngas con dell’acqua allo stato liquido. In questo caso la temperatura raggiunta dipende dalla pressione di gassificazione, ma di solito è intorno ai 250°C. E’ un sistema molto più economico ed affidabile: non ci sono grandi scambiatori che operano ad elevata temperatura. La quantità di calore recuperata è la stessa dei due casi precedenti, ma si tratta di calore disponibile a temperatura più bassa, che verrà quindi convertito in lavoro con rendimento minore. Con questa configurazione le ceneri vengono recuperate con l’acqua [3].

33 Figura 2.9: Water quench totale

 Water quench parziale: è possibile abbassare la temperatura del syngas attraverso il quench con acqua fino alla temperatura di solidificazione delle ceneri, poi raffreddarlo in uno scambiatore convettivo. In questo modo si elimina lo scambiatore radiativo che è il componente più ingombrante e costoso, ma si produce una certa quantità di vapore ad alta pressione nello scambiatore convettivo. Questa soluzione potrebbe garantire una buona efficienza di conversione senza i problemi legati allo scambiatore radiativo, tuttavia non ha ancora trovato applicazione industriale [6].

Figura 2.10: Water Quench parziale

Le due principali tecnologie commerciali oggi esistenti, che utilizzano le soluzioni descritte per il gassificatore e la configurazione del sistema raffreddamento del singas, sono descritte di seguito:

34  Tecnologia Shell: Il gassificatore è monostadio, raffreddato tramite pareti membranate e con alimentazione a secco tramite lock-hoppers. Combustibile, ossidante e vapore sono alimentati dal basso. Il syngas in uscita dal reattore è raffreddato con quench ad alta temperatura tramite ricircolazione di syngas già raffreddato. Dopo aver separato lo slag tramite cicloni, si utilizza uno scambiatore convettivo per produrre vapore ad alta pressione.

Figura 2.11: Gassificatore di tecnologia Shell [3]

 Tecnologia GE Energy/Texaco: Il gassificatore è monostadio e adiabatico con pareti refrattarie. Il combustibile è alimentato tramite slurry ed entra dall’alto, insieme all’ossidante. Il syngas esce dal basso ad una temperatura leggermente inferiore rispetto al gassificatore prodotto da shell a causa del consumo di calore necessario all’evaporazione dell’acqua. L’alimentazione con slurry permette di raggiungere una pressione di gassificazione maggiore. Per il raffreddamento del syngas sono previste due modalità differenti: il raffreddamento con scambiatore radiativo e convettivo oppure un quench totale con acqua liquida.

35 Figura 2.12: Gassificatore di tecnologia GE Energy/Texaco[3]