مقدمه
شبیه‌سازی و ارزیابی اقتصادی جذب کربن دی‌اکسید. پس از احتراق با استفاده از پپرازین در سیستم‌های اسپن پلاس یکی از موضوعات مهم در زمینه کنترل آلودگی و تغییرات اقلیمی است. با توجه به افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای و اثرات منفی آن‌ها بر محیط زیست، توسعه فناوری‌های مؤثر در جذب و کاهش کربن دی‌اکسید به یک ضرورت تبدیل شده است.
پپرازین به عنوان یک جاذب کارآمد در فرایندهای جذب کربن دی‌اکسید مورد توجه قرار گرفته است. این ترکیب به دلیل ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی خاص خود، قابلیت بالایی در جذب CO2 از گازهای خروجی احتراق دارد. شبیه‌سازی این فرایند به کمک نرم‌افزارهای مهندسی شیمی، امکان تحلیل دقیق رفتار سیستم و ارزیابی عملکرد مختلف جاذب‌ها را فراهم می‌آورد. این شبیه‌سازی‌ها می‌توانند به بهینه‌سازی شرایط عملیاتی، تعیین هزینه‌های اقتصادی و بررسی اثربخشی روش‌های مختلف جذب کمک کنند.
شرح فرآیند
فرآیند جذب کربن دی‌اکسید (CO2) با استفاده از یک پیکربندی پیشرفته متفاوت از فرآیندهای متداول حلال‌محور مورد بررسی قرار گرفته است. این پیکربندی شامل دو ویژگی کلیدی است: جذب‌کننده با خنک‌سازی داخلی و جریان پمپ‌دور (pumparound stream) و تقسیم حلال غنی (rich solvent splitting یا RSS) در بخش‌های جذب و احیا.
این فرایند پس از احتراق معمولاً شامل چند بخش اصلی است که می‌تواند به اکثر سیستم‌های حلال اعمال شود. این بخش‌ها به طور کلی شامل موارد زیر هستند:
بخش جذب
در این بخش، بخشی از CO2 موجود در گازهای خروجی (FG) به محلول حلال مایع منتقل می‌شود. این فرایند به کاهش غلظت CO2 در گازهای خروجی کمک می‌کند.
بخش احیا
در این مرحله، CO2 جذب‌شده از حلال با استفاده از انرژی حرارتی، که معمولاً توسط بخار تأمین می‌شود، جدا می‌شود. این عمل باعث احیای حلال رقیق شده‌ای می‌شود که در بخش جذب استفاده شده است.
بخش پیش‌شرایط‌سازی CO2
در این بخش، CO2 تولیدشده در بخش احیا فشرده و در صورت نیاز مایع می‌شود تا برای حمل و نقل آماده گردد. بسته به ویژگی‌های FG ورودی و خواص فرار و تخریب حلال در شرایط عملیاتی معمول، بخش‌های اضافی برای حذف ناخالصی‌ها، شرایط‌سازی گازها و بازیابی و بازیافت حلال‌ها نیز مورد نیاز است. این بخش‌های اضافی شامل موارد زیر می‌باشند:
بخش پیش‌شرایط‌سازی FG
در این بخش، گازهای خروجی تولیدشده در منبع CO2 خنک و در صورت نیاز از ناخالصی‌هایی مانند SOx و NOx پاک‌سازی می‌شوند.
بخش شستشوی آب CO2
این بخش برای پاک‌سازی بیشتر جریان گازی CO2 قبل از ورود به بخش پیش‌شرایط‌سازی CO2 استفاده می‌شود، به ویژه در مواردی که حلال دارای فراریت بالاست.
بخش بازیابی حلال
این بخش برای حذف ترکیبات سنگین ناشی از تخریب آمین‌ها و یا نمک‌های پایدار سنگین که از جذب ناخالصی‌ها به دست آمده‌اند، طراحی شده و حلال بازیابی‌شده به چرخه جذب-احیا بازگردانده می‌شود.
استفاده از خنک‌سازی داخلی نیز در جذب‌کننده CO2 باعث افزایش نیروی محرکه انتقال CO2 از گاز به مایع می‌شود و زمان ماندگاری حلال را افزایش می‌دهد. این تغییرات منجر به کاهش نیاز به بخار برای احیای حلال و کاهش نرخ جریان محلول آبی بین جذب‌کننده و احیاکننده می‌شود.
این پیکربندی پیشرفته انرژی کمتری نسبت به روش‌های معمول مصرف می‌کند و می‌تواند اندازه بسته‌های جذب‌کننده را کاهش دهد، همچنین به افزایش حلالیت CO2 و بهبود کارایی فرآیند کمک می‌کند. همچنین، تقسیم حلال غنی (RSS) به بهبود کنترل دما در احیاکننده CO2 کمک می‌کند و بار حرارتی را به حداقل می‌رساند.
این روش به بررسی پتانسیل تکنو-اقتصادی سیستم‌های حلال در جذب CO2 کمک کرده و می‌تواند به پیکربندی‌های پیچیده‌تر نیز تعمیم یابد، هرچند که این گزینه‌های پیچیده‌تر در این مطالعه بررسی نمی‌شود. هدف اصلی حفظ سادگی و کلی‌نگری است.
مدلسازی فرآیند
در این مقاله، فرایند مدلسازی جذب کربن دی اکسید پس از احتراق با استفاده از محلول آبی پپرازین به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته است. اهم نکات مطرح شده به شرح زیر است:
1. مدلسازی فرایند با استفاده از نرم افزار Aspen Plus نسخه 8.6 انجام شده است. در این مدلسازی، مدل RateSep برای شبیه سازی ستون جذب کربن دی اکسید به کار گرفته شده است.
2. مدل ترمودینامیکی NRTL الکترولیتی و معادله حالت PC-SAFT برای محاسبه ضرایب فعالیت و ضرایب فرار در فاز بخار مورد استفاده قرار گرفته است.
3. ثوابت تعادلی واکنش های شیمیایی مربوط به واکنش کربن دی اکسید با پپرازین از مطالعات قبلی استخراج شده است.
4. مدل انتقال جرم و انرژی با استفاده از همبستگی های موجود در ادبیات علمی پیاده سازی شده است.
5. مدل سازی ستون جذب با استفاده از داده های تجربی از مطالعات پایلوت موجود در ادبیات علمی اعتبارسنجی شده است. نتایج نشان می دهد که مدل قادر است راندمان جذب کربن دی اکسید و پروفیل های دمایی را با دقت مناسبی پیش بینی کند.
6. عملیات سایر تجهیزات نظیر پمپ ها، فن ورودی گاز دودکش، کمپرسور کربن دی اکسید، خنک کننده ها و مبدل حرارتی غنی-فقیر نیز با استفاده از مدل های موجود در Aspen Plus شبیه سازی شده است.
7. مدل سازی ستون دفع با فرض تعادلی در نظر گرفته شده است با توجه به دماهای بالای 150 درجه سلسیوس که سرعت واکنش ها و انتقال جرم را تسریع می کند.
شبیه سازی
شبیه‌سازی جذب کربن دی‌اکسید (CO2) پس از احتراق با استفاده از پیپرازین در اسپن پلاس به منظور بررسی کارایی و اثربخشی این ماده در جذب گازهای گلخانه‌ای انجام می‌شود. پیپرازین به عنوان یک جاذب شیمیایی در این فرآیند مورد استفاده قرار می‌گیرد و می‌تواند با CO2 واکنش دهد و ترکیبات پایدار ایجاد کند.
تعریف سیستم
مدلسازی شرایط احتراق و انتشار CO2 به همراه ویژگی‌های پیپرازین و نحوه تعامل آن با CO2.
مدلسازی ترمودینامیکی
استفاده از معادلات ترمودینامیکی برای پیش‌بینی رفتار پیپرازین در جذب CO2 و تعیین شرایط بهینه.
شبیه‌سازی دینامیک سیالات
بررسی جریان گازها و نحوه توزیع CO2 در سیستم به کمک شبیه‌سازی‌های دینامیکی.
تحلیل خروجی
ارزیابی کارایی جذب پیپرازین و مقایسه آن با دیگر جاذب‌ها، همچنین بررسی عواملی نظیر دما و فشار بر روی فرآیند جذب.
با انجام این شبیه‌سازی، می‌توان به درک بهتری از فرآیند جذب CO2 و بهینه‌سازی روش‌های کاهش گازهای گلخانه‌ای دست یافت.
بهینه سازی فنی
بهینه‌سازی فنی جذب کربن دی‌اکسید (CO2) بعد از احتراق با استفاده از پپرازین یکی از روش‌های موثر برای کاهش گازهای گلخانه‌ای و بهبود کیفیت هوا است. پپرازین به عنوان یک حلال توانمند در فرایند جذب CO2 شناخته می‌شود که در سیستم‌های جذب مایع به کار می‌رود. در ادامه به چند نکته کلیدی در این زمینه اشاره می‌شود:
مکانیزم جذب
پپرازین به عنوان یک حلال آلی، با CO2 واکنش می‌دهد و کمپلکس‌های پایداری ایجاد می‌کند. این ویژگی باعث افزایش کارایی جذب CO2 در دما و فشارهای مختلف می‌شود.
شرایط بهینه
برای بهینه‌سازی فرایند، باید شرایط دما، فشار، و غلظت پپرازین به دقت تنظیم شود. معمولاً دماهای پایین‌تر و فشارهای بالا موجب افزایش نرخ جذب می‌شوند.
تجدیدپذیری و بازیافت
یکی از چالش‌های اصلی در استفاده از حلال‌ها، بازیافت آن‌ها پس از جذب CO2 است. بهینه‌سازی فرآیند بازیافت پپرازین می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد و کارایی کلی سیستم جذب را افزایش دهد.
تحقیقات و توسعه
انجام تحقیقات بیشتر در زمینه اصلاح ساختار شیمیایی پپرازین و ترکیب آن با سایر مواد می‌تواند به بهبود کارایی جذب و کاهش هزینه‌ها کمک کند.
به عبارتی بهینه‌سازی فنی جذب کربن دی‌اکسید با پپرازین می‌تواند به عنوان یک راهکار پایدار و کارآمد برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و مقابله با تغییرات اقلیمی مورد توجه قرار گیرد. و هدف از بهینه سازی، تعیین شرایط بهینه عملیاتی برای به حداقل رساندن مصرف انرژی و بهره وری حجمی فرآیند جذب است. این بهینه سازی برای طیف وسیعی از ترکیبات گاز دودکش (FG) و مقادیر مختلف بازده جذب CO2 انجام شده است.
ارزیابی اقتصادی
شاخص های عملکرد فنی به عنوان شاخص های جایگزین هزینه ها
بهره وری و کار مشخص معادل، شاخص های مناسبی برای هزینه های سرمایه گذاری و هزینه های عملیاتی فرآیند جذب مبتنی بر حلال هستند. این شاخص ها می توانند روندهای هزینه های سرمایه گذاری و هزینه های عملیاتی را به خوبی بازتاب دهند.
هزینه جذب دی اکسید کربن
حداقل هزینه جذب دی اکسید کربن به ازای هر تن دی اکسید کربن جذب شده، برای هر ترکیب غلظت ورودی گاز دودکش و بازده جذب دی اکسید کربن، به عنوان تابعی از دبی گاز دودکش فرآیند جذب ارائه شده است.
افزایش دبی گاز دودکش فرآیند جذب، منجر به کاهش هزینه جذب دی اکسید کربن می شود، به دلیل صرفه های مقیاس. اما این کاهش هزینه تا یک مقدار آستانه ای دبی گاز دودکش ادامه می یابد و سپس با افزایش بیشتر دبی، هزینه افزایش می یابد.
افزایش بازده جذب دی اکسید کربن، به ویژه در غلظت های پایین دی اکسید کربن در گاز ورودی، منجر به افزایش قابل توجه هزینه جذب دی اکسید کربن می شود.
تحلیل سناریوهای هزینه ای مختلف
تأثیر تغییر پارامترهای هزینه ای مانند قیمت بخار، قیمت برق و نرخ بازیافت سرمایه بر هزینه جذب دی اکسید کربن بررسی شده است.
افزایش قیمت بخار تا سه برابر مقدار پایه، می تواند هزینه جذب دی اکسید کربن را تا بیش از 60% افزایش دهد.
افزایش قیمت برق تا سه برابر مقدار پایه، می تواند هزینه جذب دی اکسید کربن را تا حدود 30% افزایش دهد.
کاهش نرخ بازیافت سرمایه به یک سوم مقدار پایه، می تواند هزینه جذب دی اکسید کربن را تا حدود 50% کاهش دهد.
نتیجه‌گیری
در این مطالعه، امکان سنجی فنی و اقتصادی فرآیندهای جذب دی اکسید کربن پس از احتراق با استفاده از پیپرازین آبی مورد بررسی قرار گرفته است.
اولین نکته قابل توجه این است که افزایش قیمت کربن به بالای 100 یورو برای هر تن دی اکسید کربن، استفاده از این فرآیند جذب را برای منابع صنعتی با غلظت بالای دی اکسید کربن و جریان گازهای دودکش زیاد، از نظر اقتصادی توجیه پذیر می کند. به طوری که با افزایش قیمت کربن تا 200 یورو، بازدهی بهینه جذب به 84% و صرفه جویی اقتصادی تا 47% افزایش می یابد.
حتی در قیمت های پایین تر کربن، مانند 85 یورو برای هر تن، استفاده از این فرآیند برای منابع انتشار گاز دودکش بیش از 1000 تن در روز با غلظت بالای دی اکسید کربن نیز اقتصادی خواهد بود، به شرط بازیابی گرمای اضافی حاصل از این منابع. این موضوع نشان می دهد که بازیابی و استفاده مجدد از گرمای اضافی می تواند نقش مهمی در بهبود اقتصادی این فرآیندها ایفا کند.
همچنین، نتایج نشان می دهد که در شرایط بهینه سازی هزینه های بخار و برق، هزینه جذب هر تن دی اکسید کربن بین 31 تا 46 یورو متغیر است که به غلظت دی اکسید کربن در گاز دودکش بستگی دارد. افزایش غلظت دی اکسید کربن تا 95% نیز منجر به افزایش بازدهی بهینه جذب می شود.
نمونه پروژه‌های انجام شده
شبیه سازی جذب کربن دی اکسید به کمک آمین ارتقاء یافته با اسپن پلاس
شبیه سازی اسپن پلاس جذب کربن دی اکسید از هوا به کمک حلال های جدید
منابع مورد استفاده برای این پروژه
Techno-economic assessment of post-combustion CO2 capture using aqueous piperazine at different flue gas compositions and flowrates via a
general optimization methodology
general optimization methodology
شبیه‌سازی و ارزیابی اقتصادی جذب CO2 پس از احتراق با پیپرازین در اسپن پلاس
در این پروژه شبیه‌سازی، بهینه‌سازی و ارزیابی اقتصادی جذب کربن‌دی‌اکسید پس از احتراق با پیپرازین در ترکیبات مختلف گازهای دودکش در نرم افزار اسپن پلاس انجام شده است.
