Ученые из Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева, Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского и Московского государственного университета разработали новую схему улавливания углекислого газа из дымовых газов электростанций. Речь идет об очистке выбросов уже после сжигания топлива, что особенно важно для действующих ТЭС и ТЭЦ, где радикальная перестройка оборудования невозможна.
В настоящее время основным промышленным способом улавливания CO2 остается его химическое поглощение аминными растворами. Эта технология хорошо отработана, но требует больших затрат энергии на регенерацию растворителя, а также приводит к возникновению коррозии, деградации реагентов и образованию отходов. Мембранные методы, когда газы разделяются при прохождении через полупроницаемый материал, выглядят более технологичными и экологически чистыми. Они не используют химию, компактны и модульны. Однако для дымовых газов, где концентрация CO2 невысока, а давление близко к атмосферному, такие системы часто оказываются экономически неэффективными, поскольку требуют либо огромных площадей мембран, либо энергетически затратной компрессии газа.
Команда российских ученых предложила усовершенствованную мембранную схему, основанную на принципе непрерывной мембранной колонны. В такой системе мембраны работают как единое целое, а внутри установки постоянно циркулируют газовые потоки. Один из них постепенно очищается от углекислого газа и выбрасывается наружу, а второй шаг за шагом накапливает CO2. За счет этого разделение усиливается само по себе без резкого повышения давления или создания глубокого вакуума.
Эффективность схемы проверили с помощью компьютерного моделирования в программе Aspen Plus. Ученые рассмотрели две версии установки и сравнили их с наиболее продвинутыми мембранными решениями, предложенными ранее. В расчетах использовались реальные параметры дымовых газов электростанции мощностью 600 МВт, содержащих углекислый газ, азот, кислород и водяной пар. Целью было улавливать не менее 90% CO2, получать продукт с чистотой не ниже 95% и снижать содержание углекислого газа в выбросах до 2% и менее.
Обе новые схемы показали хорошие результаты, но наиболее удачной оказалась конфигурация, в которой все потоки газа, прошедшие через мембраны, собираются вместе и затем направляются на охлаждение и сжижение CO2. Такой подход позволил существенно сократить размеры установки. Это сразу снижает стоимость оборудования и делает систему компактнее. Моделирование показало, что обе новые схемы позволяют уверенно достигать этих параметров. Наиболее эффективной оказалась конфигурация, в которой потоки объединяются перед подачей в конденсатор. Для ее работы требуется суммарная площадь мембран около 2,8 млн. м2, что почти на треть меньше, чем у ближайших аналогов. Это напрямую снижает капитальные затраты на установку и одновременно позволяет удерживать потребление энергии на конкурентном уровне.
Экономический расчет показал, что в такой конфигурации улавливание одной тонны CO2 обходится примерно в 34 доллара. Это значительно дешевле классической двухступенчатой вакуумной схемы и немного выгоднее других современных мембранных решений. При этом новая установка отличается более сбалансированными затратами. Деньги рационально распределяются между оборудованием и эксплуатацией.
