Nell’ambito del sottoprogetto EMICO della Ricerca di Sistema, finalizzato allo studio delle tecnologie atte al contenimento delle emissioni gassose degli impianti di generazione elettrica alimentati da combustibili fossili, uno dei temi di interesse è la valutazione delle possibili opzioni per la mitigazione delle emissioni di biossido di carbonio (CO 2 ). Tra le opzioni più promettenti già identificate ed analizzate a tal proposito, una è basata sull’impiego, negli impianti turbogas a ciclo combinato, di combustibili gassosi sintetici (singas) a ridotto contenuto di carbonio. Tali combustibili possono essere prodotti partendo dal gas naturale, o da altri idrocarburi leggeri, mediante processi di reforming associati a sistemi di cattura del CO 2 prima della combustione. Numerosi processi di reforming del gas naturale sono già disponibili commercialmente per altre finalità, ma poiché nelle configurazioni impiantistiche di interesse può assumere grande importanza il tipo di processo di reforming adottato, si ritiene siano necessari ulteriori studi finalizzati sia all’identificazione del processo più adatto per la specifica applicazione, sia alla sua ottimizzazione energetica, impiantistica ed economica. L’approccio adottato in questa attività prevede di associare agli studi ed alle valutazioni modellistiche sui diversi processi anche un’attività sperimentale condotta mediante una piccola e flessibile facility nella quale sia possibile testare e valutare diversi tipi di processi e/o catalizzatori di reforming. Ciò consentirà di acquisire le conoscenze necessarie per le future attività di scale-up e di ottimizzazione dei processi stessi per le applicazioni di interesse nel campo della generazione elettrica. Nel presente documento sono descritti sia il progetto della facility sperimentale in corso di realizzazione presso il laboratori del CESI, sia il progetto di massima del primo prototipo di reattore catalitico in scala, del tipo autotermico ad ossidazione parziale di metano. La facility, interamente realizzata in uno skid trasportabile da posizionare all’interno di un laboratorio, è costituita dai sistemi e dagli strumenti necessari per alimentare in pressione al reattore (intercambiabile) i gas di processo alle condizioni desiderate e per raffreddarne ed analizzarne i prodotti di reazione. Per il primo prototipo di reattore tali gas sono metano puro (proveniente da bombola), aria (proveniente dalla rete aria compressa del CESI) e vapor d’acqua prodotto da un apposito generatore elettrico. Sono inoltre presenti anche sistemi di alimentazione di correnti ausiliarie di idrogeno ed azoto (entrambi provenienti da bombole), necessari per l’avviamento e l’arresto del reattore, ed acqua di rete per il raffreddamento dei singas prodotti. Completano la facility i sistemi di misura ed analisi chimica per la caratterizzazione del gas di sintesi prodotto dal reattore. Questi sono costituiti da un analizzatore NDIR (IR non dispersivo) multicomponente continuo in linea (Mod URAS 14 della ABB), completo di celle di autocalibrazione, per la misura delle concentrazioni di CO, CO 2 , CH 4 ed NO e da un microgascromatografo a prelievo automatico (VARIAN mod. 2003 CP) per la misura delle concentrazioni di H 2 ed eventuale O 2 residuo.

La configurazione impiantistica scelta, di tipo aperto cioè senza ricircoli e recuperi termici, consentirà sia una facile intercambiabilità dei reattori sperimentali, sia una buona flessibilità di esercizio degli stessi. Il primo prototipo di reattore sperimentato sarà del tipo ad ossidazione parziale di metano, ma potranno in seguito essere sperimentati anche reattori di steam-reforming e/o reattori di shift del CO. I principali dati di progetto della facility sono: • pressione di progetto delle linee sia a bassa sia ad alta temperatura 15 bar • pressione di esercizio per il primo prototipo di reattore minore di 5 bar • linee, valvole di intercettazione e raccorderia a bassa temperatura in acciaio inox • linee e componenti ad alta temperatura in idoneo materiale tipo INCONEL 600. Le principali condizioni di processo previste sono: • aria compressa in ingresso 15.0 kg/h a 5 bar • metano in ingresso 3.3 kg/h a 5 bar • vapore prodotto 7.0 kg/h a 6 bar • acqua di refrigerazione 200 kg/h a 5 bar • corrente in uscita dal riscaldatore 22 kg/h a 600 °C • corrente d’ingresso al reattore 25 kg/h a 480 °C • corrente in uscita dal reattore 25 kg/h a 840 °C • corrente in uscita dal refrigeratore 25 kg/h a 440 °C • sin-gas in uscita dal condensatore 19 kg/h a 35 °C • condensa da evacuare 6 kg/h a 35 °C • azoto di flussaggio 5.0 Nm 3 /h a 5 bar • idrogeno supplementare 1.0 Nm 3 /h a 5 bar Per quanto attiene il progetto di massima del primo prototipo di reattore ad ossidazione parziale di metano, la scelta è caduta su un reattore catalitico di tipo PFTR (Plug Flow Tubular Reactor) a letto fisso impaccato. La scelta del letto fisso impaccato con elevate velocità spaziali (tempi di contatto dell’ordine di 50 ms) è dettata essenzialmente dall’esigenza di limitare al massimo il contributo delle reazioni in fase omogenea che possono alterare la selettività del processo, con conseguente diminuzione della resa in idrogeno e produzione di quantità significative di prodotti indesiderati derivanti dalle reazioni di accoppiamento del metano. Dal punto di vista costruttivo il reattore è costituito da un tubo di inconel 600 nel quale sono alloggiati circa 30 cm 3 di catalizzatore CRG-F (British Gas) in pellets 3×3 mm diluiti con allumina in rapporto 1:3.

Il principali dati di esercizio e dimensionali del reattore sono: • Produzione di idrogeno sino a 1.0 Nm 3 /h • Velocità spaziale: 70000 h -1 • Tempo di contatto: 51 ms • Volume totale (catalizzatore+diluente): 128 cm 3 • Velocità lineare del gas: circa 1.0 m/s • Diametro interno del tubo: 28 mm • Lunghezza del letto catalitico diluito: 190 mm • Temperature di esercizio: 1073 – 1173 K • Pressione di esercizio: 1 – 4 bar