Các phương pháp được áp dụng để thu hồi carbon dioxide (CO2)

Các hệ thống thu giữ carbon dioxide (CO2) có thể được phân thành ba loại: đốt sau, đốt trước và đốt oxy. Hình dưới đây minh họa các phương pháp nắm bắt đó, lưu ý các thách thức, cũng như các công nghệ đã được thiết lập và phát triển trong các lĩnh vực đó. Với từng nguyên nhân hình thành khác nhau, khí CO2 được áp dụng phương pháp thu giữ khác nhau.

Thu hồi Carbon dioxide (CO2) sau khi đốt

 Thu hồi  CO ₂ sau khi đốt chủ yếu được áp dụng cho sản xuất điện từ khí đốt tự nhiên thông thường và đốt than nghiền thành bột (PC). Trong một nhà máy điện PC điển hình, nhiên liệu được đốt cháy cùng với không khí trong nồi hơi để tạo ra hơi nước, làm quay tua-bin để tạo ra điện. Khí thải lò hơi, hoặc khí thải, bao gồm chủ yếu là nitơ (N2) và Carbon dioxide (CO2). Việc tách CO2 khỏi dòng khí thải này là một thách thức vì nhiều lý do:

• CO₂ hiện diện ở nồng độ loãng (thường là 13 đến 15 phần trăm thể tích đối với nhà máy điện PC và 3 đến 4 phần trăm đối với nhà máy đốt khí tự nhiên) và ở áp suất thấp (cao hơn khí quyển một chút); do đó, một lượng lớn khí phải được xử lý.
• Các tạp chất dạng vết (ví dụ: hạt vật chất, sulfur dioxide [SO ₂ ], nitơ oxit [NO ₂ ] trong khí thải có thể làm suy giảm chất hấp thụ và làm giảm hiệu quả của một số quy trình thu hồi CO ₂ .
• CO₂ được thu giữ ở áp suất thấp. Việc nén nó từ áp suất khí quyển sang áp suất đường ống (khoảng 2.000 psia) sẽ tạo ra một phụ tải điện phụ lớn trên toàn bộ hệ thống nhà máy điện.

Quá trình thu giữ Carbon dioxide (CO2) sau đốt cháy dựa trên các dung môi hóa học như amin được thể hiện bằng hình ảnh dưới đây. Các loại quy trình này đã được phát triển và triển khai thương mại trong các ngành công nghiệp lọc dầu và hóa chất. Tuy nhiên, cho đến nay, việc sử dụng chúng trong các nhà máy điện PC đã bị hạn chế đối với các ứng dụng dòng trượt và không có phân tích dứt khoát nào về chi phí thực tế cho một nhà máy thu hồi quy mô lớn. Các phân tích cơ sở khái niệm do NETL chuẩn bị vào năm 2022 giả định sử dụng quy trình thu hồi CO2 của Shell CANSOLV (được thiết kế để thu hồi CO2 có độ tinh khiết cao từ các dòng áp suất thấp có chứa O ₂, chẳng hạn như khí thải từ các nhà máy điện chạy bằng than, khí thải của tuabin đốt và các loại khí thải khác) sẽ làm tăng chi phí điện quy dẫn từ một nhà máy điện PC siêu tới hạn mới lên 66%, từ 6,45 cent/kilowatt giờ (kWh) lên 10,73 cent/kWh với giả định thu được 90%.

Thu giữ Carbon dioxide (CO2) trước khi đốt cháy trong ứng dụng khí hóa

Quá trình thu giữ CO2 trước khi đốt cháy liên quan đến nhà máy khí hóa được mô tả bằng hình ảnh dưới đây. Trong các phản ứng khí hóa , lượng không khí hoặc oxy (O ₂ ) có sẵn bên trong thiết bị khí hóa được kiểm soát cẩn thận để chỉ một phần nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn. Quá trình “oxy hóa một phần” này cung cấp nhiệt cần thiết để phân hủy nhiên liệu về mặt hóa học và tạo ra khí tổng hợp (khí tổng hợp), bao gồm hydro (H2), carbon monoxide (CO) và một lượng nhỏ các thành phần khí khác. Khí tổng hợp sau đó được xử lý trong lò phản ứng dịch chuyển nước-khí (WGS) , chuyển đổi CO thành CO ₂ và tăng lượng CO ₂và nồng độ mol H2 tương ứng là khoảng 40% và 55% trong dòng khí tổng hợp.

Tại thời điểm này, CO₂ có áp suất riêng phần cao, giúp cải thiện đáng kể động lực cho các loại công nghệ tách và thu giữ khác nhau. Sau khi loại bỏ Carbon dioxide (CO2), khí tổng hợp giàu H ₂ gần như là hydro tinh khiết có thể được triển khai trong nhiều ứng dụng hệ thống năng lượng sạch. Một ứng dụng là sử dụng H ₂ làm nhiên liệu trong tuabin đốt để tạo ra điện trong bối cảnh nhà máy chu trình hỗn hợp hiệu quả, trong đó điện bổ sung được tạo ra bằng cách trích xuất năng lượng từ khí thải của tuabin đốt thông qua máy tạo hơi nước thu hồi nhiệt (HRSG ). Các ứng dụng khác liên quan đến việc tổng hợp nhiên liệu vận chuyển lỏng, amoniac hoặc hóa chất, trong khi bản thân hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu không carbon.

Tóm lại, do quá trình khí hóa được vận hành ở áp suất cao và CO₂ hiện diện ở nồng độ cao hơn nhiều trong khí tổng hợp (nghĩa là so với khí thải sau đốt cháy), việc thu giữ CO₂  trước khi đốt cháy có khả năng ít tốn kém hơn hơn là thu giữ Các hệ thống thu giữ carbon dioxide (CO2) có thể được phân thành ba loại: đốt sau, đốt trước và đốt oxy. Hình dưới đây minh họa các phương pháp nắm bắt đó, lưu ý các thách thức, cũng như các công nghệ đã được thiết lập và phát triển trong các lĩnh vực đó. Với từng nguyên nhân hình thành khác nhau, khí CO2 được áp dụng phương pháp thu giữ khác nhau sau quá trình đốt cháy. Đối với cùng một lượng carbon dioxide (CO2) thu được, một lượng khí nhỏ hơn nhiều cần được xử lý, dẫn đến kích thước thiết bị nhỏ hơn nhiều và chi phí vốn thấp hơn.

NETL đã xác định các lộ trình nghiên cứu khác nhau để thu giữ CO2 trước khi đốt cháy. Các ứng dụng ngắn hạn của việc thu giữ carbon dioxide (CO2) CO₂ từ các hệ thống đốt trước có thể sẽ liên quan đến các quá trình hấp thụ vật lý hoặc hóa học, với công nghệ tiên tiến nhất hiện nay là dung môi vật lý dựa trên glycol có tên là Selexol. Các cơ hội từ trung hạn đến dài hạn để giảm chi phí thu hồi thông qua hiệu suất được cải thiện có thể đến từ màng và chất hấp thụ hiện đang ở giai đoạn phát triển. Phân tích cơ sở cập nhật gần đây (2022) được thực hiện tại NETL cho thấy việc thu hồi và nén CO 2 bằng Selexol làm tăng chi phí điện từ nhà máy điện IGCC dựa trên bộ khí hóa tôi mới xây dựng của GE thêm khoảng 37%, từ 11,4 cent/kWh lên 15,62 cent _/ kWh.

Đốt cháy Oxy thu hồi CO2

Mục tiêu của quá trình đốt cháy bằng oxy từ than nghiền thành bột là đốt cháy than trong môi trường giàu oxy bằng cách sử dụng oxy nguyên chất được pha loãng với CO₂ tái chế hoặc nước (H₂O). Quá trình này được hiển thị bằng hình ảnh dưới đây. Trong những điều kiện này, các sản phẩm chính của quá trình đốt cháy là Carbon dioxide (CO2) và H₂O, và CO₂ có thể được thu giữ bằng cách ngưng tụ nước trong dòng khí thải. Đốt cháy oxy cung cấp một số lợi ích bổ sung, như được xác định thông qua phân tích hệ thống và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm quy mô lớn:

• Giảm 60-70 phần trăm lượng khí thải NOx so với đốt cháy bằng không khí, chủ yếu là do tái chế khí thải, nhưng cũng do mức NOx nhiệt giảm do lượng nitơ có sẵn thấp hơn. Một số nitơ vẫn được đưa vào hệ thống dưới dạng nitơ vốn có trong ma trận than và thông qua sự xâm nhập của không khí.
• Tăng loại bỏ thủy ngân. Các thử nghiệm lò hơi về đốt cháy nhiên liệu oxy sử dụng than Powder River Basin (PRB) dẫn đến tăng quá trình oxy hóa thủy ngân, tạo điều kiện loại bỏ thủy ngân ở hạ lưu trong hệ thống lọc bụi tĩnh điện và khử lưu huỳnh khí thải.
• Khả năng áp dụng cho các nhà máy nhiệt điện than mới và hiện có. Các nguyên tắc quy trình chính liên quan đến quá trình đốt cháy oxy đã được chứng minh về mặt thương mại (bao gồm tách khí và tái chế khí thải).

Cả đốt sơ bộ và đốt oxy đều sử dụng quá trình tách khí để đốt than trong môi trường giàu oxy. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là lượng oxy cần thiết trong quá trình đốt oxy lớn hơn đáng kể so với các ứng dụng đốt trước, làm tăng chi phí thu hồi Carbon dioxide (CO2). Một dòng oxy có độ tinh khiết cao hơn cũng sẽ cần được sử dụng. Oxy thường được tạo ra bằng cách sử dụng phương pháp tách không khí ở nhiệt độ thấp (làm đông lạnh), nhưng các kỹ thuật tách oxy mới  liên quan đến các phương pháp đổi mới có hiệu quả về chi phí ở quy mô nhỏ hơn đang được phát triển để giảm chi phí.

Nguồn tin: netl.doe.gov