Pakokaasujen sisältämän hiilidioksidin talteenotto ja konvertointi polttoaineiksi

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella hiilidioksidia muuntava järjestelmä polttomoottorin pakokaasujärjestelmän yhteyteen. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin perinteisiä ja uusia polttoaineita sekä niiden käytöstä syntyviä pakokaasukoostumuksia. Työssä selvitettiin, millä menetelmillä hiilidioksidia voidaan erottaa pakokaasusta ja miten erotettu hiilidioksidi muutetaan erilaisiksi polttoaineiksi. Työ oli osa Oulun yliopiston MarineCO2-projektia, jossa rakennettavan hiilidioksidin konvertointijärjestelmän haluttiin tuottavan metaania. Tämän takia työssä keskityttiin erityisesti metanointireaktioon, sen prosessiolosuhteisiin ja käytettyihin katalyytteihin. Hiilidioksidin erottamista kalvoerotuksella tarkasteltiin tarkemmin, sillä MarineCO2-projektissa haluttiin käyttää kalvoerotusta hiilidioksidin erotukseen. Kokeellisessa osassa selvitettiin, millä prosessiolosuhteilla saataisiin aikaan tarpeeksi hyvä hiilidioksidin konversio metaaniksi. Tämän työn tulokset pohjautuvat teoriakatsauksen pohjalta tehtyyn analyysiin sekä termodynaamisen mallinnuksen tuloksiin. Laskentaohjelmistona käytettiin HSC Chemistry 10 -ohjelmistoa. Tieto yhdisteistä ja niiden pitoisuuksista saatiin kokeellisella mittauksella käyttäen FTIR- ja VARIOluxx SYNGAS -laitteita. Hiilidioksidia konvertoivan reaktorin mitat laskettiin ennakkoon päätetyillä vaihtuman arvoilla. Reaktoripatjan halkaisijaksi tuli 2 cm ja pituudeksi 3 - 5 cm vaihtuman ollessa 18536 - 30893 h-1. Kerätyn analyysi-, laskenta- ja teoriatiedon pohjalta laadittiin prosessikaavio ja laitelista. Suositellut katalyytit hiilidioksidin muuntamiseen metaaniksi ovat 15 - 20 m-% Ni/Al2O3, 2,5 m-% Ru/TiO2, tai näitä vastaava katalyytti, jossa aktiivimetalleina ovat molemmat nikkeli ja rutenium. Kyseisiä tuloksia ei voida soveltaa sellaisenaan kaupallistettavaan järjestelmään, sillä ne pätevät vain pilot-mittakaavan järjestelmiin.

The aim of this thesis was to design a carbon dioxide conversion unit integrated into an exhaust system of an internal combustion engine. The literature review examined both traditional and emerging fuels, as well as the composition of exhaust gases from using these fuels. Carbon dioxide separation methods and ways of converting carbon dioxide into fuels were reviewed. This work was part of the MarineCO2 project at the University of Oulu, where the goal was to produce methane using a carbon dioxide conversion system. For this reason, the focus was particularly on the methanation reaction, it’s process conditions and the used catalysts. Membrane separation for carbon dioxide capture was also analyzed more thoroughly as the MarineCO2 project aimed to use this method for carbon dioxide separation in its upcoming system. The experimental section determined the process conditions for achieving sufficient carbon dioxide conversion in the methanation reaction. The results of this work were derived from information obtained through a literature review and thermodynamic modelling using the HSC Chemistry 10 software. Data on the components and their concentrations were acquired through measurements using FTIR and VARIOluxx SYNGAS devices. The dimensions of the reactor for carbon dioxide conversion were calculated based on the chosen space velocity values. The reactor's diameter was determined to be 2 cm and it’s length 3 – 5 cm, with GHSV ranging between 18,536 – 30,893 h⁻¹. A process flow diagram was created for the system along with an equipment list. The recommended catalysts for the process are 15 – 20 wt-% Ni/Al2O3, 2,5 wt-% Ru/TiO2, or a similar catalyst containing both nickel and ruthenium. These dimensions and flow rates are suitable for processes on this scale. However, these results cannot be directly applied to a commercial system, as they are only valid for pilot-scale applications.