СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 11. Процессы связывания диоксида углерода carbon sequestration В настоящее время в центре внимания общественности находятся эмиссии в атмосферу и нежелательные изменения климата. В 1997 г. представители 178 стран подписали Киотский протокол (Kyoto Protocol). Было решено определить национальные стандарты для каждой страны по снижению загрязнения атмосферы в зависимости от технического уровня этой страны. Загрязнители, подлежащие контролю и мониторингу, в основном парниковые газы (greenhouse gases, GHGs): 2 двуокись углерода (СО2) метан (СН4) закись азота (N2О) хлорфторуглеводороды (CFCs) озон (О3) CO2 связан как с кислотными дождями, так и с потеплением климата. Это инициировало разработку разных технологий по его улавливанию и выделению из промышленных процессов. Существуют по крайней мере пять технологических подходов: 3 сепарация и связывание геологическое связывание (sequestration) связывание литосферой (terrestrial sequestration) связывание океаном (oceanic sequestration) новые системы связывания СО2 Самым важной мерой уменьшения выбросов СО2 является снижение доли ископаемого топлива в мировом энергетическом балансе. В настоящее время доля фоссильных топлив составляет ~ 80 % от всемирного энергопотребления (2007 год). 4 Направления для смягчения отрицательного влияния повышенного содержания СО2 в атмосфере на климат 5 В природе протекают разные процессы способствующие удалению СО2 из атмосферы – фиксирование СО2 биомассой и океанами. Однако, антропогенное выделение СО2 грозит вывести ситуацию из равновесия. Частично происходит интенсификация природных процессов фиксирования СО2 – с повышением температуры биопродукция возрастает, и с увеличением парциального давления СО2 в атмосфере увеличивается ее растворимость и фиксация в Мировом океане. Но указанное буферное действие лимитировано, появляются отрицательные тенденции – гниение биомассы (выделяется СН4) и снижение растворимости СО2 в воде. Существует еще один компенсирующий парниковый эффект процесс – из-за пылесодержания в атмосфере не вся радиация от Солнца доходит до поверхности Земли. 6 Технологии уменьшения содержания СО2 в дымовых газах электростанций 1. Улавливание СО2 после сжигания топлива СО2 выделяется из дымовых газов методами абсорбции (раствором моноэтаноламина) или адсорбции (на цеолитах, активированных углях). Содержание в газе относительно низкое (4 % объем.) в случае горения природного газа и 14 объем. % в случае горения угля. Объемы перерабатываемого дымового газа большие и эксплуатация установок абсорбции/адсорбции дорогая. 7 Технологии уменьшения содержания СО2 в дымовых газах электростанций 2. Улавливание СО2 до горения топлива Идея заключается в том, что природный газ сперва конвертируется в СО2 и Н2 и перед горением Н2 из него выделяется СО2. Метан реагирует с кислородом или с кислородом и водяным паром. Образуется СО + Н2. Затем проводится каталитическая конверсия СО с водяным паром (Н2О) до СО2 + Н2 . СО2 выделяется и Н2 сжигают в газовой турбине. Конверсия СН4 в СО2 и Н2 точно такая же, как при производстве синтез-газа для аммиака. 8 Технологии уменьшения содержания СО2 в дымовых газах электростанций 3. Сжигание топлива в смеси О2/ СО2 Замена воздуха кислородом при сжигании топлива позволяет существенно повышать концентрацию СО2 в дымовых газах (до 80 %). Так как сжигание топлива в чистом кислороде слишком повышает температуру пламени, то часть СО2 рециркулируется обратно в камеру горения. Этот метод позволяет предотвратить образование NОх, так как воздуха в камере горения нет. С другой стороны, процесс производства чистого кислорода энергоемкий. 9 Криогенные методы выделения СО2 СО2 можно отделить от газовой смеси путем охлаждения и конденсации в случаях, когда содержание СО2 высокое (>90%). Газовую смесь надо охлаждать ниже тройной точки СО2 (57ºС). Процесс очень энергоемкий. Кроме того, перед охлаждением надо выделить воду из газа, чтобы предотвратить замерзание теплообменников. Преимуществом является получение СО2 в жидком виде. 10 Мембранные методы сепарации газа Можно применять мембраны сепарирования и мембраны абсорбции. Применяя мембраны сепарирования, можно, например, разделить Н2 и СО2. Водород легче диффундирует через мембрану по её другую сторону. При применении мембраны абсорбции в качестве абсорбента используют растворы соды (Nа2СО3) и поташа (К2СО3). 11 Новые системы связывания СО2 Химический обмен кислорода Здесь используют 2 реактора, первый восстановительный, второй окислительный. В первом реакторе топливо окисляется при помощи оксида металла. Оксид металла восстанавливается. Затем металл транспортируется во второй реактор, где снова окисляется кислородом воздуха 4МеО + СН4 → 4Ме + 2Н2О + СО2 Ме + ½О2 →МеО 12 Новые системы связывания СО2 Биологическая фиксация СО2 планктоном СО2, образовавшийся при сжигании топлива на ТЭС, используется для культивирования планктона в больших открытых прудах (50-100 км2). Планктон конвертируется в метан или в биодизель. 13 Новые системы связывания СО2 Методы складирования СО2 Надо найти резервуары хранения (склады), которые будут служить по крайней мере 10000 лет. СО2 транспортируется по трубопроводам под высоким давлением по земле или под водой. Стоимость транспорта ~1-10 EUR/тонну СО2. Вторая возможность транспорта в жидком виде на кораблях. Стоимость ~2-12 EUR/тонну СО2. Для складирования можно использовать: подземные водоносные пласты (aquifers). Глобальная емкость 400-10000 Gt СО2. Стоимость 1-7 на берегу EUR/тонну СО2, 3-13 EUR/тонну СО2 в море. старые пустые месторождения газа и нефти. Емкость мала (900 Gt СО2 в месторождениях газа и 204 Gt СО2 в месторождениях нефти). Стоимость 2-11 EUR/тонну СО2. глубины океана. СО2 закачивают в жидком виде в глубинные слои океана или диспергируют там в виде газа. Стоимость 7-14 EUR/тонну СО2. 14