Analisi del processo a doppio ciclo solido Cu-Ca ed integrazione in impianti a basse emissioni di CO2 per la produzione di energia elettrica ed idrogeno

This work offers the analysis of a new conceptual process for the production of hydrogen and/or electricity, from natural gas, with low CO 2 emissions. The process is founded on a double solid loop involving calcium oxide and copper oxide. The first cycle CaO/CaCO 3 is based on the Sorption Enhanced Reforming (SE-SMR) which offers the possibility to produce hydrogen with the contemporary capture of CO 2 . The second cycle Cu/CuO, based on the Chemical Looping Combustion process (CLC), is employed to solve the problem of the endothermic regeneration of the sorbent which allows to obtain a pure stream of CO 2 . The reduction of CuO, when reacting with natural gas or syngas, is feasible to provide the necessary heat for the calcination step. The process is carried out basing on the principle of high temperature fixed bed, where the gas stream gets in contact with the solid bed and reacts on a narrow reaction front. After a short analysis about the SE-SMR process and CLC, this work investigates the double solid loop Cu-Ca process and then focuses on its possible integration inside a power generation plant and inside a hydrogen production plant with low CO 2 emissions. For each configuration there is an analysis of the performances, the issues of the process and a comparison with the traditional pre-combustion technologies for CO 2 capture.

Il presente lavoro propone l’analisi di un nuovo processo per la produzione di idrogeno e/o energia elettrica, a partire da gas naturale, a basse emissioni di anidride carbonica. Il processo si basa su un doppio ciclo solido a base di ossido calcio e ossido di rame. Il primo ciclo CaO/CaCO 3 è basato sul processo di Sorption Enhanced Reforming (SE-SMR) per la produzione di idrogeno con cattura contemporanea della CO 2 . Il secondo ciclo Cu/CuO, basato sul processo di Chemical Looping Combustion (CLC), è implementato per risolvere il problema legato alla rigenerazione endotermica del sorbente che permette di ottenere una corrente pura di CO 2 . La riduzione del CuO, quando reagisce con gas naturale o una corrente di syngas, è in grado di fornire il calore necessario per la reazione di calcinazione. Il processo è pensato per avvenire all’interno di opportuni letti fissi ad alta temperatura dove le correnti gassose entrando in contatto con la matrice solida reagiscono a cavallo di uno stretto fronte di reazione. Dopo una preventiva analisi del processo SE-SMR e della CLC, il lavoro analizza prima il funzionamento singolo del processo a doppio ciclo solido Cu- Ca e successivamente si occupa di una sua possibile integrazione in un impianto per la produzione di energia elettrica e in uno per la produzione di H 2 . Per le differenti configurazioni simulate vengono valutate le prestazioni e le problematiche del processo e viene effettuato un suo confronto con le tecnologie tradizionali di cattura pre-combustione.