Le tecnologie di co-processing hanno rimodellato il paesaggio petrolchimico consentendo ai raffineri di convertire più tipi di mangimi contemporaneamente all'interno dell'infrastruttura esistente. Piuttosto che dedicare unità separate a diverse materie prime, la moderna co-elaborazione integra flussi come materie plastiche di scarto, oli di processo a biomassa e frazioni grezze convenzionali in un unico e flessibile treno di produzione.

Che cosa è Co-Processing?

Il trattamento si riferisce al trattamento simultaneo di due o più mangimi chimicamente distinti in un'unica unità di reazione o separazione. In un contesto petrolchimico, questo significa in genere combinare idrocarburi a base di fossili con materiali rinnovabili o riciclati, come l'olio di pirolisi da materie plastiche di scarto, l'olio vegetale idrotrattato (HVO), o l'olio bio-olio derivato dalla lignin-in-condi-con un cracker catalitico (FCC) esistente

Contesto storico

Il concetto non è del tutto nuovo; le raffinerie hanno a lungo miscelato diversi gradi grezzi o flussi intermedi per soddisfare le specifiche del prodotto. Ciò che distingue la moderna co-elaborazione è l'introduzione deliberata di mangimi non tradizionali per raggiungere obiettivi di sostenibilità.

Categorie di alimentazione

Tre grandi categorie di mangimi dominano le operazioni di co-processing attuali:

  • Oli derivati da biomiss:[] Include oli vegetali, grassi animali e oli di alghe idrotrattati per rimuovere l'ossigeno. Questi intermedi compatibili con il drop-in possono sostituire direttamente una porzione di gasolio fossile o VGO.
  • Oli di pirolisi di plastica:[] Prodotte da cracking termico di plastiche post-consumo e post-industriale, questi oli contengono un'ampia gamma di idrocarburi e richiedono un'attenta selezione catalizzatore per gestire contaminanti come cloro e metalli.
  • Flussi di lignina e cellulosica:[] Derivati da biomassa legnosa o residui agricoli, questi alimentatori ricchi di ossigeno rappresentano sfide nella deossigenazione e nella formazione di coke, ma offrono il più alto potenziale di riduzione del gas serra.

Avanzamenti tecnologici recenti

I vettori tecnologici multipli hanno convergeto per rendere la co-elaborazione più affidabile, efficiente e scalabile, che vanno dalla chimica catalizzante fondamentale al controllo digitale del processo e al nuovo design del reattore.

Sviluppo del catalizzatore

I catalizzatori tradizionali FCC, basati sulla zeolite Y, sono stati ottimizzati per la gasolio sottovuoto, non per i mangimi ossigenati o clorurati. I ricercatori hanno sviluppato zeoliti modificati con acidità su misura, mesoporosità e trappole metalliche che tollerano livelli più elevati di contaminanti mantenendo attività e selettività.

  • Calalisti funzionali[] che combinano l'idrodeossigenazione (HDO) e la funzionalità di cracking, consentendo una conversione di un passo di bio-olio senza una fase di pretrattamento separata.
  • Zeoliti a doppi metallici[[]] che mitigano la formazione dei coke promuovendo reazioni di trasferimento dell'idrogeno, prolungando la lunghezza di corsa tra rigenerazioni.
  • I formulazioni di legante avanzate[] che migliorano la resistenza all'attrito, un requisito critico quando si elaborano mangimi contenenti particolati abrasivi.

Recenti studi pilota-scala del ]Catalysis Research Group presso la Delft University[[] mostrano che un carico del 15% di una zeolite promossa dal lantanio può raggiungere la conversione del 92 per cento di una miscela 70/30 di VGO e olio di plastica per rifiuti, con resa benzina superiore al 45 per cento del peso.

Ottimizzazione dei processi e controllo digitale

Il processo di co-processing introduce una variabilità compositiva che le condizioni operative fisse non possono gestire in modo efficiente. I sistemi di controllo avanzato del processo (APC), alimentati da algoritmi di machine learning, regolano continuamente la temperatura, la pressione, la velocità di circolazione del catalizzatore e i modelli di iniezione di alimentazione per mantenere le ardesia ottimali nonostante le fluttuazioni dei mangimi.

Il rapporto IEA sull'innovazione di raffinazione pulita[[]] evidenzia che la tecnologia digitale dei gemelli ha ridotto la variabilità dei rendimenti nelle unità di co-processing fino al 40%, mentre il consumo energetico di taglio dell'8-12 per cento.

Integrazione di nuovi materiali di alimentazione

Mentre la prima co-elaborazione si è concentrata sugli oli vegetali, i recenti sforzi si sono ampliati per includere mangimi di seconda e terza generazione che non competono con la produzione alimentare.

  • Liquefazione idrotermale (HTL) di biomassa bagnata:[] Produce un biocromo che può essere co-processato in idrocracker fino a 25 per cento rapporti di miscela.
  • Pyrolytic rapido pirolisi (CFP) di residui lignocellulosici:[] Genera un bio-olio a basso ossigeno che richiede un trattamento minimo di idrotrattamento prima della co-elaborazione della FCC.
  • Il riciclaggio chimico di materie plastiche per rifiuti misti:[ Le tecnologie di smistamento e declorazione avanzate ora consentono oli di pirolisi con contenuto di cloro inferiore a 10 ppm, rendendoli adatti per il feed FCC senza danneggiare le apparecchiature a valle.

Neste, pioniere di alimentatori rinnovabili, ha dimostrato la co-elaborazione su scala commerciale di olio di pirolisi di plastica di scarto insieme alle materie prime diesel rinnovabili, ottenendo una riduzione dell'impronta di carbonio del 70 per cento rispetto alle operazioni di sola fossile.

Tecnologie di controllo ambientale

La co-elaborazione può modificare i profili delle emissioni, in particolare per gli ossidi di zolfo (SOx), gli ossidi di azoto (NOx), e la materia di particolato.

  • Smalti gas caldo[[]]] che rimuove SOx e HCl con efficienze superiori al 99 per cento, critiche quando si elabora oli di plastica clorurati.
  • Le unità di riduzione catalitica selettiva (SCR)[] che hanno tagliato le emissioni di NOx del 90 per cento attraverso l'iniezione controllata di ammoniaca.
  • I precipitatori e filtri per la borsa elettrostatici[[] che catturano le ammende catalizzanti e le particelle di fuliggine, assicurando che l'opacità pila rimanga entro limiti normativi.

Questi sistemi di controllo ambientale integrati consentono alle unità di co-processing di operare sotto le stesse emissioni, consentendo alle unità convenzionali, evitando la necessità di lunghi nuovi processi di revisione delle fonti.

Vantaggi chiave di co-processsing avanzato

I progressi tecnologici sopra descritti si traducono in vantaggi operativi, ambientali ed economici tangibili per i produttori petrolchimici.

Efficienza e rendimento migliorati

I rifiuti segnalano che la co-elaborazione di una miscela di olio vegetale idrotrattato 10-20 per cento in un'unità FCC può aumentare i rendimenti totali di benzina e di olefine leggero di 2-4 punti percentuali, grazie al maggiore contenuto di idrogeno della componente rinnovabile. Allo stesso tempo, la resa dei coke—una misura di inefficienza—spesso diminuisce a causa di un minore fabbisogno energetico di ossigeno.

Sostenibilità ambientale

L'analisi del ciclo di vita mostra costantemente che il co-processing di materiali rinnovabili o rifiuti riduce le emissioni di gas serra rispetto al trattamento di soli input fossili. L'entità della riduzione dipende dal tipo di mangime, dal rapporto di miscela e dall'intensità di carbonio dell'idrogeno utilizzato nell'idrogeno.

Inoltre, la deviazione delle plastiche da discariche o incenerimento in co-processing crea un'economia circolare del carbonio. La [ACS journal Energy & Fuels[[] ha pubblicato una recensione completa che mostra che la co-elaborazione 1 tonnellata metrica di plastica per rifiuti in un'unità FCC evita 2,7 tonnellate di emissioni CO2-equivalenti rispetto al di discarica con recupero di energia.

Ottimizzazione delle risorse e Circolazione

La co-elaborazione consente ai produttori di utilizzare mangimi che altrimenti sarebbero scartati o riciclati. Le plastiche dei rifiuti, i residui agricoli e il petrolio da cucina usato acquisiscono una nuova vita come blocchi di costruzione petrolchimici di alto valore. L'ottimizzazione delle risorse riduce la dipendenza da materiali fossili vergini e dagli affinatori dei buffer contro la volatilità dei prezzi grezzi.

Vantaggi economici

Il caso economico per la co-elaborazione poggia su tre pilastri:

  • Vantaggio del costo del bestiame:[[] Le scorte derivate dai rifiuti trasportano spesso un costo negativo (tasse delle porte) o sono significativamente più economiche del petrolio grezzo, migliorando i margini lordi.
  • Differenza del prodotto:[] I prodotti co-processati possono essere commercializzati come "rinnovabili" o "circolabili", con prezzi premium in mercati con standard di carburante a basso tenore di carbonio (LCFS) o certificazioni di energia rinnovabile.
  • Efficienza del capitale:[] Il processo di co-elaborazione evita la necessità di costruire biorefinerie o unità di conversione dei rifiuti; invece, le attività esistenti sono sfruttate con relativamente modesti risarcimenti, riducendo l'intensità del capitale e il rischio di progetto.

Una recente analisi tecno-economica dell'Agenzia Internazionale dell'Energia suggerisce che la co-elaborazione nelle raffinerie esistenti può raggiungere i tassi interni di rendimento (IRR) del 15-25 per cento a rapporti di miscela moderati, superando progetti standalone di rifiuti a combustibili in molti scenari.

Sfide e considerazioni

Nonostante i progressi, la co-elaborazione non è senza ostacoli tecnici e operativi che devono essere gestiti con attenzione.

Variabilità e contaminanti

I materiali di alimentazione derivati dai rifiuti presentano una variazione intrinseca nella composizione, densità, viscosità e livelli di contaminazione. Il cloro di plastica in PVC, metalli da imballaggio e composti di azoto da proteine può avvelenare i catalisti, corrodere le apparecchiature e generare sottoprodotti indesiderati.

Riattivazione e rigenerazione del catalizzatore

La trasformazione accelera la disattivazione del catalizzatore grazie ad una maggiore deposizione dei metalli, alla formazione di coke e alla neutralizzazione dei siti acidi da parte dei composti di azoto di base. I cicli di sostituzione o rigenerazione più frequenti possono aumentare i costi operativi.

Qualità e certificazione del prodotto

I prodotti co-processati devono soddisfare le stesse specifiche dei loro omologhi fossili. In alcuni casi, la miscelazione di molecole bio-derivate altera la distribuzione di aromatici, olefine, o composti solforati, che richiedono aggiustamenti a valle.

Regolamentazione e sicurezza del mercato

Il sostegno alle politiche per i prodotti co-processati varia da giurisdizione; mentre la direttiva sull'energia rinnovabile dell'Unione europea (RED II) e la norma sul basso tenore di carbonio della California forniscono incentivi forti, altri mercati non hanno mandati chiari o prezzi al carbonio.

Prospettive future

Guardando avanti, diverse tendenze emergenti plasmano la prossima generazione di tecnologie di co-processing.

Digitalizzazione e intelligenza artificiale

L'applicazione dell'intelligenza artificiale nel controllo dei processi è ancora nelle sue fasi iniziali, ma i primi adottivi segnalano guadagni significativi. Modelli di apprendimento automatico che prevedono la qualità dei mangimi dai dati spettroscopici, ottimizzano i rapporti di miscela per la massima redditività in tempo reale, e anticipano i modelli di disattivazione catalizzanti stanno diventando operativi. Questi sistemi imparano continuamente, migliorando le loro raccomandazioni come più dati accumulano.

Design del reattore di novità

Mentre l'unità FCC rimane il cavallo di lavoro della co-processing, stanno emergendo nuovi concetti di reattori. I raschietti di liquami che possono gestire le scorte pesanti e solidi-laden vengono testati per il co-processing diretto di biomasse e materiali di scarto senza pirolisi intermedi. I reattori microcanale, con le loro caratteristiche di calore e di trasferimento di massa superiori, offrono il potenziale per la chiusura di co-processamento altamente selettivo a scale.

Orizzonti per mangimi espansivi

La ricerca sta esplorando attivamente le scorte oltre lo stato attuale dell'arte. L'anidride carbonica catturata da fonti industriali, unitamente all'idrogeno verde, può essere convertita in idrocarburi sintetici (e-fuels) che potrebbero essere co-trattati insieme a flussi fossili.

Integrazione con la Cattura e lo Storage del carbonio

Le unità di trattamento generano un flusso di CO2 concentrato durante la lavorazione di mangimi ossigenati (l'ossigeno lascia CO2 durante la deossigenazione), offrendo così l'opportunità di integrare l'infrastruttura di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS), potenzialmente consentendo operazioni di neutralizzazione del carbonio se l'alimentatore stesso è biogenico.

Conclusioni

Le innovazioni nel settore della produzione petrolchimica, che permettono la conversione simultanea di materiali fossili, rinnovabili e rifiuti all'interno di infrastrutture di raffineria esistenti.Le innovazioni catalizzanti, il controllo del processo digitale e i sistemi ambientali robusti hanno affrontato molte delle prime barriere tecniche, mentre gli incentivi economici e politici favorevoli a favore dell'efficienza commerciale.