utylizacja ditlenku wegla poprzez mineralna karbonatyzacje.pdf

Uliasz-Bocheńczyk A., Mazurkiewicz M., Mokrzycki E., Piotrowski Z.: Utylizacja ditlenku węgla poprzez mineralną karbonatyzację.

Polityka Energetyczna, tom 7. Zeszyt specjalny 2004, Wyd. Instytut GSMiE PAN, Krakw, s. 541-554

POLITYKA ENERGETYCZNA

Tom 7

Zeszyt specjalny

2004

Wyd. Instytut GSMiE PAN

Krakw

s. 541-554

PL ISSN 1429Î6675

Alicja ULIASZ-BOCHEŃCZYK * , Maciej MAZURKIEWICZ **

Eugeniusz MOKRZYCKI *** , Zbigniew PIOTROWSKI ****

Utylizacja ditlenku węgla poprzez mineralną

karbonatyzację

Streszczenie

Jednym z najważniejszych zagadnień związanych z szeroko pojętą ochroną środowiska jest

ograniczenie emisji CO 2 . Zobowiązanie zmniejszenia emisji gazw cieplarnianych nakłada na

Polskę protokł z Kyoto. Sekwestracja (działania związane z ograniczeniem emisji CO 2 ) wymaga

najpierw oddzielenia CO 2 ze strumienia gazw odlotowych (SEPARATION) i jego wychwytu

(CAPTURE). Jedną z możliwości sekwestracji CO 2 jest mineralna karbonatyzacja. Mineralna

karbonatyzacja polega na reakcji dwutlenku węgla z minerałami takimi jak np.: oliwin, serpentyn

lub odpadami takimi jak np.: popioły lotne. W wyniku mineralnej karbonatyzacji dwutlenek

węgla jest trwale wiązany. W artykule zostały krtko omwione metody oddzielania i wychwytu

CO 2 oraz rodzaje mineralnej karbonatyzacji.

S ŁOWA KLUCZOWE : oddzielanie CO 2 , wychwytywanie CO 2 , sekwestracja CO 2 , mineralna

karbonatyzacja

Wprowadzenie

Emisja gazw cieplarnianych, a przede wszystkim dwutlenku węgla stała się jednym z ważnych

problemw ekologicznych ostatnich lat. Protokł z Kyoto zobowiązuje kraje do zmniejszenia emisji

gazw cieplarnianych o około 5% poniżej poziomu 1990 roku w okresie od 2008 do 2012 roku.

Wielkości tej redukcji są zrżnicowane dla poszczeglnych krajw i wahają się od 8% dla Unii

* dr inż., Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi Energią PAN;

** prof. dr hab. inż., Katedra Ekologii Terenw Grniczych AGH;

*** prof. dr hab. inż., Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN;

**** dr inż., Katedra Ekologii Terenw Grniczych AGH

Recenzent: prof. dr hab. inż. Anna MARZEC

Uliasz-Bocheńczyk A., Mazurkiewicz M., Mokrzycki E., Piotrowski Z.: Utylizacja ditlenku węgla poprzez mineralną karbonatyzację.

Polityka Energetyczna, tom 7. Zeszyt specjalny 2004, Wyd. Instytut GSMiE PAN, Krakw, s. 541-554

Europejskiej i krajw z nią stowarzyszonych (poza Polską i Węgrami), 7% dla Stanw

Zjednoczonych, 6% dla Japonii, Kanady, Węgier i Polski, 0% dla Rosji i Ukrainy.

Najwyższa emisja ditlenku węgla powstaje w wyniku spalania paliw konwencjonalnych. Wśrd

zakładw przemysłowych, ktre są największymi emitentami ditlenku węgla należy wymienić przede

wszystkim przemysł energetyczny, jak rwnież przemysł cementowy [23].

Z tego względu prowadzone są w wielu krajach działania w celu ograniczenia emisji ditlenku

węgla oraz jego magazynowania lub utylizacji [19, 20]. Działania związane z ograniczeniem emisji

CO 2 nazywane są sekwestracją ( ang. sequestration ). Sekwestracja wymaga jednak wcześniejszego

oddzielenia CO 2 ( ang. separation ) i jego wychwytywania ( ang. capture ).

W artykule omwione zostaną w formie skrconej sposoby oddzielenia i wychwytywania CO 2

oraz jego sekwestracji na drodze mineralnej karbonatyzacji.

Ze względu na niewielką ilość publikacji dotyczących oddzielania i wychwytywania CO 2

dostępnych w języku polskim [13, 18, 21], autorzy krtko przedstawili w artykule metody stosowane

do oddzielania i wychwytywania CO 2 .

Jedną z możliwości sekwestracji CO 2 jest mineralna karbonatyzacja, ktra polega na reakcji

ditlenku węgla z minerałami takimi jak: oliwin, serpentynit czy talk lub odpadami takimi jak np.

popioły lotne. W wyniku mineralnej karbonatyzacji ditlenek węgla zostaje trwale wiązany.

Oddzielanie CO 2

Istnieje wiele metod oddzielania CO 2 ze spalin, wśrd ktrych należy wymienić: absorpcję

fizyczną, absorpcję chemiczną, adsorpcję fizyczną, frakcjonowanie kriogeniczne, separację

membranową (w tym membrany gazowe).

Absorpcja

Najczęściej stosowaną metodą oddzielania CO 2 ze spalin jest absorpcja chemiczna.

Proces ten polega na przepuszczaniu schłodzonych i wstępnie oczyszczonych spalin (usuwane

jest SO 2 ) przez kolumnę absorpcyjną, gdzie dochodzi do kontaktu z rozpuszczalnikiem, ktry

absorbuje większość CO 2 . Bogaty w CO 2 rozpuszczalnik jest przepuszczany przez desorber gdzie

uwalniany jest ditlenek węgla. Następnie CO 2 jest sprężany i oczyszczany [5]. W wyniku

zastosowania metody absorpcji, CO 2 otrzymywane jest w postaci gazu [1].

Zazwyczaj w procesach absorpcji chemicznej stosowane są aminy (monoetyloamina

MEA,

DEA), wodny roztwr amoniaku lub kwaśnego węglanu potasu.

W procesie absorpcji fizycznej, CO 2 może być fizycznie absorbowane przez rozpuszczalnik

zgodnie z prawem Henry`ego i regenerowany poprzez redukcję ciśnienia i temperatury (jednoczesną

obydwu parametrw lub jednego z nich). W przypadku stosowania absorpcji fizycznej stosowane są

systemy oparte na technologiach firmowych (opatentowanych): Selexol, Rectisol i inne [1].

Adsorpcja

Metoda oddzielania CO 2 ze strumienia gazw na drodze adsorpcji oparta jest na fizycznym

przyciąganiu pomiędzy gazem a ciałami stałymi. Do oddzielania CO 2 na drodze adsorpcji stosowane

są materiały charakteryzujące się dużą powierzchnią właściwą, takie jak: zeolity i węgiel aktywny,

korund oraz żel glinowy i krzemionkowy [22].

Proces ten jest cykliczny z dwoma podstawowymi etapami: adsorpcją i odzyskiwaniem CO 2 . W

trakcie adsorpcji gaz jest doprowadzany do warstwy stałej, ktra adsorbuje CO 2 i przepuszcza inne

gazy. Po zaadsorbowaniu na warstwie, gaz jest kierowany do innej czystej warstwy adsorbującej, a

warstwa wypełniona jest odzyskiwana poprzez usunięcie z niej CO 2 .

dietyloamina

Uliasz-Bocheńczyk A., Mazurkiewicz M., Mokrzycki E., Piotrowski Z.: Utylizacja ditlenku węgla poprzez mineralną karbonatyzację.

Polityka Energetyczna, tom 7. Zeszyt specjalny 2004, Wyd. Instytut GSMiE PAN, Krakw, s. 541-554

pressure swing adsorption )

(adsorbent jest regenerowany przez zmniejszanie ciśnienia), zmiennotemperaturowa (TSA

electric swing adsorption ) (regeneracja następuje poprzez przepuszczanie

niskonapięciowego prądu elektrycznego przez adsorbent) [22].

Separacja membranowa

Rozdzielanie gazw na membranach litych polega na rżnicach we wzajemnych

fizykochemicznych i chemicznych oddziaływaniach pomiędzy składnikami mieszaniny gazw a

materiałem membrany. Zjawisko to spowodowane jest rżnicą w szybkości przenikania składnikw

gazu przez membranę [22]. Jeden ze składnikw gazu rozpuszcza się w materiale z ktrego jest

membrana i następnie dyfunduje przez membranę na drugą stronę. Membrana dzieli więc spaliny na

strumień przenikający i strumień zatrzymany.

Absorpcyjne membrany gazowe są mikroporowatymi ciałami stałymi, ktre umożliwiają

przeniesienie jednego ze składnikw gazowych do cieczy absorbującej ten składnik. Oddzielanie jest

spowodowane obecnością cieczy absorbującej po jednej stronie membrany, ktra selektywnie usuwa

pewne składniki ze strumienia gazw cyrkulujących po drugiej stronie membrany. CO 2 przenika przez

pory membrany i ulega rozpuszczaniu w cieczy absorpcyjnej takiej jak np. monoetyloamina.

Obecnie dostępne są rżne typy membran: porowate nieorganiczne, palladowe, polimerowe i

wykonane z zeolitw. Ponieważ pojedyncze membrany nie prowadzą do wysokiego stopnia separacji,

stosuje się układy wielostopniowe [1].

W przypadku wychwytywania CO 2 stosowane są dwa typy systemw membran: membrany

separujące gaz (ceramiczne i polimerowe) i membrany absorbujące gaz.

W wyniku zastosowania metody oddzielania CO 2 przy pomocy membran, CO 2 otrzymywane jest

w postaci gazu.

Frakcjonowanie kriogeniczne

Frakcjonowanie kriogeniczne polega na sprężaniu i schładzaniu gazu, a następnie usuwaniu

skroplonego CO 2 . Selektywność procesu frakcjonowania kriogenicznego wynika z rżnych warunkw

kondensacji poszczeglnych składnikw spalin [21].

W wyniku stosowania separacji kriogenicznej otrzymuje się CO 2 w formie cieczy [1].

Wychwytywanie CO 2

Rozrżnia się trzy głwne technologie wychwytywania CO 2 w zakładach energetycznych

[22]:

wychwytywanie przed spalaniem ( pre

combustion capture ),

wychwytywanie po spalaniu ( post

combustion capture ),

tlenowe spalanie węgla ( oxy

fuel combustion ).

Wychwytywanie przed spalaniem

Paliwo poddaje się reakcji z niedomiarem powietrza lub z parą wodną, co daje głwnie tlenek

węgla i wodr. Tlenek węgla reaguje z parą wodną w reaktorze katalitycznym w wyniku tej reakcji

powstaje CO 2 i wodr. CO 2 jest oddzielane natomiast wodr jest stosowany jako paliwo w turbinach

gazowych [22]. Na rys. 1 przedstawiono schemat ideowy wychwytywania CO 2 przed spalaniem.

Stosowane są trzy rodzaje adsorpcji: zmiennociśnieniowa (PSA

temperature swing adsorption ) (adsorbent jest regenerowany przez podnoszenie jego temperatury) i

zmiennoelektryczna (ESA

Uliasz-Bocheńczyk A., Mazurkiewicz M., Mokrzycki E., Piotrowski Z.: Utylizacja ditlenku węgla poprzez mineralną karbonatyzację.

Polityka Energetyczna, tom 7. Zeszyt specjalny 2004, Wyd. Instytut GSMiE PAN, Krakw, s. 541-554

POWIETRZE/O /H O

POWIETRZE

PALIWO

CO 2

ZGAZOWANIE/

REFORMOWANIE

H 2 O + CO ⇒

H 2 + CO 2

ODDZIELANIE

H 2

SPALANIE

(TURBINA GAZOWA)

SPALINY

CO 2

Rys. 1. Schemat ideowy wychwytywania CO 2 przed spalaniem

Źrdło: [12]

Fig. 1. Scheme of pre-combustion capture of CO 2

Wychwytywanie po spalaniu

Technologia wychwytywania CO 2 po spalaniu polega na usuwaniu CO 2 ze spalin. Przebieg

procesu wychwytywania nie ma wpływu na procesy spalania paliwa, jednak energia potrzebna do

usuwania CO 2 pobierana jest z procesw produkcji energii [12].

Najczęściej stosowaną metodą separacji CO 2 ze spalin, jest wymywanie CO 2 w procesie

absorpcji chemicznej przy wykorzystaniu monoetyloaminy (MEA).

Pod wieloma względami wychwytywanie CO 2 po spalaniu jest podobne do techniki odsiarczania

spalin (FGD

ENERGIA ELEKTRYCZNA

ENERGIA

CO 2

PALIWO

PROCES WYTWARZANIA

ENERGII ELEKTRYCZNEJ

SPALINY

ODDZIELANIE SPAL INY

CO 2

POWIETRZE

Rys. 2. Schemat ideowy wychwytywania CO 2 po spalaniu

Źrdło: [12]

combustion capture of CO 2

Tlenowe spalanie węgla

Tlenowe spalanie węgla polega na zastosowaniu do spalania powietrza znacznie wzbogaconego

w tlen dzięki uprzedniemu usunięciu zeń azotu.

W technologii tlenowego spalania stosuje się recyrkulację części spalin (złożonych głwnie z

CO 2 i O 2 ), w celu obniżenia temperatury paleniska oraz zwiększenia koncentracji CO 2 [22].

Na rys. 3 przedstawiono schemat ideowy wychwytu CO 2 w procesach tlenowego zgazowania

węgla.

Fig. 2. Scheme of post

flue gas desulphurisation ) [22].

Na rys. 2 przedstawiono schemat ideowy wychwytywania CO 2 po spalaniu.

Uliasz-Bocheńczyk A., Mazurkiewicz M., Mokrzycki E., Piotrowski Z.: Utylizacja ditlenku węgla poprzez mineralną karbonatyzację.

Polityka Energetyczna, tom 7. Zeszyt specjalny 2004, Wyd. Instytut GSMiE PAN, Krakw, s. 541-554

POWIETRZE

ENERGIA ELEKTRYCZNA

CO 2

PAL IWO

ROZDZIAŁ

POWIETRZA

PROCES WYTWARZANIA

ENERGII ELEKTRYCZNEJ

SPALINY

KONDENSATOR

TLEN

CO 2

WODA

Rys. 3. Schemat ideowy wychwytywania CO 2 z zastosowaniem tlenowego zgazowania węgla

Źrdło: [12]

Fig. 3. Scheme of oxy

fuel combustion

Sekwestracja CO 2

Sekwestracja CO 2 może być przeprowadzana rżnymi metodami. W tabeli 1 przedstawiono

najprostszy podział metod sekwestracji CO 2 . Jedną z nich jest mineralna karbonatyzacja.

Tabela 1. Podział metod sekwestracji CO 2

Table 1. Subdivision of CO 2 sequestration methods

Rodzaj metody

Sposb utylizacji CO 2

Składowanie

Chemiczna

Biologiczna

Fizyczna

produkcja chemikaliw

mineralna sekwestracja CO 2

biosfera (np. zalesianie)

składowanie w oceanach

składowanie w utworach geologicznych

zbiorniki gazu i ropy naftowej

głębokie utwory solne

wzmaganie wydobycia ropy naftowej i

gazu

Źrdło: [7]

Mineralna karbonatyzacja

Mineralna karbonatyzacja jest jedną z metod sekwestracji CO 2 . Polega ona na reakcji CO 2 z

występującymi w przyrodzie minerałami lub z odpadami mineralnymi, w wyniku ktrej powstają

trwałe związki węglanowe [7]. Metoda ta jest bezpieczną metodą składowania długoterminowego.

Proces mineralnej karbonatyzacji poprzez wiązanie CO 2 w naturalnych surowcach mineralnych

takich jak talk czy serpentyn jest zjawiskiem występującym w przyrodzie [13]. Jest to jedna z reakcji

w wyniku ktrej następuje starzenie się skał w warunkach atmosferycznych, np. [9]:

CaSiO 3 (wolastonit) + 2CO 2 + H 2 O

Ca 2+ + 2HCO 3 −

+ SiO 2

(1)

a następnie powstaje CaCO 3 :

CaSiO 3 + CO 2

CaCO 3 + SiO 2

(2)

Jest to jednak reakcja przebiegająca bardzo wolno.

Zjawisko to stało się podstawą do opracowywania rżnych metod sekwestracji CO 2 na drodze

mineralnej karbonatyzacji przy zastosowaniu surowcw mineralnych występujących w przyrodzie.

Minerałami naturalnymi, ktre mogą być stosowane do sekwestracji CO 2 na drodze mineralnej

karbonatyzacji są m.in.: serpentyn (Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 ), talk (Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 ), oliwin (Mg 2 SiO 4 ).

Wśrd odpadw, ktre można stosować wymienić należy: popioły lotne, krzemiany wapniowe i

magnezowe, odpady azbestowe, żużle hutnicze, masę Bayera [2, 7, 14].

Mineralna karbonatyzacja może być przeprowadzana dwiema podstawowymi metodami [7]:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: