Capitolo 3 Tipologie di impianti di purificazione e upgrading

Transcript

1

2 «Biometano» - Produzione (aspetti tecnici) Le tipologie di impianti di purificazione e upgrading più diffuse sono essenzialmente: 1. Assorbimento a pressione oscillante (PSA) 2. Lavaggio ad acqua sotto pressione (PWS) 3. Lavaggio chimico (MEA, DMEA) 4. Lavaggio fisico con solventi organici 5. Metodi di separazione tramite membrane

3 Assorbimento a pressione oscillante (PSA) L impianto di tipo PSA opera il processo di separazione della CO 2 dal CH 4 per mezzo di colonne entro cui vi è materiale adsorbente (generalmente carbone attivo o zeoliti) e applicando pressioni che variano nel corso del processo. A pressioni elevate la CO 2 viene adsorbita dal materiale, il quale viene successivamente rigenerato grazie ad una diminuzione progressiva della pressione applicata Tale principio di funzionamento determina la struttura dell impianto, che risulta costituito da colonne che lavorano in parallelo. In questo modo, quando il materiale adsorbente si satura, il flusso di biogas grezzo viene indirizzato ad un altra colonna in cui il materiale adsorbente è stato rigenerato. I limiti di tale tecnica consistono nel necessario pretrattamento del biogas grezzo allo scopo di eliminare sia l acido solfidrico (H 2 S) che potrebbe legarsi in maniera irreversibile al materiale adsorbente, sia l H 2 O (g) che ne può compromettere la struttura. I pregi di tale impianto consistono in: semplicità di costruzione, dimensioni compatte e ridotte, adatto per impianti di piccola taglia (sino a 250 Nm 3 di gas grezzo trattato per ora).

4 Assorbimento a pressione oscillante (PSA) [Beil, Hoffstede, 2009]

5 Assorbimento a pressione oscillante (PSA) [Beil, Hoffstede, 2009]

6 Assorbimento a pressione oscillante (PSA) [Xebec, 2010]

7 Assorbimento a pressione oscillante (PSA) [Beil, Hoffstede, 2009]

8 Assorbimento a pressione oscillante (PSA) Stato Länder Città limitrofe Operativo da Capacità di immissione di BM in rete Capacità produttiva annua dell impianto di upgrading Processo di upgrading Qualità di gas prodotto Livello di pressione Materia prima Costo di investimento Germania Mecklenburg Western Pomerania Dolgen, Feldberger, Seenlandschaft Nm 3 BM/h 30 Milioni kwh/a PSA H-gas 4 bar Liquami suini, Insilato di mais 2,5 Milioni (finanziamento a tasso agevolato) [Modificato da DENA, 2010]

9 Lavaggio ad acqua sotto pressione (PWS) L impianto di tipo PWS opera secondo lo stesso principio delle tipologie a lavaggio chimico ed a lavaggio fisico con solventi organici. Tale principio si basa sulla maggiore solubilità della CO 2 rispetto al CH 4, in particolare a basse temperature. Pertanto, in una colonna di trattamento riempita di materiale plastico (per aumentare la superficie di contatto tra fase gassosa e fase liquida), il gas grezzo incontrerà un flusso di liquido in controcorrente. Il liquido in uscita sarà arricchito con CO 2, mentre il gas in uscita sarà ricco in CH 4. Gli impianti di tipo PWS, a lavaggio chimico e a lavaggio fisico con solventi organici differiscono tra loro fondamentalmente solo per il tipo di materiale usato per assorbire l anidride carbonica. La tecnica basata sul PWS è la più comune tecnica di upgrading. Gli impianti di tipo PWS sono commercializzati da parte di diverse ditte in un ampia gamma di capacità di trattamento orarie.

10 Lavaggio ad acqua sotto pressione (PWS) [Beil, Hoffstede, 2009]

11 Lavaggio ad acqua sotto pressione (PWS) [Modificato da Richter, 2010]

12 Lavaggio ad acqua sotto pressione (PWS) Stato Länder Città limitrofe Operativo da Capacità di immissione di BM in rete Capacità produttiva annua dell impianto di upgrading Processo di upgrading Qualità di gas prodotto Livello di pressione Materia prima Costo di investimento Germania South-Hesse Darmstadt-Wixhausen Aprile Nm 3 BM/h 12 Milioni kwh/a PWS H-gas 16 bar ton/a di sottoprodotti agricoli (stocchi di mais, scarti di segale, liquami zootecnici) ~3,5 Milioni [Modificato da DENA, 2010]

13 Lavaggio ad acqua sotto pressione (PWS) [DENA, 2010]

14 Lavaggio ad acqua sotto pressione (PWS) Stato Länder Città limitrofe Operativo da Capacità di immissione di BM in rete Capacità produttiva annua dell impianto di upgrading Processo di upgrading Qualità di gas prodotto Livello di pressione Materia prima Costo di investimento Germania Mecklenburg Vorpommern Güstrow Giugno Nm 3 BM/h 460 Milioni kwh/a PWS H-gas 25 bar Colture energetiche dedicate ~100 Milioni [Modificato da DENA, 2010]

15 Lavaggio chimico (MEA, DMEA) Gli scrubber chimici fanno ricorso a soluzioni amminiche. I composti amminici utilizzati sono essenzialmente due: Monoetanolammina (MEA) e Dimetiletanolammina (DMEA). Grazie alle soluzioni amminiche la CO 2 viene assorbita nella fase liquida e reagisce chimicamente con l ammina presente in tale fase. Questa reazione chimica è altamente selettiva, cosicché le perdite di metano possono addirittura essere <0,1%. L ammina legata con la CO 2 si può rigenerare per riscaldamento. Una precisazione importante riguarda l eventuale presenza di H 2 S nel gas grezzo. L acido solfidrico eventualmente presente viene anch esso assorbito dalla soluzione amminica e saranno quindi necessarie temperature più alte per la rigenerazione delle ammine. Nel caso della tecnologia del lavaggio chimico, se ne consiglia pertanto la rimozione preventiva, antecedente la vera e propria fase di upgrading.

16 Lavaggio chimico (MEA, DMEA) [Beil, Hoffstede, 2009]

17 Lavaggio chimico (MEA, DMEA) [ISET, 2008]

18 Lavaggio chimico (MEA, DMEA) Stato Länder Città limitrofe Operativo da Capacità di immissione di BM in rete Capacità produttiva annua dell impianto di upgrading Processo di upgrading Qualità di gas prodotto Livello di pressione Materia prima Costo di investimento Germania Sassonia meridionale Hardegsen Nm 3 BM/h ~45 Milioni kwh/a Lavaggio chimico con ammine (DEA/DMEA) H-gas 16 bar ~ ton/a insilato di mais e insilato di frumento ~11 Milioni [Modificato da DENA, 2010]

19 Lavaggio fisico con solventi organici L impianto che opera il lavaggio fisico con solventi organici è molto simile all impianto PWS (lavaggio ad acqua sotto pressione), con la fondamentale differenza che la CO 2 è assorbita da un solvente organico (aspolyethylene glicol, famiglia dei glicoli polietilenici, PEG), il cui nome commerciale è ad esempio Selexol e Genosorb. Il vantaggio di usare tale solvente organico anziché l acqua, risiede nel fatto che l anidride carbonica è più solubile nel PEG che in acqua. Per tale motivo, a parità di capacità di upgrading, il flusso della fase liquida può essere inferiore. Il risultato è che, a parità di capacità di upgrading, le dimensioni dell impianto possono essere inferiori rispetto all impianto PWS. Come già detto nel caso del lavaggio chimico, anche nel caso del lavaggio fisico con solventi organici la soluzione di PEG è rigenerata mediante riscaldamento e/o depressurizzazione. I contaminanti del processo di upgrading (H 2 S, H 2 O (g), ma anche O 2 e N) vengono eliminati durante il processo di upgrading stesso. Tuttavia, più frequentemente, tali contaminanti vengono eliminati prima della fase di rimozione della CO 2.

20 Lavaggio fisico con solventi organici [Beil, Hoffstede, 2009]

21 Lavaggio fisico con solventi organici [Modificato da Haase, 2010]

22 Lavaggio fisico con solventi organici Stato Länder Città limitrofe Operativo da Capacità di immissione di BM in rete Capacità produttiva annua dell impianto di upgrading Processo di upgrading Qualità di gas prodotto Livello di pressione Materia prima Costo di investimento Germania Sassonia meridionale Ronnenberg Nm 3 BM/h ~28 Milioni kwh/a Lavaggio fisico con solventi organici (BiogasUpgrader ) L-gas 2 bar ~ ton/a insilato di mais, frumento ~4,5 Milioni [Modificato da DENA, 2010]

23 [HAASE, 2011]

24 [HAASE, 2011]

25 Metodi di separazione tramite membrane Le membrane a secco per l upgrading di biogas sono costituite da materiali che sono permeabili alla CO 2, all H 2 O (g) e all NH 3(g), meno permeabili all H 2 S e all O 2 e molto poco permeabili all N 2 e al CH 4. Solitamente le membrane sono in forma di fascio di fibre cave. Il processo di separazione tramite membrane è solitamente effettuato in due fasi. Infatti, prima di entrare nel fascio di fibre cave, il gas subisce un trattamento di filtrazione allo scopo di eliminare H2O(g) e contaminanti, quali gocce di olio e aerosols, che svolgono un azione negativa sulle performance delle membrane. Oltre a ciò, anche l H2S è solitamente rimosso mediante carboni attivi prima che il gas entri nelle fibre cave. [Modificato da Miltner et al., 2009]

26 Metodi di separazione tramite membrane Occorre comunque sottolineare che il metodo di separazione tramite membrane è il metodo classico per l upgrading del gas da discarica (con numerose realizzazioni di grandi capacità operative orarie in USA e Paesi Bassi), mentre è scarsamente diffuso per quanto riguarda le applicazioni su biogas ottenuto da fonti agricole. È interessante tuttavia sottolineare che tale tecnica è particolarmente studiata e sta suscitando un grande interesse nella vicina Austria. Un particolare rilievo va attribuito ad un impianto Austriaco di recente realizzazione. Oltre al fatto di trattare biogas di tipo agricolo, infatti, tale impianto si caratterizza per l utilizzazione del BM prodotto come carburante per autotrazione.

27 Metodi di separazione tramite membrane [Modificato da Miltner et al., 2009]

28 Metodi di separazione tramite membrane Stato Località/ Città limitrofe Operativo da Capacità di immissione di BM in rete Capacità produttiva annua dell impianto di upgrading Processo di upgrading Qualità di gas prodotto Destinazione del gas prodotto Materia prima Austria Margarethen am Moos 2007 ~35 40 Nm 3 BM/h ~28 Milioni kwh/a Separazione tramite membrane H-gas (>95% metano) Carburante per autotrazione Colture energetiche e reflui zootecnici [Modificato da DENA, 2010]

29 Metodi di separazione tramite membrane