Патент на изобретение №2346730

(54) УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ CO₂

(57) Реферат:

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.

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.

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.

Формула 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.

РИСУНКИ