energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2022-65-6-524-538energy-2216Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGАнализ эффективности технологий извлечения диоксида углерода из продуктов сгоранияAnalysis of the Efficiency of Technologies for Extraction Carbon Dioxide from Combustion ProductsСеднинВ. А.SedninV. A.

Адрес для перепискиСеднин Владимир Александрович –Белорусский национальный технический университет,просп. Независимости, 65/2,220013, г. Минск, Республика Беларусь.Тел.: +375 17 293-92-16pte@bntu.by

Address for correspondenceSednin Vladimir А. –Belаrusian National Technical University,65/2, Nezavisimosty Ave.,220013, Minsk, Republic of Belarus.Tel.: +375 17 293-92-16pte@bntu.by

pte@bntu.byИгнатовичР. С.IgnatovichR. S.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelаrusian National Technical UniversityBelarus202207122022656524538Copyright © Седнин В.А., Игнатович Р.С., 20222022Седнин В.А., Игнатович Р.С.Sednin V.A., Ignatovich R.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2216

Основная цель статьи – сравнение и анализ существующих технологий извлечения диоксида углерода из продуктов сгорания мини-ТЭЦ, работающих на местных видах топлива. Представлен краткий обзор основных технических особенностей реализации технологий извлечения углекислоты из газовых смесей. Показаны особенности и ограничения применения каждого из методов. На базе программных пакетов Aspen Hysys и Aspen Adsorption выполнено математическое моделирование технологических процессов адсорбции, физической и химической абсорбции. При моделировании абсорбционных процессов рассматривался состав продуктов сгорания, характерный для реальных условий работы энергоисточника на древесной щепе, а при моделировании адсорбционного процесса состав продуктов сгорания имитировался бинарной смесью из диоксида углерода и азота с мольным содержанием 11 и 89 % соответственно. Полученные результаты численного исследования показали, что наибольшая степень извлечения диоксида углерода из продуктов сгорания составляет 97 % и достигается в оптимальном режиме реализации технологии химической абсорбции. При этом же методе наблюдается наибольшая степень чистоты полученного диоксида углерода: 86 % с учетом паров воды и 99 % сухого. Наименее эффективной технологией извлечения углекислоты оказался метод физической абсорбции, при котором степень чистоты полученного сухого диоксида углерода составила 79 %. Следовательно, для получения диоксида углерода с незначительным содержанием примесей необходимо применять метод химической абсорбции. Технология физической абсорбции в неподвижном слое может использоваться для снижения выбросов энергоисточника или в случаях, когда степень чистоты углекислоты не имеет значения.

The main purpose of the article is to compare and analyze existing technologies for extracting carbon dioxide from combustion products in relation to mini-CHP plants operating on local fuels. The article presents a brief overview of the main technical features of the implementation of carbon dioxide extraction technologies from gas mixtures. The specific features and limitations for each of the methods are shown. Mathematical modeling of technological processes of adsorption, physical and chemical absorption is carried out on the basis of Aspen Hysys and Aspen Adsorption software packages. When modeling absorption processes, the composition of combustion products characteristic of the actual operating conditions of an energy source on wood chips was considered, while for the adsorption process, the composition of combustion products was simulated by a binary mixture of carbon dioxide and nitrogen with a molar content of 11 and 89 %, respectively. The results of numerical research that were obtained have shown that the highest degree of carbon dioxide extraction from combustion products is 97 %, and it is achieved in the optimal mode of implementation of chemical absorption technology. With the same method, the highest degree of purity of the resulting carbon dioxide is observed, viz. 86 % taking into account water vapor and 99 % if it is dry. The least effective technology for extracting carbon dioxide was the method of physical absorption in a fixed bed, in which the degree of purity of the resulting dry carbon dioxide was 79 %. Therefore, for practical use in the deep utilization of combustion products of mini-CHP plants operating on local fuels, to obtain carbon dioxide with a low content of impurities, it is necessary to apply the method of chemical absorption. The use of physical absorption technology in a fixed bed can be used to reduce energy source emissions or in cases where the degree of purity of carbon dioxide does not matter.

улавливание диоксида углеродафизическая абсорбцияхимическая абсорбцияадсорбцияматематическая модельAspen HysysAspen Adsorptionместные виды топливаэкологиямоноэтаноламинадсорбция при переменной температуреэнерготехнологическая установкаcarbon dioxide capturephysical absorptionchemical absorptionadsorptionmathematical modelAspen HysysAspen Adsorptionlocal fuelsecologymonoethanolaminetemperature swing adsorptionenergy-and-technology installationReferencesОб утверждении Концепции энергетической безопасности Республики Беларусь [Электронный ресурс]: пост. Совета Министров Респ. Беларусь, 23 дек. 2015 г., № 1084. Режим доступа: https://etalonline.by/document/?regnum=c21501084.On the Approval of the Concept of Energy Security of the Republic of Belarus: Resolution of the Council of Ministers of the Republic of Belarus, 23 Dec. 2015, No 1084. Available at: https://etalonline.by/document/?regnum=c21501084 (in Russian).Экология промышленных технологий [Электронный ресурс] / О. Ф. Краецкая, И. Н. Прокопеня. Минск: БНТУ, 2014. Режим доступа: https://rep.bntu.by/handle/data/10557.Kraetskaya O. F., Prokopenya I. N. (Compiled) (2014) Ecology of Industrial Technologies. Minsk, BNTU. Available at: https://rep.bntu.by/handle/data/10557 (in Russian).Pysmenna, U. Ye. Maintaining the Sustainable Energy Systems: Turning from Cost to Value / U. Ye. Pysmenna, G. S. Trypolska // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 1. С. 14–29. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-14-29.Pysmenna U. Ye., Trypolska G. S. (2020) Maintaining the Sustainable Energy Systems: Turning from Cost to Value. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (1), 14–29. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-14-29 (in Russian).Овсянник, А. В. Турбодетандерная установка на диоксиде углерода с производством жидкой и газообразной углекислоты / А. В. Овсянник // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 1. С. 77–87. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-1-77-87.Ovsyannik A. V. (2019) Carbon Dioxide Turbine Expander Plant Producing Liquid and Gaseous Carbon Dioxide. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (1), 77–87. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-1-77-87 (in Russian).Post Combustion Carbon Dioxide Capture / R. Y. D. Hansa [et al.] // Journal of Research Technology and Engineering. 2020. Vol. 1, Iss. 4. P. 21–31.Hansa R. Y. D., Devasurendra J. W., Maduwantha M. I. P., Madhuwantha G. A. L., Ranaraja D. M. C. O. (2020) Post Combustion Carbon Dioxide Capture. Journal of Research Technology and Engineering, 1 (4), 21–31.Yu, C.-H. A Review of CO2 Capture by Absorption and Adsorption / C.-H. Yu, C.-H. Huang, C.-S. Tan // Aerosol Air Qual. Res. 2012. Vol. 12, Iss. 5. P. 745–769. https://doi.org/10.4209/aaqr.2012.05.0132.Yu C.-H., Huang C.-H., Tan C.-S. (2012) A Review of CO2 Capture by Absorption and Adsorption. Aerosol Air Quality Research, 12 (5), 745–769. https://doi.org/10.4209/aaqr.2012.05.0132.Ахметова, В. Р. Улавливание и хранение диоксида углерода – проблемы и перспективы / В. Р. Ахметова, О. В. Смирнов // Башкирский химический журнал. 2020. Т. 27, № 3. С. 103–115.Akhmetova V. R., Smirnov O. V. (2020) Carbon Dioxide Capture and Storage – Problems and Perspectives. Bashkirskii Khimicheskii Zhurnal = Bashkir Chemistry Journal, 27 (3), 103–115 (in Russian).Игнатович, Р. С. Минитеплоэлектроцентраль на местных видах топлива с опцией производства синтетического природного газа [Электронный ресурс] / Р. С. Игнатович // Актуальные проблемы энергетики: материалы 76-й науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: секция «Теплоэнергетика» / сост. Т. Е. Жуковская. Минск: БНТУ, 2020. Режим доступа: https://rep.bntu.by/handle/data/75706.Ignatovich R. S. (2020) Thermoelectric Mini Power Plant on Local Fuels with the Option of Producing Synthetic Natural Gas. Aktual'nye Problemy Energetiki: Materialy 76-i Nauch.-Tekhn. Konf. Studentov i Aspirantov: Sektsiya «Teploenergetika» [Actual Problems of Energy: Materials of the 76th Scientific and Technical Conference of Students and Postgraduates: Section “Thermal Power Engineering”]. Minsk, BNTU. Available at: https://rep.bntu.by/handle/data/75706 (in Russian).Рамм, В. М. Абсорбция газов / В. М. Рамм. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1976. 655 с.Ramm V. M. (1976) Absorption of Gases. 2nd ed. Moscow, Khimya Publ. 655 (in Russian).Пименова, Т. Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода / Т. Ф. Пименова. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 208 с.Pimenova T. F. (1982) Production and Application of Dry Ice, Liquid and Gaseous Carbon Dioxide. Moscow, Legkaya i Pishchevaya Promyshlennost’ Publ. 208 (in Russian).Очистка технологических газов / под ред. Т. А. Семеновой. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1977. 488 с.Semenova T. A. (1977) Purification of Process Gases. 2nd ed. Moscow, Khimya Publ. 488 (in Russian).Дедков, В. Н. Применение серийных насосов в качестве гидротурбин для малой энергетики / В. Н. Дедков // Проблемы машиностроения. 2011. Т. 14, № 4. С. 24–30.Dedkov V. N. (2011) Serial Pump Application as Hydroturbine in Low Energetic. Problemy Mashinostroeniya = Journal of Mechanical Engineering, 14 (4), 24–30 (in Russian).Степанов, А. И. Центробежные и осевые насосы / А. И. Степанов. М.: Машгиз, 1960. 464 с.Stepanov A. I. (1960) Centrifugal and Axial Pumps. Moscow, Mashgiz Publ. 464 (in Russian).Серпионова, Е. Н. Промышленная адсорбция газов и паров / Е. Н. Серпионова. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1969. 414 c.Serpionova E. N. (1969) Industrial Adsorption of Gases and Vapors. 2nd ed. Moscow, Vysshaya Shkola Publ. 414 (in Russian).Sayari, A. Flue Gas Treatment Via CO2 Adsorption / A. Sayari, Y. Belmabkhout, R. Serna-Guerrero // Chemical Engineering Journal. 2011. Vol. 171, Iss. 3. P. 760–774. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.02.007.Sayari A., Belmabkhout Y., Serna-Guerrero R. (2011) Flue Gas Treatment via CO2 Adsorption. Chemical Engineering Journal, 171 (3), 760–774. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.02.007.Choi, S. Adsorbent Materials for Carbon Dioxide Capture from Large Anthropogenic Point Sources / S. Choi, J. H. Drese, C. W. Jones // ChemSusChem. 2009. Vol. 2, Iss. 9. P. 796–854. https://doi.org/10.1002/cssc.200900036.Choi S., Drese J. H., Jones C. W. (2009). Adsorbent Materials for Carbon Dioxide Capture from Large Anthropogenic Point Sources. ChemSusChem, 2 (9), 796–854. https://doi.org/10.1002/cssc.200900036.Кельцев, Н. В. Основы адсорбционной техники / Н. В. Кельцев. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1984. 592 с.Keltsev N. V. (1984) Fundamentals of Adsorption Technology. 2nd ed. Moscow, Khimya Publ. 592 (in Russian).CO2 Adsorption Process Simulation in ASPEN Hysys / C. Dinca [et al.] // 2017 International Conference on Energy and Environment (CIEM). IEEE. 2017. P. 505–509. https://doi.org/10.1109/ciem.2017.8120808.Dinca C., Slavu N., Badea A. (2017) CO2 Adsorption Process Simulation in ASPEN Hysys. 2017 International Conference on Energy and Environment (CIEM). IEEE, 505–509. https://doi.org/10.1109/ciem.2017.8120808.Performance Analysis of Temperature Swing Adsorption for CO2 Capture Using Thermodynamic Properties of Adsorbed Phase / R. Zhao [et al.] // Applied Thermal Engineering. Vol. 123. P. 205–215. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.05.042.Zhao R., Deng S., Zhao L., Li S., Zhang Y., Liu B. (2017). Performance Analysis of Temperature Swing Adsorption for CO2 Capture Using Thermodynamic Properties of Adsorbed Phase. Applied Thermal Engineering, 123, 205–215. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.05.042.Thomas, W. J. Adsorption Technology and Design / W. J. Thomas, B. Crittenden. Elsevier, 1998. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-1959-2.X5001-0.Thomas W. J., Crittenden B. (1998) Adsorption Technology and Design. Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-1959-2.X5001-0.Synthesis and Characterization of Activated Carbon from Biomass Date Seeds for Carbon Dioxide Adsorption / A. E. Ogungbenro [et al.] // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2020. Vol. 8, Iss. 5. 104257. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104257.Ogungbenro A. E., Quang D. V., Al-Ali K. A., Vega L. F., Abu-Zahra M. R. M. (2020). Synthesis and Characterization of Activated Carbon from Biomass Date Seeds for Carbon Dioxide Adsorption. Journal of Environmental Chemical Engineering, 8 (5), 104257. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104257.Temperature Swing Adsorption for Postcombustion CO2 Capture: Single- and Multicolumn Experiments and Simulations / D. Marx [et al.] // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2016. Vol. 55, Iss. 5. P. 1401–1412. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b03727.Marx D., Joss L., Hefti M., Mazzotti M. (2016). Temperature Swing Adsorption for Postcombustion CO2 Capture: Single- and Multicolumn Experiments and Simulations. Industrial & Engineering Chemistry Research, 55 (5), 1401–1412. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b03727.Wood, K. R. Design, Simulation and Optimization of Adsorptive and Chromatographic Separations: A Hands-On Approach / K. R. Wood, Y. A. Liu, Y. Yu. Weinheim: Wiley-VCH, 2018. 432 p.Wood K. R., Liu Y. A., Yu Y. (2018) Design, Simulation and Optimization of Adsorptive and Chromatographic Separations: A Hands-On Approach. Weinheim, Wiley-VCH. 432.Evaluating Isotherm Models for the Prediction of Flue Gas Adsorption Equilibrium and Dynamics / Kang R. H. [et al.] //Korean Journal of Chemical Engineering. 2018. Vol. 35, Iss. 3. P. 734–743. https://doi.org/10.1007/s11814-017-0353-1.Kang R. H., Park J., Kang D., Lee J. W. (2018) Evaluating Isotherm Models for the Prediction of Flue Gas Adsorption Equilibrium and Dynamics. Korean Journal of Chemical Engineering, 35 (3), 734–743. https://doi.org/10.1007/s11814-017-0353-1.CO2 Capture by Temperature Swing Adsorption: Use of Hot CO2-Rich Gas for Regeneration / A. Ntiamoah [et al.] // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2016. Vol. 55, Iss. 3. P. 703–713. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b01384.Ntiamoah A., Ling J., Xiao P., Webley P. A. (2016) CO2 Capture by Temperature Swing Adsorption: Use of Hot CO2-Rich Gas for Regeneration. Industrial & Engineering Chemistry Research, 55 (3), 703–713. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b01384.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.