Il processo fondamentale in quattro fasi per il recupero della CO₂
Il principio fondamentale del recupero della CO₂ è separarla selettivamente da un flusso di gas misto. Ciò si ottiene attraverso un processo standardizzato in quattro fasi:
1. Pretrattamento: rimozione delle impurità dei fumi
Il gas di scarico grezzo deve essere prima pulito per prevenire corrosione, ostruzioni e degrado delle prestazioni nell'attrezzatura di cattura a valle.
Rimozione della polvere: i precipitatori elettrostatici o i filtri a manica vengono utilizzati per rimuovere il particolato (polvere), che può intasare gli adsorbenti o i solventi e ridurre l'efficienza della separazione.
Desolforazione e denitrificazione: la desolforazione dei gas di scarico umidi (ad esempio, metodo calcare-gesso) e la riduzione catalitica selettiva (SCR) vengono impiegate per rimuovere il biossido di zolfo (SO₂) e gli ossidi di azoto (NOₓ). Queste impurità provocano la corrosione delle apparecchiature, reagiscono creando sottoprodotti indesiderati con solventi di cattura e riducono la purezza finale della CO₂.
Disidratazione: i raffreddatori e gli essiccatori ad adsorbimento rimuovono il vapore acqueo per prevenire la formazione di ghiaccio e i blocchi delle tubazioni durante i processi di cattura a bassa temperatura e per evitare la formazione di acido carbonico corrosivo.
2. Cattura e separazione: isolamento selettivo di CO₂
Questo è il fulcro del processo di recupero e la fase tecnologicamente più intensa e costosa, che rappresenta il 60-70% dell’investimento totale. Il gas pretrattato entra in un'unità di cattura dove la CO₂ viene separata selettivamente da N₂ e O₂ mediante metodi fisici o chimici.
3. Purificazione e raffinazione: aumento della purezza della CO₂
La CO₂ 'grezza' catturata (tipicamente pura all'85-95%) spesso richiede un'ulteriore purificazione per rimuovere le impurità residue come N₂, O₂ e H₂S. Il livello di purezza richiesto determina la tecnologia utilizzata.
Grado alimentare (purezza ≥99,9%): per applicazioni come la carbonatazione di bevande o come additivo alimentare, è necessaria una combinazione di torri di adsorbimento (utilizzando setacci molecolari per rimuovere N₂/O₂) e colonne di distillazione (per separare le impurità dei componenti leggeri).
Grado industriale (purezza 95-98%): per usi come il recupero avanzato del petrolio (EOR) o la sintesi chimica, i requisiti di purezza sono meno rigorosi, consentendo un processo di purificazione semplificato e più conveniente.
4. Compressione e stoccaggio: conversione allo stato liquido o supercritico
Il gas CO₂ purificato viene pressurizzato e raffreddato per uno stoccaggio e un trasporto efficienti.
Il gas viene immesso nei compressori e pressurizzato (tipicamente a 2,0-7,38 MPa) mentre viene raffreddato da -20°C a -30°C.
Questo processo converte la CO₂ in uno stato liquido o supercritico (punto critico CO₂: 7,38 MPa e 31,1°C), che viene poi immagazzinata in serbatoi specializzati e isolati in attesa di utilizzo o sequestro.
Confronto delle principali tecnologie di acquisizione
La scelta della tecnologia di cattura dipende fortemente dalle caratteristiche dei gas di combustione, da considerazioni sui costi e dai requisiti operativi.
| Percorso tecnologico |
Principio fondamentale |
Vantaggi |
Svantaggi |
Applicazioni ideali |
| Assorbimento chimico |
Utilizza un solvente alcalino (ad esempio MEA, DEA) che reagisce chimicamente con la CO₂ per formare un carbammato stabile. Il solvente viene quindi riscaldato (120-150°C) per rompere il legame, rilasciare la CO₂ e rigenerare il solvente. |
1. Elevata selettività: eccellente efficienza di cattura (≥90%) anche a basse concentrazioni di CO₂.
2. Tecnologia matura: ampiamente collaudata con numerose applicazioni industriali. |
1. Elevata energia di rigenerazione: il riscaldamento tramite solvente rappresenta oltre il 70% del consumo energetico totale, con conseguenti costi operativi elevati.
2. Degradazione dei solventi: i solventi si degradano e volatilizzano, richiedendo il rifornimento e causando potenzialmente inquinamento secondario.
3. Corrosivo: richiede materiali costosi e resistenti alla corrosione per le apparecchiature. |
Scenari con bassa concentrazione di CO₂ (10-15%) e flusso di gas stabile, come centrali elettriche a carbone e inceneritori di termovalorizzazione. |
| Adsorbimento fisico |
Utilizza adsorbenti solidi (ad es. setacci molecolari, carbone attivo, MOF) che catturano la CO₂ sulla loro superficie a basse temperature/alte pressioni. La CO₂ viene rilasciata (desorbita) aumentando la temperatura o abbassando la pressione (TSA/PSA). |
1. Bassa energia di rigenerazione: il consumo energetico è inferiore del 30-50% rispetto all'assorbimento chimico.
2. Non corrosivo: gli adsorbenti sono inerti e garantiscono una maggiore durata dell'apparecchiatura.
3. Rispettoso dell'ambiente: nessuna perdita di solventi o inquinamento associato. |
1. Efficienza inferiore a basse concentrazioni: più adatta per gas di scarico con concentrazioni di CO₂ ≥15%.
2. Capacità limitata: gli adsorbenti hanno una capacità finita, che richiede cicli di rigenerazione frequenti e volumi di apparecchiature maggiori.
3. Sensibile alle impurità: il vapore acqueo e altre impurità possono disattivare il materiale adsorbente. |
Scenari con maggiore concentrazione di CO₂ (15-25%) e bassi livelli di impurità, come i forni da cemento e il gas di cokeria delle acciaierie. |
| Separazione della membrana |
Utilizza membrane polimeriche (ad esempio, poliimmide) che sono selettivamente permeabili alla CO₂. Le molecole di CO₂ attraversano la membrana 5-10 volte più velocemente dell'N₂, creando un flusso ricco di CO₂ da un lato e un flusso impoverito di CO₂ dall'altro. |
1. Ingombro compatto: non sono necessarie torri o navi di grandi dimensioni.
2. Manutenzione ridotta: nessuna parte mobile, con conseguente semplicità di funzionamento.
3. Flessibile e scalabile: il design modulare consente una facile regolazione alle diverse portate del gas aggiungendo o rimuovendo unità a membrana. |
1. Bassa efficienza di separazione: la separazione a stadio singolo produce solo l'80-85% di purezza, spesso richiedendo più stadi in serie, il che aumenta i costi.
2. Sensibile alle condizioni: le membrane sono suscettibili ai danni causati dalle alte temperature e dalle impurità, richiedono un pretrattamento rigoroso e una durata tipica della membrana di 3-5 anni.
3. Elevato utilizzo di energia per basse concentrazioni: il consumo di energia aumenta in modo significativo per i flussi di gas diluiti. |
Impianti di piccole e medie dimensioni con flussi di gas fluttuanti (ad esempio, piccoli impianti chimici, centrali elettriche distribuite) o come fase di pre-concentrazione in un processo ibrido. |
