Sorption enhanced water gas shift

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:

{\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}

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

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

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:

{\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}

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

Esempio di schema di funzionamento di un impianto di rigenerazione del tipo pressure swing.

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

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:

etanolammina (C₂H₇NO),
dietanolammina (C₄H₁₁NO₂),
trietanolammina (C₆H₁₅NO₃),
etanolammina (C₂H₇NO),
metildietanolammina (C₅H₁₃NO₂).^[8]

Vantaggi del processo SEWGS rispetto alle tecnologie convenzionali

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

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

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

^ ^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).
^ ^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).
^ ^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).
^ ^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.
^ ^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.
^ (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).
^ (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.
^ (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).
^ ^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).
^ ^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).
^ ^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).
^ (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).
^ (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

Collegamenti esterni

Progetti in cui viene studiata la tecnologia SEWGS

Portale Chimica

Portale Ingegneria

[:1-1] (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).

[:4-2] (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).

[:5-3] (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).

[:3-4] 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.

[:2-5] ^ ^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).

[:6-9] (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).

[:0-10] (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).

[:7-11] (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).

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