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CCC/232

Sviluppi nella modellazione e simulazione della gassificazione del carbone (CCC/232)

Rohan Fernando

Negli ultimi anni il forte aumento del prezzo del petrolio e del gas naturale ha portato un incremento dell’attenzione sul processo di gassificazione del carbone, dal quale è possibile ottenere un gas combustibile per la produzione di energia elettrica e diversi prodotti per l’industria chimica.
Fra le tecnologie più promettenti vi sono gli impianti IGCC (Gassificazione Integrata a Ciclo Combinato) che presentano basse emissioni di gas serra e consentono di migliorare le prospettive per la generazione dell’energia elettrica. Tuttavia gli elevati costi capitali e le preoccupazioni relative all’affidabilità e alla disponibilità della tecnologia limitano l’introduzione degli impianti IGCC sul mercato; al fine di affrontare questi problemi e di migliorare i progetti futuri, è necessario incrementare la conoscenza dei processi alla base della gassificazione. La gassificazione consiste nella reazione di un combustibile carbonioso con una combinazione di aria, ossigeno e vapore, per produrre specie gassose che possono essere utilizzate sia come fonte di energia che come materia prima per la produzione di prodotti chimici, combustibili liquidi o altri combustibili gassosi. Il presente Report contiene una breve descrizione delle tre tipologie di gassificatori più comunemente impiegati, e esamina i modelli che sono attualmente disponibili per descrivere i diversi processi che avvengono in ciascuno di essi. Tramite lo studio modellistico del processo è possibile progettare nuovi gassificatori e migliorare le prestazioni del sistema. In alcuni casi, i risultati del modello sono confrontabili con i dati reali d’impianto permettendo così di validare il modello. Tuttavia, è raro che attraverso la modellizzazione si risolvano direttamente i problemi operativi di un impianto. I gassificatori in futuro richiederanno una maggiore flessibilità e una maggiore capacità di conversione del combustibile, nonché caratteristiche quali l’affidabilità, la disponibilità, la manutenibilità e una maggiore produttività. Avranno anche la necessità di integrarsi con le tecnologie di cattura e stoccaggio della CO2 (CCS). In un gassificatore avvengono diversi processi complessi (pirolisi delle particelle di carbone, devolatilizzazione del materiale volatile, gassificazione del carbone , reazioni in fase gas, formazione di fuliggine e scorie) e lo sviluppo dei modelli permette una migliore la conoscenza dei fenomeni. I modelli computazionali in combinazione con i dati dell’impianto possono essere utilizzati per valutare il funzionamento del gassificatore, risolvere eventuali problemi, sondare nuovi progetti e fornire dati sulle prestazioni al fine di effettuare scale-up commerciali. L’implementazione di modelli complessi consente, inoltre, di identificare carenze operative, suggerire possibili soluzioni e valutare condizioni che sono difficili da validare sperimentalmente. Tale approccio risulta più veloce e meno costoso rispetto alla costruzione e alla sperimentazione di impianti dimostrativi su differenti scale. Per modellizzare i processi è necessario averne una conoscenza approfondita ed è possibile raffinare i modelli aumentando i dati sperimentali disponibili. Il report prende in esame i modelli che sono attualmente disponibili per ciascun tipo di gassificatore e contiene una breve descrizione dei tre tipi più comunemente utilizzati: gassificatori a letto fisso, a letto fluidizzato e a letto trascinato. L’approccio globale alla modellazione può considerare differenti livelli di complessità in relazione al numero delle dimensioni dello spazio e alla presenza della variabile tempo che caratterizza la dinamicità o stazionarietà del processo. Nel modello zero dimensionale, le variabili in uscita sono valutate in funzione delle variabili in ingresso, senza considerare nel dettaglio i processi che avvengono all’interno del volume di controllo; per tale motivo l’approccio non è adatto a tutti i sistemi. I modelli ad una dimensione possono essere usati con successo per modellizzare tutti i tipi di gassificatori in quanto si assume che tutte le variabili varino lungo una coordinata spaziale, permettendo di valutare il sistema attraverso profili. I modelli a due dimensioni, invece, considerano un sistema a simmetria cilindrica variando le grandezze sia in direzione assiale che radiale. Il modello a tre dimensioni presenta un’elevata complessità computazionale ma in molti sistemi particolari, come nelle geometrie assimetriche, permette di avere una rappresentazione realistica del processo. Anche i modelli CFD sono un potente mezzo per investigare molti tipi d’impianti e negli ultimi decenni hanno giocato un ruolo importante nel miglioramento delle prestazioni del processo di massificazione. FD

Il rapporto originale è consultabile gratuitamente, previa registrazione, all’indirizzo:
http://www.iea-coal.org.uk/site/2010/publications-section/reports