Il contributo della chimica per una generazione a zero emissioni : focus su NO x e CO 2

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1 Il contributo della chimica per una generazione a zero emissioni : focus su NO x e CO 2 Sauro Pasini Enel Ingegneria e Innovazione - Ricerca Roma, 21 giugno 2011

2 Schema di un impianto di potenza avanzato zero emissioni 1- NO x 2- CO 2 Caldaia DeNO x FILTRO Sorbente Fuel LJ GGH DeSO x Gesso Soluzione ricca di CO 2 Combustione low-no x Focus: Sezione di abbattimento NO x Ceneri Sezione di abbattimento polveri Sezione di abbattimento SO 2 1. La riduzione degli ossidi di azoto durante la combustione 2. La cattura della CO 2 nei fumi di combustione Sezione di abbattimento CO 2 2

3 La combustione: un fenomeno complesso Tempo Termodinamica Quali reazioni possono avvenire Cinetica chimica In che tempo avvengono Fluidodinamica Come si miscelano le specie chimiche Scambio termico Come si trasferisce il calore Temperatura Turbolenza Il triangolo del fuoco I fenomeni in gioco 3

4 Opzioni per abbattere i NO x nei sistemi di combustione Cinetica formazione/distruzione NO x AIR FUEL THERMAL NO X PROMPT NO X FUEL NO X N 2 A HYDROCARBO N FRAGMENTS CH, CH 2 F NITRIC COMPOUNDS CYANOGEN (HCN, CN) OXYCYANOGEN (OCN,HNCO) F AMMONIACAL SPECIE NO X AMMONIACALI SPECIES E (NH (NH 3, NH 2, NH, N) 3, NH 2, NH, N) B REDUCING ATMOSPHERE B OXIDISING ATMOSPHERE C N 2 B B D G G B B N 2 O H HYDROCARBON FRAGMENTS CH, CH 2 D B B NO X La cinetica dei NO x è determinata da cammini di reazione reversibili e in competizione, che possono essere influenzati agendo sulle condizioni di combustione 4

5 Il controllo dei NO x nel bruciatore L idea: ossidare senza ossidare!

6 Come agire sulla reattoristica di fiamma Swirl basso Swirl medio Swirl alto Aerodinamica di fiamma (numero di Swirl) Caratteristiche Atomizzazione Dimensioni gocce, velocità, angolo di spray Agendo sulle caratteristiche aerodinamiche del bruciatore e del sistema di iniezione del combustibile è possibile realizzare una struttura di fiamma in grado di ridurre la formazione di NO x

7 Bruciatori Low-NO x per caldaie frontali: olio Bruciatore TEA (Triflusso Enel Ansaldo) per olio ΔNO x ~ 60-65% NO x < 450 mg/nm 3 olio NO x < 250 mg/nm 3 gas Circa 4200 MWe installati

8 Bruciatori Low-NO x per caldaie frontali: carbone Bruciatore TEA-C (Triflusso Enel Ansaldo) per carbone ΔNO x ~ 50% Centrale del Sulcis, 250 MWe NO x < 650 mg/nm 3 carbone Circa 1500 MWe installati

9 Reburning Schema reattoristico C I = 85 % C II = 15 % OFA POVERA REB Coal o gas RICCA MB POVERA ASH Schema applicativo

10 Come progettare un sistema di reburning Geometria della caldaia Il progetto di un sistema di reburning è molto complesso: il miscelamento è un fattore critico soprattutto per caldaie di grosse dimensioni. Esistono poi vincoli stringenti legati alla geometria della caldaia esistente. E necessaria una modellistica fluidodinamica, termica e reattoristica molto complessa, per definire le condizioni di progetto ottimali.

11 Meccanismo cinetico complesso Modulo Hydrocarbon Combustion Politecnico di Milano (Ranzi, et al 1998) 190 specie, 2600 reazioni Modulo NO x Politecnico di Milano (Ranzi, et al 1998) 22 specie, 150 reazioni Modulo SO x Università di Leeds (2001) 21 specie, 92 reazioni La chimica del reburning è complessa: centinaia di specie radicali e migliaia di reazioni. Non è ancora possibile accoppiare questa cinetica complessa nei codici fluidodinamici 3D Suddivisione del volume di caldaia in una serie di semplici reattori chimici

12 Meccanismo cinetico complesso Schematizzazione reattoristica della caldaia NO x Geometria Campo di moto Campo di temperature Rete di reattori chimici generata per post-processing

13 Alcune applicazioni sul parco termoelettrico Enel Riduzione NO x = 65 75% NO x finali < 200 mg/nm 3 (olio) 7200 MWe installati

14 Alcune applicazioni sul parco termoelettrico Enel Monfalcone, 320 MWe, olio Vado Ligure, 320 MWe, carbone

15 Schema di un impianto di potenza avanzato zero emissioni 1- NO x 2- CO 2 Caldaia DeNO x FILTRO Sorbente Fuel LJ GGH DeSO x Gesso Soluzione ricca di CO 2 Combustione low-no x Focus: Sezione di abbattimento NO x Ceneri Sezione di abbattimento polveri Sezione di abbattimento SO 2 1. La riduzione degli ossidi di azoto durante la combustione 2. La cattura della CO 2 nei fumi di combustione Sezione di abbattimento CO 2 15

16 Tecnologie di cattura post-combustione Absorption Adsorption Membranes Cryogenics Others Chemical Chemical (TSA) Organic membrane Chemical looping Amines Metal Oxides Polysulphone Caustics Others Others Polyamide Cellulose derivatives Others CO 2 hydrate Physical Selexol Physical (PSA,TSA) Zeolites Inorganic membrane Metallic Microbial /Algae Rectisol Others ACs Si/Al Gels Ceramics Others

17 Lo schema del processo di assorbimento Un sorbente, organico o inorganico, lega in modo reversibile la CO 2 mediante una reazione chimica e la rilascia in seguito ad un innalzamento termico. Sorbente 2 RNH 2 CO 2 CO 2 pura calore RNH-CO RNH ~ 90 % di tutta l energia richiesta Il processo è energeticamente molto penalizzante (30%): è in corso in tutto il mondo un intensa attività di ricerca per sviluppare sorbenti più efficienti.

18 La sfida da vincere: il sorbente ottimale Alta capacità di assorbimento CO 2 Scarsa degradazione & bassa corrosività Sorbente ottimale Bassa energia di rigenerazione Bassa volatilità & migliore stabilità Alta velocità assorbimento & stripping

19 La strategia di ricerca Scala laboratorio Centro Ricerche- Brindisi Scala pilota Centrale- Brindisi Scala dimostrativa Centrale P.to Tolle Fumi 2 Nm 3 /h CO kg/h Valutazione del processo Messa a punto dei protocolli analitici Fumi Nm 3 /h CO kg/h Valutazione prestazioni Analisi emissioni Test su processi innovativi Fumi Nm 3 /h CO kg/h Scale up tecnologia 19

20 Il pilota di scala industriale Lay-out dell impianto Schema della sezione di cattura A Brindisi, presso la centrale Federico II è stato realizzato un pilota industriale da Nm 3 /hr, per testare le effettive prestazioni della tecnologia su una scala significativa : efficienza, consumo energetico, sottoprodotti di reazione, emissioni

21 Captured CO2 kg/h Specific consumption GJ/tCO2 Uso: Riservato aziendale Primi risultati sperimentali (MEA al 30%) Principali parametri di processo Day 18/01/ /01/ /01/ /01/2011 Gas flow rate Nm 3 /h CO2 content %voldry 12,08 12,04 12,33 12,18 Solvent flow rate m 3 /h MEA conc. mol/l 5,06 5 4,94 4,98 Steam flow rate kg/h ,44 3,4 3,36 Mean value 90% CO2 Mean value 1795,5 1709, ,5 Specific consumption Mean value GJ/ton CO2 3,41 3,275 3,245 3,33 Efficiency mean value % Stripper Pressure bar 1,8 1,8 1,8 1, Verifica del bilancio di massa Instrument Liq.Balance ASPEN Mean 3,32 3,28 3,24 3, solvent flow m3/h Ottimizzazione del consumo energetico Errore sul bilancio: < 5% Minimo consumo energetico ~ 3.3 GJ/ton CO 2 Efficienza di cattura della CO 2 (media): ~ 85% B B Il ruolo della chimica B nei temi tecnologici B dell energia, Roma, 21 Giugno

22 Perdita efficienza (%) Uso: Riservato aziendale Le previsioni di sviluppo della tecnologia Diminuzione penalizzazione della tecnologia di cattura Le tecnologie di prossimo sviluppo Sorbenti amminici MEA (impiegati a Brindisi e per futuro PT) Sorbenti liquidi Tecnologie di futuro sviluppo (es. membrane) Tecnologie di attuale interesse per progetti di ricerca in Enel Disponibilità della tecnologia (anni ancora necessari) I test sui sorbenti utilizzati nell impianto pilota di Brindisi permetteranno di sviluppare sorbenti innovativi, caratterizzati da una minor penalizzazione energetica Lo sviluppo dei sorbenti liquidi utilizzati in impianti postcombustione permetterà di ridurre anche del 40%-50% l impatto della CCS sulla generazione (per impianti commerciali costruiti dopo il 2025) I test sul pilota di Brindisi di sorbenti innovativi hanno l obiettivo di verificare la loro effettiva prestazione energetica e gli associati costi di esercizio.

23 Grazie per l attenzione 23