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.
|
|
Разделение другими технологиями Криогенная дистилляция. Криогенные методы удаления углерода могут улавливать CO2 из дымовых газов в жидкой форме с помощью тщательно разработанной и контролируемой серии стадий сжатия, охлаждения и расширения. За исключением N2, компоненты дымовых газов (такие как H2O, NOx, SOx и O2) 19 удаляются перед криогенным процессом. Температура и давление понижаются и повышаются соответственно для сжижения CO2. Особенно, достигается тройная точка СО2 (216,6 К при 5,11 атм), где СО2 конденсируется, затвердевает и остается в газообразной фазе одновременно, а N2 остается в газообразной форме. Основным преимуществом криогенных процессов является более высокая степень извлечения СО2 при условии, что исходный СО2 надлежащим образом кондиционирован. Сжиженный CO2 можно легко транспортировать для коммерческого использования или секвестрировать в отработанных запасах месторождений нефти и газа. Однако присутствие загрязняющих веществ (SOX и NOX) может препятствовать криогенным процессам (Shackley and Gough 2006) и требует сложного процесса кондиционирования дымовых газов. Очевидно, необходимость повышения давления и охлаждения может сделать криогенные процессы энергоемкими и, следовательно, дорогостоящими в зависимости от концентрации CO2 в дымовых газах (Meisen and Shuai 1997; Shackley and Gough 2006). Поэтому криогенная сепарация коммерчески используется для очистки CO2 от потоков с высоким содержанием CO2 концентрации (обычно > 90%) и обычно не используются для сильно разбавленных потоков (Шекли и Гоф, 2006). Заявка на патент, поданная Бакстером (2009 г.), находится на рассмотрении процесса криогенного улавливания углерода (CCC) в Университете Бригама Янга для более экономичного и значительного выделения почти чистого потока CO2 из дымовых газов электростанции требует меньше энергии, чем существующие альтернативы. Процесс CCC может применяться в систем дожигания и относительно легко подходит для модернизации существующих электростанций. На рис. 3.5 показана схема процесса CCC. В процессе CCC поток дымовых газов высушивается и охлаждается, мягко сжимается и охлаждается до температуры немного выше точки замерзания CO2. Затем газ адиабатически расширяется, что приводит к дальнейшему охлаждению потока и осаждению твердого CO2. Твердый СО отделяется от дымовых газов газо-твердым сепаратором, а поток чистого СО подвергается давлению. Избыточное охлаждение потоков CO2 и N2 используется для охлаждения поступающего дымового газа в теплообменник. Наконец, сжиженный CO2 и поток чистого газообразного азота получают отдельно. 20 Рис.6 Схема процесса криогенного улавливания углерода Ионные жидкости. Ионные жидкости представляют собой органические соли, которые являются жидкими в условиях, близких к условиям окружающей среды, и были предложены в качестве физических растворителей для разделения газов, чтобы облегчить улавливание газов без одновременной потери улавливающего агента или растворителя в газовом потоке. Они стабильны при температурах до нескольких сотен градусов по Цельсию и могут растворять и удерживать газообразный СО2. Температурная стабильность ионных жидкостей полезна для извлечения CO из дымовых газов без предварительного охлаждения. Кроме того, физическое связывание с CO2 требует минимального нагрева ионных жидкостей для регенерации (Figueroa et al. 2008). По данным Бейтса и др. (2002) и Maginn (2005), ионные жидкости считаются потенциально безопасными для окружающей среды растворителями из-за их низкой летучести. Система на основе ферментов. Карбоангидраза (КА) в настоящее время находится на экспериментальной стадии для улавливания СО2 из дымовых газов. Системы на основе ферментов имитируют естественные реакции CO в живых организмах. Фермент действует как катализатор, облегчая превращение CO2 в угольную кислоту в растворе (Figueroa et al. 2008; CO2 Solutions 2010). Одна молекула КА может катализировать гидратацию 600 000 молекул CO2 в секунду по сравнению с 0,038 молекулами CO2 в секунду для некаталитической реакции. Только мелкие ионизированные частицы, в основном бикарбонаты и карбонаты могут диффундировать через мембрану (Cowan et al. 2003). Жидкая мембрана из полых волокон на основе иммобилизованного СА продемонстрировала возможность улавливания до 90% CO2 с последующей регенерацией в условиях окружающей среды в лабораторных условиях (Figueroa et al. 2008). Регенерация обогащенного CO2 раствора легко возможна при температуре окружающей среды с изменением pH 21 раствора в присутствии СА (Salmon et al. 2009). Таким образом, регенерация раствора менее энергозатратна. Тем не менее, загрязнение поверхности, потеря активности фермента, стоимость фермента и масштабирование являются некоторыми из проблем, связанных с этим методом. Химическое горение. Горение с химическим циклом (CLC) включает использование оксида металла в качестве источника кислорода для горения, которое поглощает кислород из воздуха. Таким образом, предотвращается прямой контакт между топливом и воздухом для горения. Следовательно, продукты сгорания, например, CO2 и H2O, изолируются от остальных дымовых газов, например, азота и неиспользованного кислорода. Чистая химическая реакция аналогична обычному горению, и CO2 отделяется от азота во время окисления металл в отдельной камере. Это противоречит известным методам выделения CO2 из дымовых газов, которые требуют больших затрат энергии и капиталовложений (Mattisson and Lyngfelt, 2001). Основная задача в области развития горение с химическим циклом представляет собой материал оксида металла, который должен выдерживать длительное химическое циклирование, а также быть устойчивым к физическому и химическому разложению из-за примесей, образующихся при сжигании топлива (Thambimuthu et al. 2002). Некоторые переносчики кислорода представляют собой мелкие частицы оксидов металлов, таких как Fe2O3, NiO, CuO и Mn2O3. Фигероа и др. (2008) сообщили о газификации с химическим циклом для газификации угля для производства синтез- газа (H2 и CO). В этом случае второй твердый контур используется в реакторе конверсии водяного газа, где пар вступает в реакцию с СО и превращает его в Н2 и СО2.Циркулирующее твердое вещество поглощает CO2 и создает большую движущую силу для реакции конверсии водяного газа. Затем CO2 может быть высвобожден на этапе прокаливания, который производит высококонцентрированный CO2 для дальнейшего сжатия и секвестрации. Тем не менее, как химико-петлевое сжигание, так и газификация находятся на экспериментальной стадии. Улавливание углерода из концентрированных источников Захват до сжигания. Улавливание перед сжиганием предполагает взаимодействие твердого или жидкого топлива, такого как уголь, биомасса или нефтепродукты, с кислородом (газификация) или с воздухом и/или паром с образованием смеси, состоящей в основном из монооксида углерода и водорода (синтез-газ). Монооксид углерода реагирует с паром в каталитическом реакторе, известном как конвертер сдвига, с получением CO и дополнительного количества водорода. Затем CO отделяют с помощью процесса физической адсорбции, в результате чего получается богатое водородом топливо, которое можно использовать в котлах, печах, газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания и топливных элементах. Тепло выхлопных газов 22 турбины внутреннего сгорания может быть рекуперировано для производства пара для паровой турбины, который вырабатывает дополнительную мощность и повышает общую эффективность энергосистемы (рис. 3.6). Начальные этапы преобразования топлива в системах предварительного сжигания более сложные и дорогостоящие, чем в системах дожигания. Однако удаление CO из такого газового потока до сжигания часто бывает более практичным, чем после сжигания, из-за более низких объемных расходов, более высокого давления и более высоких концентраций CO (обычно от 15 до 60% по объему в пересчете на сухую массу. ), произведенный реактором сдвига (Marion and Griffin 2001; IPCC 2005). Предварительное сжигание является экономически целесообразным процессом во многих случаях. Высокая концентрация CO, концентрация в топливном газе высокого давления, физические растворители, такие как этанол или полиэтиленгликоль, могут эффективно улавливать CO, часто в сочетании с удалением серы (H2S). В настоящее время эти передовые технологии улавливания находятся в стадии изучения, и потребуется еще некоторое время для их испытаний в промышленных масштабах (Figueroa et al 2008). Рис.7 Система захвата до сжигания Кислородно-топливное горение. Как правило, топливо сжигают в воздухе по практическим причинам; однако концентрация CO в дымовых газах относительно ниже из-за более высокого отношения азота к кислороду в воздухе. С другой стороны, чтобы сделать разделение менее дорогим, необходимы более высокие концентрации CO. Таким образом, системы кислородно-топливного сжигания используют кислород вместо воздуха для сжигания основного топлива и производят смесь дымовых газов, состоящую в основном из водяного пара и CO2. Наиболее распространенная концепция кислородно-топливного сжигания включает криогенную воздухоразделительную установку для подачи в котел кислорода высокой чистоты. 23 Сжигание топлива в чистом кислороде приводит к очень высоким температурам пламени, которые превышают допустимые пределы для металлов в обычных котлах. Таким образом, часть дымовых газов, содержащих CO, рециркулируется в котел для снижения температуры горения, охлаждения и сжатия газового потока, в результате чего концентрация CO превышает 80% по объему (IPCC 2005, Steeneveldt et al. 2006). ). Дымовой газ с высоким содержанием CO должен быть очищен от небольших количеств других кислых газов (SOx и NOx) перед сжатием для транспортировки и хранения. В большинстве современных конструкций для кислородно-топливного сжигания требуется кислород чистотой 95% (IPCC 2005; Figueroa 2008). В качестве недостатка, согласно Херцогу и Голомбу (2004), одна только воздухоразделительная установка может потреблять около 15% электроэнергии, вырабатываемой электростанцией. , требующие повышенного расхода топлива для достижения номинальной электрической мощности установки. (Ф 3.7). Водяной пар в дымовых газах удаляется. Рис.8 Система кислородно-топливного горения Система кислородно- топливного сжигания все еще находится на стадии демонстрации, будучи наименее продвинутой из всех вариантов улавливания для производства электроэнергии. Технология требует дальнейшего развития перед проектированием и строительством полномасштабной системы (МГЭИК 2005). С высокими температурами, возникающими при кислородно-топливном сгорании, можно справиться либо с помощью более совершенных материалов, обеспечивающих прямое применение кислородно-топливного сжигания, либо с помощью различных разбавителей для снижения температуры горения (Simmonds et al. 2004). Таким образом, кислородно- топливное сжигание сталкивается с основными проблемами, такими как высокая стоимость производства кислорода, общая конструкция котла и горелок, а также удаление примесей из потока CO. Рис. 9 Система улавливания после сжигания 24 Процессы абсорбции, основанные на химических растворителях, в настоящее время являются предпочтительным вариантом для улавливания CO после сжигания (IPCC 2005). В этих системах обычно используется жидкий растворитель для улавливания небольшой доли CO2 (обычно 3–15% по объему), присутствующей в потоке дымовых газов, основным компонентом которого является азот (из воздуха). Некоторые потенциальные растворители, описанные ранее в этой главе, рассматриваются для улавливания после сжигания, включая различные типы аминов, соли аминокислот, аммиак, растворы карбоната натрия и смеси растворителей, но наиболее разработанной концепцией улавливания после сжигания является разделение аминов ( Прайс и др., 2008). Однако присутствие кислорода в потоке дымовых газов может создавать проблемы для очистки дымовых газов аминовой промывкой, поскольку это может вызвать разложение некоторых растворителей и коррозию оборудования. В настоящее время процесс очистки CO с помощью аминов находится в экспериментальном и демонстрационном масштабах и может быть легко масштабирован до фактического размера электростанции (Программа исследований и разработок по парниковым газам МЭА, 2007 г.). Выбор различных схем. Также рассматривались несколько других процессов для улавливания CO из дымовых газов электростанций и промышленных котлов, например. мембранное разделение, криогенное фракционирование и адсорбция с использованием молекулярных сит, как описано выше. За исключением методов абсорбции и некоторых мембран, большинство этих процессов, как правило, менее энергоэффективны и более капиталоемки (Гупта и др., 2003; Херцог и Голомб, 2004). Исследования и разработки систем улавливания после сжигания сделали их экономически целесообразными для некоторых применений. Согласно IPCC (2005 г.), основными эталонными системами для улавливания после сжигания являются текущая установленная мощность 2261 ГВт. нефтяных, угольных и газовых электростанций. Более того, 155 ГВт. сверхкритических пылеугольных электростанций и 339 ГВт. электростанций с комбинированным циклом на природном газе, обе представляют собой высокоэффективную технологию электростанций, в которой улавливание CO после сжигания может быть экономически целесообразным. На электростанциях, работающих на угле, несмотря на то, что улавливание CO2 теоретически менее выгодно и более энергоемко, чем из других газовых потоков, существует коммерческое применение. системы. Цели исследований и разработок 25 большинства исследовательских программ после сжигания сосредоточены на разработке новых растворителей, мембран и интеграции процессов (например, тепловой интеграции с электростанцией) для снижения потребления тепловой энергии (2 ГДж / тонна CO.) и эффективности. потеря (Уолл 2007). Различные технологии улавливания/отделения углерода могут использоваться для стратегий улавливания углерода, а именно, улавливания после сжигания, предварительного и кислородно- фуцелярного сжигания, в зависимости от требований применения. В Таблице 3.1 представлен список инструментов как текущих, так и новых технологий улавливания углерода для различных сценариев. Заключение Нынешнюю тенденцию потребления ископаемого топлива чрезвычайно трудно обуздать, учитывая растущее население мира и развивающиеся экономики во всем мире. Несмотря на несколько попыток международного сообщества остановить глобальное потепление, проблема со временем становится все больше. Если не будут созданы какие-либо надежные и экономичные альтернативы ископаемому топливу, улавливание углерода (точнее, CO.) из выбросов ископаемого топлива является наиболее многообещающим подходом. Существует несколько методов улавливания углерода в лаборатории, а также на промышленных электростанциях. В этих методах используются химические/физические растворители и сорбенты, мембраны, ферменты и инновационные процессы для улавливания CO на стадиях до, после или в кислородном топливе. В настоящее время наиболее часто используемым методом улавливания CO является использование химических растворителей, таких как МАЭ, и многих патентованных продуктов. Однако эти процессы сопряжены с более высокими эксплуатационными и капитальными затратами, экологическими рисками и техническими ограничениями. Методы улавливания CO в основном используются на крупных тепловых электростанциях, которые составляют около 10-20% от общего потребления топлива. Для решения этих проблем исследуются несколько других методов, таких как физические растворители/сорбенты, молекулярные сита, активированный уголь, мембраны, криогенное фракционирование, сжигание с химическим циклом и комбинированные процессы. Многие из этих методов улавливания CO второго поколения находятся на стадии демонстрации и коммерческих экспериментов и демонстрируют хороший потенциал. Необходимы исследования для изучения наилучших стратегий применения подходящего CO, методов улавливания на стадиях до, после или в кислородном топливе. Однако экологические, геологические и политические переменные связанные с источниками выбросов углерода, будут играть решающую роль в определении наилучшего метода улавливания СО2. 26 Список литературы Carbon Capture and Storage, 2015 by the American Society of Civil Engineers. https://issek.hse.ru/trendletter/news/206229435.html https://cyberleninka.ru/article/n/membranno-absorbtsionnaya-ochistka- vozduha-ot-uglekislogo-gaza-1 https://privetstudent.com/referaty/fizika/197-udalenie-uglekislogo- gaza.html Адсорбация:процесс с неограниченными возможностями, 1998, Шумяцкий Ю.И., Афанасьев Ю.М. |