Анализ эффективности технологий извлечения диоксида углерода из продуктов сгорания

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.

1. Об 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.

2. Экология промышленных технологий [Электронный ресурс] / О. Ф. Краецкая, И. Н. Прокопеня. Минск: БНТУ, 2014. Режим доступа: https://rep.bntu.by/handle/data/10557.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Рамм, В. М. Абсорбция газов / В. М. Рамм. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1976. 655 с.

10. Пименова, Т. Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода / Т. Ф. Пименова. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 208 с.

11. Очистка технологических газов / под ред. Т. А. Семеновой. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1977. 488 с.

12. Дедков, В. Н. Применение серийных насосов в качестве гидротурбин для малой энергетики / В. Н. Дедков // Проблемы машиностроения. 2011. Т. 14, № 4. С. 24–30.

13. Степанов, А. И. Центробежные и осевые насосы / А. И. Степанов. М.: Машгиз, 1960. 464 с.

14. Серпионова, Е. Н. Промышленная адсорбция газов и паров / Е. Н. Серпионова. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1969. 414 c.

15. 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.

16. 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.

17. Кельцев, Н. В. Основы адсорбционной техники / Н. В. Кельцев. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1984. 592 с.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.