Основний чотириетапний процес відновлення CO₂
Основним 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 частинок (пилу), які можуть засмічувати адсорбенти або розчинники та знижувати ефективність сепарації.
Десульфурація та денітрифікація: для видалення діоксиду сірки (SO₂) та 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 низькій температурі та 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 рівень (чистота ≥99,9%): для таких застосувань, як карбонізація напоїв або як харчова добавка, необхідна комбінація адсорбційних колон (з використанням молекулярних сит для видалення N₂/O₂) і дистиляційних колон (для відокремлення 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 вибірковість: чудова ефективність уловлювання (≥90%) навіть при низьких концентраціях CO₂.
2. Зріла технологія: широко перевірена численними промисловими застосуваннями. |
1. Високий рівень енергії 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 спричиняючи 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 башти 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, невеликі хімічні заводи, розподілені електростанції) або як етап попереднього концентрування в гібридному процесі. |
