Установка и способ для выделения co2
Патент 2346730
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Установка и способ для выделения co2
Иллюстрации
Изобретение может быть использовано для защиты окружающей среды путем извлечения и восстановления СО2 из отходящего газа, полученного при сжигании топлива. Установка для выделения СО2 содержит абсорбционную башню 13, в которую поступает газ, содержащий СО2, и раствор, абсорбирующий СО2. Газ, содержащий СО2, контактирует с раствором, абсорбирующим СО2, с получением крепкого раствора 14 СО2, который поступает в регенерационную башню 15, где из него получают слабый раствор 16. В регенерационной башне 15 размещен нагревательный элемент 30, нагревающий крепкий раствор 14 генерированным паром. Установка также содержит вторую линию транспортирования слабого раствора 16 из регенерационной башни 15 к абсорбционной башне 13 и первую линию транспортирования крепкого раствора 14 из расположенной выше точки регенерационной башни 15 по трубопроводу 32 в точку, расположенную ниже. В теплообменнике 23 осуществляется нагрев слабым раствором 16 крепкого раствора 14. Изобретение позволяет снизить потребление электроэнергии, 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.
Реферат
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к установке и к способу для выделения СО2, обеспечивающим снижение потребления электроэнергии.
Уровень техники
В последние годы парниковый эффект, создаваемый СО2, отмечают как одну из причин глобального потепления, и поэтому для защиты всей окружающей среды крайне необходимы контрмеры против этого эффекта. СО2 выбрасывается в атмосферу благодаря различным сферам деятельности человека, включая сжигание ископаемых топлив, и существует возрастающая потребность подавления выброса СО2. Соответственно, человек основательно изучает средства и методы предотвращения выброса СО2 из установок, предназначенных для производства электроэнергии, например, электростанций, которые используют громадные количества ископаемого топлива. Один из таких способов включает осуществление контактирования отходящего газа, полученного при сжигании топлива, отводимого из паровых котлов, с раствором на основе аминов, поглощающим СО2. Данный способ позволяет извлекать и выделять СО2 из отходящего газа, полученного при сжигании топлива. Другой известный способ включает накопление выделенного (полученного) CO2, т.е. не предполагает возвращение выделенного СО2 в атмосферу.
Известны различные способы извлечения и восстановления СО2 из отходящего газа, полученного при сжигании топлива, с использованием раствора, абсорбирующего СО2. Один из известных способов включает контактирование отходящих газов с раствором, абсорбирующим СО2, в абсорбционной башне, нагревание абсорбирующего раствора, содержащего абсорбированную CO2, в регенерационной башне, выделение СО2, регенерацию абсорбирующего раствора и прокачивание отведенного абсорбирующего раствора по замкнутому контуру с возвращением вновь в абсорбционную башню для повторного использования. Известный метод раскрыт, например, в выложенной заявке на выдачу патента Японии № Н7-51537.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить проблемы, существующие в известной технологии.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения установка для выделения СО2 включает в себя абсорбционную башню, в которую поступает газ, содержащий CO2, для осуществления его контактирования с раствором, абсорбирующим СО2, с получением в процессе контактирования крепкого раствора СО2, и регенерационную башню, в которую поступает крепкий раствор и в которой получают слабый раствор за счет отвода СО2 из крепкого раствора, при этом установка для выделения С02 содержит нагревательный элемент, размещенный в регенерационной башне, обеспечивающий нагревание в регенерационной башне крепкого раствора генерированным водяным паром, осуществляемое в процессе регенерации крепкого раствора в регенерационной башне.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения способ выделения СО2, включающий в себя осуществление контактирования газа, содержащего СО2, с раствором, абсорбирующим СО2, с получением в абсорбционной башне крепкого раствора СО2, транспортирование крепкого раствора в регенерационную башню и получение из крепкого раствора слабого раствора за счет удаления СО2 из крепкого раствора в регенерационной башне, кроме того, включает нагревание крепкого раствора в регенерационной башне генерированным водяным паром, осуществляемое в процессе регенерации крепкого раствора в башне регенерации.
Вышеуказанные и другие задачи, особенности, преимущества, а также техническая и промышленная значимость данного изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема установки для выделения СО2 в соответствии с первым примером осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - схема установки для выделения СО2 в соответствии со вторым примером осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 - схема установки для выделения СО2 в соответствии с третьим примером осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 - схема установки для выделения СО2 в соответствии с четвертым примером осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 - схема установки для выделения СО2 в соответствии с пятым примером осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 - схема установки для выделения СО2 в соответствии с конкретным примером ее функционирования.
Подробное описание предпочтительных примеров воплощения
Примеры осуществления настоящего изобретения ниже поясняются подробно со ссылками на сопровождающие чертежи. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено нижеследующими примерами осуществления.
На фиг.1 представлена схема установки 10А для выделения СО2 в соответствии с первым примером осуществления изобретения. Установка 10А для выделения СО2 содержит абсорбционную башню 13, в которой проводится контактирование газа 11, содержащего СО2, с раствором, абсорбирующим СО2, в результате чего получают крепкий раствор 14, СО2. Кроме того, данная установка содержит регенерационную башню 15, в которой проводится регенерация крепкого раствора 14 с получением слабого раствора (регенерированного раствора) 16 путем нагрева крепкого раствора 14 водяным паром S, генерируемым за счет нагрева слабого раствора высокотемпературным водяным паром 17 в регенеративном нагревателе 18. Слабый раствор 16 повторно используют в абсорбционной башне 13. Крепкий раствор 14 вводят в верхнюю часть регенерационной башни 15 через форсунку 8. Регенерационная башня 15 содержит средства 30 нагревания, в которых крепкий раствор 14 нагревают водяным паром S, генерируемым за счет нагрева слабого раствора 16 в регенерационном нагревателе 18, или же пар генерируется вследствие теплообмена в теплообменнике 23 для слабого раствора. В соответствии с первым примером осуществления средства нагревания 30 представляют собой слой насадки 31, обеспечивающий повышение эффективности контактирования крепкого раствора 14 с водяным паром S.
Обычно водяной пар S, генерируемый при нагревании слабого раствора 16, отводится вместе с СО2 наружу после использования пара S для получения слабого раствора 16. Однако в соответствии с настоящим изобретением почти вся теплота пара S может быть эффективно использована. Так, тепловая энергия водяного пара S, предназначенного для выброса наружу, может быть использована для нагревания крепкого раствора 14, введенного в регенерационную башню 15. В результате может быть уменьшено потребление энергии в системе регенерации.
В соответствии с первым примером осуществления теплообменник 23 для слабого раствора размещен на трубопроводной линии 22 подачи слабого раствора, служащей для подачи слабого раствора 16, транспортируемого из регенерационной башни 15 в абсорбционную башню 13. В теплообменнике 23 для слабого раствора, кроме того, осуществляется нагревание крепкого раствора 14, предварительно нагретого водяным паром S и отведенного через линию отбора 32, остаточным теплосодержанием слабого раствора 16. Таким путем теплота слабого раствора повторно используется для нагрева крепкого раствора 14.
На фиг.1 позицией 8 обозначена форсунка, позицией 9 обозначена тарелка с колпачком, позицией 25 - слой насадки в абсорбционной башне 13, а позицией 26 - слой насадки, размещенной в регенерационной башне 15. В качестве теплообменника может быть использовано какое-либо устройство, которое передает теплоту от одного вещества другому веществу. Теплообменник может быть выполнен пластинчатым и кожухотрубным, которые известны в уровне техники. Раствором, абсорбирующим СО2, может быть, например, любое вещество, которое может поглощать СО2. Например, раствор, абсорбирующий СО2, может быть из группы аминов, содержащих алканоламин или гидроксил спирта. Примерами алканоламина являются моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин. Однако предпочтительно использовать моноэтаноламин (МЕА). Примерами амина, содержащего гидроксил спирта, могут служить 2-амино-2-метил-1-пропанол (AMP), 2-(этиламино)-этанол (ЕАЕ) и 2-(метиламино)-этанол (МАЕ).
Газ 11, содержащий СО2, сначала охлаждают в охлаждающем устройстве (не показано) приблизительно до 40-50°С и затем направляют в устройство для выделения СО2. В то же время, слабый раствор 16 охлаждают приблизительно до 40°С с помощью другого охлаждающего устройства (не показано) и затем направляют в абсорбционную башню 13.
Крепкий раствор 14, отведенный из абсорбционной башни 13, поддерживают при температуре около 50°С благодаря тепловому эффекту реакции и направляют к регенерационной башне 15. Температура крепкого раствора 14, подведенного в регенерационную башню 15, повышается приблизительно на 10°С за счет его нагрева водяным паром S.
На фиг.2 представлена схема установки 10В для выделения СО2 в соответствии со вторым примером осуществления настоящего изобретения. Элементы установки, которые совпадают с элементами рассмотренной установки 10А для извлечения СО2, обозначены на этой схеме такими же ссылочными номерами позиций, что и на фиг.1, и поэтому пояснение этих позиций здесь не приводится.
Установка 10В для извлечения СО2, в дополнение к схеме установки 10А для извлечения СО2, содержит пароконденсатный теплообменник 21. Указанный пароконденсатный теплообменник 21 дополнительно нагревает крепкий раствор 14, нагретый в теплообменнике 23 для слабого раствора, конденсатом 19 пара, поступающего из регенеративного нагревателя 18.
Пароконденсатный теплообменник 21 нагревает крепкий раствор 14 остаточной теплотой конденсата 19 водяного пара, и нагретый крепкий раствор 14 поступает в регенерационную башню 15. Таким образом, поскольку остаточная теплота конденсата 19 пара, однажды использованная в регенеративном нагревателе 18, используется повторно, потребление энергии в системе регенерации может быть дополнительно уменьшено по сравнению с потреблением энергии в первом примере осуществления.
Если теплообменник 23 для слабого раствора выполнен многоступенчатым, то соответствующий пароконденсатный теплообменник 21 предпочтительно также выполнить многоступенчатым.
На фиг.3 представлена схема установки 10С для выделения СО2 согласно третьему примеру осуществления настоящего изобретения. Элементы этой установки, которые присущи каждой из установок 10А и 10В для выделения СО2, обозначены на фиг.3 такими же ссылочными номерами позиций, что и на фиг.1 и фиг.2, и поэтому их пояснение не приводится.
Установка 10С для выделения СО2, по сравнению со схемой установки 10В для извлечения СО2, дополнительно содержит устройство 33 охлаждения, которое обеспечивает охлаждение крепкого раствора 14 в трубопроводе 20 подачи крепкого раствора. Трубопровод 20 подачи крепкого раствора направляет крепкий раствор 14 от абсорбционной башни 13 в регенерационную башню 15. Вследствие охлаждения температура крепкого раствора 14 снижается, и за счет этого интенсивность теплообмена в нагревательном элементе 30 регенерационной башни 15 уменьшается. В результате может быть достигнуто уменьшение количества подводимого пара, используемого в регенерационной башне 15.
На фиг.4 представлена схема установки 10D для выделения СО2 согласно четвертому примеру осуществления настоящего изобретения. Элементы установки, которые присущи каждой из установок 10А, 10В и 10С для извлечения СО2, обозначены на этой фигуре такими же ссылочными номерами позиций, что и на фиг.1 - фиг.3, и их пояснение не приводится.
Установка 10D для выделения СО2, кроме того, содержит первую линию 32а отвода и вторую линию 32b отвода, которые ответвляются от отводящей трубопроводной линии 32. Теплообменник 23 для слабого раствора установлен на первой линии 32а отвода, которая отводит крепкий раствор 14, нагреваемый водяным паром S в нагревательном элементе 30, и, кроме того, нагревает крепкий раствор 14. Нагретый крепкий раствор 14 возвращают в регенерационную башню 15. Вторая линия отвода 32b обеспечивает ввод крепкого раствора 14, который нагревается конденсатом 19 водяного пара в пароконденсатном теплообменнике 21, в регенерационную башню 15. Крепкий раствор 14 может быть разделен с распределением по первой линии 32а отвода и второй линии 32b отвода в каком-либо соотношении. Однако предпочтительно, чтобы это соотношение составляло приблизительно 9:1.
За счет использования такой конструктивной схемы установки может быть достигнут эффективный нагрев и уменьшение подводимого количества водяного пара, используемого в регенерационной башне 15.
На фиг.5 представлена схема установки 10Е для выделения СО2 согласно пятому примеру осуществления настоящего изобретения. Элементы установки, которые присущи каждой из установок 10А-10D для выделения СО2, обозначены на этой фигуре такими же номерами позиций, что и на фиг.1 - фиг.4, и их пояснение не приводится.
В установке 10Е для выделения СО2, кроме того, в нагревательном элементе 30 регенерационной башни 15 размещен теплообменник 34 для использования теплоты водяного пара S. Как результат, может быть осуществлен эффективный нагрев и может быть достигнуто уменьшение количества подводимого пара, используемого в регенерационной башне 15.
В качестве теплообменника может быть использовано устройство, которое передает теплоту от одного вещества другому веществу. Теплообменник может быть пластинчатым и кожухотрубным, которые известны в уровне техники.
Конкретный пример выполнения установки для выделения СО2 поясняется подробно ниже со ссылкой на фиг.6. Элементы установки, которые присущи каждой из установок 10А-10Е для выделения СО2, обозначены на этой фигуре такими же ссылочными номерами позиций, что и на фиг.1 - фиг.5.
В регенерационной башне 15 размещено два слоя насадки, которые образуют слой насадки 26-1 верхней ступени и слой насадки 26-2 нижней ступени. Линия 32 отвода, которая обеспечивает отвод крепкого раствора 14, включает в себя линию 32-1 отвода верхней ступени и линию 32-2 отвода нижней ступени. Пароконденсатный теплообменник 21-1 верхней ступени, предназначенный для использования на второй линии 32b отвода, расположен на линии 32-1 отвода верхней ступени, в то время как пароконденсатный теплообменник 21-2 нижней ступени для второй линии 32b отвода расположен в линии 32-2 отвода нижней ступени.
Газ 11, содержащий СО2, подводимый к абсорбционной башне 13, вступает в контакт при противоточном течении с раствором 12, абсорбирующим СО2, в слое 25 насадки, при этом раствор 12, абсорбирующий СО2, имеет предварительно заданную концентрацию и поступает из форсунки 8. Газ СО2, содержащийся в отходящем газе, полученном при сжигании топлива, абсорбируется и отводится с помощью раствора 12, абсорбирующего СО2, а оставшийся отходящий газ 10, из которого абсорбирован и отведен СО2, направляют наружу. Раствор 12, абсорбирующий СО2, направляемый в абсорбционную башню 13, поглощает СО2, а теплота, выделяемая в процессе абсорбции, вызывает рост температуры раствора 12, абсорбирующего СО2, в верхней части башни выше нормальной температуры. Абсорбирующий СО2 раствор 12 вместе с абсорбированным раствором СО2 направляют с помощью насоса 51, предназначенного для откачивания абсорбирующего раствора, в виде крепкого раствора 14 через подающий трубопровод 20 для крепкого раствора с целью ввода в регенерационную башню 15, при этом крепкий раствор 14 охлаждается в охлаждающем устройстве 33.
В регенерационной башне 15 раствор, абсорбирующий СО2, регенерируют путем его нагрева водяным паром 17 высокой температуры в регенерационном нагревателе 18, охлаждают после получения слабого раствора 16 в теплообменнике 23 для слабого раствора и используемом при необходимости охлаждающем устройстве 35, после чего возвращают в абсорбционную башню 13.
В верхней части регенерационной башни 15 крепкий раствор 14, вводимый через форсунку 8, в нагревательном элементе 30 поглощает теплоту водяного пара S. Посредством линии 32-1 отвода верхней ступени крепкий раствор 14 отводят из регенерационной башни и нагревают в теплообменнике 23-1 для слабого раствора, установленном в первой линии 32а отвода. Кроме того, крепкий раствор 14 нагревают в пароконденсатном теплообменнике 21-1 верхней ступени, установленном во второй линии 32b отвода.
Крепкий раствор 14, нагретый в линии 32-1 отвода верхней ступени, направляют в слой насадки 26-1 верхней ступени. После этого крепкий раствор 14 отводят и нагревают в линии 32-2 отвода нижней ступени и направляют в слой 26-2 насадки нижней ступени.
Если считать, что крепкий раствор 14, поступающий из абсорбционной башни 13, охлаждается в охлаждающей устройстве 33 так, что температура крепкого раствора 14, вводимого из верхней части башни 15 регенерации, становится приблизительно равной 38°C, то температура крепкого раствора 14, вводимого в слой 26-1 насадки верхней ступени, увеличивается приблизительно до 107°С, а температура крепкого раствора 14, вводимого в слой 26-2 насадки нижней ступени, возрастает примерно до 120°С.
Соответственно, в том случае, когда, например, СО2 извлечен из отходящего газа в количестве 555 Нм3/час, количество водяного высокотемпературного пара 17, необходимое для подачи в регенеративный нагреватель 18, становится равным 85 кг/час. Указанный результат отражен в нижеприведенной Таблице.
| Пример согласно изобретению | Пример согласно известному решению | |
| Количество отходящего газа (Нм3/час) | 555 | 555 |
| Концентрация СО2; в отходящем газе (об.%) | 10,3 | 10,3 |
| Степень выделения СО2 (%) | 90 | 90 |
| Количество выделенного СО2 (Нм3/час) | 46,3 | 46,3 |
| Количество циркулирующего абсорбирующего раствора (кг/час) | 1000 | 1000 |
| Температура абсорбирующего раствора, вводимого в башню регенерации (°С) | 38 | 110 |
| Температура абсорбирующего раствора, выходящего из башни регенерации (°С) | 120 | 120 |
| Температура СО2, выходящего из регенерационной башни (°С) | 38 | 92 |
| Температура в нижней части регенерационной башни (°С) | 120 | 120 |
| Количество водяного пара, подводимого в регенерационный нагреватель (кг/час) | 85 | 138 |
| Количество теплоты, подводимой в регенерационный нагреватель (ккал/час) | 45350 | 71800 |
| Производительность по теплообмену теплообменника (23-1) (ккал/час) | 50000 | |
| Производительность по теплообмену теплообменника (23-2) (ккал/час) | 16000 | |
| Производительность по теплообмену теплообменника (21-1) (ккал/час) | 4930 | |
| Производительность по теплообмену теплообменника (21-2) (ккал/час) | 2125 |
Как видно из таблицы, в примере согласно известному способу, когда теплота водяного пара повторно не используется, расходное количество водяного пара, используемого в регенеративном нагревателе, составляло 138 кг/час. В то же время, количество водяного пара, используемого в регенеративном нагревателе в соответствии с рассмотренным выше конкретным примером осуществления изобретения, составляет 85 кг/час, т.е. имеет место улучшение характеристики установки (снижение расхода пара) примерно на 39%.
Хотя данное изобретение, с целью полного и ясного его раскрытия, описано по отношению к конкретному воплощению, приложенные пункты формулы не следует в связи с этим воспринимать, как ограничивающие изобретение, а следует толковать, как воплощающие все модификации и альтернативные конструкции, которые может себе представить специалист в данной области техники и которые явно относятся к изложенной здесь основной идее изобретения.
1. Установка для выделения CO2, включающая абсорбционную башню, в которую поступают газ, содержащий CO2, и раствор, абсорбирующий СО2 и газ, и обеспечивает контактирование газа, содержащего СО2, с раствором, абсорбирующим СО2, с получением крепкого раствора CO2, и регенерационную башню, в которую поступает крепкий раствор и в которой из него получают слабый раствор за счет удаления CO2 из крепкого раствора, при этом установка для выделения СО2 содержит
нагревательный элемент, размещенный в регенерационной башне, обеспечивающий в процессе регенерации крепкого раствора в регенерационной башне нагревание крепкого раствора в регенерационной башне генерированным водяным паром,
вторую линию транспортирования слабого раствора, которая транспортирует слабый раствор из регенерационной башни к абсорбционной башне,
первую линию транспортирования крепкого раствора, которая отводит крепкий раствор от регенерационной башни из ее третьей точки и возвращает крепкий раствор в регенерационную башню в ее четвертую точку, расположенную ниже по потоку от третьей точки, и
теплообменник для слабого раствора, размещенный на второй линии транспортирования слабого раствора и первой линии транспортирования крепкого раствора, предназначенный для охлаждения слабого раствора на второй линии транспортирования слабого раствора, осуществляемого крепким раствором, отводимым по первой линии транспортирования крепкого раствора.
2. Установка для выделения СО2 по п.1, которая дополнительно содержит первую линию транспортирования слабого раствора, которая отводит слабый раствор от регенерационной башни из ее первой точки и возвращает отведенный слабый раствор в регенерационную башню в ее вторую точку, находящуюся выше по потоку от первой точки, и
регенерационный нагреватель, размещенный на первой линии транспортирования слабого раствора, обеспечивающий нагревание слабого раствора в первой линии транспортирования слабого раствора насыщенным водяным паром с получением конденсата пара.
3. Установка для выделения СО2 по п.1, которая дополнительно содержит
пароконденсатный теплообменник, размещенный на первой линии транспортирования крепкого раствора, предназначенный для нагревания крепкого раствора, протекающего по первой линии транспортирования крепкого раствора, конденсатом водяного пара.
4. Установка для выделения СО2 по п.2, которая дополнительно содержит вторую линию транспортирования крепкого раствора и которая подает крепкий раствор от абсорбционной башни к регенерационной башне, и
устройство охлаждения, размещенное на второй линии транспортирования крепкого раствора, предназначенное для охлаждения крепкого раствора.
5. Установка для выделения СО2 по п.1, которая дополнительно содержит вторую линию транспортирования крепкого раствора, которая подает крепкий раствор от абсорбционной башни к регенерационной башне, и
устройство охлаждения, размещенное на второй линии транспортирования крепкого раствора, предназначенное для охлаждения крепкого раствора.
6. Способ выделения СО2, который заключается в том, что газ, содержащий СО2, контактирует с раствором, абсорбирующим СО2, в абсорбционной башне для получения крепкого раствора СО2, транспортируют крепкий раствор в регенерационную башню и получают из крепкого раствора слабый раствор посредством удаления из крепкого раствора СО2 в регенерационной башне,
при этом указанный способ извлечения СО2 включает нагревание крепкого раствора в регенерационной башне, осуществляемое в процессе регенерации крепкого раствора в регенерационной башне генерированным водяным паром,
нагрев крепкого раствора слабым раствором, полученным в регенерационной башне, отвод слабого раствора из регенерационной башни, нагревание отведенного слабого раствора водяным паром и возвращение нагретого слабого раствора в регенерационную башню, в результате чего из пара благодаря отводу теплоты парообразования получают конденсат водяного пара, и
отвод крепкого раствора из регенерационной башни, нагревание отведенного крепкого раствора конденсатом пара и возвращение нагретого крепкого раствора в регенерационную башню.
7. Способ по п.6, в котором охлаждают крепкий раствор перед его вводом в регенерационную башню.