SLAJD 1

Sposoby ograniczania emisji dwutlenku węgla

Wykonał:Dominika SzteklerKarol Sztekler

SLAJD 2

Unia Europejska dąży do zmniejszenia emisji CO2 o 50 % do 2050 roku. Nie jest to możliwe bez wychwytywania i bezpiecznego dla środowiska składowania CO2wytwarzanego w elektrowniach i elektrociepłowniach .

0

1

2

3

1970 1980 1990 2000 2010 2020rok

mili

ard

kWh

ener

gii e

lktr

yczn

ej

Paliwa:Węgiel GazEnergia nuklearna Odnawialne źród. ener.Ropa naftowa

Podstawowym paliwem wykorzystywanym w energetyce zawodowej jestwęgiel, zatem ten sektor jest największym emitorem CO2, a prace nad redukcją dwutlenku węgla w tej branży są uzasadnione [1].

SLAJD 3

Prace dotyczące separacji dwutlenku węgla prowadzone są w dwóch kierunkach: pierwszy to separacja przed procesem spalania, drugi natomiast to separacja po procesie spalania [3,8].

Technologie separacji CO2

Separacja CO2 przed procesem spalania może być realizowana poprzez:Procesy połączone z konwersją CO

Proces bez konwersji CO

Zgazowanie węgla w czystym tlenie technologia IGCC [5]

SLAJD 4

Technologie separacji CO2 po procesie spalania

Absorpcja chemiczna i fizyczna

Adsorpcja

Separacja membranowa

Metody kriogeniczne

ADSORBER

SLAJD 5

Absorpcja chemiczna Najczęściej wykorzystywany proces separacji CO2 ze strumienia spalin kotłowych

Absorbenty stosowane w procesie separacji CO2 to:

Wodne roztwory amin-monoetanoloamina MEA

-dietanoloamina DEA

-diglikoloamina DGA

-metyldietanoloamina MDEA

-aminy „sterically hindered” KS-1, KS-2

Absorpcja fizyczna

Węglan potasu lub sodu

Wodny roztwór amoniaku

Wodorotlenek sodu

W metodzie tej wykorzystywane sąorganiczne i nieorganiczne ciekłe sorbentu typu:

Metanol ( Rectisol), glikol (Selexol)

ZALETY WADY

-MEA uważana jest za najlepszą ciecz absorpcyjną względem CO2 (98-99%), ma zdolność do absorbowania CO2 w warunkach niskiego ciśnienia i zdolności do regeneracji

- MEA ulega procesom degradacji na drodze redukcji z SOx i NOx

-korozja w absorberach i regeneratorach[6]

Metody absorbcyjne

SLAJD 6

Metody adsorbcyjneJedne z najbardziej efektywnych sposobów usuwania

CO2 z gazów spalinowych na powierzchni oraz w porach adsorbentu

Proces adsorpcji składa się z dwóch cyklów: adsorpcji i odzyskiwania CO2

( regeneracja adsorbentu )

Techniki adsorpcji do oddzielania CO2:

PSA, TSA, VPSA, URPSA,ESA

Adsorbenty stosowane w procesie separacji CO2 to:

Węgiel aktywny

Zeolity syntetyczne, naturalne syntetyzowane z popiołów lotnych

Żel krzemionkowy i glinowy

Tlenek glinu aktywowany

ZALETY WADY

-najbardziej korzystną technikąadsorpcyjną jest PSA, w której w porównaniu do innych technik istnieje mniejsze zapotrzebowanie na adsorbent

-uzyskuje się wysoką czystość gazu w prosty sposób i krótki czas

-istotny wpływ składników spalin (szczególnie H2O)

-w prowadzeniu procesu mogąprzeszkadzać ziarna pyłu zawarte w spalinach, mogące dezaktywowaćmiejsca adsorpcyjne [7]

ADSORBER

SLAJD 7

POŁĄCZENIE PROCESU ADSORPCJI I ABSORPCJI CHEMICZNEJ

Połączeniem procesu adsorpcji i absorpcji chemicznej jest proces, w którym CO2 jest chemicznie absorbowany przez węglan potasu, sodu osadzony na węglu aktywnym materiałach zeolitowych, w wyniku

czego powstaje wodorowęglan potasu sodu [9,10]

Flue gas Fluidization gas

H2O, CO2

KHCO3, NaHCO3

KHCO3, NaHCO3

K2CO3, Na2CO3

K2CO3, Na2CO3

Carbonation Regeneration

CO2 – Free gas CO2 H2OCarbonator

K2CO3 + CO2 + H2O 2KHCO3

Na2CO3 + CO2 + H2O 2 NaHCO3

70 – 80 oC

Exothermic

ΔH = 141,2 kJ/mol K2CO3

2KHCO3 K2CO3 + CO2 + H2O

2 NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O

> 150 oC

Regenerator

Endothermic

ΔH = 141,2 kJ/mol K2CO3

Dzięki temu , iż węglan potasu, sodu wsparty jest na porowatym

materiale – węglu aktywnym, zeolicie cały proces prowadzićmożna cyklicznie w układzie

stałego złoża-uzyskuje się wysoką czystość CO2 - >99%

- skuteczność odzysku CO2 - 95%

Dzięki temu procesowi:

SLAJD 8

Przed wprowadzeniem układów do separacji CO2 na skalęprzemysłową należy przeprowadzić badania symulacyjne, które

pozwolą odpowiedzieć na szereg pytań, aby to zrobić należy:

opracować model numeryczny separacji dwutlenku węgla wybraną metodąadsorpcyjną (PTSA), następnie włączyć ten układ do modelu opracowanego bloku energetycznego (referencyjnego),

dokonać analizy wpływu procesu separacji i układu sprężania CO2 na sprawność i moc bloku referencyjnego.

SLAJD 9

Układ do separacji CO2 ze spalin

Des

orbe

r

Przyjęto następujące założenia:ciepło wydzielane w procesie

adsorpcji CO2 w całości przejmowanejest przez strumień oczyszczanych spalin,

sorbent po regeneracji nie jest oczyszczany z pozostającego jeszcze w nim CO2,

produktem regeneracji sorbentu jest czysty dwutlenek węgla.

znane są parametry fizycznesorbentów np. izotermy adsorpcji.

SLAJD 10

Referencyjny model bloku energetycznego z jednostkąseparacji CO2

Jednostka sprężania

Jednostka

separacji

Para

Czynnik

chłodniczy

34567

Czynnik

chłodniczy

Moc całkowita: 380 MW

Parametry pary świeżej:ciśnienie

p1=169 bar

temperatura t1=535oCStrumień CO2 : 89,61 kg/s

Strumień gazów spalinowych: 475,25kg/s

SLAJD 11

Analiza wpływu stopnia separacji CO2 na zapotrzebowanie na sorbent

0 20 40 60 80 1000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

Zapo

trzeb

owan

ie n

a so

rben

t T/

s

Stopienseparacji CO2 volume %

5A NaA

p=const.=2.5 barT=const.=1250C

Najlepszym sorbentem jest zeolit syntetyczny 5A, ponieważ posiada on największąpojemność sorpcyjna, w rezultacie czego przy 100% separacji CO2 z gazów spalinowych zapotrzebowanie na niego jest trzy razy mniejsze w porównaniu do zeolitu Na-A

SLAJD 12

0 20 40 60 80 100320

330

340

350

360

370

380

Z sprezaniem CO2

Upust4, p=5,3 bar,t=246C

Bez sprezaniem CO2

Moc bloku referencyjnego

Stopien separacji CO2%

Moc

ele

ktry

czna

blo

ku M

WAnaliza wpływu stopnia separacji CO2 na moc

sprawność obiegu

0 20 40 60 80 10032,032,533,033,534,034,535,035,536,036,537,037,538,038,539,039,540,0

Dla bloku bez układu sprężania CO2 – przy 100% separacji CO2 – spadek mocy wynosi 2,7 MW. Przy zastosowaniu układu do sprężania CO2 moc spada o około 56MW. Dla bloku bez układu sprężania CO2 – przy 100% separacji CO2 – spadek sprawności bloku wynosi 0,8% Natomiast w przypadku zastosowania układu do sprężania CO2 sprawność spada o około 5,6 %, natomiast dla upustu

Z sprezaniem CO2

Bez sprezaniem CO2

Upust4, p=5,3 bar,t=246C

Sprawnosc obiegu referencyjnego

Spra

wno

sc o

bieg

u %

Stopien sepracji CO2 %

SLAJD 13

Badania nad separacja dwutlenku węgla prowadzone są w dwóch kierunkach separacja przed procesem jak i po procesie spalania jednakże ,jednym z efektywnych sposobów wyseparownie CO2 z gazów spalinowych jest proces adsorpcji na powierzchni oraz porach adsorbentu. Metoda adsorpcyjna Pressur Swing Adsorbtion PSA lub też mieszana PTSA umożliwia wyseparowanie z gazów spalinowych CO2 w prosty sposób i w krótkim czasie , stanowi w ten sposób jedną z obiecujących technik usuwania CO2.

Na podstawie wstępnych badań symulacyjnych wynika że najlepszym sorbentem jest zeolit syntetyczny 5A, ponieważ posiada on największą pojemność sorpcyjna, w rezultacie czego przy 100% separacji CO2 z gazów spalinowych zapotrzebowanie na niego jest trzy razy mniejsze w porównaniu do zeolitu Na-A

Dla bloku bez układu sprężania CO2 – przy 100% separacji CO2 – spadek mocy wynosi 2,7 MW. Przy zastosowaniu układu do sprężania CO2 moc spada o około 56MW. Dla bloku bez układu sprężania CO2 – przy 100% separacji CO2 – spadek sprawności bloku wynosi 0,8% Natomiast w przypadku zastosowania układu do sprężania CO2 sprawność spada o około 5,6 %, natomiast dla upustu

Energochłonność separacji, a tym samym jej wpływ na moc i sprawność bloku, zależy w znacznym stopniu od własności sorpcyjnych sorbentów w różnych warunkach termodynamicznych; wskazuje to na konieczność ciągłego poszukiwania sposobów pozyskiwania tanich i efektywnych sorbentów.

Wnioski

SLAJD 14

Literatura

1. James Ekman „ What is the promise of new fossil technology over the next 25 years”2. www.co2crc.com.au/aboutgeo/capture.html

3. Janusz Kotowicz, Katarzyna Janusz „Sposoby redukcji CO2 procesów energetycznych” 2007

4. www.ieagreen.org.uk/sr2p.htm

5. Mazurkiewicz M., Uliasz - Bocheńczyk A., Mokrzycki E., Piotrowski Z., Pomykała R.:„Metody separacji i wychwytywania CO2.”Polityka energetyczna, tom 8, zeszyt specjalny 2005

6. K. Dreszer, L. Więcław- Solny „Obniżenie emisji CO2 z sektora energetycznego możliwe ścieżki wyboru technologii” 2008 Polska

7. R.T. Yang, “Gas separation by adsorption processes”, Butterworths, Boston, 1987.

8. G. Gottlicher, R. Pruschek, “Comparison of CO2 removal systems for fossil - fuelled power plant processes”, Energy Conversion and Managment 1997, vol. 38, str. S173 - S178.

9. X. Pchen, C.S Zhao „Capture using dry potasium based sorbent in bulding fluidized bed reactor” Chine 2009

10. C. Lee, H. J.Hae, S.J. Lee,Y.H Park „Novel regenerable potasium based dry sorbent CO2 capture ad low temperature” Korea 2009