Обзор технологий химической захвата

Химический улавливание углерода относится к процессам, которые используют химические реакции для отделения углекислого газа (CO2) от промышленных выхлопных потоков до его достижения в атмосферу. Эти методы используют сродство некоторых соединений для CO2, образуя промежуточные химические виды, которые могут быть обращены или преобразованы в стабильные продукты. В то время как существуют физические методы разделения, такие как криогенная дистилляция, химические методы достигают более высокой селективности и эффективности, особенно когда концентрации CO2 в дымовом газе являются умеренными до низких (4-15% по объему). Основной принцип включает химическую реакцию между улавливающим агентом - жидким, твердым или оксидом металла - и CO2, за которым следует регенерация агента для высвобождения концентрированного потока CO2, подходящего для сжатия, хранения или использования. Химический захват отличается от прямого улавливания CO2 (DAC), который имеет дело с атмосферным CO2 при ~0,04%, но многие из тех же химических реакций применяются с корректировками для концентрации и масштаба. Промышленное принятие было обусловлено ужесточением правил выбросов, механизмов ценообразования

Основные технологии химической захвата

Поглощение с использованием жидких растворителей

На сегодняшний день наиболее зрелым и широко распространенным методом химического захвата является поглощение с использованием жидких растворителей, в частности растворов на основе амина. В типичной системе захвата после сжигания дымовой газ проходит через колонку поглотителя, где он контактирует с водным аминным растворителем, чаще всего моноэтаноламин (MEA). Молекулы амина реверсивно реагируют с CO2 с образованием карбамата и бикарбоната, эффективно очищая газ. Затем богатый CO2 растворитель накачивается в колонку регенератора (стриптера), нагревается до 120-150 ° C, обращая реакцию и производя почти чистый поток CO2. Регенерированный растворитель перерабатывается обратно в поглотитель.

Аминовая скруббинг была доказана в больших масштабах - установка CCS Граничной плотины в Саскачеване, Канада, использовала этот процесс с 2014 года для улавливания ~ 1 миллиона тонн CO2 в год с угольной электростанции. Однако недостатки включают высокое потребление энергии для регенерации растворителей (обычно 2,5-4 ГДж на тонну улавливаемого CO2), деградацию растворителей из кислорода и других загрязнителей дымовых газов, коррозию оборудования и выбросы аминов. Для решения этих проблем были разработаны растворители следующего поколения, такие как 2-амино-2-метил-1-пропанол (AMP) снижают скорость деградации; смеси MEA с метилдиэтаноламином (MDEA) повышают энергоэффективность; и водосодержащие растворители, такие как охлажденный аммиак, также исследуются для снижения энергии регенерации и снижения волатильности. Глобальный статус CCS 2023 ] отмечает, что поглощение на основе амина остается доминирующей технологией улавливания в существующих проектах CCS.

Адсорбция с использованием твердых сорбентов

Твердые сорбенты предлагают альтернативу жидким растворителям путем захвата CO2 через физическую физизорбцию или химическую хемисорбцию на пористой поверхности. Ключевые материалы включают цеолиты, металлоорганические каркасы (MOF), аминофункциональные кремнеземы и активированный уголь. В процессе обычно используется адсорбция температурных качелей (TSA) или адсорбция качелей давления (PSA). В TSA дымовой газ проходит над сорбентом при более низкой температуре; сорбент адсорбирует CO2 до насыщения, затем сорбент нагревается (например, до 80-150 ° C) для высвобождения концентрированного потока CO2. В PSA адсорбция происходит при высоком давлении и десорбция при низком давлении.

Твердые сорбенты предлагают несколько преимуществ перед жидкими аминами: они избегают проблем с обработкой жидкости, коррозией и деградацией амина; они могут быть адаптированы на молекулярном уровне для высокой селективности и емкости; и они могут работать в более широком температурном диапазоне. Например, MOF, такие как Mg2 (dobpdc), демонстрируют исключительное поглощение CO2 при низких парциальных давлениях и могут быть регенерированы с умеренным теплом. Привитые аминами мезопористые кремнеземы сочетают хемоселективность аминов со стабильностью твердых опор. Заметной крупномасштабной демонстрацией является технология захвата твердых сорбентов Svante, используемая на заводе Climeworks Orca (также для DAC) и других промышленных пилотов. Проблемы включают истощение сорбента во многих циклах, ограничения теплопередачи в упакованных слоях и необходимость эффективной интеграции тепла в упакованных слоях. Исследования сосредоточены на структурированных сорбентах (монолиты, волокна) и конфигурации движу

Химическое петлевое горение

Химическое циклическое горение (CLC) представляет собой принципиально иной подход, который включает улавливание CO2 непосредственно в процесс горения. Вместо сжигания топлива с воздухом, CLC использует оксид металла (носитель кислорода) для подачи кислорода для горения. оксид металла снижается до более низкого валентного состояния при окислении топлива до CO2 и H2O. Затем восстановленный металл повторно окисляется в отдельном реакторе с воздухом, регенерируя носитель кислорода и производя выхлопные газы без азота (в основном CO2 и вода, которые могут быть конденсированы для получения чистого CO2). Общие носители кислорода - железо, никель, медь, марганец и смешанные оксиды, поддерживаемые на инертных материалах, таких как глинозем или кремнезем.

CLC устраняет необходимость в энергоемком этапе разделения, потому что CO2 по своей сути изолирован в топливном реакторе. Он также избегает образования NOx, потому что топливный реактор работает без азота. Были продемонстрированы пилотные установки мощностью до нескольких мегаватт в Техническом университете Дармштадта и блоке мощностью 1 МВт в Вене. Однако остаются проблемы: истощение и агломерация носителей кислорода в течение многих циклов, высокие температуры (800-1000 ° C), которые тензообразуют материалы, и необходимость эффективного твердого транспорта между реакторами. Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США [FLT: 0]] профинансировала многочисленные проекты CLC для преодоления этих барьеров. В то время как CLC является перспективным для производства электроэнергии, он требует модернизации или новых установок, ограничивая краткосрочное развертывание на существующих объектах.

Углерод и минерализация

Процессы углерода превращают CO2 в стабильные твердые карбонаты посредством реакции с оксидами металлов или силикатами. Это можно сделать ex situ, измельчая минералы, такие как оливин (Mg2SiO4) или серпентин (Mg3Si2O5 (OH)4) и реагируя на них с CO2 при повышенной температуре и давлении, чтобы сформировать карбонаты магния или кальция. Альтернативно, промышленные отходы, такие как стальной шлак, муховая зола или пыль цементной печи, могут служить в качестве исходного сырья. Полученные карбонаты термодинамически стабильны в течение геологических временных рамок, обеспечивая постоянное хранение без необходимости мониторинга резервуара.

В то время как минерализация избегает проблем с закачкой геологического хранилища и может быть интегрирована со строительными материалами (например, углеродсодержащим бетоном), скорость реакции медленная, а энергия, необходимая для шлифования и нагрева, высока. Текущие исследования направлены на ускорение карбонизации с использованием каталитических добавок, реакторов высокого давления или косвенных маршрутов карбонизации. Такие компании, как CarbonCure, вводят CO2 во влажный бетон во время смешивания, достигая как минерализации CO2, так и повышения прочности на сжатие. Технология была принята сотнями бетонных заводов, но общий CO2, захваченный на тонну бетона, остается скромным (~ 10-30 кг). Для крупных точечных источников карбонизация минералов может обрабатывать только часть общих выбросов, если не связано с массовыми операциями по добыче - поэтому она часто считается более подходящей для нишевой валоризации отходов, а не первичного захвата.

Преимущества и ограничения методов химической захватки

Методы химического улавливания в совокупности обеспечивают высокую эффективность удаления CO2 (часто > 90%) из промышленных потоков, даже когда концентрации CO2 низкие. Они могут быть модернизированы на существующих электростанциях, цементных печи, нефтеперерабатывающих заводах и сталелитейных заводах, обеспечивая мост для более низких операций с углеродом, в то время как возобновляемая энергия масштабируется. Улавливаемый CO2 может использоваться в качестве сырья для химических веществ (мочевина, метанол, синтетическое топливо) или впрыскиваться в глубокие геологические образования для постоянного хранения.

Однако каждая техника имеет ограничения. Аминовая скруббинг страдает от значительного энергетического штрафа - регенерация обычно потребляет 20-30% паровой продукции завода, уменьшая чистую выработку электроэнергии на 15-30%. Твердые сорбенты по-прежнему сталкиваются с проблемами масштабирования с точки зрения циклической стабильности и управления теплом в слое. Химическая петля требует совершенно новых конструкций реакторов и имеет высокие капитальные затраты. Минерализация является энерго- и горно-интенсивным, ограничивая ее пропускную способность. Кроме того, воздействие на окружающую среду в верхнем течении производства растворителей, сорбентов или носителей кислорода - включая добычу, энергию и водопользование - должно быть учтено в оценках жизненного цикла. Ни один из методов не является самим нулевым уровнем выбросов; чистый CO2, которого удалось избежать, зависит от интенсивности углерода энергии, используемой для захвата и сжатия.

Энергетическая ответственность и расходы

Энергетический штраф является единственным наиболее важным экономическим барьером для улавливания химического CO2. Для очистки после сжигания амин пар, необходимый для регенерации, снижает чистую эффективность электростанции примерно на 8-12 процентных пунктов (например, от 40% до 28-32% LHV). Это приводит к увеличению расхода топлива на чистый мегаватт-час и более высоким затратам на электроэнергию. Уровнированная стоимость улавливания CO2 для аминных систем в настоящее время находится в диапазоне 50-80 долларов за тонну для угольных электростанций и 80-120 долларов за тонну для установок комбинированного цикла природного газа, по данным Международного энергетического агентства (МЭА).

Технологии твердого сорбента нацелены на снижение энергии регенерации (1,5-3 ГДж/тонна) с использованием отработанного тепла или низкотемпературного пара, что потенциально может снизить затраты до 30–50 долларов за тонну. Сгорание с помощью химических циклов теоретически может достичь чистой электрической эффективности, сопоставимой с обычным сжиганием, при одновременном улавливании CO2 при минимальных дополнительных затратах (<$20/tonne), but the technology is not yet commercially mature. Minimizing the energy penalty requires process integration: recovering heat from flue gases, using low‑grade steam for regeneration, and combining capture with waste‑heat recovery. The ] В докладе CCUS IEA в переходе на чистую энергию подчеркивается, что устойчивые исследования и демонстрация необходимы для снижения затрат.

Текущее развертывание и крупномасштабные проекты

По состоянию на 2024 год, более 40 крупномасштабных объектов по улавливанию углерода работают или строятся во всем мире, захватывая почти 50 миллионов тонн CO2 в год - крошечная часть глобальных выбросов (~ 37 миллиардов тонн). Большинство используют химическое поглощение с аминами. Ключевые проекты включают:

  • Граница плотины (Канада): Угольная электростанция, аминовая очистка, ~1 Mt CO2/год, работает с 2014 года.
  • Petra Nova (США): Угольная электростанция (сейчас законсервирована из-за экономики), аминочистка, ~ 1,6 млн т CO2/год для повышения нефтеотдачи.
  • Sleipner (Норвегия): Переработка природного газа, очистка аминами, ~1 Mt CO2/год, введенный в солевой водоносный горизонт, действующий с 1996 года.
  • Горгон (Австралия): Переработка природного газа, очистка амина, до 4 Мт СО2/год; столкнулся с проблемами впрыска.
  • Fortum Oslo Varme (Норвегия): Растение для очистки отходов и аминов, ~0,4 млн. т СО2/год (проект в стадии разработки для полного масштаба).

Новые проекты с использованием новых растворителей или твердых сорбентов включают в себя объект Advanced CO2 Capture (PACC) в Алабаме, тестирование нескольких технологий и модульную систему очистки амина, развернутую на цементном заводе в Индии. В сталелитейном секторе проект Steelanol [FLT: 4] в Бельгии захватывает CO2 из доменного газа с использованием микробной ферментации (биологической, а не химической), но химический захват также пилотируется ArcelorMittal с аминами.

Инновации и будущие направления

Новые растворители и сорбенты

Исследования ускоряются на растворителях с более низким теплом регенерации, более высокой окислительной стабильностью и меньшим воздействием на окружающую среду. Растворители фазового изменения (например, двухфазные системы, которые образуют богатый CO2 твердый или несмешиваемый жидкий слой) могут снизить разумную тепловую нагрузку, требуя нагревания только части растворителя. Улавливание с помощью энзим-катализатора, использующее углекислоту ангидразу для ускорения гидратации CO2 до бикарбоната, работает в мягких условиях и может снизить потребление энергии. Между тем, передовые MOF и ковалентные органические каркасы (COF) разрабатываются с открытыми металлическими площадками, которые сильно связывают CO2, позволяя регенерацию при умеренном вакууме. Задача остается масштабировать лабораторные прорывы до миллионов тонн в год.

Электрохимический захват

Радикально другой подход использует электрический ток для привода разделения CO2, либо путем модуляции pH в ячейке электролиза (например, процесс pH-свинга) или путем электрохимического захвата CO2 электролитами на основе хинона. Электрохимический захват может работать при температуре и давлении окружающей среды, потенциально снижая штраф за тепловую энергию и обеспечивая непрерывную модульную работу. Такие компании, как Verdox и Carbon Infinity, разрабатывают электрохимические системы как для захвата точечного источника, так и для DAC. Если затраты падают ниже 50 долларов США / тонна, электрохимические методы могут трансформировать экономику улавливания углерода.

Интеграция с использованием

Вместо того, чтобы отделять CO2 для хранения в одиночку, многие будущие заводы будут напрямую улавливать с конверсией в ценные продукты. Химические методы улавливания, которые производят высокочистый поток CO2, хорошо подходят для использования в теплицах, для газированных напитков или в качестве сырья для синтетического топлива посредством гидрогенизации. Однако масштабы использования намного меньше, чем объем CO2, который должен быть удален для достижения климатических целей. Поэтому большинство улавливаемого CO2 по-прежнему будет нуждаться в постоянном геологическом хранении. Инновации в улавливании должны соответствовать созданию инфраструктуры транспортировки и хранения CO2.

Заключение

Химические методы улавливания углекислого газа из промышленных выбросов представляют собой зрелый, но развивающийся инструментарий, необходимый для глубокой декарбонизации. От широко развернутой очистки амина до новых электрохимических процессов, каждая технология балансирует эффективность, стоимость и операционную сложность. Хотя ни один метод не является серебряной пулей - энергетические штрафы, долговечность материала и затраты на увеличение остаются огромными - траектория инноваций предлагает четкие пути к более дешевому, более низкому захвату энергии. Правительства и отрасли должны продолжать финансировать исследования, демонстрации и развертывание этих технологий наряду с мерами по возобновляемой энергии и эффективности. Только через портфель методов захвата может промышленный сектор добиться прогресса в направлении чистых нулевых выбросов к середине века.