›› ТЕХНОЛОГІЧНІ МЕТОДИ ДІОКСИДУ ВУГЛІДУ
Одним із варіантів зменшення викидів CO2 є уловлювання та зберігання CO2 при спалюванні викопного палива (CCS).
Методи уловлювання СО2 можна розділити на три групи: процеси випалу, попередній випал та процеси кисневого випалу. Уловлювання після згоряння використовує розчинник для зв'язування вмісту СО2 у димових газах рослини. У методах попереднього згоряння паливо реагує з повітрям або киснем, а отримані гази перетворюються на суміш СО2 та водню з водою. З цього вилучається CO2 і водень використовується як паливо. При спалюванні кисню утворюється димовий газ, який є переважно діоксидом вуглецю і потенційно придатним для зберігання. Ін'єкція у захоплений СО2 відповідними геологічними структурами використовується для зберігання захопленого СО2.
Близько 60% глобальних викидів СО2 припадає на електростанції та промислові об'єкти (IPCC, 2005). Викопне паливо спалюється в котлах і печах, а димові гази, як правило, викидаються через димоходи. Це великі джерела на місці (нерухомі) і можуть бути доповнені блоками захоплення СО2, здатними виробляти потік СО2 високої чистоти, придатний для подальшого зберігання. Деякі хімічні процеси також утворюють потоки газу, які є значними джерелами СО2. Великими джерелами вважаються ті, що викидають щонайменше 100 000 тонн вуглекислого газу на рік. На джерела на ділянках, які викидають менше цієї кількості, припадає лише 1% викидів CO2 від усіх джерел на місці. У таблиці 1 ми узагальнили характеристики газових потоків, які можна взяти до уваги при захопленні CO2.
Згідно з даними в таблиці, у димових газах спостерігається невеликий парціальний тиск СО2, особливо в димових газах, отриманих із природного газу, що ускладнює виділення СО2. На відміну від них, в промислових газах та деяких природних газах парціальний тиск СО2 є більш сприятливим, і на відміну від димових газів вони також містять менше забруднюючих компонентів, які ускладнюють викид СО2 (наприклад: SO2, NOx).
Метою захоплення СО2 є отримання потоку концентрованого матеріалу, який можна легко транспортувати до місця зберігання вуглекислого газу (IPCC, 2005). Далі вловлювання СО2 включає як уловлювання газів, що містять СО2, так і викид СО2 з них, за прикладом англійського терміну уловлювання СО2.
В даний час уловлювання CO2 в основному забезпечує якість їжі та якість, необхідну для процесів посиленого відновлення нафти (EOR). Для використання в харчовій промисловості потрібно використання газу із вмістом СО2 не менше 99,9 об.%, І кількість забруднюючих компонентів буде суворо обмежено (Wittemann, 2007). Не існує стандарту CO2 для підземного зберігання або закачування EOR. ENCAP (Програма розширеного захоплення СО2 в ЄС) використовує два типи правил у своїх керівних принципах: одне на 90% легше, а одне на 95% суворіше (Sarofim, 2007). Кількість корозійних компонентів (наприклад, води, SO2, HCN, NO, H2S) суворо обмежена, у більш суворих випадках їх допустима концентрація може становити до 5 ppm.
Уловлювання СО2 найкраще використовувати з великих цілеспрямованих джерел, таких як електростанції та великі промислові об'єкти. Потреба енергії в процесі знижує ефективність виробництва електроенергії, призводить до більшого споживання палива, отже, вплив уловлювання СО2 на навколишнє середовище також більший. (Фігура 1).
В даний час СО2 регулярно видаляється на деяких великих промислових підприємствах, таких як газопереробні та аміачні, але це пов'язано з виробничими вимогами, а не для зберігання. Уловлювання СО2 також використовується на деяких малих електростанціях. У випадку великих електростанцій, що викидають СО2, процес все ще перебуває на стадії проектування.
Завдання, як правило, полягає у вилученні CO2 з газів з низьким вмістом CO2. Hrrom розробив більш високий рівень уловлювання CO2.
Під час захоплення після згоряння димовий газ пропускається через пристрій, який видаляє більшу частину СО2. СО2 передається на зберігання, решта димових газів викидається в повітря. Зазвичай використовуються методи поглинання, а інші процедури менш розвинені та конкурентоспроможні.
У розчині попереднього згоряння паливо реагує з киснем або повітрям та/або водою, утворюючи синтез-газ, який складається з оксиду вуглецю та водню. Окис вуглецю каталітично реагує з водою в конвертері, утворюючи водень і вуглекислий газ. СО2 виводиться з продуктів фізичним або хімічним поглинанням. Отриманий водень може використовуватися як паливо в ряді областей, таких як котли, печі, газові турбіни, газові двигуни та паливні елементи. Ці системи вважаються стратегічно важливими, але у 2004 р. Загальна потужність водню в установках з комбінованим циклом (ІГКЦ) становила лише 4 ГВт, що становить 0,1% від загальної потужності.
При кисневому випалюванні замість повітря використовується чистий кисень, завдяки чому утворюється димовий газ, який складається переважно з СО2 та Н2О. З цього CO2 можна легко видалити. Температура полум’я дуже висока, що може бути знижена шляхом рециркуляції СО2 та/або багатих H2O димових газів.
Двоокис вуглецю уловлюється з певних потоків промислових технологій протягом восьмидесяти років, але уловлений таким чином CO2 в основному викидається в повітря. На сьогодні найбільш значущим прикладом цього рішення є очищення природного газу, виробництво аміаку, спиртів та виробництво синтетичного газу, що використовується для виробництва синтетичного палива. У більшості випадків уловлювання CO2 подібне до процесів після випалу.
Технології захоплення CO2 a 2. ббрbn (МГЕЗК, 2005). Після захоплення розчинником/адсорбентом газ, що містить СО2, контактує з рідким або твердим адсорбентом, який зв'язує СО2. Регенерація проводиться в іншій посудині, наприклад, нагрівання або зниження тиску. Регенерований розчинник або адсорбент повертають у перший посудину.
Мембранний процес працює з матеріалами, які вибірково дозволяють компонентам контактувати з ними. Деякі промислові процеси мають величезні розміри, напр. Виділення CO2 з природного газу, але надійний та недорогий мембранний процес для уловлювання CO2 з димових газів ще не розроблений.
Третім варіантом уловлювання СО2 є кріогенна дистиляція, яка також може видаляти СО2 з інших газів. Метод може бути використаний для подальшого очищення відносно чистих потоків СО2 (наприклад, при спалюванні кисню), вилучення СО2 з природного газу або відновлення СО2 з перетвореного синтез-газу.
Нині використовувані методи поділу описані в У таблиці 2 ми підсумували.
У разі термінового впровадження цілком можливо, що уловлювання СО2 можна вирішити шляхом модернізації старого обладнання. Модернізація старих, менш ефективних установок також може бути здійснена шляхом заміни старих котлів та турбін на нові високоефективні агрегати, а потім за допомогою взаємопов'язаного обладнання.
Є деякі технологічні потоки, з яких СО2 можна видобути набагато легше, ніж димові гази, отримані при випалюванні.
Природний газ може містити різну кількість СО2, яку, можливо, доведеться видалити, щоб природний газ відповідав вимогам. Вміст СО2 у природному газі можна оцінити в середньому 4 об.%. Якби діоксид вуглецю було видобуто з 2 618,5 млрд. М3 природного газу, видобутого у 2003 р., До 2%, це означало б 50 млн. Т CO2. У 2005 році мільйон тонн вуглекислого газу було захоплено та збережено на полі Слейпнера в Норвегії та на полі Ін-Салах в Алжирі.
США використовують 6,5 мільйона тонн CO2 на рік для збільшення видобутку нафти. Передбачається, що значна частина цього залишиться у водоймі.
Більшість антропогенних викидів СО2 надходять від електростанцій. Димові гази, як правило, знаходяться під атмосферним тиском. Завдяки низькому тиску та високому вмісту азоту пристрої для захоплення СО2 мають величезні розміри та значні з точки зору експлуатації.
необхідно перевезти велику кількість газу, наприклад, на електростанції, що працює на природному газі, комбінований цикл вона може відкрити до 5 млн. мН3/год. Вміст CO2 залежить від використовуваного палива та технології. Зазвичай 3% СО2 у димових газах на електростанціях, що працюють на природному газі.
Найпопулярніші сучасні процеси уловлювання CO2 після випалу використовують аміни. Це найвища розчинність, найбільш селективна, найнижча енергетична потреба порівняно з іншими технологіями. Процеси поглинання набули промислового поширення (наприклад, процес UOP Amine Guard FS застосовувався на більш ніж чотирьох заводах у 2000 р. (UOP, 2000), але вони ще не впроваджені з необхідною потужністю. Більше 99,9% чистішого CO2 отримують при надлишковий тиск 50 кПа.
Для захоплення СО2 після випалу широко застосовуються три методи:
За допомогою процесу Kerr - McGee/ABB Lummus Crest CO2 відновлюється з димових газів коксових печей з використанням 15–20% водного розчину моноетаноламіну (MEA). Найбільший завод буде видобувати 800 тонн СО2 на день у дві паралельні установки.
Fluor Daniel ECONAMINE Plus використовує 30% водний розчин МЕА з інгібітором, який запобігає корозії вуглецю в присутності кисню. Потужність до 320 т CO2/добу, що використовується на багатьох заводах харчової промисловості та у виробництві сечовини.
Процес KEPCO/MHI Kansai Electric Power Co. та Mitsubishi Heavy Industries використовує стерично перешкоджані аміни та управляє заводом з виробництва сечовини в Малайзії. Без інгібіторів або добавок було досягнуто низького споживання розчинника, що вловлювало 200 т СО2 на добу, що відповідає відпрацьованому газу від пилової електростанції потужністю 10 МВт.
Заводи амінів змагались у 2009 році. Компанія Alstom встановила перший процес охолодженого аміаку (CAP) з використанням американського охолодженого аміаку на своїй Американській електростанції в м. Маунтінер, Західна Вірджинія. Порівняно дві процедури У таблиці 3.
Потреба в енергії для поглинання захоплення CO2 є значною. У випадку вугільних електростанцій попит на паливо збільшується на 20–25%, тоді як у випадку спалювання природного газу приблизно на 15% за рахунок уловлювання та стиснення СО2.
У виробництві водню також використовуються адсорбційні процеси для видалення СО2 з синтез-газу. Ще не розроблений жоден промисловий процес вилучення СО2 з димових газів.
Мембрани використовуються для видалення CO2 з природного газу при високому тиску та високому вмісті CO2. Димові гази мають низький тиск, і через малу різницю парціальних тисків рушійна сила мембранних процесів є низькою. Сучасні промислові мембрани мають більш високі потреби в енергії, і менше CCO2O2 можна видалити, ніж у випадку амінопроцесів.
Кисневі випалювальні елементи використовуються в алюмінієвій, залізній та металургійній промисловості, а також у скляній промисловості. Найважливіший етап поділу, розподіл повітря, використовується в промислових масштабах.
Дослідження відновлення енергетичних котлів та нафтопереробних заводів показало, що спалювання кисню можна вирішити за технічно конкурентних витрат. У разі кисневих котлів двері необхідно замінити, встановити нову систему подачі кисню, а також нову систему рециркуляції димових газів з окремим вентилятором. Їх можна вирішити порівняно недорого, і ефект змін підвищує ефективність роботи котла за рахунок рециркуляції гарячих димових газів.
У січні 2010 року запрацювала установка CCS Total-Air-Liquide в місті Лак (південно-західна Франція), в якій вуглекислий газ із природного газу, що подається киснем, закачується у виснажене родовище природного газу.
Вловлювання СО2 до випалу раніше здійснювалось шляхом поглинання амінокислот або карбонату калію, і багато таких установок працюють і сьогодні. Сучасні процеси використовують адсорбцію під тиском (ПСА) для отримання 99,999% чистого водню, але для видалення невеликої кількості чистого (40-50%) вуглекислого газу в атмосферу. Отже, якщо потрібно проводити захоплення СО2, вуглекислий газ повинен бути витягнутий з димових газів якимось методом поглинання, або повинен бути розроблений метод ПСА, щоб, крім чистого водню, продуктом був чистий СО2 та димові гази.
Видалення CO2 перед згорянням ще не застосовувалось на електростанціях. Розрахунки показують, що ефективність газових турбін з перемиканням циклу на основі природного газу буде зменшена з 56% до 48% (виходячи з теплотворної здатності), якщо буде використано уловлювання СО2 до згоряння. У випадку газотурбінних комбінованих циклів можна очікувати покращення теплової ефективності, яка може досягти 65% до 2020 року. Це може означати, що ефективність циклу уловлювання СО2 тоді буде такою ж, як і сьогоднішній нульовий цикл захоплення.
Вартість уловлювання СО2 сильно залежить від складу газу, що містить СО2 (Малюнок 3) (Тамбімуту, 2003b). Якщо вміст СО2 збільшується з 3% до 99%, вартість захоплення COCO22 зменшується на десяту частину. Ці значення можуть бути досягнуті шляхом промивання амінокислотами.
СО2 необхідно підготувати до транспортування (Тамбімуту, 2003а). Для запобігання корозії труб необхідно видалити вміст води. CO2 сильно охолоджується завдяки ефекту перепаду тиску. Транспортування здійснюється в рідкому або надкритичному стані при тиску вище 80 бар, зазвичай близько 110 бар.
Транспортування трубопроводу СО2 вирішено в США. Було побудовано понад 2500 км трубопроводів для транспортування 50 мільйонів тонн природного СО2 на рік до проектів EOR, головним чином до Техасу. Тиск, що застосовується, становить від 10 до 80 МПа (1 Па = 10-5 бар).
Витрати на транспортування CO2 сильно залежать від кількості перевезеного (Малюнок 4). У випадку 0,1 млн. Т/рік, одна тона вуглекислого газу може транспортуватися трубопроводом до 13 дол. США за 100 км, у випадку 5 млн. Т/рік це значення вже становить лише 1,1 дол. США, але у випадку 50 млн. Т/рік це лише півдолара, що транспортує одну тонну СО2 на 100 км (Thambimuthu 2003a; Herzog - Golomb, 2004).
Геологічне зберігання вважається найбільш придатним для зберігання CO2. Для цього відомі три можливості: у нафтових і газових пластах, в глибоких і соляних пластах і в незамінних плавильних заводах.
В даний час чотири проекти CCS працюють у промисловому масштабі (Audus, 2007; Statoil, 2007). Кожен підхід видаляє мільйон тонн СО2 на рік. Це приблизно еквівалентно уловленню 3 мільйонів тонн CO2 на рік від однієї вугільної електростанції потужністю 500 МВт.
Вивчаючи проекти з захоплення та зберігання СО2 в процесі експлуатації та інвестування, ми можемо зробити висновок, що для успішного CCS необхідно наступне:
• дешеве, широкомасштабне та стабільно доступне джерело СО2;
• близькість до джерела та місця зберігання СО2 або близькість до інфраструктури, необхідної для належного управління СО2 з метою зменшення витрат на транспортування СО2;
• якщо проект можна пов'язати з EOR, фінансові умови значно покращаться, особливо якщо можуть бути застосовані фінансові механізми зменшення викидів CO2.
Ключові слова: захоплення вуглецю, видобуток третинної нафти, поглинання, транспорт вуглецю, очищення вуглецю
Одус, Гаррі (2007): Вловлювання та зберігання вуглецю (CCS). Семінар з питань енергоефективності та зменшення CO2. Хошимін, В'єтнам, 12-14 маха 2007 р. • WEBCНM>
Герцог, Говард Дж. - Голомб, Даб (2004): Вловлювання та зберігання вуглецю від використання викопного палива. В: Клівленд, Каттлер Дж. (Ред.): Енциклопедія енергетики. Elsevier, Нью-Йорк, 277–287. Текст з інших джерел: • WEBCНM>
МГЕЗК (2005): Спеціальний звіт МГЕЗК щодо захоплення та зберігання вуглекислого газу. Преса Кембриджського університету • WEBCНM>
Сарофім, Адель (2007): Спалювання кисню паливом: прогрес та інші проблеми. Міжнародна дослідницька мережа кисневих горінь, Віндзор, Коннектикут, 25-27 січня 2007 р. • WEBCНM>
Statoil (2007): Snøhvit - ny energihistorie i kalde nord (Снохвіт, найпівнічніший у світі СПГ-проект) • WEBCНM>
Тамбімуту, Келлі (Кайлай) (2003a): Канадська дорожня карта технологій CC&S та захоплення та транспорт CO2. • WEBCНM>
Тамбімуту, Келлі (Кайлай) (2003b): Дорожня карта технологій захоплення та зберігання CO2. • WEBCНM>
UOP (2000): Процес Amine Guard TM FS. • WEBCНM>
Wittemann Co. (2007): Типова специфікація вуглекислого газу харчового сорту. • WEBCНM>