Разработка мембран и адсорбентов для извлечения СО2 из воздуха и технологических потоков. Афанасьев Реферат Тех.Газы. Разработка мембран и адсорбентов для извлечения со2 из воздуха и технологических потоков
 Скачать 1 Mb.
|
|
Национальный Исследовательский Университет «Московский Энергетический Институт» Кафедра Низких температур Реферат на тему: «Разработка мембран и адсорбентов для извлечения СО2 из воздуха и технологических потоков» Студент:Афанасьев М.А. Группа: ТФ-09м-20 Преподаватель: Зубарев М.С. Москва 2021 г Оглавление Введение ................................................................................................................. 2 Улавливание и связывание углерода: Физико-химические технологии ......... 4 Разделение сорбентами ....................................................................................... 12 Разделение мембранами ...................................................................................... 15 Типы мембран ...................................................................................................... 16 Разделение другими технологиями ................................................................... 18 Улавливание углерода из концентрированных источников ........................... 21 Заключение ........................................................................................................... 25 Список литературы .............................................................................................. 26 2 Введение Изменение климата, обусловленное выбросами парниковых газов, становится все более острой глобальной проблемой. Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли в 2016 г. преодолела психологически значимую отметку в 400 ppm (parts per million — частицы СО 2 на миллион частиц воздуха). Ожидается, что к концу столетия концентрация СО 2 может увеличиться примерно в 2 раза. При этом, несмотря на устойчивый рост солнечной и ветровой энергетики, конкурентоспособной альтернативы традиционным технологиям сжигания углеводородов до сих пор не существует. По данным Международного энергетического агентства, наибольшая доля выбросов углекислого газа приходится на предприятия черной металлургии (30%) и цементной промышленности (26%). Спрос на продукцию этих отраслей вырастет к 2050 г. на 30% и 22% соответственно. Технологии улавливания и захоронения углерода (carbon capture and storage technology — CCS) признаны критически важными для сдерживания роста температуры на планете в пределах 1,5–2 °С к 2050 г. Применение этих технологий — эффективный способ существенно снизить объем выбросов «грязных» предприятий. Используемый метод аминовой очистки, в силу запретительной дороговизны, не нашел широкого применения в промышленности. Однако новые технологические решения (например, применение ферментов, мембран и хемосорбентов) будут способствовать удешевлению данного метода и его широкому внедрению. В этом реферате будут описаны различные методы по улавливанию и хранению углерода в основном: физические, химические и биологические методы. Технологии улавливания можно разделить на категории в зависимости от того, является ли улавливание углерода: A. из концентрированных точечных источников или из мобильных / распределенных точечных или неточечных источников; B. метод включает физические / химические или биологические процессы Ниже кратко описаны основные технологии. A) Мобильные / распределенные источники, такие как автомобили, бортовой захват по доступной цене стоимость неосуществима, но все же необходимы. Однако в промышленности использовались технологии для улавливания СО2 из концентрированных точечных источников в течение очень длительного времени, что в основном для удаления или отделения CO2 от других газов, которые образуются в 3 процесс генерации при сжигании ископаемого топлива (IEA 2009). Это можно сделать как минимум за три различных способа: «дожигание», «предварительное сгорание» и «кислородное сгорание» Улавливание дожигания. Это включает улавливание CO2 из выхлопных газов процесс горения. Методы отделения CO2 включают мембрану высокого давления. процессы фильтрации, адсорбции, десорбции и криогенное разделение. Среди всех этих методов, более распространенным методом является очистка растворителем. В настоящее время для значительного улавливания CO2 используются аминные растворители. Абсорбированный CO2 затем сжимается для транспортировки и хранения. Улавливание перед сжиганием. Топливо в любом виде сначала превращается в смесь водород и углекислый газ в процессе газификации, а затем CO2 разделение с получением водородного топливного газа. Полученный таким образом водород можно использовать для производства электроэнергии, а также в будущем для питания наших автомобилей и обогрева домов с почти нулевым уровнем выбросов. Элементы технологии улавливания дожигания ужебыло доказано в различных промышленных процессах, помимо крупных электростанций. Системы кислородно-топливного сгорания. При кислородном сжигании рециркулируемый дымовой газ обогащенный кислородом (отделяемый от воздуха перед сжиганием) используется для сжигания топливо, чтобы получить более концентрированный поток CO2 для более легкой очистки. Этот процесс подтверждает высокий уровень эффективности и предлагает ключевые возможности для бизнеса. Этот метод был продемонстрирован в сталелитейной промышленности на заводах до 250 МВт мощности. В целом, для проектов по производству электроэнергии, согласно большинству исследований, улавливание CO2 будет составляют до 75% от общей стоимости CCS, измеряемой в расчете на тонну хранимой продукции. Часть этой стоимость связана с энергией, необходимой для самого процесса улавливания. Наконец, CO2 может также могут быть уловлены в ограниченных количествах из промышленных предприятий, не связанных с сжигаемым топливом, например очистка природного газа. Категория B). Помимо трех технологий, описанных в Категории A), сорбция и мембраны - две основные физико-химические технологии для углеродных захватывать. Существует множество биологических технологий, которые можно использовать для улавливания углерода. из точечных или неточечных источников, таких как 1) деревья и организмы; 2) океаническая флора; 3) электростанция, работающая на биомассе, биотопливо и 4 биоуголь; и 4) устойчивые методы (например,почвы, луга, торфяники). Улавливание и связывание углерода: Физико-химические технологии Постепенно приближающиеся последствия глобального потепления становятся все более заметными за последние несколько десятилетий. Это побудило политическую и экономическую волю к минимизации антропогенных выбросов CO2 во всех секторах. Межправительственный Группа экспертов по изменению климата (IPCC) сообщила, что примерно 75% нынешнего увеличения атмосферного CO2 связано с использованием ископаемого топлива. Исследования, проведенные за последние несколько десятилетий, показывают, что CO2 имеет наименьший потенциал для глобальное потепление среди всех парниковых газов (ПГ), но на него приходится около 60% эффектов глобального потепления, в основном из-за его более высокой доли в атмосфере. Если все доказанные запасы ископаемого топлива будут израсходованы, уровни CO2 в атмосфере могут увеличиться более чем в 5 раз по сравнению с доиндустриальной эпохой. IPCC подтвердила, что около 60% глобальных выбросов CO2 генерируется всего лишь 7887 стационарными установками с ≥ Мощность 100 000 тонн CO2 / год, включая 4942 электростанции. Мобильные источники углерода, такие как транспортный сектор, занимают второе место и составляют ≥ 30% в большинстве развитых стран и в среднем около 27% в общемировом объеме выбросов CO2. Текущий уровень концентрации углерода в атмосфере увеличивается из-за ускоренного развития в таких густонаселенных странах, как Индия и Китай. В настоящее время выбросы углерода на душу населения в этих развивающихся странах ниже, чем в развитые. Таким образом, перспективы глобальных выбросов углерода ужасны. через несколько десятилетий в конечном итоге появятся новые страны. На данный момент многие исследователи постепенно признают, что выброс углерода в атмосферу не ограничен, несмотря на несколько прошлых и текущих согласованных планов и кампаний международного сообщества в глобальном масштабе. Учитывая значительную долю общих глобальных выбросов углерода, исследователям было бы уместно приступить к выявлению и разработке общих, а также специализированных технологий для борьбы с выбросами углерода из стационарных источников транспортного сектора, и прямо из атмосферы. Как 5 правило, сокращение выбросов CO2 при использовании ископаемого топлива может быть достигнуто либо при предварительном сжигании, либо на кислородном топливе, либо на стадии дожигания. Однако наиболее подходящий вариант улавливания CO2 для любого источника выбросов будет зависеть от конкретного применения показаны различные технологии, разработанные для отделения и улавливания CO2. В настоящее время почти все технологии улавливания CO2 предназначены для стационарных источников и обычно требуют значительного воздействия на окружающую среду, что не подходит для улавливания CO2 из мобильных источников. Технологии улавливания CO2 на основе растворителей, сорбентов и мембран хорошо задокументированы и привлекают исследования и разработки. С другой стороны, другие технологии, такие как ферменты, дистилляция с использованием криогеники и гибридные / промежуточные технологии также вызывают интерес у многих исследователей. Разделение с растворителями В принципе, разделение с помощью растворителей представляет собой двухстадийный процесс, а именно: абсорбцию CO2 с использованием абсорбирующего растворителя с последующей десорбцией с использованием давления, температуры, электрического качания или любой из комбинаций. Как правило, дымовые газы любой электростанции сжигания имеют экстремальные температуры (≥ нескольких сотен ° C), и их необходимо охладить до оптимального уровня температуры абсорбции (обычно около ≤ 40–60 ° C). На первом этапе дымовой газ, содержащий CO2 и инертные газы (не реагирующие с растворителем), поступает в камеру абсорбционного растворителя, и CO2 предпочтительно отделяется от инертных газов. Инертные газы просто пузыряются из камеры для растворителя, а растворитель, богатый CO2, перекачивается в камеру десорбции (рис. 3.2), где CO2 извлекается из растворителя с помощью давления, температуры, электрического качания или любой из комбинаций. В удаленный растворитель затем возвращается обратно в камеру абсорбера. Энергозатраты на процесс улавливания CO2 складываются из энергии (давления, тепла и/или электрической) для перекачки растворителя и дымовых газов, а также для регенерации растворителей. Энергия также требуется для сжатия рекуперированного CO2 до определенного давления (10–80 МПа) для хранения и транспортировки. Растворители, используемые для абсорбции CO2, можно разделить на три категории:относительно механизма реакции, например химического, физического и промежуточного. 6 Рис.2 Различные технологии отделения и улавливания CO2 Рис 3. Отделение CO2 от дымовых газов путем абсорбции Химическая абсорбция 7 Процессы химической адсорбции CO2 используются в течение нескольких десятилетий для очистки природного газа от серы в химической промышленности. Процессы химической адсорбции CO2 относятся к поглощению CO2 в жидком растворителе путем образования химической связи междуСО2 и жидкий растворитель. Общий профиль загрузки растворителя нелинейно зависит от парциального давления и выше при низких парциальных давлениях. При концентрациях насыщения загрузка растворителя резко уменьшается. Для регенерации растворителя необходимо нагревание и требует значительных затрат энергии. Абсорбция амина. Технология, основанная на растворе амина, таком как моноэтаноламин (МЭА), является хорошо зарекомендовавшей себя коммерческой технологией на протяжении более 60 лет, используемой в основном крупными химическими предприятиями. Например, газовая промышленность использует MEA для избирательного поглощения CO2 из природного газа. Процессы абсорбции MEA широко используются для удаления CO2 из потока дымовых газов в качестве конечного применения. Удаление CO2 осуществляется за счет массопереноса в жидком газе и образования ионов HCO3 - согласно уравнению: C2H4OHNH2 + H2O + CO2 ⇔ C2H4OHNH3 + HCO3 Условия реакции достигаются путем принудительного смешивания раствора МЭБ и дымовых газов, содержащих CO2. Затем богатый CO2 растворитель регенерируется в отдельной установке с помощью встречного пара при температуре 100–200 ° C. Таким образом, нагретая смесь МЭА, пара и СО2 производимый продукт охлаждается примерно до 40–65 ° C, что приводит к конденсации водяного пара и до 98% рециркуляции CO2 из раствора MEA. Таким образом, высококонцентрированный СО2 (≥ 99%) легко отделяется от жидкой фазы и МЭА, а водная смесь возвращается обратно в абсорбционную / отпарную колонну. Поглощающая способность раствора МЭА для CO2 очень низкая и требует больших объемов, что приводит к большим размерам оборудования и интенсивным энергозатратам, что приводит к неоправданной экономии процесса. Помимо низкой абсорбционной способности, разложение МЭА из-за небольших концентраций SOx и NOx также увеличивает общая стоимость. Сообщается, что такие модификации, как использование смеси МЭА, диэтаноламина (ДЭА) и метилдиэтаноламина (МДЭА), повышают тепловую эффективность и абсорбционную способность абсорбера. В недавнем прошлом были предприняты попытки повысить способность абсорбировать CO2 и повысить тепловую эффективность процесса. Было обнаружено, что стерически затрудненные амины с аминогруппой, присоединенной к объемной алкильной группе, например, 2- амино-2-метил-1-пропанол (NH2C (CH3) 2CH2OH), позволяют азоту спонтанно реагировать с CO2 и улучшают абсорбционную способность. Общая реакция этого процесса соответствует уравнению: 8 RNH2 + CO2 + H2O → RNO3 + HCO3 Водный аммиак.Водный аммиак (мокрая очистка на основе аммиака) во многом аналогична аминовым системам (МЭА), но имеет ряд преимуществ перед Процесс МЭА. Аммиак и его производные могут реагировать с CO2, SOx, NOx, HCl и HF, которые обычно присутствуют в дымовых газах и могут потребовать дополнительных стадий разделения, в противном случае (Olajire 2010). Дымовые газы, отличные от CO2, могут легко разлагать МЭА и коррозия оборудования, что не относится к водному аммиачному процессу. В этом процессе водный аммиак либо распыляется и смешивается с дымовым газом, либо просто смешивается с дымовой газ в реакторе с уплотненным слоем. Основными продуктами реакции этого процесса являются бикарбонат аммония, нитрат аммония и сульфат аммония в соответствии с уравнениями 3.3–3.5, в которые вносятся удобрения (Xi et al. 1985). 2NH3(ж) + CO2(г) + H2O(ж) ⇔ NH4 HCO3(т) NOx + SOx + H2O → HNO3 + H2SO4 HNO3 + H2SO4 + NH3 → NH4NO3 ↓ + (NH4)2SO4 Несмотря на ряд преимуществ по сравнению с системами на основе аминов, литературы по абсорбции на основе аммиака недостаточно (Figueroa et al. 2008). Потенциал высокой абсорбционной способности CO2, отсутствие деградации при абсорбции/регенерации, стойкость к кислороду в дымовых газах, экономичность и возможность регенерации с использованием качания давления. являются многообещающими характеристиками для коммерческой осуществимости. Кроме того, тепловая энергия ожидается, что потребление на регенерацию будет значительно меньше, чем MEA процесса (Гупта и др., 2003). В исследованиях и разработках сравнивалась эффективность удаления CO2 систем абсорбента NH3 и абсорбента МЭА. Был сделан вывод, что абсорбент NH3 может достигать эффективности удаления CO2 до 99% и емкости загрузки CO2 до 1,20 г CO2/г NH3. Тем не менее, максимальная эффективность удаления CO2 и пропускная способность при Абсорбент МЭА составлял 94% и 0,409 г CO2/г МЭА соответственно при аналогичных условиях. Таким образом, процессы на основе водного аммиака могут снизить производительность стоимость обработки массы до 3 раз в дополнение к повышенной эффективности удаления, которая также может уменьшить коэффициент рециркуляции. Модифицированный процесс «Solvay». Процесс Сольвея также известен как двойной щелочной процесс. Подход, при котором CO2 и хлорид натрия реагируют в присутствии аммиака (основной щелочи) в качестве катализатора в водной среде с образованием бикарбоната натрия и хлорида аммония. Коммерческий процесс включает насыщение соляного раствора (водный раствор NaCl) аммиаком с 9 последующим смешиванием с диоксидом углерода (в реакторах с насыпным или уплотненным слоем). Однако удаление СО2 из бикарбоната натрия энергозатратно; для извлечения аммиака требуется известь (Ca(OH)2), вторичная щелочь, и в качестве источника требуется известняк. Использование известняка приводит к улавливанию двух молей СО2 и высвобождению одного моля СО2 для общих стадий реакции. Выброс дополнительного одного моля CO2 и потребность в энергии для выделения аммиака из хлорида аммония, а выделение СО2 из бикарбоната натрия делает этот процесс неэффективным. Чтобы преодолеть эти проблемы, был разработан модифицированный двухщелочной метод путем замены аммиак с МЭА в качестве первичной щелочи. Кроме того, МЭА можно заменить на метиламиноэтанол (MAE), чтобы действовать как эффективная первичная щелочь по следующей общей реакции: CO2 + NaCl + HOCH2CH2(CH3)NH + H2O ⇔ NaHCO3 ↓+ HOCH2CH2(CH3)NH•HCl Это может увеличить теоретическую поглощающую способность CO2 всего процесса до 1 моля CO2/моль МАЭ из-за увеличения содержания бикарбоната в продуктах (Xi et al. 1985). Однако исследователи не идентифицировали вторичную щелочь для регенерации первичной, то есть МАЭ. Стадия регенерации двухщелочного подхода может быть улучшена путем замены известняка (CaCO3) активированным углем (AC) в соответствии с следующая реакция: NH4Cl + AC ⇔ NH3 + AC•HCl Системы на основе карбонатов. Системы на основе карбонатов для отпарки CO2 из дымовые газы используют растворимый карбонат для селективной реакции с CO2 с образованием бикарбоната (уравнения 3.8 и 3.9). 2 000+ + СО3−2 + H2O + CO2 → 2KHCO3↓ 2КНСО3 →Δ K2CO3↓ + CO2↑ + H2O Теплота реакции превращения растворимого карбоната в бикарбонат и превращения бикарбоната в карбонат делает этот процесс экономически целесообразным (Rochelle et al. 2006). Исследователи Техасского университета разрабатывают катализатор (пиперазин) опосредованные системы поглощения CO2 на основе карбонатов для повышения эффективности поглощения до 30% по сравнению с 30% раствором МЭА (Figueroa et al. 2008). Исследования показали что системы на основе карбонатов могут снизить потребность в энергии примерно на 5% и увеличить грузоподъемность до 10% по сравнению с МЭА. Кроме того, модификации конструкции реактора и эксплуатационных параметров также могут дать дополнительные 5–15 % энергосбережение (Rochelle et al. 2006). 10 |