Sekwestracja CO
2
oraz metody usuwania CO
2
z gazów odlotowych
Wykonali:
Ewelina Sinda
Małgorzata
Samojeden
Natalia Szczukowska
Michał Smuszkiewicz
Grupa IŚ 6
Sekwestracja CO
2
oraz metody usuwania CO
2
z gazów odlotowych
Wykonali:
Ewelina Sinda
Małgorzata
Samojeden
Natalia Szczukowska
Michał Smuszkiewicz
Grupa IŚ 6
Protokół z Kioto
•
Podpisany na konferencji w Kioto w 1997r., jest
dokumentem uzupełniającym Ramową Konwencję
Narodów Zjednoczonych w Sprawie Zmian Klimatu
(UNFCCC)
•
Cel
protokołu
-
redukcja
emisji
gazów
cieplarnianych CO
2,
CH
4,
N
2
O, HFCs, PFCs, SF
6
o ok.
5% (poziom odniesienia – emisja z 1990r.)
•
Zasady obowiązujące państwa ratyfikujące Protokół
•
Dodatkowe postanowienia
•
Rozwój technologii proekologicznych w krajach
uboższych
•
Możliwa „wymiana handlowa” limitami emisji gazów
•
Ratyfikowany w 2005 roku przez 141 krajów
Sekwestracja
‘Sekwestracja’ – dosłownie
‘przechowywanie do czasu podjęcia
właściwej decyzji’
Sekwestra
cja
Pośrednia
Usuwanie CO
2
z
atmosfery
Bezpośredni
a
Oddzielanie i
wychwytywanie
Schemat 1.
Podział sekwestracji
Metody
sekwestr
acji
chemiczn
e
biologicz
ne
fizyczne
Schemat 2. Podział metod sekwestracji
Model sekwestracji CO
2
Rys. 1.
Etap I – Separacja
Metody usuwania CO
2
z gazów
odlotowych
•
Adsorpcja
•
Absorpcja
•
Metoda Carnola
•
Separacja membranowa
•
Separacja kriogeniczna
Adsorpcja
Fizyczne przyciąganie pomiędzy gazem a tzw. „miejscami
aktywnymi” na ciele stałym
Stosowane materiały cechujące się dużą powierzchnią właściwą:
zeolity, węgiel aktywny, korund, żel glinowy i krzemionkowy.
Rodzaje:
• TSA - adsorpcja za pomocą wahań temperatury
• PSA – adsorpcja za pomocą wahań ciśnienia
Rys. 2. Mechanizm adsorpcji związku
powierzchniowo czynnego
Adsorpcja
jest
procesem
cyklicznym. Na efektywność
wpływają niska temperatura i
wysokie ciśnienie.
+ Zalety: łatwa obsługa,
możliwość
konserwacji
instalacji.
- Wady: niska selektywność
gazów,
konieczność
stosowania
kilku
węzłów
adsorpcji,
konieczność
usuwania SO
x
i pary wodnej
ze spalin.
Absorpcja
• Proces dyfuzyjny – pochłanianie absorbatu przez absorbent.
• Etapy:
Zbieranie CO
2
1.
Retencjonowani
e CO
2
2
.
Uwalnianie
CO
2
3
.
Schemat 3.
Etapy procesu
absorpcji
Absorpcja fizyczna
Adsorpcja chemiczna
Wady
- niska skuteczność
• energochłonność
• korozyjność instalacji
• konieczność pozbawienia spalin
SO
2,
O
2,
węglowodorów i pyłu
Zalety
+ prostota
+ wymaga niższych temperatur niż
absorpcja chem.
+ prostota
+ niska prężność cząstkowa CO
2
• 3 układy absorpcji i stosowane absorbenty:
• chemiczny – monoetanoloamina MEA, dietanoloamina DEA,
diglikoloamina DGA, metylolietanoloamina MPEA, aminy KS-1, KS-2,
węglan potasu lub sodu, wodny roztwór amoniaku, wodorotlenek sodu
• fizyczny – zimny metanol (rectisol), glikol (selexol), glikopolietylen,
węglan propylenowy, sulofan i in.
• hybrydowy - łączy najlepsze cechy rozpuszczalników fizycznych i
chemicznych
Budowa
absorbera
1a – króciec
doprowadzający
1b – króciec
doprowadzający ciecz
2 – odprowadzenie
cieczy zawierającej
pochłonięty gaz
3 – komora
absorpcyjna
4 – wypełnienie
absorbera
Rys. 3. Schemat budowy absorbera
Separacja membranowa
•
Membrany
to
półprzepuszczalne
przegrody,
znalazły zastosowanie w separacji w układach
zarówno ciekłych jak i gazowych. Siłą napędową w
tych operacjach jest różnica ciśnienia, stężenia,
temperatury lub potencjału elektrycznego po obu
stronach membrany.
•
Separacja składników zachodzi wskutek różnicy w
prędkości transportu.
•
Rodzaje membran: porowate (kompozytowe jako
forma udoskonalona), nieporowate i ciekłe
•
Połączenie absorpcji chemicznej w monoetyloaminie
oraz techniki membranowej – metoda bardziej
skuteczna.
1. Kontakt spalin z absorbetem przez membranę.
2. Opuszczenie instalacji przez spaliny.
3. Związanie CO
2
w absorberze.
4. Podgrzanie w wymienniku ciepła.
5. Uwolnienie CO
2
i regeneracja MEA w kolumnie
odpędowej.
6. Powrót do absorbera
Schemat instalacji do absorpcji za pomocą
monoetyloaminy
Rys. 4.
Separacja kriogeniczna
•
Sprężanie i schładzanie gazów do
temperatury -56
0
C, wydzielenie CO
2
+ Zaleta: duża selektywność gazów –
czyste CO
2
- Wada: duża energochłonność
Rys. 5. Schemat
procesu
separacji
kriogenicznej
0000
Metoda Carnola
•
Usuwanie CO
2
z produkcją metanolu,
CO
2
wydzielone w postaci stałej
•
Zastosowanie dla elektrowni
węglowych wytwarzających CH
3
OH
+ Zalety: możliwość ponownego
zagospodarowania metanolu,
możliwość magazynowania lub
sprzedaży CO
2
, oszczędność energii
przez wykorzystanie ciepła
odpadowego z produkcji metanolu
Etap II - Transport CO
2
• Sposoby transportu
• morski
• lądowy
• Główny czynnik
wpływający na
koszty:
• odległość od
źródła emisji do
miejsca
składowania
• Zalety:
- niskie koszty w stosunku do
wychwytywania i składowania
- bezpieczeństwo transportu
rurociągami
Rys. 6.
Instalacja
służąca
do
wychwytywania i transportu
CO
2
(na pierwszym planie)
niemieckiej
elektrowni
Schwarze
Pumpe
firmy
Vattenfall
Etap III - izolacja
3 grupy procesów pozwalających na trwałą
izolację, unieszkodliwienie i składowanie:
• naturalne pochłanianie przez
ekosystem,
• mineralna karbonatyzacja,
• składowanie geologiczne i w oceanach.
Naturalne pochłanianie
• Proces fotosyntezy
6 CO
2
+ 6H
2
O + energia świetlna
C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
• Zalesianie
• Depozycja w roślinach
wieloletnich
• Wiązanie w glebie przez
grzyby
AMF
(Arbuscular
Mycorrhizal Fungi)
• Depozycja w płodach
rolnych,
np.
w
słomie,
możliwość produkcji energii
bez podwyższania stężenia
CO
2
w atmosferze
Rys. 7. Schemat procesu fotosyntezy
Karbonatyzacja mineralna
• Reakcja CO
2
z minerałami zawierającymi
krzemiany magnezu lub odpadami mineralnymi,
produkt: dolomit, kalcyt
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)
• Stosowane substancje: mineralne – talk, oliwin,
serpentyn; odpady - popioły lotne, krzemiany
wapniowe i magnezowe, odpady azbestowe, żużle
hutnicze, masa Bayera;
+ Zalety: trwałe i bezpieczne wiązanie CO
2
,
możliwość
wykorzystywania
produktów
w
budownictwie,;
- Wady: proces przebiega powoli, konieczność
obróbki wstępnej, wysoka energochłonność.
Składowanie geologiczne
•
Historia geologicznego
składowania
•
Cechy formacji
skalnych odpowiednich
do składowania: brak
kontaktu warstw
skalnych ze źródłami
wody pitnej; nadkład
oraz uszczelnienie
zbudowane z
nieprzepuszczalnych
skał o odpowiedniej
miąższości
•
Formacje:
•
głębokie poziomy
wodonośno-
solankowe – pole
Slepiner na M.
Północnym
Rys. 8. Składowanie CO
2
w warstwach solanki w
złożu Sleipner przez firmę Statoil
•
Złoża ropy naftowej i gazu ziemnego
•
Złoża bezpieczne (szczelne) i dobrze poznane
•
Technologia EOR (Enhanced Oil Recovery)
•
Technologia CSEGR (Carbon Sequestraion Enhanced
Gas Recovery)
•
Intensyfikacja wydobycia w przypadku obu złóż
•
Głębokie nieeksploatowane pokłady węgla zawierające
metan
•
ECBM (Enhanced Coal Bed Methane)
•
W fazie doświadczalnej, 2 miejsca na świecie: w USA i
w Polsce (projekt badawczo - rozwojowy RECOPOL w
Kaniowie na Śląsku)
•
Analiza kosztów zatłaczania czystego CO
2
a gazów
spalinowych zawierających azot
•
Kawerny solne
•
Mniejsze znaczenie, w fazie doświadczalnej
+ Zalety: szybkie i wydajne zatłaczanie na jednostkę
objętości
•
Wady: mała pojemność pojedynczych komór,
konieczność zagospodarowania wydobytej solanki,
ryzyko uwolnienia gazu ze względu na plastyczność
pokładów soli
•
Odpowiednie jako tymczasowe magazyny CO
2
Sekwestracja w oceanach
• Proponowane rozwiązania:
• iniekcje gazu na pośrednie głębokości (1500-2000m) i
większe (powyżej 3000m)
• zrzuty bloków stałego CO
2
do oceanów
• ingerencja w życie biologiczne prowadząca do wzrostu
planktonu, który wbudowuje w swoje martwe komórki
CO
2
• Korzyści niewspółmierne do niesionego ryzyka
• Wady:
• Zmiany życia biologicznego oceanu
• Ryzyko uwolnienia CO
2
• Duże koszty
• Sprzeciw społeczny
Bibliografia
1.
Janusz K., J. Kotowicz, 2007, Sposoby redukcji emisji CO
2
z
procesów energetycznych, Rynek Energii, 1/2007
2.
Konieczyński J., 2004: Ochrona powietrza przed szkodliwymi
gazami, metody aparatura i instalacje, Wydawnictwo
Politechniki Śląskiej, Gliwice
3.
Mazur M., 2004: Systemy ochrony powietrza, AGH Uczelniane
Wydawnictwa Naukowo- Dydaktyczne, Kraków
4.
Poborska-Młynarska K., 2008, Wstępna ocena możliwości
sekwestracji CO
2
w ługowniczych komorach solnych w Polsce,
Gospodarka Surowcami Mineralnymi, tom 24, Zeszyt 3/2, str.
56-60
5.
Tarkowski R., 2005: Geologiczna sekwestracja CO
2
.
Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i
Energią PAN, Kraków
6.
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, Kraków, s. 541-554
7.
Wójcicki A., 2010, Geologiczne składowanie CO
2
, Raport
Technologia wychwytywania i geologicznego składowania
dwutlenku węgla (CCS) sposobem na złagodzenie zmian
klimatu, przygotowany na zlecenie Polskiej Konfederacji
Pracodawców Prywatnych Lewiatan, Warszawa
Spis ilustracji
Rys. 1. Model sekwestracji CO
2
, strona internetowa Instytutu Gospodarki
Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk,
www.min-pan.krakow.pl/zaklad-geoinzynierii-i-inzynierii-
srodowiska/pracownia-geotechnologii/1364-co-to-jest-sekwestracja-
co2.html
Rys. 2. Mechanizm adsorpcji związku powierzchniowo czynnego, strona
internetowa Katedry Przeróbki Kopalin i Utylizacji Odpadów
Politechniki Śląskiej,
http://dydaktyka.polsl.pl/rg5/slaczka/chem_V_W2.html
Rys. 3. Schemat budowy absorbera
Rys. 4. Schemat instalacji do absorpcji za pomocą monoetyloaminy
(Konieczyński, 2004)
Rys. 5. Schemat procesu separacji kriogenicznej (Kotowicz, Janusz, Rynek
energii 1/2007)
Rys. 6. Instalacja służąca do wychwytywania i transportu CO
2
(na
pierwszym planie) niemieckiej elektrowni Schwarze Pumpe firmy
Vattenfall (Technologia CCS (…)
http://www.elektryka.org/artykuly,36268,1,Technologia_CCS_Air_Pro
ducts_uruchomiona_w_elektrowni_Schwarze_Pumpe_firmy_Vattenfal
l_w_Niemczech
Rys. 7. Schemat procesu fotosyntezy (Fotosynteza -
pl.wikipedia.org/wiki/Fotosynteza )
Rys. 8. Składowanie CO
2
w warstwach solanki w złożu Sleipner przez
firmę Statoil (strona internetowa Biowęgiel.BIZ, www.
biowegiel.biz/baza-wiedzy/procesy-i-technologie/59-sekwestracja-
co2.html?start=3 )
Schemat 1. Podział sekwestracji (oprac. własne)
Schemat 2. Podział metod sekwestracji (oprac. własne)
Schemat 3. Etapy procesu absorpcji (oprac. własne)