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 на электростанциях. Это улавливание CO₂ после сжигания, когда выбросы обрабатываются после сжигания, что особенно важно для действующих ТЭЦ и ТЭЦП, где радикальная перестройка оборудования невозможна.
На сегодняшний день химическая абсорбция растворами аминов остаётся основным промышленным методом улавливания CO₂. Эта проверенная временем технология требует огромных затрат энергии на регенерацию растворителя, а также других расходов – на борьбу с коррозией, разложение химических веществ и образование отходов. Мембранные методы, при которых газы разделяются с помощью полупроницаемого материала, кажутся более эффективными и экологичными: в них не используются химические вещества, они компактны и модульны. Однако для дымовых газов, где концентрация CO₂ невелика, а давление близко к атмосферному, такие системы часто оказываются экономически нецелесообразными, поскольку требуют либо огромных мембранных поверхностей, либо энергозатратного сжатия газа.
Группа российских учёных предложила альтернативу – усовершенствованную мембранную схему, основанную на принципе непрерывной мембранной колонны. В таких установках мембраны работают как единое целое, а внутри установки постоянно циркулируют два потока газа. Один из них постепенно очищается от углекислого газа и высвобождается, а второй шаг за шагом накапливает CO₂. Благодаря этому разделение происходит без резкого повышения давления или создания экстремального вакуума.
Ученые проверили эффективность этой схемы с помощью компьютерного моделирования в Aspen Plus. Они рассмотрели две версии установки и сравнили их с самыми передовыми мембранными решениями, предложенными ранее. В расчетах использовались фактические параметры дымовых газов электростанции мощностью 600 МВт, содержащих углекислый газ, азот, кислород и водяной пар. Целью было улавливать не менее 90 % CO₂, получать продукт чистотой не менее 95 % и снижать содержание углекислого газа в выбросах до 2 % и менее.
Обе новые схемы продемонстрировали хорошие результаты, но дополнительной была конфигурация, предусматривающая сбор всех газовых потоков после мембран и направление их на охлаждение и сжижение CO₂. Такой подход позволил значительно уменьшить размер установки, что сразу снизило стоимость оборудования и сделало систему более компактной. Моделирование подтвердило, что обе новые схемы позволяют с уверенностью достичь этих параметров. В то же время конфигурация, в которой все потоки объединяются перед подачей в конденсатор, оказалась наиболее эффективной. Для его работы требуется минимальная совокупная 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 поддерживать энергопотребление на конкурентоспособном уровне.
Стоимостной анализ показал, что в этой конфигурации улавливание одной тонны CO₂ обходится примерно в 34 доллара США. Это значительно дешевле, чем классическая двухступенчатая вакуумная конфигурация, и выгоднее, чем другие современные мембранные решения. В то же время новая установка характеризуется более сбалансированными расходами: деньги тратятся не только на электроэнергию, но и рационально распределяются между оборудованием и эксплуатационными расходами.