Nowa technologia membranowa do efektywnego wychwytywania dwutlenku węgla
Jedną z najskuteczniejszych metod wychwytywania CO2 ze źródeł przemysłowych jest spalanie tlenowo-paliwowe, w którym wymagany tlen (O2) jest oddzielany od powietrza przed spalaniem. Dzięki tej bogatej w O2, wolnej od azotu atmosferze końcowe gazy spalinowe składają się głównie z CO2 i wody, co zapewnia bardziej stężony strumień CO2 ułatwiający oczyszczanie. Główne zapotrzebowanie na energię w tej metodzie wiąże się z wytwarzaniem O2, co zwykle osiąga się poprzez skraplanie powietrza. Zapotrzebowanie na energię jest znacznie obniżone dzięki zastosowaniu termicznie zintegrowanych modułów separacyjnych opartych na ceramicznych membranach transportowych O2. Może to oznaczać nawet 60% zmniejszenie zapotrzebowania na energię wychwytywania w porównaniu do kriogenicznego oddzielania powietrza i redukcję nawet o 40% w porównaniu z metodami wychwytu po spalaniu. Wysoce przepuszczalne materiały membranowe wykazują niestabilność chemiczną w stosunku do CO2 i innych składników spalin. Finansowany ze środków UE projekt GREEN-CC zmierzył się z tym wyzwaniem, opracowując wysoce stabilne membrany i moduł sprawdzający koncepcję (PoC) do zintegrowanej generacji O2 w produkcji cementu i do spalania paliwowo-tlenowego oraz do elektrociepłowni wykorzystujących technologię bloku gazowo-parowego ze zintegrowanym zgazowaniem paliwa. Zwiększona wydajność Naukowcy zbadali cztery możliwe konstrukcje PoC wykorzystujące obliczeniową dynamikę płynów i analizę naprężeń metodą elementów skończonych. Po ocenie zalet i wad każdej koncepcji wybrano najbardziej obiecujące rozwiązanie. „Zawierało ono dwie asymetryczne membrany umieszczone po przeciwnej stronie warstwy pośredniej, co zapewniało zarówno stabilność mechaniczną, jak i kanały przepływowe dla gazu wentylacyjnego. Komponenty są umieszczone w metalowej obudowie tworząc moduł”, wyjaśnia koordynator projektu, dr Wilhelm Meulenberg. Partnerzy projektu zidentyfikowali i zsyntetyzowali szeroką gamę materiałów w skali laboratoryjnej, aby uzyskać wysoką wydajność i stabilność. Przeprowadzili również eksperymenty permeacyjne i testy stabilności w atmosferach zawierających CO2 i tlenek siarki (SOx). Zwiększono produkcję ferrytu kobaltu Lanthanum strontium (LSCF), który jest stabilny w warunkach gazów spalinowych CO2, do stosowania jako materiał referencyjny w module PoC. Opracowano pełnowymiarowe (7 cm x 10 cm) cienkie elementy membranowe LSCF, które umieszczono w module PoC i przetestowano w realistycznych warunkach pracy przez 650 godzin. Naukowcy zbadali zdolność dwufazowych materiałów kompozytowych do zachowania wysokiej stabilności w środowiskach CO2 i SOx. „Aby zwiększyć wydajność membran, przetestowano kilka katalitycznych materiałów aktywnych opartych głównie na tlenkach prazeodymu i ceru i wybrano je do zastosowania jako porowate warstwy powierzchniowe na membranach”, wyjaśnia dr Meulenberg. „Przeprowadzono testy stabilności tych materiałów w atmosferach zawierających CO2 i SOx i zmierzono ich wydajność”. Szeroka gama zastosowań Konsorcjum skupiło się na demonstracji technologii membranowej opartej na asymetrycznej cienkowarstwowej folii transportowej O2 o doskonałych parametrach w zakresie wysokiej przenikalności O2, nieskończonej selektywności O2 i wysokiej stabilności. Ponadto można zbudować dodatkowe zoptymalizowane moduły PoC, używając zarówno standardowych membran LSCF, jak i mebran dwufazowych. Wysoce stabilne materiały zidentyfikowane przez partnerów projektu również dają nadzieję na zastosowanie w technologiach, takich jak katalityczne reaktory membranowe do produkcji chemicznych nośników energii. „Oprócz wychwytywania CO2 technologia GREEN-CC może być stosowana w dziedzinie katalitycznych reaktorów membranowych do produkcji chemikaliów, chemicznych nośników energii, wykorzystania CO2, rozkładu odpadów lub separacji czystego gazu”, zauważa dr Meulenberg. Wyniki projektu GREEN-CC przyniosą korzyści członkom społeczności naukowej zajmującej się membranami do separacji gazów i katalitycznymi reaktorami membranowymi oraz innymi branżom, w których stosowane są membrany. Skorzysta na nich również szersze społeczeństwu poprzez wychwytywanie CO2 i łagodzenie zmian klimatu.
Słowa kluczowe
GREEN-CC, separacja gazu, wychwytywanie dwutlenku węgla, tlenowo-paliwowe, membrany do transportu O2
