IT9020870A1 - Processo di combustione di idrocarburi in cui si evita la dispersione in atmosfera dell'anidride carbonica prodotta, ed impianto atto a realizzarlo - Google Patents
Processo di combustione di idrocarburi in cui si evita la dispersione in atmosfera dell'anidride carbonica prodotta, ed impianto atto a realizzarlo Download PDFInfo
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Description
Titolo: "Processo di combustione di idrocarburi in cui si evita la dispersione in atmosfera dell'anidride carbonica prodotta, ed impianto atto a realizzarlo".
RIASSUNTO
L'invenzione riguarda essenzialmente un processo di combustione di un idrocarburo, quale il metano, in particolare per la produzione di energia, caratterizzato dal fatto che detto idrocarburo, supponiamo il metano, viene inviato ad un primo stadio in cui viene fatto reagire con l'anidride carbonica prodotta nel corso della combustione, in tale primo stadio realizzandosi le seguenti reazioni:
il carbonio prodotto nella reazione (2) viene separato, e la miscela gassosa prodotta in detto primo stadio viene quindi inviata ad un secondo stadio di reazione con ossigeno, in cui i prodotti di reazione sono vapor acqueo ed anidride carbonica, quest 'ultima venendo totalmente ricircolata a detto primo stadio.
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale
E' ben noto che nei processi di combustione di idrocarburi liquidi e gassosi (come il metano) per produrre energia termica ed elettrica in grande quantità, come ad esempio avviene nelle centrali termoelettri-che, uno dei problemi che sono al momento attuale più sentiti è quello dell'immissione in atmosfera di corrispondentemente elevate quantità di anidride carbonica prodotta nella combustione.
Da più parti di recente si è denunciato il grave problema ambientale di uno squilibrio fra emissioni di CO2in atmosfera e riutilizzo della stessa CO2 nella biosfera.
In altri termini-la velocità di consumo di combustibili fossili a base di carbonio eccede la velocità di fissazione del carbonio, per fotosintesi, dalle piante.
Fintanto che i combustibili fossili (carbone, gas naturale e petrolio) costituiranno la fonte energetica primaria, non è pensabile di dover rinunciare al loro apporto sia pure con una razionalizzazione del loro consumo, anche se è verosimile che in un futuro non prossimo saranno sfruttabili altre forme di energia. Di fronte al rischio ecologico associato all'eccesso di CO2 in atmosfera, è stato ad esempio proposto l'aumento di efficienza nello sfruttamento diretto dell'energia solare, a scopo fotosintetico, tramite microorganismi selezionati che fissano la CO2 e producono combustibili (bioreattore solare).
Tuttavia tale progetto deve essere ancora sviluppato e sperimentato, e resta al momento solo un'ipotesi di soluzione.
La presente invenzione si propone di dare invece al problema tecnico sopra discusso una soluzione concreta e attuabile in termini brevi su scala industriale.
Per la realizzazione di tale scopo, ed altri vantaggi che risulteranno chiari nel seguito della descrizione, la presente invenzione propone un processo di combustione di un idrocarburo, quale il metano, in particolare per la produzione di energia, caratterizzato dal fatto che detto idrocarburo, supponiamo il metano, viene inviato ad un primo stadio in cui viene fatto reagire con l'anidride carbonica prodotta nel corso della combustione, in tale primo stadio realizzandosi le seguenti reazioni:
il carbonio prodotto nella reazione (2) viene separato, e la miscela gassosa prodotta in detto primo stadio viene quindi inviata ad un secondo stadio di reazione con ossigeno, in cui i prodotti di reazione sono vapor acqueo ed anidride carbonica, quest'ultima venendo totalmente ricircolata a detto primo stadio.
Il primo stadio del processo secondo l’invenzione viene attuato ad un valore di pressione scelto entro l'intervallo fra 1 e 50 bar, e di temperatura fra 500 e 800°C, e preferibilmente tra 600 e 700°C a pressioni fra 10 e 40 bar.
Il processo dell’invenzione viene descritto in maggior dettaglio con riferimento alla figura del disegno allegato, che mostra in modo schematico un diagramma di flusso del processo stesso. Lo schema ivi raffigurato è da ritenersi puramente un esempio non limitativo dell'invenzione.
Con riferimento a tale figura, si suppone che un impianto per la produzione di energia mediante combustione di metano 10 preveda di inviare quest'ultimo ad un primo stadio 11 in cui, a condizioni di temperatura e pressione scelte tra quelle sopra descritte, il metano reagisce con l'anidride carbonica alimentata a detto stadio 11 attraverso una linea di flusso 12.
in tale stadio, si svolgono le reazioni (1), (2) e (3) sopra definite, con produzione di carbonio (C), ad esempio nerofumo nella reazione
nerofumo che viene separato, raccolto e stoccato in 13 come prodotto utile.
In uscita dallo stadio 11, la miscela gassosa in esso prodotta, composta da H2, CO e H20, ed anche da CH4 e C02 non reagiti nel primo stadio, viene inviata attraverso 14 ad un secondo stadio 15, al quale è alimentato ossigeno puro attraverso 16.
In tale secondo stadio si realizza una combustione totale di CO, H2 e CH4, con formazione di H20 e CO2. La miscela di tali prodotti di reazione dello stadio 15 è inviata attraverso 17 ad una caldaia 18 di produzione di vapore, e quindi attraverso un recuperatone 19 ed un condensatore 19' per la separazione dell'acqua, raccolta in 20. La C02 separata dall'acqua esce da 20 lungo la linea 21 e attraverso la detta linea di flusso 12, viene totalmente ricircolata a detto primo stadio 11.
Nel disegno, 24 indica una linea di spurgo.
Nello schema sono infine indicate con 22 e 23 le quantità di calore prodotte rispettivamente nello stadio 11 e nella caldaia 18 di recupero del calore di produzione del vapore.
Con riferimento a tale schema, si riporta anche un esempio di esecuzione del processo dell'invenzione, da non intendersi nemmeno in questo caso limitativo in alcun modo.
ESEMPIO
Con riferimento allo schema della figura si descrive ora un esempio con condizioni operative e quantificato del processo.
Al 1° stadio viene avviata la corrente di metano (10), preriscaldata a 600°C alla pressione di 30 atm (assolute) .
La portata di questa corrente è assunta unitaria (1 Kmole/u.t.) comariferimento.
Allo stesso 1° stadio è avviata, previo riscaldamento, la CO2 di riciclo nella misura di 1 Kmole di C02/Kmole di CH4 .
Le condizioni operative del 1° stadio e le modalità di contatto fra le 2 correnti gassose consentono di raggiungere, con ottima approssimazione, l'equilibrio termodinamico a 600°C e 30 atm.
L'effluente gassoso (14) è così composto:
L'effluente solido (13), carbonio sotto forma di nerofumo, è prodotto nella misura C 0,99244 a 1 Kmole/ Kmole di CH4 entrante.
In queste condizioni operative lo stadio 1 richiede immissione di potenza per Q = 5155,5 Kcal/Kmole di CH^ entrante, facilmente recuperabile dal calore sensibile dei gas effluenti dal 2° stadio. La miscela gassosa (14) citata è avviata al secondo stadio (16) dove viene alimentato, preriscaldato e compresso alla pressione di 30 atm, l'ossigeno nella misura di 1 Kmole/Kmole di CH4 entrante.
La combustione stechiometrica porta i gas ai soli C02 (1 Kmole) e H^O (2 Kmoli) a temperature elevate.
Essi gas entrano in caldaia (18) e successivamente in un sistema di recuperatori di calore (19) adibiti a preriscaldare CH4, 02 e la C02 di riciclo. Si sfrutta l'energia dei gas fino alla temperatura di 100°C prelevando complessivamente, fra caldaia e recuperatori, calore (23) per 133.883 Kcal/Kmole di CH4 entrante.
Il condensatore (19') per l'abbattimento finale del vapore d'acqua precede l'unità di separazione (20) fra CO2, da riciclo (21) e l'acqua che esce dall'impianto.
Sulla linea di riciclo è previsto uno spurgo (24) per evitare l'accumulo di specie inerti o in eccesso rispetto ai rapporti stechiometrici.
Tenendo conto dei recuperi effettuati lungo il ciclo per preriscaldare i reagenti, ma trascurando, come inefficace, il valore entalpico della corrente effluente da recuperatori a 100°C, l'energia netta prelevata dal circuito (22+23) vale 110.974 Kcal/Kmole di CH„.
4
Da quanto sopra descritto ed esemplificato, si può in generale comprendere come il processo dell'invenzione consenta di realizzare in modo efficace ed industrialmente vantaggioso un totale ricircolo della C02 prodotta nei processi di combustione del metano, evitando completamente che essa venga immessa nell 'ambiente.
Nel primo stadio del processo viene infatti ottenuto un prodotto costituito da carbonio, ad esempio il nerofumo, recuperabile ed industrialmente utile.
Il secondo stadio, dopo l'abbattimento del nerofumo, effettua l'ossidazione completa con ossigeno puro dei gas di sintesi effluenti dal primo stadio. Questo secondo stadio è fortemente esotermico ed è quello principale dal punto di vista della produzione energetica secondo il processo dell'invenzione. L'uso di ossigeno anziché aria è imposto dalla necessità di non diluire i fumi ed in particolare l'anidride carbonica che deve essere totalmente riciclata.
Dunque, secondo il processo proposto è essenziale la combinazione dei due stadi, di precipitazione del carbonio sotto forma di nerofumo e poi di ossidazione con ossigeno che, insieme, consentono di sfruttare il valore energetico dell'idrogeno contenuto nell'idrocarburo recuperando il carbonio.
I valori di pressione e di temperatura da adottare nel primo stadio dipendono anche dalla pressione iniziale del gas naturale combustibile cosi come disponibile e dell'ossigeno, e dagli equilibri delle reazioni di trasformazione.
Si può dunque affermare che l'invenzione prevede in sostanza una riduzione della CO2 formata nel processo ossidativo dei combustibili liquidi e gassosi, arrestando, per così dire, la combustione all'idrogeno e stoccando, o utilizzando altrimenti, il carbonio, sotto forma ad esempio di nerofumo.
Lo stoccaggio si configura come efficace soluzione, sia pure temporanea, nell'attesa di aver risolto almeno una parte del problema energetico ad esempio con reattori a fusione, o di aver messo a punto e sperimentato i bioreattori solari, o comunque altri progetti di energia alternativa. In ogni caso esso conserva inalterato un elevato potenziale energetico.
Si può osservare che, benché il processo dell'invenzione sia efficacemente applicabile soprattutto ai processi di combustione nelle centrali di produzione di energia, come le centrali termoelettriche, esso è altrettanto validamente applicabile agli impianti in opera per la produzione di nerofumo, anche se in tal caso la produzione di CO2 che viene dispersa nell'ambiente è di entità ben minore rispetto a quella coinvolta nelle centrali di energia termica od elettrica.
Un ulteriore notevole vantaggio dell'invenzione è quello di poter effettuare anche un conveniente recupero di almeno una parte di energia grazie al bilancio complessivamente esotermico del processo qualora si operi entro intervalli di temperature e pressione opportunamente scelti entro gli intervalli sopra descritti.
Claims (6)
- RIVENDICAZIONI 1. Processo di combustione di un idrocarburo, quale il metano, in particolare per la produzione di energia, caratterizzato dal fatto che detto idrocarburo, supponiamo il metano, viene inviato ad un primo stadio in cui viene fatto reagire con l'anidride carbonica prodotta nel corso della combustione, in tale primo stadio realizzandosi le seguenti reazioni:il carbonio prodotto nella reazione (2) viene separato, e la miscela gassosa prodotta in detto primo stadio viene quindi inviata ad un secondo stadio di reazione con ossigeno, in cui i prodotti di reazione sono vapor acqueo ed anidride carbonica, quest’ultima venendo totalmente ricircolata a detto primo stadio.
- 2. Processo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo stadio è realizzato ad una pressione scelta tra 1 e 50 bar, e una temperatura scelta tra 500 e 800°C.
- 3. Processo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto stadio è realizzato ad una pressione scelta tra 10 e 40 bar, ed una temperatura scelta tra 600 e 700°C.
- 4. Impianto per la realizzazione di un processo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo reattore per l'effettuazione di detto primo stadio in cui il metano viene fatto reagire con l'anidride carbonica prodotta nel corso della combustione, in tale primo stadio realizzandosi le seguenti reazioni:il carbonio prodotto nella reazione (2) viene separato, ed un secondo reattore per l'effettuazione di detto secondo stadio di reazione con ossigeno, e di mezzi per ricircolare tutta l'anidride carbonica prodotta in detti stadi a detto primo stadio.
- 5. Impianto secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto di comprendere una caldaia di recupero del calore del vapore prodotto a valle di detto reattore per l'effettuazione di detto secondo stadio, uno o più recuperatori e condensatori per la separazione di detto vapore dall'anidride carbonica, e mezzi per ricircolare quest'ultima a detto primo stadio.
- 6. Processo ed impianto come sopra sostanzialmente descritti.
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