Nykyaikaisten hiilidioksidin talteenottotekniikoiden tutkiminen

Vastauksena maailmanlaajuisiin ponnisteluihin kasvihuonekaasupäästöjen (GHG) vähentämiseksi monet prosessivalmistajat ovat tehostaneet toimintaansa eri tavoin ja tehneet vihreän energian aloitteita. CO₂:n talteenottotekniikat, jotka keräävät ja varastoivat tämän kaasun, tarjoavat lupaavan ratkaisun. Laaja käyttöönotto edellyttää kuitenkin tarvittavan teknologisen osaamisen kehittämistä ja kustannusten alentamista toteuttamiskelpoisuuden lisäämiseksi.

Palamiseen liittyvää hiilen talteenottoa varten on olemassa kaksi erilaista lähestymistapaa: esi- ja jälkipoltto. Esipolton talteenotto sieppaa CO₂:n ennen polttoa esimerkiksi kaasutuksen ja reformoinnin avulla.

Sitä vastoin polton jälkeinen talteenotto tapahtuu polttoaineen palamisen jälkeen primääriprosessissa. Se käyttää liuottimia tai muita menetelmiä hiilidioksidin keräämiseen suoraan savukaasusta. Tällä verkkosivulla keskitytään polton jälkeiseen talteenottoon. Vaikka se on edullinen jälkiasennuspotentiaalinsa ja teknologisen kehityksensä vuoksi, se ei ole yhtä tehokas kuin esipolton talteenotto.

Amiinikaasukäsittelyä käytetään laajalti hiilen talteenottomenetelmänä teollisuudessa. Tämä jälkipolttotekniikka hyödyntää amiiniliuosten, kuten monoetanoliamiinin, kemiallisia ominaisuuksia, joilla on vahva affiniteetti sitoutua hiilidioksidiin. Prosessi koostuu:

Savukaasut puhdistetaan pölyn, hiukkasten, rikkiyhdisteiden ja muiden epäpuhtauksien poistamiseksi. Tämä esikäsittely suojaa amiiniliuosta ja laitteita likaantumiselta ja korroosiolta. Kuuma savukaasu jäähdytetään sitten optimaaliseen lämpötilaan (noin 40-60 °C/104-140 °F) amiiniliuoksen tehokkaan hiilidioksidin imeytymisen varmistamiseksi.

Jäähtynyt savukaasu tulee absorptiotornin pohjalle, tyypillisesti sylinterimäiseen astiaan, joka on täytetty pakkausmateriaalilla kaasun ja nesteen kontaktin parantamiseksi. Vastavirtaava amiiniliuosvirta johdetaan tornin huipulle. Savukaasun noustessa tornin läpi se koskettaa laskeutuvaa amiiniliuosta. Sitten savukaasussa oleva CO₂ muodostaa palautuvan sidoksen amiinimolekyylien kanssa poistaen sen kaasuvirrasta.

Hiilidioksidipitoisen amiiniliuoksen siirto: hiilidioksidirikas amiiniliuos pumpataan toiseen torniin, jota kutsutaan desorberiksi tai regeneraattoriksi. Tämä virtaus mitataan huolellisesti käyttämällä spektroskooppista Raman-mittalaitteistoa tehokkuuden varmistamiseksi seuraavassa regenerointivaiheessa.

Desorberissa hiilidioksidirikas amiiniliuos kuumennetaan, tyypillisesti höyryruiskutuksella, noin 110°C/230°F lämpötilaan. Tämä lämpö katkaisee sidoksen amiinin ja hiilidioksidin välillä. Regeneroitu amiiniliuos, josta nyt on poistettu hiilidioksidi, virtaa regeneraattorin pohjalle.

Amiiniliuoksen jäähdytys ja kierrätys: kuuma, regeneroitu amiiniliuos kulkee lämmönvaihtimen läpi siirtäen osan lämmöstään tulevaan hiilidioksidirikkaaseen liuokseen ja parantaen energiatehokkuutta. Lisäjäähdytys tuo amiiniliuoksen takaisin optimaaliseen lämpötilaan hiilidioksidin absorptiolle ja jäähdytetty amiiniliuos pumpataan sitten takaisin absorptiotornin huipulle syklin toistamiseksi.

Regeneraattorin yläosasta vapautuva hiilidioksidi puristetaan sen tiheyden lisäämiseksi helpottamaan kuljetusta tai varastointia. Tämän lähtevän virran puhtaus analysoidaan usein käyttämällä TDLAS-mittalaitteistoa. Sovelluksesta riippuen hiilidioksidille voidaan suorittaa lisäpuhdistusvaiheita epäpuhtauksien poistamiseksi.

Amiinikaasukäsittelyn CO₂:n talteenottotehokkuus on pääsääntöisesti yli 90 %. Regenerointi on kuitenkin erityisen energiaintensiivistä ja koko prosessin aikana käytetty amiiniliuos hajoaa ajan myötä ja vaatii täydentämistä. Tutkijat pyrkivät vastaamaan näihin haasteisiin tutkimalla energiatehokkaampia regenerointimenetelmiä, kuten teollisuuden prosessien hukkalämmön käyttöä. He kehittävät myös kestävämpiä amiiniratkaisuja, joilla on korkeampi lämpöstabiilisuus ja hajoamiskestävyys.

Kalvopohjainen hiilidioksidin talteenotto on vähemmän käytetty menetelmä, joka hyödyntää erikoiskalvojen selektiivistä läpäisevyyttä hiilidioksidin poistamiseksi savukaasuvirroista. Nämä kalvot koostuvat usein polymeereistä tai keraamisista materiaaleista, jotka toimivat molekyylien portinvartijoina. Ne päästävät CO₂:n läpi ja estävät muita kaasuja. Tämän lähestymistavan ensisijainen etu on sen alhaisempi energiantarve korkean lämpötilan amiinikaasun regenerointiin verrattuna.

Tärkeimmät vaiheet ovat:

1. Savukaasujen esikäsittely: ennen kuin savukaasut joutuvat kalvojärjestelmään, ne läpikäyvät puhdistusprosessin, tyypillisesti suodatuksen ja pesun. Tämä vaihe poistaa pölyn, hiukkaset ja muut epäpuhtaudet, jotka voivat tukkia tai vahingoittaa herkkiä kalvohuokosia. Savukaasut jäähdytetään usein ja kosteus säädetään kulloisellekin kalvomateriaalille optimaaliselle tasolle. Tämä varmistaa tehokkaan hiilidioksidin erotuksen ja estää kondenssiveden muodostumisen kalvojärjestelmään.
2. Kalvoerotus: esikäsitelty savukaasu ohjataan kalvon yli, joka toimii selektiivisenä esteenä. Erot molekyylikoossa, rakenteessa ja affiniteetissa kalvomateriaaliin saavat hiilidioksidimolekyylit kulkemaan kalvon läpi nopeammin kuin muut virtauksen kaasut, kuten typpi. Tämä johtaa kahteen tuotekaasuvirtaan: permeaatti ja retentaatti. Paljon hiilidioksidia sisältävä permeaatti kulkee kalvon läpi ja kerätään jatkokäsittelyä varten. Retentaatti, josta on poistettu CO₂, sisältää jäljellä olevat kaasut. Se joko vapautuu ilmakehään tai ohjataan takaisin ensisijaiseen teolliseen prosessiin.
3. Hiilidioksidin puristus ja käsittely: hiilidioksidipitoista permeaattivirtaa puristetaan sen tiheyden lisäämiseksi, mikä helpottaa kuljetusta tai varastointia. Sovelluksesta riippuen hiilidioksidille voidaan suorittaa lisäpuhdistusvaiheita epäpuhtauksien poistamiseksi.

Alhaisen energiantarpeen lisäksi kalvojärjestelmien jalanjälki on pieni, mikä tekee niistä ihanteellisia kohteisiin, joissa tilaa on rajoitetusti. Kalvopohjainen talteenotto on kuitenkin vähemmän tehokasta kuin amiinikäsittely, ja pienet vaihtelut kaasuvirran koostumuksessa, paineessa ja lämpötilassa voivat vaikuttaa negatiivisesti suorituskykyyn.

Amiinikäsittely ja kalvopohjaiset tekniikat ovat ainoat polton jälkeiset hiilidioksidin talteenottomenetelmät, joita tällä hetkellä käytetään laajasti, mutta tutkijat tutkivat myös muita lähestymistapoja.

Ensimmäinen niistä on DAC (Direct Air Capture), joka puhdistaa hiilidioksidia suoraan ympäröivästä ilmasta. Tämä tehdään suuritehoisilla puhaltimilla, jotka imevät ilmaa erityisten sorbenttimateriaalien, kuten kiinteiden amiinien tai hydroksidiliuosten, läpi, jotka sitoutuvat kemiallisesti hiilidioksidin kanssa. Kun sorbenttimateriaali on kyllästetty, sitä kuumennetaan talteen otetun hiilidioksidin vapauttamiseksi, joka sitten kerätään käyttöä tai varastointia varten.

DAC tarjoaa potentiaalisen tavan kerätä autoista ja muista lähteistä syntyviä päästöjä. Sillä on kuitenkin merkittäviä käyttöönoton esteitä, jotka johtuvat herkistä sorbenttimateriaalista, korkeista energiavaatimuksista ja kustannuksista verrattuna yhden pisteen talteenottoteknologioihin. Lisäksi käyttöönoton tarve olisi laajamittainen mielekkään hiilidioksidin talteenoton saavuttamiseksi.

Tutkimuksessa selvitetään biomassan käyttöä polttoaineena. Biomassa, kuten puut, imevät hiilidioksidia ilmakehästä kasvaessaan. Keräämällä myöhemmin palamisen aikana vapautuvan hiilidioksidin käyttäjät voivat saavuttaa tehokkaasti negatiivisia päästöjä. Biomassan kasvu vaatii kuitenkin laajaa maa-alaa, vesivaroja ja kestävien hankintakäytäntöjen huolellista harkintaa.

Polton jälkeisen hiilidioksidin talteenoton laaja käyttöönotto ei riipu vain teknisten ja taloudellisten esteiden ylittämisestä, vaan myös talteenotosta, käytöstä ja varastoinnista. Vaikka amiinikaasukäsittely on erittäin tehokasta, se vaatii merkittävää energiasatsausta ja käytettyjen liuottimien säännöllistä huoltoa. Sitä vastoin kalvopohjaisen talteenoton on energiatarve on pienempi, mutta menetelmänä se on vähemmän tehokas. Molemmat prosessit ovat myös kalliita.

Toimialan pyrkiessä nollapäästötavoitteeseen, strateginen hajautus on välttämätöntä. Näiden tavoitteiden saavuttaminen edellyttää prosessien optimoinnin, yleisen energiatehokkuuden parantamisen, uusiutuvien luonnonvarojen käyttöönottoa ja sitoutumista hiilidioksidin talteenottoon. Kunkin strategian ympäristöllisten, teknologisten ja taloudellisten kompromissien löytäminen on ratkaisevan tärkeää teollisuuden yleisen kestävyyden parantamiseksi tulevaisuudessa.