Hiilidioksidimetaanin tekniikan etenemisen ja soveltamisen analyysi

Ilmastomuutoksen selviytymiseksi ja kestävän kehityksen saavuttamiseksi kansainvälinen yhteisö on ryhtynyt toimenpiteisiin hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi, joista yksi on hiilen sieppaustekniikka. Viime vuosina hiilen sieppausteknologia on kehitetty nopeasti ja laajasti käytetty, ja siitä tulee tärkeä keino selviytyä ilmastonmuutoksesta ja vähentää kasvihuonekaasupäästöjä. Hiilen sieppaustekniikan kehittämisessä on kuitenkin edelleen monia haasteita, kuten käyttökustannuksia, nykyaikaisten kemiallisten laitteiden energiankulutusta ja hiilidioksidin varastointia ja kuljetusta. Käyttämällä hiilidioksidia raaka -aineena ja arvokkaita teollisuustuotteita kemiallisten synteesimenetelmien avulla pidetään tehokkaana tapaa ratkaista hiilen sieppauksen rajoitus. CO2: n metanointireaktiota ehdotti Paul Sabatier. CO2: n ja H2: n reaktiota CH4: n tuottamiseksi pidetään tehokkaana tekniikkana hiilidioksidin kierrättämiselle.

Jotkut tutkijat ovat ehdottaneet innovatiivista liiketoimintamallia: käyttämällä CO2 -metaanitekniikkaa ja vihreää vetytekniikkaa CH4: n tuottamiseksi sähköenergian varastoinnin loppuun saattamiseksi kemialliseen energiaan. Tämä malli voi muuntaa ylimääräisen sähkön CH4: ksi varastointia varten, ratkaisemalla uusiutuvan energian volatiliteetin ongelman; Nykyisten maakaasun varastointi- ja kuljetuslaitosten käyttäminen voi vähentää merkittävästi sijoituskustannuksia; Hiilen sieppauksen ja käyttötekniikan kehittämisen edistäminen ja maailmanlaajuisen vihreän energian siirtymisen edistäminen. Tämä artikkeli esittelee CO2-metanointikatalyyttien kehittämisen ja analysoidaan energia-kaasu-tekniikan (PIG) tekniikan teollisuussovelluksen skenaarioita käyttämällä metanointitekniikkaa.

Avainsanat:Hiilidioksidi, metaanointi, kaasu-, hiilen sieppaus, energian varastointi, vedynrehu, vesielektrolyysi

Yhteistyö₂metanointireaktio

Reaktiotermodynamiikka

Seuraavat reaktiot tapahtuvat pääasiassa H: n välillä₂ja C0₂metanointiprosessin aikana.

Pääreaktio: C0₂ + 4H₂⇄ ch₄ + 2H₂ O

                             Δ H=-165.0 kj/mol

Sivureaktio: C0₂ + H₂ ⇄ C0 + H₂ O

Δ h=41.1 kj/mol

Sivureaktio, joka tunnetaan myös nimellä vesikaasun muutosreaktio, on endoterminen. Kun reaktio saavuttaa tietyn lämpötilan, sivutuotteen CO: n selektiivisyys kasvaa ja CH: n selektiivisyys₄vähenee. Siksi CO: n tutkimuksen painopiste₂Metaanekatalyyttejä on kehittää katalyyttejä, joilla on korkea aktiivisuus matalissa lämpötiloissa. Paineen ja lämpötilan vaikutus reaktiotuotteisiin, joissa reagenssien H -tilavuussuhde H₂yhteistyöhön₂on 4: 1.

Katalyyttitutkimus

Metaanointireaktion paremmuus heijastuu pääasiassa sen termodynaamisissa ominaisuuksissa ja teoreettisessa potentiaalissa korkeaan muuntotaajuuteen huoneenlämpötilassa ja paineessa. C0: n jälkeen₂Molekyyli on hapettunut kokonaan ja hiiliatomi ja happiatomi muodostavat kovalenttisen kaksoissidoksen, reaktiolle tarvittava aktivointienergia on erittäin korkea ja tarvitaan katalyytti aktivointienergian vähentämiseksi ja siten muuntamisnopeuden lisäämiseksi.

Ryhmän VIII metallit voivat parantaa muuntoprosenttia ja selektiivisyyttä metanointireaktiossa, ja niiden aktiivisuus on laskevassa järjestyksessä: Ru, IR, RH, Ni, CO, OS, PT, Fe, MO, PD, AG. Kun vain metanointireaktion tärkeimmät tekijät (aktiivisuus ja selektiivisyys) otetaan huomioon, aktiivisuus on laskevassa järjestyksessä: Ru, Fe, Ni, CO, MO ja selektiivisyys on laskevassa järjestyksessä: Ni, CO, Fe, Ru.

Eri metallikatalyyttien suorituskykyvertailu on esitetty taulukossa 1. Siirtymämetalliin (RU, RH, PD jne.) Perustuneet katalyyttiset järjestelmät on kehitetty laajasti. Heillä on erinomainen katalyyttinen aktiivisuus ja selektiivisyys CO: ssa₂Metaanireaktiot! Erityisesti RU-pohjaiset katalyytit osoittavat suurta aktiivisuutta ja selektiivisyyttä matalassa lämpötilassa ja kohtalaisissa olosuhteissa. Tutkimukset ovat osoittaneet, että samoissa reaktio -olosuhteissa 3%RU/AI₂O₃(3% ru ladattu AI: lle₂O₃Kantajalla, sama alla) on korkeampi selektiivisyys CH: lle₄kuin 20%Ni/AI₂O₃. Myös jalometallit (kuten PT) on korkea aktiivisuus ja selektiivisyys CO: ssa₂Metanointireaktiot, mutta niiden korkeista kustannuksista on tullut tärkein este niiden laajamittaiselle sovellukselle CO: ssa₂metanointi. Muilla siirtymämetalleilla (kuten Fe ja CO) on myös tietty kemiallinen reaktiivisuus, mutta niiden selektiivisyys on alhainen, ja niitä käytetään pääasiassa lisäaineena muille bimetallikatalyytteille. Alhaisen hinnan ja runsaasti raaka-aineidensa vuoksi useimmat tutkimus- ja teollisuusprojektit käyttävät NI-pohjaisia katalyyttejä.

Tukien ja lisäaineiden vaikutukset katalyytteihin

Eri kantajilla on suuri rooli katalysaattorien valmistelussa ja parantamisessa. Yleisesti käytetyt kantajat ovat pääasiassa metallin hapettimia. Nämä kantajat lisäävät pääasiassa reagenssien adsorptiokykyä muuttamalla aktiivisen vaiheen olemassaoloa, mukaan lukien pinnan morfologia, metallidisperspari ja pääpaltiset kidekasput, parantaen siten katalyyttistä suorituskykyä. Oksideja, joilla on erityisiä ominaisuuksia, käytetään usein katalysaattorikantajina, kuten AI₂O₃, Sita₂, Zro₂, Toimitusjohtaja₂jne. heidän joukossaan, ai₂O₃on yksi yleisimmin käytetyistä katalysaattorien kantajista, koska sillä on edut alhaisesta hinnasta, suuresta pinta -alasta ja kehittyneistä huokosista. NI/AI: n aktiivinen vaihe kuitenkin₂O₃Katalyytti on helppo sintra ja hibbolisoitu korkeassa lämpötilassa, mikä johtaa katalyytin deaktivoitumiseen. Siksi Ni/AI: n valmistelu₂O₃Katalysaattorista, jolla on hyvä aktiivisuus ja korkea stabiilisuus, on tullut nykyinen tutkimuskeskittymä.

Ni-pohjaisten katalyyttien osalta lisäaineet ovat keskeisiä modifikaatiokomponentteja, jotka voivat merkittävästi muuttaa katalyytin ominaisuuksia ja suorituskykyä. Katalysaattorin suorituskyky on optimoitu erilaisilla mekanismeilla, kuten bimetallisella synergialla, metallielektronisen ympäristön muuttamisessa, spinelilajien muodostumisen estämisestä, reagenssien ja välituotteiden adsorptiota parantaen ja metallin dispersion parantamisen. Sidik et ai. havaitsi, että lisäämällä CO: n sideaineena, valmistettu Ni/MSN-katalyytti osoitti suurempaa aktiivisuutta ja stabiilisuutta kuin Ni/MSN. Analyysi vahvisti, että Ni-CO-seos auttaa vähentämään Ni-hiukkasen kokoa ja tarjoaa paremman metallidispersion suorituskyvyn. Paviotti et ai. Valmistettu Ni-RU-katalyytit ja havaitsi, että RU paransi Ni-pohjaisten katalyyttien vähentämistä ja paransi NI: n adsorptiokykyä H: lle₂, parantaen siten katalysaattorin suorituskykyä.

Metanointireaktion sovellusskenaariot

Vaikka uusiutuvan energian kehitys on tällä hetkellä saavuttanut merkittäviä tuloksia, sillä on myös joitain haasteita. Pullonkaula on pääasiassa uusiutuvien resurssien ennakoimattomuudessa, mikä voi johtaa energiaylijäämään ja tuoda haasteita sähköverkon vakaaseen toimintaan.

PTG -tekniikka käyttää CO: ta₂Metaanointireaktio käyttää uusiutuvan energian ja CO: n tuottamaa vihreää vetyä₂Raaka-aineina synteettisten maakaasutuotteiden tuottamiseksi ja sivutuotteen happi voidaan puhdistaa ja myydä. Laadukkaan reaktiolämpöä hyödyntäminen voi vähentää PTG-tekniikan kustannuksia. Koska muodostetun synteettisen maakaasun pääkomponentti on CH₄, se voidaan lähettää suoraan maakaasuputkilinjan verkkoon, joka toteuttaa CH: n pitkäaikaisen ja suuren mittakaavan varastoinnin₄.

Vety -raaka -aineiden tuotanto

Tärkeimpiä teollisuuden vedyn tuotantomenetelmiä ovat maakaasun vetyjen tuotanto, vesielektrolyysi vedyntuotanto, hiilen vetytuotanto ja teollisuus sivutuotteen vetytuotanto. Lukuun ottamatta vesielektrolyysiä, vetytuotantoa, muut menetelmät vaativat fossiilisen energian käytön. Fossiilienergian vedyn tuotantotekniikka on kypsä ja kustannukset ovat alhaisemmat kuin vesielektrolyysin vedyn tuotanto, mutta tuotantoprosessin aikana syntyy suuri määrä CO₂: ta.

Ihannetapauksessa PTG -tekniikan vety -raaka -aine on H2 (vihreä vety), joka on tuotettu kytkemällä vesielektrolyysitekniikka uusiutuvalla energialla. Tällä hetkellä tärkeimmät vesielektrolyysitekniikat ovat emäksinen vesielektrolyysi (AEL) -tekniikka, protoninvaihtokalvon (PEM) tekniikka, anioninvaihtokalvon (AEM) tekniikka ja kiinteän oksidielektrolysaattorin (SOEC) tekniikka. Niistä AEL-tekniikka on kypsä ja sopiva laajamittaiseen teollisuuden vetytuotantoon, mutta tuotantoaste on alhainen ja virrankulutus on korkea. Ennen vuotta 2014 kotimaisen ja vieraiden vesien elektrolyysiprojektit käyttivät AEL -tekniikkaa. Vuodesta 2015 lähtien PEM: n asennettu kapasiteetti on vähitellen kasvanut. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että PEM -elektrolytserit sopivat työoloihin, joissa on suuria tehonvaihteluita, ovat lyhyempiä käynnistysaikoja ja reagoivat nopeammin uusiutuvan energian vaihteluihin. AEM-tekniikka ja SOEC-tekniikka eivät ole kypsiä: ne eivät tällä hetkellä pysty sopeutumaan teollisuuden mittakaavaan vihreään vetytuotantoon.

Yhteistyö₂Hankinta

Yhteistyökumppani₂Metaanointireaktiossa tulee CO: sta₂-Richöljy- ja kaasukenttiä, suuria hiilivoimalaitoksia, sementtilaitoksia jne. Nämä kasvit yleensä lähettävät suuren määrän CO: ta₂operaation aikana ja korkeapuhtausyhtiö₂Voidaan saada hiilen sieppausteknologialla. Tällä hetkellä palkan jälkeinen sieppaustekniikka on käytetty laajasti tehtaissa, lähinnä kemiallisten absorbenttien avulla CO: n sieppaamiseen₂savukaasussa palamisen jälkeen.

Hiilen sieppaustekniikka on periaatteessa kypsynyt, ja ympäri maailmaa on toteutettu suuri joukko hankkeita. Vaikka hiilen sieppaustekniikka voi vähentää yritysten hiiliverokustannuksia, koko prosessissa ei tuoteta arvokkaita kemiallisia tuotteita. Tällä hetkellä jotkut yhteistyökumppanit₂Käyttö- ja tallennustekniikoilla on potentiaalisia riskejä, kuten CO₂Tulvatekniikka ja maanalainen varastointitekniikka.

PTG -tekniikan tekniikan tapaukset

Tällä hetkellä kotimaassani ei ole laajamittaisia kaupallisia PTG-laitetapauksia, eikä tällä alalla ole paljon tutkimuksia. PTG -tekniikan tutkimus on tällä hetkellä pääasiassa Euroopan maissa, ja Yhdysvallat ja Japani ovat myös lisänneet tämän tekniikan tutkimusta ja kehittämistä viime vuosina.

Chehade et ai. Suoritettu tutkimus ja analyysi 192: sta tehosta-X-demonstraatiohankkeista 32 maassa . 91% hankkeista on edelleen toiminnassa, ja 27% hankkeista harkitsee tuotantoasteikon laajentamista: 99 hanke₂, ja sitten vetypolttokennotekniikkaa tai kaasuturbiineja H: n muuntamiseen₂sähköiseksi ja pistä se suoraan sähköverkkoon; 69 Projekti tuottaa vihreää vetyä ja käyttää metanointitekniikkaa H2: n muuttamiseen CH: ksi₄ja injektoi se maakaasuputkilinjan verkkoon; Euroopassa on 154 PTG-hanketta, joista lähes kolmasosa sijaitsee Saksassa.

Wulf et ai. Tutkittu valta-X-hankkeita Euroopassa. Kesäkuusta 2020 lähtien yhteensä 220 tällaista hanketta on toteutettu tai ne ovat rakenteilla ja suunnittelussa Euroopassa, ja sen hankkeet ovat nopeimmin kasvussa Saksassa ja Ranskassa. Vuonna 2020 20 maata toteutti Power-X-Demonstration -hankkeet, joista 44% sijaitsi Saksassa. Useimmat projektit käyttivät suoraan uusiutuvaa sähköä. Kolmasosa Power-to-X -projekteista muutti H2: n muista myytävänä kaasutuotteiksi. Useimmissa hankkeissa käytettiin biomassan kaasua CO2-raaka-aineena, kun taas toiset käyttivät maakaasun tai hiilivoimalaitoksen savukaasua CO2-raaka-aineena . 66% kaikista hankkeista, joita käytettiin kemiallisia katalyyttisiä metanointireaktioita.

Australia tutkii myös aktiivisesti tapoja muuntaa Co₂CH₄. Etelä -Green Gas aikoo toteuttaa uusiutuvan CH: n₄Projekti CH4: n tuottamiseksi käyttämällä pieniä moduuleja. Nämä moduulit sisältävät aurinkopaneeleja, jotka toimittavat sähköä elektrolytsereille. Elektrolysaattorien tuottama H2 reagoi vangitun Co: n kanssa₂metanointireaktorissa CH: n tuottamiseksi₄, joka sitten injektoidaan Australian maakaasuputkilinjaverkkoon varastointia tai kaupallista käyttöä varten. Hanke käyttää olemassa olevaa putkilinjajärjestelmää kuljetus- ja varastotilana, mikä vähentää merkittävästi infrastruktuurin rakentamisen kustannuksia: liukut voivat olla omavaraisia, vähentäen huomattavasti käyttökustannuksia; Ja edullisen maan vuokraus parantaa edelleen projektin kilpailukykyä.