Zkoumání moderních technologií zachycování uhlíku

V reakci na celosvětové snahy o snížení emisí skleníkových plynů (GHG) zavádí mnoho výrobců procesů do svých provozů různá zlepšení účinnosti a iniciativy v oblasti ekologické energie. Slibným řešením jsou techniky zachycování CO₂, které tento plyn zachycují a ukládají. Široké přijetí však závisí na rozvoji schopností a snížení nákladů na potřebnou technologii, aby byla proveditelnější.

Pro zachycování uhlíku při spalování existují dva odlišné přístupy: před spalováním a po spalování. Předspalovací zachycování zachycuje CO₂ před spalováním pomocí metod, jako je zplyňování nebo chemické přeměny.

aproti tomu k zachycování po spalování dochází až za spalováním paliva v primárním procesu. K zachycení oxidu uhličitého přímo ze spalin se používají rozpouštědla nebo jiné metody. Tato webová stránka se zaměřuje na zachycování po spalování. I když je výhodné pro svůj potenciál dodatečné montáže a technologickou vyspělost, není tak účinné jako zachycování před spalováním.

Nejpoužívanější metodou zachycování uhlíku v průmyslovém prostředí je aminová úprava plynu. Tato technika po spalování využívá chemických vlastností roztoků aminů, jako je monoetanolamin, které vykazují silnou afinitu k vazbě s oxidem uhličitým. Proces se skládá z:

Spaliny procházejí procesem čištění, při kterém se odstraňuje prach, pevné částice, sirné sloučeniny a další znečišťující látky. Tato předběžná úprava chrání aminový roztok a zařízení před znečištěním a korozí. Horké spaliny se poté ochladí na optimální teplotu (přibližně 40-60 °C/104-140 °F) pro účinnou absorpci oxidu uhličitého aminovým roztokem.

Ochlazené spaliny vstupují do spodní části absorpční věže, což je obvykle válcová nádoba naplněná těsnicím materiálem pro zlepšení kontaktu plynu s kapalinou. V horní části věže se zavádí protiproud aminového roztoku. Jak spaliny stoupají věží, dostávají se do kontaktu s klesajícím aminovým roztokem. CO₂ ve spalinách pak vytvoří vratnou vazbu s molekulami aminu a odstraní jej z proudu plynu.

Přečerpávání roztoku aminu bohatého na oxid uhličitý: roztok aminu bohatý na oxid uhličitý se přečerpává do další věže zvané desorbér nebo regenerátor. Tento proud se pečlivě měří pomocí Ramanovy spektroskopické instrumentace, aby se zajistila účinnost následného regeneračního kroku.

V desorbéru se roztok aminu bohatý na oxid uhličitý zahřívá, obvykle vstřikováním páry na teplotu přibližně 110 °C/230 °F. Tímto teplem se přeruší vazba mezi aminem a oxidem uhličitým. Regenerovaný roztok aminu, nyní zbavený oxidu uhličitého, stéká na dno regenerátoru.

Chlazení a recirkulace aminového roztoku: horký regenerovaný aminový roztok prochází výměníkem tepla, čímž se část jeho tepla předává vstupujícímu roztoku bohatému na oxid uhličitý a zvyšuje se energetická účinnost. Dalším ochlazením se aminový roztok vrátí na optimální teplotu pro absorpci oxidu uhličitého a ochlazený aminový roztok se pak čerpá zpět do horní části absorpční věže, kde se cyklus opakuje.

Oxid uhličitý uvolňovaný z horní části regenerátoru se stlačuje, aby se zvýšila jeho hustota pro snadnější přepravu nebo skladování. Tento výstupní proud se často analyzuje na čistotu pomocí přístrojů TDLAS. V závislosti na zamýšleném použití může oxid uhličitý projít dalšími kroky čištění, aby se odstranily kontaminující látky.

Aminové čištění plynu vykazuje účinnost zachycování CO₂ pravidelně přesahující 90 %. Regenerace je však obzvláště energeticky náročná a aminový roztok používaný v průběhu procesu časem degraduje a vyžaduje doplňování. Výzkumníci se snaží tyto problémy řešit zkoumáním energeticky účinnějších metod regenerace, například využitím odpadního tepla z průmyslových procesů. Vyvíjejí také robustnější aminové roztoky s vyšší tepelnou stabilitou a odolností vůči degradaci.

Membránové zachycování uhlíku je méně používaná metoda, která využívá selektivní propustnost specializovaných membrán k odstraňování oxidu uhličitého z proudů spalin. Tyto membrány se často skládají z polymerů nebo keramických materiálů a fungují jako molekulární strážci. Propouštějí CO₂, zatímco ostatní plyny blokují. Hlavní výhodou tohoto přístupu je nižší energetická náročnost ve srovnání s vysokoteplotní regenerací aminových plynů.

Hlavními kroky jsou:

1. Předúprava spalin: před vstupem do membránového systému procházejí spaliny procesem čištění, obvykle filtrací a čištěním. Tímto krokem se odstraní prach, pevné částice a další nečistoty, které mohou ucpat nebo poškodit jemné póry membrány. Spaliny se často ochlazují a vlhkost se upravuje na optimální úroveň pro konkrétní použitý materiál membrány. Tím se zajistí účinná separace oxidu uhličitého a zabrání se hromadění kondenzátu v membránovém systému.
2. Membránová separace: Předem upravené spaliny jsou vedeny přes membránu, která funguje jako selektivní bariéra. Rozdíly ve velikosti molekul, struktuře a afinitě k materiálu membrány způsobují, že molekuly oxidu uhličitého procházejí membránou rychleji než jiné plyny v proudu, např. dusík.Výsledkem jsou dva proudy plynu: permeát a retentát. Permeát, který je bohatý na oxid uhličitý, prochází membránou a je shromažďován pro další zpracování. Retentát, ochuzený o CO₂, obsahuje zbývající plyny. Ten se buď vypouští do atmosféry, nebo se vrací zpět do primárního průmyslového procesu.
3. Stlačování a úprava oxidu uhličitého: Proud permeátu bohatý na oxid uhličitý se stlačuje, aby se zvýšila jeho hustota pro snadnější přepravu nebo skladování. V závislosti na zamýšleném použití může oxid uhličitý projít dalšími kroky čištění, aby se odstranily kontaminující látky.

Kromě nízkých energetických nároků mají membránové systémy malé rozměry, takže jsou ideální pro nasazení v prostředí s omezeným prostorem. Membránové zachycování je však méně účinné než amínová úprava a nepatrné změny ve složení proudu plynu, tlaku a teploty mohou negativně ovlivnit výkonnost.

Jedinými metodami zachycování uhlíku po spalování, které se v současné době používají ve velkém měřítku, jsou aminová úprava a membránové techniky, ale výzkumníci zkoumají i další přístupy.

První z nich je přímé zachycování vzduchu (DAC), které čistí oxid uhličitý přímo z okolního vzduchu. K tomu se používají výkonné ventilátory, které nasávají vzduch přes specializované sorpční materiály, jako jsou pevné aminy nebo roztoky hydroxidů, které se chemicky vážou na oxid uhličitý. Jakmile je sorbční materiál nasycen, zahřeje se, čímž se uvolní zachycený oxid uhličitý, který se pak shromažďuje k využití nebo uskladnění.

DAC představuje potenciální způsob zachycování emisí z automobilů a dalších zdrojů. Naráží však na významné překážky přijetí kvůli křehkým materiálům sorbentů, vysokým energetickým nárokům a nákladům ve srovnání s technologiemi zachycování z bodových zdrojů a nutnosti rozsáhlého nasazení, aby bylo dosaženo smysluplného zachycování uhlíku.

Výzkum zkoumá využití biomasy jako zdroje paliva. Biomasa, například stromy, při svém růstu pohlcuje oxid uhličitý z atmosféry. Pozdějším zachycením oxidu uhličitého uvolněného při spalování mohou uživatelé efektivně dosáhnout záporných emisí. Pěstování biomasy však vyžaduje rozsáhlou plochu půdy, vodní zdroje a pečlivé zvážení udržitelných postupů získávání zdrojů.

Široké rozšíření zachycování uhlíku po jeho spálení závisí na překonání technologických a ekonomických překážek, a to nejen v oblasti zachycování, ale i využívání ale i uskladňování. Úprava aminových plynů je sice vysoce účinná, ale vyžaduje značné energetické vstupy a pravidelnou údržbu používaných rozpouštědel. Naproti tomu zachycování na bázi membrán má nižší energetické nároky, ale je méně účinné. Oba procesy jsou také nákladné.

Vzhledem k tomu, že odvětví usiluje o dosažení cílů čisté nuly, bude strategická diverzifikace nezbytná. Dosažení těchto cílů bude vyžadovat kombinaci optimalizace procesů, celkového zlepšení energetické účinnosti, přijetí obnovitelných zdrojů a závazku k zachycování uhlíku. Orientace v environmentálních, technologických a ekonomických kompromisech jednotlivých strategií má zásadní význam pro zvýšení celkové udržitelnosti průmyslu v budoucnosti.