Utforska moderna koldioxidinfångningstekniker

Som ett svar på globala försök att minska växthusgasutsläpp inför många processtillverkningsföretag olika initiativ för högre verkningsgrad och grön energi i sin verksamhet. Infångningstekniker för CO₂, som fångar in och lagrar gasen, är en lovande lösning. För att en utbredd användning ska vara rimlig krävs dock en utveckling av kapaciteten och lägre kostnader för den teknik som krävs.

För koldioxidinfångning vid förbränning finns det två olika tillvägagångssätt: före och efter förbränning. Infångning före förbränning fångar in CO₂ innan den förbränns genom metoder som förgasning och reformering.

Infångning efter förbränning sker däremot nedströms om bränsleförbränningen i den primära processen. Denna metod använder lösningsmedel eller andra metoder för att fånga in koldioxid direkt från rökgasen. Den här webbsidan fokuserar på infångning efter förbränning. Även om denna metod är fördelaktig tack vare möjligheten till eftermodifiering samt dess tekniska mognad är den inte lika effektiv som infångning före förbränning.

Aminbehandling är den vanligaste metoden för koldioxidinfångning i industrimiljöer. Den här tekniken efter förbränning utnyttjar de kemiska egenskaperna hos aminlösningar, till exempel monoetanolamin, som har hög affinitet att binda till koldioxid. Processen består av:

Rökgasen genomgår en rengöringsprocess där stoft, partikulärt material, svavelföreningar och andra föroreningar avlägsnas. Den här förbehandlingen skyddar aminlösningen och utrustningen mot förorening och korrosion. Den varma rökgasen kyls sedan till optimal temperatur (runt 40–60 °C/104–140 °F) för effektiv koldioxidabsorption av aminlösningen.

Den kylda rökgasen förs in längst ner i ett absorptionstorn, vilket vanligtvis är en cylinderformad behållare fylld med förpackningsmaterial som förbättrar kontakten mellan gas och vätska. En motström av aminlösning förs in högst upp i tornet. När rökgasen stiger genom tornet får det kontakt med den sjunkande aminlösningen. Sedan bildar koldioxiden i rökgasen en reversibel bindning med aminmolekylerna, vilket avlägsnar den från gasflödet.

Överföring av koldioxidrik aminlösning: den koldioxidrika aminlösningen pumpas till ett annat torn som kallas desorber eller regenerator. Det här flödet mäts noggrant med hjälp av spektroskopisk Raman-instrumentering för att säkerställa att efterföljande regenereringssteg är effektivt.

I desorbern värms den koldioxidrika aminlösningen upp, vanligen genom ånginjektion, till runt 110 °C/230 °F. Värmen bryter bindningen mellan aminen och koldioxiden. Den regenererade aminlösningen, som nu är tom på koldioxid, flödar till bottnen av regeneratorn.

Kylning och återcirkulation av aminlösning: den varma, regenererade aminlösningen passerar genom en värmeväxlare och överför lite av sin värme till den inkommande koldioxidrika lösningen och förbättrar energieffektiviteten. Ytterligare kylning gör att aminlösningen återgår till den optimala temperaturen för koldioxidabsorption och den avsvalnade aminlösningen pumpas sedan tillbaka till toppen av absorptionstornet så att cykeln kan upprepas.

Koldioxiden som frigörs från toppen av regeneratorn komprimeras så att den får högre densitet för enklare transport eller lagring. Det här utgående flödet analyseras ofta med avseende på renhet med hjälp av TDLAS-instrumentering. Beroende på det avsedda användningsområdet kan koldioxiden genomgå ytterligare reningssteg som avlägsnar föroreningar.

Aminbehandling har en effektivitet för koldioxidinfångning som ofta överstiger 90 %. Särskilt regenerering är dock energiintensivt och aminlösningen som används i processen försämras med tiden, vilket gör att den behöver fyllas på. Forskare arbetar på att lösa dessa utmaningar genom att utforska mer energieffektiva regenereringsmetoder, såsom att använda spillvärme från industriprocesser. De utvecklar även mer robusta aminlösningar med högre termisk stabilitet och motståndskraft mot nedbrytning.

Membranbaserad koldioxidinfångning är en mindre vanlig metod som använder specialmembrans selektiva permeabilitet för att avlägsna koldioxid från rökgasflöden. Dessa membran består ofta av polymerer eller keramik och fungerar som ”molekylvakter”. De gör att CO₂ kan passera igenom samtidigt som de blockerar andra gaser. Den främsta fördelen med detta tillvägagångssätt är det låga energibehovet jämfört med regenerering av amingas med hög temperatur.

De främsta stegen är:

1. Förbehandling av rökgas: innan den förs in i membransystemet genomgår rökgasen en reningsprocess, vanligen filtrering och skrubbning. Det här steget avlägsnar stoft, partikulärt material och andra orenheter som kan täppa igen eller skada de ömtåliga membranporerna. Rökgasen kyls ofta ner och luftfuktigheten justeras till optimala nivåer för det specifika membran som används. Det säkerställer effektiv separering av koldioxid och förhindrar att kondens bildas i membransystemet.
2. Membranseparation: den förbehandlade rökgasen riktas över membranet, som fungerar som en selektiv barriär. Skillnader i molekylernas storlek, struktur och affinitet till membranmaterialet gör att koldioxidmolekyler passerar membranet snabbare än andra gaser i flödet, som kväve. Det resulterar i två produktgasflöden: permeat och retentat. Permeatet, som är rikt på koldioxid, passerar genom membranet och samlas in för ytterligare bearbetning. Retentatet, som är tomt på koldioxid, innehåller resterande gaser. Det släpps antingen ut i atmosfären eller skickas tillbaka till den primära industriella processen.
3. Komprimering och förbehandling av koldioxid: det koldioxidrika permeatflödet komprimeras så att det får högre densitet för enklare transport eller lagring. Beroende på det avsedda användningsområdet kan koldioxiden genomgå ytterligare reningssteg som avlägsnar föroreningar.

Utöver att de har låga energibehov tar membransystem bara upp en liten yta, vilket gör dem perfekta för användning på platser med begränsat utrymme. Membranbaserad infångning är dock mindre effektiv än aminbehandling, och små variationer i gasflödets sammansättning, tryck och temperatur kan påverka prestandan negativt.

Aminbehandling och membranbaserade tekniker är de enda metoderna för koldioxidinfångning efter förbränning som just nu används i större skala, men forskare utforskar även andra tillvägagångssätt.

Den första av dessa är direkt luftinfångning (Direct Air Capture – DAC) som renar omgivningsluften från koldioxid. Detta görs med hjälpa av fläktar med hög effekt som drar luften genom särskilda sorbenter, såsom fasta aminer eller hydroxidlösningar som binder kemiskt till koldioxid. När sorbenten är mättad värms den upp för att släppa ifrån sig den infångade koldioxiden, vilken sedan samlas in för användning eller lagring.

Direkt luftinfångning är en möjlig väg för att fånga in utsläpp från bilar och andra källor. Det finns dock hinder för implementering av metoden, bland annat ömtåliga sorbenter, höga energibehov och höga kostnader jämfört med infångningstekniker för punktkällor samt behovet av utbredd användning för att uppnå meningsfull koldioxidinfångning.

Inom forskningen utforskas användningen av biomassa som bränslekälla. Biomassa, som träd, absorberar koldioxid från atmosfären i takt med att de växer. Genom att senare fånga in den koldioxid som frigörs under förbränning kan användare effektivt uppnå negativa utsläpp. Tillväxt av biomassa kräver dock stora landområden, vattenresurser och noggranna överväganden gällande hållbar anskaffning.

Utbredd användning av koldioxidinfångning efter förbränning är beroende av att man övervinner tekniska och ekonomiska hinder, inte bara avseende infångning utan också användning och lagring. Även om aminbehandling är väldigt effektivt krävs avsevärd energitillförsel samt regelbundet underhåll av de lösningsmedel som används. Membranbaserad infångning har däremot lägre energibehov, men är också mindre effektiv. Båda processerna är även dyra.

Eftersom industrin eftersträvar nettonollutsläpp kommer det att vara avgörande med en mångfald av strategier. För att uppnå dessa mål krävs en kombination av processoptimering, övergripande förbättringar av energieffektiviteten, användning av förnybara resurser och ett engagemang för koldioxidinfångning. Det är avgörande att göra miljömässiga, tekniska och ekonomiska avvägningar för varje strategi för att förbättra den övergripande hållbarheten i industrin i framtiden.