Magyar Tudomá • 2011 4 • Gyula Deбk - László Bartha

›› METODE TEHNOLOGICE A DIOXIDULUI DE CARBON

Una dintre modalitățile de reducere a emisiilor de CO2 este captarea și stocarea CO2 din arderea subterană a combustibililor fosili (CCS).

Metodele de captare a CO2 pot fi împărțite în trei grupe: procese post-ardere, pre-ardere și oxigen. Captarea post-combustie utilizează un solvent pentru a lega conținutul de CO2 al gazelor arse ale instalației. În metodele de pre-ardere, combustibilul reacționează cu aerul sau oxigenul și gazele rezultate sunt transformate într-un amestec de CO2 și hidrogen cu apă. Din aceasta, CO2 este îndepărtat și hidrogenul este utilizat ca combustibil. Arderea oxigenului produce gaze arse care sunt în principal dioxid de carbon și potențial adecvate pentru depozitare. Injecția în CO2 captat de structuri geologice adecvate este utilizată pentru a stoca CO2 captat.

Aproximativ 60% din emisiile globale de CO2 provin din centrale electrice și instalații industriale (IPCC, 2005). Combustibilii fosili sunt arși în cazane și cuptoare, iar gazele de ardere sunt de obicei emise prin coșurile de fum. Acestea sunt surse mari, la fața locului (fixe) și pot fi completate cu unități de captare a CO2 capabile să producă un flux de CO2 de înaltă puritate adecvat pentru stocarea ulterioară. Unele procese chimice produc, de asemenea, fluxuri de gaze care sunt surse semnificative de CO2. Sursele mari sunt considerate a fi cele care emit cel puțin 100.000 de tone de dioxid de carbon pe an. Sursele de pe site-uri care emit mai puțin de această sumă reprezintă doar 1% din emisiile de CO2 provenite din toate sursele de la fața locului. În tabelul 1 am rezumat caracteristicile fluxurilor de gaz care pot fi luate în considerare pentru captarea CO2.

Conform datelor din tabel, există o mică presiune parțială de CO2 în gazele de ardere, în special în gazele de ardere obținute din gazele naturale, ceea ce face dificilă sechestrarea CO2. În schimb, în gazele industriale și în anumite gaze naturale, presiunea parțială a CO2 este mai favorabilă și, spre deosebire de gazele arse, acestea conțin, de asemenea, mai puțini poluanți care îngreunează emisia de CO2 (de exemplu, SO2, NOx).

Scopul captării CO2 este de a produce un flux de material concentrat care poate fi transportat cu ușurință la un sit de stocare a dioxidului de carbon (IPCC, 2005). În continuare, captarea CO2 include atât captarea gazelor care conțin CO2, cât și eliberarea de CO2 din acestea, urmând exemplul termenului englezesc captură CO2.

În prezent, captarea CO2 produce în principal calitatea alimentelor și calitatea necesară proceselor de recuperare îmbunătățită a petrolului (EOR). Utilizarea gazului cu un conținut de CO2 de cel puțin 99,9% în volum este necesară pentru utilizarea în industria alimentară, iar cantitatea de componente poluante va fi strict limitată (Wittemann, 2007). Nu există un standard de CO2 pentru stocarea subterană sau injecția EOR. ENCAP (EU Enhanced Capture of CO2 Program) utilizează două tipuri de reguli în orientările sale, una cu 90% mai ușoară și una cu 95% mai strictă (Sarofim, 2007). Cantitatea de componente corozive (de exemplu apă, SO2, HCN, NO, H2S) este sever limitată, în cazuri mai stricte concentrația lor admisibilă poate fi de până la 5 ppm.

Captarea CO2 poate fi utilizată cel mai bine din surse mari, concentrate, precum centrale electrice și instalații industriale mari. Cererea de energie a procesului reduce eficiența producerii de electricitate, duce la un consum mai mare de combustibil, prin urmare, impactul asupra mediului al captării CO2 este, de asemenea, mai mare. (Figura 1).

În prezent, CO2 este eliminat în mod obișnuit în unele fabrici industriale mari, cum ar fi instalațiile de prelucrare a gazelor și instalațiile de amoniac, dar acest lucru se datorează cerințelor de fabricație și nu în scopuri de depozitare. Captarea CO2 este utilizată și în unele centrale electrice mici. În cazul centralelor electrice mari cu emisii de CO2, procesul este încă în faza de proiectare.

Sarcina este de obicei de a extrage CO2 din gaze cu CO2 scăzut. Hrrom a dezvoltat o captare mai mare de CO2.

În timpul captării după combustie, gazele de ardere sunt trecute printr-un dispozitiv care elimină cea mai mare parte a CO2. CO2 este trecut în depozit, restul gazelor arse este eliberat în aer. Metodele de absorbție sunt în general utilizate, iar alte proceduri sunt mai puțin bine dezvoltate și competitive.

În soluția de pre-combustie, combustibilul reacționează cu oxigen sau aer și/sau apă pentru a produce gaz de sinteză, care este compus din monoxid de carbon și hidrogen. Monoxidul de carbon reacționează catalitic cu apa într-un convertor pentru a forma hidrogen și dioxid de carbon. CO2 este eliminat din produse prin absorbție fizică sau chimică. Hidrogenul rezultat poate fi utilizat ca combustibil în mai multe domenii, cum ar fi cazanele, cuptoarele, turbinele cu gaz, motoarele cu gaz și celulele de combustibil. Aceste sisteme sunt considerate importante din punct de vedere strategic, dar în 2004 capacitatea totală de hidrogen în instalațiile cu ciclu combinat cu ciclu integrat (IGCC) era de doar 4 GW, ceea ce reprezintă 0,1% din capacitatea totală.

În cazul arderii oxigenului, în locul aerului se folosește oxigen pur, astfel încât să se producă gaze arse, care constă în principal din CO2 și H2O. Din aceasta, CO2 poate fi eliminat cu ușurință. Temperatura flăcării este foarte ridicată, care poate fi redusă prin recircularea gazelor de ardere bogate în CO2 și/sau H2O.

Dioxidul de carbon a fost captat din anumite fluxuri de tehnologie industrială timp de optzeci de ani, dar CO2 captat în acest mod este eliberat în mare parte în aer. Cel mai important exemplu al acestei soluții este în prezent purificarea gazelor naturale, producția de amoniac, alcooli și producția de gaz sintetic utilizat pentru producerea combustibililor sintetici. În majoritatea cazurilor, captarea de CO2 în aceste cazuri este similară cu procesele post-ardere.

Tehnologii de captare a CO2 a 2. бbrбn (IPCC, 2005). După captarea cu solventul/adsorbantul, gazul care conține CO2 este contactat cu un adsorbant lichid sau solid care leagă CO2. Regenerarea se efectuează într-un alt vas, cum ar fi încălzirea sau reducerea presiunii. Solventul regenerat sau adsorbantul este returnat în primul vas.

Procesul cu membrană funcționează cu materiale care permit selectiv componentelor să intre în contact cu acestea. Unele procese industriale au dimensiuni uriașe, de ex. Separarea CO2 de gazul natural, dar nu a fost încă dezvoltat un proces de membrană fiabil și ieftin pentru captarea CO2 din gazele de ardere.

A treia opțiune pentru captarea CO2 este distilarea criogenică, care poate elimina și CO2 din alte gaze. Metoda poate fi utilizată pentru purificarea ulterioară a fluxurilor de CO2 relativ pure (de exemplu, din arderea oxigenului), recuperarea CO2 din gaz natural sau recuperarea CO2 din gazul de sinteză convertit.

Metodele de separare utilizate în prezent sunt descrise în În tabelul 2 am rezumat.

În caz de implementare urgentă, este de conceput că captarea CO2 poate fi rezolvată prin modernizarea echipamentelor vechi. Modernizarea instalațiilor mai vechi, mai puțin eficiente, se poate face și prin înlocuirea cazanelor și turbinelor vechi cu unități noi, de înaltă eficiență, care pot fi apoi instalate cu echipamentul.
Există câteva fluxuri tehnologice din care CO2 poate fi extras mult mai ușor decât gazele de ardere obținute prin ardere.

Gazul natural poate conține cantități diferite de CO2, care ar putea fi necesar să fie îndepărtat pentru ca gazul natural să îndeplinească specificațiile. Conținutul de CO2 al gazelor naturale poate fi estimat la o medie de 4% din volum. Dacă dioxidul de carbon ar fi extras din 2.618,5 miliarde m3 de gaze naturale extrase în 2003 la 2%, aceasta ar însemna 50 de milioane de tone de CO2. În 2005, un milion de tone de dioxid de carbon au fost capturate și stocate în câmpul Sleipner din Norvegia și în câmpul In Salah din Algeria.

Statele Unite folosesc 6,5 milioane de tone de CO2 pe an pentru a crește producția de petrol. Se presupune că o parte semnificativă din aceasta va rămâne în rezervor.

Majoritatea emisiilor antropogene de CO2 provin de la centrale electrice. Gazele arse sunt de obicei la presiune atmosferică. Datorită presiunii scăzute și a conținutului ridicat de azot, dispozitivele de captare a CO2 au dimensiuni uriașe și semnificative în ceea ce privește funcționarea.

o cantitate mare de gaz trebuie alimentată, de exemplu într-o centrală electrică cu ciclu combinat pe bază de gaz natural, aceasta se poate deschide până la 5 milioane mN3/h. Conținutul de CO2 depinde de combustibilul și tehnologia utilizată. De obicei, 3% din CO2 din gazele de ardere din centralele electrice cu ciclu combinat cu gaz natural.

Cele mai populare procese actuale de captare a CO2 după ardere utilizează amine. Acestea sunt cele mai mari solubilități, cele mai selective, cele mai scăzute cerințe energetice în comparație cu alte tehnologii. Procesele de absorbție s-au răspândit pe plan industrial (de exemplu, procesul UOP Amine Guard FS a fost utilizat în mai mult de patru fabrici în 2000 (UOP, 2000), dar nu au fost încă implementate cu capacitatea necesară. Se obține peste 99,9% CO2 mai pur la o suprapresiune de 50 kPa.

Trei metode sunt utilizate pe scară largă pentru captarea CO2 după ardere:

Folosind procesul Kerr - McGee/ABB Lummus Crest, CO2 este recuperat din fumul cuptoarelor de cocs folosind o soluție apoasă de 15-20% monoetanolamină (MEA). Cea mai mare fabrică va captura 800 de tone de CO2 pe zi în două unități paralele.

Fluor Daniel ECONAMINE Plus utilizează o soluție apoasă de 30% MEA cu un inhibitor care previne coroziunea carbonului în prezența oxigenului. Capacitate de până la 320 t CO2/zi utilizată în multe plante din industria alimentară și producția de uree.

Procesul KEPCO/MHI al Kansai Electric Power Co. și Mitsubishi Heavy Industries folosește amine împiedicate steric și operează o fabrică de uree în Malaezia. Fără inhibitori sau aditivi, s-a obținut un consum redus de solvent, captând 200 t de CO2 pe zi, ceea ce corespunde unui gaz de ardere de la o centrală electrică cu cărbune pulverizată de 10 MW.

Plantele de amină au concurat în 2009. Alstom a instalat primul proces de amoniac răcit (CAP) care utilizează amoniac răcit american la centrala sa electrică americană din Mountaineer, Virginia de Vest. Cele două proceduri sunt comparate În tabelul 3.

Cererea de energie pentru captarea CO2 de absorbție este semnificativă. În cazul centralelor electrice pe cărbune, cererea de combustibil crește cu 20-25%, în timp ce în cazul arderii gazelor naturale cu aproximativ 15% din cauza captării și compresiei CO2.

Producția de hidrogen folosește, de asemenea, procese de adsorbție pentru a elimina CO2 din gazul de sinteză. Nu a fost încă dezvoltat niciun proces industrial pentru extragerea CO2 din gazele de ardere.

Membranele sunt utilizate pentru a elimina CO2 din gazele naturale la presiune ridicată și conținut ridicat de CO2. Gazele arse au presiuni scăzute și, datorită diferenței mici de presiune parțială, forța motrice pentru procesele de membrană este mică. Membranele industriale actuale au cerințe energetice mai mari și poate fi eliminat mai puțin CCO2O2 decât în cazul proceselor amino.

Elementele de ardere a oxigenului sunt utilizate în industria aluminiului, siderurgiei, precum și în industria sticlei. Cea mai importantă etapă de separare, distribuția aerului, este utilizată la scară industrială.

Studiul recuperării cazanelor electrice și al rafinăriilor de petrol a arătat că arderea oxigenului poate fi rezolvată la costuri tehnice competitive. În cazul cazanelor pe bază de oxigen, ușile trebuie înlocuite, trebuie instalat un nou sistem de alimentare cu oxigen, precum și un nou sistem de recirculare a gazelor arse cu ventilator separat. Acestea pot fi rezolvate relativ ieftin, iar efectul modificărilor crește eficiența cazanului datorită recirculării gazelor de ardere fierbinți.

Fabrica CCS Total-Air-Liquide din Lacq (sud-vestul Franței) a fost pusă în funcțiune în ianuarie 2010, în care dioxidul de carbon din gazul natural alimentat cu oxigen este injectat într-un câmp epuizat.

Captarea CO2 înainte de ardere a fost realizată anterior prin absorbția carbonatului de amino sau de potasiu și multe astfel de plante funcționează și astăzi. Procesele moderne utilizează adsorbția prin transfer de presiune (PSA), care produce 99,999% hidrogen pur, dar eliberează o cantitate mică de dioxid de carbon pur (40-50%) în atmosferă. Prin urmare, dacă se efectuează captarea CO2, dioxidul de carbon trebuie extras din gazele de ardere printr-o metodă de absorbție sau metoda PSA trebuie dezvoltată astfel încât, pe lângă hidrogenul pur, produsul să fie CO2 pur și gaz de ardere.

Eliminarea CO2 înainte de combustie nu a fost încă utilizată în centralele electrice. Calculele arată că eficiența turbinelor cu gaz cu ciclu comutat pe bază de gaz natural ar fi redusă de la 56% la 48% (pe baza valorilor calorifice) dacă se utilizează captarea CO2 pre-combustie. În cazul ciclurilor combinate ale turbinei cu gaz, se poate aștepta o îmbunătățire a eficienței termice, care ar putea ajunge la 65% până în 2020. Acest lucru ar putea însemna că eficiența ciclului de captare a CO2 ar fi atunci aceeași cu ciclul de captare zero de astăzi.

Costul captării CO2 este foarte dependent de compoziția gazului care conține CO2 (Figura 3) (Thambimuthu, 2003b). Dacă conținutul de CO2 crește de la 3% la 99%, costul captării COCO22 este redus cu o zecime. Aceste valori pot fi atinse prin spălarea amino.

CO2 trebuie pregătit pentru transport (Thambimuthu, 2003a). Conținutul de apă trebuie îndepărtat pentru a preveni coroziunea conductelor. CO2 se răcește puternic datorită efectului căderii de presiune. Transportul se efectuează într-o stare lichidă sau supercritică la o presiune peste 80 bar, de obicei în jur de 110 bar.

Transportul prin conducte de CO2 a fost rezolvat în Statele Unite. Au fost construiți peste 2.500 km de conducte pentru a transporta 50 de milioane de tone de CO2 natural pe an către proiectele EOR, în principal spre Texas. Presiunile aplicate sunt cuprinse între 10 și 80 MPa (1 Pa = 10-5 bar).

Costul transportului de CO2 depinde în mare măsură de cantitatea transportată (Figura 4). În cazul a 0,1 Mt/an, o tonă de dioxid de carbon poate fi transportată prin conducte la 13 USD pentru 100 km, în cazul a 5 milioane tone/an această valoare este deja doar 1,1 USD, dar în cazul a 50 Mt/an este doar o jumătate de dolar transportând o tonă de CO2 la 100 km (Thambimuthu 2003a; Herzog - Golomb, 2004).

Stocarea geologică este considerată a fi cea mai potrivită pentru stocarea CO2. Sunt cunoscute trei posibilități pentru acest lucru: în rezervoarele de petrol și gaze, în formațiunile adânci și sărate și în topitoriile de neînlocuit.

În prezent, patru proiecte CCS funcționează la scară industrială (Audus, 2007; Statoil, 2007). Fiecare abordare elimină un milion de tone de CO2 pe an. Acest lucru este aproximativ echivalent cu captarea a 3 milioane de tone de CO2 pe an de la o singură centrală electrică pe cărbune de 500 MWe.

Examinând proiectele de captare și stocare a CO2 în exploatare și investiții, putem concluziona că următoarele sunt necesare pentru succesul CSC:

• sursă ieftină, la scară largă și accesibilă de CO2;

• apropierea de sursa și locul de stocare a CO2 sau apropierea de infrastructura necesară pentru gestionarea corectă a CO2 pentru a reduce costul transportului de CO2;

• dacă proiectul poate fi legat și de EOR, condițiile financiare vor fi îmbunătățite semnificativ, mai ales dacă se pot aplica mecanismele financiare pentru reducerea emisiilor de CO2.

Cuvinte cheie: captarea carbonului, extragerea uleiului terțiar, absorbția, transportul carbonului, purificarea carbonului

Audus, Harry (2007): Captarea și stocarea carbonului (CCS). Atelier de lucru privind eficiența energetică și reducerea emisiilor de CO2. Orașul Ho Chi Minh, Vietnam, Mach 12-14 2007. • WEBCНM>

Herzog, Howard J. - Golomb, Dab (2004): Captarea și stocarea carbonului din utilizarea combustibilului fosil. În: Cleveland, Cuttler J. (ed.): Enciclopedia Energiei. Elsevier, New York, 277–287. Text din alte surse: • WEBCНM>

IPCC (2005): Raport special IPCC privind captarea și stocarea dioxidului de carbon. Cambridge University Press • WEBCНM>

Sarofim, Adel (2007): Combustie oxigenată: progrese și probleme rămase. Rețeaua internațională de cercetare a combustiei cu oxizi, Windsor, CT, 25-27 ianuarie 2007. • WEBCНM>

Statoil (2007): Snøhvit - ny energihistorie i kalde nord (Snøhvit, The World’s Northernmost LNG Project) • WEBCНM>

Thambimuthu, Kelly (Kailai) (2003a): Foaia de parcurs tehnologică canadiană CC&S și captarea și transportul CO2. • WEBCНM>

Thambimuthu, Kelly (Kailai) (2003b): Foaia de parcurs pentru tehnologia de captare și stocare a CO2. • WEBCНM>

UOP (2000): Procesul Amine Guard ™ FS. • WEBCНM>

Wittemann Co. (2007): Specificații tipice de dioxid de carbon de calitate alimentară. • WEBCНM>