Studies on CO2 sorption on hard coal in the near-critical area with regard to the aspect of sequestration

• Autorzy: Baran P. , Broś M. , Nodzeński A.

Warianty tytułu

PL

Badania sorpcji CO2 na węglu kamiennym w obszarze przykrytycznym w aspekcie sekwestracji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Recently more and more emphasis has been laid on reducing the emission of carbon dioxide. Attempts are undertaken to reduce the emission of this gas through the works on the low-emission technologies of fuel combustion. Another way to lower the emission of CO2 is to capture the gas and deposit it in deep geological layers. One of the options of geological sequestration, next already applied the EOR method (Nagy & Olajossy, 2008; Nú?ez-López et al., 2008) is pumping CO2 into deep, fully exploited or unexploited beds of hard coal. The issue of carbon dioxide sorption studies is presently handled with regard to the possibility of sequestrating this gas in deep geological structures. Considering the depth of the storage centre and assuming that hydrostatic pressure gradient at the level of 10 MPa/km and the geothermal gradient at the level of 30 K/km (Tarkowski, 2005), it is expected that the stored carbon dioxide will appear in the supercritical state. The supercritical phase shows the properties of a gas with high density, close to the density of fluid substances which changes depending on the pressure and temperature in the range from 200 up to 900 kg/m3 (Fig. 1) (Holloway and Savage, 1996). The definition of supercritical adsorption which is presented in the work is ambiguous in the literature, due to various approaches regarding the definition of the supercritical phase (fluid). One of the approaches says that the fluid is supercritical when both the temperature and the pressure reach values above the critical point. However, adsorption in supercritical conditions (supercritical adsorption) is commonly interpreted to be a process which takes place in a temperature above the critical temperature (Toth, 2002). The work presents experimental results of studies on CO2 sorption on high rank coal obtained from the Lower Silesian Coal Basin. The table 1 provides selected results of the chemical, technological and density analysis (Nodzeński, 2000). The measurements have been carried out with the use of original volume apparatus designed to examine the sorption of gases in the supercritical area. The developed apparatus also makes it possible to measure the sorption of mixtures (e.g. CO2 + CH4). After the state of balance is established, it is also possible to source the free (unsorbed) phase disturbing the sorption balance. The principle of sorption measurement at increased pressures by the volume method consists in decompressing a gas of a known pressure and volume from the batching space to an ampoule containing a sorbent. Knowing the dead volume of the apparatus and the volume of the batcher, it is possible to calculate the absorbed quantity by means of the gas laws. The presented calculation procedure takes into account the CO2 deviations from the properties of the ideal gas. The gas molar volume for a given pressure and temperature has been calculated by means of two equations: the Beattie-Bridgeman Equation of State and the Span-Wagner multi-parameter equation (Michałowski & Wańkowicz, 1993; Span and Wagner, 1996). The figure 3 shows that up to the pressures of about 2.5 MPa, the molar volumes calculated with the use of both equations of state are convergent. In case of higher pressures, the calculated values show differences. Following the sorption isotherms obtained at a subcritical temperature, the thermal equation of sorption (Czepirski & Jagiełło, 1989) was used to generate an isotherm in 323 K which was then confronted with an isotherm obtained through an experiment. An unsatisfactory correspondence was found between the isotherm generated by means of the thermal sorption equation and the isotherm obtain in course of the experiment (Fig. 4). The gas capacity values obtained as a result of prediction are overestimated by about 5 dm3/kg which testifies to a significant change of properties of the arrangement after the critical temperature is exceeded.

PL

W ostatnim okresie coraz większy nacisk kładzie się na ograniczenie emisji ditlenku węgla. Zmniejszenie emisji tego gazu próbuje się osiągnąć poprzez prace nad niskoemisyjnymi technologiami spalania paliw. Innym sposobem obniżenia emisji CO2 jest przechwycenie gazu oraz zdeponowanie go w głębokich warstwach geologicznych. Jedną z możliwości, geologicznej sekwestracji, obok stosowanej już metody EOR (Nagy i Olajossy, 2008; Nú?ez-López i in., 2008) jest wtłoczenie CO2 do głębokich, wyeksploatowanych lub nieeksploatowanych pokładów węgla kamiennego. Tematyka badań sorpcji ditlenku węgla jest obecnie prowadzona pod kątem możliwości sekwestracji tego gazu w głębokich strukturach geologicznych. Mając na uwadze głębokość centrum magazynowania i zakładając gradient ciśnienia hydrostatycznego na poziomie 10 MPa/km oraz gradient geotermiczny rzędu 30 K/km (Tarkowski, 2005), należy spodziewać się, że zmagazynowany ditlenek węgla będzie w stanie nadkrytycznym. Faza nadkrytyczna ma właściwości gazu o dużej gęstości, zbliżonej do gęstości substancji ciekłych, która zmienia się w zależności od ciśnienia i temperatury w zakresie od 200 do 900 kg/m3 (rys. 1) (Holloway i Savage, 1996). Przedstawiono definicję adsorpcji superkrytycznej która w literaturze jest niejednoznaczna, ze względu na różne podejścia w zdefiniowaniu fazy (płynu) superkrytycznej. Jedno z podejść mówi, że płyn jest superkrytyczny, gdy zarówno temperatura jak i ciśnienie osiąga wartości powyżej punktu krytycznego. Jednakże przyjmuje się, że adsorpcja w warunkach superkrytycznych (supercritical adsorption) jest to proces zachodzący w temperaturze powyżej temperatury krytycznej (Toth, 2002). Praca prezentuje eksperymentalne wyniki badań sorpcji CO2 na wysokouwęglonym węglu pochodzącym z Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego. W tabeli 1 podano wybrane wyniki analizy chemicznej, technologicznej i densymetrycznej (Nodzeński, 2000). Pomiary wykonane zostały przy użyciu oryginalnej objętościowej aparatury do badania sorpcji gazów w obszarze superkrytycznym. Zbudowany aparat umożliwia również pomiary sorpcji mieszanin (np. CO2 + CH4). Po ustaleniu się stanu równowagi istnieje możliwość pobrania fazy wolnej (niezasorbowanej) bez naruszenia równowagi sorpcyjnej. Zasada pomiaru sorpcji przy podwyższonych ciśnieniach metodą objętościową, polega na rozprężeniu gazu o znanym ciśnieniu i objętości z przestrzeni dozującej, do ampułki zawierającej sorbent. Znając objętość martwą aparatu i objętość dozownika, ilość zasorbowaną można obliczyć za pomocą praw gazowych. Przedstawiono procedurę obliczeniową z uwzględnieniem odchyleń CO2 od właściwości gazu doskonałego. Objętość molową gazu dla danego ciśnienia i temperatury obliczono stosując dwa równania: równanie stanu Beattie-Bridgemana oraz wieloparametrowe równanie Span'a-Wagner'a (Michałowski i Wańkowicz, 1993; Span i Wagner, 1996). Rysunek 3 ilustruje, że dla ciśnień do ok. 2,5 MPa, wyliczone objętości molowe wyznaczone przy użyciu obu równań stanu są zbieżne. W przypadku wyższych ciśnień obserwuje się już różnice w wyliczonych wartościach. W oparciu o izotermy sorpcji otrzymane w temperaturze podkrytycznej wygenerowano, za pomocą termicznego równania sorpcji (Czepirski i Jagiełło, 1989), izotermę w 323 K a następnie skonfrontowano ją z izotermą otrzymaną w toku eksperymentu. Stwierdzono niezadowalająca zgodność izotermy wygenerowanej przy użyciu termicznego równania sorpcji z izotermą otrzymaną z eksperymentu (rys. 4). Wartości gazopojemności otrzymane w wyniku predykcji są przeszacowane o ok. 5 dm3/kg co świadczy o znaczącej zmianie właściwości układu po przekroczeniu temperatury krytycznej.

Słowa kluczowe

EN

hard coal; carbon dioxide; supercritical adsorption

PL

węgiel kamienny; ditlenek węgla; adsorpcja superkrytyczna

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 55, no 1
• Strony: 59--67
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Baran P.

autor

Broś M.

autor

Nodzeński A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Fuels and Energy, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kaków, Poland,

Bibliografia

• Baran P., Hołda S., Macuda J., Nodzeński A., Zawisza L., 2008. Investigations of methane content in lignite coals. Mineral Resources Management, t. 23. z. spec. 3, p. 21-28.
• Ceglarska-Stefańska G., Zarębska K, Aleksandrowicz K., 2002. Displacement sorption of CO2 and CH4 on low rank hard coal, within a low gas pressure range. Archives of Mining Sciences, vol. 47, iss. 2, p. 157-173.
• Ceglarska-Stefańska G., Zarębska K., Wolszczak J., 2008. Sorption of pure components and mixtures CO2 and CH2 on hard coals. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, t. 24, z. 4/1, p. 123-131.
• Ceglarska-Stefańska G., Nodzeński A., Hołda S., 2007. Badania układu węgiel-gaz w aspekcie pozyskiwania metanu i sekwestracji CO2. Gospodarka Surowcami, t. 23, z. spec. 3, s. 51-59.
• Czepirski L., Jagiełło J., 1989. Virial type thermal equation of gas - solid adsorption. Chem. Eng. Sci., 44, 4, 797.
• Czerw K., Ceglarska-Stefańska G., 2008. Dynamika deponowania gazów kopalnianych w strukturze porowatej węgla kamiennego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, t. 24, z. 3/3, s. 57-67.
• Goodman A.L., Busch A., Bustin M., Chikatamarla L., Day S., Duffy G.J., Fitzgerald J.E., Gasem K.A.M., Gensterblum Y., Hartman C., Jing C., Krooss B.M., Mohammed S., Pratt T., Robinson R.L. Jr., Romanov V., Schroeder K., 2007. Inter-laboratory Comparison II: CO2 Isotherms Measured on Moisture-Equilibrated Argonne Premium Coals At 55°C and Pressures to 15 MPa. International Journal of Coal Geology, 72 (2007), 153-163.
• Holloway S., Savage D. 1996. The potential for aquifer disposal of carbon dioxide in the UK. Energy Conversion and Management, 37, 925-932.
• Jodłowski G., Baran P., Wójcik M., Nodzeński A., Porada S., Milewska-Duda J., 2008. Sorption of methane and karbon dioxide mixtures in Polish hard coals considered in terms of adsorption-absorption model. Applied Surface Science, vol. 253, s. 5732–5735. - Bibliogr. s. 5735, Abstr.
• Kotarba M., Ney R., Hołda S., 1995. Bilans akumulacji metanu w pokładach węgla kamiennego i w kompleksie skał iłowcowo-mułowcowych górnego karbonu produktywnego górnośląskiego zagłębia węglowego. (w): „Opracowanie modeli oraz bilansu generowania i akumulacji gazów w serii węglonośnej Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.”, Monografia, red. R. Ney i M. Kotarba, wyd. Centrum PPGSMiE PAN, Kraków, s. 175-180.
• Małopolska M., Zarębska K., 2008. Problematyka emisji ditlenku węgla w Polsce. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, t. 24, z. 3/3, s. 187-196.
• Michałowski S., Wańkowicz K., 1993. Termodynamika procesowa. WNT 1993.
• Nagy S., Olajossy A., 2008. Economic analisys of use the Early Application CO2 and Co2/N2-EOR technology in Poland. Archives of Mining Scienece 52, Issue 4, 115-124
• Nodzeński A., 2000. Wysokociśnieniowa desorpcja ditlenku węgla i metanu z węgla kamiennego Zagłębia Dolnośląskiego. Rozprawy Monografie 95, wyd. AGH, Kraków.
• Núñez-López V.; Holtz M. H.; Wood D. J.; Ambrose W. A.; 2008. Quick-look assessments to identify optimal CO2 EOR storage sites. Environ Geol, 54:1695-1706.
• Span R, Wagner W., 1996. A New Equation of State for Carbon Dioxide Covering the Fluid Region from the Triple-Point Temperature to 1100 K at Pressures up to 800 Mpa. Journal of Physical and Chemical Reference Data – November 1996, Vol. 25, Iss. 6, pp. 1509-1596.
• Tarkowski R. (red.), 2005. Podziemne składowanie CO2 w Polsce w głębokich strukturach geologicznych (ropo-, gazo i wodonośnych). praca zbior.: A. Nodzeński, T. Solecki, J. Stopa, R. Tarkowski, B. Uliasz-Misiak, Kraków: wyd. Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN.
• Toth J. (red.), 2002. Adsorption: Theory, Modeling, and Analysis. Marcel Dekker.
• Zarębska K., Dudzińska A., 2008. Możliwości magazynowania CO2 w pokładach węgli kamiennych – weryfikacja danych eksperymentalnych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, t. 24, z. 3/3, s. 347-355.
• Żyła M., Cygankiewicz J., Dudzińska A., 2005. Sorption of nitrogen and carbon dioxide an number of samples of hard coal having different content. Archive of Mining Science, vol. 50, iss. 4, p. 505-515.