กระบวนการหลักสี่ขั้นตอนสำหรับการกู้คืน CO₂
หลักการพื้นฐานของการนำ CO₂ กลับคืนมาคือการเลือกแยกก๊าซดังกล่าวออกจากกระแสก๊าซผสม ซึ่งสามารถทำได้ผ่านกระบวนการสี่ขั้นตอนที่เป็นมาตรฐาน:
1. การบำบัดเบื้องต้น: การกำจัดสิ่งเจือปนจากก๊าซไอเสีย
ต้องทำความสะอาดก๊าซไอเสียดิบก่อนเพื่อป้องกันการกัดกร่อน การอุดตัน และการเสื่อมประสิทธิภาพในอุปกรณ์ดักจับปลายน้ำ
การกำจัดฝุ่น: มีการใช้เครื่องตกตะกอนไฟฟ้าสถิตหรือตัวกรองแบบ Baghouse เพื่อกำจัดฝุ่นละออง (ฝุ่น) ซึ่งอาจอุดตันตัวดูดซับหรือตัวทำละลาย และลดประสิทธิภาพการแยกตัว
การกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์และการแยกไนตริฟิเคชัน: การกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์และก๊าซไอเสียแบบเปียก (เช่น วิธีหินปูน-ยิปซั่ม) และการคัดเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเลือก (SCR) ถูกนำมาใช้เพื่อกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) และไนโตรเจนออกไซด์ (NOₓ) สิ่งเจือปนเหล่านี้ทำให้เกิดการกัดกร่อนของอุปกรณ์ ทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการด้วยตัวทำละลายที่จับตัว และลดความบริสุทธิ์ของ CO₂ สุดท้าย
การคายน้ำ: เครื่องทำความเย็นและเครื่องดูดซับแบบดูดซับจะกำจัดไอน้ำเพื่อป้องกันการก่อตัวของน้ำแข็งและการอุดตันของท่อในระหว่างกระบวนการดักจับที่อุณหภูมิต่ำ และเพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของกรดคาร์บอนิกที่มีฤทธิ์กัดกร่อน
2. การจับและการแยก: การแยกCO₂แบบเลือก
นี่คือแกนหลักของกระบวนการฟื้นฟูและเป็นขั้นตอนที่ใช้เทคโนโลยีเข้มข้นและมีค่าใช้จ่ายสูงที่สุด โดยคิดเป็น 60-70% ของการลงทุนทั้งหมด ก๊าซที่ผ่านการบำบัดล่วงหน้าจะเข้าสู่หน่วยดักจับ โดยที่ CO₂ จะถูกแยกออกจาก N₂ และ O₂ แบบเลือกสรร โดยใช้วิธีการทางกายภาพหรือทางเคมี
3. การทำให้บริสุทธิ์และการกลั่น: การเพิ่มความบริสุทธิ์ของCO₂
'ดิบ' CO₂ ที่จับได้ (โดยทั่วไปจะมีความบริสุทธิ์ 85-95%) มักต้องมีการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมเพื่อขจัดสิ่งเจือปนที่ตกค้าง เช่น N₂, O₂ และ H₂S ระดับความบริสุทธิ์ที่ต้องการจะกำหนดเทคโนโลยีที่ใช้
เกรดอาหาร (ความบริสุทธิ์≥99.9%) สำหรับการใช้งาน เช่น เครื่องดื่มอัดลมหรือเป็นวัตถุเจือปนอาหาร ต้องใช้หอดูดซับร่วมกัน (โดยใช้ตะแกรงโมเลกุลเพื่อกำจัด N₂/O₂) และคอลัมน์การกลั่น (เพื่อแยกสิ่งเจือปนที่เป็นส่วนประกอบของแสง)
เกรดอุตสาหกรรม (ความบริสุทธิ์ 95-98%) สำหรับการใช้งาน เช่น การนำน้ำมันกลับมาใช้ใหม่ (EOR) หรือการสังเคราะห์ทางเคมี ข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์มีความเข้มงวดน้อยกว่า ช่วยให้กระบวนการทำให้บริสุทธิ์ง่ายขึ้นและคุ้มต้นทุนมากขึ้น
4. การบีบอัดและการจัดเก็บ: การแปลงเป็นสถานะของเหลวหรือวิกฤตยิ่งยวด
ก๊าซ CO₂ บริสุทธิ์ได้รับแรงดันและระบายความร้อนเพื่อการจัดเก็บและขนส่งที่มีประสิทธิภาพ
ก๊าซจะถูกป้อนเข้าไปในคอมเพรสเซอร์และได้รับแรงดัน (โดยทั่วไปอยู่ที่ 2.0-7.38 MPa) ในขณะที่ถูกทำให้เย็นลงที่ -20°C ถึง -30°C
กระบวนการนี้แปลง CO₂ ให้เป็นของเหลวหรือสถานะวิกฤตยิ่งยวด (จุดวิกฤติ CO₂: 7.38 MPa และ 31.1°C) ซึ่งจากนั้นจะถูกจัดเก็บไว้ในถังหุ้มฉนวนเฉพาะเพื่อรอการใช้งานหรือการแยกกัก
การเปรียบเทียบเทคโนโลยีจับภาพชั้นนำ
การเลือกเทคโนโลยีดักจับขึ้นอยู่กับคุณลักษณะของก๊าซไอเสีย ข้อพิจารณาด้านต้นทุน และข้อกำหนดในการปฏิบัติงานเป็นอย่างมาก
| เส้นทางเทคโนโลยี |
หลักการสำคัญ |
ข้อดี |
ข้อเสีย |
การใช้งานในอุดมคติ |
| การดูดซึมสารเคมี |
ใช้ตัวทำละลายที่เป็นด่าง (เช่น MEA, DEA) ที่ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับ CO₂ เพื่อสร้างคาร์บาเมตที่เสถียร จากนั้นให้ความร้อนตัวทำละลาย (120-150°C) เพื่อสลายพันธะ ปล่อย CO₂ และสร้างตัวทำละลายขึ้นมาใหม่ |
1. หัวกะทิสูง: ประสิทธิภาพในการดักจับที่ดีเยี่ยม (≥90%) แม้ที่ความเข้มข้นCO₂ต่ำ
2. เทคโนโลยีสำหรับผู้ใหญ่: ได้รับการพิสูจน์อย่างกว้างขวางกับการใช้งานทางอุตสาหกรรมมากมาย |
1. พลังงานการฟื้นฟูสูง: การให้ความร้อนด้วยตัวทำละลายคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 70% ของการใช้พลังงานทั้งหมด ส่งผลให้ต้นทุนการดำเนินงานสูง
2. การเสื่อมสภาพของตัวทำละลาย: ตัวทำละลายเสื่อมสภาพและระเหย ซึ่งจำเป็นต้องเติมเข้าไปใหม่และอาจก่อให้เกิดมลพิษทุติยภูมิ
3. มีฤทธิ์กัดกร่อน: ต้องใช้วัสดุราคาแพงและทนทานต่อการกัดกร่อนสำหรับอุปกรณ์ |
สถานการณ์ที่มีความเข้มข้น CO₂ ต่ำ (10-15%) และการไหลของก๊าซที่เสถียร เช่น โรงไฟฟ้าถ่านหินและเตาเผาขยะเป็นพลังงาน |
| การดูดซับทางกายภาพ |
ใช้ตัวดูดซับที่เป็นของแข็ง (เช่น ตะแกรงโมเลกุล ถ่านกัมมันต์ MOF) ที่จะจับ CO₂ บนพื้นผิวที่อุณหภูมิต่ำ/แรงดันสูง CO₂ ถูกปล่อยออกมา (ถูกดูดซับ) โดยการเพิ่มอุณหภูมิหรือลดความดัน (TSA/PSA) |
1. พลังงานการฟื้นฟูต่ำ: การใช้พลังงานต่ำกว่าการดูดซึมสารเคมี 30-50%
2. ไม่มีฤทธิ์กัดกร่อน: ตัวดูดซับมีความเฉื่อย ส่งผลให้อุปกรณ์มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
3. เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม: ไม่มีการสูญเสียตัวทำละลายหรือมลภาวะที่เกี่ยวข้อง |
1. ประสิทธิภาพต่ำกว่าที่ความเข้มข้นต่ำ: เหมาะที่สุดสำหรับก๊าซไอเสียที่มีความเข้มข้นCO₂ ≥15%
2. ความจุที่จำกัด: ตัวดูดซับมีความจุที่จำกัด ซึ่งต้องใช้วงจรการฟื้นฟูบ่อยครั้งและปริมาณอุปกรณ์ที่มากขึ้น
3. ไวต่อสิ่งเจือปน: ไอน้ำและสิ่งสกปรกอื่น ๆ สามารถทำให้วัสดุดูดซับหมดฤทธิ์ได้ |
สถานการณ์ที่มีความเข้มข้นของ CO₂ สูงกว่า (15-25%) และมีระดับสิ่งเจือปนต่ำ เช่น เตาเผาซีเมนต์และก๊าซเตาอบโค้กของโรงถลุงเหล็ก |
| การแยกเมมเบรน |
ใช้เมมเบรนโพลีเมอร์ (เช่น โพลีอิไมด์) ที่เลือกซึมผ่าน CO₂ ได้ โมเลกุลของ CO₂ ผ่านเมมเบรนได้เร็วกว่า N₂ 5-10 เท่า ทำให้เกิดกระแสที่อุดมด้วย CO₂ ที่ด้านหนึ่งและกระแสที่สูญเสีย CO₂ ในอีกด้านหนึ่ง |
1. Compact Footprint: ไม่จำเป็นต้องมีหอคอยหรือเรือขนาดใหญ่
2. การบำรุงรักษาต่ำ: ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ทำให้ง่ายต่อการใช้งาน
3. ยืดหยุ่นและปรับขนาดได้: การออกแบบแบบแยกส่วนช่วยให้สามารถปรับอัตราการไหลของก๊าซที่แตกต่างกันได้ง่ายโดยการเพิ่มหรือถอดชุดเมมเบรน |
1. ประสิทธิภาพการแยกต่ำ: การแยกขั้นตอนเดียวให้ความบริสุทธิ์เพียง 80-85% ซึ่งมักต้องใช้หลายขั้นตอนติดต่อกัน ซึ่งทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น
2. ไวต่อสภาวะ: เมมเบรนมีความเสี่ยงต่อความเสียหายจากอุณหภูมิและสิ่งสกปรกที่สูง โดยต้องมีการบำบัดล่วงหน้าอย่างเข้มงวดและมีอายุการใช้งานของเมมเบรนโดยทั่วไปอยู่ที่ 3-5 ปี
3. การใช้พลังงานสูงสำหรับความเข้มข้นต่ำ: การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมากสำหรับกระแสก๊าซเจือจาง |
สิ่งอำนวยความสะดวกขนาดเล็กถึงขนาดกลางที่มีการไหลของก๊าซผันผวน (เช่น โรงงานเคมีขนาดเล็ก โรงไฟฟ้าแบบกระจาย) หรือเป็นขั้นตอนก่อนการทำให้เข้มข้นในกระบวนการผสม |
