Analys av framsteg och tillämpning av koldioxidmetaneringsteknik

För att hantera klimatförändringar och uppnå hållbar utveckling har det internationella samfundet vidtagit en serie åtgärder för att minska koldioxidutsläppen, varav en är koldioxidfångsteknologi. Under de senaste åren har koldioxidfångsteknologi utvecklats snabbt och använts i stor utsträckning, vilket blir ett viktigt sätt att hantera klimatförändringar och minska utsläppen av växthusgaser. Utvecklingen av koldioxidfångsteknologi står emellertid fortfarande inför många utmaningar, till exempel driftskostnader, energiförbrukning av modern kemisk utrustning och lagring och transport av CO2. Att använda CO2 som råmaterial och förbereda värdefulla industriprodukter genom kemiska syntesmetoder anses vara ett effektivt sätt att lösa begränsningen av kolupptagning. Metanationsreaktionen från CO2 föreslogs av Paul Sabatier. Reaktionen av CO2 och H2 för att producera CH4 anses vara en effektiv teknik för återvinning av CO2.

Vissa forskare har föreslagit en innovativ affärsmodell: att använda CO2 -metanationsteknologi och grön väte -teknik för att producera CH4 för att slutföra lagring av elektrisk energi till kemisk energi. Denna modell kan konvertera överskott av el till CH4 för lagring, lösa problemet med förnybar energi volatilitet; Att använda befintliga naturgaslagrings- och transportanläggningar kan minska investeringskostnaderna avsevärt; Främja utvecklingen av koldioxidfångst- och användningsteknik och bidra till den globala övergången till Green Energy. Denna artikel introducerar utvecklingen av CO2-metanationskatalysatorer och analyserar de industriella applikationsscenarierna för kraft-till-gas) -teknologi med hjälp av metanationsteknologi.

Nyckelord:Koldioxid, metanering, kraft-till-gas, koldioxidfångst, energilagring, väte-råvaror, vattenelektrolys

Följande reaktioner förekommer huvudsakligen mellan h₂och C0₂under metanationsprocessen.

Huvudreaktion: C0₂ + 4H₂⇄ Ch₄ + 2H₂ O

Δ H=-165.0 kj/mol

Sidoreaktion: C0₂ + H₂ ⇄ C0 + H₂ O

Δ H=41.1 kj/mol

Sidoreaktionen, även känd som vattengasskiftreaktionen, är endotermisk. När reaktionen når en viss temperatur ökar selektiviteten för biprodukt CO och selektiviteten för CH₄minskar. Därför CO: s forskningsfokus₂Metanationskatalysatorer är att utveckla katalysatorer med hög aktivitet vid låga temperaturer. Effekten av tryck och temperatur på reaktionsprodukterna, där volymförhållandet mellan reaktanter h₂till co₂är 4: 1.

Överlägsenheten hos metanationsreaktionen återspeglas huvudsakligen i dess termodynamiska egenskaper och den teoretiska potentialen för hög omvandlingshastighet vid rumstemperatur och tryck. Sedan C0₂Molekylen har oxiderat helt och kolatomen och syreatomen bildar en kovalent dubbelbindning, aktiveringsenergin som krävs för reaktionen är mycket hög, och en katalysator behövs för att minska aktiveringsenergin och därmed öka omvandlingshastigheten.

Metallerna i grupp VIII kan förbättra omvandlingshastigheten och selektiviteten i metanationsreaktionen, och deras aktivitet är i fallande ordning: Ru, Ir, RH, NI, CO, OS, PT, Fe, MO, PD, AG. När endast de viktigaste faktorerna (aktivitet och selektivitet) av metanationsreaktionen beaktas är aktiviteten i fallande ordning: Ru, Fe, Ni, CO, MO och selektiviteten är i fallande ordning: Ni, CO, Fe, Ru.

Prestandajämförelsen av olika metallkatalysatorer visas i tabell 1. Katalytiska system baserade på övergångsmetaller (Ru, RH, PD, etc.) har utvecklats i stor utsträckning. De har utmärkt katalytisk aktivitet och selektivitet i CO₂metanationsreaktioner! I synnerhet visar RU-baserade katalysatorer hög aktivitet och selektivitet under låg temperatur och måttliga förhållanden. Studier har visat att under samma reaktionsförhållanden, 3%RU/AI₂O₃(3% RU laddad på AI₂O₃bärare, samma nedan) har en högre selektivitet för CH₄än 20%Ni/AI₂O₃. Ädelmetaller (som PT) har också hög aktivitet och selektivitet i CO₂metanationsreaktioner, men deras höga kostnader har blivit det största hindret för deras storskaliga tillämpning i CO₂Metanation. Andra övergångsmetaller (såsom Fe och CO) har också viss kemisk reaktivitet, men deras selektivitet är låg, och de används främst som tillsatser för andra bimetalliska katalysatorer. På grund av deras låga pris och rikliga råvaror använder de flesta forskning och industriprojekt NI-baserade katalysatorer.

news-1211-460

news-1407-506

Olika bärare spelar en stor roll i beredningen och förbättringen av katalysatorer. Vanliga bärare är huvudsakligen metalloxidanter. Dessa bärare ökar huvudsakligen adsorptionskapaciteten hos reaktanter genom att förändra existensens tillstånd för den aktiva fasen, inklusive ytmorfologi, metalldispersion och de huvudsakliga exponerade kristallytorna, vilket förbättrar den katalytiska prestanda. Oxider med specifika egenskaper används ofta som katalysatorbärare, såsom AI₂O₃, Sio₂, Zro₂, VD₂, etc. bland dem, AI₂O₃är en av de mest använda katalysatorbärarna eftersom det har fördelarna med lågt pris, stor ytarea och utvecklade porer. Men den aktiva fasen av Ni/AI₂O₃Katalysator är lätt att sintra och karbonisera vid hög temperatur, vilket resulterar i katalysatordeaktivering. Därför beredningen av ni/ai₂O₃Katalysator med god aktivitet och hög stabilitet har blivit det nuvarande forskningsfokus.

För Ni-baserade katalysatorer är tillsatser viktiga modifieringskomponenter som kan väsentligt ändra katalysatorns egenskaper och prestanda. Katalysatorprestanda optimeras genom olika mekanismer, såsom bimetallisk synergi, förändrar den elektroniska metallmiljön, hämmar bildningen av spinelarter, förbättrar adsorptionen av reaktanter och mellanprodukter och förbättrar metalldispersion. Sidik et al. fann att genom att lägga till CO som ett bindemedel visade den beredda Ni-CO/MSN-katalysatorn högre aktivitet och stabilitet än Ni/MSN. Analys bekräftade att Ni-Co-legering hjälper till att minska Ni-partikelstorleken och ger bättre metalldispersionsprestanda. Paviotti et al. förberedde Ni-RU-katalysatorer och fann att RU förbättrade reducerbarheten av Ni-baserade katalysatorer och förbättrad NI: s adsorptionskapacitet för H₂därmed förbättra katalysatorprestanda.

För närvarande, även om utvecklingen av förnybar energi har uppnått anmärkningsvärda resultat, står det också inför vissa utmaningar. Flaskhalsen ligger främst i oförutsägbarheten av förnybara resurser, vilket kan leda till kraftöverskott och ge utmaningar till den stabila driften av kraftnätet.

PTG -teknik använder CO₂Metanationsreaktion, använder grönt väte som produceras av förnybar energi och CO₂som råvaror för att generera syntetiska naturgasprodukter, och biproduktens syre kan renas och säljas. Att utnyttja den högkvalitativa reaktionsvärmen kan minska kostnaden för PTG-teknik. Eftersom huvudkomponenten i den genererade syntetiska naturgasen är Ch₄, det kan direkt skickas till Natural Gas Pipeline Network och inse den långsiktiga och storskaliga lagring av CH₄.

De viktigaste metoderna för industriell väteproduktion inkluderar naturgasväteproduktion, vattenelektrolysväteproduktion, kolväteproduktion och industriell biproduktväteproduktion. Förutom vattenelektrolys kräver väteproduktionen, andra metoder användning av fossil energi. Fossil Energy Väteproduktionsteknologi är mogen och kostnaden är lägre än vattenelektrolysväteproduktionen, men en stor mängd CO₂ kommer att genereras under produktionsprocessen.

Helst är väte -råmaterialet för PTG -teknik H2 (grön väte) producerad genom koppling av vattenelektrolyssteknologi med förnybar energi. För närvarande är de viktigaste vattenelektrolyseknologierna Alkaline Water Electrolysis (AEL) -teknologi, Proton Exchange Membrane (PEM) -teknologi, Anion Exchange Membrane (AEM) -teknologi och fast oxidelektrolyzer (SOEC) -teknologi. Bland dem är AEL-tekniken mogen och lämplig för storskalig industriell väteproduktion, men produktionshastigheten är låg och kraftförbrukningen är hög. Före 2014 använde inhemska och utländska vattenelektrolysprojekt AEL -teknik. Sedan 2015 har PEM: s installerade kapacitet gradvis ökat. Detta beror främst på det faktum att PEM -elektrolyser är lämpliga för arbetsförhållanden med stora kraftfluktuationer, har kortare starttider och svarar snabbare på fluktuationer i förnybar energi. AEM-teknik och SOEC-teknik är inte mogna: de kan för närvarande inte anpassa sig till den industriella skala grön väteproduktionen.

Co₂I metanationsreaktionen kommer från CO₂-Rich olje- och gasfält, stora koleldade kraftverk, cementväxter, etc. Dessa växter avger vanligtvis en stor mängd CO₂under drift och hög renhet CO₂kan erhållas med koldioxidfångsteknologi. För närvarande har fångststekniken efter förbränningen använts i stor utsträckning i fabriker, främst med kemiska absorbenter för att fånga CO₂i rökgas efter förbränning.

Kolfångsteknologi har i princip mognat och ett stort antal projekt har implementerats runt om i världen. Även om koldioxidfångsteknologi kan minska företagets skattekostnader för företag produceras inga värdefulla kemiska produkter i hela processen. För närvarande lite co₂Användning och lagringstekniker har potentiella risker, till exempel CO₂Översvämningsteknik och underjordisk lagringsteknik.

För närvarande finns det inga storskaliga kommersiella PTG-enheter i mitt land, och det finns inte många studier på detta område. Forskningen om PTG -teknik är för närvarande främst i europeiska länder, och USA och Japan har också ökat sin forskning och utveckling av denna teknik under de senaste åren.

Chehade et al. Genomförd forskning och analys av 192 Power-to-X-demonstrationsprojekt i 32 länder . 91% av projekten är fortfarande i drift, och 27% av projekten överväger att utöka produktionsskalan: 99 projekt först använder förnybar energi för att producera H₂och använd sedan vätebränslecellsteknologi eller gasturbiner för att konvertera h₂till elektricitet och direkt injicera det i elnätet; 69 projekt producerar grönt väte och använder metanationsteknologi för att konvertera H2 till CH₄och injicera det i naturgasledningsnätverket; Det finns 154 PTG-projekt i Europa, varav nästan en tredjedel finns i Tyskland.

Wulf et al. undersökte Power-to-X-projekt i Europa. Från juni 2020 har totalt 220 sådana projekt genomförts eller är under uppbyggnad och planering i Europa, med den snabbaste tillväxten i projekt i Tyskland och Frankrike. År 2020 implementerade 20 länder makt-till-X-demonstrationsprojekt, varav 44% låg i Tyskland. De flesta projekt använde direkt förnybar el. En tredjedel av Power-to-X-projekt konverterade H2 till andra gasprodukter till salu. De flesta projekt använde biomassgas som CO2-råvaror, medan andra använde rökgas från naturgas eller koleldade kraftverk som CO2-råvaror . 66% av alla projekt använde kemiska katalytiska metanationsreaktioner.

Australien undersöker också aktivt sätt att konvertera CO₂in i ch₄. Södra gröna gas planerar att genomföra en förnybar ch₄Projekt för att producera CH4 med små moduler. Dessa moduler innehåller solpaneler som levererar elektricitet till elektrolyser. H2 som produceras av elektrolysrarna reagerar med den fångade CO₂i en metanationsreaktor för att producera CH₄, som sedan injiceras i det australiska naturgasledningsnätverket för lagring eller kommersiellt bruk. Projektet använder det befintliga rörledningssystemet som en transport- och lagringsanläggning, vilket minskar kostnaden för infrastrukturkonstruktion: slidarna kan vara självförsörjande, vilket kraftigt sänker driftskostnaderna; Och att hyra billiga mark förbättrar projektets konkurrenskraft ytterligare.