Захват CO2: мембранные системы Двигаться вперед

Мембраны предлагают преимущества, присущие над поглощением основе СО2 захвата от пост-сгорания fluegas и до сжигания синтез-газ, но и многочисленные дизайн и наращивание масштабов проблемы остаются нерешенными.

За последние три десятилетия, операторы по всей химической промышленности процесс (ИПЦ) использовали мембраны систем на основе проведения различных видов увольнений. Из-за их основных технико-экономических преимуществ по сравнению с конкурирующими технологиями разделения мембран В настоящее время изучаются для CO2 от захвата электростанции выбросов и других fossilfuel основе fluegas потоков .*

Обещание системы простота является одним из ключевых драйверов мембраны R

Неизбежного давления и / или температурных циклов, необходимых для регенерации растворителя повышает сложность и стоимость налагает штрафы, с точки зрения капитальных затрат и паразитных потерь энергии. "Все эти качества делают мембранные системы потенциально более дешевой альтернативой поглощения основе разделения для захвата CO2, говорит Джаред Ciferno, технологии менеджер, существующих предприятиях, выбросы и захватить, по крайней Министерством энергетики США в (DOE) Национальной лаборатории энергетических технологий (NETL; Питтсбурге, штат Пенсильвания; <a target="_blank" href="http://www.netl.doe.gov" rel="nofollow"> www.netl.doe.gov </ A>).

Тем не менее, способность держать пари индустрии знаний и опыта в стандартное решение мембраны для сбора СО2 оказалось гораздо более сложной инженерной задачей, чем многие ожидали. Напротив, некоторые критические различия будут определять окончательное решение, а именно:

* Природа отделения - отделения СО2 от азота в fluegas производства обычных coalfired электростанций (рис. а), по сравнению с отделения СО2 из водорода в синтез-газ производства комбинированного цикла комплексной газификации (ВЦГ) электростанций (рис. б)

* Природа газового потока - чем ниже давление, большего объема, сравнительно разбавленных дожигания fluegas потоков производства угле, по сравнению с higherpressure, меньшего объема, C02 обогащенного до сжигания синтез-газа потоков производства IGCC растений

* Предполагаемом месте в этом процессе - в конце процесса в угле для захвата СО2 после сгорания, по сравнению с выше по течению, между другими операциями подразделение Процесс ВЦГ, чтобы отделить CO2 из синтез-газа, пока не сжигается в газовых турбин.

Предварительного сгорания против дожигания захвата

В настоящее время Есть два принципиально разных подхода к угольные выработки электроэнергии. Традиционные пылеугольного (PC) растений полагаться на окисленный сжигания угля, в то время как новые растения IGCC первых реагируют угля с кислородом (или воздуха) в газификации реактора, и огонь в результате синтез-газ (смесь в основном к югу H ^ 2 ^ и CO) в одной или нескольких газов или паровых турбин. [кинжал]

Сегодня, соревнуясь С02-разделения мембранных систем в настоящее время преследовал захватить СО2 как от потока после сжигания fluegas (отделения СО2 от N ^ 2 югу ^), создаваемых в ходе сжигания угля, а с до сжигания синтез-газа (отделения СО2 из H ^ подпункт 2 ^), полученного в объекте IGCC до водорода входит в газовых турбин.

Не только эти газовые потоки принципиально разные, но имеющиеся перепады давления и СО2 парциальное давление потоков в корне отличается от него. Это критическое рассмотрение во время мембраны дизайн, потому что давление на входе потока газа и чистой перепада давления через мембрану обеспечить движущей силой для любого мембрана основе разделения.

Например, после сжигания fluegas потоков как правило, имеют большой объем (из-за большого объема N 2 к югу ^ ^ в горения воздуха, проходящего через камеру сгорания для fluegas), но давления и относительной концентрации в результате fluegas, как правило, низким (например, атмосферного давления и СО2 настоящее время на 10-15% об.).

Для сравнения, IGCC синтез-газа, как правило, меньше по объему, и как относительная концентрация и парциальное давление СО2 выше (с парциальное давление 360540 фунтов на квадратный дюйм и СО2 настоящее время на 40-50% об.) После того, синтез-газа прошло через воду газ имеет реактора (WGS).

Сегодня спектр мембранных материалов и инженерного конфигураций в настоящее время разрабатывается для сбора СО2. Тем не менее, Филлипс отмечает: "За исключением нескольких, которые находятся на пути к опытно-промышленные демонстрации наиболее перспективных мембраны сегодняшнего события для CO2 разделения по-прежнему продемонстрировали в лабораторных условиях, поэтому они должны пройти долгий путь". Хорошая новость, говорит он, является то, что "как только они были надлежащим образом доказано, эти системы должны масштабов довольно легко (из-за мембраны scaleup, как правило, линейных), так что это должно помочь ускорить окончательный широкое commercialscale использованием мембранных систем СО2 захвата ".

Настоятельная необходимость

"С точки зрения технических возможностей, использование мембранных систем для подготовки к сжиганию удаления СО2 из синтез-газа в помещениях IGCC является наиболее перспективным из-за более высоких давлениях и концентрациях, которые имеются", говорит Джон Марано, президент JM Energy Consulting , Inc (Гибсония, PA). Тем не менее, отмечает Ciferno NETL, что "необходимость для мембраны основе модифицированной вариант postcombustion захватить СО2 на угольных электростанциях, пожалуй, еще более актуальной из-за тяжелой работы и экономических санкций, введенных в отношении электростанции существующими на основе растворителя поглощения варианты ".

В целом, Министерством энергетики США (DOE, Вашингтон, округ Колумбия, <a target="_blank" href="http://www.doe.gov" <rel="nofollow"> www.doe.gov / >) поставила перед собой цель для захвата С02-технологий для достижения 90% CO2 захвата, несут менее 20% паразитных потерь энергии, а также к увеличению общей стоимости электроэнергии (COE, показатель, который является функцией от энергии, необходимой для захвата и капитальные затраты на захват оборудование) не более чем на 10% для растений ВЦГ и не более чем на 35% для обычных угле.

Исследования показывают, что текущий поглощения-процессы (например, Selexol, Rectisol и моноэтаноламина [МЭС] процессов) результат в 10-30% паразитных потерь энергии, 35-1 10% больше капитальных затрат, а 30-80% увеличилось СЕ. "Надежду в инженерное сообщество в том, что мембраны подходы в конечном счете смогут существенно сократить расходы на СО2 захвата по сравнению с этими существующих вариантов", говорит Ciferno.

На основе растворителей процессы теплообмена многочисленные требования к охлаждению потоки для лечения и разогреть их удовлетворения потребностей температуре ниже по течению, говорит EPRTs Филлипс. "Для сравнения, Есть много потенциальных преимуществ термодинамических и подразумевает экономию капитальных затрат при мембранная система способна обрабатывать синтез-газ прямо из твердых фильтр или WGS реактора и проводить разделение, скажем, 300 ° C, в отдельных СО2 и отправить H ^ 2 ^ к югу прямо на газовой турбины при необходимости температуры ", добавляет он.

Использование газа развертки для улучшения разделения

Для улучшения мембранного разделения эффективности в обеих предварительного сгорания и дожигания настройки, несколько дизайнеров мембраны изучают использование газа на подметать вниз (низкого давления) пронизывают стороны мембраны. Азот развертки газа выбором для приложений ВЦГ, а угольные электростанции чаще используют пониженного давления сжатого воздуха в камеру сгорания.

В объекте IGCC, возможность использования азота поток постоянно удалить продукт из водорода проникает стороны мембраны - Концепция разработана NETL - помогает постоянно повышения перепада давления (что создает большую движущую силу) через мембрану, объясняет Марано. Кроме того, источник азота можно легко получить в большинстве объектов IGCC, потому что огромное единиц разделения воздуха (УРВ), необходимых для производства необходимого кислорода для кислородно-взорван газификации угля и производства больших объемов побочного азота. [Двойной кинжал]

Между тем, использование азота развертки будет служить еще одной важной цели в объекте ВЦГ. "Водород не только имеет более низкую плотность и совершенно другой геометрии потока, но имеет более широкий диапазон воспламенения и скорость распространения пламени, которая на порядок выше, чем углеводородного топлива", объясняет Филлипс. В результате, современными газовыми турбинами быть предназначен для сжигания водорода в растениях IGCC, как ожидается, требуют разбавления топлива - например, через включение в 40-60% об. N ^ 2 ^ к югу, так как высокие температуры обжига H ^ подпункт 2 ^ в противном случае создания чрезмерных выбросов NO2.

"Если добавить азота прокатиться на пронизывают стороны к югу H ^ 2 ^ / С02 мембранного разделения, вы не только помогают мембраны работать лучше, но вы помогаете вниз турбины удовлетворения своих собственных смешивания водорода азота потребностей и нижнего Температура пламени в газовой турбины ", отмечает Филлипс. И, поскольку использование развертки газа также позволяет давления потока водорода продукт хранится в 350-450 фунтов на квадратный дюйм или более, то это может уменьшить необходимость в дожимной компрессор впереди водорода турбины ".

Для угольных электростанций, использование воздуха в качестве газа развертки (вместо азота), ведется расследование. Пониженного давления воздуха (который уже производится кормить пылевидного сжигания угля котла системы) захлестывает пронизывают стороны мембраны будет постоянно удалить продукт CO2, тем самым увеличивая перепад давления через мембрану и дальнего CO2/N2 разделения далее .

После air/C02 развертки смесь возвращается входе в камеру сгорания, кислорода и сожгли небольшой вторичного потока СО2 в розыгрыше помогает привлечь парциальное давление СО2 в котел fluegas что примерно на 14% об. До 19 об.%, улучшение общего мембранного разделения, объясняет Тим Меркель, директор процесса R

Мембранные системы для захвата СО2 до сжигания

Как IGCC развертывания набирает обороты, передовые IGCC номера как ожидается, будут регулярно предназначены для улавливания и хранения углерода (CCS). Это современное состояние IGCC CCS процессы будут включать watergas сдвига (WGS) реактора, в котором "несмещенной" синтез-газ поток (CO H2) вступает в реакцию с паром в присутствии катализатора для преобразования СО в СО2, производя "сдвинуты" синтез-газ состоит в основном из водорода и СО2 (рис. б).

Этот сдвиг реакции служит двум целям. Во-первых, оно дает обогащенного потока водорода, который может быть сожжены в специальных турбин водорода в парогазовых электростанций в объекте ВЦГ. Во-вторых, эффективно концентратов углерода в синтез-газ в поток обогащенного CO 2, CO 2 захвата решений для промышленного использования или увеличения нефтеотдачи (МУН) приложений или для долгосрочного подземных поглощения в глубоких геологических водохранилище более простым и экономически эффективным.

IGCC системы обеспечивают идеальные условия для мембранного разделения. "Когда мембраны основе разделения системы находится на выходе из реактора WGS, смещается синтез-газ имеет не только более высокая концентрация OfCO2, но частичное давление СО2 ofthat также выше, предоставление необходимых движущей силой через мембрану, сводя к минимуму необходимость синтез-газа сжатия ", говорит Филлипс.

В частности, синтез-газа обычно выходит газогенератора при повышенном давлении в 600-800 фунтов на квадратный дюйм или даже больше. После шаг WGS, относительная концентрация СО2 в сдвинутой синтез-газа на 40-50% об. CO2, и его парциальное давление 240-400 атм. Это дает огромные движущей силой для мембранного разделения, по сравнению с пост-сгорания fluegas, который обычно содержит всего 15% об. СО2 и при атмосферном давлении.

Для любого сценария С02-захвата, возможность сохранить больше давление, возможные в рамках системы имеет ключевое значение не только для дисков разделения, но и для удовлетворения требований вниз давления. Например, трубопроводов и подземных поглощения СО2 требуют быть при давлении около 2200 фунтов на квадратный дюйм, с тем чтобы СО2 ведет себя подобно жидкости сверхкритических и занимает меньше места в подполье. Аналогичным образом, после разделения синтез-газа, водорода потока придется оставаться на минимальном давлении 350-450 фунтов на квадратный дюйм, чтобы удовлетворить требования вниз турбины.

Eltron исследований и разработок (Boulder, CO; <a target="_blank" href="http://www.eltronresearch.com" rel="nofollow"> www.eltronresearch.com </ A>) разработала 3- слоя W2ICO2 мембранного разделения, которая объединяет собственности, плотной фазы металлического водорода мембраны транспорта с 2 катализатора слоев, каждый из всего 300 нм. На питание стороны мембраны (который получает входной синтез-газа на 450-1,000 фунтов на квадратный дюйм), первый слой катализатора разлагается на водород атомов водорода. На пронизывают стороны, с другой слой катализатора способствует реассоциации атомов водорода, чтобы выход водорода единицу при давлениях до 400 бар. "Исходя из этого атомного переноса водорода, эта конструкция романа мембраны обеспечивает повышенную селективность проникновения водорода - в диапазоне от 5 или 6 девяток" чистоте ", добавляет Дуг Джек, вице-президент по технологии Eltron.

Министерство энергетики США установить 2010 год для подготовки к сжиганию C02/H2 мембранного разделения систем в интересах обеспечения потока водорода скорости 200 ЗППП. FT3 / ч на квадратный метр мембраны области (scfh/ft2) и 2015 года из 300 scfh/ft2. Джек замечает, что три слоя мембраны в Eltron / катализатора конфигурация уже продемонстрировали потока водорода скорости 450 scfh/ft2.

На сегодняшний день, опытное подразделение процесса Eltron, которые приведут к комплекте кожухотрубный конструкции судна (рис. 2) - более 5 кг / г водорода в качестве продукта, а также 85 кг / г СО2 в качестве удерживаемым при ожидаемых условиях эксплуатации. Компания ищет партнера для объекта существующих угольных синтез-газа для выполнения следующего ofscaleup этап, который продемонстрирует устройство, которое производит 220 кг / г водорода (1,9 т / г СО2) с помощью пониженного давления на синтез-газа из фактической газификатор угля.

Когда синтез-газ проходит через систему мембран Eltron, примерно 95% водорода проходит в качестве продукта или пронизывать поток, в то время захватили СО2 на входной стороне мембраны удерживаемым поток. Поскольку СО2 не проходит через мембраны, он не испытывает перепад давления, и "это помогает СО2 поток остаться близко к газогенератора давления, сводя к минимуму капитальные затраты и потребности в энергии, чтобы сжать миллионов тонн CO2, ", говорит Джек.

Между тем, на основе концепции интенсификации процесса, Eltron также разработала специализированные реактора WGS, которая объединяет плотной фазы водорода-транспортных мембран компании внутри реактора WGS. Эта гибридная конструкция выполняет две основные цели - она отделяет водород от СО2 в сдвинутой потока синтез-газ, и это сводит сдвиг реакции далее с непрерывным удалением продукта водорода в качестве доходов WGS реакции. "Это дает возможность одновременного производства водорода и СО2 захвата из одного реактора", говорит Джек. "Постоянно потянув первичного водорода продукт диск реакции дальнейшего единственный способ победить равновесия ограничений реактора сдвиг вода-газ". Продемонстрирована на скамейке масштаба на сегодняшний день, устройство готово для следующей шкалы демонстрации, когда в качестве производственного партнера возникает.

Мембранные системы после захвата СО2

Задача внедрения мембранных систем на основе разделения становится еще более острой для угольных электростанций за счет характера fluegas поток. "Postcombustion мембраны захвата не было даже в проекте МЭ R

"Пост-систем сжигания топлива, которые полагаются на основе аминов разделения OfCO2 уже принимают довольно большой успех, с точки зрения стоимости казни сложившейся техники. Так что обеспечивает довольно большой стимул для мембранных дизайнерам разработать систему, которая может стоить- эффективно модифицировать существующие электростанции ", добавляет он.

Чтобы обойти эту фундаментальную проблему инженерных обработки большого объема низкого давления, разбавить поток, многие из мембранных сегодняшнего разработчики проводят современные материалы мембраны, которые обеспечивают увеличился поток ставок и селективность СО2. (Мембранные материалы рассматриваются в белой бумаги, упомянутые в примечании на стр. 42). Многие из них также разрабатывают свои системы дожигания мембраны вытащить небольшой вакуум на пронизывают стороны (так как это дешевле, чем сжатия больших объемов разбавленных fluegas на входе в стороне), и проводит проекты, которые включают развертки газа на пронизывают стороны (обсуждалось ранее) для увеличения перепада давления через мембрану (рис. а).

ССО был разработан новый CO2-селективный полимерный материал мембраны и модуль - название мембраны метро Polaris - что обеспечивает более высокую проницаемость для СО2 после сгорания fluegas приложений, чем существующие полимерные мембраны, говорит Меркель. Проницаемости является мерой давления нормированного потока, что свидетельствует о том, сколько газа на самом деле течет acrossthe мембраны на единицу перепада давления. Магнитная проницаемость равна (внутреннее свойство материала), разделенное на толщину селективного слоя, и выражается в газопроницаемость единиц (GPU), с 1 GPU = 10 ^ -6 SUP ^ см ^ ^ SUP 3 (STP) / см ^ SUP 2 ^ (scmHg) = 3,3 х 10 ^ ^ SUP -1 моль / (м ^ 2 ^ SUP-х-Па).

С ацетата целлюлозы мембран (наиболее распространенный материал, используемый для удаления CO2 из метана при переработке природного газа), поток ставок "настолько низок, вам нужно слишком большую площадь поверхности мембраны для эффективного лечения fluegas электростанции, поэтому этот материал не является экономической для приложений, электростанции, "Меркель говорит. Для сравнения, spiralwound ССО Polaris мембраны (рис. 3) разработана для отдельных СО2 из неполярных газов (таких, как метан или азот) имеет уровень СО2 проницаемости, что в 10 раз выше, чем у ацетата целлюлозы (1000 GPU по сравнению с 100 GPU).

Потому что ССО Polaris мембраны 10 раз более проницаемы для СО2, чем традиционные материалы (что уменьшает требуемую площадь мембраны и капитальных затрат), и использование пониженного давления воздуха в камеру сгорания, как подметать газа ", мы смогли разработать систему с разумные требования мембраны области, снижение потребности в энергии, а также разумные затраты для захвата fluegas ", говорит Меркель.

На сегодняшний день мембраны ССО Polaris была продемонстрирована в 8-дюйм средах. (Включая 20 м2 площадь мембраны) и 12-дюйма средах. (50 м2) модулей в области обработки природного газа. В конце 2009 года, компания будет работать с Arizona Public службы Ко (APS) Чолла-электростанции (Джозеф Сити, AZ), чтобы продемонстрировать более крупной системы, который будет обрабатывать фактический угольных fluegas и производить 1 тонну / д OfCO2. В промышленных масштабах системы для завода 600 МВт мощности в конечном итоге производить 10000 тонн / сут CO2, говорит Меркель. На сегодняшний день, система воздушного развертки была продемонстрирована на скамейке масштабе; крупномасштабные демонстрации будут проходить в месте APS Чолла.

мембран упрощенного транспорта

Другой класс мембраны - способствовали транспорта мембран или Ftms - "изучаются уже более 40 лет, и показать, мучительно хорошую производительность при идеальных условиях", говорит Меркель. "К сожалению, они никогда не были использованы в коммерческих целях, в первую очередь из-за неустойчивости перевозчика проблем".

Сегодня Carbozyme, Inc (Monmouth Junction, NJ; <a target="_blank" href="http://www.carbozyme.us" rel="nofollow"> www.carbozyme.us </ A>) работает улучшить основные концепции FTM для CO2 захвата от пост-сгорания fluegas. Структурно роман Carbozyme дизайну состоит из ряда полых полимерных волокон мембраны, которые вплетены в ткань плоские, которая обеспечивает управляемый механизм для поддержания плоской пленки жидкости (рис. 4). Жидкость, находящуюся между отдельных прядей мембраны в каждой сплетенный листа, а между листами, которые слоистых и спиральной намотки вписаться в процесс судна. Чередующихся рядов полых волокон полипропилена в ткани нести либо подачи газа или подметать газа. "Этот дизайн сочетает в основе мембранной диффузии и поглощения жидкости для улучшения общего разделения", говорит Майкл Трахтенберг, председатель, президент и главный технический директор Carbozyme.

Некоторые ранние FTM конструкции опираются на аминов (которые агрессивных и токсичных) в качестве жидкой фазы в задних до СО2 и содействие абсорбции и десорбции СО2 через мембрану жидкость интерфейсов в одном устройстве. В отличие от системы FTM Carbozyme полагается на морских вместо.

"Наша спиральной намотки единиц обеспечить массовое поверхности мембраны, помогая свести к минимуму время пребывания, а газ проходит аксиально в канале полых волокон, так что не очень падение давления во всей системе", говорит Трахтенберг. "Как СО2 диффундирует через микропористые, гидрофильные полых волокон, катализируется ферментом (карбоангидразы, или CA), который будет обездвижен на газ-жидкость. CA преобразует СО2 в бикарбонат в сторону канала, и после диффузии бикарбоната через очень тонкие пленки, обратная реакция происходит через второй слой CA на второй поверхности ", объясняет он (рис. 5).

CA является очень эффективным катализатором для превращения CO2 в бикарбоната, растворимость которого в воде на несколько порядков выше, чем у растворенного CO2, и это обеспечивает высокую эффективность разделения, объясняет Трахтенберг. Кроме того, нет отопления или охлаждения входного потока не требуется (fluegas поступает в систему в адиабатической температуре 52 ° C), а также мягкий вакуум натянул нефтепереработки способствует увеличению перепада давления через мембрану волокон. "Пронизывать поток имеет примерно 50% об. CO2 с сопоставимым количеством водяного пара, а когда вода вынимают, сухой ручей пронизывают составляет около 95% об. CO2," говорит он.

На сегодняшний день демонстрации масштаба блока с 0,5 м2 поверхности мембраны в работе на протяжении 250 ч с использованием искусственных смесей газов, которые имитируют fluegas угля. Компания готовится к 40-м2 демонстрации возможностей системы планируется запуск в эксплуатацию в конце этого года, которые он надеется работать для 2000 часов, используя фактические fluegas угля сгорания при энергии энергетики и экологических исследований Центра Univ. Северная Дакота в США.

Как конкурирующих мембранных материалов и конфигураций системы продолжают созревать, инженерное сообщество уверено, что эта технология будет обеспечивать экономически выгодной опцией для CO2 захвата в сравнении с использованием на основе растворителей поглощения, которая является преобладающей вариант технологии, доступных сегодня.

* Примечание редактора: автор написал белый документ по этой теме, которая предоставляет более подробную информацию, а также дополнительные боковые панели, таблицы и рисунки. Он доступен с этой статьей на веб-сайте КЭП, <a target="_blank" href="http://www.aiche.org/cep" rel="nofollow"> www.aiche.org / <белыми / A>.

[Кинжал] Подробнее см. 3 последних статей КЭП от этого автора: "IGCC Энергетика - вниз, но не исключено", сентябрь 2008, с. 8-14; "Улучшение IGCC" Власть Остров "Октябрь 2008, с. 12-13, и "Необходимо: жизнеобеспечения Олд-Кол-короля," Октябрь 2008, стр. 6.

[Двойные] См. кинжал другой недавней статье этого автора ", кислорода и азота: вперед и вверх", ВИС, январь 2009, с. 6-10.

Сюзанна Шелли

Ответственный редактор