Capsol mostra come i sensori di CO2 di Vaisala catturano il carbonio post-combustione dall'impianto di termovalorizzazione

Capsol ha sviluppato una tecnologia CCS basata sul carbonato di potassio caldo, che offre molteplici vantaggi rispetto alle soluzioni convenzionali ed è adatta al trattamento delle emissioni degli impianti di conversione dei rifiuti in energia (WtE). Il nuovo sensore di CO2 MGP241 di Vaisala contribuisce a ottimizzare il processo e a mantenere elevato il tasso di cattura della CO2. 

Applicazione

L'impianto modulare di cattura del carbonio CapsolGO di Capsol (nella foto) utilizza la tecnologia di cattura del carbonio con potassio a caldo, in cui una soluzione acquosa di carbonato di potassio subisce una reazione reversibile insieme a biossido di carbonio e acqua:

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La reazione è reversibile in base alla temperatura e alla pressione parziale della CO2, e la soluzione di carbonato di potassio scorre attraverso colonne di assorbimento e di stripping con una fase di recupero del calore brevettata che riduce le perdite di energia e abbassa i costi operativi dell'unità di cattura del carbonio di circa il 40% rispetto alle soluzioni tradizionali. Altri vantaggi della chimica del carbonato di potassio rispetto alle ammine e ad altri solventi sono che il carbonato di potassio è una sostanza chimica poco costosa, non tossica e non volatile. 

La CO2 catturata viene liquefatta e immagazzinata in loco per il trasporto in un apposito recipiente di stoccaggio.   Tra i possibili utilizzi della CO2 catturata rientrano l'industria delle bevande e le serre. La figura 2 mostra uno schema di flusso semplificato di un tipico processo di carbonato di potassio. 

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Nel sistema Capsol, l'assorbitore in cui la CO2 si lega al carbonato di potassio è costituito da due stadi e nel sistema sono presenti tre punti di misurazione della CO2: uno all'ingresso, uno tra i due stadi e uno all'uscita dello scrubber in cui il gas povero di CO2 viene restituito all'impianto WtE.  

La misurazione del livello di CO2 in ingresso viene utilizzata per stimare il carico sullo scrubber, ovvero quanta CO2 deve essere rimossa. La misurazione del livello di CO2 in uscita, invece, fornisce informazioni sulle emissioni residue nell'aria e, insieme al primo punto di misurazione, può essere utilizzata per calcolare il tasso di cattura del carbonio, che è un valore critico per l'efficienza complessiva dell'impianto. 

La posizione centrale tra due stadi di depurazione garantisce una visione più approfondita del processo. Se il livello di CO2 dopo la prima fase dello scrubber è già basso, significa che lo scrubber funziona bene. Se invece la concentrazione dopo la prima fase è più vicina al livello di ingresso, ciò indica che il processo non sta funzionando in modo ottimale. 

I parametri di processo che possono essere regolati in base al valore di CO2 dopo il primo stadio dell'assorbitore includono, ad esempio, la temperatura del materiale di lavaggio e la sua portata. I tre punti di misurazione sono illustrati nella figura 3, dove tre valvole motore convogliano il gas dalle posizioni di ingresso, centrale e di uscita a un collettore comune.

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Dopo approfonditi test di laboratorio presso lo stabilimento norvegese di Capsol volti a dimostrarne le prestazioni di misurazione, la sonda per il biossido di carbonio di Vaisala è stata installata nel sistema CapsolGO per un test sul campo. 

Il test sul campo comprendeva un confronto con un analizzatore di gas di processo estrattivo basato sulla tecnologia NDIR per dimostrare che una sonda compatta può fornire risultati di misurazione equivalenti con una frazione del costo e dei requisiti di spazio degli analizzatori di gas estrattivi convenzionali. 

Il prototipo Vaisala MGP241 è stato installato in un adattatore a flusso continuo all'uscita di un analizzatore di gas per il monitoraggio delle emissioni di CO2 certificato QAL1 per garantire che i due strumenti ricevano lo stesso gas e che i risultati siano confrontabili. 

In un'installazione autonoma, la sonda Vaisala MGP241 verrebbe installata direttamente nel processo, ad esempio nel collettore di campionamento mostrato nella figura 3.  In alternativa, si potrebbero utilizzare sonde separate per ciascun flusso per ottenere informazioni in tempo reale su tutti i punti di misurazione senza la perdita di dati associata all'approccio di campionamento multi-punto. 

Figura 3: Posizione di campionamento per i tre flussi di gas di processo, che mostra le valvole selettrici e il collettore. Il gas campione per gli analizzatori viene prelevato dalla parte superiore del collettore, mentre il gas in eccesso viene scaricato dal basso.

Risultati

Le concentrazioni tipiche di CO2 nelle tre posizioni sono mostrate nella figura 4, dove i tre flussi di campioni sono separati in diagrammi di tendenza diversi, anche se è stato utilizzato un singolo strumento di CO2 per effettuare misurazioni in successione dai tre flussi di campioni. Le parti piatte del grafico corrispondono ai periodi in cui lo strumento misurava uno degli altri due flussi.  

Per valutare le prestazioni del nuovo MGP241 di Vaisala, è stata effettuata una misurazione comparativa in cui l'uscita dello strumento Vaisala è tracciata in funzione dello strumento di riferimento. 

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Sono state effettuate tre misurazioni consecutive della posizione di ingresso e della posizione di uscita e una misurazione della posizione centrale. In ogni sessione sono state raccolte almeno trenta coppie di misurazioni da entrambi gli strumenti. Poiché lo strumento di riferimento estrattivo effettuava misurazioni su base secca, è stata eseguita una compensazione del gas secco basata sul valore effettivo di umidità misurato dal prototipo MGP241. 

La tabella 1 riassume le medie di ogni esecuzione, nonché i parametri della curva di calibrazione e il relativo coefficiente di correlazione tracciati su questi dati. 

La figura 5 mostra gli stessi dati in una rappresentazione grafica. I risultati dei test dimostrano una buona concordanza tra i due metodi e la variazione tra le serie nei risultati di Vaisala è inferiore rispetto al metodo di riferimento, indicando una buona ripetibilità e riproducibilità del metodo. 

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Conclusione

La piattaforma CCS modulare CapsolGO è una soluzione flessibile e scalabile per la cattura del carbonio da fonti puntiformi in diversi settori industriali con concentrazioni di CO2 nei gas di combustione comprese tra il 3 e il 30% in volume.  

La sonda per biossido di carbonio Vaisala MGP241 è la soluzione perfetta per una soluzione compatta basata su contenitore come questa, poiché richiede uno spazio minimo all'interno del contenitore, non ha parti mobili, non necessita di gas di calibrazione e fornisce i dati direttamente al sistema DCS. 

Secondo Anders Grinrød, Responsabile dell'Innovazione di Capsol Technologies, il dispositivo di misurazione compatto in situ è adatto al monitoraggio del processo di cattura di Capsol e ha dato buoni risultati sia nei test di laboratorio che in quelli sul campo. L'MGP241 è anche straordinariamente facile da installare e mettere in funzione: il compito è stato portato a termine dal team congiunto Capsol-Vaisala in meno di un'ora.