Сорбционная усиленная конверсия водяного газа

Конверсия водяного газа с усиленной сорбцией ( SEWGS ) — это технология, которая сочетает в себе процесс улавливания углерода перед сжиганием с реакцией конверсии водяного газа (WGS) для получения потока, обогащенного водородом, из синтез-газа , подаваемого в реактор SEWGS. ^{[ 1 ]}

Реакция конверсии водяного газа превращает окись углерода в диоксид углерода в соответствии со следующей химической реакцией:

СО + Н ₂ О ⇌ СО ₂ + Н ₂

В то время как углекислый газ улавливается и удаляется посредством процесса адсорбции . ^{[ 1 ]}

на месте _{Адсорбция и удаление CO 2} смещает реакцию конверсии водяного газа в правую сторону, тем самым полностью преобразуя CO и максимизируя производство водорода под высоким давлением. ^{[ 1 ]}

С начала второго десятилетия XXI века эта технология начала привлекать внимание, поскольку она демонстрирует преимущества перед традиционными технологиями улавливания углерода, а также потому, что водород считается энергоносителем будущего. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Процесс

Технология SEWGS представляет собой сочетание реакции конверсии водяного газа с адсорбцией углекислого газа на твердом материале. Типичные диапазоны температуры и давления составляют 350–550 °C и 20–30 бар. Входной газ реакторов SEWGS обычно представляет собой смесь водорода, CO и CO ₂ , куда пар добавляется _{для преобразования CO в CO 2} . ^{[ 4 ]}

Превращение моноксида углерода в диоксид углерода усиливается за счет смещения равновесия реакции за счет адсорбции и удаления CO ₂ , причем последний является одним из образующихся веществ. ^{[ 1 ]}

Технология SEWGS основана на многослойной установке адсорбции с переменным давлением (PSA), в которой емкости заполнены катализатором конверсии водяного газа и материалом, адсорбирующим CO ₂ . Каждый сосуд подвергается ряду процессов. На стадии сорбции/реакции образуется поток, обогащенный водородом, под высоким давлением, тогда как во время регенерации сорбента _{CO 2 .} генерируется поток, обогащенный ^{[ 5 ]}

Процесс начинается с подачи синтез-газа в реактор SEWGS, где CO ₂ адсорбируется и образуется поток, богатый водородом. Регенерация первого резервуара начинается при насыщении материала сорбента CO ₂ , направляя поток сырья в другой резервуар. После регенерации в сосудах вновь создается давление. Многослойная конфигурация необходима для обеспечения непрерывного производства водорода и углекислого газа. Оптимальное количество коек обычно варьируется от 6 до 8. ^{[ 5 ]}

Реакция конверсии водяного газа

Реакция конверсии водяного газа — это реакция между окисью углерода и водяным паром с образованием водорода и углекислого газа:

СО + Н ₂ О ⇌ СО ₂ + Н ₂

Эта реакция была открыта Феличе Фонтана и в настоящее время применяется в широком спектре промышленных применений, например, в процессе производства аммиака , углеводородов , метанола , водорода и других химических веществ. В производственной практике необходимы две секции конверсии водяного газа: высокотемпературная и низкотемпературная, с межсистемным охлаждением. ^{[ 6 ]}

Процесс адсорбции

Адсорбция – это явление сорбции газов или растворенных веществ на твердых или жидких поверхностях. Адсорбция на твердой поверхности происходит, когда некоторые вещества сталкиваются с твердой поверхностью, образуя связи с атомами или молекулами твердой поверхности. Существует два основных процесса адсорбции: физическая адсорбция и химическая адсорбция. Первый из них является результатом взаимодействия межмолекулярных сил. Поскольку образуются слабые связи, адсорбированное вещество легко отделяется. При химической адсорбции образуются химические связи, а это означает, что поглощение или выделение тепла адсорбции и энергия активации больше по сравнению с физической адсорбцией. Эти два процесса часто происходят одновременно. Адсорбирующий материал затем регенерируется посредством десорбции , которая является явлением, противоположным сорбции, высвобождая захваченное вещество из адсорбирующего материала. ^{[ 7 ]}

В технологии SEWGS процесс адсорбции при переменном давлении (PSA) используется для регенерации адсорбентного материала и получения потока, обогащенного CO ₂ . Этот процесс аналогичен тому, который обычно используется для разделения воздуха, очистки водорода и разделения других газов. ^{[ 5 ]}

Традиционная технология удаления углекислого газа

Промышленно используемая технология удаления углекислого газа называется технологией аминной промывки и основана на химическом поглощении углекислого газа. При химической абсорбции происходят реакции между поглощаемым веществом (CO ₂ ) и растворителем , в результате которых образуется богатая жидкость. Далее богатая жидкость поступает в десорбционную колонну, где углекислый газ отделяется от сорбента, который повторно используется для абсорбции CO ₂ . Этаноламин (C ₂ H ₇ NO), диэтаноламин (C ₄ H ₁₁ NO ₂ ), триэтаноламин (C ₆ H ₁₅ NO ₃ ) , моноэтаноламин (C ₂ H ₇ NO) и метилдиэтаноламин (C ₅ H ₁₃ NO ₂ ) обычно используются для удаления CO ₂ . ^{[ 8 ]}

Преимущества SEWGS перед традиционными технологиями

Технология SEWGS демонстрирует некоторые преимущества по сравнению с традиционными технологиями удаления углекислого газа перед сжиганием. Традиционные технологии требуют использования двух реакторов конверсии водяного газа (высокотемпературная и низкотемпературная стадии) для достижения высокой конверсии монооксида углерода в диоксид углерода с промежуточной стадией охлаждения между двумя реакторами. Кроме того, необходима еще одна ступень охлаждения на выходе из второго реактора WGS для улавливания CO ₂ растворителем. Кроме того, поток, обогащенный водородом, на выходе секции SEWGS может быть непосредственно подан в газовую турбину, в то время как поток, обогащенный водородом, полученный традиционным путем, требует дополнительной стадии нагрева. ^{[ 2 ]}

Приложения

Важность этой технологии напрямую связана с проблемой глобального потепления и уменьшением выбросов углекислого газа. В водородной экономике водород считается чистым энергоносителем с высоким содержанием энергии и, как ожидается, заменит ископаемое топливо и другие источники энергии, связанные с проблемами загрязнения. По этим причинам с начала второго десятилетия XXI века данная технология привлекла общественный интерес. ^{[ 3 ]}

Технология SEWGS позволяет производить водород высокой чистоты без необходимости проведения дальнейших процессов очистки. Кроме того, он находит потенциальное применение в широком спектре промышленных процессов, например, при производстве электроэнергии из ископаемого топлива или в черной металлургии. ^{[ 2 ]}^{[ 5 ]}^{[ 9 ]}

Интеграция процесса SEWGS на электростанциях с комбинированным циклом природного газа (NGCC) и комбинированным циклом комплексной газификации (IGCC) изучалась как возможный способ производства электроэнергии из природного газа или угля с почти нулевыми выбросами. На электростанции NGCC достигнутый уровень улавливания углерода составляет около 95 % при чистоте CO ₂ более 99 %, тогда как на электростанциях IGCC коэффициент улавливания углерода составляет около 90 % при _{CO 2 99 %.} чистоте ^{[ 5 ]}^{[ 9 ]}

Исследование интеграции SEWGS на сталелитейных заводах началось во втором десятилетии 21 века. Цель состоит в том, чтобы сократить выбросы углекислого газа в результате этого промышленного процесса, на долю которого приходится 6% общих мировых выбросов CO ₂ и 16% выбросов, образующихся в результате промышленных процессов. ^{[ 10 ]}

Уловленный и удаленный CO ₂ затем можно хранить или использовать для производства дорогостоящих химических продуктов. ^{[ 10 ]}

Сорбенты для процесса SEWGS

Корпуса реакторов загружаются таблетками сорбента. Сорбент должен обладать следующими свойствами: ^{[ 5 ]}

высокая емкость CO ₂ и селективность по H ₂
низкая адсорбция H ₂ O
низкая удельная стоимость
механическая стабильность при изменении давления и температуры
химическая стабильность в присутствии примесей
легкая регенерация паром

Были исследованы различные сорбирующие материалы с целью их использования в SEWGS. Вот некоторые примеры:

K ₂ CO ₃ -промотированный гидротальцит ^{[ 4 ]}^{[ 11 ]}
оксид алюминия, промотированный калием ^{[ 11 ]}
Двойная соль Na–Mg ^{[ 12 ]}
Высокий ^{[ 13 ]}

Промотированный калием гидротальцит является наиболее изученным сорбентом для применения СЭВГС. ^{[ 4 ]} Его основные особенности перечислены ниже: ^{[ 9 ]}

бюджетный
достаточно высокая _{по CO 2} циклическая работоспособность
кинетика быстрой адсорбции
хорошая механическая стабильность

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Янсен, Дэниел; ван Селоу, Эдвард; Кобден, Пол; Манзолини, Джампаоло; Макки, Эннио; Газзани, Маттео; Блом, Ричард; Хериксен, Партов Пакдел; Бивис, Рич; Райт, Эндрю (01 января 2013 г.). «Технология SEWGS теперь готова к масштабированию!» . Энергетическая процедура . 37 : 2265–2273. дои : 10.1016/j.egypro.2013.06.107 . ISSN 1876-6102 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Манзолини, Г.; Джуффрида, А.; Кобден, PD; ван Дейк, HAJ; Руджери, Ф.; Консонни, Ф. (01 марта 2020 г.). «Технико-экономическая оценка технологии SEWGS применительно к металлургическому комбинату для снижения выбросов CO2» . Международный журнал по контролю парниковых газов . 94 : 102935. doi : 10.1016/j.ijggc.2019.102935 . hdl : 11311/1140020 . ISSN 1750-5836 . S2CID 213399935 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Чан Хён Ли; Ки Бонг Ли (22 октября 2014 г.). «Применение однотелых гибридных твердых гранул в реакции конверсии водяного газа с усиленной сорбцией для производства водорода высокой чистоты» . Международный журнал водородной энергетики . 39 (31): 18128–18134. doi : 10.1016/j.ijhydene.2014.04.160 . ISSN 0360-3199 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Баккен, Эгиль; Кобден, Пол Д.; Хенриксен, Партов Пакдел; Хоконсен, Силье Фоссе; Шпелкавик, Ауд И.; Штанге, Марит; Стенсрёд, Рут Элизабет; Вистад, Орнулв; Блум, Ричард (2011). «Разработка сорбентов CO2 для процесса SEWGS с использованием высокопроизводительных технологий» . Энергетическая процедура . 4 : 1104–1109. дои : 10.1016/j.egypro.2011.01.161 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Манзолини, Джампаоло; Макки, Эннио; Бинотти, Марко; Газзани, Маттео (март 2011 г.). «Интеграция SEWGS для улавливания углерода в комбинированном цикле природного газа. Часть A: Термодинамические характеристики». Международный журнал по контролю парниковых газов . 5 (2): 200–213. дои : 10.1016/j.ijggc.2010.08.006 .
^ Барадж, Эрлиса; Чяхотный, Карел; Глинчик, Томас (15 марта 2021 г.). «Реакция конверсии водяного газа: катализаторы и механизм реакции» . Топливо . 288 : 119817. doi : 10.1016/j.fuel.2020.119817 . ISSN 0016-2361 . S2CID 229416891 .
^ ХайдунХу; КеСю (01.01.2020). «Физико-химические технологии для ПХ и контроля рисков» . Загрязнители высокого риска в сточных водах : 169–207. дои : 10.1016/B978-0-12-816448-8.00008-3 . ISBN 9780128164488 . S2CID 209282196 .
^ Иди Чжан; 01 января в . биоэнергетики Ли г. » 2020 Се ; « Достижения области 9780128207444 . ISSN 2468-0125 . S2CID 242158214 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Газзани, Маттео; Макки, Эннио; Манзолини, Джампаоло (01 марта 2013 г.). «Улавливание CO2 в комбинированном цикле интегрированной газификации с помощью SEWGS – Часть A: Термодинамические характеристики» . Топливо . 105 : 206–219. doi : 10.1016/j.fuel.2012.07.048 . ISSN 0016-2361 .
^ Перейти обратно: ^а ^б (Эрик) ван Дейк, HAJ; Кобден, Пол Д.; Лукашук, Лилиана; де Уотер, Леон ван; Лундквист, Магнус; Манзолини, Джампаоло; Кормос, Калин-Кристиан; ван Дейк, Камиэль; Манкузо, Лука; Джонс, Джереми; Беллквист, Дэвид (01 октября 2018 г.). «Проект STEPWISE: технология конверсии воды и газа с усиленной сорбцией для снижения углеродного следа в металлургической промышленности» . Обзор технологий Джонсона Матти . 62 (4): 395–402. дои : 10.1595/205651318X15268923666410 . hdl : 11311/1079169 . ISSN 2056-5135 . S2CID 139928989 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Коэнен, Кай; Галлуччи, Фаусто; Хенсен, Эмиэль; ван Синт Анналанд, Мартин (01 мая 2018 г.). «Механизм хемосорбции CO2 и H2O на различных сорбентах, промотированных калием, для процессов SEWGS» . Журнал использования CO2 . 25 : 180–193. дои : 10.1016/j.jcou.2018.04.002 . ISSN 2212-9820 .
^ Чан Хён Ли; Ки Бонг Ли (01 ноября 2017 г.). «Реакция конверсии водяного газа с усиленной сорбцией для производства водорода высокой чистоты: применение сорбента на основе двойной соли Na-Mg и концепция упаковки с разделенными секциями» . Прикладная энергетика . 205 : 316–322. дои : 10.1016/j.apenergy.2017.07.119 . ISSN 0306-2619 .
^ Живкович, Лука А.; Похар, Андрей; Ликозар, Блаз; Никачевич, Никола М. (15 сентября 2016 г.). «Кинетика и моделирование реактора для реакции высокотемпературной конверсии вода-газ (SE – WGS) с усиленной сорбцией CaO для производства водорода» . Прикладная энергетика . 178 : 844–855. doi : 10.1016/j.apenergy.2016.06.071 . ISSN 0306-2619 .

Внешние ссылки

Проекты, в которых исследуется технология SEWGS:

[:1-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Янсен, Дэниел; ван Селоу, Эдвард; Кобден, Пол; Манзолини, Джампаоло; Макки, Эннио; Газзани, Маттео; Блом, Ричард; Хериксен, Партов Пакдел; Бивис, Рич; Райт, Эндрю (01 января 2013 г.). «Технология SEWGS теперь готова к масштабированию!» . Энергетическая процедура . 37 : 2265–2273. дои : 10.1016/j.egypro.2013.06.107 . ISSN 1876-6102 .

[:4-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Манзолини, Г.; Джуффрида, А.; Кобден, PD; ван Дейк, HAJ; Руджери, Ф.; Консонни, Ф. (01 марта 2020 г.). «Технико-экономическая оценка технологии SEWGS применительно к металлургическому комбинату для снижения выбросов CO2» . Международный журнал по контролю парниковых газов . 94 : 102935. doi : 10.1016/j.ijggc.2019.102935 . hdl : 11311/1140020 . ISSN 1750-5836 . S2CID 213399935 .

[:5-3] Перейти обратно: ^а ^б Чан Хён Ли; Ки Бонг Ли (22 октября 2014 г.). «Применение однотелых гибридных твердых гранул в реакции конверсии водяного газа с усиленной сорбцией для производства водорода высокой чистоты» . Международный журнал водородной энергетики . 39 (31): 18128–18134. doi : 10.1016/j.ijhydene.2014.04.160 . ISSN 0360-3199 .

[:3-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Баккен, Эгиль; Кобден, Пол Д.; Хенриксен, Партов Пакдел; Хоконсен, Силье Фоссе; Шпелкавик, Ауд И.; Штанге, Марит; Стенсрёд, Рут Элизабет; Вистад, Орнулв; Блум, Ричард (2011). «Разработка сорбентов CO2 для процесса SEWGS с использованием высокопроизводительных технологий» . Энергетическая процедура . 4 : 1104–1109. дои : 10.1016/j.egypro.2011.01.161 .

[:2-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Манзолини, Джампаоло; Макки, Эннио; Бинотти, Марко; Газзани, Маттео (март 2011 г.). «Интеграция SEWGS для улавливания углерода в комбинированном цикле природного газа. Часть A: Термодинамические характеристики». Международный журнал по контролю парниковых газов . 5 (2): 200–213. дои : 10.1016/j.ijggc.2010.08.006 .

[6] Барадж, Эрлиса; Чяхотный, Карел; Глинчик, Томас (15 марта 2021 г.). «Реакция конверсии водяного газа: катализаторы и механизм реакции» . Топливо . 288 : 119817. doi : 10.1016/j.fuel.2020.119817 . ISSN 0016-2361 . S2CID 229416891 .

[7] ХайдунХу; КеСю (01.01.2020). «Физико-химические технологии для ПХ и контроля рисков» . Загрязнители высокого риска в сточных водах : 169–207. дои : 10.1016/B978-0-12-816448-8.00008-3 . ISBN 9780128164488 . S2CID 209282196 .

[8] Иди Чжан; 01 января в . биоэнергетики Ли г. » 2020 Се ; « Достижения области 9780128207444 . ISSN 2468-0125 . S2CID 242158214 .

[:6-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с Газзани, Маттео; Макки, Эннио; Манзолини, Джампаоло (01 марта 2013 г.). «Улавливание CO2 в комбинированном цикле интегрированной газификации с помощью SEWGS – Часть A: Термодинамические характеристики» . Топливо . 105 : 206–219. doi : 10.1016/j.fuel.2012.07.048 . ISSN 0016-2361 .

[:0-10] Перейти обратно: ^а ^б (Эрик) ван Дейк, HAJ; Кобден, Пол Д.; Лукашук, Лилиана; де Уотер, Леон ван; Лундквист, Магнус; Манзолини, Джампаоло; Кормос, Калин-Кристиан; ван Дейк, Камиэль; Манкузо, Лука; Джонс, Джереми; Беллквист, Дэвид (01 октября 2018 г.). «Проект STEPWISE: технология конверсии воды и газа с усиленной сорбцией для снижения углеродного следа в металлургической промышленности» . Обзор технологий Джонсона Матти . 62 (4): 395–402. дои : 10.1595/205651318X15268923666410 . hdl : 11311/1079169 . ISSN 2056-5135 . S2CID 139928989 .

[:7-11] Перейти обратно: ^а ^б Коэнен, Кай; Галлуччи, Фаусто; Хенсен, Эмиэль; ван Синт Анналанд, Мартин (01 мая 2018 г.). «Механизм хемосорбции CO2 и H2O на различных сорбентах, промотированных калием, для процессов SEWGS» . Журнал использования CO2 . 25 : 180–193. дои : 10.1016/j.jcou.2018.04.002 . ISSN 2212-9820 .

[12] Чан Хён Ли; Ки Бонг Ли (01 ноября 2017 г.). «Реакция конверсии водяного газа с усиленной сорбцией для производства водорода высокой чистоты: применение сорбента на основе двойной соли Na-Mg и концепция упаковки с разделенными секциями» . Прикладная энергетика . 205 : 316–322. дои : 10.1016/j.apenergy.2017.07.119 . ISSN 0306-2619 .

[13] Живкович, Лука А.; Похар, Андрей; Ликозар, Блаз; Никачевич, Никола М. (15 сентября 2016 г.). «Кинетика и моделирование реактора для реакции высокотемпературной конверсии вода-газ (SE – WGS) с усиленной сорбцией CaO для производства водорода» . Прикладная энергетика . 178 : 844–855. doi : 10.1016/j.apenergy.2016.06.071 . ISSN 0306-2619 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]