برای مقابله با تغییرات آب و هوایی و دستیابی به توسعه پایدار ، جامعه بین المللی یک سری اقدامات را برای کاهش انتشار CO2 انجام داده است که یکی از آنها فناوری ضبط کربن است. در سالهای اخیر ، فناوری ضبط کربن به سرعت توسعه یافته و به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است و به یک وسیله مهم برای مقابله با تغییرات آب و هوایی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای تبدیل شده است. با این حال ، توسعه فناوری ضبط کربن هنوز با چالش های بسیاری از جمله هزینه های عملیاتی ، مصرف انرژی تجهیزات شیمیایی مدرن و ذخیره و حمل و نقل CO2 روبرو است. استفاده از CO2 به عنوان یک ماده اولیه و تهیه محصولات با ارزش صنعتی از طریق روش های سنتز شیمیایی روشی مؤثر برای حل محدودیت ضبط کربن در نظر گرفته می شود. واکنش متناسیون CO2 توسط پل ساباتیر پیشنهاد شد. واکنش CO2 و H2 برای تولید CH4 یک فناوری مؤثر برای بازیافت CO2 در نظر گرفته می شود.
برخی از محققان یک مدل تجاری نوآورانه ارائه داده اند: با استفاده از فناوری CO2 Methanation و فناوری هیدروژن سبز برای تولید CH4 برای تکمیل ذخیره انرژی الکتریکی در انرژی شیمیایی. این مدل می تواند برق اضافی را برای ذخیره سازی به CH4 تبدیل کند و مشکل نوسانات انرژی تجدید پذیر را حل کند. استفاده از تسهیلات موجود در ذخیره سازی گاز طبیعی و حمل و نقل می تواند هزینه های سرمایه گذاری را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. ترویج توسعه فناوری ضبط و استفاده از کربن و کمک به انتقال جهانی انرژی سبز. در این مقاله توسعه کاتالیزورهای متانراسیون CO2 ارائه شده است و سناریوهای کاربرد صنعتی فناوری قدرت به گاز (PIG) را با استفاده از فناوری متناسیون تجزیه و تحلیل می کند.
کلمات کلیدی:دی اکسید کربن ، متناسیون ، قدرت به گاز ، ضبط کربن ، ذخیره انرژی ، مواد اولیه هیدروژن ، الکترولیز آب
هم2واکنش متناوب
ترمودینامیک واکنش
واکنشهای زیر به طور عمده بین H رخ می دهد2و C02در طی فرآیند متناسیون.
واکنش اصلی: C02 + 4H2⇄ ch4 + 2H2 O
Δ H=-165.0 kj/mol
واکنش جانبی: C02 + H2 ⇄ C0 + H2 O
Δ H=41.1 kj/mol
واکنش جانبی ، که به عنوان واکنش تغییر آب نیز شناخته می شود ، اندوترمیک است. هنگامی که واکنش به دمای خاصی می رسد ، انتخاب CO محصول جانبی افزایش می یابد و انتخاب CH4کاهش می یابد بنابراین ، تمرکز تحقیق CO2کاتالیزورهای متناسیون برای ایجاد کاتالیزورهایی با فعالیت زیاد در دماهای پایین است. تأثیر فشار و دما در محصولات واکنش ، جایی که نسبت حجم واکنش دهنده ها H2به همکاری24: 1 است.
تحقیقات کاتالیزور
برتری واکنش متناسیون عمدتاً در خصوصیات ترمودینامیکی آن و پتانسیل نظری برای میزان تبدیل زیاد در دمای و فشار اتاق منعکس می شود. از C02مولکول کاملاً اکسیده شده است و اتم کربن و اتم اکسیژن یک پیوند دوتایی کووالانسی تشکیل می دهند ، انرژی فعال سازی مورد نیاز برای واکنش بسیار زیاد است و یک کاتالیزور برای کاهش انرژی فعال سازی و در نتیجه افزایش میزان تبدیل مورد نیاز است.
فلزات گروه VIII می توانند میزان تبدیل و انتخاب در واکنش متناسیون را بهبود بخشند و فعالیت آنها به ترتیب نزولی است: Ru ، IR ، RH ، NI ، CO ، OS ، PT ، FE ، MO ، PD ، AG. هنگامی که فقط مهمترین عوامل (فعالیت و انتخاب) واکنش متناسیون در نظر گرفته می شود ، فعالیت به ترتیب نزولی است: ru ، fe ، ni ، co ، mo ، و انتخاب به ترتیب نزولی است: نیکل ، co ، آهن ، ru.
مقایسه عملکرد کاتالیزورهای مختلف فلزی در جدول 1 نشان داده شده است. سیستم های کاتالیزوری مبتنی بر فلزات انتقال (RU ، RH ، PD و غیره) به طور گسترده ای توسعه یافته اند. آنها فعالیت کاتالیزوری عالی و انتخابی در CO دارند2واکنش های متاناسیون! به طور خاص ، کاتالیزورهای مبتنی بر RU فعالیت و انتخاب بالایی را در دمای پایین و شرایط متوسط نشان می دهند. مطالعات نشان داده اند که در همان شرایط واکنش ، 3 ٪ RU/AI2O3(3 ٪ RU در AI بارگذاری شده است2O3حامل ، همان زیر) انتخابی بالاتری برای CH دارد4بیش از 20 ٪ ni/ai2O3بشر فلزات گرانبها (مانند PT) نیز فعالیت و انتخاب بالایی در CO دارند2واکنش های متناسیون ، اما هزینه بالای آنها به مانع اصلی کاربرد در مقیاس بزرگ آنها در CO تبدیل شده است2متناسیون سایر فلزات انتقال (مانند Fe و Co) نیز دارای واکنش شیمیایی خاصی هستند ، اما انتخاب آنها کم است ، و آنها عمدتاً به عنوان مواد افزودنی برای سایر کاتالیزورهای دو فلزی استفاده می شوند. با توجه به قیمت پایین و مواد اولیه فراوان ، بیشتر پروژه های تحقیقاتی و صنعتی از کاتالیزورهای مبتنی بر NI استفاده می کنند.
تأثیر پشتیبانی و مواد افزودنی بر روی کاتالیزورها
حامل های مختلف نقش خوبی در تهیه و بهبود کاتالیزورها دارند. حامل های معمولاً مورد استفاده عمدتا حامل های اکسیدان فلزی هستند. این حامل ها عمدتاً با تغییر وضعیت وجود فاز فعال ، از جمله مورفولوژی سطح ، پراکندگی فلز و چهره های کریستالی در معرض اصلی ، ظرفیت جذب واکنش دهنده ها را افزایش می دهند و از این طریق عملکرد کاتالیزوری را بهبود می بخشند. اکسیدها با خواص خاص اغلب به عنوان حامل کاتالیزور مانند AI استفاده می شوند2O3، sio2، زرو2، مدیر عامل2، و غیره در میان آنها ، ai2O3یکی از متداول ترین حامل های کاتالیزور است زیرا دارای مزایای قیمت پایین ، مساحت بزرگ و منافذ توسعه یافته است. با این حال ، مرحله فعال Ni/Ai2O3کاتالیزور به راحتی می توان در دمای بالا به کار گرفت و کربن سازی کرد و در نتیجه غیرفعال سازی کاتالیزور ایجاد می شود. بنابراین ، تهیه Ni/Ai2O3کاتالیزور با فعالیت خوب و پایداری بالا به تمرکز تحقیق فعلی تبدیل شده است.
برای کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل ، مواد افزودنی مؤلفه های اصلی اصلاح هستند که می توانند خواص و عملکرد کاتالیزور را به میزان قابل توجهی تغییر دهند. عملکرد کاتالیزور از طریق مکانیسم های مختلف ، مانند هم افزایی دو فلزی ، تغییر محیط الکترونیکی فلزی ، مهار تشکیل گونه های اسپینل ، افزایش جذب واکنش دهنده ها و واسطه ها و بهبود پراکندگی فلز بهینه می شود. سیدیک و همکاران. دریافت که با افزودن CO به عنوان یک اتصال دهنده ، کاتالیزور Ni-Co/MSN تهیه شده فعالیت و ثبات بالاتری را نسبت به NI/MSN نشان داد. تجزیه و تحلیل تأیید کرد که آلیاژ Ni-Co به کاهش اندازه ذرات NI کمک می کند و عملکرد پراکندگی فلز بهتری را فراهم می کند. Paviotti و همکاران. کاتالیزورهای Ni-Ru را تهیه کرده و دریافتند که RU باعث کاهش قابلیت کاهش کاتالیزورهای مبتنی بر Ni و افزایش ظرفیت جذب NI برای H می شود2، در نتیجه عملکرد کاتالیزور را بهبود می بخشد.
سناریوهای برنامه واکنش متناسیون
در حال حاضر ، اگرچه توسعه انرژی تجدید پذیر به نتایج قابل توجهی رسیده است ، اما با برخی از چالش ها نیز روبرو است. این تنگنا عمدتا در غیرقابل پیش بینی بودن منابع تجدید پذیر است که ممکن است منجر به مازاد قدرت شود و چالش هایی را برای عملکرد پایدار شبکه برق ایجاد کند.
فناوری PTG از CO استفاده می کند2واکنش متناسیون ، از هیدروژن سبز تولید شده توسط انرژی تجدید پذیر و CO استفاده می کند2به عنوان مواد اولیه برای تولید محصولات گاز طبیعی مصنوعی ، و اکسیژن فرآورده های جانبی را می توان تصفیه و فروخته شد. استفاده کامل از گرمای واکنش با کیفیت بالا می تواند هزینه فناوری PTG را کاهش دهد. از آنجا که مؤلفه اصلی گاز طبیعی مصنوعی تولید شده CH است4، می توان آن را به طور مستقیم به شبکه خط لوله گاز طبیعی ارسال کرد ، و متوجه ذخیره طولانی مدت و در مقیاس بزرگ CH می شود4.
تولید مواد اولیه هیدروژن
روشهای اصلی تولید هیدروژن صنعتی شامل تولید هیدروژن گاز طبیعی ، تولید هیدروژن الکترولیز آب ، تولید هیدروژن زغال سنگ و تولید هیدروژن فرآورده صنعتی است. به جز الکترولیز آب ، تولید هیدروژن ، روشهای دیگر به استفاده از انرژی فسیلی نیاز دارند. فناوری تولید هیدروژن انرژی فسیلی بالغ است و هزینه آن از تولید هیدروژن الکترولیز آب پایین تر است ، اما مقدار زیادی از CO₂ در طی فرآیند تولید تولید می شود.
در حالت ایده آل ، مواد اولیه هیدروژن از فناوری PTG H2 (هیدروژن سبز) است که با اتصال فناوری الکترولیز آب با انرژی تجدید پذیر تولید می شود. در حال حاضر ، فن آوری های اصلی الکترولیز آب عبارتند از: فناوری الکترولیز آب قلیایی (AEL) ، فناوری غشای تبادل پروتون (PEM) ، فناوری غشای تبادل آنیون (AEM) و فناوری الکترولیزر اکسید جامد (SOEC). در میان آنها ، فناوری AEL برای تولید هیدروژن صنعتی در مقیاس بزرگ بالغ و مناسب است ، اما میزان تولید آن کم است و مصرف برق زیاد است. قبل از سال 2014 ، پروژه های الکترولیز آب داخلی و خارجی از فناوری AEL استفاده می کردند. از سال 2015 ، ظرفیت نصب شده PEM به تدریج افزایش یافته است. این امر عمدتاً به این دلیل است که الکترولیزرهای PEM برای شرایط کار با نوسانات قدرت بزرگ مناسب هستند ، زمان راه اندازی کمتری دارند و سریعتر به نوسانات انرژی تجدید پذیر پاسخ می دهند. فناوری AEM و فناوری SOEC بالغ نیستند: آنها در حال حاضر قادر به سازگاری با تولید هیدروژن سبز در مقیاس صنعتی نیستند.
هم2کسب
CO2در متناسیون واکنش از CO حاصل می شود2مزارع نفت و گاز غنی ، نیروگاههای بزرگ زغال سنگ ، نیروگاههای سیمانی و غیره. این نیروگاه ها معمولاً مقدار زیادی از CO را منتشر می کنند2در حین کار ، و شرکت با خلوص بالا2با استفاده از فناوری ضبط کربن قابل دستیابی است. در حال حاضر ، فناوری ضبط پس از احتراق به طور گسترده در کارخانه ها مورد استفاده قرار گرفته است ، به طور عمده با استفاده از جاذب های شیمیایی برای ضبط CO2در گاز دودکش پس از احتراق.
فناوری ضبط کربن اساساً بالغ شده است و تعداد زیادی از پروژه ها در سراسر جهان اجرا شده اند. اگرچه فناوری ضبط کربن می تواند هزینه های مالیات کربن شرکت ها را کاهش دهد ، اما هیچ محصول شیمیایی با ارزش در کل فرآیند تولید نمی شود. در حال حاضر ، برخی از شرکت ها2فن آوری های استفاده و ذخیره سازی خطرات احتمالی مانند CO دارند2فناوری سیل و فناوری ذخیره سازی زیرزمینی.
موارد مهندسی فناوری PTG
در حال حاضر ، هیچ مورد دستگاه PTG تجاری در مقیاس بزرگ در کشور من وجود ندارد و مطالعات زیادی در این زمینه وجود ندارد. تحقیقات در مورد فناوری PTG در حال حاضر عمدتاً در کشورهای اروپایی است و ایالات متحده و ژاپن نیز در سالهای اخیر تحقیقات و توسعه این فناوری را افزایش داده اند.
چاد و همکاران. تحقیق و تجزیه و تحلیل در مورد 192 پروژه تظاهرات Power-X در 32 کشور. 91}} ٪ از پروژه ها هنوز در حال بهره برداری هستند و 27 ٪ از پروژه ها در حال گسترش مقیاس تولید هستند: 99 پروژه برای اولین بار از انرژی های تجدید پذیر برای تولید H استفاده می کنند2، و سپس از فناوری سلول سوخت هیدروژن یا توربین های گازی برای تبدیل H استفاده کنید2به برق و مستقیماً آن را به شبکه برق تزریق کنید. 69 پروژه هیدروژن سبز تولید می کند و از فن آوری متان سازی برای تبدیل H2 به CH استفاده می کند4و آن را به شبکه خط لوله گاز طبیعی تزریق کنید. 154 پروژه PTG در اروپا وجود دارد که تقریباً یک سوم در آلمان واقع شده اند.
وولف و همکاران. بررسی پروژه های قدرت به X در اروپا. از ژوئن سال 2020 ، در مجموع 220 پروژه از این دست در اروپا اجرا شده یا در حال ساخت و برنامه ریزی در اروپا هستند و سریعترین رشد در پروژه های آلمان و فرانسه را دارند. در سال 2020 ، 20 کشور پروژه های تظاهرات Power-to-X را اجرا کردند که 44 ٪ از آنها در آلمان واقع شده بودند. بیشتر پروژه ها به طور مستقیم از برق تجدید پذیر استفاده می کردند. یک سوم پروژه های Power-to-X H2 را به سایر محصولات گاز برای فروش تبدیل کردند. بیشتر پروژه ها از گاز زیست توده به عنوان مواد اولیه CO2 استفاده می کردند ، در حالی که برخی دیگر از گاز دودکش ها از گاز طبیعی یا نیروگاه های ذغال سنگ به عنوان مواد اولیه CO2 استفاده می کردند.
استرالیا همچنین به طور فعال در حال بررسی راه های تبدیل CO است2به ch4بشر گاز سبز جنوبی قصد دارد یک CH تجدید پذیر را اجرا کند4پروژه تولید CH4 با استفاده از ماژول های کوچک. این ماژول ها حاوی پانل های خورشیدی هستند که برق را به الکترولیزها تأمین می کنند. H2 تولید شده توسط الکترولیزرها با شرکت اسیر شده واکنش نشان می دهد2در یک راکتور متناسیون برای تولید ch4، که سپس برای ذخیره سازی یا استفاده تجاری به شبکه خط لوله گاز طبیعی استرالیا تزریق می شود. این پروژه از سیستم خط لوله موجود به عنوان یک تسهیلات حمل و نقل و ذخیره سازی استفاده می کند و هزینه ساخت زیرساخت ها را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد: اسکن ها می توانند خودکفا باشند ، و هزینه های عملیاتی را بسیار کاهش می دهد. و اجاره زمین کم هزینه بیشتر رقابت را بهبود می بخشد.
