Az éghajlatváltozás kezelése és a fenntartható fejlődés elérése érdekében a nemzetközi közösség számos intézkedést tett a CO2 -kibocsátás csökkentésére, amelyek közül az egyik a szén -dioxid -elfogási technológia. Az utóbbi években a szén -dioxid -elfogási technológiát gyorsan fejlesztették és széles körben használják, és fontos eszközévé válnak az éghajlatváltozás kezelésére és az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentésére. A szén -dioxid -elfogási technológia fejlesztése azonban továbbra is számos kihívással néz szembe, mint például a működési költségek, a modern kémiai berendezések energiafogyasztása, valamint a CO2 tárolása és szállításának. A CO2 nyersanyagként történő felhasználása és az értékes ipari termékek kémiai szintézis módszerrel történő előkészítése hatékony módszernek tekinthető a szén -dioxid -elfogás korlátozásának megoldására. Paul Sabatier javasolta a CO2 metanációs reakcióját. A CO2 és H2 reakcióját a CH4 előállítására hatékony technológiának tekintik a CO2 újrahasznosításához.
Egyes kutatók innovatív üzleti modellt javasoltak: CO2 metanációs technológiát és zöld hidrogén technológiát használva a CH4 előállításához az elektromos energia kémiai energiába történő tárolására. Ez a modell átalakíthatja a felesleges villamos energiát CH4 -ként tárolás céljából, megoldva a megújuló energia volatilitásának problémáját; A meglévő földgáz -tárolási és szállítási lehetőségek használata jelentősen csökkentheti a befektetési költségeket; A szén -dioxid -elfogási és felhasználási technológia fejlesztésének előmozdítása, valamint a globális zöld energiaátmenet hozzájárulása. Ez a cikk bemutatja a CO2-metanációs katalizátorok fejlesztését, és elemzi a hatalom-GAS (PIG) technológia ipari alkalmazási forgatókönyveit a metanációs technológiával.
Kulcsszavak:Szén-dioxid, metanáció, energia-gáz, szénfoglalás, energiatárolás, hidrogén alapanyag, vízelektrolízis
Társ2metanációs reakció
Reakciótermodinamika
A következő reakciók főleg H között fordulnak elő2és C02A metanációs folyamat során.
Fő reakció: C02 + 4H2⇄ ch4 + 2H2 O
Δ H=-165.0 kJ/mol
Oldalsó reakció: C02 + H2 ⇄ C0 + H2 O
Δ h=41.1 kj/mol
Az oldalsó reakció, más néven a víz-gáz eltolódási reakciója, endoterm. Amikor a reakció eléri egy bizonyos hőmérsékletet, növekszik a melléktermék szelektivitása és a CH szelektivitása4csökken. Ezért a CO kutatási fókusza2A metanációs katalizátorok az, hogy alacsony hőmérsékleten magas aktivitású katalizátorokat fejlesszenek ki. A nyomás és a hőmérséklet hatása a reakciótermékekre, ahol a reagensek térfogataránya h2hogy társ2IS 4: 1.
Katalizátorkutatás
A metanációs reakció fölénye elsősorban tükrözi termodinamikai tulajdonságai, valamint a magas konverziós sebesség elméleti potenciálja szobahőmérsékleten és nyomáson. Mivel a C02A molekulát teljesen oxidáltuk, és a szénatom és az oxigénatom kovalens kettős kötést képez, a reakcióhoz szükséges aktiválási energia nagyon magas, és katalizátorra van szükség az aktivációs energia csökkentéséhez és ezáltal az átváltási sebesség növeléséhez.
A VIII. Csoport fémei javíthatják a konverziós sebességet és a szelektivitást a metanációs reakcióban, és aktivitásuk csökkenő sorrendben van: Ru, IR, RH, Ni, Co, OS, PT, Fe, MO, PD, AG. Ha a metanációs reakció csak a legfontosabb tényezőit (aktivitást és szelektivitást) veszik figyelembe, az aktivitás csökkenő sorrendben van: Ru, Fe, Ni, Co, MO, és a szelektivitás csökkenő sorrendben van: Ni, Co, Fe, Ru.
A különböző fémkatalizátorok teljesítmény -összehasonlítását az 1. táblázat mutatja. Az átmeneti fémeken alapuló katalitikus rendszereket (RU, RH, PD stb.) Széles körben fejlesztették ki. Kiváló katalitikus aktivitásuk és szelektivitásuk van a CO -ban2metanációs reakciók! Különösen a RU-alapú katalizátorok magas aktivitást és szelektivitást mutatnak alacsony hőmérsékleten és mérsékelt körülmények között. A tanulmányok kimutatták, hogy ugyanazon reakcióviszonyok esetén 3%RU/AI2O3(3% RU betöltve az AI -re2O3hordozó, ugyanaz az alábbiakban) magasabb szelektivitással rendelkezik a CH -ra4mint 20%ni/ai2O3- A nemesfémek (például a PT) szintén nagy aktivitással és szelektivitással rendelkeznek a CO -ban2metanációs reakciók, de magas költségeik a fő akadályaiknak a CO-ban való nagyszabású alkalmazásuknak2metanáció. Más átmeneti fémek (például Fe és Co) szintén bizonyos kémiai reakcióképességgel rendelkeznek, de szelektivitásuk alacsony, és ezeket elsősorban más bimetall -katalizátorok adalékanyagként használják. Alacsony áruk és bőséges alapanyagok miatt a legtöbb kutatási és ipari projekt Ni-alapú katalizátorokat használ.
A támogatások és adalékanyagok hatása a katalizátorokra
A különböző fuvarozók nagy szerepet játszanak a katalizátorok előkészítésében és javításában. Az általánosan használt hordozók elsősorban fém -oxidáló hordozók. Ezek a hordozók elsősorban a reagensek adszorpciós képességét növelik az aktív fázis létezési állapotának megváltoztatásával, beleértve a felületi morfológiát, a fém diszperziót és a fő kitett kristályfelületeket, ezáltal javítva a katalitikus teljesítményt. A specifikus tulajdonságokkal rendelkező oxidokat gyakran katalizátor hordozókként használják, például AI2O3, Sio2, Zro2, Vezérigazgató2stb. Közöttük az AI2O3az egyik leggyakrabban használt katalizátor hordozó, mivel az alacsony ár, a nagy felület és a fejlett pórusok előnyei vannak. A ni/ai aktív fázisa azonban2O3A katalizátor könnyen szinterelhető és magas hőmérsékleten karbonizálható, ami katalizátor deaktiválódását eredményezi. Ezért a Ni/AI előkészítése2O3A jó aktivitással és a nagy stabilitással rendelkező katalizátor a jelenlegi kutatási fókuszré vált.
A NI-alapú katalizátorok esetében az adalékanyagok kulcsfontosságú módosítási komponensek, amelyek jelentősen megváltoztathatják a katalizátor tulajdonságait és teljesítményét. A katalizátor teljesítményét különböző mechanizmusok, például bimetall szinergia, a fém elektronikus környezet megváltoztatása, a spinellfajok képződésének gátlása, a reagensek és közbenső termékek adszorpciójának javítása és a fém diszperziós javítása révén optimalizálják. Sidik et al. Megállapította, hogy a CO-k kötőanyagként történő hozzáadásával az elkészített Ni-CO/MSN katalizátor magasabb aktivitást és stabilitást mutatott, mint a NI/MSN. Az elemzés megerősítette, hogy a Ni-CO ötvözet segít csökkenteni a NI részecskeméretét, és jobb fém-diszperziós teljesítményt biztosít. Paviotti et al. előkészített Ni-Ru katalizátorok és megállapították, hogy a RU javítja a Ni-alapú katalizátorok redukálhatóságát és javítja a NI adszorpciós képességét a H esetében2, ezáltal javítva a katalizátor teljesítményét.
A metanációs reakció alkalmazási forgatókönyvei
Jelenleg, bár a megújuló energia fejlesztése figyelemre méltó eredményeket ért el, néhány kihívással is szembesül. A szűk keresztmetszet elsősorban a megújuló erőforrások kiszámíthatatlanságában rejlik, ami energiatöltözéshez vezethet, és kihívásokat jelenthet az elektromos hálózat stabil működéséhez.
A PTG technológia CO -t használ2Metanációs reakció, megújuló energia és CO által termelt zöld hidrogént használ2nyersanyagként szintetikus földgáztermékek előállításához, és a melléktermék oxigén tisztítható és értékesíthető. A kiváló minőségű reakcióhő teljes kihasználása csökkentheti a PTG technológia költségeit. Mivel a generált szintetikus földgáz fő alkotóeleme CH4, közvetlenül elküldhetjük a földgáz-csővezeték hálózatához, megvalósítva a CH hosszú távú és nagyszabású tárolását4.
Hidrogén nyersanyagok előállítása
Az ipari hidrogéntermelés fő módszerei a földgáz hidrogén előállítása, a vízelektrolízis hidrogéntermelése, a szén hidrogéntermelése és az ipari melléktermékek hidrogéntermelése. A vízelektrolízis, a hidrogéntermelés kivételével más módszerek megkövetelik a fosszilis energia felhasználását. A fosszilis energia hidrogéntermelési technológiája érett, és a költségek alacsonyabbak, mint a vízelektrolízis hidrogéntermelése, de a gyártási folyamat során nagy mennyiségű CO₂ -t generálnak.
Ideális esetben a PTG -technológia hidrogén alapanyaga H2 (zöld hidrogén), amelyet a vízelektrolízis technológiával és a megújuló energiával való összekapcsolással állítanak elő. Jelenleg a fő vízelektrolízis technológiák az alkálivíz -elektrolízis (AEL) technológia, a protoncserélő membrán (PEM) technológia, az anioncserélő membrán (AEM) technológia és a szilárd oxid -elektrolizátor (SOEC) technológia. Közülük az AEL-technológia érett és alkalmas nagyszabású ipari hidrogéntermelésre, de a termelési arány alacsony, és az energiafogyasztás magas. 2014 előtt a háztartási és külföldi vízelektrolízis projektek AEL technológiát alkalmaztak. 2015 óta a PEM telepített kapacitása fokozatosan növekedett. Ennek oka elsősorban annak a ténynek köszönhető, hogy a PEM elektrolizerek nagy teljesítmény -ingadozásokkal rendelkeznek, rövidebb indulási idővel rendelkeznek, és gyorsabban reagálnak a megújuló energia ingadozására. Az AEM technológia és a SOEC technológia nem érett: jelenleg nem képesek alkalmazkodni az ipari méretű zöld hidrogén előállításhoz.
Társ2Beszerzés
A CO2A metanációs reakcióban a CO -ból származik2-Rrich olaj- és gázmezők, nagy széntüzelésű erőművek, cementüzemek stb. Ezek a növények általában nagy mennyiségű CO-t bocsátanak ki2Működés közben és a nagy tisztességű CO2A szén -dioxid -elfogási technológiával beszerezhető. Jelenleg a égés utáni elfogási technológiát széles körben használják a gyárakban, elsősorban kémiai abszorbenseket használva a CO elfogására2füstgázban égés után.
A szén -dioxid -elfogási technológia alapvetően érett, és számos projektet hajtottak végre az egész világon. Noha a szén -dioxid -elfogási technológia csökkentheti a vállalkozások szén -dioxid -adó -költségeit, az egész folyamat során nem állítanak elő értékes vegyi termékeket. Jelenleg néhány CO2A felhasználási és tárolási technológiák potenciális kockázatokkal rendelkeznek, mint például a CO2Árvízi technológia és a földalatti tárolási technológia.
A PTG technológia mérnöki esetei
Jelenleg nincs országomban nagyszabású kereskedelmi PTG-eszközök, és ezen a területen nincs sok tanulmány. A PTG -technológiával kapcsolatos kutatás jelenleg elsősorban az európai országokban, az Egyesült Államok és Japán pedig az utóbbi években is növelte kutatásait és fejlesztését.
Chehade et al. Kutatást és elemzést végzett 192 hatalom-to-X demonstrációs projektről 32 országban . 91 A projektek% -a továbbra is működőképes, és a projektek 27% -a fontolóra veszi a termelési skála bővítését: 99 projekt először megújuló energiát használ fel h-t előállítani.2, majd használjon hidrogén üzemanyagcellás technológiát vagy gázturbinákat a h átalakításához2villamos energiába, és közvetlenül injektálja az energiahálózatba; 69 A projektek zöld hidrogént termelnek, és metanációs technológiát használnak a H2 CH -ként történő átalakításához4és injektálja a földgáz -csővezeték -hálózatba; Európában 154 PTG-projekt van, amelyek közül majdnem egyharmada Németországban található.
Wulf et al. Vizsgált hatalom-to-X projektek Európában. 2020 júniusától összesen 220 ilyen projektet hajtottak végre, vagy építés alatt állnak és terveznek Európában, és a leggyorsabban növekszik a projektek Németországban és Franciaországban. 2020-ban 20 ország hajtott végre hatalom-to-X demonstrációs projekteket, amelyekből 44% -uk Németországban található. A legtöbb projekt közvetlenül a megújuló villamos energiát használt. A Power-To-T-X projektek egyharmada átalakította a H2-t más eladó gáztermékekké. A legtöbb projekt biomassza-gázt használt CO2 alapanyagként, míg mások földgáz vagy széntüzelésű erőművekből származó füstgázt használtak CO2 alapanyagként . 66 Az összes projekt kémiai katalitikus metanációs reakcióinak% -át.
Ausztrália aktívan feltárja a CO konvertálásának lehetőségeit is2ch -ba4- A déli zöld gáztervek megújuló CH megvalósítására terveznek4projekt a CH4 előállításához kis modulok segítségével. Ezek a modulok olyan napelemeket tartalmaznak, amelyek elektromos áramot szolgáltatnak az elektrolizálók számára. Az elektrolizerek által előállított H2 reagál a rögzített CO -val2egy metanációs reaktorban, hogy előállítsák a CH -t4, amelyet ezután az ausztrál földgázvezeték -hálózatba injektálnak tárolásra vagy kereskedelmi célokra. A projekt a meglévő csővezeték-rendszert használja szállítási és tárolóhelyként, jelentősen csökkentve az infrastruktúraépítés költségeit: a csúszók önellátóak lehetnek, jelentősen csökkentik a működési költségeket; És az olcsó földterület bérlése tovább javítja a projekt versenyképességét.
