Những công nghệ CCS mới, tiên tiến năm 2024 (Kỳ 13)

* ICE-31

ION CLEAN ENERGY đặt trụ sở chính tại Boulder, tiểu bang Colorado (Hoa Kỳ), ION Clean Energy đã phát triển một công nghệ thu giữ carbon biến đổi, đặc biệt hiệu quả trong việc thu giữ lượng khí thải CO₂ từ dòng khí thải chu trình hỗn hợp khí tự nhiên (NGCC). Giải pháp của ION Clean Energy thu giữ từ 95% đến hơn 99% lượng khí thải CO₂ với động học nhanh và mức sử dụng năng lượng thấp, có khả năng chống phân hủy oxygen hóa đặc biệt và cực kỳ ổn định, đồng thời có lượng khí thải cực thấp.

Công nghệ thu giữ carbon sau đốt cháy ICE-31 của ION Clean Energy đã chứng minh hiệu suất biến đổi ở quy mô kỹ thuật và quy mô thí điểm lớn bằng cách thu giữ từ 95%-99% lượng khí thải CO₂ với lượng khí thải cực thấp, độ ổn định dung môi chưa từng có và mức thấp yêu cầu về năng lượng. Công nghệ ICE-31 của ION Clean Energy đặc biệt phù hợp với môi trường có lượng oxygen cao, chẳng hạn như sản xuất điện NGCC, nơi khả năng chống phân hủy oxygen hóa của dung môi tỏa sáng, dẫn đến lượng khí thải thấp giúp giảm thiểu tác động bất lợi thường thấy khi triển khai các công nghệ dựa trên amine khác.

Lợi ích: (i) Độ ổn định dung môi chưa từng có: Độ ổn định cực cao và khả năng chống phân hủy oxygen hóa giúp kéo dài tuổi thọ của dung môi mà không làm giảm hiệu quả thu giữ. Kết quả là tần suất thay thế và xử lý dung môi giảm và hiệu suất thu giữ tổng thể được nâng cao trong khi tổng chi phí thu giữ giảm. (ii) Lượng phát thải cực thấp: Khí thải từ dung môi ICE-31 giảm xuống dưới mức của Trạm quan trắc khí thải ống khói (CEMS) được dùng để quan trắc chất lượng khói thải được thải ra môi trường từ ống khói tại các nhà máy hoặc các cơ sở sản xuất. Điều này giảm thiểu tác động bất lợi thường thấy khi triển khai các công nghệ dựa trên amine khác. (iii) Động học dung môi nhanh: Dung môi ICE-31 của ION Clean Energy có phản ứng nhanh với CO₂, giúp giảm chi phí vận hành và vốn đầu tư do cần ít dung môi hơn và thiết bị nhỏ hơn. (iv) Yêu cầu năng lượng thấp hơn: Dung môi ICE-31 của ION Clean Energy tiết kiệm năng lượng và cần ít năng lượng hơn để tái tạo dung môi. Khi cần ít năng lượng hơn, chi phí vận hành sẽ giảm trong khi vẫn duy trì được tỷ lệ hiệu suất thu hồi trên 95%.

Các dự án chính: (i) Enterprise Pilot At Calpine’s Los Medanos Energy Center: Đây là một cơ sở thí điểm đầu tiên được thiết kế và chế tạo theo thông số kỹ thuật của ION Clean Energy để chứng minh hiệu suất của dung môi ICE-31 trên dòng khí thải NGCC 1 MWe công suất từ một nhà máy điện được điều tiết thương mại ở Pittsburg, tiểu bang California (Hoa Kỳ). ION Clean Energy đặt mục tiêu vận hành thí điểm trong hơn 10.000 giờ thử nghiệm ICE-31 bao gồm nghiên cứu tham số, các hoạt động toàn diện năng động và dài hạn. (ii) Nhà máy điện Polk (Công ty Điện lực Tampa, tiểu bang Florida): ION Clean Energy hiện đang hợp tác với Tampa Electric để hoàn thành nghiên cứu FEED nhằm thiết kế và xác định chi phí trang bị thêm công nghệ thu giữ của ION Clean Energy cho nhà máy điện NGCC tại Tổ máy số 2 Nhà máy điện Polk (PK2). Dự án này sẽ được thiết kế để thu giữ tối thiểu 95% lượng khí thải CO₂, tương đương với gần 3 triệu tấn CO₂ mỗi năm. Lượng carbon thu được sẽ được vận chuyển để lưu trữ địa chất an toàn. Dự án PK2 CCS đã nhận được nguồn tài trợ đáng kể để phát triển thông qua các chương trình của DOE.

Mô tả công nghệ

Lượng phát thải cực thấp: ION Clean Energy đã thực hiện chiến dịch về dung môi ICE-31 tại Trung tâm thu giữ carbon quốc gia (NCCC) trong hơn 4.200 giờ từ tháng 3 đến tháng 10/2021, bao gồm thử nghiệm tham số và trạng thái ổn định dài hạn sử dụng khí thải loại NGCC (4,4% CO₂), khí lò hơi đốt khí thực (7,8% CO₂) và khí thải đốt than thực (13% CO₂). Lượng phát thải của đơn vị cơ sở thử nghiệm dung môi thí điểm (Pilot Solvent Test Unit-PTSU) được theo dõi liên tục từ quá trình rửa nước và lấy mẫu chiết cho thấy kết quả NH3 nhỏ hơn 1 ppm. Ngoài việc lấy mẫu chiết, các thành phần dung môi cũng được phân tích bởi RJ Lee, một phòng thí nghiệm phân tích khí thải của bên thứ ba, cho thấy các thành phần dung môi nằm dưới giới hạn phát hiện 40 ppb.

Do ION Clean Energy không thể phân tích đầu ra khí thải từ thiết bị rửa nước trên (Upper Water Wash-UWW), nên trọng tâm đã chuyển sang đầu ra khí thải rửa nước dưới (Lower Water Wash-LWW), cũng nằm dưới giới hạn phát hiện của máy phân tích. Một phép đo nhạy hơn về nước tuần hoàn UWW đã được tiến hành để hiểu lượng nước chuyển sang từ LWW. Khi LWW hoạt động liên tục, nồng độ thành phần dung môi trong UWW giảm đáng kể. Những điểm dữ liệu này cho thấy độ bay hơi thấp của dung môi ION Clean Energy khi sử dụng phương pháp rửa nước hai giai đoạn.

Mức ổn định dung môi ICE-31: Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tập trung vào việc tăng tốc quá trình phân hủy nhiệt và oxygen hóa. ION Clean Energy đã thực hiện các thí nghiệm oxygen hóa tăng tốc ở 80°C với không khí được phun có chứa 10% CO₂ trong khi các nghiên cứu phân hủy nhiệt được thực hiện trong các bình kín ở mức 135°C với khoảng trống tối thiểu ở phía trên. Kết quả là sự phân hủy dung môi ICE-31 là cực kỳ thấp trong những môi trường khắc nghiệt này, chứng tỏ tính ổn định tuyệt vời trong tài liệu so với các hệ thống amine và amine khác. Muối bền nhiệt có nguồn gốc từ các chất gây ô nhiễm dạng vết trong khí thải được hình thành trong vài tháng và có thể được thu hồi một cách hiệu quả về mặt chi phí trong quá trình bán mẻ sử dụng phương pháp điện phân.

Hiệu suất nhiệt động của dung môi ICE-31: Công suất làm việc cao, thước đo lượng CO₂ có thể được giữ bởi một thể tích dung môi cụ thể, là một yêu cầu quan trọng trong dung môi thu giữ CO₂ chuyển hóa và là hàm số của nồng độ dung môi, yêu cầu về năng lượng giải hấp và tốc độ tuần hoàn. Điều này, cùng với áp suất hơi CO₂ cao ở trạng thái cân bằng với dung môi ở nhiệt độ nạp nghèo và nhiệt độ thoát hơi nhất định, dẫn đến việc sử dụng hiệu quả hơn việc loại bỏ hơi trong thiết bị tái sinh. Công suất hoạt động tăng lên của ICE-31 cũng làm giảm tốc độ dòng chất lỏng cần thiết để duy trì khả năng thu giữ liên tục, từ đó làm giảm công suất bơm, kích thước bộ trao đổi nhiệt giàu chất béo và công suất nồi hơi lại do nhiệt nhạy cảm.

Sử dụng năng lượng thấp hơn-SRD so với hiệu quả thu giữ: Một gói công việc khác tại NCCC tập trung vào việc thay đổi hiệu quả thu giữ của PSTU, đồng thời chọn phạm vi L/G tối ưu để xác định hiệu suất SRD tối thiểu ở mỗi hiệu suất thu giữ. Chiều cao cột tháp hấp thụ 18 m đã được kiểm tra về hiệu quả thu giữ; chiều cao cột tháp hấp thụ 24 m cũng được mô hình hóa trong ProTreat sau khi thử nghiệm tham số. Với 18 m đóng gói, quá trình truyền khối lượng CO₂ vào dung môi đủ nhanh để đạt được lượng giàu tương tự trên toàn bộ phạm vi hiệu suất thu giữ. Bộ hấp thụ 24 m được mô hình hóa vượt trội đáng kể so với hiệu suất đo được trong bộ hấp thụ 18 m chỉ với hiệu suất thu giữ rất cao trên 97%. Do tính ổn định của ICE-31, ION có thể điều khiển tải dung môi nhẹ hơn, đem lại hiệu suất thu giữ cao hơn lên tới 99%. Tác động tổng thể của động học nhanh và nhiệt động lực học thuận lợi của dung môi ICE-31 của ION Clean Energy chứng minh chỉ có 4% SRD bị phạt khi tăng khả năng bắt giữ từ 90% lên 98%, ngay cả khi sử dụng dụng cụ thoát hơi đơn giản tại cơ sở tạm thời thả vào không được tối ưu hóa cho ICE-31. Việc tối ưu hóa hơn nữa với tính năng bỏ qua giàu lạnh cho phép tải trọng nghèo tối ưu thậm chí còn gọn gàng hơn và mức phạt nhỏ hơn khi tăng hiệu quả thu giữ.

* K2-CO₂

K2-CO₂ S.R.L. (CH Ý) có khả năng giảm hơn 90% CO₂ từ khí thải bằng các giải pháp từ thu hồi carbon ở đầu đuôi đến các hệ thống tích hợp để tuân thủ phát thải, thu hồi nhiệt cũng như thu giữ và điều hòa carbon thông qua các hệ thống kiểm soát ô nhiễm không khí và thu hồi nhiệt thải trên các ứng dụng khí thải công nghiệp với hơn 10 năm kinh nghiệm thiết kế, tối ưu hóa và vận hành các hệ thống xử lý khí thải.

Công nghệ K2-CO₂: K2-CO₂ giúp cung cấp các giải pháp công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) chìa khóa trao tay được tích hợp đầy đủ nhắm vào các nguồn phát thải công nghiệp quy mô vừa và nhỏ. Danh mục đầu tư của K2-CO₂ bao gồm các giải pháp chìa khóa trao tay đáp ứng nhu cầu từ đầu ra của nguồn đốt đến ống xả, bao gồm thu hồi carbon tích hợp với điều hòa khí thải, thu hồi nhiệt thải và tái sử dụng hoặc cô lập. Các giải pháp này tích hợp vào quá trình hiện có mà không ảnh hưởng đến sản xuất, giúp giảm lượng khí thải ra môi trường, tác động đến năng lượng tổng thể và lượng khí thải CO₂. K2-CO₂ đã tận dụng kinh nghiệm sâu rộng của mình với tư cách là nhà tích hợp xử lý khí thải công nghiệp để cung cấp hệ thống thu giữ carbon “bắt vít” an toàn, tiết kiệm năng lượng, sử dụng dung môi kali carbonate nóng (HPC) với điều kiện cần thiết để cô lập hoặc tái sử dụng. Quá trình thu giữ CO₂ bằng dung môi HPC được Giammarco Vetrocoke cấp phép, được sử dụng trên toàn cầu trong các lĩnh vực công nghiệp như nhà máy hóa chất có nồng độ CO₂ cao trong khí thải: K2-CO₂ đã mở rộng tính hữu dụng để cắt giảm nồng độ CO₂, khiến nó phù hợp với hầu hết các loại khí thải có nguồn gốc từ quá trình đốt cháy.

Lợi ích: (i) Không sửa đổi quá trình thượng nguồn: Hệ thống của K2-CO₂ tích hợp vào các quá trình hiện có mà không cần sửa đổi thượng nguồn các điều kiện hoặc nhiên liệu cần thiết và bao gồm sử dụng và/hoặc lưu trữ, cung cấp các giải pháp phù hợp cho quá trình và địa điểm duy nhất. (ii) Tiết kiệm năng lượng: Nhu cầu năng lượng để sưởi ấm/làm mát và giãn nở/nén được giảm thiểu thông qua việc tái sử dụng năng lượng trong suốt quá trình. (iii) Hiệu quả về chi phí: Những thay đổi tối thiểu đối với quá trình đốt, thu hồi nhiệt thải và tái tạo dung môi đem lại giải pháp tiết kiệm chi phí cho CCUS ở các máy phát cỡ nhỏ và vừa. (iv) Tuân thủ liên tục: Công nghệ kiểm soát ô nhiễm không khí hiệu quả cao được tích hợp cho các chất gây ô nhiễm khí thải khác. (v) An toàn và thân thiện với môi trường: Kali carbonate nóng (HPC) là dung môi không cháy, không độc hại, ổn định và rẻ tiền, loại bỏ nhu cầu sử dụng các quá trình thu hồi dựa trên amine có hại và ăn mòn.

Mô tả công nghệ: Quá trình K2-CO₂ bao gồm phần khô và phần ướt được kết nối nối tiếp. Phần khô bao gồm hệ thống kiểm soát ô nhiễm không khí và các trạng thái thu hồi nhiệt để đáp ứng nhu cầu nhiệt theo yêu cầu của quá trình thu hồi carbon. Phần này có thể sử dụng thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí hiện có tại chỗ với việc tích hợp các giai đoạn thu hồi nhiệt hoặc có thể được cung cấp dưới dạng thiết bị mới. Cần lưu ý việc khí thải có thể thoát ra khỏi hệ thống bằng cách bỏ qua phần ẩm ướt thông qua ống xả để duy trì tuân thủ phát thải liên tục trong trường hợp khẩn cấp hoặc bảo trì trên hệ thống ướt. Khu vực ướt bao gồm quá trình khử SOx, hấp thụ CO₂, làm mát và cô đặc CO₂. Quá trình deSOx giúp loại bỏ thêm các chất gây ô nhiễm và điều hòa bổ sung dòng khí thải để bắt đầu quá trình thu hồi CO₂.

Khu vực hấp thụ thì sử dụng công nghệ thu giữ carbon nổi tiếng của kali carbonate nóng (HPC), hấp thụ CO₂ từ dòng khí thải vào HPC dung dịch nước. Khí thải còn lại đã được xử lý ở phần khô sẽ được thải ra khí quyển. Dung dịch HPC giàu CO₂ sau đó được đun nóng để giải phóng sản phẩm CO₂ đậm đặc trong quá trình tước/tách vật lý trong đó một hoặc nhiều thành phần được loại bỏ khỏi dòng chất lỏng bằng dòng hơi. Dung dịch HPC được tái sinh và bơm vào thiết bị hấp thụ theo hệ thống vòng, không cần phải bổ sung dung dịch liên tục. CO₂ được thu thập, điều hòa và gửi đến giải pháp sử dụng hoặc lưu trữ đã chọn cho quá trình. CO₂ thu được có thể được gửi đến nhà máy điều hòa, được thiết kế để cung cấp chất lượng, áp suất và nhiệt độ CO₂ mong muốn để sử dụng hoặc lưu trữ dưới lòng đất, để tăng cường thu hồi hoặc khoáng hóa dầu. Công nghệ điều hòa được điều chỉnh phù hợp với nhu cầu hiệu quả và có thể bao gồm từ việc lưu trữ/phân phối đơn giản ở pha khí đến tinh chế và hóa lỏng hoặc nén đến các điều kiện siêu tới hạn.

Quá trình HPC K2-CO₂ là quá trình hấp thụ/tước cổ điển song được vận hành ở áp suất tương đối thấp (thường là từ 0,5barg - 5 barg) và tích hợp tất cả các giai đoạn thu hồi nhiệt có thể có. Quá trình này được thiết kế để không cần nhiệt bên ngoài, khiến nó ít tiêu tốn năng lượng hơn so với các công nghệ CCUS khác, bao gồm cả những công nghệ sử dụng hệ thống dựa trên dung môi hoặc amine tương tự và nó có thể được áp dụng cho nhiều quá trình công nghiệp như thủy tinh, thép, sinh khối/đốt rác thải. Công nghệ HPC đã được chọn để chống lại amine bởi vì nhiều lý do, bao gồm giải pháp HPC an toàn cho con người và môi trường, không dễ thay đổi, ổn định, rẻ tiền và dựa trên thành phần cơ bản sẵn có trên toàn thế giới mà không phải do nguồn, nhà sản xuất hoặc người cấp phép độc quyền cung cấp.

Link nguồn:

https://www.globalccsinstitute.com/wp-content/uploads/2024/08/Report-CCS-Technology-Compendium-2024-1.pdf

Tuấn Hùng

Global CCS Institute