Hiilidioksidin talteenotto savukaasuista adsorptiolla: Kokeellinen tutkimus aktiivihiilellä matalassa lämpötilassa

Abstract

Energiateollisuus aiheuttaa paljon hiilidioksidipäästöjä maailmassa, jonka seurauksena ilmakehän hiilidioksidipitoisuus nousee ja ilmasto lämpenee. Hiilidioksidin talteenottoa polttoprosessista pidetään varteenotettava menetelmänä ilmastonmuutoksen torjunnassa. Tällä hetkellä hiilidioksidin talteenottoa suoritetaan kemiallisella absorptiolla, mutta kemiallisen absorption heikkoudet kuten suuri energiantarve hiilidioksidin talteenotossa ovat luoneet tarpeen kehittää tehokkaampia hiilidioksidin erotustekniikoita. Hiilidioksidin talteenottoa adsorptiolla pidetään varteenotettavana hiilidioksidin erotustekniikkana tulevaisuudessa. Diplomityön kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan aluksi hiilidioksidin talteenottomenetelmiä ja -tekniikoita. Hiilidioksidin talteenottomenetelmiä ovat hiilidioksidin talteenotto ennen polttoa, polton jälkeen, happipoltolla ja uudenlaisella kemikaalikiertoisella polttoprosessilla. Lisäksi kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan hiilidioksidin erotustekniikoita, joita ovat hiilidioksidin talteenotto absorptiolla, membraaneilla ja kryogeenisella tislauksella. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan tarkemmin hiilidioksidin talteenottoa adsorptiolla. Kirjallisuuskatsauksessa esitetään adsorption periaate ja adsorptioisotermit. Kirjallisuuskatsauksessa esitetään myös käyttökelpoiset sorbentit hiilidioksidin talteenotolle. Lisäksi kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan adsorptio-desorptiomenetelmiä ja hiilidioksidin talteenotossa käytettäviä reaktoreita. Reaktoreista käsitellään tarkemmin kiinteäpetireaktoria. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia hiilidioksidin talteenottoa kokeellisesti fysikaalisella adsorptiolla. Diplomityössä tehtiin adsorptio- ja desorptiokokeita kaupallisella Maxsorb III aktiivihiilellä. Adsorptiokokeissa määritettiin Maxsorb III aktiivihiilen kokonaisadsorptiokapasiteette-ja hiilidioksidille, typelle ja seoskaasulle. Seoskaasun koostumus oli 90 % typpeä ja 10 % hiilidioksidia, jolla mallinnettiin tyypillisen voimalaitoksen savukaasun koostumusta. Adsorptiokokeet suoritettiin normaalissa ilmanpaineessa ja 10, 50, 100 ja 150 °C:n lämpötiloissa. Desorptiokokeissa tutkittiin desorboituneen kaasun hiilidioksidipitoisuutta. Desorptiokokeissa adsorptio suoritettiin 10 °C:n lämpötilassa ja desorptio suoritettiin 100 °C:n lämpötilassa. Lisäksi desorptiokokeissa tutkittiin, kuinka hiilidioksidihuuhtelu sekä hiilidioksidihuuhtelun ja seoskaasun adsorption kesto vaikuttaa desorboituneen kaasun hiilidioksidipitoisuuteen. Ilman hiilidioksidihuuhtelua suoritetuissa desorptiokokeissa adsorptio suoritettiin niin, että aktiivihiili oli tasapainotilassa eli aktiivihiili ei enää adsorboinut enempää kaasua. Sen sijaan hiilidioksidihuuhtelulla tehdyissä kokeissa adsorptio keskeytettiin ennen tasapainotilaa, jolla mallinnettiin todellista adsorptioprosessia. Tutkimuksen tuloksena Maxsorb III:n kokonaisadsorptiokapasiteeteiksi saatiin hiilidioksidille 167,02; 67,24; 29,3 ja 18,39 mg/g tutkituilla lämpötiloilla. Vastaavasti typen kokonaisadsorptiokapasiteeteiksi saatiin 15,27; 9,31; 5,77 ja 3,92 mg/g. Seoskaasun kokonaisadsorptiokapasiteeteiksi saatiin 35,09; 16.09; 8,7 ja 5,12 mg/g. Desorptiokokeissa seoskaasun adsorptiolla saavutettiin 37,2 % hiilidioksidipitoisuus desorboituneessa kaasussa. Hiilidioksidihuuhtelulla tehdyissä desorptiokokeissa saavutettiin 88,2 % ja 99,5 % hiilidioksidipitoisuus desorboituneessa kaasussa. Tutkimuksen perusteella hiilidioksidin talteenotto adsorptiolla on potentiaalinen menetelmä hiilidioksidin talteenotossa, mutta adsorptiomenetelmänä vaatii lisää tutkimusta.