SCOPO DELLA TESI
Allo stato attuale l’economia dei principali paesi industrializzati si basa sull’utilizzo di
Petrolio come principale fonte energetica. A causa del costante sviluppo economico ed
industriale, ed in particolar modo, quello di paesi emergenti come la Cina e l’India che stanno facendo aumentare sensibilmente la richiesta di tale risorsa, il prezzo del petrolio negli ultimi anni ha subito un forte aumento, al punto da indurre a ripensare un eventuale utilizzo di fonti energetiche alternative che finora erano state scartate perché considerate poco convenienti dal punto di vista economico. A spingere verso queste nuove soluzioni vi sono anche altri fattori legati all’esauribilità del petrolio e all’impatto ambientale. In questo contesto l’Idrogeno si inserisce come uno dei principali candidati per svolgere un ruolo importante come vettore energetico, alternativo all’uso di benzine, gasoli e gas naturale. Un ipotetico futuro utilizzo di idrogeno come materia prima per la produzione di Energia Elettrica, Termica ed un suo eventuale utilizzo come carburante nel settore dei trasporti, può portare ad un enorme incremento della sua domanda e rende attuale l’ipotesi di produzione di Idrogeno a livello industriale su larga scala, che può consentire di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Il lavoro svolto in questa tesi si inserisce in un contesto più ampio nel quale si è studiata la produzione di Idrogeno a partire da combustibili solidi. Nel Capitolo 1 sono stati riportati i principali sistemi di produzione d’Idrogeno attualmente conosciuti. Nel Capitolo 2 si focalizza l’attenzione sulla Gasificazione del Carbone (combustibile solido utilizzato dal quale ricaveremo il gas di sintesi da trattare), sia dal punto di vista processistico che per quanto riguarda la reattoristica d’impianto, mentre nel Capitolo 3 ci occuperemo, più nello specifico, dei trattamenti da effettuare al syngas al fine di ottenere una corrente di idrogeno il più pura possibile. (Syngas: gas di varia composizione ricco di CO ed H2, generato nello
Steam Reforming di idrocarburi, per la produzione di idrogeno)
La Water Gas Shift Reaction è la reazione preferita per la conversione del syngas in H2,
perchè attraverso la reazione fra CO ed H2O, aumenta la produzione di idrogeno:
CO + H2O = H2 + CO2 (WGSR)
La WGSR è quindi la reazione della quale ci occuperemo per ottenere l’Idrogeno. Dovremo cercare di ottimizzare la resa di tale reazione mediante l’uso di adatti catalizzatori operanti alle condizioni operative più redditizie. L’ottimizzazione della resa in idrogeno mediante WGSR si inquadra all’interno di un processo di gasificazione di combustibili solidi con
produzione di syngas. Occorre, quindi, reperire dati ed informazioni, su una vasta gamma di apparecchiature convenzionali ed innovative, che consentano di valutare diverse configurazioni all’interno del processo globale. Occorre inoltre fornire correlazioni fra i parametri operativi per ottimizzare la sezione di WGSR. Buona parte del lavoro svolto è stato improntato sul reperimento di materiale (fornito da studi di letteratura) che ci permetta di acquisire le conoscenze adeguate al miglior conseguimento degli obiettivi che ci siamo riproposti (ottimizzazione della Water Gas Shift Reaction, finalizzata alla produzione di idrogeno). Nel capitolo 4, quindi, abbiamo raccolto e catalogato una serie di informazioni che risulteranno utili al fine della scelta e dello sviluppo del modello utilizzato per la nostra configurazione d’impianto.
Lo studio specifico trattato in questo lavoro consiste nell’ottimizzazione della resa in Idrogeno, ottenuta mediante Water Gas Shift Reaction applicata al syngas proveniente dalle precedenti fasi:
• Gasificazione del carbone: dal quale si ottiene il syngas
• Pulizia del syngas ottenuto: al fine di rimuovere le sostanze inquinanti (prevalentemente NH3, HF, HCl, H2S e particolato) che rendono il gas non adatto alle
successive lavorazioni o applicazioni del gas ottenuto.
Dalla figura 1.11 si può comprendere in maniera più chiara il contesto nel quale andiamo a lavorare ed il settore di interesse dello studio di questa tesi (“Water Gas Shift Section”):
GAS CLEAN UP AND HEAT RECOVERY
Steam Cycle Sulfur
Removal
ASH
Removal Heat RecMP Heat Rec HP QUENCH Air/ O2 Coal Steam Hydrogen Ash
WATER GAS SHIFT SECTION
heat
recovery LOW T REACTOR HIGH T REACTOR PSA UNITS heat recovery exhaust gas
GAS TURBINE COMBUSTOR
HYDROGEN SEPARATION GASIFICATION Power Power Steam 6
Fig. 1: Schema di un Processo di Produzione di Idrogeno da Combustibili Solidi
Lo scopo che ci siamo riproposti è quello di massimizzare la resa in Idrogeno minimizzando
la massa catalitica necessaria a tale fine.
Minimizzare la massa catalitica porta ai seguenti vantaggi:
• Riduzione del costo per il catalizzatore • Riduzione del volume catalitico
• Riduzione delle dimensioni del reattore catalitico, con notevoli risparmi sull’impiantistica, sia di costruzione che di manutenzione, e con vantaggi dal punto di vista della praticità per gli addetti ai lavori sull’impianto
Nel capitolo 5, sulla base delle conoscenze attuali, delle informazioni reperite, e del contesto in cui andiamo a lavorare, svilupperemo il modello impiantistico che ci sembra più appropriato al fine dell’ottenimento dei risultati che ci siamo prefissati. Su tale modello faremo delle prove di sensitività, a diverse condizioni operative (P, T, Portata di Vapore,), al fine di ottenere una corrente con un alto tasso di purezza in idrogeno minimizzando, per quanto possibile, la quantità di catalizzatore utilizzato.
