Studio di reattori catalitici per abbattimento di emissioni di CH4 da processi geotermici

Geothermal energy is a renewable energy source that can make a credible contribution to the diversification of energy resources. However, it is important to know that this energy mainly contains steam or hot water, but also various pollutants, such as CO2, H2S, NH3, CH4 and small amounts of other species (e.g., Hg, NaCl, As). To abatement of mercury and hydrogen sulphide, Enel has patented a special process called AMIS. However, this efficient system does not give still answer to methane problem. Methane is a potent greenhouse gas and therefore it is necessary to limit as much as possible its emissions into the atmosphere through the use of appropriate capture systems. For this specific application, the use of catalytic burners has some advantages: work at low temperatures and with variable concentration of methane; they have low energy consumption and prevent the NOx formation compared to a classical thermal combustion. In this regard, ENEL, the national leader in geothermal power plants, has called for cooperation with Politecnico di Milano, with the aim to develop the best possible process of catalytic combustion from the data related to gas streams processed by its geothermal power plants. This thesis work has developed: a comparison between different catalysts based on platinum over alumina; kinetic analysis on the catalyst tested and simulations of the process conditions of the Enel pilot plant to validate the kinetic model; scale - up of the experimental results to simulate of an industrial reactor. The catalytic activity tests were carried out on the same procedure of previous thesis works. For the simulations, a dynamic model is used.

La geotermia è comunemente considerata un esempio di fonte di energia rinnovabile che può giocare nel bilancio energetico mondiale. È però importante porre l’accento sul fatto che quella geotermica non è un’energia pulita a tutti gli effetti, poiché i fluidi di processo utilizzati, seppur costituiti prevalentemente da vapore o acqua calda, contengono in quantità variabile diversi tipi d’inquinanti, come anidride carbonica (CO2), idrogeno solforato (H2S), ammoniaca (NH3), metano (CH4) e ancora piccole quantità di altri gas e sostanze in soluzione (ad esempio Hg, NaCl, As). A questo scopo, sono stati studiati e implementati diversi sistemi di abbattimento d’inquinanti, tra i quali il processo di abbattimento di mercurio e idrogeno solforato che Enel ha brevettato sotto il nome AMIS. Le soluzioni trovate non danno tuttavia ancora risposta al problema legato alla presenza di metano. Il metano è un potente gas serra, con un indice GWP (Global Warming Potential) pari a 21 (il GWP della CO2 è unitario come riferimento). È evidente, quindi, che è necessario limitare quanto più possibile la sua emissione in atmosfera mediante l’utilizzo di opportuni sistemi di cattura, basati ad esempio sull’assorbimento in colonna o sulla combustione del metano in bruciatori, due possibilità che seppur efficienti non sono tuttavia sempre praticabili. L’utilizzo di un ossidatore catalitico si offre come risposta valida: consentirebbe di limitare le temperature di esercizio e di processare correnti con una concentrazione di metano variabile. In più, l’ossidazione catalitica ha il vantaggio di lavorare con un consumo energetico ridotto e di prevenire la formazione di NOx rispetto a una classica combustione termica. A questo proposito, ENEL ha richiesto una collaborazione con il Politecnico di Milano, nell’obiettivo di sviluppare un processo di combustione catalitica ottimale dai dati delle correnti gassose processate dalle sue centrali geotermiche. L’attività di tesi ha condotto: • Un approfondimento su catalizzatori a base di platino Pt - allumina Al2O3 con un confronto tra diversi sistemi a carico di platino variabile; • Analisi cinetica sul catalizzatore testato e simulazioni delle condizioni di processo dell’impianto pilota avviato da Enel nel 2012 presso il sito geotermico di Larderello, convalidando da un lato il modello matematico del reattore catalitico industriale sulla base delle evidenze sperimentali ottenute, e dall’altro, realizzando un’analisi parametrica da cui ricavare informazioni utili per l’ottimizzazione delle condizioni di processo del reattore. • Prova di scale – up dei risultati di laboratorio attraverso simulazioni di un reattore industriale. Le prove di attività catalitica sono state realizzate su un impianto sperimentale di laboratorio dotato di linee d’alimentazione e di reazione. Per le simulazioni è stato utilizzato un modello dinamico preesistente opportunamente adattato alle condizioni di studio.