utylizacja ditlenku wegla poprzez mineralna karbonatyzacje, [ Pobierz całość w formacie 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
1
 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
.
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.
3
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
22
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
4
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]:
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]