Изучение современных технологий улавливания углерода

В ответ на общие усилия по сокращению выбросов парниковых газов (ПГ) в мире многие производители внедряют в свою практику различные меры по повышению эффективности и инициативы в области «зеленой» энергетики. В этой связи перспективным решением являются методы улавливания CO₂, которые позволяют улавливать и хранить этот газ. Однако чтобы сделать их более осуществимыми, необходимо широкое распространение этого метода, которое зависит от расширения возможностей, а также снижения стоимости необходимых для этого технологий.

Для улавливания углерода при сжигании существует два различных подхода: метод улавливания перед и после сжигания. Улавливание CO₂ перед сжиганием с помощью таких методов, как газификация и конвертирование.

В противоположность данному методу, процесс улавливания после сжигания происходит после сжигания топлива в первичном процессе. Для сбора углекислого газа непосредственно из дымовых газов используются растворители или другие методы. Данная веб-страница посвящена методу улавливания после сжигания топлива. Несмотря на его преимущества, связанные с возможностью модернизации и технологической отработанностью, он не так эффективен, как метод улавливания перед сжиганием топлива.

Очистка газа амином — наиболее широко используемый метод улавливания углерода в промышленных условиях. В этом методе дожигания используются химические свойства растворов аминов, таких как моноэтаноламин, которые проявляют сильное сродство к соединению с углекислым газом. Процесс состоит из следующих этапов:

Дымовые газы проходят процесс очистки для удаления пыли, твердых частиц, сернистых соединений и других загрязняющих веществ. Этот метод предварительной очистки позволяет защитить раствор амина и оборудование от загрязнения и коррозии. Затем горячий дымовой газ охлаждается до оптимальной температуры (около 40-60 °C/104-140 °F) для эффективного поглощения углекислого газа с помощью раствора амина.

Охлажденный дымовой газ поступает в нижнюю часть абсорбционной колонны, обычно представляющей собой цилиндрический сосуд, заполненный набивочным материалом для улучшения контакта газа с жидкостью. Сначала в верхнюю часть башни подается встречный поток раствора амина. По мере того как дымовой газ проходит через башню, он контактирует с нисходящим раствором амина. Затем CO₂ в дымовом газе образует обратимую связь с молекулами амина, удаляя его из газового потока.

Передача раствора амина, обогащенного диоксидом углерода: раствор амина, обогащенный диоксидом углерода, перекачивается в другую башню, называемую десорбером или регенератором. Этот поток тщательно измеряется с помощью приборов Raman для рамановской спектроскопии для обеспечения эффективности последующего этапа регенерации.

В десорбционном аппарате насыщенный диоксидом углерода раствор амина нагревается, обычно путем подачи пара, до температуры около 110 °C/230 °F. Под действием тепла связь между амином и углекислым газом разрывается. Регенерированный раствор амина, теперь уже обедненный диоксидом углерода, стекает в нижнюю часть регенератора.

Охлаждение и рециркуляция раствора амина: горячий, регенерированный раствор амина проходит через теплообменник, передавая часть своего тепла поступающему раствору, насыщенному диоксидом углерода, и повышая энергоэффективность. Дальнейшее охлаждение возвращает раствор амина до оптимальной температуры для поглощения диоксида углерода, после чего охлажденный раствор амина подается обратно в верхнюю часть абсорбционной башни для повторного выполнения этого цикла.

Углекислый газ, выделяемый из верхней части регенератора, сжимается для увеличения его плотности, что облегчает его транспортировку или хранение. Данный исходящий поток часто анализируется на степень чистоты с помощью приборов TDLAS (абсорбционная спектрометрия с перестраиваемым диодным лазером). В зависимости от назначения диоксид углерода может подвергаться дополнительной очистке для удаления загрязняющих веществ.

При очистке газа амином эффективность улавливания CO₂ регулярно превышает 90%. Однако для регенерации требуется большие затраты энергоресурсов, а раствор амина, который используется в процессе, со временем деградирует, поэтому требуется его пополнение. Исследователи работают над решением этих проблем, изучая более энергоэффективные методы регенерации, такие как использование отработанного тепла в промышленных процессах. Они также разрабатывают более прочные растворы аминов с высокой термической стабильностью и устойчивостью к деградации.

Мембранное улавливание углерода — это менее распространенный метод, в котором используется селективная проницаемость специализированных мембран для удаления диоксида углерода из потоков дымовых газов. Эти мембраны, которые зачастую состоят из полимеров или керамических материалов, выступают в роли молекулярных шлюзов. и пропускают CO₂, а также блокируют другие газы. Основным преимуществом этого подхода является более низкая потребность в энергии по сравнению с высокотемпературной регенерацией газа амином.

Основными этапами являются:

1. Предварительная очистка дымовых газов: перед поступлением в мембранную систему дымовые газы проходят процесс очистки, обычно фильтрацию и скруббирование. На этом этапе удаляется пыль, твердые частицы и другие загрязнения, которые могут закупорить или повредить нежные поры мембраны. В большинстве случаев дымовые газы охлаждаются, а влажность регулируется до оптимального уровня для конкретного используемого мембранного материала. Благодаря этому обеспечивается эффективное отделение углекислого газа и предотвращается образование конденсата в мембранной системе.
2. Мембранное разделение: предварительно очищенный дымовой газ направляется через мембрану, которая действует как селективный барьер. Различия в размерах молекул, их структуре и сродстве к материалу мембраны приводят к тому, что молекулы углекислого газа проходят через мембрану быстрее, чем другие газы в потоке, к примеру, азот. В результате образуются два газовых потока: фильтрат и концентрат. Фильтрат, который насыщен углекислым газом, проходит через мембрану и собирается для дальнейшей переработки. Концентрат, в котором содержится мало CO₂, вмещает оставшиеся газы, которые затем либо будут выброшены в атмосферу, либо направлены обратно в первичный технологический процесс.
3. Сжатие и кондиционирование диоксида углерода: поток фильтрата, в котором содержится диоксид углерода, сжимается для повышения его плотности, что облегчает его транспортировку или хранение. В зависимости от назначения диоксид углерода может подвергаться дополнительной очистке для удаления загрязняющих веществ.

Помимо низкого энергопотребления, мембранные системы не требуют много места для установки, что делает их идеальным решением для использования в местах с ограниченным пространством. Однако метод мембранного улавливания менее эффективен, чем очистка амином, а незначительные изменения состава, давления и температуры газового потока могут негативно повлиять на производительность.

Очистка амином и мембранные технологии — единственные методы улавливания углерода после сжигания, которые в настоящее время широко используются. Тем не менее ученые пытаются найти и другие подходы и методы.

Первый из них — технология прямого улавливания углерода из воздуха (DAC), который очищает углекислый газ непосредственно из окружающего воздуха. Для этого используются мощные вентиляторы, прогоняющие воздух через специальные сорбирующие материалы, такие как твердые амины или растворы гидроксидов, химически связывающие углекислый газ. После насыщения сорбирующего материала он нагревается для высвобождения поглощенного диоксида углерода, который затем собирается для утилизации или хранения.

Технология DAC (прямое улавливание углерода из воздуха) обеспечивает потенциальный подход к улавливанию выбросов от автомобилей и других источников. Тем не менее, существует значительный барьер для ее внедрения из-за хрупкости сорбирующих материалов, высоких энергетических требований и стоимости по сравнению с технологиями улавливания из точечных источников, а также необходимости широкомасштабного применения для существенного улавливания углерода.

Специалисты в области проводят исследования и изучают возможность использования биомассы в качестве источника топлива. Биомасса, такая как деревья, в процессе роста поглощает углекислый газ из атмосферы. Затем можно добиться отрицательных выбросов за счет улавливания углекислого газа, выделяющегося при сгорании топлива. Однако для выращивания биомассы требуются обширные земельные площади, водные ресурсы и тщательное изучение методов экологически рационального снабжения.

Широкое распространение метода улавливания углерода после сжигания зависит от преодоления технологических и экономических препятствий, касающихся не только способа улавливания, но и утилизации и хранения. Несмотря на высокую эффективность процесса очистки газов амином, он требует значительных энергозатрат и регулярного обслуживания используемых растворителей. В отличие от этого, мембранное улавливание требует меньше энергоресурсов, но является менее эффективным. Также следует учитывать, что оба эти процесса являются дорогостоящими.

Поскольку в отрасли стремятся достичь нулевого уровня выбросов УГ, стратегическая диверсификация будет играть важную роль. Чтобы достичь этих целей, необходимо сочетание оптимизации технологических процессов, повышение общей энергоэффективности, внедрение возобновляемых ресурсов и приверженность принципам улавливания углерода. Учет экологических, технологических и экономических выгод от использования каждой из стратегий имеет решающее значение для повышения общей экономической устойчивости промышленности в будущем.