Основний чотириетапний процес відновлення CO₂
Фундаментальним принципом відновлення CO₂ є вибіркове відділення його від змішаного газового потоку. Це досягається за допомогою стандартизованого процесу з чотирьох етапів:
1. Попередня обробка: видалення домішок димових газів
Необроблений димовий газ спочатку потрібно очистити, щоб запобігти корозії, засміченню та погіршенню продуктивності обладнання для уловлювання, що йде далі.
Видалення пилу: Електростатичні фільтри або рукавні фільтри використовуються для видалення твердих часток (пилу), які можуть засмічувати адсорбенти або розчинники та знижувати ефективність сепарації.
Десульфурація та денітрифікація: для видалення діоксиду сірки (SO₂) і оксидів азоту (NOₓ) використовуються волога десульфурація димових газів (наприклад, вапняково-гіпсовий метод) і селективне каталітичне відновлення (SCR). Ці домішки спричиняють корозію обладнання, реагують із утворенням небажаних побічних продуктів із уловлюючими розчинниками та знижують кінцеву чистоту CO₂.
Зневоднення: охолоджувачі та адсорбційні осушувачі видаляють водяну пару, щоб запобігти утворенню льоду та закупорці трубопроводу під час процесів уловлювання при низьких температурах і щоб уникнути утворення корозійної вугільної кислоти.
2. Уловлювання та розділення: вибіркова ізоляція CO₂
Це ядро процесу відновлення та найбільш технологічно насичений і витратний етап, на який припадає 60-70% від загального обсягу інвестицій. Попередньо оброблений газ надходить у блок уловлювання, де CO₂ вибірково відокремлюється від N₂ і O₂ за допомогою фізичних або хімічних методів.
3. Очищення та очищення: підвищення чистоти CO₂
Уловлений «сирий» CO₂ (зазвичай 85-95% чистоти) часто потребує подальшого очищення для видалення залишкових домішок, таких як N₂, O₂ і H₂S. Необхідний рівень чистоти визначає використовувану технологію.
Харчовий клас (≥99,9% чистоти): для таких застосувань, як карбонізація напоїв або як харчова добавка, потрібна комбінація адсорбційних колон (з використанням молекулярних сит для видалення N₂/O₂) і дистиляційних колон (для відділення домішок легких компонентів).
Промисловий рівень (чистота 95-98%): Для таких застосувань, як підвищення вилучення нафти (EOR) або хімічний синтез, вимоги до чистоти менш суворі, що дозволяє спрощувати та економічно ефективніше процес очищення.
4. Стиснення та зберігання: перетворення в рідкий або надкритичний стан
Очищений газ CO₂ знаходиться під тиском і охолоджується для ефективного зберігання та транспортування.
Газ подається в компресори та створюється тиск (зазвичай до 2,0-7,38 МПа), охолоджується до -20°C до -30°C.
Цей процес перетворює CO₂ у рідкий або надкритичний стан (критична точка CO₂: 7,38 МПа та 31,1°C), який потім зберігається в спеціальних ізольованих резервуарах в очікуванні утилізації або секвестрації.
Порівняння провідних технологій захоплення
Вибір технології уловлювання значною мірою залежить від характеристик димових газів, міркувань вартості та експлуатаційних вимог.
| Технологічний маршрут |
Основний принцип |
Переваги |
Недоліки |
Ідеальні програми |
| Хімічна абсорбція |
Використовує лужний розчинник (наприклад, MEA, DEA), який хімічно реагує з CO₂ з утворенням стабільного карбамату. Потім розчинник нагрівають (120-150°C), щоб розірвати зв’язок, вивільнити CO₂ і регенерувати розчинник. |
1. Висока селективність: чудова ефективність уловлювання (≥90%) навіть при низьких концентраціях CO₂.
2. Зріла технологія: широко перевірена численними промисловими застосуваннями. |
1. Висока енергія регенерації: нагрівання розчинником становить понад 70% загального споживання енергії, що призводить до високих експлуатаційних витрат.
2. Розкладання розчинником: Розчинники розкладаються та випаровуються, вимагаючи поповнення та потенційно викликаючи вторинне забруднення.
3. Корозійний: для обладнання потрібні дорогі, стійкі до корозії матеріали. |
Сценарії з низькою концентрацією CO₂ (10-15%) і стабільним потоком газу, як-от вугільні електростанції та сміттєспалювальні заводи. |
| Фізична адсорбція |
Використовує тверді адсорбенти (наприклад, молекулярні сита, активоване вугілля, MOF), які вловлюють CO₂ на поверхні за низьких температур/високого тиску. CO₂ виділяється (десорбується) шляхом підвищення температури або зниження тиску (TSA/PSA). |
1. Низька енергія регенерації: споживання енергії на 30-50% менше, ніж хімічне поглинання.
2. Не викликає корозії: адсорбенти інертні, що призводить до довшого терміну служби обладнання.
3. Екологічність: немає втрат розчинника або пов'язаного з ними забруднення. |
1. Низька ефективність при низьких концентраціях: найкраще підходить для димових газів із концентрацією CO₂ ≥15%.
2. Обмежена ємність: адсорбенти мають обмежену ємність, що вимагає частих циклів регенерації та більшого обсягу обладнання.
3. Сприйнятливість до домішок: водяна пара та інші домішки можуть дезактивувати адсорбуючий матеріал. |
Сценарії з вищою концентрацією CO₂ (15-25%) і низьким рівнем домішок, такі як цементні печі та коксовий газ сталеливарного заводу. |
| Розділення мембрани |
Використовує полімерні мембрани (наприклад, поліімідні), вибірково проникні для CO₂. Молекули CO₂ проходять через мембрану в 5-10 разів швидше, ніж N₂, утворюючи потік, багатий CO₂ з одного боку, і потік, збіднений CO₂, з іншого. |
1. Компактність: не потрібні великі вежі чи ємності.
2. Низьке обслуговування: немає рухомих частин, що забезпечує просте керування.
3. Гнучкий і масштабований: Модульна конструкція дозволяє легко налаштовувати змінну швидкість потоку газу шляхом додавання або видалення мембранних блоків. |
1. Низька ефективність поділу: одностадійне поділ дає лише 80-85% чистоти, часто потребуючи декількох послідовних етапів, що збільшує вартість.
2. Чутливість до умов: Мембрани чутливі до пошкодження високими температурами та забрудненнями, що вимагає суворої попередньої обробки та типового терміну служби мембрани 3-5 років.
3. Високе використання енергії для низьких концентрацій: споживання енергії значно збільшується для потоків розбавленого газу. |
Об’єкти малого та середнього розміру з коливаннями потоків газу (наприклад, малі хімічні заводи, розподілені електростанції) або як етап попереднього концентрування в гібридному процесі. |
