Inicjatywy dotyczące wychwytywania dwutlenku węgla są zazwyczaj przedstawiane z naciskiem na nowe i powstające technologie, wielkoskalowe projekty inwestycyjne oraz ambitne cele w zakresie dekarbonizacji. Jednak za każdym udanym projektem wychwytywania, wykorzystania i składowania dwutlenku węgla (CCUS) kryje się znacznie mniej widoczna, ale równie ważna podstawa, od której zależą te projekty: precyzyjny pomiar składu chemicznego strumieni gazowych.

Dla sektorów energetycznego, cementowego, stalowego, rafineryjnego, chemicznego i produkcji wodoru, CCUS stanowi podstawową metodę redukcji emisji związanych z procesami, których dekarbonizacja była dotychczas trudna lub niemożliwa.

Każdy z tych sektorów generuje duże ilości i ciągły przepływ gazów CO₂, tworząc idealne warunki do wychwytywania tych gazów, zanim trafią one do atmosfery. W miarę jak normy regulacyjne są wdrażane w szybkim tempie, a firmy zwiększają swoje zaangażowanie w walkę ze zmianami klimatycznymi, CCUS szybko ewoluuje z przyszłościowej koncepcji w konieczność operacyjną.

Czynniki napędzające ten trend obejmują zarówno aspekty ekonomiczne, jak i strategiczne. Rządy coraz częściej opracowują regulacje dotyczące emisji, mechanizmy wyceny emisji dwutlenku węgla oraz zachęty mające na celu stymulowanie rozwoju. W Stanach Zjednoczonych federalna ulga podatkowa 45Q stanowi główne źródło finansowania w ramach programu „ ” za każdą tonę wychwyconego i zmagazynowanego CO₂. Inne rynki światowe również oferują podobne struktury dotacji lub platformy handlowe. 

Jednocześnie wiele dużych przedsiębiorstw przemysłowych dostosowuje się do celów zerowej emisji netto w latach 2030–2050 i potrzebuje rozwiązań, które pozwolą im kontynuować produkcję i osiągnąć cele środowiskowe. 

Chociaż strategiczne i regulacyjne uzasadnienie dla CCUS jest coraz lepiej ugruntowane, jego pomyślne wdrożenie ostatecznie zależy od precyzyjnego monitorowania i kontroli procesów.
 
Jednak wydajność, niezawodność i opłacalność tej technologii w dużej mierze zależą od dokładnego opisu strumieni gazów. W związku z tym chromatografia gazowa procesowa pozostaje jednym z podstawowych narzędzi stosowanych w procesach przemysłowych w celu zapewnienia niezawodnego działania systemów CCUS, spełnienia wszystkich obowiązujących wymogów regulacyjnych oraz osiągnięcia jak najlepszej wydajności.

Chromatografia gazowa procesowa 

Chromatografia gazowa procesowa to narzędzie analityczne służące do ciągłego pomiaru składu chemicznego strumienia gazu przepływającego przez urządzenia przemysłowe. Jedną z najważniejszych zalet stosowania chromatografii gazowej jest możliwość analizowania złożonej mieszaniny gazów i rozdzielania jej na poszczególne składniki podczas jednego pomiaru.

Zrozumienie składu chemicznego gazu jest ważne z kilku powodów. Ma to znaczenie dla utrzymania jakości produktów, optymalizacji parametrów operacyjnych, ochrony osób pracujących w pobliżu obszaru procesowego oraz zgodności z przepisami.

Analizator działa poprzez pobranie niewielkiej ilości gazu z rurociągu lub strumienia procesowego i wprowadzenie go do strumienia gazu nośnego. Mieszanina ta przepływa następnie przez kolumnę wypełnioną materiałem fazy stacjonarnej. Każdy składnik wchodzi w inną interakcję z fazą stacjonarną, co powoduje, że przemieszcza się on przez kolumnę z różną prędkością. Gdy każdy oddzielony składnik dociera do końca kolumny, trafia do detektora, gdzie jest identyfikowany i poddawany analizie ilościowej. Sygnał detektora ( ) jest przetwarzany przez komputer w celu określenia stężenia każdego składnika w próbce. 

W procesach wychwytywania dwutlenku węgla do jednostki wychwytującej trafiają duże ilości gazów spalinowych lub procesowych. Dlatego konieczne jest dokładne rozdzielenie i oznaczenie ilościowe głównych składników gazu. Jednak jedną z największych przeszkód w tym zakresie jest fakt, że różne zakłady przetwórcze wytwarzają różne mieszanki gazów, działając przy różnych ciśnieniach, temperaturach i poziomach zanieczyszczeń.

W przypadku analizy spalin z elektrowni analizator zazwyczaj śledzi stężenia CO₂, O₂, N₂ i SOx. Podczas analizy gazu w procesie produkcji niebieskiego wodoru lub gazu syntezowego analizator prawdopodobnie śledziłby stężenia H₂, CO, CH₄ i CO₂, aby zapewnić skuteczność usuwania CO₂. Zarówno w przemysłowych systemach gazów odlotowych, jak i systemach z pętlą chemiczną może występować wiele dodatkowych węglowodorów i zanieczyszczeń, które należy mierzyć i śledzić.

Ze względu na te czynniki sprzęt analityczny musi być wszechstronny. Jednak wiele zakładów korzysta z analizatorów online, które wykrywają tylko jeden związek lub pierwiastek, więc w przypadku bardziej złożonych strumieni potrzeba ich kilku.

„Siła chromatografii gazowej polega na jej zdolności do jednoczesnego pomiaru wielu składników w strumieniu gazu, w przeciwieństwie do pojedynczych analizatorów gazu, które są ograniczone do wykrywania jednego składnika na raz” – mówi Al Kania, specjalista ds. rozwoju biznesowego w firmie Valmet, globalnym dostawcy technologii, automatyki i usług dla przemysłu przetwórczego. Procesowy chromatograf gazowy firmy Valmet, MAXUM II, ma szerokie zastosowanie w przemyśle przetwórczym na całym świecie.

Dokładne pomiary pomagają w podejmowaniu decyzji

Systemy chromatografii gazowej muszą zapewniać poziom dokładności, który wspiera skuteczne wdrożenie CCUS. Niezawodne, precyzyjne pomiary pozwalają operatorom dokładnie określić skład systemu, zapewniając solidną podstawę dla wszystkich dalszych decyzji.

Dzięki szczegółowym informacjom o składzie operatorzy mogą skutecznie oceniać wydajność procesów wychwytywania dwutlenku węgla oraz wprowadzać przemyślane zmiany w celu poprawy wydajności absorpcji i odparowywania.

Dokładnie zmierzone parametry procesu zapewniają operatorom pewność potrzebną do podejmowania świadomych decyzji dotyczących rzeczywistej chemii systemu.

Ponadto, korzystając z dokładnych pomiarów składu chemicznego surowca, operatorzy mogą podejmować świadome decyzje dotyczące skuteczności procesu wychwytywania dwutlenku węgla oraz identyfikować możliwości optymalizacji procesów absorpcji i odparowywania.

Dokładna identyfikacja i kwantyfikacja każdego składnika obecnego w strumieniu gazu ma kluczowe znaczenie dla zarządzania degradacją amin podczas absorpcji CO₂, ograniczania ryzyka korozji poprzez skuteczną kontrolę warunków korozyjnych, bezpiecznej eksploatacji sprężarek i rurociągów w granicach lub poniżej ich limitów projektowych, a ostatecznie zapewnienia, że wychwycony CO₂ spełnia określone normy czystości wymagane do transportu i składowania.

Zweryfikowane dane dotyczące składu na poziomie laboratoryjnym są również niezbędne do spełnienia wielu wymogów sprawozdawczych dla celów regulacyjnych związanych z sekwestracją dwutlenku węgla oraz do uzyskania dostępnych ulg podatkowych. 

„Wiele ram sprawozdawczych wymaga zweryfikowanej jakości laboratoryjnej danych dotyczących składu procesowego” – zauważa Kania. „Procesowe chromatografy gazowe (GC) są uznaną metodą analityczną, która jest w stanie spełnić te wymagania”.

Ochrona przed dryftem analitycznym

Chociaż zaawansowane analizatory, takie jak chromatografy gazowe, są wyrafinowane, niewielkie niedokładności pomiarowe mogą prowadzić do wyższych kosztów operacyjnych lub powodować, że system sterowania dokona niepotrzebnych korekt procesu.

To stopniowe odchylenie dokładności – znane jako dryft analityczny – jest spowodowane zmiennymi czynnikami, takimi jak temperatura, zużycie detektora, zanieczyszczenia i problemy ze stabilnością elektroniczną. Dryft analityczny może wystąpić nawet wtedy, gdy analizator jest regularnie kalibrowany.

„Jeśli w przyrządzie wystąpi dryft analityczny, może on zgłaszać stężenia CO₂ wyższe lub niższe od rzeczywistych wartości. Może to spowodować, że system nieprawidłowo dostosuje warunki pracy absorbera lub regeneracji, co doprowadzi do zwiększonego zużycia energii lub zmniejszonej wydajności wychwytywania” – mówi Kania.

Dokładne odczyty chromatografii gazowej (GC) odgrywają ważną rolę w minimalizowaniu ryzyka operacyjnego i związanego z bezpieczeństwem wynikającego z przedostawania się siarkowodoru (H₂S) i tlenu (O₂).

Dzięki zachowaniu dokładności i niezawodności urządzenia GC dostarczają aktualnych i wiarygodnych informacji o zmianach w mieszaninie gazów, dzięki czemu operatorzy mogą podjąć działania, zanim sytuacja się pogorszy. 

Projekt i konstrukcja GC

Projekt i konstrukcja procesowego chromatografu gazowego są również czynnikiem wpływającym na kontrolę dryftu. Produkty klasy przemysłowej, takie jak MAXUM II, są zaprojektowane do pracy w zakresie temperatur od -20 °C do 100 °C i powinny być przystosowane do stosowania w atmosferach korozyjnych i potencjalnie wybuchowych, w których mogą występować gazy niebezpieczne.

Kania twierdzi, że MAXUM II wykorzystuje również diagnostykę w czasie rzeczywistym do przewidywania zużycia komponentów, dryftu lub awarii, zanim zakłóci to działanie. 

Kolejnym czynnikiem, który może wpływać na dokładność pomiarów, są zmiany składu gazu, które zachodzą podczas przejścia z operacji na skalę pilotażową do produkcji na pełną skalę. 

„Na etapie pilotażowym skład gazu może wydawać się stały. Po zwiększeniu skali procesu niewielkie wahania temperatury, wydajności reakcji lub przepływu materiału mogą z czasem spowodować dryft składu gazu” – mówi Kania. 

Jeśli zmiany te nie zostaną szybko wykryte, zakład może nadal produkować gaz, który nie spełnia wymaganych specyfikacji czystości. W tym przypadku zalety monitorowania w czasie rzeczywistym znacznie przewyższają okresowe pobieranie próbek i analizę w laboratorium.  

„Zamiast czekać godzinami na wyniki laboratoryjne, analizatory wbudowane w linię produkcyjną pozwalają operatorom obserwować zmiany w składzie gazu w miarę ich występowania” – mówi Kania.

Rozwój inicjatyw CCUS

Według Kania, do przetwórców wytwarzających znaczne ilości CO₂ regularnie zwracają się duże przedsiębiorstwa energetyczne, które opracowują i realizują projekty CCSU, często we współpracy z wyspecjalizowanymi dostawcami technologii. 

Systemy wychwytywania dwutlenku węgla występują w kilku rodzajach i są zazwyczaj instalowane na przemysłowych strumieniach spalin w celu usunięcia CO₂ przed jego emisją, często jako modułowe jednostki, które można zamontować w istniejących zakładach.

W przypadku obiektów takich jak huty, cementownie oraz celulozownie i papiernie najczęściej stosowaną technologią są systemy absorpcji chemicznej oparte na aminach, instalowane na strumieniach spalin. W tym podejściu spaliny przepływają przez dużą wieżę absorpcyjną zawierającą ciekły rozpuszczalnik, który wiąże się chemicznie z dwutlenkiem węgla. 

Większość zakładów przemysłowych, takich jak huty stali, cementownie oraz celulozownie i papiernie, stosuje chemiczne systemy absorpcyjne wykorzystujące rozpuszczalniki aminowe do usuwania CO₂ ze strumieni spalin. Proces ten polega na przepuszczaniu spalin przez kolumnę absorpcyjną zawierającą ciekły rozpuszczalnik, który reaguje z dwutlenkiem węgla, tworząc związek chemiczny.

Aminy reagują specyficznie z CO₂, pozwalając jednocześnie na usunięcie azotu, tlenu i wszystkich innych gazów z absorbera. Ciecz bogata w CO₂ jest następnie podgrzewana w kolumnie regeneracyjnej, uwalniając CO₂ do strumienia sprężonego gazu. Następnie rozpuszczalnik jest ponownie wprowadzany do górnej części absorbera. 

Innym rodzajem oczyszczania gazów w celu usunięcia CO₂ jest absorpcja fizyczna, znana również jako absorpcja rozpuszczalnikowa. W tej metodzie oczyszczany gaz jest wprowadzany do kontaktu z rozpuszczalnikiem, który absorbuje CO₂. 

Różne inne metody wychwytywania dwutlenku węgla oddzielają CO₂ przy użyciu różnych mechanizmów w celu poprawy wydajności i czystości.

Biorąc pod uwagę różnorodność konfiguracji procesów, w projektach często priorytetem jest elastyczność pojedynczej platformy instrumentalnej. 

„Dzięki konfigurowalnym detektorom jeden analizator może wykonywać szeroki zakres pomiarów analitycznych w wielu punktach łańcucha wartości CCUS, minimalizując potrzebę stosowania oddzielnych przyrządów i zmniejszając długoterminowe wymagania konserwacyjne” – wyjaśnia Kania, dodając, że MAXUM II można skonfigurować do szeregu zastosowań, w tym do analizy spalin, usuwanie CO₂ w produkcji wodoru i gazu syntezowego, przemysłowe oczyszczanie gazów odlotowych, weryfikację czystości CO₂ przed transportem oraz monitorowanie podczas ponownego wtłaczania i na głowicy odwiertu.

Podstawowe narzędzie dla CCUS

Obecnie CCUS ewoluowało z ambitnej koncepcji w rzeczywiste rozwiązanie inżynieryjne służące realizacji ambitnych celów dekarbonizacji.

W miarę jak przetwórcy nadal zwiększają swoje inwestycje w CCUS, pomiar, walidacja i kontrola strumieni gazowych będą miały coraz większe znaczenie zarówno dla wydajności operacyjnej, jak i wymogów sprawozdawczości regulacyjnej, weryfikacji zmagazynowanego CO₂ oraz integralności długoterminowego składowania.

W środowiskach charakteryzujących się ekstremalnie wysokimi stężeniami CO₂, śladowymi zanieczyszczeniami i koniecznością nieprzerwanej pracy, chromatografia gazowa procesowa jest podstawową technologią umożliwiającą precyzyjne, ciągłe monitorowanie złożonych strumieni gazowych.