ITMI20092259A1 - Sistema e metodo per separare co2 da fumi di combustione mediante pile mcfc pluri-stack - Google Patents

Description

“SISTEMA E METODO PER SEPARARE CO2 DA FUMI DI COMBUSTIONE MEDIANTE PILE MCFC PLURI-STACKâ€

La presente invenzione à ̈ relativa a un sistema e un metodo per separare CO2 da fumi di combustione mediante pile MCFC pluri-stack.

Più precisamente, l’invenzione ha per oggetto un sistema MCFC, cioà ̈ un sistema con celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC), in particolare un sistema MCFC pluri-stack, cioà ̈ formato da più batterie (stack) di celle MCFC (o da più blocchi di batterie), avente una configurazione interna che gli permette di operare come separatore di CO2 da fumi di combustione generando nel contempo energia elettrica con elevata efficienza, semplificata gestione dei flussi d’acqua (water management) e limitata esigenza di pulitura (cleaning) supplementare dei fumi.

L’invenzione si colloca quindi nel campo dei sistemi per la separazione di CO2 da fumi di combustione e più specificatamente nel settore dei processi e dispositivi capaci di estrarre selettivamente CO2 dai fumi in cui à ̈ diluita, per renderla disponibile concentrata in un flusso gassoso da cui sia facilmente separabile. Ancora più specificatamente, l’invenzione si inserisce nel campo dei sistemi MCFC-CCS, vale a dire dei sistemi in cui mediante celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) si estrae CO2 dai fumi in cui à ̈ diluita e la si concentra in un flusso gassoso ricco di vapore di H2O e sostanzialmente privo di N2 diluente, in modo da facilitarne la successiva cattura (CCS = “Carbon Capture and Storage†).

È nota la capacità degli impianti a celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) di operare la separazione di CO2 da fumi di combustione alimentati al catodo. Sono stati proposti diversi schemi di impianto, con soluzioni sia pressurizzate che a pressione atmosferica.

La capacità delle celle MCFC di estrarre CO2 dal gas catodico e di liberarla nel gas anodico deriva infatti dal principio di funzionamento stesso delle celle; à ̈ però normalmente necessario, per realizzare sistemi CCS efficienti, manipolare il gas di uscita anodo prima della separazione di CO2.

Sono note varie modalità di manipolare l’esausto anodico in modo da ricavare, oltre al flusso di CO2 da “sequestrare†, anche H2O di recupero e combustibili residui da utilizzare, così come à ̈ anche nota una pluralità di modi differenti con cui recuperare energia e/o prodotti ottenuti attraverso tali manipolazioni, all’interno del sistema MCFC-CCS o per usi esterni.

In generale, i sistemi MCFC noti, anche quando configurati come pluri-stack (cioà ̈ formati da più batterie di celle collegate una all’altra), sono costituiti da batterie identiche tra loro ed alimentate in modo da lavorare tutte nelle stesse condizioni nominali di processo. Tuttavia avere nelle stesse condizioni nominali tutte le batterie di un sistema MCFC incorporato in un impianto MCFC-CCS non sarebbe di per sé una regola generale. Infatti, con riferimento al sistema MCFC in quanto tale, à ̈ nota da molto tempo anche l’idea di poter mettere in qualche modo fluidicamente in serie due o più stack, rispetto all’alimentazione anodica, a quella catodica o a entrambe.

Questo (sia pure con riferimento a sistemi MCFC pensati per essere incorporati in un sistema di generazione di energia e non a sistemi MCFC progettati per funzionare come parti di un dispositivo di cattura di CO2) à ̈ stato infatti proposto in modi diversi, ciascuno con una specifica finalità.

Per esempio, EP442352 descrive alcuni schemi in cui le uscite di una prima pila, o loro porzioni, concorrono a generare i flussi di alimentazione di una seconda pila dello stesso tipo (e viceversa porzioni delle uscite di quest’ultima concorrono a loro volta ad alimentare la prima). In questo brevetto le connessioni fluidiche sono studiate per ottenere prestazioni di cella più elevate, grazie al fatto di riuscire a lavorare con percentuali di CO2 in ingresso catodico più alte di quelle che si avrebbero adottando la soluzione classica e impiantisticamente più semplice di ricircolare tutte le uscite anodiche direttamente in ingresso catodo, previa combustione dei combustibili residui.

US5413878 consiglia, sia per migliorare l’efficienza che per favorire il controllo della gestione termica, di mettere fluidicamente in serie (sia lato catodo che lato anodo) due o più stack, ripartendo tra loro la corrente elettrica complessiva che si intende ricavare dal combustibile complessivamente erogato, anziché forzare la generazione in un unico stack.

EP0947022 suggerisce come collegare più stack fluidicamente in parallelo lato anodo ed in serie lato catodo (ma con opportune integrazioni di aria tra uno stack e l’altro), in modo da avere una buona gestione termica, usando stack standardizzati tutti identici tra loro.

È importante notare che tutti gli esempi citati, ed altri consimili che si potrebbero citare, vedono l’intera CO2 accumulatasi nelle uscite anodiche destinata a fungere da reagente catodico all’interno del sistema MCFC stesso, senza prevedere spazi per una sua estrazione e cattura. In altre parole tutta la CO2 in circolazione à ̈ scaricata in atmosfera da una o più uscite catodiche.

La connessione fluidica in serie tra stack in impianti pluri-stack à ̈ nota anche in sistemi ibridi che incorporano pile di diversa tecnologia (per esempio da US6033794, US6623880, US5541014).

US7396603 descrive un esempio di sistema ibrido con pile di diversa tecnologia fluidicamente in serie inserito in un sistema MCFC-CCS; in particolare, questo brevetto descrive un sistema in cui, allo scopo di convertire lo scarico anodico di celle MCFC in un flusso di CO2 idoneo per la cattura mediante eliminazione di H2 residuo, l’esausto anodico delle celle MCFC à ̈ usato per alimentare l’anodo di una pila PEM, idonea per lavorare ad utilizzo di H2 estremamente spinto. In questa soluzione, sono quindi usate due pile fluidicamente in serie (segnatamente lato anodo), ma solo una delle due (MCFC) lavora come separatore di CO2 dai fumi di combustione. La connessione fluidica tra le pile, in questo caso, non ha dunque nulla a che vedere con la “configurazione interna†al sistema MCFC incorporato nell’impianto MCFC-CCS, aspetto cui attiene la presente invenzione.

In definitiva, à ̈ noto che un sistema MCFC pluri-stack non deve necessariamente adottare la soluzione naturale di porre fluidicamente in parallelo tutti gli stack in modo da avere in tutti le stesse condizioni di processo, ma che organizzare in una particolare rete fluidica le loro alimentazioni e i loro scarichi si presta a modificare le caratteristiche funzionali del sistema. Ciò anche se poi oggi, di fatto, praticamente la totalità degli impianti MCFC pluri-stack effettivamente realizzati vede gli stack alimentati in parallelo.

La tecnologia MCFC à ̈ stata sviluppata essenzialmente in vista dell’applicazione alla generazione elettrica, seguendo due orientamenti: pile studiate per operare in pressione e pile studiate per operare a pressione atmosferica.

Per l’applicazione CCS, essendo i fumi rilasciati a pressione atmosferica, usare le MCFC pressurizzate richiederebbe di ricomprimere l’intera portata dei fumi; la conseguente penalizzazione relega inevitabilmente a ruoli marginali le soluzioni pressurizzate.

Le soluzioni operanti a pressione atmosferica sono quindi in generale preferite.

A pressione atmosferica (a meno di non usare aree di cella estremamente ridotte o di stravolgere il disegno della cella, andando così ad incappare in inconsistenze tecniche o economiche ancora più radicali), se si vogliono rendere compatibili gestione termica e rispetto dei limiti sui differenziali di pressione si à ̈ costretti a operare una riforma del metano, tramite reformer interni (disposti cioà ̈ all’interno degli stack).

Sono noti diversi tipi di reformer interni.

Il primo à ̈ quello di tipo diretto (cosiddetto DIR, “Direct Internal Reformer†), con i catalizzatori disposti nel comparto anodico e completamente immersi nell’ambiente di cella. Questa soluzione ha molti vantaggi: sfrutta appieno il calore generato dalle celle, recupera vapore prodotto dalla reazione e beneficia del consumo di H2, che rilancia la conversione di metano. Esempi di reformer di questo tipo sono descritti in US3488226 e US4788110.

Un altro tipo di reformer interno à ̈ quello indiretto (cosiddetto IIR, “Indirect Internal Reformer†), dove i catalizzatori sono collocati in una serie di unità di riforma, ciascuna delle quali à ̈ inserita tra due celle o tra due gruppi di celle. Ogni unità usa il calore cedutole dalle celle contigue, ma non può sfruttare il vapore prodotto in cella né beneficiare del consumo di H2 per far progredire la conversione del metano. In compenso i catalizzatori non vengono a contatto con l’ambiente di cella e sono quindi preservati dall’attacco dei vapori presenti nel gas anodico, compresi quelli di elettrolita. Esempi di reformer di questo tipo sono descritti in US4182795 e US5348814.

È stata proposta anche una variante di reformer IIR che riduce almeno il fabbisogno di vapore: il reformer IIR, uno per cella, funge da secondo stadio, a valle di un primo stadio (esterno alla pila) in cui insieme a metano fresco entra anche il ricircolo di una porzione di esausto anodico.

Un terzo tipo di reformer interno à ̈ noto come AIR o “Advanced Internal Reformer†, e rappresenta in sostanza una combinazione di IIR e DIR, avendo a monte un primo stadio di riforma di tipo indiretto in comune a due o più celle, e a valle un secondo stadio, diretto, in ciascuna cella. Esempi di reformer di questo tipo sono descritti in US4877693, US5175062 e US6974644.

Il reformer tipo IIR, palesemente svantaggiato rispetto ai tipi DIR e AIR in termini di grado di conversione e per la necessità di dover rifornire preventivamente dall’esterno l’intero fabbisogno di vapore, ha però il vantaggio di avere i catalizzatori protetti dai vapori di elettrolita.

Tuttavia, con riferimento alle MCFC per generazione distribuita, l’accresciuto dominio su aspetti chiave della tecnologia, incluso il progresso nella stabilità dei catalizzatori e della loro distribuzione nell’area di cella, ha permesso progressivamente di far lavorare le celle a temperature sempre più uniformi e con valori medi sempre più bassi. Ciò ha attenuato il peso delle perdite di elettrolita in fase vapore e conseguentemente accresciuto la longevità delle pile con reformer interno diretto, rendendo sempre più conveniente adottarle. Per inciso, tali fattori sono meglio sfruttabili e più pronunciati nelle pile AIR che in quelle con semplice DIR e ciò ha progressivamente contribuito alla loro affermazione.

Comunque, nel campo della generazione distribuita, sia le pile con semplice DIR che quelle con AIR sono oggi preferibili e preferite a quelle con IIR.

La situazione si ribalta completamente se il sistema MCFC va usato per applicazioni CCS, perché in quest’ultimo caso l’ossidante non à ̈ aria ma sono dei fumi che, pur a valle di sistemi di purificazione standard, contengono ancora livelli di contaminanti enormemente superiori a quelli dell’aria.

Proprio per questo le soluzioni con reformer diretto, sia DIR che AIR, non si possono usare vantaggiosamente perché richiederebbero una desolforazione supplementare dei fumi estremamente spinta. Per avere durate accettabili, occorrerebbe cioà ̈ pulire i fumi fino a riportarli quasi ai livelli dell’aria stessa. Senza il reformer diretto, invece, il requisito di desolforazione supplementare può essere attenuato drasticamente.

Infatti, col reformer diretto i catalizzatori finiscono per essere esposti anche ai contaminanti presenti nei fumi, siccome alcuni veleni (in particolare lo zolfo e i suoi composti), anche quando vengono introdotti in cella dal lato catodico, finiscono automaticamente, per il gioco delle reazioni con i gas e con i materiali di cella, per essere rilasciati, in toto o in parte, nel gas anodico.

Essendo la gestione termica integralmente affidata al reforming interno, la prematura morte dei catalizzatori rende di fatto inattuabile questa soluzione. Per di più il fenomeno à ̈ ulteriormente accelerato da un meccanismo perverso di retroazione positiva con l’accentuata produzione di vapori di elettrolita.

Le “dinamiche di avvelenamento†dei catalizzatori per sistemi di questo tipo sono al limite di accettabilità già oggi, nell’uso delle MCFC come “semplici generatori†con ossidanti puliti, per cui non ci sono margini per tollerare un aggravio dovuto all’uso di ossidanti più sporchi.

Riportare il livello dei contaminanti dei fumi a quelli tipici dell’aria di processo nell’usuale generazione distribuita richiede delle manipolazioni così spinte da mettere in pratica fuori gioco il sistema. Occorrerebbe infatti ricorrere a costose implementazioni dei più spinti tra i sistemi di abbattimento classici.

Riepilogando :

- le soluzioni pressurizzate sarebbero proponibili solo in quei casi in cui fosse sopportabile l’onere di ricomprimere l’intera portata dei fumi (e fossero disponibili turbocompressori adeguati);

- a pressione atmosferica, o si puliscono i fumi riportandoli praticamente al livello dell’aria o si ripiega sulla soluzione con IIR, nella versione base priva di ricircolo anodico, con evidenti limiti in termini di grado di conversione del metano e di fabbisogno di vapore.

Strade per alzare la conversione del metano pur limitandosi al reformer interno indiretto come quelle indicate da US4365007 o US4702973 risultano difficili ed estremamente rischiose da incorporare efficacemente su sistemi di grossa taglia con celle di grande area.

In definitiva, l’applicazione di celle MCFC a sistemi specificamente destinati alla cattura di CO2 da fumi di combustione (quindi in sistemi MCFC-CCS) richiede preferibilmente sistemi MCFC a pressione atmosferica.

Nel campo della generazione distribuita, le celle MCFC a pressione atmosferica più efficienti sono oggi quelle con reformer interno diretto e segnatamente con AIR.

Però al momento queste celle non sono vantaggiosamente utilizzabili per l’applicazione CCS. Infatti non à ̈ disponibile una soluzione che consenta l’impiego di pile MCFC con reformer interno diretto (DIR o AIR) per realizzare il sistema MCFC di un impianto MCFC-CCS, senza essere costretti a ricorrere di fatto ad adottare a monte del sistema MCFC un sistema di cleaning dei fumi estremamente spinto, tale da ricondurre il livello di contaminanti a quello tipico dell’usuale aria di processo nell’applicazione delle MCFC alla generazione distribuita.

È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un sistema e un metodo di separazione di CO2 da fumi di combustione che sia privo degli inconvenienti qui evidenziati della tecnica nota; in particolare, à ̈ uno scopo del trovato quello di fornire un sistema e un metodo che consentano la separazione di CO2 da fumi di combustione con elevata efficienza elettrica, semplificato water management e limitata esigenza di cleaning supplementare dei fumi.

La presente invenzione à ̈ dunque relativa a un sistema e un metodo di separazione di CO2 da fumi di combustione come definiti in termini essenziali nelle annesse rivendicazioni 1 e, rispettivamente, 8, nonché, per i caratteri addizionali preferiti, nelle rivendicazioni dipendenti.

L’invenzione à ̈ descritta in dettaglio nei seguenti esempi non limitativi di attuazione, con riferimento alle figure annesse in cui:

– la figura 1 à ̈ una vista schematica di un sistema per la separazione di CO2 da fumi di combustione in accordo a una prima forma di attuazione della presente invenzione;

– la figura 2 à ̈ una vista schematica del sistema dell’invenzione in accordo a una seconda forma di attuazione;

– le figure 3, 4, 5 rappresentano impianti a ciclo combinato per la generazione di energia, nei quali à ̈ impiegato il sistema dell’invenzione.

In figura 1 à ̈ indicato nel suo complesso con un 1 un sistema per la separazione di CO2 da fumi di combustione, in particolare un sistema MCFC-CCS (cioà ̈ un sistema con celle a combustibile a carbonati fusi operante come separatore di CO2 dai fumi di combustione).

Il sistema 1 comprende una prima unità 10 MCFC, una seconda unità 20 MCFC e una rete 30 di collegamento che collega le unità 10, 20 una all’altra e ad almeno una, e preferibilmente a rispettive, unità 31, 32 di cattura di CO2.

Ciascuna unità 10, 20 include almeno una cella 11, 21 MCFC e preferibilmente un pacco o batteria (stack) di celle 11, 21 MCFC; in ogni caso, le celle 11, 21 delle unità 10, 20 hanno rispettivi comparti catodici 12, 22 e rispettivi comparti anodici 13, 23.

I comparti catodici 12 delle celle 11 della prima unità 10 hanno un ingresso catodico 14, collegato a una linea di alimentazione fumi 33 che alimenta i comparti catodici 12 con un flusso gassoso ossidante formato in particolare da fumi di combustione provenienti da un impianto industriale facente uso di processi di combustione, e un’uscita catodica 15, collegata a un ingresso catodico 24 della seconda unità 20 tramite una linea catodica 34.

I comparti anodici 13 delle celle 11 della prima unità 10 hanno un ingresso anodico 16, collegato a una linea di alimentazione combustibile 36 che alimenta i comparti anodici 13 con un gas combustibile (per esempio, ma non necessariamente, gas naturale), e un’uscita anodica 17 collegata all’unità 31 di cattura di CO2 tramite una linea di uscita anodo 18.

La prima unità 10 à ̈ formata da una o più celle 11 MCFC senza reformer interno diretto, prive cioà ̈ di reformer interno diretto, vale a dire celle che non sono provviste di dispostivi di riforma interni diretti attivi.

Si intende per “reformer interno diretto†un dispositivo di riforma del combustibile in cui i catalizzatori efficaci per la reazione di riforma o conversione del combustibile sono almeno in parte contenuti direttamente nel comparto anodico della cella, come nei reformer cosiddetti DIR o AIR. Con l’espressione “celle non provviste di reformer interno diretto†si intendono celle che nel comparto anodico non contengono catalizzatori di riforma del combustibile attivi, cioà ̈ che non contengono affatto tali catalizzatori o contengono catalizzatori esausti e/o inefficaci.

I comparti catodici 22 delle celle 21 della seconda unità 20 sono collegati all’uscita catodica 15 della prima unità 10 tramite la linea catodica 34, e hanno una uscita catodica 25 collegata a una linea di scarico 37.

I comparti anodici 23 delle celle 21 della seconda unità 20 hanno un ingresso anodico 26, collegato a una linea di alimentazione combustibile 38 che alimenta i comparti anodici 23 con gas combustibile, e un’uscita anodica 27 collegata all’unità 32 di cattura CO2 tramite una linea di uscita anodo 28.

La seconda unità 20 à ̈ formata da una o più celle 21 MCFC con reformer interno diretto, vale a dire celle che sono provviste di rispettivi reformer 41 interni diretti attivi (DIR o AIR). Preferibilmente, ma non necessariamente, le celle 21 sono provviste di rispettivi reformer 41 di tipo AIR.

In figura 1 (e anche nelle figure successive), le celle 21 riportano l’indicazione “anodo DIR†, a indicare che i comparti anodici 23 di queste celle sono provvisti di un generico reformer interno diretto. L’indicazione generica “anodo†nelle figure indica invece un comparto anodico di una cella priva di reformer interno diretto.

In accordo all’invenzione, la portata di fumi di combustione che si vuole trattare à ̈ alimentata ai comparti catodici 12 delle celle 11 della prima unità 10, formata da celle 11 prive di reformer interno diretto; i comparti catodici 22 delle celle 21 della seconda unità 20, formata da celle 21 invece provviste dei reformer 41 interni diretti, sono alimentati con l’esausto catodico proveniente dalla prima unità 10.

In generale, quindi, il sistema 1 comprende celle 11, 21 aventi (almeno) due diverse tipologie di reformer, e specificamente celle 21 aventi reformer diretto (DIR o AIR) e celle 11 prive di reformer diretto; le celle 11, 21 sono collegate in modo tale che i fumi da trattare siano immessi nelle celle 11, 21 del sistema 1 attraverso gli ingressi catodici 14 di celle 11 sprovviste di reformer diretto, e che i comparti catodici 22 delle celle 21 con reformer diretto siano alimentati con flussi di gas che non includono porzioni di fumi che non siano preventivamente transitate nei comparti catodici 12 di celle 11 senza reformer diretto.

Le celle 11 della prima unità 10 lavorano a limitato utilizzo di CO2 e rimuovono spontaneamente e quasi integralmente dai fumi, spostandoli nel proprio comparto anodico 13, quei contaminanti residui, in primo luogo lo zolfo, che proprio le reazioni con i materiali di cella e con i gas rendono suscettibili di trasferirsi dal comparto catodico 12 al comparto anodico 13.

I comparti catodici 22 delle celle 21 della seconda unità 20 sono quindi alimentati con un flusso di gas ossidante da cui gran parte dei contaminanti che potrebbero avvelenare i catalizzatori di riforma sono stati rimossi; le celle 21 della seconda unità 20 sono dotate dei reformer 41 interni diretti (DIR o, preferibilmente, AIR) per sfruttarne tutti i vantaggi.

È chiaro che la prima unità 10 (con celle 11 prive di reformer interno diretto) può essere realizzata in una varietà di modi e configurazioni.

Ad esempio, la prima unità 10 può essere realizzata utilizzando celle 11 a solo reformer indiretto, o celle con reformer indiretto affiancato o da un reformer esterno o da un sistema di recupero di idrogeno, come mostrato nella domanda di brevetto italiano MI2009A001246 della stessa Richiedente.

Considerato che la prima unità 10, fungendo di fatto da primo stadio di concentrazione di CO2 a monte di un secondo stadio (costituito dalla seconda unità 20) che lavora con maggiore efficienza di separazione, non ha il compito di separare una frazione molto alta della CO2 presente nei fumi, può persino essere realizzato con celle a solo reformer esterno o addirittura prive di reformer ed alimentate con solo H2 di recupero dal separatore finale di CO2, installato sull’esausto anodico del sistema 1. In queste ultime ipotesi à ̈ preferibile usare una cella a flussi paralleli (cella a co-flusso o a controflusso).

Naturalmente l’unità 10 può contenere anche blocchi di più batterie di celle 11 senza reformer interno diretto di diversa tipologia. Inoltre, anche ogni singolo blocco potrebbe includere batterie di tipologia diversa, purché ovviamente tutte con celle senza reformer interno diretto.

Le celle 11 potrebbero anche essere celle inizialmente dotate di reformer diretto (DIR o AIR), ma diventate assimilabili a celle senza reformer interno diretto, in quanto con catalizzatori ormai in tutto o in parte disattivati. Questa situazione potrebbe risultare vantaggiosa quando fossero disponibili delle pile “di recupero†, per esempio rimosse dal mercato in quanto diventate ormai incapaci di provvedere a riformare all’interno il proprio fabbisogno di metano e quindi di operare a densità di corrente medio-alte, ma capaci ancora di operare a densità di correnti medio basse, purché alimentate con combustibile “pronto per l’uso†, generato all’esterno.

È poi evidente che i fumi possono alimentare uno o più blocchi di batterie di celle 11 senza reformer interno diretto tra loro in parallelo, che ogni blocco di batterie di celle 11 può alimentare uno o più blocchi di batterie di celle 21 con reformer interno diretto o, viceversa, che all’alimentazione di un blocco di batterie di celle con reformer interno diretto concorrano le uscite di più di un blocco di batterie di celle senza reformer interno diretto.

In generale, in accordo all’invenzione i fumi attraversano comparti catodici di celle senza reformer interno diretto prima di essere introdotti in comparti catodici di celle con reformer interno diretto.

Energia e prodotti recuperati tramite le unità 10, 20 sono poi impiegabili in vari modi. In particolare, gli esausti anodici ricchi in CO2 possono essere manipolati, singolarmente o una volta riuniti insieme, con modalità note.

Similmente anche ricircoli e recuperi possono avvenire all’interno del singolo blocco o con travasi da un blocco all’altro.

È anche possibile fare aggiunte d’aria ai fumi a monte dell’ingresso di una o più delle batterie di celle senza reformer interno diretto, al gas in ingresso catodo di una o più delle batterie di celle con reformer interno diretto, ad entrambi o in qualsiasi altro punto interno del sistema.

Appare chiaro quindi che il sistema 1 può assumere una grande varietà di configurazioni.

Nella forma di attuazione mostrata in figura 2, le unità 10, 20 sono formate da rispettive pluralità di celle o batterie di celle 11, 21 disposte in parallelo.

In particolare, in ciascuna unità 10 i comparti catodici 12 delle celle 11 sono collegati in parallelo dalla linea di alimentazione fumi 33 opportunamente ramificata, e i comparti anodici 13 sono alimentati con gas combustibile tramite una o rispettive linee di alimentazione combustibile 36.

Le uscite catodiche 15 delle celle 11 sono collegate in parallelo dalla linea catodica 34, che alimenta in parallelo i comparti catodici 22 delle celle 21. Le uscite catodiche 25 dei comparti catodici 22 sono collegate in parallelo dalla linea di scarico 37. I comparti anodici 23 delle celle 21 sono alimentati con gas combustibile tramite una o rispettive linee di alimentazione combustibile 38.

Le uscite anodiche 17, 27 delle celle 11, 21 appartenenti a ciascuna unità 10, 20 sono collegate in parallelo per alimentare la rispettiva unità 31, 32 di cattura CO2.

La presente invenzione può essere attuata tanto con sistemi MCFC operanti a pressione atmosferica, quanto con sistemi MCFC pressurizzati.

In particolare, secondo una vantaggiosa forma di attuazione, à ̈ impiegato un sistema MCFC pressurizzato con la configurazione interna dall’invenzione in un ciclo combinato a gas naturale, espressamente realizzato in prospettiva di cattura e separazione di CO2.

La figura 3 mostra appunto un impianto 51 a ciclo combinato, comprendente un gruppo 52 turbina a gas, un gruppo 53 turbina a vapore e un sistema 1 in accordo all’invenzione, interposto tra i gruppi 52, 53.

I gruppi 52, 53 sono sostanzialmente noti e non sono pertanto descritti in dettaglio per semplicità. In generale, il gruppo 52 comprende un compressore 54, una turbina a gas 55 alimentata con fumi di combustione prodotti da un bruciatore 56 (schematicamente mostrato all’esterno della turbina a gas 55) in cui un gas combustibile, per esempio gas naturale, à ̈ bruciato insieme ad aria compressa nel compressore 54, e un generatore 57 elettrico.

Il gruppo 53 comprende una turbina a vapore 58, che aziona un generatore 59, e uno scambiatore di calore 60 (operante come generatore di vapore).

I fumi di combustione uscenti dalla turbina a gas 55 sono inviati, tramite la linea di alimentazione fumi 33, ai comparti catodici 12 delle celle 11 della prima unità 10, formata da celle 11 prive di reformer interno diretto, come descritto in precedenza.

I comparti anodici 13, 23 delle celle 11, 21 delle due unità 10, 20 sono collegati alle linee di alimentazione combustibile 36, 38 e alle unità 31, 32 di cattura di CO2 come descritto in precedenza.

L’esausto catodico uscente dalla prima unità 10, come già descritto, alimenta i comparti catodici 22 delle celle 21 della seconda unità 20, formata da celle 21 con reformer interno diretto.

L’esausto catodico della seconda unità 20 à ̈ inviato, tramite la linea di scarico 37, al gruppo 53 e specificamente viene usato per produrre vapore per alimentare la turbina a vapore 58. Nell’esempio mostrato in figura 3, il flusso gassoso proveniente dai comparti catodici 22 attraversa dapprima una turbina ausiliaria 61 (collegata a un altro generatore 62), e poi lo scambiatore di calore 60 per produrre vapore che viene inviato alla turbina a vapore 58. Entrambe le unità 10, 20 sono pressurizzate, vale a dire formate da pacchi di celle operanti in pressione.

Nella variante di figura 4, invece, entrambe le unità 10, 20 operano a pressione atmosferica. L’impianto 51 mostrato in figura 4 à ̈ sempre un impianto a ciclo combinato comprendente un gruppo 52 turbina a gas, un gruppo 53 turbina a vapore e un sistema 1 in accordo all’invenzione, interposto tra i gruppi 52, 53. In questo caso, il gruppo 53 non presenta la turbina ausiliaria 61 e l’esausto catodico della seconda unità 20 à ̈ inviato direttamente allo scambiatore di calore 60.

Nell’ulteriore variante di figura 5, la prima unità 10 (con celle 11 prive di reformer interno diretto) à ̈ pressurizzata, opera cioà ̈ in pressione, mentre la seconda unità 20 (avente le celle 21 con reformer interno diretto) opera a pressione atmosferica.

La prima unità 10 à ̈ disposta tra il gruppo 52 turbina a gas e una turbina ausiliaria 61; la seconda unità 20 à ̈ interposta lungo la linea catodica 34, tra la turbina ausiliaria 61 e il gruppo 53 turbina a vapore.

L’esausto catodico uscente dai comparti catodici 12 delle celle 11 della prima unità 10 à ̈ inviato, tramite la linea catodica 34, alla turbina ausiliaria 61 dove espande, e poi ai comparti catodici 22 delle celle 21 della seconda unità 20. L’esausto catodico della seconda unità 20 à ̈ inviato, tramite la linea di scarico 37, al gruppo 53 e specificamente allo scambiatore di calore 60 per produrre vapore che viene inviato alla turbina a vapore 58.

Da quanto esposto appaiono chiari i vantaggi della presente invenzione rispetto alla tecnica nota.

Il primo vantaggio, di tipo generale, à ̈ quello tipico dei separatori di CO2 operanti con celle MCFC: nel separare CO2 producono energia anziché consumarne, come invece fanno i sistemi convenzionali, tutti di tipo passivo.

Un secondo vantaggio, ancora di tipo generale, à ̈ la piena flessibilità sulle taglie del sistema e la possibilità di operare anche a pressione atmosferica (mentre sistemi pressurizzati subiscono in generale il vincolo di dover trovare un’efficace accoppiamento con un turbocompressore concretamente disponibile).

I vantaggi più specifici dell’invenzione emergono dal confronto delle versioni a pressione atmosferica con i separatori di CO2 aventi celle MCFC a pressione atmosferica realizzati in conformità alle tecniche note.

Rispetto ai sistemi MCFC alimentati a solo reformer esterno, c’à ̈ un consistente vantaggio in termini di densità di corrente media, vista la modesta capacità di raffreddamento che si avrebbe limitandosi a portate che rispettino i limiti sui differenziali di pressione.

Rispetto ai sistemi noti con MCFC a reformer diretto, c’à ̈ un decisivo vantaggio in termini di minori requisiti di cleaning supplementare dei fumi. Ad esempio, l’abbattimento di SOx richiesto à ̈ di un ordine di grandezza inferiore.

Rispetto ai sistemi a solo reformer indiretto ci sono netti vantaggi in termini di water management, di prestazioni e anche in minori requisiti di cleaning. Infatti la minore conversione di metano si ripercuote sulla composizione del combustibile che, a sua volta, accentua la sensibilità delle prestazioni ai fenomeni di avvelenamento.

Resta infine inteso che al sistema e al metodo qui descritti ed illustrati possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti che non escono dall’ambito delle annesse rivendicazioni.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per separare CO2 da fumi di combustione mediante pile MCFC pluri-stack, comprendente: una prima unità (10) MCFC e una seconda unità (20) MCFC, aventi rispettive celle (11, 21) con rispettivi comparti catodici (12, 22) e rispettivi comparti anodici (13, 23); almeno una unità (31, 32) di cattura di CO2; e una rete (30) di collegamento che collega le unità (10, 20) MCFC una all’altra e alla unità (31, 32) di cattura di CO2; il sistema essendo caratterizzato dal fatto che la prima unità (10) MCFC à ̈ formata da una o più prime celle (11) MCFC prive di reformer interno diretto attivo; e la seconda unità (20) MCFC à ̈ formata da una o più seconde celle (21) MCFC con reformer interno diretto attivo; e dal fatto che la rete di collegamento collega le unità (10, 20) MCFC in modo tale che i fumi da trattare siano alimentati ai comparti catodici (12) delle prime celle (11) formanti la prima unità (10), e che i comparti catodici (22) delle seconde celle (21) formanti la seconda unità (20) siano alimentati con un esausto catodico della prima unità (10), da solo o con aggiunte che non includano porzioni di fumi che non siano preventivamente transitate in comparti catodici (12) di celle (11) della prima unità (10).
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui la prima unità (10) comprende solo prime celle (11) selezionate nel gruppo costituito da: celle a reformer interno indiretto, celle con reformer interno indiretto affiancato da un reformer esterno, celle con reformer interno indiretto affiancato da un sistema di recupero di idrogeno, celle a reformer esterno, celle prive di reformer ed alimentate con solo idrogeno di recupero, loro combinazioni.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la seconda unità (20) MCFC comprende una o più seconde celle (21) dotate di reformer (41) interni diretti di tipo DIR o, preferibilmente, AIR.
4. 4. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i comparti anodici (13, 23) delle celle (11, 21) delle due unità (10, 20) MCFC sono alimentati con gas combustibile e hanno rispettive uscite anodiche (17, 27) collegate a rispettive unità (31, 32) di cattura di CO2.
5. 5. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima unità (10) MCFC comprende una pluralità di batterie di prime celle (11) prive di reformer interno diretto attivo, e i comparti catodici (12) delle prime celle (11) sono collegati in parallelo tramite la rete (30).
6. 6. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima e la seconda unità (10, 20) MCFC comprendono rispettive pluralità di blocchi di celle (11, 21) o di batterie di celle (11, 21); e in cui ogni blocco di prime celle (11) alimenta uno o più blocchi di seconde celle (21) o, viceversa, che ogni blocco di seconde celle (21) à ̈ alimentato con gli esausti catodici di più blocchi di prime celle (11).
7. 7. Impianto a ciclo combinato per la produzione di energia, comprendente un gruppo (52) turbina a gas, un gruppo (53) turbina a vapore e un sistema (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti; e in cui i fumi di combustione uscenti dal gruppo (52) turbina a gas alimentano i comparti catodici (12) delle prime celle (11) che formano la prima unità (10) MCFC del sistema (1).
8. 8. Metodo per separare CO2 da fumi di combustione mediante pile MCFC pluri-stack, in cui i fumi sono inviati attraverso comparti catodici (12) di prime celle (11) MCFC senza reformer interno diretto attivo prima di essere introdotti in comparti catodici (22) di seconde celle (21) MCFC con reformer interno diretto attivo.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, comprendente le fasi di: - predisporre prime celle (11) MCFC senza reformer interno diretto attivo, e seconde celle (21) MCFC con reformer interno diretto attivo, le prime e le seconde celle (11, 21) avendo rispettivi comparti catodici (12, 22) collegati in serie; - inviare i fumi attraverso i comparti catodici (12) delle prime celle (11), prive di reformer interno diretto attivo; - alimentare i comparti catodici (22) delle seconde celle (12) con l’esausto catodico delle prime celle (11) senza aggiungere gas che includano porzioni di fumi che non siano preventivamente transitate in comparti catodici (12) delle prime celle (11).