Ingg. G.Bellina, W.Cardaci - ISAB Energy

Transcript

Convegno ATI/ANIMP “3E – Energy , Efficiency and Enviroment , Efficienza energetica e cogenerazione: quali prospettive per l’industria italiana nei nuovi mercati energetici”
”Miglioramento dell’efficienza energetica
nella produzione idrogeno
a partire dalla gassificazione dell’asfalto
nell’impianto IGCC di ISAB Energy”
Ing. Bellina Giovanni , Ing. Cardaci Walter
Milano, 11 luglio 2013
1
Sommario
Premessa impiantistica – Tecnologia IGCC/SDA
Descrizione intervento – Nuovo Impianto Idrogeno
Calcolo del Risparmio Energetico – Baseline e Miglioramento
Convegno ATI/ANIMP “3E – Energy , Efficiency and Enviroment
2
ISAB Energy Services : Tecnologia IGCC/SDA
• Isab Energy, IGCC/SDA e nuovo impianto di
produzione idrogeno a partire dalla gassificazione
dell’asfalto
• Isab Energy Services Srl, gestore impianto ed ESCO
3
4
il
Il processo di gassificazione di Isab Energy
è effettuato in 2 gassificatori TEXACO a raffreddamento ad acqua
diretto, i più adatti al trattamento di una carica estremamente
pesante come l'asfalto.
5
Unità di Trattamento Syngas e Recupero Termico
il
Dalla gassificazione viene prodotto syngas umido, che deve subire alcune
fasi di trattamento prima di poter essere utilizzato.
Il syngas prodotto viene lavato con acqua in uno scrubber al fine di
eliminare la soot in esso contenuta, prima che lo stesso vada nell'impianto
di recupero termico e trattamento catalitico per convertire COS in H2S per
il successivo recupero zolfo
Attraverso un progressivo raffreddamento (da circa 250°C a circa 35°C)
del flusso di syngas, si recupera calore utilizzato per produrre vapore
(MP, BP) , che viene impiegato nelle varie utenze dell'impianto.
Il gas, trattato e raffreddato, viene processato nell’unità rimozione gas
acido per rimuovere i composti dello zolfo, attraverso MDEA e una volta
pulito viene utilizzato negli impianti H2 e CCU
6
Descrizione intervento
• Nel mondo quasi tutto l'idrogeno viene attualmente prodotto su
vasta scala con processi di reforming di idrocarburi.
• Il processo di produzione che sfrutta la gassificazione
rappresenta una tecnologia innovativa, con elevata efficienza e
ridotte emissioni inquinanti rispetto alla tipica tecnologia per
produrre idrogeno utilizzata nelle raffinerie e pratica corrente
(steam reforming) e che rappresenta il riferimento ex ante.
7
8
Il nuovo impianto H2
Realizzato nel periodo mag2009-giugno2010 – investimento 20 ME;
ha una produzione nominale pari a circa 20.000 Nmc/h;
è composto principalmente da tre unità impiantistiche:
- Lavaggio del syngas
- Impianto di separazione a Membrane
- PSA (Pressure Swing Adsorption)
9
- Lavaggio del syngas
per ridurre al minimo l’eventuale contenuto di MDEA (metildietanolammina),
il solvente utilizzato nel processo di Acid Gas Removal (AGR) per catturare
il gas acido, in quanto i liquidi, e la MDEA in particolare, se in contatto con
le membrane, possono danneggiarle riducendone o compromettendone in
modo irreversibile le prestazioni.
- Separazione idrogeno con Membrane e PSA
L’utilizzo di due processi in serie per la separazione dell’idrogeno è
necessario per ottenere il massimo dell’efficienza, in quanto ognuno dei
due si presta meglio per concentrazioni differenti del gas in ingresso.
10
- Impianto di separazione a Membrane
dove viene effettuata la separazione con membrane dell’idrogeno presente
nel syngas, in una unità POLYSEP della Honeywell UOP, fino ad ottenere
un gas permeato con un contenuto di idrogeno (H2) pari a circa il 70%.
- PSA (Pressure Swing Adsorption)
dove il permeato viene ulteriormente trattato in un sistema PSA (POLYBED
della Honeywell UOP) fino per arrivare alla purezza richiesta dell’H2 pari al
99,5% volume.
11
Il nuovo impianto è tecnologicamente innovativo,
con alta efficienza energetica
con ridotte emissioni inquinanti
risparmio rispetto ai normali consumi per la produzione di
idrogeno, identificati con quelli del Bref,
A livello mondiale infatti l’idrogeno immesso sul mercato viene
prodotto per più del 90% a partire da combustibili fossili, in
prevalenza gas naturale. Anche per quanto riguarda il settore delle
raffinerie il 57% dell'idrogeno prodotto in Europa deriva dal processo
di steam reforming del metano.
La fonte di energia primaria risparmiata grazie alla realizzazione del
nuovo impianto di produzione idrogeno da gassificazione dell'asfalto,
è il metano.
12
Baseline e risparmi energetici
Asfalto
Ossigeno
PPU
Syngas
Vapore
Energia
Elettrica
CCU
Energia
Elettrica
Zolfo
Vanadio
Vapore
Energia
Elettrica
Syngas
Impianto
idrogeno
Off-gas
BD
Idrogeno
13
Per il calcolo dei risparmi ottenuti in seguito alla realizzazione del nuovo
impianto di produzione idrogeno sono stati confrontati i consumi energetici
nelle due situazioni:
ex ante: consumo medio delle utilities del processo di produzione
idrogeno mediante steam reforming, per la lavorazione della carica alle
condizioni idonee operative, tratto dal Bref di riferimento.
ex post: consumo delle utilities del processo di gassificazione asfalto,
trattamento syngas e purificazione idrogeno, per la lavorazione della carica
alle condizioni idonee operative.
14
Consumi Energetici Impianti Steam reforming (BREF)- Baseline
BASELINE - Bref "Mineral Oil and Gas Refineries", IMPIANTO STEAM REFORMING
Utilities richieste
Fuel (Q)
Energia Elettrica (P)
Totale consumo utilities (K) = Q+P
Range di consumo
Unità
di
misura
35.000 - 80.000
MJ/t H2
200 - 800
kWh/t H2
1.566 - 6.263
MJ/t H2
36.566 - 86.263
MJ/t H2
Valore medio
consumo utilities
(Baseline)
X
Unità
di
misura
X=K/2
61.414,5
MJ/t H2
La voce “fuel” indicata nelle BREF come energia di utility per impianti steam reforming,
rappresenta il consumo di combustibile al bruciatore del reattore di reforming
Consumo energetico Fuel - valore medio 57.500 MJ/t di H2;
Consumo energetico EE – valore medio 3.914,5 MJ/t di H2
Consumo Energetico medio di riferimento è pari a 61415,5 MJ/t di H2
15
Consumi Energetici per produzione H2 da gassificazione asfalto
a) Consumo utilities processo gassificazione-trattamento syngas
per la produzione H2
Ottenuto dal consumo totale delle utilities (ossigeno, vapore, EE) del
processo di gassificazione e trattamento syngas diviso per le tonnellate
totali di asfalto in carica e moltiplicato per le tonnellate di asfalto
utilizzate per la produzione di idrogeno (portata asfalto equivalente)
b) Consumo utilities nuovo impianto H2
il consumo totale delle utilities energia elettrica per le varie
apparecchiature e un piccolo quantitativo di vapore prelevato
dall'esterno. Considerati nella loro totalità in quanto sono utilizzati
esclusivamente per produrre idrogeno.
16
Elenco strumenti per TEE
Stream
2) Portata Ossigeno da Air Liquide
4) Vapore ( unità 3800)
1) Asfalto in carica
5) Idrogeno
3) Syngas post trattamento
Tag CPP
Tag PI
5900O2GASSV 5900FI0_201CP
3800LPCONSSV 3800FI0_003
5900FEEDPREPSV 3100FI0_001CP
3800H2PRODSV 5900FI0_550
3500SYNPRODSV
3300FI0_029CP 3300FI0_029CP
3800FI0_601CP 3800FI0_601CP
Sigla strumento
Tipo di strumento
FT-1930 - 1940 (proprietà Air Liquide)
3800-0-FT-003
Orifizio Calibrato
3100-0-FT001A/B/C
Coriolis
5900-0-FT550
Coriolis
3300-0-FT029
3800-0-FT601A/B
Orifizio Calibrato
Annubar
17
Consumi Energetici – nuovo impianto H2 da gassificazione asfalto
I consumi energetici delle utilities per la produzione di idrogeno
nel nuovo impianto di produzione sono:
Ossigeno;
Vapore;
Energia elettrica.
18
Ossigeno;
-
L'apporto di energia principale per la gassificazione-trattamento syngas è
rappresentato dall'ossigeno necessario all'ossidazione parziale
dell'asfalto.
-
Il consumo di ossigeno viene associato all'energia elettrica necessaria
per la sua produzione. L'ossigeno viene acquistato da Isab Energy da un
impianto dell'Air Liquide adiacente allo stabilimento. La società fornitrice
fornisce i propri dati sui consumi per produrre ossigeno.
-
Questo consumo specifico, moltiplicato per il quantitativo di ossigeno
utilizzato dal processo di gassificazione permette di ricavare l'energia
elettrica impiegata per la produzione dell'ossigeno.
-
Il consumo specifico di energia elettrica per generare un Normal metro
cubo di ossigeno è pari a
0,5615 kWh /Nmc.
19
Vapore;
- Per effettuare la gassificazione-trattamento syngas viene consumato anche
vapore, che funge da moderatore nella reazione. Durante la fase di
raffreddamento syngas avviene un recupero di calore utilizzato per produrre
vapore che viene reimpiegato nelle varie fasi di lavorazione.
Considerando l'autoproduzione e l'autoconsumo di vapore, la quantità
di vapore consumato nel processo di gassificazione-trattamento
syngas non è inserito nel calcolo, in quanto il contributo energetico
deriva dall'energia di reazione dell'ossigeno, già considerato.
Viene invece inserito nel calcolo il vapore consumato nell'impianto di
produzione idrogeno, in quanto è prelevato dall'esterno.
Tale vapore è alla pressione di circa 4,5 bar e alla temperatura di circa
205°C, quindi l'entalpia associata è pari a :
2.858,4 kJ/kg, ovvero 682,72 kcal/kg.
20
Energia elettrica
CABINA ELETTRICA LC02
- alimenta unità di impianto gassificazione-produzione e trattamento syngas
- alimenta unità di impianto 3800 produzione idrogeno
- alimenta altre utenze - Control Room
CONTATORE
6
Consumo EE LC02
6kV da LC01
1
0,4 kV da LC01
3
2
QUADRO
SWG-02-101
4
6
5
QUADRO
PC-02-001
8 21
CONSUMO EE CR
QUADRO
PC-02-002
QUADRO
ASP-02-001
7 11
16
17
UTENZA
MISURE PI
TIPO CONTATORE COSTRUTTORE ANNO INSTALLAZIONE
SWG-02-101 ARRIVO A
ARRIVO B
PC-02-001 ARRIVO A
ARRIVO B
PC-02-002 ARRIVO A
ARRIVO B
2SG11AWh
2SG11BWh
2PC01AWh
2PC01BWh
2PC02AWh
2PC02BWh
SEPAM
SEPAM
SEPAM
SEPAM
SEPAM
SEPAM
SCHNEIDER
SCHNEIDER
SCHNEIDER
SCHNEIDER
SCHNEIDER
SCHNEIDER
2000
2000
2000
2000
2000
2000
SWG-02-101 TR/PC-CR001A
CPC01AWh
SEPAM
SCHNEIDER
2000
12
13
8
9
2PC0138P10AWh
2PC0138P10BWh
2PC0238P11AWh
2PC0238P11BWh
2UPSB1DISTR1Wh
2ASP03Wh
2UPSB1DISTR2Wh
X-METER
X-METER
X-METER
X-METER
X-METER
X-METER
X-METER
ENERGY TEAM
ENERGY TEAM
ENERGY TEAM
ENERGY TEAM
ENERGY TEAM
ENERGY TEAM
ENERGY TEAM
2012
2012
2012
2012
2012
2012
2012
18
2SG1131B2AWh
2SG1131P1AWh
2SG1131P1CWh
2SG1131B2BWh
2SG1131P1BWh
2PC0231B1AWh
2PC0231B1BWh
SEPAM
SEPAM
SEPAM
SEPAM
SEPAM
X-METER
X-METER
SCHNEIDER
SCHNEIDER
SCHNEIDER
SCHNEIDER
SCHNEIDER
ENERGY TEAM
ENERGY TEAM
2000
2000
2000
2000
2000
2012
2012
8
Consumo EE impianto H2 10
7
PC-02-001
8
9
PC-02-002
10
11
ASP-02-001
12
13
10
19
9 Consumo EE altre utenze
6
1
2
3
4
5
6
Consumo EE CR001A
21
10 Consumo EE impianto H2
1414 15
QUADRO
Consumo EE LC02
20
3800-PM110A
3800-PM110B
3800-PM111A
3800-PM111B
UPS-SIB5-ARRIVOA
ASP-02-003
UPS-SIB5-ARRIVOB
Consumo EE altre utenze 9
14
SWG-02-101 3010-BM102A
15
3010-PM101A
16
3010-PM101C
17
3010-BM102B
18
3010-PM101B
19
PC-02-002 3010-BM101A
20
3010-BM101B
Consumo EE Gassificazione e trattamento Syngas 7
calcolo
Consumo EE LC02-Consumo EE H2-Consumo EE altre utenze-Consumo EE CR001A
21
Portata di asfalto equivalente (Qasf)
Si determina il parametro di rendimento degli impianti di gassficazione
(‘’Cold Gas Efficiency’’) considerando la quantità totale di asfalto in ingresso
ai gassificatori e la quantità di syngas generato con i relativi PCI.
Si effettua il rapporto tra l'energia associata all'idrogeno prodotto e il prodotto
tra il PCI dell'asfalto in carica e la cold gas efficiency, determinando le
tonnellate di asfalto in carica utilizzata per la produzione di idrogeno.
22
PORTATA DI ASFALTO EQUIVALENTE (Qasf) (01/07 - 31/12/2012)
Dati impianto (01/07 - 31/12 2012)
Quantità tot
PCI (kcal/kg)
5.374,156
26.088
IDROGENO PRODOTTO
t
SYNGAS post trattamento
t
1.093.012,541
3.120
ASFALTO in carica
t
500.311,184
9.123
I valori dei PCI provengono da analisi di
laboratorio di Isab Energy Services e risultano
congruenti con la letteratura di settore
Calcolo quantità di asfalto utilizzata per la produzione di H2 (01/07 - 31/12 2012)
Cold gas efficiency (η) = (PCI syngas x Ton Syngas) / (PCI asfalto x Ton asfalto) =
= ( 3.120 x 1.093.012,541 )/( 9.123
x 500.311,184) =
Portata di asfalto equivalente (Qasf) =
=
(Ton idrogeno x PCI Idrogeno) / (PCI asfalto x η)
( 5.374,156 x
26.088 ) / ( 9.123 x 0,747)
=
=
0,747
20.569
23
a) Consumo utilities processo gassificazione-trattamento syngas per H2
IMPIANTO PRODUZIONE IDROGENO ISAB ENERGY SERVICES (rendicontazione consumi 01/07/2012 - 31/12/2012)
Dati Asfalto in carica e produzione Idrogeno
periodo
Luglio - Dicembre 2012
Asfalto in carica
Idrogeno prodotto
Quantità [t]
500.311,184
5.374,156
I
L
Consumi di energia utilities (ossigeno + energia elettrica) per gassificazione e trattamento syngas
Quantità
Energia Elettrica
Fattore di conversione
Kcal
MJ
[kcal/kWh]
(kWh x kcal/kWh)
(kcal / 238,85)
OSSIGENO
574.274,754 ton -->
382.131.394 Nmc-->
consumo produzione: 0,5615
kWh/mc
kWh
214.566.777
1.870
401.239.872.990
1.679.882.240
A
ENERGIA ELETTRICA
kWh
27.923.350
1.870
52.216.664.500
218.616.975
B
453.456.537.490
1.898.499.215
E = (A+B)
CONSUMO TOT GASSIFICAZIONE E TRATTAMENTO SYNGAS E = (A+B)
Consumo specifico utilities per gassificazione e trattamento syngas
E
I
C=E/I
Consumo utilities gassificazione
e trattamento syngas
[MJ]
Asfalto in carica
[t]
[MJ/t asfalto]
1.898.499.215
500.311,184
3.794,637
Qasf
(riferimento pagina 31)
Portata di asfalto
equivalente [t]
(t di asfalto utilizzate per
produrre H2)
20.569
Z = C x Qasf
Consumo per
produzione H2
[MJ]
78.051.587
L
D=Z/L
Idrogeno prodotto Consumo specifico
[t]
[MJ/t H2]
5.374,156
14.523,5
24
b) Consumo utilities nuovo impianto H2
Consumo specifico utilities (energia elettrica e vapore) impianto produzione H2
Energia Elettrica
[kWh]
M
623.450
vapore [t]
4,5 bar; 205 °C
N
9.387,669
Fattore
conversione
[kcal/kWh]
W
Kcal
(kWh x kcal/kWh)
K=MxW
1.870
entalpia
[kcal/kg]
S
1.165.851.500
Kcal
(vapore[t]x10ᶟ)x kcal/kg
O=NxS
682,72
6.409.149.380
MJ
(kcal / 238,85)
Y = K / 238,85
4.881.103
MJ
(kcal / 238,85)
U = O / 238,85
26.833.366
Consumo specifico
[MJ/t H2]
F=Y/L
908,3
Consumo specifico
[MJ/t H2]
G=U/L
4.993,0
Riepilogo Consumo specifico totale utilities
Consumo specifico utilities gassificazione e trattamento syngas
14.523,5
D [MJ/t H2]
908,3
F [MJ/t H2]
Consumo specifico energia elettrica impianto produzione idrogeno
Consumo specifico TOTALE utilities + energia elettrica impianto produzione
idrogeno H = (D + F)
Consumo specifico vapore impianto produzione idrogeno
15.431,8
4.993,0
H [MJ/t H2]
TEE tipo 1
G [MJ/t H2]
TEE tipo 2
25
CALCOLO TEE
Baseline Bref Steam
Reforming
(MJ/t)
Utilities richieste
(su baseline raffineria Bref Steam Reforming)
Risparmi
(MJ/t)
R
Nuovo impianto produzione H2
(MJ/t)
Produzione H2
(t)
TEE RISPARMIATI
L
Energia Elettrica
P
3.914,5
15.431,8
H
Fuel
Q
57.500
4.993,0
G
-
T = (R x 238,85 x L)/10.000.000
11.517,3 R1 = P - H
5.374,156 -
52.507,0 R2 = Q - G
5.374,156
Totale TEE risparmiati
1.478,38
TIPO 1
TIPO 2
6.739,88
5.261,51
La formula per il calcolo dei TEE di Tipo 1 risparmiati può essere esplicitata nel seguente modo:
La formula per il calcolo dei TEE di Tipo 2 risparmiati può essere esplicitata nel seguente modo:
T = R1 x 238,85 x L / 10.000.000 [TEE], TEE risparmiati tipo 1
R1 = P - H [MJ/ton], risparmio specifico energia elettrica
238,85 = coefficiente di conversione [kcal/MJ]
L = produzione H2 [ton]
10.000.000 = coefficiente di conversione [kcal/tep]
P = consumo specifico di baseline energia elettrica [MJ/ton]
H = consumo specifico energia elettrica post intervento [MJ/ton]
T = R2 x 238,85 x L / 10.000.000 [TEE], TEE risparmiati tipo 2
R2 = Q - G [MJ/ton], risparmio specifico fuel
238,85 = coefficiente di conversione [kcal/MJ]
L = produzione H2 [ton]
10.000.000 = coefficiente di conversione [kcal/tep]
Q = consumo specifico di baseline fuel [MJ/ton]
G = consumo specifico vapore post intervento [MJ/ton]
τ
TEE risparmiati per il periodo
01 Luglio 2012 - 31 Dicembre 2012
TEE TIPO 1
TEE TIPO 2
TEE TOT
cat. IND-FF
TEE totali
richiesti
-1.478
6.740
5.262
3,36
17.680
26
CALCOLO RISPARMIO ENERGETICO - IMPIANTO H2 ISAB ENERGY
CONSUNTIVO 2012 - YTD
anno
mesi
TEE
TEP evitate
H2 prodotto [t]
2012
7
17.680
5.262
6.118
2013
6
15.863
4.721
4.900
PIANO 2013 - 2015
anno
mesi
TEE stimati
TEP evitate stimate
H2 stimato [t]
2013
12
36.300
10.804
9923
2014
12
40.494
12.052
12216
2015
12
39.173
11.659
12279
27
Grazie per l’attenzione
Milano, 11 luglio 2013
28

Ingg. G.Bellina, W.Cardaci - ISAB Energy

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