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CCC/257

Sistemi di raffreddamento del syngas ad alta temperatura
Qian Zhu

Negli ultimi tre decenni i sistemi di raffreddamento del syngas sono stati provati con successo negli impianti IGCC a carbone. L’esito positivo di queste dimostrazioni ha consentito di sviluppare, migliorare e ottimizzare il processo di raffreddamento con recupero del calore per rendere tali sistemi sempre più affidabili ed efficienti.
Il processo di gassificazione consiste nella conversione di un combustibile solido (carbone, petcoke o biomassa) o liquido (oli pesanti) in un gas di sintesi (syngas) poi utilizzato come materia prima per la produzione di idrogeno, ammoniaca e altre sostanze chimiche, o come combustibile per la produzione di energia. Il gas prodotto dalla gassificazione è un gas grezzo, solitamente ad elevata temperatura, contenente sostanze inquinanti – principalmente particolato, composti dello zolfo e composti clorurati. La rimozione di tali sostanze avviene in unità di pulizia del gas a temperatura molto minore rispetto a quella del syngas.
Si rendono quindi necessari sistemi adeguati per il raffreddamento del syngas da porre a monte di queste sezioni.
A seconda della tecnologia di gassificazione, la temperatura del gas prodotto dalla gassificazione può arrivare fino a circa 1600°C, rendendo il recupero di calore essenziale per ottenere elevate efficienze del processo. Si stima che l’uso di un sistema di recupero termico in un impianto di gassificazione possa aumentare l’efficienza del processo di circa cinque punti percentuali rispetto ad un impianto di gassificazione senza recupero del calore.
In commercio esistono tre principali tipologie di gassificatori: a letto fisso, a letto fluido e a flusso trascinato.

I gassificatori a letto fisso possono essere di tipo controcorrente (up-draft) o di tipo equicorrente (down-draft). In entrambe le tipologie la temperatura del syngas prodotto, uscente rispettivamente dall’alto e dal basso del reattore, è relativamente bassa, circa 400-600°C, e pertanto non è economicamente fattibile l’utilizzo di sistemi di raffreddamento ad alta temperatura. Nel caso di reattori a letto fisso il syngas è tipicamente raffreddato mediante contatto diretto con acqua e il calore recuperato è usato per la generazione di vapore a bassa pressione. Sono basati sulla tecnologia di gassificazione a letto fisso i processi Lurgi e British Gas/Lurgi.
Nei gassificatori a letto fluido la temperatura del syngas in uscita è di circa 800-1000°C. All’interno di questi gassificatori il combustibile polverizzato e miscelato con un inerte viene fluidificato con aria o ossigeno e vapore. La temperatura all’interno del reattore pari a 800-1000°C è uniforme e viene raggiunta in tempi molto rapidi consentendo anche la rimozione controllata in situ degli inquinanti e in particolare dello zolfo. A questa categoria di reattori appartengono i processi U-gas, Kellog, Brown &Root (KBR) e quelli ad alta temperatura Winkler (HTW).
I gassificatori a flusso trascinato operano a temperature uniformi e maggiori rispetto agli altri (tipicamente 1200-1600°C) e sono caratterizzati da una cinetica di reazione molto veloce. Le ceneri vengono scaricate fuse (sotto forma di slag). Viste le elevate temperature del syngas in uscita, per questa tipologia di gassificatore è necessario, oltreché vantaggioso, prevedere un recupero termico efficiente. Appartengono a questa categoria i processi GE Energy, Shell e MHI.

Tipologia dei sistemi di raffreddamento
Il syngas caldo prodotto dalla gassificazione può essere raffreddato tramite scambiatori radiativi (Radiant Syngas Cooler, RSC), scambiatori convettivi (Convective Syngas Cooler, CSC), quench diretto ovvero loro combinazioni e quench chimico.
Lo scambiatore radiativo lavora a temperature molto elevate (1200-1400°C) ed il raffreddamento del gas, fino a un livello termico più moderato di circa 900°C, avviene prevalentemente tramite irraggiamento; al suo interno sono generalmente presenti delle pareti divisorie o piastre per aumentarne la superficie di scambio termico. Gli RSC sono sistemi di recupero termico efficiente, consentono infatti il massimo recupero del calore e sono usati per la generazione di vapore ad alta pressione.
Lo scambiatore convettivo è uno scambiatore di calore a fascio tubiero e mantello ed è utilizzato per raffreddare il gas caldo tramite scambio termico per convezione e conduzione, da circa 1000°C fino a temperature di 250-300°C. Il calore scambiato dal syngas durante il raffreddamento è utilizzato per produrre vapore ad alta e media pressione. Questo tipo di scambiatori hanno mostrato ottimi risultati in diversi impianti chimici cinesi che utilizzano processi U-gas per la gassificazione di carboni di basso rango.
Il quench è un’altra tecnologia diffusa tramite cui avviene un raffreddamento molto rapido dei gas ad alta temperatura. Esistono tre tipologie di quench: il quench con acqua, il quench con gas e il quench chimico. Nei primi due si utilizza rispettivamente acqua e syngas come mezzo di raffreddamento e non si ha alcun recupero di calore. Il quench chimico, ancora poco diffuso in ambito industriale, è caratterizzato dal fatto che il syngas viene raffreddato internamente al processo dal progredire delle reazioni endotermiche di gassificazione. In questo modo il calore sensibile del syngas viene sottratto alla corrente gassosa e immagazzinato in nuovi prodotti di reazione.
La scelta tra le tecnologie esistenti dipende da alcuni fattori tra cui il processo di gassificazione, le caratteristiche della carica in alimentazione, l’applicabilità ed ovviamente i costi.
Di seguito sono descritti degli esempi di applicazione dei diversi sistemi di raffreddamento in impianti IGCC già esistenti.

Scambiatori radiativi e convettivi
Quando il syngas prodotto ha una temperatura maggiore di 900°C, nella sezione di raffreddamento sono solitamente presenti gli RSC e i CSC in serie al fine di avere il massimo recupero di calore e aumentare l’efficienza del processo. Questa configurazione è stata dimostrata con successo negli impianti Cool Water IGCC (USA) e Polk IGCC (USA) in cui il syngas prodotto attraversa prima la sezione radiativa, raffreddandosi fino a 800°C, per poi passare nella sezione convettiva, raffreddandosi ulteriormente fino a 315-425°C circa. In entrambe le unità viene generato vapore ad alta pressione. A valle degli CSC è presente la sezione di pulizia del gas per la rimozione del particolato e dei cloruri.

Scambiatori radiativi e quench con acqua
In un’altra configurazione il syngas subisce un primo raffreddamento negli RSC fino a 800-900°C circa con la produzione di vapore ad alta pressione ed un secondo raffreddamento con un quench parziale con acqua fino a 200°C. Questo sistema è stato adottato dalla GE Energy nel 2013 nell’impianto a carbone da 613 MWe di Edwardsport IGCC (USA). Non sono però ancora disponibili dati operativi in quanto, a causa di vari problemi operativi, l’impianto ha iniziato ad operare da Gennaio 2015 col gas naturale.

Quench parziale e scambiatori convettivi
In questa configurazione il syngas caldo viene prima raffreddato mediante quench, fino ad una temperatura molto minore rispetto a quella di fusione delle ceneri e poi viene ulteriormente raffreddato tramite gli scambiatori convettivi. I processi di gassificazione Shell Coal Gasification Process (SCGP) della Shell e PRENFLO della Uhde utilizzano, a valle del gassificatore, il quench parziale con syngas di ricircolo già raffreddato a circa 230-250°C e privo di polveri, abbassando così la temperatura del gas grezzo prodotto da 1500-1600°C fino a 800-900°C circa. La temperatura viene poi ulteriormente ridotta tramite la sezione convettivo. La tecnologia Shell è stata commercialmente dimostrata nell’impianto Buggenum IGCC (Olanda), chiuso nel 2013, mentre la tecnologia Uhde è stata applicata con successo nell’impianto di Puertollano IGCC (Spagna), tuttora in esercizio.
Nei gassificatori a flusso trascinato a doppio stadio è presente a monte degli CSC il cosiddetto quench chimico. Il calore sensibile del syngas in uscita dal primo stadio del reattore è utilizzato nelle reazioni endotermiche di gassificazione nel secondo stadio. Il gas caldo prodotto dal gassificatore entra negli CSC a 1000°C circa per un ulteriore raffreddamento e recupero del calore. Alcuni esempi di questa configurazione a doppio stadio con quench chimico sono i gassificatori E-Gas nell’impianto Wabash River IGCC (USA), MHI nell’ impianto Nakoso IGCC (Giappone) e EAGLE nell’ impianto pilota di J-Power Wakamatsu Research Institute (Giappone).

Quench totale
Il quench totale sfrutta un’elevata quantità di acqua per raffreddare il gas e portarlo fino a condizioni di saturazione. Questa tecnologia è ampiamente diffusa e matura e permette di ridurre notevolmente i costi di investimento e aumentare l’affidabilità del processo, riducendo tuttavia di molto l’efficienza complessiva in quanto non è previsto alcun recupero del calore. Questa configurazione, a causa della grande quantità di acqua utilizzata, richiede un sistema complesso per il trattamento delle acque reflue aumentando così anche i costi operativi e di manutenzione.
Un esempio di realizzazione del quench chimico è l’impianto da 262 MWe di Wabash River (USA), con tecnologia E-Gas, in cui il syngas entra nel secondo stadio a circa 1370°C ed esce a circa 1040°C a seguito del quench chimico. A valle del secondo stadio di gassificazione è posto un CSC tramite il quale il syngas è ulteriormente raffreddato generando vapore ad alta pressione (11 MPa).GCau