Sorption enhanced water gas shift

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La sorption enhanced water gas shift (SEWGS, letteralmente "reazione di spostamento del gas d'acqua migliorata con un processo di adsorbimento") è una tecnologia che combina un processo di cattura dell'anidride carbonica in pre-combustione con la reazione di spostamento del gas d'acqua (water gas shift) con lo scopo di produrre un flusso ricco di idrogeno a partire dal gas di sintesi.[1]

La reazione di water gas shift converte il monossido di carbonio in anidride carbonica:

mentre l'anidride carbonica è catturata e rimossa attraverso un processo di adsorbimento.[1]

L'adsorbimento e la rimozione in situ della CO2 spostano l'equilibrio della reazione di water gas shift, convertendo totalmente il monossido di carbonio e massimizzando la produzione di idrogeno ad alta pressione.[1]

Questa tecnologia ha iniziato a guadagnare attenzione a partire dall'inizio del secondo decennio del XXI secolo, dal momento che presenta vantaggi rispetto alle convenzionali tecnologie per la cattura della CO2 e perché l'idrogeno viene considerato il vettore energetico del futuro.[2][3]

Processo[modifica | modifica wikitesto]

In alto: reazione di water gas shift. In basso: concetto del processo SEWGS.

La tecnologia SEWGS combina la reazione di water gas shift con l'adsorbimento dell'anidride carbonica su un materiale solido. I range tipici di temperatura e pressione sono 350-550 °C e 20-30 bar. Il gas in ingresso al reattore SEWGS è, solitamente, una miscela di idrogeno, CO e and CO2 a cui viene aggiunto del vapore per la conversione di CO in CO2.[4]

La conversione del monossido di carbonio in anidride carbonica è incrementata spostando l'equilibrio della reazione attraverso l'adsorbimento e la rimozione della CO2.[1]

La tecnologia SEWGS si basa su unità di pressure swing adsorption (PSA) in cui i serbatoi sono riempiti dal catalizzatore della reazione di water gas shift e dal materiale adsorbente. Ogni serbatoio è soggetto a una serie di processi. Nella fase di adsorbimento/reazione viene prodotto un flusso di idrogeno ad alta pressione, mentre un flusso ricco di CO2 viene generato durante la rigenerazione del sorbente.[5]

Il processo inizia inviando il gas di sintesi al reattore SEWGS, dove l'anidride carbonica è adsorbita producendo un flusso ricco di idrogeno. La rigenerazione del primo serbatoio inizia quando il materiale adsorbente è saturato dalla CO2 catturata, dirigendo il flusso di gas di sintesi ad un altro serbatoio. Dopo la fase di rigenerazione, il serbatoio viene ri-pressurizzato. Una configurazione a più serbatoi è necessaria per garantire la produzione continua di idrogeno e di anidride carbonica. Il numero ottimale di serbatoio, solitamente, varia tra 6 e 8.[5]

Reazione di water gas shift[modifica | modifica wikitesto]

La reazione di water gas shift è la reazione tra il monossido di carbonio e il vapore d'acqua per formare idrogeno e anidride carbonica:

Questa reazione fu scoperta da Felice Fontana e viene adottata in diversi processi industriali, come nella produzione dell'ammoniaca, degli idrocarburi, del metanolo, dell'idrogeno e di altri prodotti chimici. Nei processi industriali vengono utilizzate due sezioni di water gas shift, una ad alta temperatura e una a bassa temperatura, con uno stage di raffreddamento intermedio.[6]

Adsorbimento[modifica | modifica wikitesto]

Esempio di schema di funzionamento di un impianto di rigenerazione del tipo pressure swing.
Lo stesso argomento in dettaglio: Adsorbimento.

Il fenomeno dell'adsorbimento su una superficie solida avviene quando una sostanza, solitamente un gas, entra in contatto con la superficie solida del materiale adsorbente, formando dei legami. I principali processi di adsorbimento sono due: quello fisico e quello chimico. Il primo è il risultato dell'interazione delle forze intermolecolari. Dal momento che i legami formati sono deboli la sostanza adsorbita può essere separata facilmente. Nell'adsorbimento chimico, invece, vengono formati dei legami chimici. Questo significa che l'assorbimento/rilascio del calore di adsorbimento e l'energia di attivazione sono più grandi rispetto al caso dell'adsorbimento fisico. Questi due fenomeni, molto spesso, avvengono simultaneamente. Il materiale adsorbente è poi rigenerato attraverso un processo di desorbimento, attraverso il quale la sostanza catturata viene rilasciata.[7]

Nella tecnologia SEWGS la tecnologia pressure swing adsorption (PSA) è impiegata per rigenerare il materiale adsorbente e produrre un flusso ricco di anidride carbonica. Il processo è simile a quello utilizzato per la separazione dell'aria, per la purificazione dell'idrogeno o per la separazione di altri gas.[5]

Tecnologie convenzionali per la cattura dell'anidride carbonica[modifica | modifica wikitesto]

Schema di processo per la cattura della CO2. In alto: schema per tecnologie convenzionali. In basso: schema per il processo SEWGS.

La tecnologia convenzionalmente utilizzata per la rimozione dell'anidride carbonica è quella dell'assorbimento con ammine. Nell'assorbimento chimico le interazioni tra la sostanza assorbita (CO2) ed un solvente producono un liquido ricco, che viene poi inviato a una colonna di desorbimento dove l'anidride carbonica viene separata dal solvente, che viene riutilizzato. Le ammine normalmente utilizzate per la rimozione della CO2 sono:

Vantaggi del processo SEWGS rispetto alle tecnologie convenzionali[modifica | modifica wikitesto]

La tecnologia SEWGS presenta alcuni vantaggi rispetto alle tecnologie tradizionalmente impiegate per la rimozione, in pre-combustione, dell'anidride carbonica. Le tecnologie convenzionali, infatti, per avere un'elevata conversione del monossido di carbonio in anidride carbonica, necessitano di due reattori di water gas shift (uno ad alta temperatura e uno a bassa temperatura) con uno stage intermedio di raffreddamento. Un ulteriore stadio di raffreddamento è necessario a valle del secondo reattore WGS per la cattura della CO2 con un solvente. Inoltre, il flusso di idrogeno all'uscita della sezione SEWGS può essere direttamente utilizzato in una turbina a gas, mentre il flusso di idrogeno prodotto con un processo tradizionale necessita di uno stage di riscaldamento.[2]

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

L'importanza di questa tecnologia è direttamente correlata al problema del riscaldamento globale ed alla riduzione delle emissioni di anidride carbonica. Nell'economia dell'idrogeno, l'idrogeno, considerato un vettore energetico pulito, sostituirà i combustibili fossili, dal momento che non produce inquinanti e possiede un elevato contenuto energetico. L'interesse per l'idrogeno come alternativa ai combustibili fossili ha iniziato ad aumentare dall'inizio del secondo decennio del XXI secolo.[3]

La tecnologia SEWGS, attraverso cui è possibile produrre un flusso di idrogeno ad elevata purezza, trova una possibile applicazione in diversi processi industriali, come, ad esempio, negli impianti per la generazione di potenza a partire dai combustibili fossili o nell'industria dell'acciaio.[2][5][9]

L'integrazione del processo SEWGS nei cicli combinati a gas (NGCC) o negli impianti di gassificazione a ciclo combinato (IGCC) è stata studiata in quanto permetterebbe di produrre energia elettrica a partire dal gas naturale o dal carbone, con limitate emissioni di anidride carbonica. Negli impianti NGCC la cattura della CO2 è pari al 95%, con una purezza del 99% del flusso di CO2, mentre, negli impianti IGCC, la cattura della CO2 è pari al 90%, con una purezza del 99%.[5][9]

Lo studio per l'integrazione della tecnologia SEWGS nelle acciaierie è iniziata durante il secondo decennio del XXI secolo. L'obiettivo è quello di ridurre l'impronta ecologica di questo processo industriale, responsabile del 6% delle emissioni totali di anidride carbonica e del 16% delle emissioni generate dai processi industriali.[10]

La CO2 catturata e rimossa può essere sequestrata o utilizzata per la produzione di prodotti chimici.[10]

Sorbenti per il processo SEWGS[modifica | modifica wikitesto]

I sorbenti utilizzati per il processo SEWGS devono avere le seguenti caratteristiche:[5]

  • alta capacità di adsorbimento della CO2 e selettività rispetto all'idrogeno
  • basso adsorbimento per H2O
  • basso costo
  • stabilità meccanica a fronte di variazioni di pressione e temperatura
  • stabilità chimica in presenza di impurità
  • facilità di rigenerazione attraverso l'uso del vapore

Diversi materiali sono stati studiati per essere utilizzati nel processo SEWGS. Alcuni di questi sono:

  • idrotalcite promossa con carbonato di potassio (K2CO3)[4][11]
  • ossido di alluminio promosso con potassio[11]
  • Na–Mg[12]
  • CaO[13]

L'idrotalcite promossa con carbonato di potassio è il sorbente maggiormente studiato per il processo SEWGS.[4]

Le sue principali caratteristiche sono:[9]

  • basso costo
  • sufficientemente alta capacità di adsorbimento della CO2
  • rapida cinetica di adsorbimento
  • buona stabilità meccanica

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b c d (EN) Daniel Jansen, Edward van Selow, Paul Cobden, Giampaolo Manzolini, Ennio Macchi, Matteo Gazzani, Richard Blom, Partow Pakdel Heriksen, Rich Beavis e Andrew Wright, SEWGS Technology is Now Ready for Scale-up!, in Energy Procedia, vol. 37, 1º gennaio 2013, pp. 2265-2273, DOI:10.1016/j.egypro.2013.06.107, ISSN 1876-6102 (WC · ACNP).
  2. ^ a b c (EN) G. Manzolini, A. Giuffrida, P.D. Cobden, H.A.J. van Dijk, F. Ruggeri e F. Consonni, Techno-economic assessment of SEWGS technology when applied to integrated steel-plant for CO2 emission mitigation, in International Journal of Greenhouse Gas Control, vol. 94, 1º marzo 2020, p. 102935, DOI:10.1016/j.ijggc.2019.102935, ISSN 1750-5836 (WC · ACNP).
  3. ^ a b (EN) Chan Hyun Lee e Ki Bong Lee, Application of one-body hybrid solid pellets to sorption-enhanced water gas shift reaction for high-purity hydrogen production, in International Journal of Hydrogen Energy, vol. 39, n. 31, 22 ottobre 2014, pp. 18128-18134, DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.04.160, ISSN 0360-3199 (WC · ACNP).
  4. ^ a b c Egil Bakken, Paul D. Cobden, Partow Pakdel Henriksen, Silje Fosse Håkonsen, Aud I. Spjelkavik, Marit Stange, Ruth Elisabeth Stensrød, Ørnulv Vistad e Richard Blom, Development of CO2 sorbents for the SEWGS process using high throughput techniques, in Energy Procedia, vol. 4, 2011, pp. 1104-1109, DOI:10.1016/j.egypro.2011.01.161.
  5. ^ a b c d e f Giampaolo Manzolini, Ennio Macchi, Marco Binotti e Matteo Gazzani, Integration of SEWGS for carbon capture in natural gas combined cycle. Part A: Thermodynamic performances, in International Journal of Greenhouse Gas Control, vol. 5, n. 2, marzo 2011, pp. 200-213, DOI:10.1016/j.ijggc.2010.08.006.
  6. ^ (EN) Erlisa Baraj, Karel Ciahotný e Tomas Hlincík, The water gas shift reaction: Catalysts and reaction mechanism, in Fuel, vol. 288, 15 marzo 2021, p. 119817, DOI:10.1016/j.fuel.2020.119817, ISSN 0016-2361 (WC · ACNP).
  7. ^ (EN) HaidongHu e KeXu, Physicochemical technologies for HRPs and risk control, in High-Risk Pollutants in Wastewater, 1º gennaio 2020, pp. 169-207, DOI:10.1016/B978-0-12-816448-8.00008-3.
  8. ^ (EN) Li Xie, Jun Xu, Yidie Zhang e YingyingHe, Biogas upgrading, in Advances in Bioenergy, vol. 5, 1º gennaio 2020, pp. 309-344, DOI:10.1016/bs.aibe.2020.04.006, ISSN 2468-0125 (WC · ACNP).
  9. ^ a b c (EN) Matteo Gazzani, Ennio Macchi e Giampaolo Manzolini, CO2 capture in integrated gasification combined cycle with SEWGS – Part A: Thermodynamic performances, in Fuel, vol. 105, 1º marzo 2013, pp. 206-219, DOI:10.1016/j.fuel.2012.07.048, ISSN 0016-2361 (WC · ACNP).
  10. ^ a b (EN) H. A. J. (Eric) van Dijk, Paul D. Cobden, Liliana Lukashuk, Leon van de Water, Magnus Lundqvist, Giampaolo Manzolini, Calin-Cristian Cormos, Camiel van Dijk, Luca Mancuso, Jeremy Johns e David Bellqvist, STEPWISE Project: Sorption-Enhanced Water-Gas Shift Technology to Reduce Carbon Footprint in the Iron and Steel Industry, in Johnson Matthey Technology Review, vol. 62, n. 4, 1º ottobre 2018, pp. 395-402, DOI:10.1595/205651318X15268923666410, ISSN 2056-5135 (WC · ACNP).
  11. ^ a b (EN) Kai Coenen, Fausto Gallucci, Emiel Hensen e Martin van Sint Annaland, CO2 and H2O chemisorption mechanism on different potassium-promoted sorbents for SEWGS processes, in Journal of CO2 Utilization, vol. 25, 1º maggio 2018, pp. 180-193, DOI:10.1016/j.jcou.2018.04.002, ISSN 2212-9820 (WC · ACNP).
  12. ^ (EN) Chan Hyun Lee e Ki Bong Lee, Sorption-enhanced water gas shift reaction for high-purity hydrogen production: Application of a Na-Mg double salt-based sorbent and the divided section packing concept, in Applied Energy, vol. 205, 1º novembre 2017, pp. 316-322, DOI:10.1016/j.apenergy.2017.07.119, ISSN 0306-2619 (WC · ACNP).
  13. ^ (EN) Luka A. Zivkovic, Andrej Pohar, Blaz Likozar e Nikola M. Nikacevic, Kinetics and reactor modeling for CaO sorption-enhanced high-temperature water–gas shift (SE–WGS) reaction for hydrogen production, in Applied Energy, vol. 178, 15 settembre 2016, pp. 844-855, DOI:10.1016/j.apenergy.2016.06.071, ISSN 0306-2619 (WC · ACNP).

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

Progetti in cui viene studiata la tecnologia SEWGS
  Portale Chimica
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