За да се справи с изменението на климата и да постигне устойчиво развитие, международната общност предприе серия от мерки за намаляване на емисиите на CO2, една от които е технологията за улавяне на въглерод. През последните години технологията за улавяне на въглерод бързо се развива и широко се използва, превръщайки се в важно средство за справяне с изменението на климата и намаляване на емисиите на парникови газове. Въпреки това, развитието на технологията за улавяне на въглерод все още е изправено пред много предизвикателства, като експлоатационни разходи, консумация на енергия на съвременното химическо оборудване и съхранение и транспортиране на CO2. Използването на CO2 като суровина и приготвянето на ценни индустриални продукти чрез методи за химически синтез се счита за ефективен начин за решаване на ограничаването на улавянето на въглерод. Реакцията на метанация на CO2 е предложена от Пол Сабатие. Реакцията на CO2 и H2 за производство на CH4 се счита за ефективна технология за рециклиране на CO2.
Някои изследователи са предложили иновативен бизнес модел: Използване на технологията за метанация на CO2 и зелената водородна технология за производство на CH4 за завършване на съхранението на електрическа енергия в химическа енергия. Този модел може да преобразува излишната електричество в CH4 за съхранение, решавайки проблема с нестабилността на възобновяемата енергия; Използването на съществуващи съоръжения за съхранение и транспортиране на природен газ може значително да намали разходите за инвестиции; Насърчаване на развитието на технологията за улавяне и използване на въглерод и допринасяне за глобалния преход на зелена енергия. Настоящият документ въвежда разработването на катализатори на метанация на CO2 и анализира сценариите на индустриални приложения на технологията Power-To-Gas (PIG), използвайки технологията за метанация.
Ключови думи:Въглероден диоксид, метанация, мощност към газ, улавяне на въглерод, съхранение на енергия, водород, водна електролиза
Co2Реакция на метанация
Реакционна термодинамика
Следните реакции се появяват главно между h2и C02по време на процеса на метанация.
Основна реакция: C02 + 4H2⇄ ch4 + 2H2 O
Δ H=-165.0 kj/mol
Странична реакция: C02 + H2 ⇄ C0 + H2 O
Δ H=41.1 kj/mol
Страничната реакция, известна още като реакция на смяна на вода-газ, е ендотермична. Когато реакцията достигне определена температура, селективността на страничния продукт се увеличава и селективността на СН4намалява. Следователно изследователският фокус на CO2Катализаторите за метанация са да се развиват катализатори с висока активност при ниски температури. Ефектът на налягането и температурата върху реакционните продукти, където съотношението на обема на реагентите h2да сътрудничи2е 4: 1.
Катализаторно изследване
Превъзходството на реакцията на метанация се отразява главно в неговите термодинамични свойства и теоретичния потенциал за висока скорост на конверсия при стайна температура и налягане. Тъй като C02Молекулата е напълно окислена и въглеродният атом и кислородният атом образуват ковалентна двойна връзка, енергията на активиране, необходима за реакцията, е много висока и е необходим катализатор за намаляване на енергията на активиране и по този начин да се увеличи скоростта на конверсия.
Металите на група VIII могат да подобрят скоростта на конверсия и селективността в реакцията на метанация и тяхната активност е в низходящ ред: Ru, Ir, Rh, Ni, Co, OS, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag. Когато се вземат предвид само най -важните фактори (активност и селективност) на реакцията на метанация, активността е в низходящ ред: Ru, Fe, Ni, Co, Mo и селективността е в низходящ ред: Ni, Co, Fe, Ru.
Сравнението на производителността на различни метални катализатори е показано в таблица 1. Каталитичните системи, базирани на преходни метали (RU, RH, PD и т.н.), са широко разработени. Те имат отлична каталитична активност и селективност в CO2Реакции на метанация! По-специално, базирани на RU катализатори показват висока активност и селективност при ниска температура и умерени условия. Проучванията показват, че при същите реакционни условия 3%RU/AI2O3(3% Ru, натоварен на AI2O3носач, същото по -долу) има по -висока селективност за CH4от 20%Ni/Ai2O3. Скоровите метали (като PT) също имат висока активност и селективност в CO2Реакции на метанация, но високата им цена се превърна в основната пречка за мащабното им приложение в CO2Метанация. Други преходни метали (като Fe и Co) също имат определена химическа реактивност, но тяхната селективност е ниска и те се използват главно като добавки за други биметални катализатори. Поради ниската си цена и изобилните суровини, повечето изследователски и индустриални проекти използват базирани на NI катализатори.
Ефекти на опорите и добавките върху катализаторите
Различните превозвачи играят голяма роля в подготовката и подобряването на катализаторите. Често използваните носители са главно метало окислители. Тези носители увеличават главно адсорбционния капацитет на реагентите, като променят състоянието на съществуването на активната фаза, включително повърхностната морфология, металната дисперсия и основните изложени кристални лица, като по този начин подобряват каталитичните характеристики. Оксидите със специфични свойства често се използват като носещи катализатори, като AI2O3, Sio2, Zro2, Изпълнителен директор2и т.н. сред тях, AI2O3е един от най -често използваните превозвачи за катализатори, тъй като има предимствата на ниската цена, голямата повърхност и развитите пори. Въпреки това, активната фаза на Ni/Ai2O3Катализаторът е лесен за синтероване и карбонизиране при висока температура, което води до дезактивиране на катализатора. Следователно, подготовката на Ni/Ai2O3Катализаторът с добра активност и висока стабилност се превърна в настоящия фокус на изследването.
За базирани на Ni катализатори добавките са ключови компоненти за модификация, които могат значително да променят свойствата и работата на катализатора. Ефективността на катализатора се оптимизира чрез различни механизми, като биметална синергия, промяна на металната електронна среда, инхибиране на образуването на видове шпинел, засилване на адсорбцията на реагентите и междинните продукти и подобряване на металната дисперсия. Sidik et al. установяват, че добавянето на CO като свързващо вещество, подготвеният Ni-Co/MSN катализатор показва по-висока активност и стабилност от Ni/Msn. Анализът потвърди, че Ni-Co сплавта помага за намаляване на размера на частиците Ni и осигурява по-добри показатели на метална дисперсия. Paviotti et al. Приготвени Ni-Ru катализатори и установяват, че RU подобрява намаляването на базирани на Ni катализатори и подобрен адсорбционен капацитет на NI за Н2, като по този начин подобрява производителността на катализатора.
Сценарии на приложение на реакцията на метанация
Понастоящем, въпреки че развитието на възобновяема енергия е постигнало забележителни резултати, той също е изправен пред някои предизвикателства. Bottleneck се крие главно в непредсказуемостта на възобновяемите ресурси, което може да доведе до излишък на електроенергия и да доведе до предизвикателства при стабилната работа на електрическата мрежа.
PTG технологията използва CO2Реакция на метанация, използва зелен водород, произведен от възобновяема енергия и CO2като суровини за генериране на синтетични продукти за природен газ и кислородът на страничния продукт може да бъде пречистен и продаден. Използването на пълно висококачествена реакционна топлина може да намали цената на PTG технологията. Тъй като основният компонент на генерирания синтетичен природен газ е CH4, Тя може да бъде изпратена директно в тръбопровода за природен газ, осъзнавайки дългосрочното и мащабното съхранение на CH4.
Производство на водородни суровини
Основните методи за производство на промишлено водород включват производството на водород с природен газ, производството на водород с водород, производство на водород от въглища и производството на водород в индустрията. С изключение на водната електролиза, производството на водород, други методи изискват използването на изкопаема енергия. Технологията за производство на водород от изкопаеми енергии е зряла, а цената е по -ниска от производството на водород с водород с вода, но по време на производствения процес ще бъде генерирано голямо количество CO₂.
В идеалния случай водородната суровина на PTG технологията е H2 (зелен водород), произведен чрез свързване на технологията за електролиза на водата с възобновяема енергия. Понастоящем основните технологии за водна електролиза са технологията на алкалната водна електролиза (AEL), технологията на мембраната на протонната обмен (PEM), технологията на анионната обменна мембрана (AEM) и технологията за електролизер от твърд оксид (SOEC). Сред тях AEL технологията е зряла и подходяща за мащабно индустриално производство на водород, но скоростта на производство е ниска и консумацията на енергия е висока. Преди 2014 г. проектите за вътрешна и чуждестранна вода за електролиза използваха AEL технологията. От 2015 г. инсталираният капацитет на PEM постепенно се увеличава. Това се дължи главно на факта, че електролизаторите на PEM са подходящи за условия на труд с големи колебания на енергия, имат по -кратки времена за стартиране и реагират по -бързо на колебанията във възобновяемата енергия. Технологията на AEM и SOEC технологията не са зрели: в момента те не са в състояние да се адаптират към производството на зелено водород в индустрията.
Co2Придобиване
Ко2В метанацията реакцията идва от СО2-Рагира нефтени и газови находища, големи електроцентрали на въглища, циментови централи и др. Тези централи обикновено излъчват голямо количество CO2По време на експлоатация и CO с висока чистота2може да се получи с помощта на технология за улавяне на въглерод. Понастоящем технологията за улавяне след сключване се използва широко във фабрики, като се използва главно химически абсорбенти за улавяне на CO2в димния газ след горене.
Технологията за улавяне на въглерод по принцип узрява и по целия свят са реализирани голям брой проекти. Въпреки че технологията за улавяне на въглерод може да намали разходите за данък върху въглерода на предприятията, в целия процес не се произвеждат ценни химически продукти. Понастоящем някои Ко2Технологиите за използване и съхранение имат потенциални рискове, като CO2Технология за наводняване и подземна технология за съхранение.
Инженерни случаи на PTG технология
Понастоящем в моята страна няма мащабни търговски случаи на PTG устройства и в тази област няма много проучвания. Изследванията на PTG технологията в момента са главно в европейските страни, а САЩ и Япония също увеличават своите изследвания и разработки на тази технология през последните години.
Chehade et al. Проведе изследвания и анализ на 192 демонстрационни проекта Power-T-X в 32 страни . 91% от проектите все още работят, а 27% от проектите обмислят разширяване на производствената скала: 99 проекта първо използват възобновяема енергия за производство на H2и след това използвайте технологията на водородните горивни клетки или газовите турбини, за да конвертирате H2в електричество и директно го инжектирайте в електрическата мрежа; 69 проекта произвеждат зелен водород и използват технология за метанация за преобразуване на H2 в CH4и го инжектирайте в тръбопровода за природен газ; В Европа има 154 PTG проекта, от които почти една трета са разположени в Германия.
Wulf et al. разследва проектите-X проекти в Европа. Към юни 2020 г. общо 220 такива проекта са изпълнени или са в процес на изграждане и планиране в Европа, като най -бързият растеж на проектите в Германия и Франция. През 2020 г. 20 държави изпълняват демонстрационни проекти за власт-X, от които 44% са били разположени в Германия. Повечето проекти директно използваха възобновяема електроенергия. Една трета от проектите на Power-T-X превърнаха H2 в други газови продукти за продажба. Повечето проекти използваха газ от биомаса като суровина на CO2, докато други използваха димоотвод от природен газ или въглищни електроцентрали като суровина на CO2 . 66% от всички проекти, използващи химически каталитични метанации.
Австралия също активно изследва начините за конвертиране на CO2в гл4. Южният зелен газ планира да приложи възобновяемо ch4Проект за производство на CH4 с помощта на малки модули. Тези модули съдържат слънчеви панели, които доставят електричество на електролизатори. H2, произведен от електролизаторите, реагира с заловения СО2в метанационен реактор, за да се получи СН4, който след това се инжектира в австралийската тръбопровод за природен газ за съхранение или търговска употреба. Проектът използва съществуващата тръбопроводна система като транспорт и съхранение, като значително намалява разходите за строителство на инфраструктура: плъзгачите могат да бъдат самодостатъчни, значително намалявайки оперативните разходи; и наемането на нискотарифни земи допълнително подобрява конкурентоспособността на проекта.
