Công nghệ tái tạo, làm lỏng và tinh chế CO2 lỏng trong các nhà máy sản xuất đã phát triển nhanh chóng trong thập kỷ qua. Mặc dù nguyên liệu đến từ các nguồn khác nhau, các quy trình sử dụng là tương tự, chủ yếu gồm nén khí, tinh chế, làm lạnh lỏng và chưng cất.

công nghệ phục hồi, hóa lỏng và tinh chế nhà máy sản xuất co2 lỏng

Công nghệ phục hồi, hóa lỏng và tinh chế nhà máy sản xuất CO2 lỏng đã phát triển nhanh chóng trong thập kỷ qua. Mặc dù nguyên liệu đến từ các nguồn khác nhau, quy trình sử dụng đều tương tự, bao gồm nén khí, tinh chế, làm lạnh hóa lỏng và chưng cất. Chỉ khác là quy trình tinh chế khác nhau, và chất lượng cũng như lượng năng lượng tiêu thụ của sản phẩm CO2 lỏng thu được khá khác nhau. Bỏ qua chất lượng sản phẩm CO2 lỏng, hầu hết đều sử dụng quy trình hóa lỏng nhiệt độ thấp trong quá trình sản xuất, tức là khí CO2 ở áp suất bình thường được nén lên 2,0 ~ 3,0 MPa, và tại nhiệt độ bão hòa tương ứng, bộ làm lạnh được sử dụng để hấp thụ nhiệt ẩn để hóa lỏng. Nhiệt lượng phát ra trong quá trình ngưng tụ được bộ làm lạnh hấp thụ, khiến khí CO2 được hóa lỏng thành chất lỏng.

Hóa lỏng ở nhiệt độ thấp có nhiều công nghệ trưởng thành trong ngành công nghiệp sản xuất CO2 lỏng, nhưng những vấn đề về tiêu thụ năng lượng cao và chi phí cao để thu hồi CO2 và hóa lỏng vẫn còn nổi bật. Mặc dù nhiều công ty hóa lỏng CO2 đã thực hiện nhiều nghiên cứu và thăm dò trong việc tối ưu hóa quy trình thiết bị và chuyển đổi tiết kiệm năng lượng, và đã đạt được kết quả tốt, tiêu thụ năng lượng trên mỗi sản phẩm (tấn sản phẩm) vẫn còn cao. Hiện tại, tiêu thụ điện trên mỗi tấn sản phẩm của khí CO2 thô với độ tinh khiết hơn 95% là 190 đến 230 kW · h, và tiêu thụ điện trên mỗi tấn sản phẩm của khí CO2 thô với độ tinh khiết từ 80% đến 90% vượt quá 250 kW · h, và một số doanh nghiệp thậm chí tiêu thụ khoảng 270 kW · h. Mức tiêu thụ năng lượng tổng thể là rất cao, quá khác so với giá trị tiêu thụ lý thuyết, và có tác động lớn đến chi phí thu hồi CO2 và hóa lỏng các doanh nghiệp, đặc biệt là trong bối cảnh thị trường LỎNG CO2 chậm chạp trong những năm gần đây, đã mang lại tác động nghiêm trọng đến lợi ích kinh tế của việc phục hồi CO2 và các doanh nghiệp hóa lỏng.

Phân tích toàn bộ quá trình hóa lỏng và tinh chế CO2. Mỗi quá trình có tác động đến tiêu thụ năng lượng và chi phí sản phẩm của nó, nhưng tiêu thụ năng lượng của quá trình chủ yếu tập trung vào hai quá trình chính của nén và hóa lỏng của khí thô.

Một phân tích ngắn gọn về phân phối tiêu thụ năng lượng trong quá trình hóa lỏng và tinh chế CO2

Lấy một loại khí CO2 thô nhất định làm ví dụ, chúng tôi mô phỏng quá trình theo quy trình chung thông qua phần mềm Aspen Plus và phân tích tiêu thụ năng lượng trong quy trình.

Trong quá trình hóa lỏng và tinh chế CO2, tiêu thụ điện nén và làm lạnh về cơ bản là tiêu thụ điện của toàn bộ quá trình. Giảm tiêu thụ năng lượng nén và làm lạnh là chìa khóa cho hóa lỏng CO2.

Đạt được giảm phát thải CO2 trong sản xuất công nghiệp là một thách thức lớn và là một lộ trình kỹ thuật quan trọng để giải quyết hiện tượng nóng lên toàn cầu. Công nghệ thu hồi CO2 lỏng đã được phát triển đến một mức độ nhất định, trong đó phương pháp hóa lỏng lạnh sâu là khả thi và kinh tế. Phần mềm mô phỏng quy trình Aspen Plus đã được sử dụng để mô phỏng toàn bộ quá trình hóa lỏng lạnh sâu và tách CO2. Ba phương pháp đặc tính vật lý đã được lựa chọn để mô phỏng và phân tích đường điểm sương bọt của khí hỗn hợp, và phương trình trạng thái PR (Peng Robinson) được chọn làm phương pháp đặc tính vật lý của quá trình này. Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ hóa lỏng đến tỷ lệ hóa lỏng của khí hỗn hợp và độ tinh khiết của CO2 đã được phân tích. Các điều kiện hóa lỏng tối ưu đã được xác định với mục tiêu đạt tỷ lệ hóa lỏng CO2 không thấp hơn 90% và độ tinh khiết không thấp hơn 99,5%. Để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, các tham số quy trình như lưu lượng môi chất làm mát, chênh lệch nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi đã được tối ưu hóa. Dưới các điều kiện tối ưu, tỷ lệ hóa lỏng CO2 đạt 91,80%, độ tinh khiết đạt 99,50% và mức tiêu thụ năng lượng toàn phần thấp nhất cho mỗi đơn vị hóa lỏng là 12,22 kW·h/kmol.

Sự nóng lên toàn cầu đã mang lại những tác động đáng kể đối với thế giới, bao gồm các thiên tai thường xuyên, các vấn đề sinh thái, và thậm chí gây hại cho sức khỏe con người. Lượng khí CO2 thải ra quá mức được coi là nguyên nhân quan trọng gây ra sự nóng lên toàn cầu. Theo các báo cáo, tổng lượng khí CO2 toàn cầu vào năm 2022 khoảng 368×10^8 tấn, tăng 0,9% so với năm 2021, mức cao kỷ lục. Trong đó, quá trình sản xuất công nghiệp là một trong những nguồn chính phát thải CO2, với tổng cộng 106,4×10^8 tấn CO2 được sản xuất. Do đó, đạt được giảm phát thải CO2 trong sản xuất công nghiệp là một thách thức lớn và cũng là một hướng kỹ thuật quan trọng để ứng phó với sự nóng lên toàn cầu.

Nhà máy CO2 lỏng Thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) là một phương pháp khả thi về mặt kỹ thuật có thể giảm đáng kể lượng khí CO2 thải ra trong sản xuất công nghiệp và đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Hiện nay, công nghệ thu giữ CO2 đã được phát triển đến một mức độ nhất định. Theo các cơ chế thu giữ khác nhau, nó có thể được chia thành hấp thụ (phương pháp vật lý và hóa học), hấp phụ, tách màng, tách hóa lỏng ở nhiệt độ cực thấp, tuần hoàn hóa học và các phương pháp khác. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Có thể lựa chọn phương pháp thu giữ carbon phù hợp theo các nguồn carbon khác nhau và yêu cầu quy trình. Người ta thường cho rằng phương pháp hóa lỏng ở nhiệt độ thấp phù hợp để tách khí hỗn hợp CO2 có nồng độ cao, đồng thời có tính khả thi thực tiễn và ưu thế kinh tế.

Các nhà nghiên cứu trong nước và nước ngoài đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu về dòng chảy quy trình bắt các khí hỗn hợp CO2 nồng độ cao bằng cách làm lỏng ở nhiệt độ thấp. Các nghiên cứu này đã cho thấy những lợi thế độc đáo của việc làm lỏng ở nhiệt độ thấp trong việc tách CO2 nồng độ cao.

Nó tránh bổ sung dung môi và phát thải hóa chất có khả năng gây hại, có thể tách CO2 ở áp suất thấp hơn, không nhạy cảm với các tạp chất và trưởng thành trong công nghiệp hóa. Tuy nhiên, phương pháp làm lỏng nhiệt độ thấp cũng có những thiếu sót, chẳng hạn như tiêu thụ năng lượng cao và hiệu ứng tách kém cho các khí hỗn hợp CO2 nồng độ thấp.

Do đó, nghiên cứu và sàng lọc các điều kiện quy trình phù hợp để tách CO2 nồng độ cao có ý nghĩa lý thuyết và thực tế quan trọng đối với tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải trong quá trình tách CO2 nồng độ cao bằng cách làm lỏng nhiệt độ thấp.