Lai tiktu galā ar klimata izmaiņām un sasniegtu ilgtspējīgu attīstību, starptautiskā sabiedrība ir veikusi virkni pasākumu, lai samazinātu CO2 emisijas, no kurām viena ir oglekļa uztveršanas tehnoloģija. Pēdējos gados oglekļa uztveršanas tehnoloģija ir strauji attīstīta un plaši izmantota, kļūstot par svarīgu līdzekli, lai tiktu galā ar klimata izmaiņām un samazinātu siltumnīcefekta gāzu emisijas. Tomēr oglekļa uztveršanas tehnoloģijas attīstība joprojām saskaras ar daudzām problēmām, piemēram, ekspluatācijas izmaksām, mūsdienu ķīmisko aprīkojuma enerģijas patēriņu un CO2 uzglabāšanu un transportēšanu. CO2 kā izejvielu izmantošana un vērtīgu rūpniecības produktu sagatavošana, izmantojot ķīmiskās sintēzes metodes, tiek uzskatīts par efektīvu veidu, kā atrisināt oglekļa uztveršanas ierobežošanu. CO2 metanācijas reakciju ierosināja Pols Sabatjērs. CO2 un H2 reakcija uz CH4 iegūšanu tiek uzskatīta par efektīvu tehnoloģiju CO2 pārstrādei.
Daži pētnieki ir ierosinājuši inovatīvu biznesa modeli: izmantojot CO2 metanācijas tehnoloģiju un zaļo ūdeņraža tehnoloģiju, lai ražotu CH4, lai pabeigtu elektriskās enerģijas uzkrāšanu ķīmiskajā enerģijā. Šis modelis var pārveidot lieko elektrību CH4 uzglabāšanai, risinot atjaunojamās enerģijas nepastāvības problēmu; Esošo dabasgāzes uzglabāšanas un transporta iekārtu izmantošana var ievērojami samazināt ieguldījumu izmaksas; Veicinot oglekļa uztveršanas un izmantošanas tehnoloģijas attīstību un veicinot globālo zaļās enerģijas pāreju. Šis dokuments iepazīstina ar CO2 metanācijas katalizatoru attīstību un analizē jaudas-gāzes (PIG) tehnoloģijas rūpniecisko pielietojuma scenārijus, izmantojot metanācijas tehnoloģiju.
Atslēgas vārdi:Oglekļa dioksīds, metanācija, jauda-gāze, oglekļa uztveršana, enerģijas uzkrāšana, ūdeņraža izejviela, ūdens elektrolīze
Līdzdalība2metanācijas reakcija
Reakcijas termodinamika
Starp H galvenokārt notiek šādas reakcijas2un C02metanācijas procesa laikā.
Galvenā reakcija: C02 + 4H2⇄ ch4 + 2H2 O
Δ H=-165.0 kj/mol
Sānu reakcija: C02 + H2 ⇄ C0 + H2 O
Δ h=41.1 kj/mol
Sānu reakcija, kas pazīstama arī kā ūdensgāžas maiņas reakcija, ir endotermiska. Kad reakcija sasniedz noteiktu temperatūru, palielinās blakusprodukta CO selektivitāte, un CH selektivitāte4samazinās. Tāpēc CO pētniecības uzmanības centrā2Metanācijas katalizatori ir attīstīt katalizatorus ar augstu aktivitāti zemā temperatūrā. Spiediena un temperatūras ietekme uz reakcijas produktiem, kur reaģentu tilpuma attiecība h2līdz co2ir 4: 1.
Katalizatora pētījums
Metanācijas reakcijas pārākums galvenokārt atspoguļojas tās termodinamiskajās īpašībās un teorētiskajā potenciālā lielam konversijas ātrumam istabas temperatūrā un spiedienā. Kopš C02Molekula ir pilnībā oksidēta, un oglekļa atoms un skābekļa atoms veido kovalentu dubultā saiti, reakcijai nepieciešamā aktivizācijas enerģija ir ļoti augsta, un katalizators ir nepieciešams, lai samazinātu aktivizācijas enerģiju un tādējādi palielinātu konversijas ātrumu.
VIII grupas metāli var uzlabot pārveidošanas ātrumu un selektivitāti metanācijas reakcijā, un to aktivitāte ir dilstošā secībā: Ru, IR, RH, Ni, Co, OS, Pt, Fe, MO, PD, AG. Ja tiek ņemti vērā tikai vissvarīgākie metanācijas reakcijas faktori (aktivitāte un selektivitāte), aktivitāte ir dilstošā secībā: Ru, Fe, Ni, Co, MO un selektivitāte ir dilstošā secībā: Ni, Co, Fe, Ru.
Dažādu metālu katalizatoru veiktspējas salīdzinājums ir parādīts 1. tabulā. Katalītiskās sistēmas, kuru pamatā ir pārejas metāli (RU, RH, PD utt.), Ir plaši attīstītas. Viņiem ir lieliska katalītiskā aktivitāte un selektivitāte CO2Metanācijas reakcijas! Jo īpaši uz RU balstītiem katalizatoriem ir augsta aktivitāte un selektivitāte zemā temperatūrā un mērenos apstākļos. Pētījumi liecina, ka tādos pašos reakcijas apstākļos 3%RU/AI2O3(3% ru ielādēts uz AI2O3Pārvadātājam, tam pašam zemāk) ir augstāka selektivitāte pret ch4nekā 20%NI/AI2O3Apvidū Dārgmetāliem (piemēram, PT) ir arī augsta aktivitāte un selektivitāte CO2Metanācijas reakcijas, bet viņu augstās izmaksas ir kļuvušas par galveno šķērsli viņu liela mēroga pielietojumam CO2metanācija. Arī citiem pārejas metāliem (piemēram, Fe un Co) ir noteikta ķīmiska reaktivitāte, taču to selektivitāte ir zema, un tos galvenokārt izmanto kā piedevas citiem bimetāliem katalizatoriem. Sakarā ar zemo cenu un bagātīgajām izejvielām, vairums pētījumu un rūpniecisko projektu izmanto NI bāzes katalizatorus.
Atbalsta un piedevu ietekme uz katalizatoriem
Dažādiem pārvadātājiem ir liela loma katalizatoru sagatavošanā un uzlabošanā. Parasti izmantotie nesēji galvenokārt ir metāla oksidantu nesēji. Šie pārvadātāji galvenokārt palielina reaģentu adsorbcijas spēju, mainot aktīvās fāzes eksistences stāvokli, ieskaitot virsmas morfoloģiju, metāla izkliedi un galvenās pakļautās kristāla sejas, tādējādi uzlabojot katalītisko veiktspēju. Oksīdus ar īpašām īpašībām bieži izmanto kā katalizatora nesējus, piemēram, AI2O3, Sio2, Zro2, Izpilddirektors2utt. Starp tiem, AI2O3ir viens no visbiežāk izmantotajiem katalizatora pārvadātājiem, jo tam ir zemas cenas, lielas virsmas laukuma un attīstītās poras priekšrocības. Tomēr Ni/AI aktīvā fāze2O3Katalizatoru ir viegli saķere un karbonizēt augstā temperatūrā, kā rezultātā katalizators tiek deaktivizēts. Tāpēc Ni/AI sagatavošana2O3Katalizators ar labu aktivitāti un augstu stabilitāti ir kļuvis par pašreizējo pētījumu fokusu.
NI bāzes katalizatoriem piedevas ir galvenie modifikācijas komponenti, kas var ievērojami mainīt katalizatora īpašības un veiktspēju. Katalizatora veiktspēja tiek optimizēta, izmantojot dažādus mehānismus, piemēram, bimetāla sinerģiju, mainot metāla elektronisko vidi, kavējot spinelu sugu veidošanos, uzlabojot reaģentu un starpproduktu adsorbciju un uzlabojot metāla izkliedi. Sidik et al. Konstatēja, ka, pievienojot CO kā saistvielu, sagatavotais Ni-Co/MSN katalizators uzrādīja augstāku aktivitāti un stabilitāti nekā Ni/MSN. Analīze apstiprināja, ka Ni-Co sakausējums palīdz samazināt Ni daļiņu lielumu un nodrošina labāku metāla izkliedes veiktspēju. Paviotti et al. sagatavoja Ni-Ru katalizatorus un atklāja, ka RU uzlaboja Ni bāzes katalizatoru samazināmību un uzlaboja NI adsorbcijas spēju H2, tādējādi uzlabojot katalizatora veiktspēju.
Metanācijas reakcijas pielietojuma scenāriji
Pašlaik, kaut arī atjaunojamās enerģijas attīstība ir sasniegusi ievērojamus rezultātus, tā saskaras arī ar dažiem izaicinājumiem. Satvielums galvenokārt ir atjaunojamo resursu neparedzamība, kas var izraisīt enerģijas pārpalikumu un radīt izaicinājumus enerģijas tīkla stabilai darbībai.
PTG tehnoloģija izmanto CO2metanācijas reakcija, izmanto zaļo ūdeņradi, ko ražo atjaunojamā enerģija un CO2Kā izejvielas sintētiskās dabasgāzes produktu ģenerēšanai, un blakusproduktu skābekli var attīrīt un pārdot. Pilnīga augstas kvalitātes reakcijas siltuma izmantošana var samazināt PTG tehnoloģijas izmaksas. Tā kā ģenerētās sintētiskās dabasgāzes galvenā sastāvdaļa ir CH4, to var tieši nosūtīt uz dabasgāzes cauruļvadu tīklu, saprotot CH ilgtermiņa un liela mēroga glabāšanu4.
Ūdeņraža izejvielu ražošana
Galvenās rūpnieciskās ūdeņraža ražošanas metodes ir dabasgāzes ūdeņraža ražošana, ūdens elektrolīzes ūdeņraža ražošana, ogļskābes ražošana un rūpnieciskā blakusprodukta ūdeņraža ražošana. Izņemot ūdens elektrolīzi, ūdeņraža ražošanu, citām metodēm ir nepieciešama fosilā enerģija. Fosilās enerģijas ūdeņraža ražošanas tehnoloģija ir nobriedusi, un izmaksas ir zemākas nekā ūdens elektrolīzes ūdeņraža ražošana, bet ražošanas procesā tiks radīts liels daudzums CO₂.
Ideālā gadījumā PTG tehnoloģijas ūdeņraža izejviela ir H2 (zaļais ūdeņradis), ko ražo, savienojot ūdens elektrolīzes tehnoloģiju ar atjaunojamo enerģiju. Pašlaik galvenās ūdens elektrolīzes tehnoloģijas ir sārmainas ūdens elektrolīzes (AEL) tehnoloģija, protonu apmaiņas membrānas (PEM) tehnoloģija, anjonu apmaiņas membrānas (AEM) tehnoloģija un cietā oksīda elektrolizatora (SOEC) tehnoloģija. Starp tiem AEL tehnoloģija ir nobriedusi un piemērota liela mēroga rūpniecības ūdeņraža ražošanai, taču ražošanas ātrums ir zems, un enerģijas patēriņš ir augsts. Pirms 2014. gada vietējie un ārvalstu ūdens elektrolīzes projekti izmantoja AEL tehnoloģiju. Kopš 2015. gada PEM uzstādītā ietilpība ir pakāpeniski palielinājusies. Tas galvenokārt ir saistīts ar faktu, ka PEM elektrolizeri ir piemēroti darba apstākļiem ar lielām jaudas svārstībām, ar īsāku starta laiku un ātrāk reaģē uz atjaunojamās enerģijas svārstībām. AEM tehnoloģija un SOEC tehnoloģija nav nobriedusi: viņi šobrīd nespēj pielāgoties rūpnieciskā mēroga zaļā ūdeņraža ražošanai.
Līdzdalība2Iegūšana
CO2metanācijas reakcijā nāk no CO2-Rihs naftas un gāzes lauki, lielas ogļu spēkstacijas, cementa iekārtas utt. Šie augi parasti izstaro lielu daudzumu CO2Darbības laikā un augstas tīrības CO2var iegūt, izmantojot oglekļa uztveršanas tehnoloģiju. Pašlaik pēcapstrādes uztveršanas tehnoloģija ir plaši izmantota rūpnīcās, galvenokārt izmantojot ķīmiskos absorbētājus, lai uztvertu CO2dūmgāzē pēc sadedzināšanas.
Oglekļa uztveršanas tehnoloģija būtībā ir nobriedusi, un visā pasaulē ir īstenots liels skaits projektu. Lai arī oglekļa uztveršanas tehnoloģija var samazināt uzņēmumu oglekļa nodokļa izmaksas, visā procesā netiek ražoti vērtīgi ķīmiskie produkti. Pašlaik daži co2Izmantošanas un uzglabāšanas tehnoloģijām ir potenciāls risks, piemēram, CO2Plūdu tehnoloģija un pazemes uzglabāšanas tehnoloģija.
PTG tehnoloģijas inženierijas gadījumi
Pašlaik manā valstī nav liela mēroga komerciālu PTG ierīču gadījumu, un šajā jomā nav daudz pētījumu. PTG tehnoloģijas pētījumi šobrīd galvenokārt ir Eiropas valstīs, un arī Amerikas Savienotās Valstis un Japāna pēdējos gados ir palielinājuši šo tehnoloģiju pētījumu un attīstību.
Chehade et al. Veica pētījumu un analīzi par 192 demonstrācijas projektiem, kas jaudas un x 32 valstīs . 91% projektu joprojām darbojas, un 27% projektu apsver iespēju paplašināt ražošanas skalu: 99 projekti vispirms izmanto atjaunojamo enerģiju, lai iegūtu H H ražošanai2, pēc tam izmantojiet ūdeņraža degvielas elementu tehnoloģiju vai gāzes turbīnas, lai pārveidotu H2elektrībā un tieši ievadiet to strāvas tīklā; 69 Projekti ražo zaļo ūdeņradi un izmanto metanācijas tehnoloģiju, lai H2 pārveidotu par CH4un ievadiet to dabasgāzes cauruļvadu tīklā; Eiropā ir 154 PTG projekti, no kuriem gandrīz viena trešdaļa atrodas Vācijā.
Wulf et al. Izpētīja projektus Power-to-X Eiropā. Sākot ar 2020. gada jūniju, kopā ir ieviesti 220 šādi projekti vai tiek plānoti un plānoti Eiropā, visstraujāk pieaugot projektiem Vācijā un Francijā. 2020. gadā 20 valstis ieviesa demonstrācijas projektus Power-O-X, no kuriem 44% atradās Vācijā. Lielākā daļa projektu tieši izmantoja atjaunojamo elektrību. Viena trešdaļa no jaudas līdz X projektiem H2 pārveidoja par citiem gāzes produktiem, kas tiek pārdoti. Lielākā daļa projektu izmantoja biomasas gāzi kā CO2 izejvielu, savukārt citi izmantoja dūmgāzi no dabasgāzes vai oglēm darbināmas elektrostacijas kā CO2 izejvielu . 66% no visiem projektiem, ko izmantoja ķīmiskās katalītiskās metanācijas reakcijas.
Austrālija arī aktīvi pēta veidus, kā pārveidot CO2uz ch4Apvidū Dienvidu zaļā gāze plāno ieviest atjaunojamo CH4Projekts CH4 ražošanai, izmantojot mazus moduļus. Šajos moduļos ir saules paneļi, kas elektrolizeriem piegādā elektrību. Elektrolzeru ražotais H2 reaģē ar sagūstīto CO2metanācijas reaktorā, lai iegūtu ch4, kas pēc tam tiek ievadīts Austrālijas dabasgāzes cauruļvadu tīklā glabāšanai vai komerciālai lietošanai. Projekts izmanto esošo cauruļvadu sistēmu kā transporta un uzglabāšanas vietu, ievērojami samazinot infrastruktūras būvniecības izmaksas: buksi var būt pašpietiekami, ievērojami samazinot darbības izmaksas; Un lētu zemes noma vēl vairāk uzlabo projekta konkurētspēju.
