For å takle klimaendringer og oppnå bærekraftig utvikling, har det internasjonale samfunnet tatt en rekke tiltak for å redusere CO2 -utslipp, hvorav den ene er karbonfangstteknologi. De siste årene har karbonfangstteknologi raskt blitt utviklet og mye brukt, og blitt et viktig middel for å takle klimaendringer og redusere utslipp av klimagasser. Utviklingen av karbonfangstteknologi står imidlertid fortsatt overfor mange utfordringer, for eksempel driftskostnader, energiforbruk av moderne kjemisk utstyr og lagring og transport av CO2. Å bruke CO2 som råstoff og fremstille verdifulle industriprodukter gjennom kjemiske syntesemetoder anses å være en effektiv måte å løse begrensningen av karbonfangst. Metaneringsreaksjonen av CO2 ble foreslått av Paul Sabatier. Reaksjonen av CO2 og H2 for å produsere CH4 anses å være en effektiv teknologi for resirkulering av CO2.
Noen forskere har foreslått en innovativ forretningsmodell: bruk av CO2 -metaneringsteknologi og grønn hydrogenteknologi for å produsere CH4 for å fullføre lagring av elektrisk energi til kjemisk energi. Denne modellen kan konvertere overflødig elektrisitet til CH4 for lagring, og løse problemet med volatilitet i fornybar energi; Å bruke eksisterende lagrings- og transportanlegg for naturgass kan redusere investeringskostnadene betydelig; fremme utviklingen av karbonfangst og utnyttelsesteknologi, og bidra til den globale grønne energiovergangen. Denne artikkelen introduserer utviklingen av CO2-metanasjonskatalysatorer og analyserer de industrielle applikasjonsscenariene for kraft-til-gass (PIG) -teknologi ved bruk av methaneringsteknologi.
Nøkkelord:Karbondioksid, metanering, kraft-til-gass, karbonfangst, energilagring, hydrogenmatering, vannelektrolyse
Co2metanasjonsreaksjon
Reaksjon termodynamikk
Følgende reaksjoner forekommer hovedsakelig mellom H2og C02under metaneringsprosessen.
Hovedreaksjon: C02 + 4H2⇄ Ch4 + 2H2 O
Δ H=-165.0 kj/mol
Sideaksjon: C02 + H2 ⇄ C0 + H2 O
Δ h=41.1 kj/mol
Sidereaksjonen, også kjent som vanngassskiftreaksjonen, er endotermisk. Når reaksjonen når en viss temperatur, øker selektiviteten til biproduktet CO, og selektiviteten til CH4avtar. Derfor er forskningsfokuset til CO2Metanasjonskatalysatorer skal utvikle katalysatorer med høy aktivitet ved lave temperaturer. Effekten av trykk og temperatur på reaksjonsproduktene, hvor volumforholdet mellom reaktanter h2til co2er 4: 1.
Katalysatorforskning
Overlegenheten til metanasjonsreaksjonen gjenspeiles hovedsakelig i dens termodynamiske egenskaper og det teoretiske potensialet for høy konverteringshastighet ved romtemperatur og trykk. Siden C02Molekyl har blitt fullstendig oksidert og karbonatomet og oksygenatomet danner en kovalent dobbeltbinding, aktiveringsenergien som kreves for reaksjonen er veldig høy, og en katalysator er nødvendig for å redusere aktiveringsenergien og dermed øke konverteringshastigheten.
Metallene i gruppe VIII kan forbedre konverteringshastigheten og selektiviteten i metanasjonsreaksjonen, og deres aktivitet er i synkende rekkefølge: RU, IR, RH, NI, CO, OS, PT, Fe, MO, PD, AG. Når bare de viktigste faktorene (aktivitet og selektivitet) av metanasjonsreaksjonen blir vurdert, er aktiviteten i synkende rekkefølge: Ru, Fe, Ni, Co, Mo, og selektiviteten er i synkende rekkefølge: Ni, Co, Fe, Ru.
Ytelses sammenligning av forskjellige metallkatalysatorer er vist i tabell 1. Katalytiske systemer basert på overgangsmetaller (RU, RH, PD, etc.) er mye utviklet. De har utmerket katalytisk aktivitet og selektivitet i CO2Metanasjonsreaksjoner! Spesielt RU-baserte katalysatorer viser høy aktivitet og selektivitet under lav temperatur og moderate forhold. Studier har vist at under de samme reaksjonsbetingelsene er 3%Ru/AI2O3(3% ru lastet på AI2O3bærer, det samme nedenfor) har en høyere selektivitet for CH4enn 20%ni/ai2O3. Edle metaller (som PT) har også høy aktivitet og selektivitet i CO2Metanasjonsreaksjoner, men deres høye kostnader har blitt hovedhindringen for deres store anvendelse i CO2metanasjon. Andre overgangsmetaller (som Fe og CO) har også visse kjemiske reaktiviteter, men deres selektivitet er lav, og de brukes hovedsakelig som tilsetningsstoffer for andre bimetalliske katalysatorer. På grunn av deres lave pris og rikelig råvarer bruker de fleste forsknings- og industriprosjekter Ni-baserte katalysatorer.
Effekter av støtter og tilsetningsstoffer på katalysatorer
Ulike transportører spiller en stor rolle i forberedelsene og forbedringen av katalysatorer. Vanlige brukte bærere er hovedsakelig metalloksidantbærere. Disse transportørene øker hovedsakelig adsorpsjonskapasiteten til reaktanter ved å endre eksistenstilstanden i den aktive fasen, inkludert overflatemorfologi, metalldispersjon og de viktigste utsatte krystallflatene, og dermed forbedre den katalytiske ytelsen. Oksider med spesifikke egenskaper brukes ofte som katalysatorbærere, for eksempel AI2O3, Sio2, Zro2, Administrerende direktør2osv. Blant dem, AI2O3er en av de mest brukte katalysatorbærerne fordi den har fordelene med lav pris, stort overflateareal og utviklede porer. Imidlertid den aktive fasen av Ni/AI2O3Katalysator er lett å sintre og karbonisere ved høy temperatur, noe som resulterer i katalysatordeaktivering. Derfor forberedelse av Ni/AI2O3Katalysator med god aktivitet og høy stabilitet har blitt det nåværende forskningsfokuset.
For Ni-baserte katalysatorer er tilsetningsstoffer viktige modifiseringskomponenter som kan endre egenskapene og ytelsen til katalysatoren betydelig. Katalysatorytelsen optimaliseres gjennom forskjellige mekanismer, for eksempel bimetallisk synergi, endrer metallelektronisk miljø, hemmer dannelsen av spinelarter, forbedrer adsorpsjonen av reaktanter og mellomprodukter og forbedrer metalldispersjonen. Sidik et al. fant at ved å tilsette CO som et bindemiddel, viste den forberedte NI-CO/MSN-katalysatoren høyere aktivitet og stabilitet enn Ni/MSN. Analyse bekreftet at NI-CO-legering bidrar til å redusere Ni-partikkelstørrelse og gir bedre metalldispersjonsytelse. Paviotti et al. forberedte Ni-Ru-katalysatorer og fant ut at RU forbedret reduserbarheten av Ni-baserte katalysatorer og forbedret NIs adsorpsjonskapasitet for H2, og dermed forbedre katalysatorytelsen.
Bruksscenarier for metanasjonsreaksjonen
For øyeblikket, selv om utviklingen av fornybar energi har oppnådd bemerkelsesverdige resultater, står det også overfor noen utfordringer. Flaskehalsen ligger hovedsakelig i uforutsigbarheten av fornybare ressurser, noe som kan føre til kraftoverskudd og gi utfordringer til stabil drift av strømnettet.
PTG -teknologi bruker CO2metanasjonsreaksjon, bruker grønn hydrogen produsert av fornybar energi og co2som råvarer for å generere syntetiske naturgassprodukter, og biprodukt oksygen kan renses og selges. Å gjøre full bruk av reaksjonsvarmen med høy kvalitet kan redusere kostnadene for PTG-teknologi. Siden hovedkomponenten i den genererte syntetiske naturgassen er CH4, kan det sendes direkte til naturgassrørledningsnettverket, og innser langsiktig og storstilt lagring av CH4.
Produksjon av hydrogen råvarer
Hovedmetodene for industriell hydrogenproduksjon inkluderer hydrogenproduksjon av naturgass, vannelektrolysehydrogenproduksjon, kullhydrogenproduksjon og industriell biprodukt hydrogenproduksjon. Bortsett fra vannelektrolyse, hydrogenproduksjonen, krever andre metoder bruk av fossil energi. Fossil energi -hydrogenproduksjonsteknologi er moden, og kostnadene er lavere enn vannelektrolysehydrogenproduksjon, men en stor mengde CO₂ vil bli generert under produksjonsprosessen.
Ideelt sett er hydrogen råstoffet til PTG -teknologi H2 (grønn hydrogen) produsert ved kobling av vannelektrolyseteknologi med fornybar energi. For tiden er de viktigste vannelektrolyseteknologiene alkalisk vannelektrolyse (AEL) teknologi, Proton Exchange Membrane (PEM) teknologi, Anion Exchange Membrane (AEM) teknologi og solid oksydelektrolyzer (SOEC) teknologi. Blant dem er AEL-teknologi moden og egnet for storskala industriell hydrogenproduksjon, men produksjonshastigheten er lav, og strømforbruket er høyt. Før 2014 brukte innenlandske og utenlandske vannelektrolyseprosjekter AEL -teknologi. Siden 2015 har den installerte kapasiteten til PEM gradvis økt. Dette skyldes hovedsakelig at PEM -elektrolysere er egnet for arbeidsforhold med store kraftsvingninger, har kortere oppstartstider og reagerer raskere på svingninger i fornybar energi. AEM-teknologi og SOEC-teknologi er ikke moden: De er foreløpig ikke i stand til å tilpasse seg industriell skala-grønn hydrogenproduksjon.
Co2Anskaffelse
Co2I metanasjonsreaksjonen kommer fra CO2-Rike olje- og gassfelt, store kullkraftverk, sementplanter, etc. Disse plantene avgir vanligvis en stor mengde CO2Under drift, og høy-renhet CO2kan fås ved bruk av karbonfangstteknologi. For tiden har fangerfangsteknologi etter forbrenning blitt mye brukt i fabrikker, hovedsakelig ved bruk av kjemiske absorbenter for å fange CO2i røykgass etter forbrenning.
Karbonfangstteknologi har i utgangspunktet modnet, og et stort antall prosjekter er implementert over hele verden. Selv om karbonfangstteknologi kan redusere karbonskattekostnadene til bedrifter, produseres ingen verdifulle kjemiske produkter i hele prosessen. For tiden, noen CO2Bruk og lagringsteknologier har potensielle risikoer, for eksempel CO2Flomsteknologi og underjordisk lagringsteknologi.
Ingeniørtilfeller av PTG -teknologi
For tiden er det ingen store kommersielle PTG-enhetssaker i mitt land, og det er ikke mange studier på dette feltet. Forskningen på PTG -teknologi er for tiden hovedsakelig i europeiske land, og USA og Japan har også økt forskningen og utviklingen av denne teknologien de siste årene.
Chehade et al. Gjennomført forskning og analyse på 192 Power-to-X demonstrasjonsprosjekter i 32 land . 91% av prosjektene er fremdeles i drift, og 27% av prosjektene vurderer å utvide produksjonsskalaen: 99 prosjekter først bruker fornybar energi for å produsere h2, og bruk deretter hydrogenbrenselcelleteknologi eller gassturbiner for å konvertere H2inn i strøm og injiser den direkte i strømnettet; 69 prosjekter produserer grønn hydrogen og bruker metaneringsteknologi for å konvertere H2 til CH4og injiser det i naturgassrørledningsnettverket; Det er 154 PTG-prosjekter i Europa, hvorav nesten en tredjedel ligger i Tyskland.
Wulf et al. Undersøkte makt-til-X-prosjekter i Europa. Fra juni 2020 er totalt 220 slike prosjekter blitt implementert eller er under bygging og planlegging i Europa, med den raskeste veksten i prosjekter i Tyskland og Frankrike. I 2020 implementerte 20 land kraft-til-X-demonstrasjonsprosjekter, hvorav 44% var lokalisert i Tyskland. De fleste prosjekter brukte direkte fornybar strøm. En tredjedel av kraft-til-X-prosjekter konverterte H2 til andre gassprodukter til salgs. De fleste prosjekter brukte biomassegass som CO2-råstoff, mens andre brukte røykgass fra naturgass eller kullkraftverk som CO2-råstoff . 66% av alle prosjekter brukte kjemiske katalytiske metaneringsreaksjoner.
Australia undersøker også aktivt måter å konvertere CO2inn i Ch4. Southern Green Gas planlegger å implementere en fornybar CH4Prosjekt for å produsere CH4 ved hjelp av små moduler. Disse modulene inneholder solcellepaneler som leverer strøm til elektrolysere. H2 produsert av elektrolyserne reagerer med den fangede CO2i en metanasjonsreaktor for å produsere CH4, som deretter blir injisert i det australske naturgassrørledningsnettverket for lagring eller kommersiell bruk. Prosjektet bruker det eksisterende rørledningssystemet som transport- og lagringsanlegg, noe som reduserer kostnadene for infrastrukturkonstruksjon betydelig: Skidene kan være selvforsynt, og reduserer driftskostnadene kraftig; Og å leie lavprisland forbedrer prosjektets konkurranseevne ytterligere.
