IT201600108933A1 - Un impianto e un metodo per convertire una materia prima carboniosa in elettricità e in un flusso gassoso di diossido di carbonio ad elevata purezza - Google Patents

Un impianto e un metodo per convertire una materia prima carboniosa in elettricità e in un flusso gassoso di diossido di carbonio ad elevata purezza

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IT201600108933A1
IT201600108933A1 IT102016000108933A IT201600108933A IT201600108933A1 IT 201600108933 A1 IT201600108933 A1 IT 201600108933A1 IT 102016000108933 A IT102016000108933 A IT 102016000108933A IT 201600108933 A IT201600108933 A IT 201600108933A IT 201600108933 A1 IT201600108933 A1 IT 201600108933A1
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IT
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syngas
unit
flow
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IT102016000108933A
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Porta Gianmaria La
Massimo Bertoldi
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Sofc Syngas S R L
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Description

“UN IMPIANTO E UN METODO PER CONVERTIRE UNA MATERIA PRIMA CARBONIOSA IN ELETTRICITÀ E IN UN FLUSSO GASSOSO DI DIOSSIDO DI CARBONIO AD ELEVATA PUREZZA”
CAMPO TECNICO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione riguarda un impianto per convertire una materia prima carboniosa, sia un rifiuto, un combustibile fossile oppure una biomassa, in elettricità ed in un flusso gassoso separato di diossido di carbonio ad elevata purezza, pronto per applicazioni di cattura e sequestro di anidride carbonica oppure di recupero incrementato di petrolio, nonché un metodo eseguito con un tale impianto.
STATO DELLA TECNICA
Oggigiorno, uno dei principali problemi da affrontare nel mercato energetico è la conversione di materie prime carboniose in energia elettrica, con una limitata emissione di diossido di carbonio nell'atmosfera.
Questo problema insieme alla necessità di trovare nuovi metodi di smaltimento dei rifiuti hanno portato allo sviluppo di impianti o metodi per cogenerare energia elettrica insieme a calore e comprendenti una unità o fase di gassificazione di materia prima carboniosa ed una unità o fase di utilizzo della materia prima gassificata, per generare elettricità e calore utile, mediante generatori convenzionali come motori a combustione interna.
SCOPI DELL’INVENZIONE
Uno scopo della presente invenzione è di fornire un nuovo impianto ed un nuovo metodo per convertire con efficienza elevata una materia prima carboniosa in elettricità, alimentando il gas di sintesi (syngas) in una cella a combustibile, in particolare una Cella a Combustibile ad Ossido Solido.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un impianto ed un metodo come indicato sopra, che consentano di ottenere una produzione combinata di elettricità e calore, con nessuna oppure con emissione minimizzata di CO2 nell'atmosfera.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un impianto ed un metodo in grado di essere utilizzati in un’applicazione di cattura e stoccaggio di anidride carbonica oppure di recupero incrementato di petrolio.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un impianto ed un metodo economici, per trattare termicamente i rifiuti, adatti alla cogenerazione di energia elettrica e calore.
Secondo un primo aspetto della presente invenzione, si propone un impianto secondo la rivendicazione 1.
Secondo un altro aspetto della presente invenzione, si propone un metodo secondo la rivendicazione 11.
Le rivendicazioni dipendenti si riferiscono ad esempi di realizzazione preferiti e vantaggiosi dell’invenzione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Questi ed altri vantaggi possono essere meglio spiegati e compresi dalla seguente descrizione e dal disegno allegato, dato a titolo di esempio non limitativo, in cui:
- le figure da 1 a 3 illustrano rispettivi esempi di realizzazione di un impianto secondo la presente invenzione.
ESEMPI DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE
Con riferimento alle figure allegate, si è illustrato un impianto o sistema ad isola di potenza 1 per la conversione di materia prima carboniosa in elettricità ed in un flusso di gas separato di diossido di carbonio (CO2), pronto per un’applicazione di cattura e sequestro di anidride carbonica oppure di recupero incrementato di petrolio, secondo la presente invenzione, che comprende almeno una prima unità o sistema di trattamento 2, progettato per gassificare materie prime carboniose, sia allo stato solido che liquido, fornite ad esempio ad una temperatura compresa tra 20°C e 60°C, preferibilmente pari a circa 40°C, così da ottenere un flusso di syngas o gas di sintesi contenente monossido di carbonio ed idrogeno, almeno una Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4, comprendente almeno una sezione anodo 4a ed almeno una sezione catodo 4b ed atta a ricevere in ingresso, in corrispondenza della sezione anodo 4a, il flusso di syngas, ad esempio fornito ad una temperatura compresa tra 600°C e 800°C, preferibilmente di circa 700°C ed, in corrispondenza della sezione catodo 4b, un flusso di aria, fornito ad esempio ad una temperatura compresa tra 550°C e 750°C, preferibilmente pari a circa 650-700°C, e (disposti) per produrre, in corrispondenza della sezione anodo 4a rispettivi gas di uscita, per esempio ad una temperatura variabile tra 700°C ed 850°C, preferibilmente pari a circa 750-800°C e, in corrispondenza della sezione catodo 4b, una miscela di O2 ed N2.
Preferibilmente, il syngas comprende una miscela di CH4, CO, CO2, H2 e H2O ed eventualmente altri contaminanti come definiti nella tabella seguente: Componente del syngas Min [%Vol] Max [%Vol]
CO 30,0 60,0
H 25,0 60,0
H2O 2,0 30,0
CO2 5,0 20,0
Gas Inerti 0,2 1,0
CH4 0,0 5,0
N2 0,5 4,0
H2S 0,1 ppm 1,0 ppm
COS 0,0 ppm 0,2 ppm
Altri 0,0 0,3
I gas di uscita possono includere invece una miscela di CO, CO2, H2 ed H2O.
La quantità di combustibile che viene convertita dalla Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4, cioè l’utilizzo di combustibile, varia tra 0,5 e 0,95 oppure, preferibilmente, tra 0,70 e 0,85.
L'impianto 1 comprende inoltre almeno un’unità di combustione a ossigeno 5, progettata per combinare i gas di uscita con un flusso di O2, ad esempio alimentato ad una temperatura variabile tra 10°C e 40°C, preferibilmente pari a circa 25°C, al fine di generare rispettivi gas di scarico, ad esempio comprendenti una miscela di CO2 e di H2O, ed opzionalmente, almeno un’unità scambiatrice di calore 6 predisposta per ricevere in ingresso i gas di scarico e raffreddare gli stessi per un recupero di energia.
L’unità di combustione a ossigeno 5 è oppure può essere posta in comunicazione di fluido con una adatta sorgente di O2 (SO). L’unità di combustione a ossigeno 5 è principalmente progettata per completare la combustione dei gas di scarico, come idrogeno non reagito elettro-chimicamente e monossido di carbonio, provenienti dalla sezione anodo 4a.
Il calore ottenuto dalla sezione anodo 4a e dal sistema di combustione ad ossigeno potrebbe, se lo si desidera, essere impiegato da un ciclo di generazione di elettricità comprendente un generatore di vapore a recupero di calore e una turbina a vapore oppure un generatore a Ciclo Rankine Organico, che è un sistema per la produzione di potenza elettrica aggiuntiva a partire da sorgenti di calore di recupero.
La potenza termica ottenibile con un impianto secondo la presente invenzione può variare tra 50 e 2000 MWth (Mega Watt termici), o preferibilmente da 50 a 500-800 MWth di energia chimica trasportata dal syngas.
L’isola di potenza è probabilmente costituita da un insieme di moduli SOFC, ciascuno comprendente gli elementi all’interno della linea tratteggiata. Tale insieme potrebbe essere racchiuso in un involucro isolato termicamente e denominato ("Hot Box”), mentre il combustore a ossigeno può essere al di fuori delle Hot Box e servire molteplici SOFC. Il singolo modulo SOFC può avere una capacità di 50-200 kWe DC.
Per quanto riguarda i collegamenti dei componenti o delle unità dell’impianto, l'impianto 1 comprende almeno un primo condotto o linea 7 per convogliare materia prima carboniosa verso la prima unità di trattamento 2, un secondo condotto o linea 8 per alimentare vapore, per esempio ad una temperatura compresa tra 600°C ed 800°C, preferibilmente da circa 650°C a 700°C, verso la prima unità di trattamento 2, da utilizzare come agente fluidificante nel sistema di gassificazione, un terzo condotto o linea 9, per trasferire syngas dalla prima unità di trattamento 2 alla Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4, ed un quarto condotto o linea 10, per trasportare i gas di uscita dalla Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4 all’unita di combustione ad ossigeno 5.
La Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4 è strutturata in modo che i flussi di gas di uscita dall'anodo e dal catodo siano mantenuti separati.
Opzionalmente, l'impianto 1 comprende un quinto condotto o linea 11 per trasmettere i gas di scarico all’unità scambiatrice di calore 6, e/o un sesto condotto o linea 12 per convogliare un flusso di O2 dalla sorgente di O2 (SO) all’unità di combustione a ossigeno 5. Il flusso di O2 viene anche utilizzato per alimentare il sistema o dispositivo di gassificazione, come agente ossidante attraverso un rispettivo condotto 12a. L'O2 può essere prodotto da una unità di separazione d’aria o ASU.
Chiaramente, il primo condotto o linea 7 è o può essere posto in comunicazione di fluido con o connesso ad una idonea sorgente W di materia prima carboniosa, mentre il secondo condotto o linea 8 è o può essere posto in comunicazione di fluido con o connesso ad una idonea sorgente S di vapore (si veda in particolare la figura 3). Il vapore può anche essere ottenuto mediante l’unita generatore di vapore a recupero di calore 28 (si vedano in particolare le figure 1 o 2).
Il secondo condotto o linea 8 potrebbe anche diramarsi in due rispettivi condotti 8a, 8b, uno 8a che entra nella prima unità di trattamento 2 e l'altro 8b che sfocia nel terzo condotto 9 o nella sezione ad anodo 4a.
Il materiale da trattare in un impianto e in un metodo secondo la presente invenzione, comprende un numero di materie prime carboniose, includenti ma non limitate a biomassa sia vergine che di scarto, rifiuti solidi urbani ed industriali, scarti petrolchimici o industriali e combustibili solidi fossili.
Con riferimento ora più in particolare alla prima unità di trattamento 2, essa comprende almeno un dispositivo di gassificazione (non illustrato in dettaglio) atto a trattare la materia prima carboniosa, in presenza di ossigeno e vapore, per produrre syngas grezzo o gas di sintesi grezzo e un char (vale a dire componenti non combusti della fase gassosa) e/o almeno un dispositivo di pirolisi atto a trattare la materia prima carboniosa, per produrre syngas grezzo o gas di sintesi grezzo e un char.
La prima unità di trattamento 2 comprende inoltre un’unità di pulizia del syngas (non mostrata in dettaglio), progettata per trattare il syngas grezzo e il char a temperatura elevata, allo scopo di distruggere o ridurre (preferibilmente al di sotto di 5 ppm o più preferibilmente al di sotto di 1 ppm) il catrame (tar) in esso contenuto, così da renderlo adatto ad alimentare la Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4.
La prima unità di trattamento 2 comprende preferibilmente un sistema di gassificazione termica per convertire la materia prima in syngas grezzo, in presenza di vapore ed ossigeno, ed un’unità di trattamento al plasma, separata dall'unità di gassificazione, di tale syngas grezzo. L’unità di trattamento al plasma condiziona il syngas grezzo, opzionalmente in presenza di ossigeno e ad una temperatura di 1200 - 1500°C, preferibilmente 1350°C, in presenza di luce ultravioletta intensa, in modo tale che le catene lunghe dei composti di carbonio siano ridotte a semplici molecole di monossido di carbonio e di idrogeno e che le ceneri di fondo del gassificatore siano fuse in una scoria. L’unità di raffreddamento e di pulizia del syngas trattato al plasma può comprendere una combinazione di uno scambiatore di calore, previsto per raffreddare il flusso di syngas a 200-100°C, preferibilmente a 150°C, e dispositivi di pulizia termochimica, in modo tale da ottenere syngas purificato.
Una prima unità di trattamento secondo la presente invenzione può essere come insegnato dalla domanda internazionale pubblicata al numero WO2007000607A1.
La prima unità di trattamento 2 può, ad esempio, includere una serie di componenti, come un sistema di raffreddamento per gas, una rimozione di particolato, un sistema di pulizia del gas ad umido e/o un riscaldatore.
Il sistema di raffreddamento per gas o lo scambiatore di calore di scarto comprende preferibilmente uno scambiatore a recupero di calore, progettato per ridurre le temperature del syngas, da circa 1150°C a 150°C, e trasferire tale calore sensibile ad un olio diatermico da circa 150°C a 320°C. L'olio diatermico viene utilizzato da un ciclo Rankine organico per generare energia elettrica, a partire dal calore di scarto.
Tale sistema di raffreddamento per gas include principalmente uno scambiatore a fascio tubiero percorso da olio, con le caratteristiche specifiche utilizzate nell'industria dei rifiuti e con particolare attenzione posta nei materiali da costruzione per una lunga vita di esercizio e per ridurre al minimo il tempo di inattività causato dall’accumulo di depositi e dalla corrosione. Una porzione del calore trasferito all'olio diatermico può essere utilizzata per la generazione di vapore, mediante una caldaia a calore di recupero. Tale vapore può essere utilizzato come mezzo di gassificazione unitamente ad ossigeno, per fluidificare il letto del gassificatore.
Il sistema di raffreddamento del gas può inoltre comprendere una tramoggia o tramogge per la rimozione delle polveri dallo scambiatore di calore.
Lo scambiatore a fascio tubiero percorso da olio può includere sistemi di pulitura, ad esempio sistemi di pulitura ad impulso. Per quanto riguarda il sistema di rimozione del particolato, si dovrebbe considerare che tale sistema di pulizia del gas, operante a 150-170°C, oltre a rimuove il particolato fine dal flusso di gas, neutralizza i gas acidi come l’acido cloridrico (HCl) ed l’anidride solforosa (SO2) e rimuove i vapori di metalli pesanti.
Il syngas può quindi essere fatto passare attraverso un filtro antiparticolato in ceramica, mediante un condotto isolato in cui sono iniettati bicarbonato di sodio e carbone attivo. Il condotto permette un tempo di permanenza ed una turbolenza sufficienti per consentire una buona reazione e la raccolta, fornendo velocità di cattura elevate per le componenti acide. Il particolato viene trattenuto sugli elementi del filtro ceramico e periodicamente rimosso utilizzando un sistema ad impulso inverso tramite getto di azoto.
Il syngas a 150°C entrerà quindi in un filtro ceramico, che è progettato per rimuovere i solidi e per consentire che avvenga la reazione tra bicarbonato di sodio e acido cloridrico ed anidride solforosa in fase gassosa dispersa. Si può anche aggiungere carbone attivo al flusso di gas in ingresso per adsorbire i metalli pesanti vaporizzati dalla materia prima nei processi a monte.
Con riferimento ora al sistema di pulizia del gas ad umido, esso può comprendere un primo stadio di raffreddamento del gas, in cui il gas è raffreddato da 170°C a 30°C, atto a condensare la maggior parte dell'umidità contenuta nel flusso di gas. Nel suo secondo stadio, si può utilizzare un sistema di scrubbing ad umido utilizzante un ossidante alcalino convenzionale, per rimuovere l’ H2S dal flusso di gas.
Il sistema di pulizia del gas ad umido può includere un pacchetto di raffreddamento e desolforazione e/o un letto a carbone attivo.
Per quanto riguarda in primo luogo il raffreddamento, il syngas dal filtro a secco contenente una quantità residua di acido cloridrico, acido solfidrico e anidride solforosa, può essere fatto passare in uno scrubber, dove viene raffreddato per contatto diretto con acqua fredda.
Per quanto concerne il filtro a letto di carbone attivo, si può includere un contenitore a letto di carbone per catturare eventuali residui di metalli volatili e di zolfo nel syngas.
Con riferimento ora al riscaldamento, il syngas saturato che lascia la colonna di desolforazione può essere fatto passare attraverso una unità di riscaldamento, per aumentare la temperatura del syngas, oltre il punto di saturazione. L'unità di riscaldamento può includere uno scambiatore di calore acqua/gas, con acqua calda derivante dal processo utilizzato per fornire la sorgente di calore.
La temperatura del syngas in uscita dall’unità di riscaldamento sarà dipendente dalla soluzione utilizzata per l’isola di potenza.
Il sistema di raffreddamento e pulizia del syngas può essere dotato di uno o più ventilatori, ad esempio due ventilatori a tiraggio indotto o ventilatori ID. Il primo ventilatore ID può essere disposto fra il filtro anti-particolato ed il sistema di pulizia del gas a umido, mentre il secondo ventilatore ID (può essere disposto) tra il riscaldatore e l'isola di potenza.
Inoltre, si prevede l’utilizzo anche di un ossidatore termico 29, che è progettato per trattare tutti i gas di combustione e il syngas durante l'avviamento dell'impianto e per controllare (attraverso una adatta unità di controllo) l'interruzione della comunicazione di fluido tra la prima unità di trattamento 2 e la Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4, nel caso in cui il syngas non è adatto, cioè se ha una composizione non soddisfacente predeterminati requisiti, necessari per alimentare il generatore della cella a combustibile. L'ossidatore termico 29 è specificato per garantire il rispetto dei criteri di tempo di residenza imposti dalla Direttiva sulle emissioni industriali (IED) richiedenti almeno 850°C, per un tempo di almeno 2 secondi. L'ossidatore termico è in grado di trattare il 100% della portata di syngas.
Il fluido trattato dall'ossidatore termico 29 può essere inviato ad uno sfiato VE.
Il syngas passa all'ossidatore termico prima di passare attraverso la testa del bruciatore e nella camera di combustione dell’ossidatore termico. Aria di combustione e diluizione viene aggiunta mediante il ventilatore del bruciatore. La geometria del sistema crea condizioni di flusso turbolento causando un’efficacie miscelazione dell'aria con il combustibile, dando luogo ad un rapido raggiungimento di una uniforme temperatura all'interno della camera di combustione.
Quando l'ossidatore termico non è in uso, per trattare il gas di combustione o il syngas, sarà operativo un bruciatore di riserva, che mantiene la temperatura della zona primaria dell'ossidatore termico a 850°C.
Il combustibile per l'ossidatore termico può essere gas di petrolio liquefatto (GPL), gas naturale oppure olio.
Preferibilmente, l'impianto comprende un settimo condotto o linea 13 di ricircolo dei gas di uscita verso il condotto 9. La percentuale dei gas di uscita fatta ricircolare verso l'ingresso dipende dalla particolare composizione del syngas.
Per quanto riguarda la Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4, essa vantaggiosamente comprende una batteria di diversi moduli stack di SOFC, ognuno integrante una o più pile, tipicamente da 1 a 20, preferibilmente da 1 a 8, ciascuna pila essendo costituita da un numero di celle tra 20 e 200, preferibilmente tra 50 a 100 elettricamente connesse in serie, che lavorano nell’intervallo di conversione del combustibile (Utilizzo di Carburante o FU) tra il 50% ed il 95%, preferibilmente tra 70% ed 85%.
Per ottimizzare l'integrazione termica e l'efficienza elettrica, diverse pile possono essere anche collegate in configurazione a cascata, cioè una in serie all'altra, rispetto al flusso di syngas.
Inoltre, al fine di ottimizzare l'integrazione termica e l'efficienza elettrica, le pile possono essere anche collegate in configurazione a cascata rispetto al flusso d'aria catodica.
Per ottimizzare l'integrazione elettrica, le pile possono essere collegate sia in serie che in parallelo.
Inoltre, l'impianto 1 può essere dotato di almeno un’unità di recupero o di separazione di aria 14, alimentata con un flusso di aria, per esempio con una temperatura variabile da 10°C a 40°C, preferibilmente pari a circa 25°C, eventualmente per mezzo di un ottavo condotto o linea 15, il quale è in comunicazione di fluido o connesso o collegabile ad una adatta sorgente di aria A. L’unità di recupero di aria 14 è predisposta per generare il flusso di aria da alimentare attraverso un nono condotto o linea 16, in ingresso alla sezione a catodo 4b. Se lo si desidera, un condotto o linea di ritorno 17a, 17b è previsto per la distribuzione di O2 e N2 dalla sezione catodo 4b all’unità di recupero di aria 14 e, opzionalmente, dall'unità di recupero di aria 14 ad uno sfiato V.
L'impianto 1 può anche includere un bruciatore di avvio 18 disposto per avviare il funzionamento della Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4.
Il bruciatore di avvio 18 può essere alimentato da un flusso adatto, quale una miscela di gas naturali ed aria 19, ad esempio fornita ad una temperatura compresa da 10°C a 40°C, preferibilmente pari a circa 25°C, ed è progettato per inviare un adatto flusso riscaldante 20, ad esempio ad una temperatura compresa tra 600°C e 900°C, preferibilmente pari a circa 780°C-800°C, oppure segnali elettrici riscaldanti all’unità di recupero di aria 14 o alla sezione catodo 4b. Il bruciatore di avvio 18 è oppure può essere posto in comunicazione di fluido oppure connesso con una sorgente adatta NG di gas naturali ed aria.
Tipicamente, un bruciatore di pre-miscelazione di gas naturale funziona con un Lambda, cioè l'eccesso di aria tra 1 e 1,3, preferibilmente tra 1,1 e 1,2.
L'ossigeno e l’azoto possono essere ottenuti per mezzo di impianti di generazione di ossigeno ed azoto.
Per quanto riguarda l'unità scambiatrice di calore 6, essa è progettata per sottoporre a scambio termico un primo flusso di H2O e CO2 proveniente dallo scarico del combustore a ossigeno 5 ed un secondo flusso di olio diatermico (si vedano le figure 1 e 2). L'impianto può ulteriormente comprendere una unità a Ciclo Rankine Organico 21 ed un generatore di vapore a recupero di calore 28.
Più in particolare, l'impianto include un decimo condotto o linea 22 per fornire il primo flusso, ad esempio ad una temperatura compresa tra 250°C e 400°C, preferibilmente pari a circa 320°C, all’unità a Ciclo Rankine Organico 21, dopo di che, il primo flusso può essere ulteriormente raffreddato attraverso un generatore di vapore a recupero di calore 28 (si veda figura 1) prima di essere restituito all'unità scambiatrice di calore 6, mediante l'undicesimo condotto o linea 23, ad esempio ad una temperatura compresa tra 100°C e 300°C, preferibilmente pari a circa 150°C. Un dodicesimo condotto o linea 24 è anche previsto per alimentare il secondo flusso, ad esempio ad una temperatura compresa tra 200°C e 400°C, dall'unità scambiatrice di calore 6 alla successiva unità dell'impianto. A questo proposito, l'impianto 1 può anche includere un condensatore 25, asservito dal dodicesimo condotto o linea 24 e disposto per trattare il secondo flusso, dopo averlo fatto passare attraverso l'unità scambiatrice di calore 6 e per separare rispettivi componenti miscelati o contenuti in esso, ad esempio CO<2>e H2O, da trasportare a rispettive linee o condotti 26, 27.
Il generatore di vapore a recupero di calore 28 può anche essere disposto in modo tale da intercettare il dodicesimo condotto o linea 24 (si veda figura 2).
In entrambi i casi descritti (figure 1 o 2), il generatore di vapore a recupero di calore 28 può produrre il vapore S da alimentare alla prima unità di trattamento 2.
In alternativa, l’impianto non è dotato di tale evaporatore ed il vapore per la prima unità di trattamento 2 è fornito da una sorgente esterna. In questo caso, lo scambiatore di calore 6 è usato per un tipo diverso di recupero di energia.
L'impianto può essere ulteriormente dotato di un (sistema) master e di molti sistemi di controllo e di monitoraggio locali destinati a ricevere in ingresso segnali dai sensori dell’impianto e/o a controllare le unità oppure i componenti o le valvole dell'impianto stesso, sulla base di tali segnali e/o di impostazioni predeterminate da un operatore.
Certamente, un impianto secondo la presente invenzione può includere altri componenti, sebbene non mostrati nelle figure allegate, quali un espansore/generatore, ad esempio intercettante il terzo condotto o linea 9, che genera parte dell’energia elettrica prodotta dall’impianto.
Secondo la presente invenzione, si fornisce anche un metodo per la conversione di materie prime carboniose, che può essere eseguito con il suddetto impianto 1.
Tale metodo include:
- una fase di gassificazione eseguita nella prima unità di trattamento 2, ottenendo così un flusso di syngas,
- una fase di trattamento del flusso di syngas, nella Cella a Combustibile ad Ossido Solido 4, in modo tale da produrre rispettivi gas di uscita in corrispondenza della sezione ad anodo 4a, ed una miscela di O2 e N2, in corrispondenza della sezione a catodo 4b,
- una fase di combinazione di gas di uscita con un flusso di O2 nella unità di combustione a ossigeno 5, al fine di generare rispettivi gas di scarico.
Opzionalmente, il metodo può includere una fase in cui si sottopongono i gas di scarico a scambio termico, nell’unità scambiatrice di calore 6, in modo da raffreddare i gas stessi.
La fase di gassificazione può includere una fase di trattamento della materia prima in presenza di ossigeno e vapore, per produrre gas di scarico ed un char oppure una fase di pirolisi, prevista per trattare la materia prima, per produrre di gas di scarico ed un char, ed una fase di trattamento dei gas di scarico e del char, in un’unità di trattamento al plasma, in presenza di ossigeno.
Inoltre, la fase di gassificazione può includere uno stadio di gassificazione termica della materia prima carboniosa in presenza di ossigeno e vapore, per produrre syngas grezzo comprendente principalmente monossido di carbonio ed idrogeno ed il metodo comprende inoltre uno stadio di trattamento al plasma, separato dalla fase di gassificazione, di tale syngas grezzo.
Il metodo potrebbe inoltre comprendere una fase di combinazione dei gas di uscita con un flusso di O2 nell’unità di combustione a ossigeno 5.
La presente invenzione è stata descritta secondo un esempio di realizzazione preferito ma varianti equivalenti possono essere concepite senza scostarsi dall'ambito di protezione offerto dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (16)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto per la conversione di una materia prima carboniosa in elettricità ed in un flusso di gas separato di diossido di carbonio (CO2), comprendente: - almeno una prima unità di trattamento termico (2) progettata per gassificare la materia prima carboniosa, in modo da ottenere un flusso di syngas, comprendente monossido di carbonio ed idrogeno, - almeno una Cella a Combustibile ad Ossido Solido (4) comprendente almeno una sezione anodo (4a) ed almeno una sezione catodo (4b) e preposta a ricevere in ingresso detto flusso di syngas in corrispondenza di detta sezione anodo (4a), ed un flusso di aria in corrispondenza di detta sezione catodo (4b), e a produrre rispettivi gas di uscita in corrispondenza di detta sezione anodo (4a) ed una miscela di O2 e N2 in corrispondenza di detta sezione catodo (4b), - almeno un’unità di combustione a ossigeno (5) progettata per combinare detti gas di uscita con un flusso di O2, al fine di generare rispettivi gas di scarico, - un primo condotto o linea (7) per convogliare materia prima carboniosa a detta prima unità di trattamento (2), - un secondo condotto o linea (8) per fornire vapore a detta prima unità di trattamento (2), - un terzo condotto o linea (9) per trasferire syngas da detta prima unità di trattamento (2) a detta Cella a Combustibile ad Ossido Solido (4), - un quarto condotto o linea (10) per trasportare i gas di uscita da detta Cella a Combustibile ad Ossido Solido (4) a detta unità di combustione a ossigeno (5), in cui detta prima unità di trattamento (2) comprende almeno un dispositivo di gassificazione atto a trattare materia prima carboniosa in presenza di ossigeno e vapore per produrre syngas grezzo e un char e/o almeno un dispositivo di pirolisi atto a trattare materia prima carboniosa, per produrre syngas grezzo o gas sintetico grezzo ed un char, detta prima unità di trattamento (2) comprendendo inoltre un’unità di pulizia di syngas progettata per trattare il syngas grezzo e il char a temperatura elevata, allo scopo di distruggere o ridurre il catrame in esso contenuto, in modo da renderlo adatto ad alimentare la Cella a Combustibile ad Ossido Solido (4).
  2. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui detta prima unità di conversione (2) include uno o più dei seguenti componenti: un sistema di raffreddamento del gas, una rimozione di particolato, un sistema di pulizia a gas umido ed un riscaldatore.
  3. 3. Impianto secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto sistema di pulizia di syngas comprende almeno un’unità di trattamento al plasma.
  4. 4. Impianto secondo la rivendicazione 2 o secondo la rivendicazione 3 quando dipendente dalla rivendicazione 2, in cui detto sistema di raffreddamento di gas o detto riscaldatore comprendono uno scambiatore a recupero di calore progettato per ridurre le temperature del syngas da circa 1150°C a 150°C e trasferire il calore così ottenuto ad un olio diatermico per riscaldarlo da circa 150°C a 320°C.
  5. 5. Impianto secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente un ossidatore termico (29) progettato per trattare gas di combustione e syngas durante l'avvio dell'impianto e per controllare l’interruzione della comunicazione di fluido tra la prima unità di trattamento (2) e la Cella a Combustibile ad Ossido Solido (4) se il syngas non è adatto ad alimentare detta Cella a Combustibile ad Ossido Solido (4).
  6. 6. Impianto secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui detta almeno una Cella a Combustibile ad Ossido Solido (4) include una batteria di diversi moduli SOFC, ognuno integrante uno o più pile (stacks), ciascuna pila (stack) essendo costituita da un numero di celle tra 20 e 200, preferibilmente tra 50 a 100 collegate elettricamente in serie.
  7. 7. Impianto secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente almeno un’unità di recupero d’aria (14) alimentata con un flusso di aria e preposta a generare detto flusso di aria da alimentare in ingresso a detta almeno una sezione a catodo (4a).
  8. 8. Impianto secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, includente un bruciatore di avviamento (18) preposto ad avviare il funzionamento di detta Cella a Combustibile ad Ossido Solido (4).
  9. 9. Impianto secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente almeno un’unità scambiatrice di calore (6) preposta a ricevere in ingresso detti gas di scarico e a raffreddare gli stessi per un recupero di energia.
  10. 10. Impianto secondo la rivendicazione 9, in cui detta unità scambiatrice di calore (6) è progettata per porre in scambio termico un primo flusso di H2O e CO2, proveniente dallo scarico di detto combustore a ossigeno (5), ed un secondo flusso.
  11. 11. Impianto secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente una unità a Ciclo Rankine Organico (21) ed un generatore di vapore a recupero di calore (28).
  12. 12. Impianto secondo le rivendicazioni 10 e 11, comprendente un decimo condotto o linea (22) per trasportare detto primo flusso a detta unità a Ciclo Rankine Organico (21), dopo di che il primo flusso può essere ulteriormente raffreddato attraverso detto generatore di vapore a recupero di calore (28) prima di essere restituito all'unità scambiatrice di calore (6) mediante un undicesimo condotto o linea (23).
  13. 13. Impianto secondo una rivendicazione da 10 a 12 quando dipendente dalla rivendicazione 10, comprendente un condensatore (25) preposto a trattare detto secondo flusso dopo essere stato fatto passare attraverso detta unità scambiatrice di calore (6) e per separare rispettivi componenti miscelati o in esso contenuti.
  14. 14. Impianto secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente un settimo condotto o linea (13) per ricircolare i gas di uscita verso detto terzo condotto o linea (9).
  15. 15. Metodo per convertire una materia prima carboniosa in elettricità ed in un flusso gassoso di diossido di carbonio con un impianto secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, comprendente: - una fase di gassificazione in detta prima unità di trattamento (2), ottenendo così un flusso di syngas, - una fase di trattamento di detto flusso di syngas in detta Cella a Combustibile ad Ossido Solido (4), in modo tale da produrre rispettivi gas di uscita in corrispondenza di detta sezione anodo (4a), ed una miscela di O2 e N2, in corrispondenza di detta sezione catodo (4b), ed - una fase di combinazione di detti gas di uscita con un flusso di O2 in detta unità di combustione a ossigeno (5) al fine di generare rispettivi gas di scarico.
  16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, in cui detta fase di gassificazione include uno stadio di gassificazione termica di detta materia prima carboniosa in presenza di ossigeno e vapore per produrre syngas grezzo comprendente principalmente monossido di carbonio ed idrogeno, ed il metodo comprende inoltre uno stadio di trattamento al plasma, separato dalla fase di gassificazione, di tale syngas grezzo.
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