Modern karbon yakalama teknolojilerinin araştırılması

Birçok proses üreticisi, sera gazı (GHG) emisyonlarını azaltmaya yönelik küresel çabalara yanıt olarak faaliyetlerine çeşitli verimlilik iyileştirmelerini ve yeşil enerji girişimlerini dahil ediyor. Gazın yakalanıp depolanmasını sağlayan CO₂ yakalama teknikleri, umut verici bir çözüm sunuyor. Ancak yaygın olarak benimsenmesi ve daha uygulanabilir hale getirilmesi, gereken teknoloji yeteneklerinin geliştirilmesine ve maliyetlerinin düşürülmesine bağlıdır.

Yanmayla ilgili karbon yakalama için iki farklı yaklaşım vardır: yanma öncesi ve yanma sonrası. Yanma öncesi yakalama yönteminde, gazlaştırma ve dönüşüm gibi yöntemlerle yanma gerçekleşmeden önce CO₂ yakalanır.

Buna karşılık, yanma sonrası yakalama ana proseste yakıt yakıldıktan hemen sonra gerçekleşir. Bu yöntemde karbondioksiti doğrudan baca gazından toplamak için çözücüler veya başka yöntemler kullanılır. Bu web sayfası, yanma sonrası yakalama yöntemi üzerine odaklanmaktadır. İyileştirme potansiyeli ve teknolojik olgunluğu açısından avantajlı olsa da, yanma öncesi yakalama yöntemi kadar verimli değildir.

Amin gazı arıtma, endüstriyel ortamlarda en yaygın kullanılan karbon yakalama yöntemidir. Bu yanma sonrası teknik, karbondioksit ile bağ kurmak için güçlü bir bağlanma eğilimi sergileyen monoetanolamin gibi amin çözeltilerinin kimyasal özelliklerini kullanır. Proses şunlardan oluşur:

Baca gazı toz, partikül madde, sülfürlü bileşenler ve diğer kirleticileri gidermek için bir temizlik prosesine tabi tutulur. Bu ön arıtma işlemi, amin çözeltisini ve ekipmanı kirlenme ve korozyona karşı korur. Sıcak baca gazı daha sonra amin çözeltisi tarafından verimli karbondioksit soğurma için optimum sıcaklığa (yaklaşık 40-60 °C/104-140 °F) soğutulur.

Soğutulmuş baca gazı, bir soğurma kulesinin alt kısmından girer. Bu kule, gaz-sıvı temas yüzeyini artırmak için genellikle dolgu malzemesiyle doldurulmuş silindirik bir kaptır. Kulenin üst kısmından aşağı doğru akan amin çözeltisi akımı verilir. Baca gazı kule boyunca yükselirken, alçalan amin çözeltisiyle temas eder. Daha sonra baca gazındaki CO₂, amin molekülleriyle tersinir bir bağ oluşturur ve gaz akımından uzaklaştırılır.

Karbondioksit açısından zengin amin çözeltisi transferi: Karbondioksit açısından zengin amin çözeltisi, desorber veya rejeneratör adı verilen başka bir kuleye pompalanır. Bu akım, sonraki rejenerasyon adımında verimliliği sağlamak için Raman spektroskopik enstrümantasyonu kullanılarak titizlikle ölçülür.

Desorber içinde, karbondioksit açısından zengin amin çözeltisi, genellikle buhar enjeksiyonu ile yaklaşık 110°C/230°F'ye ısıtılır. Bu ısı amin gazı ve karbondioksit arasındaki bağı koparır. Artık karbondioksit içermeyen rejenere amin çözeltisi rejeneratörün dibine doğru akar.

Amin çözeltisi soğutma ve devridaimi: Sıcak, rejenere edilmiş amin çözeltisi bir ısı eşanjöründen geçerek ısısının bir kısmını gelen karbondioksit açısından zengin çözeltiye aktarır ve enerji verimliliğini artırır. Daha fazla soğutma, amin çözeltisini karbondioksit soğurma için optimum sıcaklığa getirir ve soğutulmuş amin çözeltisi daha sonra döngüyü tekrarlamak için soğurma kulesinin üst kısmına geri pompalanır.

Rejeneratörün üst kısmından salınan karbondioksit, daha kolay taşınabilmesi veya depolanabilmesi için sıkıştırılarak yoğunluğu artırılır. Bu çıkan akım genellikle TDLAS enstrümantasyonu kullanılarak saflık açısından analiz edilir. Amaçlanan uygulamaya bağlı olarak, karbondioksit kirleticileri gidermek için daha ileri saflaştırma adımlarından geçebilir.

Amin gazı arıtma, düzenli olarak %90'ı aşan CO₂ yakalama verimliliği oranları sergiler. Ancak rejenerasyon özellikle enerji yoğun bir prosestir ve proses boyunca kullanılan amin çözeltisi zamanla bozulur, yenilenmesi gerekir. Araştırmacılar, endüstriyel prosesler sonucunda ortaya çıkan atık ısının kullanımı gibi daha enerji verimli rejenerasyon yöntemlerini araştırarak bu zorlukların üstesinden gelmeye çalışıyor. Ayrıca, daha yüksek ısıl stabiliteye sahip ve bozunmaya karşı dayanıklı daha sağlam amin çözeltileri geliştiriyor.

Membran ile karbon yakalama, baca gazı akımlarından karbondioksiti uzaklaştırmak için özel membranların seçici geçirgenliğinden yararlanan ve daha az kullanılan bir yöntemdir. Bu membranlar, genellikle moleküler denetleyici görevi gören polimer veya seramik malzemelerden oluşur. Bunlar diğer gazları bloke ederken CO₂'nin geçişine izin verir. Bu yaklaşımın temel avantajı, yüksek sıcaklıkta amin gazı rejenerasyonuna kıyasla daha düşük enerji gereksinimidir.

Başlıca adımlar:

1. Baca gazı ön arıtma: Baca gazı, membran sistemine girmeden önce genellikle filtrasyon ve yıkama gibi bir temizlik işleminden geçer. Bu adımda, hassas membran gözeneklerini tıkayabilecek veya hasara yol açabilecek toz, partikül madde ve diğer kirleticiler temizlenir. Baca gazı genellikle soğutulur ve nem, kullanılan membran malzemesine göre optimum seviyelere ayarlanır. Bu, etkili karbondioksit ayrımı sağlar ve membran sistemi içinde yoğuşma oluşumunu önler.
2. Membran ayırma: ön arıtma yapılmış baca gazı, seçici bir bariyer görevi gören membran boyunca yönlendirilir. Moleküler boyut, yapı ve membran malzemesine olan bağlanma eğilimi farklılıkları, karbondioksit moleküllerinin membrandan akımdaki diğer gazlara (azot gibi) kıyasla daha hızlı geçişine neden olur. Bu durum, iki ürünün gaz akımıyla sonuçlanır: permeat ve retentat. Karbondioksit açısından zengin olan permeat membrandan geçer ve daha ileri prosesler için toplanır. CO₂'den arındırılmış retentat, kalan gazları içerir. Atmosfere salınır veya ana endüstriyel prosese geri yönlendirilir.
3. Karbondioksit sıkıştırma ve koşullandırma: Karbondioksit açısından zengin permeat akımı, daha kolay taşınabilmesi veya depolanabilmesi için sıkıştırılarak yoğunluğu artırılır. Amaçlanan uygulamaya bağlı olarak, karbondioksit kirleticileri gidermek için daha ileri saflaştırma adımlarından geçebilir.

Membran sistemlerinin enerji gereksinimleri düşüktür ve bu sistemler az yer kaplaması nedeniyle sınırlı alana sahip ortamlarda kullanıma uygundur. Ancak, membran ile yakalama, amin arıtma yöntemine göre daha az verimlidir ve gaz akımı bileşimi, basınç ve sıcaklıktaki küçük değişiklikler performansı olumsuz etkileyebilir.

Amin arıtma ve membran bazlı teknikler, şu anda büyük ölçekte kullanılan tek yanma sonrası karbon yakalama yöntemleridir, ancak araştırmacılar başka yaklaşımları da araştırıyor.

Bunlardan ilki, karbondioksiti doğrudan ortam havasından temizleyen doğrudan hava yakalama (DAC) yöntemidir. Bu yöntem, karbondioksit ile kimyasal olarak bağ kuran katı aminler veya hidroksit çözeltileri gibi özel emici malzemelerin içinden hava çeken yüksek güçlü fanlar kullanılarak yapılır. Emici malzeme doygun hale geldiğinde, yakalanan karbondioksitin serbest bırakılması için ısıtılır ve bu karbondioksit daha sonra kullanım veya depolama amacıyla toplanır.

DAC, otomobillerden ve diğer kaynaklardan kaynaklanan emisyonların yakalanması için potansiyel bir yöntem sunar. Ancak, kırılgan emici malzemeler, noktasal kaynak yakalama teknolojilerine kıyasla yüksek enerji gereksinimleri ve maliyetler ile anlamlı karbon yakalama elde etmek için büyük ölçekli yerleştirme gerekliliği nedeniyle önemli benimsenme engelleriyle karşı karşıyadır.

Biyokütlenin yakıt kaynağı olarak kullanımı üzerine araştırmalar yapılıyor. Ağaçlar gibi biyokütleler, büyürken atmosferdeki karbondioksiti absorbe eder. Kullanıcılar, yanma sırasında açığa çıkan karbondioksiti sonradan yakalayarak, negatif emisyonlara etkili bir şekilde ulaşabilir. Ancak, biyokütle büyümesi için geniş arazi alanı, su kaynakları ve sürdürülebilir kaynak kullanımı uygulamalarının dikkatli bir şekilde değerlendirilmesi gerekir.

Yanma sonrası karbon yakalama teknolojisinin yaygın olarak benimsenmesi, hem yakalama hem de kullanım ve depolama ile ilgili teknolojik ve ekonomik engellerin aşılmasına bağlıdır. Amin gazı arıtma yöntemi oldukça verimli olmakla birlikte, önemli miktarda enerji girdisi ve kullanılan çözücülerin düzenli bakımını gerektirir. Buna karşılık, membran ile yakalama yöntemi daha az enerji gerektirir ancak verimliliği daha düşüktür. Her iki proses de maliyetlidir.

Endüstride net sıfır emisyon hedeflerine ulaşılmaya çalışılırken, stratejik çeşitlendirme çok önem olacaktır. Bu hedeflere ulaşmak için proses optimizasyonu, genel enerji verimliliğinde iyileştirmeler, yenilenebilir kaynakların benimsenmesi ve karbon yakalama taahhüdünün bir arada uygulanması gerekecektir. Her bir stratejinin çevresel, teknolojik ve ekonomik ödünleşimlerinin değerlendirilmesi, gelecekte genel endüstriyel sürdürülebilirliği artırmak açısından hayati önem taşımaktadır.