Innowacyjne technologie wychwytu, składowania oraz utylizacji CO2

W ostatnich latach można zauważyć znaczny wzrost rozwoju ekonomicznego na całym świecie. Naturalnym następstwem tego jest zwiększone zapotrzebowanie na energię, czego konsekwencją jest zużywanie większych ilości paliw, a w szczególności paliw kopalnych, które stanowią główne źródło energii. Efektem tego jest zdecydowany wzrost emisji gazów cieplarnianych, a zwłaszcza ditlenku węgla, który jest uważany za główne źródło powstawania efektu cieplarnianego. Z tego względu dekarbonizacja systemu energetycznego jest jednym z kluczowych elementów dla realizacji postawionych przez UE celów klimatycznych, gdzie jednym z głównych założeń jest osiągnięcie neutralności klimatycznej pod względem emisji ditlenku węgla (CO₂) do 2050 r.

Bez względu na obowiązki nakładane przez regulacje prawne, powinno się podejmować wszelkie działania, które spowodują zredukowanie emisji CO₂, także na szczeblu lokalnym. Jedną z możliwości obniżenia poziomu gazów cieplarnianych jest zastosowanie technologii wychwytu CO₂, jego składowania lub utylizacji (CCUS), która jest uznawana za jedną z kluczowych technologii. Metoda ta w znaczący sposób może obniżyć emisję CO₂, dlatego też coraz częściej jej stosowanie jest rozważane zarówno w zakładach przemysłowych produkujących energię elektryczną i cieplną, jak i w cementowniach oraz instalacjach termicznego przekształcania odpadów komunalnych.

CO₂ może być usuwany z procesów energetycznych przed, po lub podczas procesu spalania paliwa w kotle. Usuwanie CO₂ przed spaleniem, czyli tzw. pre-combustion, jest rozwiązaniem opierającym się na procesie zgazowania węgla w obecności tlenu w warunkach wysokiego ciśnienia. Produktem tego procesu jest gaz syntezowy, zawierający wodór i dwutlenek węgla. Dwutlenek węgla może być również usuwany w procesie oxy-spalania, czyli spalania paliwa w mieszaninie tlenu i dwutlenku węgla. CO₂ ze spalin końcowych zawracany jest do procesu w celu regulowania temperatury spalania w kotle. Powstałe w ten sposób spaliny stanowią mieszaninę głównie dwutlenku węgla i pary wodnej. Usuwanie dwutlenku węgla po procesie spalania, czyli tzw. post-combustion jest najczęściej spotykaną metodą w przypadku klasycznych elektrowni opalanych węglem. Układ technologiczny sprowadza się do dodania do wyposażenia bloku energetycznego zespołu urządzeń pełniących funkcję absorbera i desorbera CO₂. Kiedy CO₂ zostanie wychwycony, kolejnym etapem jest przetransportowanie go w miejsce potencjalnego składowania. Najlepszą formą transportu jest rurociąg. Ostatni etap procesu CCS to składowanie lub inne zagospodarowanie dwutlenku węgla (sekwestracja).

Metody sekwestracji dzieli się na:

– Biologiczne – czyli wychwyt dwutlenku węgla poprzez biosferę (proces fotosyntezy, który zapewnia redukcję dwutlenku węgla przy pomocy naturalnej energii słonecznej i procesu biologicznego w roślinie do postaci tlenu).

– Fizyczne składowanie (tzw. składowanie geologiczne) – składowanie CO₂ w głębokich strukturach geologicznych, jest jedną z możliwości ograniczenia emisji CO₂ do atmosfery. Technologia wychwytu i składowania dwutlenku węgla w głębokich strukturach geologi-
cznych (górotworze, lub w dnach morskich), co prawda nie pozwala na bezpośrednie obniżenie antropogenicznej emisji CO₂, uważana jest jednak za najbardziej obiecującą i dostępną w krótkim czasie technologię, która pozwalałaby na zmniejszenie ilości emitowanego do atmosfery CO₂, a tym samym na łagodzenie skutków antropogenicznej emisji CO₂.

– Chemiczne – czyli mineralna karbonatyzacja, zwana również mineralną sekwestracją. Metoda ta, może być rozważana zarówno w kontekście składowania, jak i utylizacji CO₂. Polega na reakcji CO₂ z tlenkami metali (np. magnez, tlenek wapnia). Rezultatem połączenia są cementopodobne substytuty, gotowe do dalszego przetwarzania, takie jak:

– substytut materiału budowlanego (pustaki, materiały budowlane),

– substytut nawozu mineralnego (wzmożona humifikacja, biologiczna inicjacja kwasów huminowych, pozwalająca roślinom przy rekultywacji nieużytków wzbogacić wegetację),

może stanowić również nawóz wapniowy do odkwaszania gleb jako zastosowanie rolnicze.

Proces mineralnej karbonatyzacji może być rozważany zarówno w kontekście składowania, jak i utylizacji CO_2. W Zakładzie Termicznego Przekształcania Odpadów w Kraków (ZTPO Kraków) przeprowadzane są badania mające na celu określenie w jakich warunkach, tj. pod jakim ciśnieniem i w jakiej temperaturze mineralna karbonatyzacja ma największą wydajność. Na tej podstawie, będzie możliwe zadecydowanie o zasadności wdrożenia mineralnej karbonatyzacji popiołów lotnych w ZTPO Kraków, jako innowacyjnej technologii wychwytu, składowania oraz utylizacji CO₂. Przedmiotem niniejszych badań są popioły lotne pochodzące z ZTPO Kraków, stanowiące jeden z głównych produktów ubocznych powstałych w wyniku spalania odpadów komunalnych. Popioły z procesu termicznego przetwarzania odpadów charakteryzują się wysoką zawartością tlenku glinu, tlenku krzemu i tlenku wapnia, mogą one zostać wykorzystane jako wartościowy produkt, m. in. w produkcji materiałów budowlanych. Z tego względu istotnym elementem badań jest modyfikacja odpadu w taki sposób, aby zmienić właściwości fizyko-chemiczne, a co za tym idzie – jego kod z odpadu niebezpiecznego na inny niż niebezpieczny.

Przedmiotem badań było pobranie próbek popiołów lotnych charakteryzujących się wysoką zawartością tlenku wapnia i poddanie ich procesowi mineralnej karbonatyzacji w warunkach podwyższonej temperatury i ciśnienia. Przeprowadzone badania miały na celu określenie temperatury, w której proces mineralnej karbonatyzacji cechuje się największą wydajnością. Obecność węglanów była najwyższa w próbkach poddanych najwyższej temperaturze, wraz ze wzrostem temperatury zwiększyła się również wydajność zachodzenia reakcji. Proces mineralnej karbonatyzacji w warunkach laboratoryjnych charakteryzuje się większą wydajnością oraz szybszym czasem zachodzenia reakcji niż w warunkach naturalnych. Pojemność sorpcyjna ditlenku węgla w popiołach lotnych zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. Proces karbonatyzacji mineralnej z wykorzystaniem wysokowapniowych popiołów lotnych ma na celu w jak największym stopniu zredukować ilość tlenku wapnia jaki występuje w składzie UPS – na rzecz powstającego węglanu wapnia. Przeprowadzone badania eksperymentalne pokazują, że możliwe jest zmniejszenie udziału CaO w badanych próbkach i tym samym zwiększenie zawartości CaCO₃. Wyniki badań stanowią podstawę do prowadzenia dalszych analiz w zakresie możliwości wykorzystania tej metody w spalarniach odpadów. Metoda chemicznej sekwestracji pozwala przekształcić CO₂ z odpadów w wartościowe produkty, takie jak: chemikalia, paliwa, jednocześnie przyczyniając się do łagodzenia zmian klimatu. Rysunek 1 przedstawia zdjęcie popiołów lotnych po procesie mineralnej karbonatyzacji.

Technologie wychwytu CO₂ są jedną z najważniejszych metod pozwalających na osiągnięcie celów klimatycznych UE, dlatego też coraz częściej są stosowane zarówno w zakładach przemysłowych produkujących energię elektryczną i cieplną, cementowniach oraz instalacjach termicznego przekształcania odpadów komunalnych. Jedną z innowacyjnych możliwości wychwytu ditlenku węgla jest mineralna karbonatyzacja. Proces mineralnej karbonatyzacji może być rozważany zarówno w kontekście składowania, jak i utylizacji CO₂. Mineralna karbonatyzacja ditlenku węgla, ze względu na swój potencjał, jest istotną metodą sekwestracji CO₂ neutralną dla środowiska, dlatego zasadne jest prowadzenie dalszych badań nad jej wykorzystaniem i właściwościami.

Rys. 1. Popioły lotne po mineralnej karbonatyzacji

Opracowanie: Jakub Bator, Członek Zarządu, Krakowski Holding Komunalny S.A. Krakowie

Przypisy

1   J. Hausner, B. Białecka: Analiza procesu wdrażania czystych technologii węglowych w Polsce, 2012.

2   B. Igliński, R. Buczkowski, M. Cichosz: Technologie bioenergetyczne, Toruń 2009.

3   R. M. Cuéllar-Franca, A. Azapagic; Carbon capture, storage and utilisation technologies: A critical analysis and comparison of their life cycle environmental impacts; Journal of CO2 Utilization Volume 9, March 2015.

4   J. Dubiński, A. Koteras: Possibilities of CO2 storage in geological formations, Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2014.

5   R. M. Cuéllar-Franca, A. Azapagic: Carbon capture, storage and utilisation technologies: A critical analysis and comparison of their life cycle environmental impacts; Journal of CO2 Utilization Volume 9, March 2015.

6  N. Czuma, D. Ciupek, J. Bator, K. Czerw, K. Zarębska: Determination of carbonates content in fly ashes from municipal waste incineration plant, 2020.