Fondamenti chimici della cattura del gas di combustione

I gas fluorurati provenienti dai processi di combustione industriale contengono una miscela di azoto (N2), anidride carbonica (CO2), vapore acqueo (H2O), ossigeno (O2) e oligoelementi come gli ossidi di zolfo (SOx), ossidi di azoto (NOx), e materia di particelle di gas. La concentrazione di CO2 varia tipicamente dal 3 al 15% in volume a seconda della fonte di combustibile (gas carboniferico, gas naturale, biomassa, si avvicina alla biomassa) e alle condizioni di combustione.

Tecnologie di cattura stabilite

Assorbimento chimico con ammine

L'assorbimento chimico rimane la tecnologia più matura per la cattura di CO2 post-combustione. In questo processo, il gas di combustione viene bollito attraverso una soluzione acquosa di ammine, la più comunemente monoetanolammina (MEA). L'amine reagisce con CO2 per formare un sale carbamato, che viene poi riscaldato per rilasciare un flusso concentrato di CO2 e rigenerare il solvente.

Assorbimento fisico

I solventi fisici, come Selexol (etere dimetilide del glicole di polietilene) e Rectisol (metanolo lavorato), vengono utilizzati quando il gas di combustione ha un'alta pressione parziale di CO2. Questi solventi si basano sulla solubilità piuttosto che sulla reazione chimica, permettendo la rigenerazione attraverso la riduzione della pressione o il riscaldamento senza la necessità di stripping del vapore.

Adsorbimento su Sorbenti Solidi

I componenti solidi offrono un'alternativa ai solventi liquidi, con un potenziale di riduzione dell'energia di rigenerazione e una ridotta corrosione. I materiali attivi per il ciclo di combustione, zeoliti, strutture in metallo-organico (MOF), e le silices amine-funzionalizzate sono sorbenti comuni.

Separazione Membrana

La tecnologia a membrana utilizza polimeri semipermeabili o materiali inorganici per separare il CO2 dal gas di combustione basato sulle differenze nella diffusione e nella solubilità. Le membrane polimeriche, come quelle realizzate in polimidi o poli (ossido di etilene)-basate copolimeri di blocco, offrono elevata permeabilità di CO2 e buona selettività su N2.

Combustione chimica del looping

La combustione dei combustibili solidi (CLC) è un approccio fondamentalmente diverso: invece di catturare CO2 dal gas di combustione, impedisce l'azoto di contattare il combustibile. Un vettore di ossigeno di metallo, come Fe2O3 o CuO, è circolato tra due reattori.

Promuovere i processi di cattura

Risolventi e miscele di solventi

L'azione per ridurre la pena di energia per la rigenerazione dei solventi ha portato allo sviluppo di nuovi solventi, compresi gli amidi ostacolati (ad esempio, 2-amino-2-metil-1-propanol, AMP), e i solventi derivati dall'acqua come i liquidi ioni e carbonati organici.

Capacità di CO2 elettrochimica

I metodi elettrochimici utilizzano reazioni redox per legare e rilasciare CO2 con un minimo di input termico. In un approccio, una molecola a base di quinone viene ridotta a un catodo per formare un dianion di quinone, che reagisce con CO2 per formare un addotto carbonato. L'addotto viene quindi ossidato a un anodo, rilasciando il CO2 e rigenerando il quinone.

Intensificazione del processo e progettazione modulare

I tecnici chimici stanno applicando l'intensificazione del processo per ridurre le dimensioni e i costi delle apparecchiature di cattura. I letti rotanti, ad esempio, utilizzano le forze centrifughe per aumentare il trasferimento di massa gas-liquido, riducendo l'altezza delle colonne di assorbimento da un fattore di 10. I reattori microcanali consentono un controllo preciso dei tempi di temperatura e di residenza, migliorando la resa nella rigenerazione dei solventi.

Percorsi per l'utilizzo del gas di combustione

Capacità e utilizzo del carbonio (CCU) per i combustibili

L'idrogeno di CO2 a metanolo (CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O) viene catalizzato da Cu/ZnO/Al2O3 a 50–100 bar e 200–300°C. Il metanolo può essere utilizzato come combustibile direttamente o convertito in benzina tramite il metanolo.

Alimenti chimici: Urea, polimeri e carbonati

L'Urea, prodotto dall'ammoniaca e dalla CO2, è il prodotto chimico più grande derivato dalla CO2, con circa 150 milioni di tonnellate all'anno consumato come fertilizzante. Altri usi industriali includono la sintesi dei precursori del policarbonato e del poliuretano, come il carbonato difenile e i carbonati ciclici.

Carbonazione minerale e materiali da costruzione

La carbonatazione minerale reagisce con CO2 con silicati di calcio o magnesio per formare carbonati stabili, come la calcite (CaCO3) o il magnesite (MgCO3). Questa reazione è esotermica e mimica naturale, immagazzinando permanentemente CO2 in forma solida. I carbonati che ne risultano possono essere utilizzati come aggregati per cemento, mattoni o materiali di riempimento.

Recupero dell'olio migliorato (EOR) e stoccaggio Geologic

Nel recupero del petrolio potenziato, CO2 viene iniettato in serbatoi di petrolio esauriti per ridurre la viscosità del petrolio e aumentare la pressione del serbatoio, migliorando il recupero del petrolio del 5-15%. Mentre EOR è un percorso di utilizzo collaudato che è stato praticato per decenni nel bacino permiiano, è intrinsecamente collegato all'estrazione del combustibile fossile e non memorizza permanentemente tutti i CO2 iniettati - alcuni possono tornare con il petrolio prodotto.

Conversione biologica: Alghe e Fermentazione

I microalghe possono fissare il CO2 attraverso la fotosintesi a tassi 10–50 volte superiori alle piante terrestri. Il gas fluoro è bollato attraverso i fotobioreattori contenenti alghe come Chlorella vulgaris] o Primonitori di clostrinazione simili].

Integrazione e progettazione System-Level

Integrazione del calore e riduzione della pena di energia

La barriera più significativa per la diffusione della condensa è il carico di energia parassita, che può ridurre l'uscita netta di un impianto di alimentazione del 20-30%. Gli ingegneri chimici utilizzano l'analisi dei pizzichi per integrare il calore residuo dal processo di cattura (ad esempio, dal compressore CO2 intercooler) di nuovo nel ciclo di vapore dell'impianto di alimentazione.

Ristrutturazione dell'energia

In combinazione con la crescita di energia rinnovabile variabile, i sistemi di cattura del gas di scarico industriale possono essere progettati per un funzionamento flessibile. Durante i periodi di bassa domanda di energia elettrica o di generazione in eccesso, l'apparecchiatura di cattura può essere eseguita a capacità più elevata per immagazzinare CO2 o produrre combustibili sintetici.

Modelli di economia circolare per gas industriali

In un impianto di acciaio, ad esempio, il gas ad altoforno (ricco in CO e CO2) può essere catturato e combinato con H2 da elettrolisi a produrre metanolo, che può essere utilizzato come combustibile per i forni di riscaldamento dell'acciaio.

Metrica economica e ambientale

Costo di cattura ed evitato

Per gli impianti di produzione di gas naturale (NGCC), il costo di cattura livellato è di circa $50–70 per tonnellata di CO2 evitato; per gli impianti di carbone, $40–60; e per gli impianti di cemento, $60–90. Questi costi sono dominati dalla spesa di capitale (colonne di assorbimento, compressori) e dalla penalità di energia.

Valutazione del ciclo di vita (LCA)

Per esempio, se l'elettricità per la rigenerazione dei solventi proviene da un impianto di energia a carbone, la riduzione globale del CO2 può essere solo 50-70%. Allan et al. (2021)]] ha dimostrato che la produzione di combustibile a getto sintetico da CO2 e H2 rinnovabile può ridurre le emissioni di gas a effetto serra del ciclo di vita rispetto al 65-85%

Le future direzioni e le sfide della ricerca

Materiali Durata e scala-Up

Nonostante i progressi compiuti in adsorbenti e solventi, la stabilità a lungo termine in condizioni di gas di combustione reale rimane un ostacolo importante. I solventi di ammina si degradano attraverso l'ossidazione e la nitrosazione, che richiedono il trucco di fino a 3 kg per tonnellata di CO2 catturati.

Integrazione della Cattura con la Cattura d'aria diretta (DAC)

Un approccio complementare è quello di combinare la cattura di punti con la cattura diretta dell'aria (DAC) per affrontare le emissioni concentrate e diluite. Mentre DAC è più costoso (250–$600/t), offre la prospettiva di emissioni negative nette quando combinato con l'energia da biomassa (BECCS).

Politica, Percezione pubblica e Distribuzione

La Commissione ha adottato una decisione che prevede un'azione di controllo e di controllo del traffico di sostanze pericolose, che prevede un'azione di controllo e di controllo dei rischi per l'ambiente.

Poiché i gas di combustione industriali continuano ad essere un obiettivo primario per la mitigazione del clima a breve termine, l'innovazione chimica sarà fondamentale: dall'ottimizzazione della chimica solvente alla progettazione di reattori modulari scalabili e all'integrazione con sistemi di energia rinnovabile, il campo è pronto a fornire soluzioni pratiche che catturano e riutilizzano questi gas, trasformando un flusso di rifiuti in una risorsa.