CC BY
9
-□ □-
За допомогою методологи оцтювання життевого циклу проведено поргвняльний анализ екологгчного впливу процессе улов-лення дижсиду вуглецю 1з викидгв тепло-вих електростанцш методами минерального уловлення та шляхом його уловлення морсь-кою водою. Визначено прюритетт шляхи оптимгзацИ цих процесгв з точки зору еколог1чног безпеки
Ключовг слова: ощнка життевого циклу, дижсид вуглецю, мтеральне уловлення, улов-
лення морською водою
□-□
С помощью методологии оценки жизненного цикла проведен сравнительный анализ экологического влияния процессов улавливания диоксида углерода из выбросов тепловых электростанций методами минерального улавливания и путем его улавливания морской водой. Определены приоритетные пути оптимизации этих процессов с точки зрения экологической безопасности.
Ключевые слова: оценка жизненного цикла, диоксид углерода, минеральное улавливание,
улавливание морской водой -□ □-
УДК 66.074.5:551.588.74
оц1нка життевого
ЦИКЛУ ПРОЦЕС1В УЛОВЛЕННЯ Д1ОКСИДУ
ВУГЛЕЦЮ
Х.О. Дерей ко
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра прикладноТ екологи та збалансованого
природокористування Нацюнальний Ушверситет <^bBiBCb^ полЬехшка» вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013 Контактний тел.: 067-722-83-57 E-mail: dereykokhrystyna@gmail.com
1. Вступ
З метою глобального зниження викидiв парни-кових газiв процеси уловлення та фжсацп дюксиду вуглецю з метою його переведення у стшю карбонатш сполуки сьогодт широко розглядаються та обгово-рюються науковцями та промисловцями всього свГту. Загальновщомим е те, що клiматичнi змши е викликанi головним чином за рахунок спалювання викопних па-ливних ресурав для забезпечення енергетичних потреб людства. Тому для кра'н, у яких спалювання вугiлля е прюритетним способом виробництва електроенергГ', а це зокрема Австралiя, США, Фiнляндiя, проблема зниження викидiв дiоксиду вуглецю набувае все бшьшо! актуальностi [1,2,3].
Центр Прюритетних Дослiджень в енергетищ Унiверситету м. Ньюкасл (Австралiя) ставить собi за мету вiдiгравати керiвну роль у мiнiмiзацГi парнико-вих газГв шляхом створення нових та шновацшних технологГй, а також 'iх комерцГйного поширення. ОсновнГ науково-дослщницью штереси центру зосередженГ на уловленнГ парникових газГв, розробцГ чистих енергетичних виробництв вГдповгдно до концепцГ' стало-го розвитку. Дослгдницька програма дгяльносп цьо-го Центру на тему зниження викидГв спалювання вугГлля орГентована головним чином на вивчення зниження викидГв газГв парникового ефекту на основГ технологГй уловлення вуглецю (окислення, уловлення викидГв пГсля спалювання, газифГкацГя, хГмГчне пере-творення). Базуючись на основГ даних дшчих теплових електростанцш в Австралп, дослГдження включають вивчення мехашзму спалювання та газифжацп вугГлля у турбулентних потоках, викидГв та впливу уловлення
вуглецю. Програма включае також випробовування технологш та результапв дослщжень як в Австралп, так i на мiжнародному рiвнi.
Австралiя е однiею з кра'1н, де зосереджет значнi поклади вугiлля, а тому основним способом енерго-забезпечення у цш кра!ш е спалювання вуплля на теплових електростанцiях. Отже, проблеми зниження концентрацш дiоксиду вуглецю в свiтлi Кiотського протоколу для Австралп е особливо актуальними. Останшми роками багаточисленнi проекти, науковi до-сл1дження i дискусп були проведет з метою зниження кшькосп атмосферних викидiв СО2.
Протягом останнього десятилитя досл1дження методу мiнералiзацil СО2 (або мшерально! карбошза-цп) набувають стрiмкого розвитку i запропонованi рiзнi шляхи цього процесу у рiзних досл1дницьких та академiчних установах у свиовому масштабi. Цей метод е прийнятним для Австралп (так само як i для США, Фшляндп), оскшьки там зосередженi великi поклади силжатних мiнералiв, зокрема серпентинiту. У австралшських штатах Новий Пiвденний Уельс та Квшсленд великi пластовi поклади серпентишту е розмiщенi недалеко вщ iснуючих джерел викидiв СО2. У Новому Швденному Уельсi одне з трьох таких родо-вищ е Великий пояс серпентишту (Great Serpentinite Belt). Дослщжено, що об'ем цього родовища глибиною у 500 метрiв е достатнiм для уловлення викидiв всiх ста-цiонарних джерел Нового Швденного Уельсу на про-тязi 300 рокiв [1].
На сьогодш процес мiнералiзацil СО2 залишаеться достатньо дорогим та енергоемним методом, але переваги його в тому, що вш може використовуватися для
© Х.
акумулювання та збериання велико! кiлькостi СО2 в iнертнiй формi та без ризику його витжання.
На протязi останнього десятилiття розвиток рiзних методiв для уловлення та фiксацГi вуглецю став причиною написання багатьох патентних винаходiв щодо но-вих концепцш реалiзацГi та впровадження цих методiв. В зв'язку з енергетичними, економiчними та сировин-ними вимогами на рiзних стадiях процесiв уловлення та фжсацп вуглецю викиди парникових газiв, цiновi та енергетичнi затрати повинш бути оцiненi з точки зору методологи ощнки життевого циклу (Life Cycle Assessment - LCA).
Отже, для даних дослщжень методологш LCA за-стосовуеться для порiвняння рiзних методiв уловлення та фжсаци СО2.
2. Аналiз дослiджень та публшацш щодо уловлення та фшсацп вуглецю
Наявнiсть технологiй уловлення та фжсаци СО2 може служити шляхом до зменшення глобальних клiматичних змш. З метою уникнення майбутньо-го глобального потеплшня викиди СО2 можуть бути уловлен на виходi з теплових електростанцiй i потiм зафжсован у певнiй стабiльнiй формi.
Для уловлення СО2 (вiддiлення його i3 сумiшi в1дх1дних газiв пiсля спалювання вугiлля на теплових електростанцiях) найбшьш поширеними е наступнi методи: хiмiчна абсорбцiя, мембранне роздiлення, крiогенний метод та адсорбцш при коливаннi тиску. Метод хiмiчно! абсорбци з використанням розчинниюв е найбiльш визнаним методом. У цьому методi СО2 з вщхщних газiв реагуе з хiмiчним розчинником з утворенням сполуки, яка поим розпадаеться при застосуванн теплоти в процес регенераци. Типовими розчинниками е моноетаноламш, диетаноламiн та карбонат калш.
Пiсля вилучення СО2 з газово! сумiшi вiн повинен бути збережений та стабшьно зафжсований у такiй формi, щоб попередити його наступний витж до ат-мосфери. Один iз таких способiв - це закачування та збериання СО2 в океанiчних глибинах. 1нший спосiб -це геологiчне збериання, при якому СО2 вводять у тдземн резервуари (наприклад, глибокi вугшьш поклади, якi не мають промислового застосування; сольовi водоноснi пласти; вичерпан газовi та нафтовi резервуари), де вш може бути iзольований вщ атмосфе-ри на декiлька сотень роюв.
Лiтературний огляд показуе, що багато дослщни-кiв висувають можливють уловлення СО2 морською водою активованою лужним розчином г1дроксиду на-трш, який в свою чергу продукують електролiтичним шляхом. Недавно американська корпорацш Calera заа патентувала декiлька методiв фжсацп СО2 лужни-ми природними водами, використовуючи при цьому електролiтичнi комiрки низько! електрично! напруги для продукування NaOH, який е середовищем для створення лужного рН [4,5,6,7]. Методи включають уловлення СО2 та осадження його у формi стабiльного продукту iз лужних металовмiсних вод, наступне роз-мiщення продукту для безпечного захоронення чи його використання для виробничих процемв.
Альтернативний метод уловлення i збериання СО2 - це так зване мшеральне уловлення, при якому СО2 е хiмiчно зв'язаний у твердш карбонатнiй кам'янiй породi [8,12]. Цей метод iмiтуе природнй процес вивГтрюван-ня гiрських поргд, який як в1домо вiдiграв важливу роль в историчному зниженнi концентрацГ! СО2 в атмосферi пiсля виникнення землi. Головна перевага процесу полягае в тому, що утворен при цьому мшеральн кар-бонати е кшцевими продуктами геологiчних процесiв i вiдомi своею стабiльнiстю на протязi довгих геолопч-них перiодiв (мГльйонш рокiв). Мiнеральне уловлення СО2 е новою концепщею i недостатньо дослщженою у порiвняннi з iншими способами фжсацп СО2. Крiм де-яких лабораторних та експериментальних дослщжень, здшснених науковими групами в Албанi Дослщниць-кому Центрi (США) [2,3], Унверситеп в Або-Турку (Фiнляндiя), на даний час немае дшчо! промислово! установки, дгя яко! була б основана на методi мiнераль-ного уловлення СО2. Для просування вперед у впрова-дженнi установки цього типу комерцшного масштабу детальне дослГдження процесу було б доцГльним з питань екологiчних переваг процесу щодо потенщалу фжсаци СО2, так само i властивих вторинних забруд-нень, спричинених самим процесом.
НайбГльш вагомi дослiдження з питань ощнки життевого циклу процемв вилучення та фжсаци С02 проводяться в Або Акедемi Унiверситетi (ААУ), департамент Термально! 1нженери та 1нженерГ! потокiв (м. Або-Турку, Фiнляндiя) пщ керiвництвом проф. Рона Жевенговена [2,8,13]. Дослщжено енергетичний та еко-лопчний вплив уловлення С02 з теплових електро-станцiй з використанням магнево-силжатних гiрських пор1д. Проведено оцiнку життевого циклу методу мше-ралiзацi! С02, розробленому в Або Акедемi Унверси-тетi (Фiнляндiя), i проведено порiвняння результатiв цього аналiзу з процесом, розробленим у Нацюналь-нш лабораторГ! енерготехнологГ! Департаменту енергГ! США ^Е^) (Албанi, штат Орегон) [2]. Процес погли-нання С02, розроблений у ААУ, е багатостадшним, при цьому спочатку вГдбуваеться утворення пдроксиду магнiю Mg(OH)2 з силiкату магию. ПотГм Mg(OH)2 реагуе з С02 в реакторi зр1дженого шару за умов високо! температури та тиску, при цьому утворюеться чистий, стабiльний та еколопчно безпечний MgCOз. Дослщже-н прiоритетнi напрямки та можливосп зниження еко-лопчних потреб та еколопчних впливГв, пов'язаних Гз мiнералiзацiею С02, при цьому для швентаризацшного аналГзу при ощнщ життевого циклу застосовувався ексергетичний аналГз.
Також, дослгдження у даному напрямку прово-дилися в Нацюнальному Унверситеп (Департамент ХГмГчно! та Бюмолекулярно! шженерц) в СшгапурГ та 1нститут ХГмГчних та шженерних наук (Сшгапур) [9,10,13]. У цих дослгдженнях методологш ощнки життевого циклу була застосована для юльюсно! ощнки еколопчного впливу уловлення С02 мшеральними породами. П'ять альтернативних процесГв мшерально! фжсаци порГвнюються у поеднанн з рГзними технологиями уловлення СО2 (хГмГчна абсорбц1я, мембранне роздГлення, крюгенний метод, абсорбц1я при коливанн тиску). Для порГвняння результата з шшими можли-вими варГантами було проведено ощнку еколопчного впливу та аналГз чутливост Гз використанням методу Еко-шдикатор 99 у програмГ SimaPro.
Ощнка життевого циклу процесГв мшерально! карбонГзаци в С iHranypi також враховувала таю можливi опци, при яких кiнцевi продукти можуть потенцiйно використовуватися у бyдiвельнiй промисловостi та як матерГали для рекультивацГ! ландшафтiв.
За допомогою оцiнки життевого циклу дослГджувалися та порiвнювалися рiзнi технологи фжсацп СО2 шляхом Гнжекци в глибини океану та технологи фжсацп у рiзних геологГчних формуваннях (п1дземних резервуарах).
НГяких бiблiографiчних даних по оцГнцГ життевого циклу методу поглинання та фжсацп СО2 морською водою не знайдено.
3. Постановка завдання
Метою роботи е порiвняння процесГв уловлення дiоксидy вуглецю морською водою та мГнерально1 карбонГзаци, як i активно пропагуються на сьогодн ГшнГй час. Власне з цГею метою е доцiльним застосування методологи оцiнки життевого циклу i дослГдження можливих способiв мiнiмiзацГi екологiчного впливу СО2 та оптимГзаци вищенаведених процесГв.
4. Методологiя дослiджень, результати та ix обговорення
Для моделювання установки уловлення дГоксиду вуглецю морською водою було використано HYSYS OLI Гнтерфейс, який оснований на програмГ OLI (ствос ренГй компанГею OLI Systems (Нью ДжерсГ, США) Г за-безпечуе користувачГв з теоретичними рамками, базами даних, за допомогою яких можна точно Г зрозумГло прогнозувати електролГтичнГ системи.
Вщповщно до даних патентно! Гнформацц американ-сько! фГрми Calera [4,5,6] для створення лужного середр овища у технолог^ уловлення СО2 морською водою ви-користовуеться хлор-лужний електрохГмГчний метод продукування NaOH, в основГ якого лежить такий процес:
2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + H2+CI2.
При цьому за рахунок електролГзу сольового роз-чину NaCl утворюються NaOH, хлор та водень.
Схема процесу конверси СО2 у мГнеральнГ карбона-ти фГрми Calera зображена на рис.1.
ОсновнГ технологи, якГ використовуються для хлор-лужного виробництва, застосовують дГафрагмовГ, ртутнГ та мембраннГ електролГтичнГ комГрки. Мем-бранний процес мае екологГчнГ переваги у порГвняннГ Гз двома старими процесами (дГафрагмовим та ртутним), так як у цьому процесГ не використовуються азбест та ртуть Г вГн е найбГльш енергоефективним.
Процес уловлення СО2 морською водою за наявностГ NaOH в загальному може бути описаний наступними хГмГчними реакцГями [11]:
CO2 (г) ~ CO2 (р) CO2 (р) + H2O ~ H2CO3 H2CO3 ~ H+ + HCO3-
HCO3- ~ H+ + CO32-
Ca2+ + CO32- ^ CaCO3 (тв) (кальцит)
Mg2+ + CO32- ^ MgCO3 (тв) (магнезит)
Ca2+ + Mg2+ + 2CO32- ~ CaMg(CO3)2 (тв) (доломГт)
MgCl2 +2NaOH Mg(OH)2 + 2NaCl
CaCl2 +2NaOH Ca(OH)2 + 2NaCl
Mg(OH)2 + CO2 MgCO3 + H2O
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O.
рН визначае, якГ етапи домГнують у послГдовностГ реакцГй Г вГдповГдно пропорцГ! вуглецевих сполук. При низькому значеннГ pH (~4) домГнуе утворення H2CO3, при середньому pH (~6) домГнуючими е HCO3-, а при високому pH (~9) домГнуючими е CO32- Гони.
Рис. 1 Процес конверси СО2 у карбонати, запатентований ф!рмою Calera
За допомогою OLI Analyzer Studio 3.2 на основГ термодинамГчних властивостей системи поглинання дГоксиду вуглецю морською водою були змодельованГ та прогнозованГ фГзичнГ та хГмГчнГ властивостГ цГе! сис-теми.
—$—Mg(OH(2-Sol[mol]
—6—CaHg(C03)2- Sol[moG
—В— Mg2C0H )2C03.3H20 [moO
Mg5(0H )2(C03)4.4H20 - Sol M^
-Q- C.aMg3(C03)4 -
^pH-AqugH)StpHKY2)
u N
1 <1 i ■
i
).69 i
)12 д
i.55 (Ü
Ratio NaOH I C02-seawater-Mg(0H)2
Рис. 2. Дом!нуюч! тверд! сполуки, як! утворюються при поглинанн! СО2 морською водою (залежност! в!д рН роз-чину та сп!вв!дношення м!ж реагентами)
Вщповщно до розрахунюв, проведених за допомо-гою програми OLI, i3 додаванням NaOH до розчину СО2 / морська вода / Mg(OH)2 наступт домiнуючi сполуки з'являються в осадГ CaMg(CO3)2 (доломiт), Mg2(OH)2COa^3H2O (артiнiт), Mg5(OHfc(CO3MH2O (г1дромагнезит) i CaMg3(CO3)4 (при pH в межах 6.8-9). Щ сполуки спостерггаються доти, поки значення рН розчину не досягне 9,4. Наступне додавання NaOH (pH мiж 9.4 i 11.1) веде до появи i зростання кшькосп Mg(OH)2 в осадi (що е небажаним i повинно уникатися).
Шсля досягнення pH 9.4, газова сумш CO2 зно-ву барботуеться через розчин до досягнення pH 8.5. Цей процес супроводжуеться зменшенням кшькосп в осадi Mg2(OH)2CO3^3H2O (артiнiт) i CaMg(CO3)2 (до-ломiт), появи Mg5(OH)2(CO3)44H2O (г1дромагнезит) та CaMg3(CO3)4.
Кривi кiлькостей домiнуючих твердих сполук, яю утворюються при поглинанш СО2 морською водою, в залежност в1д рН розчину та сшввщношення мiж реагентами, отриманi на основi розрахункiв в OLI Analyzer Studio 3.2, зображеш на рис.2.
Нацюнальна лабораторiя енерготехнологп Департаменту енергп США (NETL), яка знаходиться в Ал-банi (штат Орегон) займаеться вивченням процесу мшерально! карбошзацп як потенцшно! можливостi для уловлення та фжсацп СО2 [3]. Дослщження цього Досл1дницького Центру в Албаш зосередженi на реакцп Ca, Fe та Mg-силжатних мiнералiв з газовим СО2 з утворенням геолопчно стабiльних природних твердих карбонатних мiнералiв. Досл1дження цього центру включають оцшку природнiх мiнералiв, кшети-ку процемв, розробку технологiчного впровадження та економiчну оцiнку.
Особливо придатними для фжсацп СО2 е вулкашч-нi прсью породи, якi е вiльнi вщ карбонатiв.
Для процесу карбошзацп придатними е мшерали лужних та лужноземельних металiв. Серед них най-бшьше застосування мають серпентин, олiвiн (Mg-вмiснi мiнерали) та волластонiт (Са-вмкний). Серпентин може бути у формi антигориту, лiзардиту та хризотилу.
В загальному силжати реагують з СО2 за наступ-ною реакцiею [8,12]:
(Mg,Ca)xSiyOx+2y+zH2z(s) + xCO2(g) = x(Mg,Ca) CO3(s) + ySiO2(s) + ZH2O
При кiмнатнiй температурi та тиску реакщя карбошзацп iз газовим СО2 протiкае дуже повiльно. Шдви-щення температури збiльшуе швидкiсть реакцп. Значення пщвищено! температури, при якш карбонiзацiя протiкае самовiльно, залежить вщ тиску СО2 та типу мшералу.
У лiтературi [8,12] описан рiзнi шляхи процесу мЬ нерально! фжсацп СО2. Бiльшiсть з них е комбшащею процесу попередньо! обробки та самого процесу фжсацп СО2 у мшералГ Видiляють головним чином два шляхи процесу мшерально! карбошзацп:
1. Прямий процес, при якому мшерал карбошзуеться одностадшно.
2. Непрямий процес, при якому реагуючi компонента спочатку екстрагуються з мшерально! матрищ, а при наступнш стад!! в1дбуваеться карбонiзацiя.
Найпростiшим е прямий процес карбошзацп, при якому серпентин або Ca/Mg-вмiсний твердий вщход
карбошзуеться в однш стад!!. ШвидкостГ реакцп такого процесу е надто низью i процес мае недолжи через тер-модинамiчнi обмеження.
При прямому процес водно! карбонiзацiï екстра-гування металiв з мiнеральноï сировини i ïx наступна реакцiя з розчиненим дюксидом вуглецю з утворенням карбонатГв в1дбуваеться в одному реактор!
Серпентин мiстить 13 % xiмiчно зв'язано! води. За рахунок нагрГвання серпентину до 600-650°С вода ви-лучаеться i створюеться вiльна структура. Швидюсть реакцп також може бути збГльшена за рахунок змен-шення розмiру частинок i збiльшення таким чином плошД поверxнi. Також для пришвидшення реакцп використовують сумГш бжарбонату та хлориду натрiю.
Процес прямо! водно! мшерально! карбошзацп, роз-роблений Нацюнальною лабораторiею енерготехноло-riï Департаменту енергп США (NETL) (Албаш, штат Орегон), вважаеться сьогодш найбшьш передовим i сучасним [3].
Автором дано! стати осадження рГзних форм карбонатГв магнiю досл1джувалося Гз використанням програми OLI Analyzer при температурах мГж 25 i 120 °С та парщальному тиску СО2 мГж 1 та 100 бар. При 25° С i РСО2 = 1 бар осгдае тГльки пдратований карбонат не-сквегонГт (MgC03^3H20). При 120 °С i Р СО2 = 3 бар утворюеться пдромагнезит (MgC03)4Mg(0H)24H20), який пГзнГше може окислюватися до магнезиту (MgCO3). При температурГ 120 °С i Р СО2 = 100 бар в1д-буваеться пряме утворення магнезиту, а при умовах насичення вщбуваеться спГвосадження магнезиту та пдромагнезиту.
Моделювання, проведенГ з використанням програми OLI Analyzer, лише тдтверджують, що термодина-мГчно в процесГ прямо! водно! карбонГзацГ! вщбуваеться утворення рГзних форм карбонатГв, але не дае нГякого уявлення про кшетичш закономГрностГ процесу. Реально процес е дуже повГльний, тому для його промис-лового впровадження е необхщним забезпечення ряду умов для зростання швидкостГ реакцГ!.
За допомогою програми Aspen HYSYS було спроек-товано технологГчнГ установки для процесГв уловлення та фжсацп дГоксиду вуглецю морською водою та прямо! водно! карбошзацп, а також розраховат умови реалЬ зацп процесГв та властивостГ всГх вхгдних та вихгдних потоюв.
ОцГнка життевого циклу методГв уловлення CO2 морською водою та процесГв мшерально! карбошзацп здшснена за допомогою комп'ютерно! програми Sima Pro 7.3.2 (Pré Consultants, The Netherlands) вщповщно до вимог мГжнародного стандарту по оцшюванню житте-вого циклу ISO 14040.
• Визначення мети та границь дослгдження
Метою даного дослгдження е оцГнка екологГчного впливу та порГвняння методГв уловлення CO2 морською водою та процесу мшерально! карбошзацп. Функщею дано! системи е фжсащя CO2 у стабшьнш формГ. ФункцГональною одиницею для даного дослЬ дження вибрано 1 тонну CO2, зафГксовану у стабГльнГй формГ (у виглядГ карбонатГв та ргдких викидГв).
ГраницГ дослгдження включають наступт процеси, яю входили до аналГзу:
a) Процес мГнерального уловлення CO2 (вклю-чаючи видобування серпентинГту, його подрГбнення,
розмелювання, етап теплово! попередньо! обробки для активацп мшералу, нагрГвання реагентГв);
b) Процес уловлення CO2 морською водою;
c) Хлор-лужний процес виробництва NaOH Гз застосуванням мембранно! комГрки.
• 1нвентаризацшний аналГз
Вихгдними даними для швентаризацшного аналГзу дослгджуваних процесГв уловлення СО2 стали резуль-тати, отримаш шляхом моделювання та проведених розрахунюв в OLI Analyzer Studio 3.2 та Aspen HYSYS, а також даш NETL, США [2,3] для процесу мшерально-го уловлення CO2.
• ОцГнка впливу
ОцГнка впливу на навколишне середовище процесу мшерального уловлення CO2:
Qrciogeis Resp. orga i ics Resp. (orgaii:
Miiens Fossil fieS
Рис. 3. Зважування екологiчних впливiв процесу мшерального уловлення CO2 i3 врахуванням захоронення вiдходiв карбонiзацiï
i ^B
1 ^^r ^ !
Рис.4. £диний рахунок екологiчних впливiв процесу мшее рального уловлення CO2 i3 врахуванням захоронення вщ-ходiв карбошзацп
Mi r M, W M W ЙЩ Ж
i
1
F/
Carciogeis Resp. orgaics Resp. iiorgaics Ciimle cha ige Itidaloi I miiiig öl srpiliiile aisliig aid griidig ol"rpeiiiie l l laai pre-lrea lemeilolserpeilile ^H ca rboia loi olsrpeiliUe
□ eiergy racoieriig from leal eidaigers
Рис. 5. Зважування еколопчних впливiв процесу мшерального уловлення CO2 (аналiз окремих етапiв процесу карбонiзацiï)
leal pre-treatemeit carbc
■ Ciirate claige □□ Radatoii
Рис. 6. £диний рахунок екологiчних впливiв процесу мшерального уловлення CO2 (аналiз окремих еташв процесу карбонiзацiï)
Carciogeis Resp. orgai ics Resp. lorgaiics Ginnte chaige lödal
Рис.7. Зважування екологiчних впливiв процесу уловлення CO2 морською водою
/ Eitroplatoi
mneral seq le^ra tool H ca rbo la tool waste a id fil
Curißrlg 1 p 'nîieB l seq lestraton' wtl 1 p "carboia boi wase aidfil; Method: Eco-iidicator99 (H) V2.08 / El rope EI 99 H/H / Weg Itiig
miiiig ol serpeitiiite
olse roe i tii iie
a toi ol se rpe i tii ite
eiergy recoveriig rom l eat excla iters
^raiogeis I_I Resp.orgaics I_I Resp.iiorgai
Acdidtoi/ EitroplûtoiH laid ise О MieraS
iig processes;
: Eco-idcator 99 IH1 V2.08 / Eirone El 9) H/H / Sigfe smre
13J
Comparng 1 p 'mueraI seqiestratDi' wtl 1 p tailoiàloi waste mill; Melldll Eco-idtator 99 (H) V2.08 / El rope El 99 H/H / Siig e score
Aialysiig 1 p ssmler seq ■ eslia loi clOr-ailal pras; Method: EoD-iid c^lor 9) (H) V2JJ8 / Eirope il 9) H/H / Weigllig
Рис.8. £диний рахунок еколопчних вплив1в процесу улов-лення CO2 морською водою
ftoie ^yer Eojioiifi Acdilaloi / EitoplQloi
iwilersqieslralbi dor-altei proces^M mlieraI¡BiieslBHn
Рис. 9. Пор1вняння еколопчних вплив1в процеав мшерального уловлення СО2 та уловлення морською водою (етап зважування вплив1в)
sarnlei seq lesta loi d or-alla I process
Рис. 10. Пор1вняння единих рахунюв еколопчних вплив1в процеав мшерального уловлення СО2 та уловлення морською водою
5. 1нтерпретащя результатiв та висновки
Зпдно до проведено! оцiнки еколопчного впливу та поданих вище рисунюв, процес мiнерального уловлення CO2 е екологiчно набагато бiльш сприятливим (рис. 9, 10). Його загальний вплив на навколишне се-
редовище приблизно у 7 разiв менший, нiж вплив про-цесу уловлення СО2 морською водою.
Етап захоронення кшцевих вiдходiв карбошзацп мае незначний вплив на навколишне середовище у порiвняннi з самим процесом мiнералiзацil (рис. 3,4). Найбшьш вагомим впливом на навколишне середови-ще процесу карбошзацп е використання викопного па-лива, набагато менш суттевими е вплив на клiматичнi змiни та респiраторнi впливи неоргашчних речовин. З погляду аналiзу окремих стадiй реалiзацil процесу мiнералiзацil CO2 етап карбошзацп серпентину е найбшьш суттевим, попередня теплова обробка мае менш значущий вплив на навколишне середовище. Зна-чна частина енергп, рекуперована у теплообмшниках, представляе «бонус» для навколишнього середовища (рис. 5,6).
Процес уловлення CO2 морською водою е причиною виникнення таких суттевих впливiв на навколишне середовище, як виснаження викопного палива, кан-церогент впливи, респiраторнi впливи неоргашчних речовин, клiматичнi змiни, у меншш мiрi екотоксичнiсть, використання м1нерал1в, закислення/евтрофжацш, використання ландшафт1в та радiацiйнi впливи (рис. 7). Найбiльш суттевий еколопчний вплив при уловлен-m CO2 морською водою е викликаний споживанням NaOH для створення лужного середовища, який в свою чергу продукують шляхом хлор-лужного процес iз за-стосуванням мембранно! комiрки.
Оскшьки данi процеси спрямованi на уловлення СО2 i таким чином зниження глобального потеплшня, то потрiбно зауважити, що процес уловлення морською водою провокуе набагато бшьш суттевий вплив на клiматичнi змiни у порiвняннi з мiнеральною карбо-нiзацiею. Зниження цього впливу можливе лише за рахунок замши NaOH шшими субстанцшми лужного характеру, процес виробництва яких не буде настшьки енергоемним, тобто не включатиме таких значних затрат енергп, яю потребуе реалiзацiя процесу електро-лiзу в електролiтичних комiрках.
За допомогою оцшки життевого циклу обох варiан-тiв уловлення СО2 щентифжовано, що енергозатрати е найбiльш суттевою причиною клiматичних змiн для обох процеав. Тому оптимiзaцiя енергоефективностi е критичним питанням шдвищення потенцiaлу уловлення та фжсацп СО2.
Процес мiнерaлiзaцil СО2 е на сьогодт теж дуже енергоемним, а тому для того, щоб цей процес був економiчно конкурентоздатним у порiвняннi з трaдицiйними системами уловлення та фжсацп СО2, необхiдне зниження енергозатрат через проведення майбутшх наукових дослщжень, додаткову розробку та удосконалення процесу.
Литература
1. Geoffrey F. Brent, Daniel J. Allen, Brent R. Eichler, James G. Petrie, Jason P. Mann and Brian S. Haynes. Mineral carbonation as the core of an industrial symbiosis for energy-intensive minerals conversion. Journal of industrial ecology, 2011, available at: www.wileyonlibrary.com/ journal/jie.
urciogeis н Resp. orgai
Acdilaloi/ Ei tropica loi □ Laid is
Comparing 1 p 'sarnler seq leslra loi clOr-akili prats;' will 1 p ' Mellod: Eooiikalor 99 (H) V2.08 / Europe EI 99 H/l / Wegliiiq
caraiogeis l_Hesp. organ
AdiCatoi/ EilroplCaloiB laid ise
Conparig 1 p 'sea ler seqiestraloi cl l:n-a la li process wll 1 p 'mieral seiieslraloi; Mellod: Eco-iid(a lor9) (H) VKB / Europe EI 9) H/H / Sig e sore
2. Experience Nduagu, Joule Bergerson, Ron Zevenhoven. Life cycle assessment of CO2 sequestration in magnesium silicate rock - A comparative study. Energy Conversion and Management, 2012, Vol. 55, pp. 116-126.
3. Stephen J. Gerdemann, William K. O'Connor, David C. Dahlin, Larry R. Penner and Hank Rush. Ex Situ Aqueous Mineral Carbo-nation. Environmental Science & Technology, 2007, Vol. 41 (7), pp. 2587-2593.
4. Constantz et al. Methods of sequestering CO2. United States Patent. Patent №: US 7,887,694 B2 Date of Patent: Feb. 15, 2011.
5. Giliam et al. Electrochemical production of an alkaline solution using CO2. United States Patent. Patent №: US 7,993,511 B2 Date of Patent: Aug. 9, 2011
6. Giliam et al. Low energy 4-cell electrochemical system with carbon dioxide gas. Patent №: US 7,875,163 B2 Date of Patent: Jan. 25, 2011.
7. Removing carbon dioxide from waste streams through co-generation of carbonate and/or bicarbonate minerals. Applicant and inventor: Jones Joe David [US/US]; 23 Cicero, Austin, TX 78746 (US). International Publication Date 30 March 2006. International Publication number WO 2006/034339 A1. International Patent Classification: B01D 53/62 (2006.01). International Application Number: PCT/US2005/033814.
8. Johan Sipila, Sebastian Teir, Ron Zevenhoven. Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation. Literature review update 2005-2007. Report VT 2008-1. [Online]. Abo Akademi University, Heat Engineering Laboratory, Turku, Finland (2008). Available at: http://web.abo.fi /~rzevenho/MineralCarbonationLiteratureReview05-07.pdf.
9. Hsien H. Khoo and Reginald B. H. Tan. Life Cycle Investigation of CO2 Recovery and Sequestration. Environmental Science & Technology, 2006, Vol. 40, No. 12, pp. 4016-4024.
10. Hsien H. Khoo and Reginald B. H. Tan. Life Cycle Evaluation of CO2 Recovery and Mineral Sequestration Alternatives. Environmental Progress, 2006, Vol. 25, No. 3, pp. 208-217.
11. Wenlonh Wang, Mingqiang Hu, Chunyau Ma. Possibility for CO2 sequestration using sea water. Proceedings of the 4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering (ICBBE), 2012, p. 1-4.
12. W.J.J.Huijgen & R.N.J. Comans. Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation. Literature review. Report № ECN-C—03-016. ECN (Energy research centre of the Netherlands), the Netherlands (2003).
13. Hsien H.Khoo, Paul N.Sharratt, Jie Bu, Tze Y.Yeo, Armando Borgna, James G.Highfield, Thomas G.Bjorklof and Ron Zenenhoven. Carbon capture and mineralization in Singapore: preliminary environmental impacts and costs via LCA. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, Vol. 50, pp. 11350-11357.
Abstract
The availability of CO2 fixation technologies would serve as a mean to mitigate global climate change. To avoid further global warming, CO2 can be captured from these coal fired power plants and subsequently stored. Over the past decade CO2 mineralization (or mineral carbonation) research has evolved resulting in different mineralization routes being proposed. Several scientists proposed a method related to application of sea water alkaline solution as a possible way to store huge amount of CO2. Within this study, using the methodology of life cycle assessment according to the standard ISO 14040, a comparative analysis has been carried out with reference to environmental impacts of carbon dioxide sequestration processes issued from thermal power plants emissions by the methods of mineral sequestration and seawater sequestration. The environmental impact analysis of these sequestration processes has been realized using the SimaPro 7.3.2 software. The priority ways for optimization of these processes in terms of environmental safety have been determined. There has been identified that energy inputs are the most significant causes of climate change for both processes. Therefore, optimization of energy efficiency is a crucial problem in the enhancement of CO2 of capture and fixation potential.
Keywords: life cycle assessment, carbon dioxide, mineral sequestration, seawater sequestration.
