ИНТЕРВЬЮ
Первое в мире производство азотной кислоты, на котором установлен реактор EnviNOx. Австрия, г. Линц.
Модули для производства «зеленого» водорода, спроектированные и предварительно собранные thyssenkrupp, в зависимости от конструкции обладают мощностью до сотен мегаватт.
Производство аммиака и карбамида по лицензии thyssenkrupp. Египет, г. Дамиетта. Паровой риформер thyssenkrupp Indusrial Solutions / Uhde в Канаде. Производство водорода с применением технологии thyssenkrupp. Финляндия, г. Порвоо.
The Chemical Journal Январь-февраль 2021
47
ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Финляндия без СО 2 О научно-технологическом подходе Финляндии в решении вопроса утилизации углекислого газа
48
Январь–феараль 2021 The Chemical Journal
ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Александр Гордиенко, к.х.н.
В
соответствии с целями реализации Парижского соглашения по климату правительство Финляндии продолжает поэтапно сокращать выбросы парниковых газов в атмосферу, в частности к 2020 году на 20 % по сравнению с уровнем содержания углекислого газа (далее — СО2) 1990 года, к 2030 году на 55 % и к 2050 году — на 80–95 %. По данным статистического управления Финляндии, суммарный объем выбросов парниковых газов за 2019 год эквивалентен 52,8 млн т СО2, что на 26 % ниже по сравнению с уровнем 1990 года. Одним из направлений по сокращению содержания СО2 в атмосфере является обсуждаемая в международном экспертном сообществе концепция его улавливания с последующим хранением и /или утилизацией (Carbon Capture and Storage и Carbon Capture and Utilization, далее соответственно — CCS и CCU). Для оценки потенциала страны в решении этой задачи в 2010 году под
и восточном побережье Ботническоруководством Технического исследоваго залива, а также ряд источников тельского центра Финляндии VTT (VTT находится на юге страны; Technical Research Centre of Finland Ltd) проведен анализ основных источников 3. Нефтеперерабатывающий сектор сконцентрирован на юге Финляндии; техногенной эмиссии СО2. Так, в Финляндии около 70 % эмиссии СО2 прихо- 4. Источники биогенной эмиссии, к кодится на энергетический сектор, около торым в основном относятся целлю20 % — на добывающий и производлозно-бумажная промышленность ственный сектора и не более 10 % — и силовые станции, работающие на химическую и мусороперерабатына древесном сырье и биотопливе, вающую промышленность. развернуты на западных и восточных границах страны и в ее центральТехногенные источники ном регионе.
эмиссии
Три подхода к улавливанию
Согласно проведенным исследованиям основные источники эмиссии техно- Эксперты выделяют три подхода к улавгенного СО2 располагаются по периме- ливанию СО2: тру финской границы, в частности: 1. Сепарация СО2 в потоке выхлопного газа (Post-combustion capture, да1. Теплоэлектростанции развернулее — PtCC) — наиболее широко изты в западной и южной частях страученный и технологически простой ны вдоль побережья Ботнического метод, в рамках которого извлечение и Финского заливов; СО2 происходит на выходе продук2. Металлургические заводы в основтов горения топлива; ном сосредоточены на северном
Рис. 1. Транспортировки СО2 к местам захоронения.
Улавливание СО2 на теплоэлектростанциях или иных промышленных мощностях Транспорт СО2 морским транспортом или с использованием трубопроводов
Конечное захоронение СО2
The Chemical Journal Январь-февраль 2021
49
ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
На базе экспериментального центра Bioruukki VTT запущен опытно-экспериментальный реактор мощностью 20 кВт, работающий на биомассе. Технологические особенности реактора позволяют использовать в процессе сгорания топлива высокоактивный кислород, что повышает энергоэффективность и экологичность процесса.
Рис. 2. Улавливание углекислого газа — существующие подходы.
Сырец
Производство
CO2
Разделение
Продукт
Промышленный источник Сепарация СО2 в потоке выхлопного газа сгорание
N2 , O2, H2O
CO2
Сепарация
Энергия и тепло
воздух Улавливание СО2 до сжигания Топливо Теплоэлектростанции
Газивикация/ преобразование
H2O
Сепарация
H2
Сгорание
Производство
Окислительный рецикл топлива
Сепарация
50
сгорание O2
Энергия и тепло
воздух
Воздух+Пар
N2
CO2
Другие продукты
H 2O
Сепарация
CO2 Энергия и тепло
2. Улавливание СО 2 до сжигаемого топлива (Pre-combustion capture, далее — PrCC) — первичное топливо в результате взаимодействия с паром/кислородом/воздухом преобразуется в газообразную смесь Н 2+СО, или «синтез-газ»; далее СО конвертируется в СО2, полученный СО2 выводится за границы процесса, а остаточный водород используется в качестве топлива для генерации тепла/энергии. Примеры — производство водорода и минеральных удобрений; 3. Окислительный рецикл топлива (Oxy-fuel combustion, далее — OxFC) — процесс является модернизацией PtCC в части реализации циклического горения топлива, которое приводит к образованию парогазовой смеси СО 2 без примесей. Первичное топливо сжигается в среде, обогащенной кислородом, в результате чего образуется дымовой газ, содержащий, в основном, водяной пар, с высокой концентрацией СО2 (~80 %). При охлаждении газового потока водяной пар конденсируется, в результате чего получается чистый СО2. По мнению финских специалистов, несмотря на то, что в настоящее время на промышленных источниках СО2 развертываются системы PtCC (Mitsubishi Heavy Industries KM CDR, Hitachi H3, Boundary Dam), по мере технологического развития будут востребованы PrCC- и OxFC-подходы. В качестве недостатков PtCC эксперты отмечают трудозатратность процесса очистки выхлопных газов, наличие в технологической цепочке сольвентов, которые потенциально несут угрозу водным ресурсам (CaO, MgO, натронная известь, этаноламины). Наряду с указанными недостатками PrCC-процесс осложняется необходимостью очистки кислорода воздуха и применения газотурбин для сжигания водорода. Также требуется решение утилизации выделяемых оксидов азота, которые входят в состав парниковых газов. Помимо традиционного сжигания топлива с использованием воздуха, в рамках OxFC-процесса развивается направление циклического химического горения (Chemical-looping combustion, далее — CLC), отличительная особенность которого заключается в использовании твердофазных реакционно активных оксидов металла, например, железа, меди и родия. Эксперты отмечают, что такой подход позволит сэкономить около 2,5 % энергии Январь–феараль 2021 The Chemical Journal
ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
«Горнометаллургический» блок утилизация СО2 за счет переработки отвалов.
Блок «зеленой» химии — выращивание биомассы за счет утилизации СО2. «Транспортный» блок — транспортировка СО2 в иные места захоронения и переработки.
«Энергетически-промышленный» блок — улавливание СО2 на существующих ТЭЦ с дальнейшей транспортировкой или развертывание химического производства на базе СО2. Проект безуглеродного промышленного хаба, в котором производство электроэнергии, тяжелая и высокотехнологичная промышленность, а также транспортная инфраструктура создают единый контур утилизации техногенных выбросов.
и сократить стоимость переработки давления, обладающих коррозион• глубоко залегающие соленосные СО2. В дальнейшем захваченный СО2 формации морской/береговой зон; ной устойчивостью. транспортируется в места временного • угольные пласты, не имеющие Открытое хранение хранения, откуда он будет отправляться промышленного значения. на консервацию или на производствен- По данным финских геологов, в стране ные нужды. Наряду с этим, финские нет подходящих условий для захороне- Наряду с закачкой в недра земли расэксперты отмечают перспективность ния СО2. Наиболее благоприятные для сматривается процесс открытого храразмещения в стране инфраструктуры этого территории расположены в севе- нения СО2, идея которого заключается временного хранения вблизи крупных ро-западной части стран Бенилюкса, в использовании природных соединепортовых регионов: северо-восточного северной и юго-восточной Германии ний кальция и магния для получения и восточного побережья Ботнического и западной Латвии. За пределами Ев- из улавливаемого СО2 нерастворимых залива, а также в районе северного по- ропейского союза ближайшие подходя- карбонатов, удобных для хранения или щие недра находятся в северо-восточ- дальнейшего промышленного примебережья Финского залива. ной Украине, а также России: западной нения. В качестве подходящего приПодземное хранение ее части и Баренцевом регионе. Также, родного сырья эксперты предлагают высоким потенциалом хранения СО2 использовать кремневые соединения Как известно, идея CCS заключает- обладает дно Северного моря между магния: оливин и серпентин, имеющие ся в долгосрочном геологическом хра- Шотландией и Норвегией, у восточ- широкое распространение в Норвегии нении СО2, в ходе которого под есте- ных берегов Англии, Ирландии, а так- и Швеции. ственным воздействием окружающей же глубины Балтийского моря близ беВ Финляндии магнийсодержащая среды газ будет минерализоваться. регов Эстонии и Литвы. Поэтому для руда представлена соединением ульНаиболее распространенными вариБлагоприятными территориями для захоронения СО2 антами геологического хранения СО2 являются следующие типы геологиче- располагают страны Бенилюкса, Германия, Латвия, Украина, ских формаций: Россия, дно Северного и Балтийского морей. • выработанные нефтяные/газовые пласты; Финляндии актуальны также вопросы, трамафика, близкого по составу к сер• действующие нефтяные/газовые связанные с развитием технологий экс- пентину. Основные его залежи сосрескважины (закачка с целью повы- порта СО2, например, с использовани- доточены в центральном, восточном шения степени извлечения нефти/ ем водного транспорта, а также с при- и северо-западном регионах Финлянвлечением трубопроводов высокого дии. Эксперты VTT полагают, что CCS газа; The Chemical Journal Январь-февраль 2021
51
ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
2030
20
2040
позволит сократить выбросы парниковых газов к 2050 году в объеме, эквивалентном 10—20 млн т СО2.
2050
Утилизация
База-80 — сценарий, в рамках которого предполагается сокращение выбросов на 80% при сохранении структуры производства в Финляндии Сценарии роста и изменения — предполагают, что промышленность будет сильно обновлена и будут развертываться новые технологии, например, направленные на снижение солнечной и ветряной энергии.
18 16 14 12
В отличие от CCS, концепция CCU находится на начальном этапе своего технологического развития. В ее рамках эксперты предлагают утилизировать СО2, используя его в производственных целях, например, в синтезе полимеров (поликарбонатов, полиолов, полиуретанов), а также выращивании зеленых микроводорослей, которые нашили свое применение в получении биотоплива 3-го поколения, и кормовых добавок.
10 8 6 4
Конверсия ископаемого топлива
«Ископаемое» электричество Перерарботчики биотоплива
Изменение
Рост
База-80 %
Изменение
Рост
База-80 %
Рост
0
Изменение
2 База-80 %
«Захваченный» углекислый газ (млн. тонн)
Диаграмма 1. Сценарии развития программ улавливания СО2.
Исследовательская программа
Промышленность Тепло-электроэнергия за счет биотоплива
Изготовление целлюлозы
Рис. 3. Схема технологии окислительного рецикла.
ПАРОВАЯ ТУРБИНА
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО КОНДЕНСАТОР
CO2
ХОЛОДИЛЬНИК ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ АЗОТ
КОМПРЕССОР
УДАЛЕНИЕ СЕРЫ
УДАЛЕНИЕ ЧАСТИЦ
ХОЛОДИЛЬНИК
ИЗВЕСТНЯК ТОПЛИВО ЛЕТУЧАЯ ЗОЛА
ВОДА
ВОДА
СЕРА
ДОННАЯ ЗОЛА
ВОЗДУХ КИСЛОРОД РАЗДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА
Рис. 4. Схема улавливания углекислого газа в потоке выхлопных газов.
КОНДЕНСАТОР АБСОРБЦИЯ СО2
УДАЛЕНИЕ ВЫХЛОПНОЙ ЧАСТИЦ
УДАЛЕНИЕ СЕРЫ
ПРЯМОЙ ХОЛОДИЛЬНИК
CO2
СО2 ДЕСОРБЕР
ВОДА
ПАР
ГАЗ
КОМПРЕССОР REBOILER ЛЕТУЧАЯ ЗОЛА СЕРА
52
ВОДА
СО2-ОБОГАЩЕННЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
СО2-ОБЕДНЕННЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
В целях формирования научно-технологического потенциала в области переработки СО2 в Финляндии в 2011 году была запущена исследовательская программа «Carbon Capture and Storage Program» (далее — CCSP), в реализации которой приняли участие 18 промышленных компаний и 9 исследовательских институтов и университетов. Программа CCSP была рассчитана на 6 лет с бюджетом 15 млн. евро, из которых 52 % составили денежные средства, привлеченные индустриальными партнерами, и 48 % — средства, привлеченные научным сообществом. В рамках программы специалисты смогли всесторонне изучить технико-экономические вопросы утилизации СО2, а также оценить риски техногенных катаклизмов в местах хранения СО2. По итогам реализации программы CCSP сформирован проектный офис по развитию инноваций в области чистой энергетики и биоэкономики CLIC Innovation Ltd, при поддержке которого результаты проведенных исследований имеют потенциал выхода на коммерческий рынок. В частности совместно с Business Finland запущены международные программы BECCU и X-A hed, направленные на разработку производственных процессов по переработке СО2 в поликарбонаты, полиолы и синтетические топлива. Так, в 2019 году была проинвестирована инициатива исландской компании Carbon Recycling International по запуску производства метанола из CO2 и Н 2 на базе функционирующей в г.Гриндавик (Исландия) водородной электростанции. Январь–феараль 2021 The Chemical Journal
ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ Рис. 5. Сжигание топлива в кипящем слое. циркуляция сжигаемого топлива в кипящем слое
выхлопной газ Внутри электростанций в Финляндии чаще всего используется метод сжигания в псевдоожиженном слое, Финляндия — мировой лидер в использовании данного метода. При сжигании в псевдоожиженном слое топливо подается в котел с горячим песком, осуществляющим перенос тепла. Из-за относительно низкой температуры горения и поэтапной подачи воздуха для горения легко проводится обессеривание и удается поддерживать низкие выбросы оксида азота. Данный метод — наиболее экологически безопасный при сжигании твердого топлива. В частности, потому что не предъявляются жесткие требования к характеристикам топлива, таким как влажность или температура. В одном и том же котле могут утилизироваться уголь, биомасса и бытовые отходы. Сжигание в псевдоожиженном слое осуществляется двумя различными методами. Барботажный псевдоожиженный слой применяют для влажного топлива с низкой теплотворной способностью, на относительно небольших установках. Сжигание в циркулирующем псевдоожиженном слое подходит для крупных установок и почти для всех видов топлива.
выхлопной газ
топливо
топливо
воздух
воздух
Камера сгорания в разрезе. Реактор с обыкновенным псевдоожиженным слоем (слева) и с циркулирующим псевдоожиженным слоем (справа).
Рис. 6. Нулевая эмиссия — поглощение углерода.
Углекислый газ поглощается биомассой
Вырабатывается энергия и тепло
Биомасса сжигается
Углекислый газ улавливается и транспортируется на хранение
The Chemical Journal Январь-февраль 2021
53