Уловлювання CO₂

З технічної та економічної точки зору немає потреби в тому, щоб зберігати увесь димовий газ, що вивільняється вугільною електростанцією. Димовий газ містить лише 10% CO₂. Доцільніше відокремити CO₂ від інших компонентів (переважно пари та азоту, однак також і деяких частинок, сірки тощо), щоб отримати якнайменший об’єм для транспортування та зберігання. Крім цього, інші компоненти димового газу призведуть до проблем з корозією і забруднять місце зберігання. Тому найрозумнішим рішенням є відокремлення CO₂ від інших складових димового газу. Цей процес відокремлення називається уловлюванням CO₂.

На сьогодні існує три основні технології, що використовуються для уловлювання CO₂, а саме: уловлювання після спалювання, уловлювання до спалювання та спалювання збагаченого киснем палива. Усі ці технології можуть уловлювати принаймні 90% CO₂, що вивільняється; занадто великі витрати, що потребуються на сьогоднішній день, – це єдина перепона для уловлювання 100% викидів CO₂ за допомогою УЗВ.

Вибір технології уловлювання залежатиме від ряду критеріїв, включаючи рівень розвитку технології, її застосування, якщо об’єкт є новим або модернізованим, капітальні та експлуатаційні витрати.

Уловлювання після спалювання

Найпоширенішою технологією уловлювання вуглецю є уловлювання після спалювання, яку можна впровадити на існуючих станціях (тобто модернізувати їх) для відокрмелння CO₂ від димового газу. Така можливість впровадження технологій уловлювання після спалювання на існуючих електростанціях є основною перевагою, враховуючи, що строк експлуатації звичайної електростанції становить 40 років чи більше.

Уловлювання CO₂ з димового газу електростанції називається уловлюванням CO₂ після спалювання, оскільки CO₂ відокремлюється після спалювання палива електростанцією.

Post combustion CO2 capture Credit: Prosjektlab

Уловлювання CO₂ після спалювання
Джерело: Prosjektlab

Цей процес – прямолінійний: димовий газ з електростанції чи промислового об’єкта поступає до очисного резервуару. До цього резервуару також додається рідкий розчинник (детальніше про це йдеться нижче), який вступає в реакцію з CO₂, не вступаючи, при цьому, в реакцію з усіма іншими компонентами димового газу, наприклад з азотом. Газоподібний азот проходить через резервуар й залишається вверху резервуару. Рідкий розчинник, який вступив в реакцію з CO₂, залишається на дні резервуару.

Типовими розчинниками є такі хімічні сполуки, як аміни або аміак, розчинені у воді. Ці розчинники не можуть транспортуватися або зберігатися разом з CO₂, оскільки вони небезпечні та дорогі. Тому розчинники регенеруються для повторного використання. Міжнародне екологічне об’єднання «Біллона» розробила рекомендації для використання амінів з мінімальним ризиком для довкілля – «Аміни, що використовуються для уловлювання CO₂: вплив на здоров’я та навколишнє середовище».

У резервуарі для регенерації суміш розчинника та CO₂ підігрівається, і з’єднання між розчинником та CO₂ розпадаються. CO₂ після цього вивільняється й піднімається доверху резервуару як газ для регенерації. Чистий амін залишається на дні резервуару і перенаправляється назад до очисного резервуару.

Post combustion CO2 capture

Уловлювання CO₂ після спалювання

До двох головних викликів, що стоять перед технологіями уловлювання після спалювання, відносяться великі об’єми газу, що підлягають обробці, для чого потрібне великомасштабне обладнання й, відповідно, значні капітальні витрати, а також велика кількість додаткової енергії, що потрібна для здійснення цього процесу.

Технології уловлювання після спалювання дозволяють уловлювати близько 90% CO₂. З огляду на можливість впровадження як на електростанціях, так і на більшості промислових об’єктах, технології уловлювання CO₂ після спалювання користуються найбільшою популярністю.

Уловлювання до спалювання

У разі уловлювання до спалювання CO₂ відоклемплюється від палива до спалювання. Цей процес проходить в традиційному паровому реформері, де паливо конвертується у водень (H2) та монооксид вуглецю (CO). Газоподібний монооксид вуглецю та пара після цього перетворюються в H2 та CO₂. Під кінець H2 та газ CO₂ відоклемплюються одне від одного таким же чином, як і при уловлюванні після спалювання CO₂. Однак для уловлювання до спалювання потрібна менша за газомірами установка, ніж для уловлювання після спалювання з огляду на менший об’єм газу. Відділений газоподібний H2 може використовуватись у якості палива як для електростанцій та промислових об’єктів, так і для транспортних засобів.

Pre-combustion CO2 capture Credit: Prosjektlab

Уловлювання CO₂ до спалювання

Джерело: Prosjektlab

Уловлювання до спалювання використовується в промислових процесах та піддається все більшій комерціалізації в рамках ряду проектів США. Процедура конверсії палива, необхідна для уловлювання до спалювання, є складнішою, ніж процедура, що передбачається уловлюванням після спалювання, що робить застосування цієї технології на існуючих станціях менш привабливим. Найкраще її одразу впровадити при будівництві станції. Уловлювання до спалювання збільшує концентрацію CO₂ в димовій парі, для чого потрібно менше за розмірами обладнання та різні розчинники з нижчими вимогами щодо відновлення енергії.

Pre-combustion CO2 capture

Уловлювання до спалювання CO₂

Спалювання збагаченого киснем палива

Традиційна електростанція, що працює на горючих корисних копалинах, функціонує за рахунок спалювання палива та повітря. Відмінною характеристикою спалювання збагаченого киснем палива з уловлюванням CO₂ полягає в тому, що в процесі спалювання використовується кисень замість повітря. Концентрація CO₂ в димовому газі може бути збільшена за рахунок використання у процесі спалювання чистого чи збагаченого кисню замість повітря для спалювання як в бойлері, так і в газовій турбіні. Цей метод передбачає використання блоку розподілу повітря, який відокремлює азот від повітря та випускає кисень. Він впорскується – разом з паливом – в бойлер, де відбувається спалювання. В результаті виробляється пара, яка використовується для живлення турбін та генерації електроенергії.

Oxyfuel combustion with CO2 capture Credit: Prosjektlab

Спалювання збагаченого киснем палива з уловлюванням CO₂

Джерело: Prosjektlab

Тим часом, димовий газ, CO₂ та водяна пара рециркулюються для контролю температури в бойлері й поступово охолоджуються. Далі залишається стиснути та висушити уловлений CO₂, після чого він вже готовий для транспортування та зберігання. Перевага спалювання збагаченого киснем палива полягає в тому, що, оскільки димовий газ містить високу концентрацію CO₂, стадія відділення CO₂ спрощується. Тому ця технологія дає можливість уловлювати 100% CO₂. Значні витрати, необхідні для отримання чистого кисню, виступають бар’єром для широкого застосування технологій уловлювання CO₂ шляхом спалювання збагаченого киснем палива.

CO2 capture by oxyfuel

Уловлювання CO₂ шляхом спалювання збагаченого киснем палива

Відокремлення CO₂

Ідея уловлювання CO₂ полягає в тому, щоб отримати струмінь чистого газоподібного CO₂ із суміші CO₂ та інших компонентів газу. Існує багато способів здійснення операції з відоклемлення CO₂:

• Абсорбція або адсорбція (відокремлення CO₂ за допомогою розчинників)
• Використання мембран
• Дистиляція
• Мінералізація
• Термічні процеси

Абсорбція та адсорбція

Абсорбція – це поширений процес, що використовується для уловлювання CO₂ після спалювання, що передбачає відокремлення CO₂ від азоту.

Суміш CO₂ та інших компонентів газу, наприклад азоту, змішується з рідким розчинником у великому резервуарі під назвою «колона абсорбції». Розчинник повинен бути здатен вступати в реакцію з CO₂, але не з іншими компонентами газу. В результаті застосування цього методу з колони абсорбції виходять струмені: один з яких – це суміш розчинника та CO₂, а інший – суміш усіх інших компонентів газу.

Суміш розчинника та CO₂ надходить в другий резервуар, де розчинник та CO₂ розділяються шляхом нагрівання. В результаті утворюється струмінь чистого CO₂ та струмінь чистого розчинника, який в подальшому рециркулюється до колони абсорбції.

Для нагрівання суміші розчинника та CO₂ необхідна значна кількість енергії, і саме кількість такої енергії є причиною великих витрат на уловлювання CO₂. Наразі проводиться глобальне дослідження, покликане знайти нові розчинники, для яких потрібно менше енергії.

Абсорбція на сьогоднішній день – це найрозвинутіший метод уловлювання CO₂. Найбільш типовими розчинниками, що використовуються для CO₂, є аміни або аміак – хімічні речовини, які, як відомо, вступають в реакцію з CO₂, але рідко з іншими газами. Однак викиди, пов’язані з амінами та аміаком, – шкідливі для навколишнього середовища і це є стимулом для розробки нових розчинників.

Absorption/ adsorption with sorbents/ solvents

Абсорбція/адсорбція за допомогою сорбентів/розчинників

Адсорбція дуже схожа на абсорбцію. Єдина відмінність полягає в тому, що при адсорбції CO₂ приєднується до поверхні розчинника, а при абсорбції існує хімічний зв’язок між молекулами CO₂ та молекулами розчинника.

Використання мембран

Згідно з цим методом уловлювання CO₂ здійснюється за допомогою мембрани, крізь яку може проникнути CO₂ , але жодні інші молекули газу.

Membrane gas separation

Газорозподіл з використанням мембрани

Газорозподіл з використанням мембрани – це добре відома процедура, однак сьогодні цей процес більш затратний порівняно з абсорбцією. Ймовірно, що подальше дослідження та розробка мембран покращить їхню ефективність та зменшить витрати, пов’язані з їх застосуванням. Цілком імовірно, що використання мембран стане важливою альтернативою іншим методам.

Дистиляція

Дистиляція – це загальний процес, що використовується для розподілу рідин. При нагріванні суміші, що складається з двох рідких компонентів, компонент з найнижчою точкою кипіння закипатиме першим. Суміш таким чином розділяється на дві складових: газоподібна пара та рідина.

Separation by cryogenic distillation

Розподіл за допомогою кріогенної дистиляції

CO₂ можна відокрмити від інших компонентів газу, спершу охолодивши суміш до її перетворення у рідину. Для цього необхідна дуже низька температура, і через це така дистиляція з метою відділення CO₂ називається «кріогенною дистиляцією».

Мінералізація

Уловлювання CO₂ шляхом мінералізації – це процес, при якому CO₂ вступає в реакцію з мінералом, утворюючи інший твердий мінерал. Мінералізація – це добре відома технологія, яка є прийнятною альтернативою для уловлювання CO₂.

Однак існують значні перепони для мінералізації. У результаті проведення цього процесу утворюється побічний продукт з твердого матеріалу у формі гірської породи – часто у дуже великій кількості. Для реального застосування мінералізації для скорочення викидів CO₂ необхідно знайти рішення цієї суттєвої проблеми. З огляду на це малоймовірно, що мінералізація стане однією з основних технологій, що використовуються для боротьби з глобальним потеплінням, доки цю проблему не було вирішено. Вона скоріше буде використовуватись як альтернативна технологія, коли в розпорядженні є великі родовища мінералів корисних копалин, які придатні для процесу мінералізації.

Mineralisation

Мінералізація

Матеріал, що виробляється в процесі мінералізації, має потенційну комерційну вартість. Тому цей процес підтримується зацікавленими сторонами в промисловості. Однак якщо уловлювання CO₂ реалізується шляхом мінералізації і продажу її продукту у якості промислового продукту, то що станеться у майбутньому, коли якість продукту впаде чи сам продукт перетвориться на відходи? Чи вважатиметься мінералізація стратегією скорочення викидів CO₂? Якщо справа йде саме так, то CO₂ може бути вивільнено в атмосферу, залишаючи нас без процесу скорочення викидів CO₂.

Для обрання технології уловлювання CO₂ за допомогою мінералізації у якості стратегії скорочення викидів необхідно повністю задокументувати безпечне та постійне зберігання продукту мінералізації.

Термічні процеси

При термічному процесі уловлювання CO₂ газова суміш CO₂ та іншого компоненту охолоджується для забезпечення переходу такого компоненту в рідкий стан.

Thermal processes

Термічні процеси

Відокремлення CO₂ від пари – це дешевий та простий процес. Після охолодження суміші CO₂ та пари, пара у кінцевому підсумку конденсується у рідку воду, залишаючи чистий газ CO₂. Те ж саме відбувається при спалюванні збагаченого киснем палива та при «організації хімічних циклів».