Исследователи 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 о посткомбастионном улавливании CO₂ – очистке выбросов уже после сжигания топлива, что особенно важно для действующих ТЭС и ТЭЦ, где радикальная перестройка оборудования невозможна.
Сегодня основным промышленным способом улавливания CO₂ остается химическое поглощение аминными растворами. Эта технология хорошо отработана, но требует больших затрат энергии на регенерацию растворителя, а также влечет другие издержки – возникновение коррозии, деградацию реагентов и образование отходов. Мембранные методы, при которых газы разделяются при прохождении через полупроницаемый материал, выглядят более технологичными и экологичными: 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 энергозатратной компрессии газа.
Команда российских ученых предложила альтернативу – 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 собственные 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. При этом наиболее эффективной оказалась конфигурация, в которой все пермеатные потоки объединяются перед подачей в конденсатор. Для ее работы требуется минимальная 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 энергопотребление 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 тратятся не только на электроэнергию, но и рационально распределяются между оборудованием и эксплуатацией.
