IT201900002763A1 - Metodo e impianto di ossidazione e gassificazione per la produzione di bioetanolo - Google Patents

Description

Titolo: "METODO E IMPIANTO DI OSSIDAZIONE E GASSIFICAZIONE PER LA PRODUZIONE DI BIOETANOLO"

DESCRIZIONE

Campo della tecnica dell'invenzione

La presente invenzione trova applicazione nel settore della produzione di bioetanolo.

Stato dell'arte

Sono noti impianti di prima e seconda generazione per la produzione di etanolo.

Un impianto di prima generazione (1G) di etanolo per autotrazione a partire dalla canna da zucchero tradizionale è schematizzato in figura 1.

Questo conprende una sezione di estrazione dello zucchero (100), una sezione di trattamento e concentrazione del succo zuccherino (300), una sezione di fermentazione (400), una sezione di distillazione (500) e una sezione di disidratazione ( 600).

Più in particolare, la canna da zucchero viene tagliata a pezzi, sfibrata mediante uno shredder e lo zucchero estratto mediante una serie di mulini oppure da un diffusore.

Da questa sezione si ottengono due prodotti: uno è rappresentato dal succo zuccherino destinato a produrre etanolo e l'altro dalla bagassa, il residuo solido, che viene generalmente impiegato come combustibile per generare vapore utilizzato in parte per soddisfare le richieste di impianto e in parte per produrre energia elettrica mediante una turbina a vapore.

L'elettricità così prodotta è usata a sua volta per soddisfare le richieste dell'impianto e l'eventuale surplus è immesso in rete nazionale o locale.

Per quanto riguarda la bagassa, prima di essere bruciata, è sottoposta ad un trattamento allo scopo di ridurne il contenuto di umidità fino al 50%-55%, sia per ragioni di efficienza della corrbustione, sia per ridurre le emissioni .

Questa riduzione di umidità residua, che può essere realizzata mediante l'utilizzo di mulini, comporta tuttavia un sostanzioso consumo energetico e richiede apparecchiature dalla dimensione tutt' altro che trascurabili (sezione di dewatering) .

Il boiler corrprende, inoltre, anche una sezione di trattamento dei fumi della corrbustione allo scopo di rispettare i sempre più stringenti limiti sulle emissioni .

La bagassa può essere inviata in parte o totalmente anche a un impianto etanolo di seconda generazione ( 2G) dove è convertita a etanolo mediante idrolisi enzimatica e successiva fermentazione.

Il residuo solido di un inpianto di 2G (di seconda generazione) è rappresentato dalla lignina, che, in genere, è bruciata per produrre vapore ed energia elettrica.

Dalla sezione di distillazione ( 500) si ottiene principalmente l'alcool idrato, che deve essere sottoposto a successiva disidratazione ( 600) per poter essere usato come carburante da autotrazione da ni scelare alla benzina, e una corrente acquosa carica di conposti organici residui e sali di sciolti che prende il nome di "borlanda" (Stillage o vinasse, in inglese).

La borlanda può essere sottoposta a concentrazione per ridurne il volume, inviata tal quale ad una vasca di evaporazione, usata per irrigare i campi di canna da zucchero, oppure inviata a un impianto di trattamento.

Si noti che per ogni litro di alcool si possono produrre anche 12-14 litri di borlanda.

La concentrazione della borlanda è un processo che richiede un sostanzioso consumo energetico; l'uso tal quale come fertilizzante è ormai vietato in molti Paesi, e inoltre provoca l'arricchimento di sali nei campi prossimi all'impianto, che influenzano negativamente la produttività della canna da zucchero.

Un modo alternativo per smaltire la borlanda, per il quale sono già disponibili commercialmente alcune tecnologie, è quello concentrarla e di spruzzarla nel boiler che brucia la bagassa.

Sempre con maggior frequenza è, quindi, richiesto 10 smaltimento in un impianto di trattamento dedicato, che tuttavia è alquanto complesso, richiede grossi volumi (e quindi spazio nell'impianto), e soprattutto il costo di un impianto di Waste Water Treatment Plant concepito per traguardare una condizione di zero scarichi liquidi (ZLD) è paragonabile a quello dell'intero treno per produrre etanolo.

D'altra parte, l'impianto di trattamento con annessa unità di cristallizzazione al fine di riciclare l'acqua al processo di produzione dell' etanolo è corrpl esso e oneroso.

Mentre un impianto di prima generazione (1G) per la produzione di etanolo può essere alimentato con una qualsiasi biomassa contenente zuccheri fermentabili o amido (ad esempi o canna da zucchero, mais, barbabietola da zucchero, sorgo zuccherino, etc.), un impianto per un processo di seconda generazione (2G) può essere alimentato con diversi materiali lignocellulosici (ad esempio: la bagassa, corn stover, paglia di grano, paglia di riso, residui di foresta, etc.).

Il processo di gassificazione in acqua supercritica La gassificazione in acqua supercritica è una tecnologia recente, che permette la conversione di acque di scarico contenenti composti organici in carburanti con elevato contenuto di idrogeno e di idrocarburi leggeri .

Il trattamento dei composti organici è realizzato in condizioni di tenperatura e pressione alle quali l'acqua si trova in condizioni supercritiche (temperature superiori ai 374 °C e pressioni maggiori di 221 bar).

A queste condizioni l'acqua si comporta come un fluido non polare ed è in grado di solubilizzare materia organica e di rorrperne le molecole.

Normalmente il processo è operato a temperature tra 400°C e 650°C e con pressioni tra 250 bar e 350 bar, e presenta efficienze di conversione interessanti soprattutto per biomassa umida.

L'alta solubilità degli intermedi di reazione limita la formazione di "tar" (un liquido ricco di idrocarburi aromatici di tipo catramoso, anidride carbonica e nanoparticolato, dannoso per gli impianti) e "char" (un solido carbonioso molto simile al carbone) , che sono tra i principali inconvenienti della gassificazione convenzionale.

La gassificazione in acqua supercritica è un'alternativa, oltre alla gassificazione classica, anche alla digestione anaerobica, con la quale condivide il vantaggio di non richiedere una riduzione di umidità del feedstock, ma che ha in più il vantaggio di richiedere tempi di permanenza molto più brevi, dell'ordine di pochi minuti.

Riassunto dell'invenzione

Gli inventori della presente domanda di brevetto hanno sorprendentemente trovato che è possibile risolvere il problema dello smaltimento della borlanda e contenporaneamente eliminare la sezione di dewatering della bagassa mediante un processo combinato di gassificazione (SCWG) e di ossidazione (SCWO) in acqua supercritica.

Oggetto dell'invenzione

Un primo oggetto dell'invenzione è rappresentato da un processo per la produzione di bioetanolo che impiega una fase di ossidazione ed una fase di gassificazione in acqua supercritica.

In un secondo oggetto, è descritto un impianto per condurre il processo dell'invenzione.

Breve descrizione delle figure

La figura 1 riporta lo schema di un processo convenzionale per la produzione di bioetanolo in impianti di prima generazione;

la figura 2 mostra un impianto integrato di prima e di seconda generazione per la produzione di bioetanolo;

la figura 3 mostra lo schema di un impianto secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata dell'invenzione

In accordo con un primo oggetto dell'invenzione è descritto un processo per la produzione di bioetanolo da una biomassa rappresentata dalla canna da zucchero.

In particolare, tale processo conprende le seguenti fasi:

a) estrazione,

b) evaporazione,

c) fermentazione ,

d) distillazione,

e) disidratazione.

Le fasi sopra elencate sono condotte secondo la tecnica nota per gli impianti di prima generazione di bioetanolo.

Dalla fase a) di estrazione si ottiene la bagassa. Dalla fase d) di distillazione si ottiene la borlanda (o stillage).

Per quanto concerne la fase a) di estrazione, questa può essere condotta mediante una prima fase di sfibratura mediante shredder, seguita da una fase di estrazione liquido solido in contro-corrente all'interno di un diffusore; alternativamente, l'estrazione può essere ottenuta con una serie di mulini.

Si ottiene in questo modo dalla canna da zucchero anche un residuo solido che è la bagassa, cioè un residuo ligno-cellulosico caratterizzato all'uscita di un diffusore da un'elevata umidità (anche 85% acqua).

Per quanto concerne la fase d) di distillazione, come sopra descritto, consente di ottenere l'etanolo idrato e, come sottoprodotto di scarto, la "borlanda", che è una corrente liquida ricca di frazione organica, caratterizzata da un COD fino a 30. 000 ( Chemical Oxigen Demand) e ricca di sali disciolti e sospesi.

Per gli scopi della presente invenzione, il processo per la produzione di bioetanolo corrprende una fase di ossidazione.

In particolare, tale ossidazione è condotta sulla bagassa ottenuta dalla fase a) di estrazione.

A tale scopo, tuttavia, la bagassa è sottoposta ad una fase di pre-trattarrento.

Detto pre-trattamento comprende , in particolare: un pre-trattamento termico, e/o

un pre-trattamento chimico .

Mediante il pre-trattamento chimico , agenti chimici (ad esempio , acido solforico) e/o vapore sono impiegati per separare la lignina mediante un processo noto come idrolisi acida.

Mediante il pre-trattamento termico, la bagassa è sottoposta a pirolisi; in particolare, tale pirolisi è condotta ad una temperatura di 400-600°C.

Dalla fase di pre-trattamento della bagassa si ottengono, in particolare, almeno i seguenti sottoprodotti:

un sotto-prodotto gassoso,

- un sotto-prodotto solido,

un sotto-prodotto liquido,

di cui il sotto-prodotto solido è sottoposto alla fase di ossidazione, qui a seguito descritta.

Per quanto concerne il sotto-prodotto gassoso, questo può essere in parte o totalmente impiegato come carburante (fuel) per la stessa fase di pretrattamento.

Per gli scopi della presente invenzione, invece, il sotto-prodotto liquido è inviato ad una fase di gassificazione, che verrà dettagliata nel prosieguo della presente descrizione.

Prima di essere inviato alla fase di ossidazione, il sotto-prodotto solido ottenuto dalla fase di pretrattamento della bagassa può essere trattato con una portata di acqua per aumentarne il contenuto di acqua e renderlo, così, più facilmente pompabile.

Infatti, per l'invio all'ossidazione, lo slurry così ottenuto è preferibilmente pompato ad una pressione di circa 200-250 bar e più preferibilmente di circa 240 bar.

A tale scopo può essere impiegata acqua oppure una qualsiasi corrente liquida contenente un carico organico, come, ad esempio, le acque reflue sanitarie (sanitary waste water).

Tale miscela risulterà avere un contenuto in massa di materiale organico di circa 5-25%(peso).

Come sopra descritto, detta miscela è inviata alla fase di ossidazione.

In un aspetto dell'invenzione, detta miscela può essere inviata anche alla fase di gassificazione.

Secondo la presente invenzione, la fase di ossidazione è condotta con acqua.

Dato che, per gli scopi della presente invenzione, la fase di ossidazione è condotta ad una pressione di circa 225-350 bar e ad una temperatura di circa 700-1.000°C, tale fase comporta l'impiego di acqua in condizioni supercritiche.

Secondo un aspetto preferito dell'invenzione, nella fase di ossidazione è impiegato un agente ossidante che può essere aria oppure ossigeno.

Dalla fase di ossidazione sono ottenuti almeno i seguenti prodotti:

vapore,

- fumi, e

acqua.

Dalla fase di ossidazione si ottiene anche calore, che può essere utilizzato per generare vapore.

In un aspetto dell'invenzione, il vapore è impiegato per la produzione di energia elettrica e per soddisfare i bisogni di impianto; a tale scopo, è impiegata una turbina a vapore collegata ad un opportuno generatore di corrente.

I fumi che risultano dal processo, dopo opportuno trattamento, possono essere rilasciati in atmosfera.

Ad eserrpio, possono essere sottoposti ad una fase di lavaggio, in un opportuno scrubber, dopo una fase di opportuno raffreddamento; alternativamente, possono essere recuperati come corrente ricca di anidride carbonica, specie se è impiegato ossigeno o aria arricchita come agente ossidante.

L'acqua eventualmente recuperata dalla fase di lavaggio può essere inviata alla fase di gassificazione sopra menzionata.

Secondo la presente invenzione, la fase di gassificazione è condotta con acqua.

Dato che, per gli scopi della presente invenzione, la fase di gassificazione alla quale viene sottoposto il sotto-prodotto liquido ottenuto dal pre-trattamento della bagassa, è condotta alla pressione di circa 225-350 bar e ad una temperatura di circa 400-700°C, tale fase comporta l'impiego di acqua in condizioni supercritiche.

In un aspetto dell'invenzione, il calore o parte del calore prodotto con la fase di ossidazione può essere impiegato nel processo della presente invenzione e, in un aspetto preferito, anche nella fase di gassificazione sopra menzionata.

Come sopra descritto, il sotto-prodotto liquido della fase di pre-trattamento è inviato ad una fase di gassificazione.

Dalla fase di gassificazione sono ottenuti complessivamente:

un flusso gassoso, rappresentato da syngas, e un residuo liquido, dopo raffreddamento.

Per quanto concerne il prodotto liquido costituito dai sottoprodotti della gassificazione, in un aspetto preferito dell'invenzione, questo è inviato alla fase di ossidazione, per essere completamente ossidato.

Per quanto concerne il flusso gassoso, invece, questo è composto prevalentemente da idrogeno, metano, anidride carbonica e monossido di carbonio.

Il syngas è destinato successivamente ad una fase di desulfurazione e rimozione parziale o totale dell'anidride carbonica.

Il syngas in quanto tale può essere impiegato per la produzione di metano, dopo opportuna fase di metanazione, o di altri prodotti: metanolo, fuel sintetici tram te Fisher-Tropsh, ammoniaca, urea (utilizzando anche la CO2 della fermentazione) o per incrementare la produzione di etanolo.

Come sopra descritto, dalla fase d) di distillazione, è ottenuta come prodotto di fondo colonna la borlanda (stillage o vinasse).

Per gli scopi della presente invenzione, la borlanda è inviata alla fase di gassificazione sopra descritta.

A tale scopo, la borlanda è sottoposta ad una fase di pre-trattamento chimico ed eventualmente anche termico.

Per quanto riguarda il pre-trattamento chimico, questo conprende una fase di neutralizzazione chimica.

Se necessario, può essere condotto un pretrattamento termico della vinaccia con lo scopo di concentrarla per migliorarne la processabilità e per recuperare l'acqua.

In particolare, la borlanda viene concentrata fino al 15% 60%

Da tale pre-trattamento è ottenuto un prodotto, al quale possiamo fare riferimento come borlanda trattata (o stillage trattato).

Può essere ottenuto, inoltre, un prodotto di spurgo, che viene eliminato, dopo opportuno trattamento.

Per gli scopi della presente invenzione, la borlanda trattata (o stillage trattato) è inviata alla fase di gassificazione.

In un aspetto particolarmente preferito della presente invenzione, la borlanda trattata, o una porzione di essa, può essere miscelata con il residuo solido ottenuto dalla fase di pre-trattamento della bagassa, formando uno slurry che è inviata alla fase di ossidazione e/o alla fase di gassificazione.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione (non mostrato nelle figure), la borlanda trattata, o una porzione di essa, può essere unita alla bagassa non trattata, cioè senza che questa sia stata preliminarmente sottoposta ad alcun pre- trattamento termico, oppure sia stata sottoposta solo ad un trattamento di natura meccanica, formando una slurry, che è inviato alla fase di gassificazione.

Tale aspetto può essere condotto su una porzione della bagassa ottenuta dalla fase di estrazione.

Il rapporto fra portata (in massa) di slurry inviata alla fase di ossidazione e portata liquida totale inviata alla fase di gassificazione è compreso fra 0,5-2; nel caso in cui sia vicino o maggiore a due, il processo consente la produzione di un surplus di energia termica o elettrica, che può essere esportato.

In un aspetto preferito della presente invenzione, la fase di ossidazione e di gassificazione sono entrambe condotte mediante l'impiego di acqua in condizioni supercritiche.

A tale proposito, è possibile attuare un trasferimento di calore diretto fra le due fasi mediante il flusso di acqua proveniente dalla fase di ossidazione ed inviato alla fase di gassificazione.

In un aspetto alternativo dell'invenzione, invece, il trasferimento di calore è indiretto e avviene mediante l'impiego di un fluido intermedio (ad esempio, acqua in condizioni supercritiche) o attraverso una superficie.

Pertanto, per gli scopi della presente domanda di brevetto, le fasi di ossidazione e di gassificazione sono fra loro integrate, almeno dal punto di vista termico, e si può parlare, più in generale, di un processo di ossidazione-gassificazione, al quale sono sottoposti uno o più dei sotto-prodotti del processo di preparazione di etanolo.

In accordo con un secondo oggetto dell'invenzione, è descritto un impianto per condurre il processo sopra descritto.

In particolare, tale impianto comprende:

una sezione di estrazione,

- una sezione di evaporazione,

una sezione di fermentazione,

una sezione di distillazione,

una sezione di disidratazione,

eventualmente, una sezione di pre-trattamento della borlanda,

eventualmente, una sezione di pre-trattamento della bagassa, e

una sezione di ossidazione ed una sezione di gassificazione.

Secondo un aspetto preferito dell'invenzione, l'impianto comprende sia una sezione di pre-trattamento della borlanda sia una sezione di gassificazione.

Secondo un altro aspetto preferito, la sezione di ossidazione e la sezione di gassificazione sono fra loro integrate, almeno dal punto di vista termico.

In un aspetto particolare, nell'impianto della presente invenzione, la sezione di pre-trattamento della borlanda è funzionalmente collegata alla sezione di gassificazione.

Ciò significa che i prodotti ottenuti dalla fase di pre-trattamento termico e/o chimico della borlanda possono essere inviati direttamente alla sezione di gassificazione.

In un altro aspetto particolare, nell'impianto della presente invenzione, la sezione di pretrattamento della bagassa è funzionalmente collegata alla sezione di ossidazione e gassificazione.

Ciò significa che i sotto-prodotti ottenuti dalla fase di pre-trattamento chimico ed eventualmente anche termico della bagassa possono essere inviati direttamente alla sezione di ossidazione e di gassificazione.

Per gli scopi della presente invenzione, come sopra menzionato, la sezione di ossidazione e la sezione di gassificazione sono fra loro integrate.

Ciò significa che uno o più dei prodotti ottenuti da una sezione possono essere inviati all'altra sezione.

Ad esempio, l'acqua ottenuta dalla sezione di ossidazione può essere inviata alla sezione di gassificazione.

In alternativa o in aggiunta, i prodotti liquidi ottenuti dalla fase di gassificazione possono essere inviati alla sezione di ossidazione.

In ogni caso, le due sezioni sono integrate termicamente, in quanto parte del calore sviluppato nella sezione di ossidazione è inviato alla fase di gassificazione.

Come sopra descritto, nella sezione di gassificazione e nella sezione di ossidazione sono condotte, rispettivamente, fasi di gassificazione e di ossidazione con acqua, in particolare con acqua in condizioni supercritiche.

Dalla descrizione sopra riportata della presente invenzione saranno immediatamente noti al tecnico del settore i vantaggi offerti dalla presente invenzione.

Innanzitutto, il processo descritto può essere implementato su impianti già esistenti, apportando le necessarie modifiche.

Inoltre, offrendo un'alternativa allo smaltimento della borlanda per dispersione nei campi, è certamente desiderabile da un punto di vista ambientale.

Allo stesso modo, è favorevole il fatto che l'acqua recuperata a valle del processo è priva di inquinanti e può essere riciclata nel processo.

Dal punto di vista impiantistico, i vantaggi sono numerosi.

Infatti, l'impiego della borlanda in una fase di gassificazione ne consente lo smaltimento, eliminando la necessità di un impianto di trattamento delle acque e relativo processo (waste water treatment).

D'alta parte, l'impiego della bagassa, dopo un opportuno trattamento, in una sezione di ossidazione, consente di eliminare una sezione di dewatering, dato che il residuo di acqua non rappresenta una problematica per l'ossidazione in acqua supercritica.

Gli scarichi gassosi dell'ossidazione necessitano solo di un blando trattamento, non essendo cormnque necessaria una sezione dedicata per il loro trattamento.

L'ottenimento di prodotti quale syngas permette l'ulteriore produzione di etanolo, di metano, fuel sintetici tramite sintesi FT, ammoniaca e urea (utilizzando anche la CO2 della fermentazione).

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI: 1. Processo per la produzione di bioetanolo a partire dalla canna da zucchero comprendente le fasi di: a) estrazione, ottenendo la bagassa; b) evaporazione; c) fermentazione; d) distillazione, ottenendo la borlanda; e) disidratazione, in cui detta bagassa e detta borlanda sono sottoposte ad un processo di ossidazione-gassificazione comprendente una fase di ossidazione e una fase di gassificazione.
2. 2. Il processo secondo la rivendicazione precedente, in cui detto processo di ossidazione-gassificazione è condotto con acqua in condizioni supercritiche.
3. 3. Il processo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui prima di detto processo di ossidazione-gassificazione, detta bagassa e/o detta borlanda sono sottoposte ad una fase di pre-trattamento.
4. 4. Il processo secondo la rivendicazione precedente, in cui detta bagassa è sottoposta ad una fase di pretrattamento termico, ottenendo un sotto-prodotto gassoso, un sotto-prodotto liquido e un sotto-prodotto solido.
5. 5. Il processo secondo la rivendicazione precedente, in cui detto sotto-prodotto liquido è sottoposto alla fase di gassificazione.
6. 6. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 3 a 5, in cui detta borlanda è sottoposta ad una fase di pre-trattamento termico e/o chimico, ottenendo una borlanda trattata.
7. 7. Il processo secondo la rivendicazione precedente, in cui detta borlanda trattata è sottoposta alla fase di gassificazione.
8. 8. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 7, in cui detto sotto-prodotto solido è sottoposto alla fase di ossidazione.
9. 9. Il processo secondo la rivendicazione precedente, in cui prima di detta fase di ossidazione, detto sottoprodotto solido è miscelato ad una portata di acqua e/oppure ad una porzione della borlanda trattata.
10. 10. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 3 a 9, in cui detta borlanda trattata è sottoposta alla fase di gassificazione dopo essere stata miscelata con la bagassa non trattata o una sua porzione.
11. 11. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di ossidazione e detta fase di gassificazione sono fra loro termicamente integrate, direttamente oppure tramite un fluido intermedio.
12. 12. Un impianto per la produzione di bioetanolo a partire dalla canna da zucchero, comprendente: - una sezione di estrazione, - una sezione di evaporazione, - una sezione di fermentazione, - una sezione di distillazione, - una sezione di disidratazione, - eventualmente, una sezione di pre-trattamento della borlanda, - eventualmente, una sezione di pre-trattamento della bagassa, e - una sezione di ossidazione ed una sezione di gassificazione, in cui detta sezione di ossidazione e detta sezione di gassificazione sono fra loro termicamente integrate.