Reducerea emisiilor de oxizi de carbon - masuri de reducere a emisiilor de oxizi de carbon

1. GENEZA EMISIILOR DE OXIZI DE CARBON

Dioxidul de carbon din gazele de ardere provenite de la cazanele de abur, este rezultatul inerent al arderii complete a combustibililor fosili. Concentratia de CO₂ din gazele de ardere este cu atat mai mare cu cat raportul dintre continutul de carbon si continutul de hidrogen (C/H) al combustibilului este mai mare.

Monoxidul de carbon apare in gazele de ardere, in general, la arderea incompleta a hidrocarburilor lichide sau gazoase. Principalele cauze ale formarii CO sunt:

amestecarea imperfecta a combustibilului cu oxigenul;

existenta unor cantitati insuficiente de oxigen in unele zone ale arderii (ardere substoechiometrica);

timpul de rezidenta a particulei de combustibil in camera de ardere prea scurt.

In flacarile formate la arderea hidrocarburilor, concentratia de CO creste rapid in zona flacarii, atingand o valoare maxima, care in general este mai mare decat valoarea de echilibru pentru arderea adiabatica (fig. 7.1).

Dupa atingerea maximului, concentratia CO descreste usor spre valoarea de echilibru. Concentratiile de CO masurate in gazele de ardere evacuate din diferite camere de ardere sunt mai mici decat concentratiile maxime masurate in camerele de ardere, dar sunt mult mai mari decat concentratiile de echilibru corespunzator conditiilor la evacuare. Aceste observatii conduc la concluzia ca formarea si distrugerea CO in camera de ardere sunt strans legate din punct de vedere cinetic.

Fig. 7.1. Concentratia de CO la arderea hidrocarburilor.

Monoxidul de carbon format in procesul de ardere este oxidat la CO₂, cu o viteza care este relativ scazuta in comparatie cu viteza de formare a CO. Principala reactie de oxidare a CO in flacarile hidrocarburilor este:

(7.1)

In urma studiilor asupra reactiilor radicalului HO₂, s-a ajuns la concluzia ca la temperaturi inalte ecuatia:

(7.2)

poate juca un rol important in oxidarea CO.

Oxidarea CO prin reactia:este foarte lenta si nu poate fi o reactie importanta in flacarile de hidrocarburi care au in general concentratii mari de OH.

Monoxidul de carbon mai poate aparea in gazele de ardere provenite de la cazanele cu ardere in strat fluidizat, atunci cand acestea functioneaza la sarcini reduse. Temperatura deasupra stratului fluidizat devine prea mica si favorizeaza producerea de CO, prin ardere chimic incompleta. In mod special, la atingerea pragului de (620-650)^oC, s-a constatat experimental ca circa 30% din carbon se combina sub forma de CO. In domeniul uzual de temperaturi (800-950)^oC si de excese de aer, concentratia de CO in gazele de ardere este neglijabila (CO<0,06).

Lucrare: Invertor comandat pentru reglarea vitezei unui motor asincron trifazat cu rotorul in scurt circuit Document online: Efectele campului electric asupra organismului - actioneaza asupra celulelor si organelor si organismului

2. Masuri de reducere a emisiilor de oxizi de carbon

Primul pas spre reducerea emisiei de CO₂ este prevenirea formarii CO₂. Formarea CO₂ poate fi prevenita prin mai multe masuri.

orientarea spre activitati care necesita mai putina energie;

accelerarea dezvoltarii si implementarii de tehnologii eficiente din punct de vedere energetic;

reducerea consumului de energie primara prin folosirea mai eficienta a materialelor energointensive;

folosirea surselor de energie care au o emisie specifica de CO₂ mai mica decat cele folosite in prezent;

captarea prin diverse metode a CO₂ din gazele de ardere si conversia intr-o substanta utilizabila, sau lichefierea si stocarea in adancul oceanelor.

Emisia de monoxid de carbon poate fi redusa prin crearea conditiilor unei arderi perfecte, adica, o amestecare cat mai buna a combustibilului cu oxigenul; timpul de rezidenta a combustibilului in focar suficient de mare pentru desfasurarea reactiilor de oxidare si oxigen in cantitate suficienta realizarii arderii.

Necesitatea reducerii pierderii de caldura q₂ a cazanului de abur impune ca procesul de ardere sa fie condus la limita inferioara a excesului de aer, ceea ce poate duce la ardere incompleta, cu formarea de CO in limita (1-2)%. Si unele masuri de reducere a emisiilor de NO_x si SO_x (arderea in trepte si arderea cu exces redus de aer) pot conduce la ardere incompleta

Gazele rezultate din unele procese tehnologice (gazul de cocs, gazul de furnal) sunt adesea utilizate pentru ardere, ele continand procente variabile de CO, care pot ajunge la (10-15)%. In cazul utilizarii acestor gaze in instalatiile obisnuite de ardere, CO ramane de cele mai multe ori neoxidat.

Potrivit concluziilor lui Kaskan si Schott, oxidarea cantitatilor relativ mici de CO din amestecurile combustibile, (1-2)%, nu decurge dupa modelul clasic global ci dupa urmatorul model:

(9.7)

Conform acestui model rezulta rolul activ al radicalului OH, radical care poate fi obtinut fie prin disocierea apei injectate in focar, fie prin injectarea de hidrogen in gazele de ardere, concentratia de echilibru pentru OH la temperatura de 1100^oC fiind de 0,16 ppm.

Analiza echilibrelor chimice pentru modelul cinetic prezentat evidentiaza dependenta concentratiei CO de timp, temperatura si cantitatea de OH:

(9.8)

Rezultatele teoretice corespund bine cu cele experimentale, constatandu-se ca pentru o concentratie nula a radicalului OH posibilitatea de reducere a CO este limitata, ceea ce constituie o dovada a faptului ca reactia globala clasica

(9.9)

prezinta o viteza de reactie neglijabila tinand seama si de valoarea ridicata a energiei de activare (92 kJ/kmol).

Conform expresiei propuse pentru dependenta concentratiei CO de timp, rezulta ca viteza limita de scadere a temperaturii pentru o flacara de hidrocarbura gazoasa-aer, este de circa 1322 K/s si nivelul minim de temperatura 1100^oC.

2.1. Reducerea catalitica a emisiei de CO₂

Conversia catalitica a CO₂ intr-o substanta utilizabila constituie o metoda importanta pentru utilizarea CO₂ din gazele de ardere. Sunt mai multe reactii de reducere a CO₂ cu H₂, cum ar fi:

(9.10)

Convertirea CO₂ in metanol (CH₃OH) si acid formic (HCOOH), printr-o singura reactie, este dificil de realizat, in conditii obisnuite. CO₂ este usor convertit la CO si CH₄ cu H₂, la o presiune relativ scazuta si o temperatura in domeniul (523–623)K.

Mai multi autori au efectuat experimente de metanizare a CO₂ cu catalizatori metalici (cupru, nichel). Monoxidul de carbon este unul dintre componentele primare importante folosite in chimia carbonului

2.2. Reducerea emisiei de CO₂ folosind solutii pamantoase

Retinerea CO₂ din gazele de ardere este o metoda efectiva de reducere a emisiei de CO₂. Procesul de retinere a CO₂ poate fi divizat in trei pasi:

primul pas consta in separarea CO₂ din gazele de ardere prin utilizarea tehnicilor de absorbtie chimica, a membranelor din polimeri de separare a gazului, distilarii la temperaturi joase. In acest sens este necesara folosirea tehnicii de ardere oxy-combustie, adica introducerea de oxigen si nu de aer in focar si recircularea de gaze de ardere in focar (pentru a reduce temperaturaflacarii);

al doilea pas consta in transportarea CO₂ la locul unde in continuare este prelucrat;

al treilea pas implica utilizarea, stocarea sau eliminarea.

Exista, totusi, cateva dificultati in aplicarea acestor tehnologii. Acestea includ consumul de energie si de resurse materiale si protectia mediului. Din aceste motive trebuie dezvoltate tehnologii ecologice, care sa sustina dezvoltarea energetica in viitorul foarte apropiat.

Un sistem umed de tratare a CO₂ din gazele de ardere folosind apa ca absorbant si pamanturi ca schimbatori de cationi a fost propus de un colectiv de cercetatori din Japonia (Hokuriku University).

Sistemul consta din urmatoarele procese (fig. 9.2):

dizolvarea CO₂ din gazele de ardere in apa ce contine pamant, cu formarea de ioni de carbonat si scaderea pH-ului solutiei;

schimbul de ioni de hidrogen si de metale alcaline. Acest schimb se intensifica cu cresterea cantitatii de CO₂ dizolvat;

separarea pamantului din solutie si eliberarea unei parti a CO₂ din solutie, prin aerare. Acest proces este urmat de cresterea pH-ului solutiei care incepe sa includa o mare cantitate de .

reactia dintre ionii carbonat si ionii de metale alcaline cu formarea de saruri de carbonat ce sunt insolubile in apa. In apa CaCO₃(s) este in echilibru cu ionii proprii, anume:

adica, prin sistemul prezentat, CO₂ din gazele de ardere este fixat sub forma de carbonat.

Cantitatea de carbonati, in special cei insolubili, se mareste cu cresterea presiunii partiale a CO₂ in gazele de ardere. Carbonatii insolubili separati din solutie pot fi utilizati. Solutia ramasa nu este toxica, nu dauneaza mediului si poate fi refolosita in sistem sau evacuata in rauri sau oceane.

Cum solubilitatea CO₂ in apa este scazuta, este necesara o mare cantitate de apa pentru tratarea gazelor de ardere. Pentru aceasta poate fi folosita apa raurilor.

Tehnologia prezentata poate fi aplicata in tarile in curs de dezvoltare, deoarece drept schimbator de cationi se utilizeaza pamantul ce are un pret redus, solutia reziduala fiind inofensiva mediului, iar carbonatii solubili pot fi comercializati.

Fig. 9.2. Schema sistemului de retinere a CO₂ cu ajutorul solutiilor apa-pamant.