Risultati delle simulazioni

Dopo aver terminato con le operazioni preliminari di aggiustamento delle condizioni operative dell’impianto, che hanno portato alla definizione dell’impianto base di riferimento, si mostrano ora i risultati dell’analisi di sensibilità. Per effettuare tale analisi sono state usate procedure simili a quelle utilizzate per l’analisi dell’impianto chimico. In Tabella 5.10 si riportano i parametri operativi e i valori utilizzati.

Tabella 5.10 Parametri operativi, valori di riferimento e condizioni valutate nelle simulazioni.

Rispetto all’analisi dell’impianto chimico sono stati esclusi dall’analisi i valori dell’efficienza di conversione e della temperatura del reformer.

L’efficienza di conversione definita nel Capitolo 2 come (2.22): tSi== _IISiS=9,Ÿ²shi³A

Si=,i±hA>³i³A 4 848 °C 850 °C 2 Condizioni valutate Riferimento Parametro operativo S/C reformer 3.5 4 4.5 835°C 850°C 865°C 1.5 2 2.5 TOUT calcinatore S/C calcinatore TOUT oxidator 800°C 848°C 900°C

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è un parametro puramente tecnologico che dipende dalla capacità del sorbente di mantenersi attivo dopo un gran numero di cicli. Come precedentemente spiegato tale valore è relativamente basso e compreso tra il 10 e il 20% per un sorbente naturale come il CaO. Per questo parametro un’analisi di sensibilità risulta poco significativa in quanto il miglioramento delle caratteristiche del sorbente porterà ad avere dei vantaggi in termini di riduzione della massa dei solidi non reattivi presenti nell’impianto, e quindi in termini economici, e non in termini termodinamici (vedi Tabella 4.8). Il valore è stato quindi fissato a 15%.

La temperatura del reformer è stata mantenuta costante a 700°C poiché in riferimento alla Figura 2.14 del Capitolo 2, si può notare come non si abbiano vantaggi a modificare tale temperatura. All’aumentare di essa infatti diminuisce la conversione mentre ad una sua diminuzione non si ha un vantaggio di conversione ed anzi si hanno rallentamenti in termini di cinetica e problemi di formazione di Ca(OH)2. Queste considerazioni sono state verificate

anche nelle simulazioni effettuate sull’impianto chimico (Tabella 4.6).

In Tabella 5.11 si riportano i risultati completi delle analisi di sensibilità effettuate.

Tabella 5.11 Risultati dell’analisi di sensibilità effettuata variando singolarmente i parametri ritenuti significativi.

Analizzando i risultati si possono trarre le seguenti considerazioni:

3.5 4 4.5 800°C 848°C 900°C 51.29% 50.77% 50.25% 50.10% 50.77% 51.61% 71.47% 74.61% 77.00% 70.96% 74.61% 79.13% 59.39% 62.00% 63.98% 58.97% 62.00% 65.76% 79.70% 82.99% 86.18% 86.07% 82.99% 77.21% 81.2 68.7 59.3 57.8 68.7 86.7 3.02 3.14 3.29 3.35 3.14 2.92 12.35 12.35 12.35 15.44 12.35 8.98 299.9 305.4 310.4 303.6 305.4 307.4 149.2 146.5 142.5 168.4 146.5 122.3 13.0 13.7 14.3 15.0 13.7 12.0 9.3 9.8 10.2 12.6 9.8 7.1 426.7 428.3 428.5 444.4 428.3 410.6 1.5 2 2.5 835°C * 850°C 865°C 50.90% 50.77% 50.60% 50.25% 50.77% 50.74% 74.24% 74.61% 74.68% 74.91% 74.61% 73.33% 61.69% 62.00% 62.06% 62.25% 62.00% 60.94% 82.98% 82.99% 82.99% 82.99% 82.99% 82.98% 68.6 68.7 69.0 69.4 68.7 68.8 8.36 12.35 16.37 11.61 12.35 24.41 3.07 3.14 3.23 3.41 3.14 3.16 305.2 305.4 305.4 305.5 305.4 304.8 149.8 146.5 144.6 140.1 146.5 155.1 13.8 13.7 13.7 13.7 13.7 14.0 9.7 9.8 9.8 9.6 9.8 10.4 431.6 428.3 426.5 422.2 428.3 435.5

*T del pre-reforming abbassata a 680°C ΔTeq calcinatore (°C) Potenza Totale (MW) ΔTeq calcinatore (°C) Potenza ausiliari (MW) Potenza Totale (MW) Potenza ausiliari (MW) Potenza Totale (MW) Compressione CO2 (MW) ε cattura emissioni specifiche CO2 (Kg/MWh) ΔTeq calcinatore (°C) SPECCA (MJ/kg) Potenza TG (MW) Potenza HRSC (MW) ΔTeq calcinatore (°C) SPECCA (MJ/kg) Potenza TG (MW) Potenza HRSC (MW) Compressione CO2 (MW) emissioni specifiche CO2 (Kg/MWh) T calcinatore Rendimento elettrico CGE Efficienza moli (H2) S/C calcinatore Rendimento elettrico CGE Efficienza moli (H2) ε cattura S/C reforming Rendimento elettrico CGE Efficienza moli (H2) ε cattura emissioni specifiche CO2 (Kg/MWh) SPECCA (MJ/kg) Potenza TG (MW) Potenza HRSC (MW) Compressione CO2 (MW) Potenza ausiliari (MW) Potenza Totale (MW) Potenza ausiliari (MW) T oxidator Rendimento elettrico CGE Efficienza moli (H2) ε cattura emissioni specifiche CO2 (Kg/MWh) SPECCA (MJ/kg) Potenza TG (MW) Potenza HRSC (MW) Compressione CO2 (MW)

139 • l’S/C del gas naturale alimentato al reformer influenza sia il rendimento globale sia l’efficienza di cattura. Alimentando meno H2O infatti si hanno

risparmi energetici (il rendimento cresce a 51.29%) dovuti al minore utilizzo di vapore ma al contempo una diminuzione dell’efficienza di conversione (59.39%) e della percentuale di CO2 catturata che si riduce a

79.70%. Risulta quindi vera la considerazione fatta durante l’analisi dell’impianto chimico in cui si sosteneva che il costo del vapore è maggiore dei benefici ottenuti da una maggiore conversione. Il valore 4 per l’S/C alimentato al reforming è un valore comunemente utilizzato e difficilmente si scende sotto tale valore ma anzi, spesso si tende ad aumentarlo in quei processi che richiedono maggiore purezza dell’idrogeno prodotto. Utilizzando un S/C più elevato si ottiene una cattura più spinta (86.18%) però si deve accettare un minor rendimento (50.25%). Questo si traduce nell’avere uno SPECCA maggiore infatti, passando ad un S/C di 4.5 lo SPECCA diventa 3.29 MJ/kg_CO

2. La Figura 5.11 riporta i risultati.

Figura 5.11 Prestazioni al variare del rapporto steam to carbon al reformer.

• Come già esposto durante la precedente analisi, la temperatura

dell’oxidator è frutto di un compromesso: aumentandola si hanno dei benefici in termini di rendimento, poiché serve meno calore per la successiva rigenerazione del sorbente, ma si hanno delle perdite di CO2

per decomposizione del CaCO3. Il rendimento passa da 50.77% per 848°C,

a 51.61% per 900°C. Sempre a 900°C però la percentuale di cattura della CO2 scende a 79.13%, un valore troppo basso rispetto alle altre

tecnologie. Questi risultati possono essere visualizzati in Figura 5.12. Lo SPECCA, che tiene conto di entrambi i parametri, è però in questo caso

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più influenzato dal rendimento e si avrà quindi una diminuzione di esso all’aumentare della temperatura. Da questa analisi risulta chiaro che lo SPECCA non può essere l’unico parametro su cui basare l’ottimizzazione dell’impianto, poiché esso indicherebbe di aumentare la temperatura anche oltre i valori testati, non tenendo in considerazione la rilevante diminuzione dell’efficienza di cattura. L’aumento della temperatura dell’oxidator potrà essere fatto quindi solo imponendosi un limite minimo accettabile di efficienza di cattura ed eventualmente variando in contemporanea almeno un altro parametro che invece aumenti l’efficienza di cattura. Aumentando la temperatura inoltre si avrà una minore potenza estratta globalmente dall’impianto poiché, per raggiungere una temperatura più elevata, la portata di ricircolo dovrà essere minore e il generatore E produrrà meno vapore. La diminuzione della potenza del ciclo a vapore è preponderante rispetto al più contenuto aumento della potenza del turbogas e la potenza netta totale risulta inferiore (la potenza dell’HRSC passa da 146.5 MW a 122.3 MW, mentre la potenza della turbina a gas da 305.4 MW a 307.4 MW).

Figura 5.12 Prestazioni al variare della temperatura dell’oxidator.

• Diminuendo l’S/C al calcinatore si hanno, come ipotizzato, vantaggi sul rendimento che cresce da 50.77% a 50.90%. Questi benefici, provocati del risparmio di vapore, sono però molto contenuti e, considerando il rischio di andare incontro a formazione di coke, la scelta di abbassare il valore di S/C non risulta giustificata. Nessuna influenza ha invece questo valore sull’efficienza di cattura che resta costante a 83%.

• Come già enunciato la temperatura di calcinazione è limitata

141 reazioni non volute che coinvolgono l’ossido di rame. La diminuzione della temperatura porterebbe dei vantaggi in termini di rendimento poiché serve meno metano per la rigenerazione del sorbente, tuttavia contemporaneamente è necessario aumentare il valore di S/C in modo da ridurre la pressione parziale della CO2, mediante diluizione, per favorire la

completa decomposizione del carbonato di calcio. In riferimento alla Figura 3.6 del Capitolo 3 si può notare che ad una temperatura di 830°C si può raggiungere una pressione parziale di CO2 di circa 0.4-0.45 bar.

Essendo la pressione operativa del calcinatore circa 1 bar, la concentrazione di CO2 raggiungibile sarà al massimo del 40-45%. Pertanto

il valore di S/C deve crescere fino a 4 per garantire la completa decomposizione. Per questo valore di S/C si ha un ΔT di circa 11° cioè confrontabile con i ΔT ottenuti per le altre condizioni operative riportate in Tabella 5.11. In queste condizioni il rendimento scende a 50.25%. Per effettuare la simulazione a 830°C è stato necessario cambiare la temperatura del pre-reforming (680°C anziché 700°C) a causa della minor capacità termica del flusso caldo con cui scambia. L’efficienza di cattura non è influenzata da questo parametro, per questo motivo lo SPECCA segue un andamento opposto a quello del rendimento. I risultati ottenuti sono riportati in Figura 5.13.

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