СИСТЕМА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ CO И СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ CO Российский патент 2009 года по МПК B01D53/14 B01D53/62 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение имеет отношение к системе для извлечения CO₂ и способу для достижения энергосбережения.

Уровень техники

В последние годы парниковый эффект из-за CO₂ является одной из причин глобального потепления и необходимы срочные контрмеры на международном уровне против этого для всемирной защиты окружающей среды. Источники CO₂ относятся к числу различных областей человеческой деятельности, включая сжигание ископаемых топлив, и требования к пресечению выбросов CO₂ из этих источников постоянно возрастают. В связи с этим, люди энергично изучают способы пресечения выбросов CO₂ из установок для производства энергии, таких как электростанции, которые применяют огромное количество ископаемых топлив. Один из способов включает приведение горючего отработанного газа бойлеров в контакт с CO₂-абсорбирующим раствором на основе амина. Этот способ позволяет удалять и извлекать CO₂ из горючего отработанного газа. Другой способ включает сохранение извлеченного CO₂, то есть без возвращения извлеченного CO₂ в атмосферу.

Известны различные способы удаления и извлечения CO₂ из горючего отработанного газа с применением CO₂-абсорбирующего раствора. Японская патентная заявка №Н7-51537 раскрывает способ контактирования горючего отработанного газа с CO₂-абсорбирующим раствором в абсорбционной колонне, нагревания абсорбирующего раствора, содержащего абсорбированный CO₂, в регенерирующей колонне и высвобождение CO₂, регенерацию абсорбирующего раствора и циркулирование регенерированного абсорбирующего раствора в абсорбционную колонну для повторного использования.

В описанном выше традиционном способе, тем не менее, стадии удаления и извлечения CO₂ из CO₂-содержащего газа обеспечивают дополнительно в устройствах для сжигания и, следовательно, стоимость операций должна быть понижена насколько возможно. Особенно среди процессов процесс регенерации потребляет большое количество тепловой энергии, и, следовательно, необходимо обеспечивать энергосбережение в процессе регенерации насколько возможно.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является, по меньшей мере, частичное решение проблем, существующих в общепринятых технологиях.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечивается система для извлечения CO₂, включающая абсорбционную колонну, в которую подают CO₂-содержащий газ и CO₂-абсорбирующий раствор, и которая обеспечивает контактирование CO₂-содержащего газа с CO₂-абсорбирующим раствором с образованием насыщенного раствора CO₂, и регенерационную колонну, в которую подают насыщенный раствор и в которой образуется обедненный раствор за счет удаления CO₂ из насыщенного раствора. Система для извлечения СО₂ включает компрессор, который сжимает CO₂, который удаляют из насыщенного раствора и выводят из верхней части регенерационной колонны, и в то время как компрессор сжимает СО₂ вырабатывается тепло; и устройство, подводящее тепло к регенерационной колонне для нагревания обедненного раствора.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивается система для извлечения CO₂, включающая абсорбционную колонну, в которую подают CO₂-содержащий газ и CO₂-абсорбирующий раствор и которая обеспечивает контактирование CO₂-содержащего газа с CO₂-абсорбирующим раствором с образованием насыщенного раствора СО₂, и регенерационную колонну, которая содержит насыщенный раствор и образует обедненный раствор удалением CO₂ из насыщенного раствора, где перед образованием обедненного раствора из насыщенного раствора образуется полуобедненный раствор как промежуточный продукт. Система для извлечения CO₂ включает компрессор, который сжимает CO₂, который удаляется из насыщенного раствора и который выводят из верхней части регенерационной колонны, где вырабатывается тепло, в то время как компрессор сжимает CO₂; и устройство, подводящее тепло к регенерационной колонне для нагревания полуобедненного раствора.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен способ извлечения CO₂, включающий контакт CO₂-содержащего газа с CO₂-абсорбирующим раствором с образованием насыщенного раствора СО₂ в абсорбционной колонне, подачу насыщенного раствора в регенерационную колонну, образование обедненного раствора удалением CO₂ из насыщенного раствора в регенерационной колонне. Способ извлечения СО₂ включает сжатие CO₂, удаляемого из насыщенного раствора, и который выводят из верхней части регенерационной колонны, где вырабатывается тепло от сжатия; и подведение тепла к регенерационной колонне для нагревания любого обедненного раствора и полуобедненного раствора, где полуобедненный раствор является промежуточным продуктом, образованным из насыщенного раствора перед образованием обедненного раствора.

Описанные выше и другие объекты, признаки, преимущества и техническое и промышленное значение изобретения будут понятны лучше в результате следующего детального описания предпочтительных воплощений изобретения, которое будет представлено в связи с сопроводительными чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематический чертеж системы для извлечения CO₂ согласно первому воплощению настоящего изобретения;

фиг.2 - схематический чертеж системы для извлечения CO₂ согласно второму воплощению настоящего изобретения;

фиг.3 - схематический чертеж примера системы для извлечения CO₂, показанной на фиг.1; и

фиг.4 - схематический чертеж примера системы для извлечения CO₂, показанной на фиг.2.

Осуществление изобретения

Экспериментальные воплощения настоящего изобретения детально объяснены ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Фиг.1 является схематическим чертежом системы 10А для извлечения CO₂ в соответствии с первым воплощением настоящего изобретения.

Как показано на фиг.1, система 10А для извлечения CO₂ включает абсорбционную колонну 13, где CO₂-абсорбирующий раствор 12 контактирует с CO₂-содержащим газом 11, таким образом абсорбируя CO₂ из CO₂-содержащего газа 11, и регенерационную колонну 15, где регенерационный нагреватель 18 подает высокотемпературный пар 17 к насыщенному раствору 14, который является CO₂-абсорбирующим раствором 12 после абсорбирования CO₂, таким образом создавая обедненный раствор (регенерированный раствор) 16. Обедненный раствор 16, получающийся в результате удаления CO₂ из насыщенного раствора 14 в регенерационной колонне 15, повторно используется в абсорбционной колонне 13. Часть 16а обедненного раствора 16 извлекают через раздвоенный канал 35 (35-1, 35-2) и подвергают теплообмену с теплотой, полученной от сжатия, которая образуется, когда газ CO₂ 41, который выделяется из верхней части регенерационной колонны 15, сжимается компрессором. Нагретый обедненный раствор 37 подают снова на регенерационную колонну 15 через линию рециркуляции 36.

Система 10А для извлечения CO₂ включает CO₂ абсорбирующую систему 100, которая абсорбирует CO₂ в абсорбционной колонне 13, и систему 101, регенерирующую CO₂-извлекающий/ CO₂-абсорбирующий раствор, которая извлекает CO₂ и регенерирует CO₂-абсорбирующий раствор в регенерационной колонне 15, и систему, сжимающую CO₂ 102, которая сжимает извлеченный CO₂, так что CO₂ может быть слит на землю или в месторождение нефти.

В CO₂ абсорбцирующей системе 100, прежде всего, CO₂-содержащий газ 11 в абсорбционной колонне 13 приводят в противоточный контакт с CO₂-абсорбирующим раствором 12, таким как раствор на основе алканоламина. CO₂ в CO₂-содержащем газе 11 абсорбируют CO₂-абсорбирующим раствором 12 в результате химической реакции (R-NH₂+H₂O+ CO₂→RNH₃HCO₃). После этого оставшийся CO₂-содержащий отработавший газ, из которого был удален CO₂, поднимается вверх в промывной участок (не показано) и выходит из верхней части абсорбционной колонны 13.

В системе 101, регенерирующей CO₂-извлекающий/ CO₂-абсорбирующий раствор, регенерационная колонная 15 снабжается насыщенным раствором 14, который подают в верхнюю часть регенерационной колонны 15. После этого из насыщенного раствора 14, поданного в регенерационную колонну 15 через верхнюю часть, высвобождается большая часть CO₂ во время абсорбции при нагревании. CO₂-абсорбирующий раствор после высвобождения части или большей части CO₂ в регенерационной колонне 15 называют полуобедненным раствором (не показан). Ко времени, когда полуобедненный раствор достигнет нижней части регенерационной колонны 15, он превращается в обедненный раствор 16, который почти не содержит CO₂. Обедненный раствор 16 нагревают с помощью высокотемпературного пара 17, поступающего из регенерационного нагревателя 18.

В системе 102 сжатия CO₂ газ CO₂ 41 выделяется из верхней части регенерационной колонны 15 вместе с водяным паром через газорасходную линию. Конденсатор 42 конденсирует водяной пар, выделяемый вместе с газом CO₂ 41. После отделения воды от газа CO₂ 41 в сепараторе 43 газ CO₂ 41 сжимают в первом компрессоре 44-1 и втором компрессоре 44-2 и собирают как сжатый CO₂ 52. Вода W, отделяемая в сепараторе 43, собирается в верхней части регенерационной колонны 15.

Кроме того, абсорбционная колонна 13 включает заполненный слой 25; регенерационная колонна 15 включает впускное отверстие 8 для подачи насыщенного раствора в регенерационную колонну 15, трубку 9, заполненные слои 26-1 и 26-2.

Газ CO₂ 41, который выделяется вместе с водяным паром, сжимают первым компрессором 44-1 и вторым компрессором 44-2. Первый теплообменник 45-1 и второй теплообменник 45-2 расположены ниже по потоку первого компрессора 44-1 и второго компрессора 44-2 соответственно. Часть 16а обедненного раствора 16 подается через раздвоенный канал 35 (35-1, 35-2) к каждому из теплообменников так, чтобы повысить температуру. Количество компрессоров может быть определено в соответствии с долей сжатия.

Нагретый обедненный раствор 37, который нагревают первым теплообменником 45-1 и вторым теплообменником 45-2, подают в регенерационную колонну 15. В результате, тепло перемещается в регенерационную колонну 15, что делает возможным понижение потребления энергии в регенерационной системе.

Часть 52 сжатого CO₂ охлаждают частью 16а обедненного раствора 16. После этого количество охлаждающей воды или охлаждающей энергии, используемой в первом охладителе 46-1 и втором охладителе 46-2, расположенном ниже по потоку, может быть сокращено.

Теплообменник не ограничивается таким, какой описан в первом воплощении. Другими словами, могут применяться известные теплообменники, такие как пластинчатый теплообменник и кожухотрубный теплообменник.

CO₂-абсорбирующий раствор, применяемый в настоящем изобретении, не ограничен. Например, может применяться стерически затрудненная аминогруппа, имеющая алканоламин и спиртовую гидроксильную группу. Примеры алканоламина включают моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин, метилдиэтаноламин, диизопропаноламин и дигликоламин; однако, как правило, предпочтительно применяют моноэтаноламин (МЕА). Примеры стерически затрудненного амина, имеющего спиртовую гидроксильную группу, включают 2-амино-2-метил-1-пропанол (AMP), 2-(этиламино)-этанол (ЕАЕ) и 2-(метиламино)-этанол (МАЕ).

Фиг.2 является схематическим чертежом системы 10 В для извлечения CO₂ в соответствии со вторым воплощением настоящего изобретения. Компоненты аналогичны тем, что использованы в системе для извлечения CO₂ в соответствии с первым воплощением, с теми же ссылочными номерами, и объяснение этого опущено.

Как показано на фиг.2, системе 10В для извлечения CO₂ через экстракционный контур 39 (39-1, 39-2) извлекается полуобедненный раствор 38, полученный удалением части CO₂ из насыщенного раствора 14 в промежуточной части регенерационной колонны 15, и подается полуобедненный раствор 38 на первый теплообменник 45-1 и второй теплообменник 45-2. После теплообмена полуобедненный раствор 38 становится нагретым полуобедненным раствором 40, и нагретый полуобедненный раствор 40 подается на регенерационную колонну 15. В результате, поскольку тепло переходит в регенерационную колонну 15, потребление энергии в регенерационной системе снижается.

Когда полуобедненный раствор холоднее, чем обедненный раствор, его нагревают и вводят в регенерационную колонну 15, и тепло переходит в регенерационную колонну 15 через нагретый полуобедненный раствор. Таким образом, потребление энергии в регенерационной системе снижается дополнительно по сравнению с регенерационной системой в первом воплощении.

Ниже приведены примеры воплощения. Однако настоящее изобретение не ограничивается примерами.

Фиг.3 является схематическим чертежом примера системы 10А для извлечения CO₂.

В примере CO₂, извлеченный из регенерационной колонны 15, сжимают четырьмя компрессорами (первый компрессор 44-1 - четвертый компрессор 44-4). Четыре теплообменника (первый теплообменник 45-1 - четвертый теплообменник 45-4) и четыре охладителя (первый охладитель 46-1 - четвертый охладитель 46-4) расположены ниже по потоку четырех компрессоров соответственно. Часть 16а обедненного раствора 16 подают через раздвоенный канал 35 (35-1, 35-2, 35-3, и 35-4) к каждому из теплообменников 45 (45-1,45-2,45-3 и 45-4).

Номера потоков (1)-(14) - это точки, где измеряют температуру, давление и скорость потока каждого потока. Результаты измерения приведены в таблице 1.

Таблица 1 Номер потока 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Температура (°С) 35 144 130 35 166 130 35 172 130 35 159 130 35 120 Давление (бар) 0,5 7,8 7,6 7,4 16,0 15,8 15,2 59 58,6 58,2 201 200,5 200,0 3,0 Скорость потока (Т/Н) 137 137 137 137 135 135 135 135 135 135 135 135 135 500

Количество тепла (E1-Е4), извлеченное из абсорбирующего раствора в каждом теплообменнике 45-1-45-4, составляет Е1=0,5×10⁶ ккал/ч, Е2=1,3×10⁶ ккал/ч, Е3=1,7×10⁶ ккал/ч, Е4=2,1×10⁶ ккал/ч, общее количество тепла 5,6×10⁶ ккал/ч.

В случае, когда тепло не извлекается, количество тепла в регенерационном нагревателе 18 составляло 101,3×10⁶ ккал/ч, в случае, когда тепло извлекается, количество тепла в регенерационном нагревателе 18 составляло 95,7×10⁶ ккал/ч. Снижение потребления тепла 5,5%.

Фиг.4 является схематическим чертежом примера системы 10В для извлечения CO₂.

В примере CO₂, извлеченный из регенерационной колонны 15, сжимают четырьмя компрессорами (первый компрессор 44-1 - четвертый компрессор 44-4). Четыре теплообменника (первый теплообменник 45-1 - четвертый теплообменник 45-4) и четыре охладителя (первый охладитель 46-1 - четвертый охладитель 46-4) расположены ниже по потоку четырех компрессоров соответственно. Полуобедненный раствор 38 подают через раздвоенный канал 35 (35-1, 35-2, 35-3 и 35-4) к каждому из теплообменников 45 (45-1, 45-2,45-3 и 45-4).

Номера потоков (15)-(28) - это точки, где измеряют температуру, давление и скорость каждого потока. Результаты измерения приведены в таблице 2.

Таблица 2 Номер потока 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Температура (°С) 35 144 110 35 166 100 35 172 110 35 159 110 35 100 Давление (бар) 0,5 7,8 7,6 7,4 15,0 15,8 15,2 59 58,6 58,2 201 200,5 200,0 3,0 Скорость потока (Т/Н) 137 137 137 137 135 135 135 135 135 135 135 135 135 900

Количество тепла (Е5-Е8), извлеченного из абсорбирующего раствора в каждом теплообменнике 45-1-45-4 составляет Е5=1,3×10⁶ ккал/ч, Е6=2,1×10⁶ ккал/ч, Е7=2,4×10⁶ ккал/ч, Е8=3,5×10⁶ ккал/ч, общее количество тепла 9,3×10⁶ ккал/ч.

В случае, когда тепло не извлекается, количество тепла в регенерационной колонне 18 составило 101,3×10⁶ ккал/ч, в случае, когда тепло извлекается, количество тепла в регенерационной колонне 18 составило 92,0×10⁶ ккал/ч. Снижение потребления тепла составило 9,2%.

Таким образом, понижение нормы потребления энергии (около 9%) в регенерационной системе может быть достигнуто передачей тепла в регенерационную колонну 15 через введение нагретого полуобедненного раствора, который холоднее, чем обедненный раствор, что лучше, чем нагревание обедненного раствора в первом воплощении.

В соответствии с воплощением настоящего изобретения, возможно обеспечить систему для извлечения CO₂ и способ извлечения CO₂, способные достичь сохранения энергии, применяя тепло, генерируемое во время сжимания CO₂, который выделяется из регенерационной колонны.

Несмотря на то, что изобретение описано по отношению к специфическим воплощениям для полного и ясного раскрытия, приложенную формулу изобретения следует толковать как включающую в себя все модификации и альтернативные варианты, которые могут быть известны специалисту в данной области.

Система для извлечения CO₂ включает абсорбционную колонну 13 и регенерационную колонну 15. СО₂-насыщенный раствор 14 образуется в абсорбционной колонне 13 путем контактирования СO₂-содержащего газа 11 и СO₂-абсорбирующего раствора 12. СO₂-насыщенный раствор 14 подается в регенерационную колонну 15, где образуется обедненный раствор 16 за счет удаления CO₂ из насыщенного раствора 14. CO₂, удаленный из насыщенного раствора и выведенный из верхней части регенерационной колонны 15, сжимается компрессорами 44-1 и 44-2. Часть обедненного раствора 16а извлекают и подвергают в устройствах 45-1 и 45-2 теплообмену с теплотой, полученной от сжатия в компрессорах 44-1 и 44-2. Нагретый обедненный раствор подается в регенерационную колонну 15. Технический результат - снижение потребления энергии в регенерационной системе. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.

1. Система для извлечения CO₂, включающая абсорбционную колонну, в которую подают CO₂-содержащий газ и CO₂-абсорбирующий раствор, и которая обеспечивает контактирование CO₂-содержащего газа с CO₂-абсорбирующим раствором с образованием насыщенного раствора СО₂, и регенерационную колонну, в которую подают насыщенный раствор и в которой образуется обедненный раствор за счет удаления CO₂ из насыщенного раствора, причем система содержит:
компрессор, сжимающий CO₂, удаленный из насыщенного раствора и выведенный из верхней части регенерационной колонны, который вырабатывает тепло во время сжатия CO₂;
устройство, подводящее указанное тепло к регенерационной колонне для нагревания обедненного раствора.

2. Система для извлечения СO₂ по п.1, где устройство, подводящее указанное тепло, включает:
линию циркуляции, через которую часть обедненного раствора извлекают из регенерационной колонны и возвращают в регенерационную колонну; и
теплообменник, который расположен на линии циркуляции и передает тепло части обедненного раствора.

3. Система для извлечения CO₂, включающая абсорбционную колонну, в которую подают CO₂-содержащий газ и CO₂-абсорбирующий раствор, и которая обеспечивает контактирование CO₂-содержащего газа с CO₂-абсорбирующим раствором с образованием насыщенного раствора СО₂, и регенерационную колонну, в которую подают насыщенный раствор и в которой образуется обедненный раствор за счет удаления CO₂ из насыщенного раствора, где перед образованием обедненного раствора из насыщенного раствора образуется полуобедненный раствор, причем система содержит:
компрессор, сжимающий CO₂, удаленный из насыщенного раствора и выведенный из верхней части регенерационной колонны, который вырабатывает тепло во время сжатия CO₂;
устройство, подводящее указанное тепло к регенерационной колонне для нагревания полуобедненного раствора.

4. Система для извлечения CO₂ по п.3, где устройство, подводящее указанное тепло, включает:
линию циркуляции, через которую часть полуобедненного раствора извлекают из регенерационной колонны и возвращают в регенерационную колонну; и
теплообменник, который расположен на линии циркуляции и передает тепло к части полуобедненного раствора.

5. Способ извлечения CO₂, включающий контактирование CO₂-содержащего газа с CO₂-абсорбирующим раствором с образованием насыщенного раствора CO₂ в абсорбционной колонне, подачу насыщенного раствора в регенерационную колонну, образование обедненного раствора удалением CO₂ из насыщенного раствора в регенерационной колонне, причем способ включает:
сжатие CO₂, удаленного из насыщенного раствора и выведенного из верхней части регенерационной колонны, в результате чего вырабатывается тепло; и
подведение указанного тепла к регенерационной колонне для нагревания любого обедненного раствора или полуобедненного раствора, который является промежуточным продуктом, образованным из насыщенного раствора перед образованием обедненного раствора.

6. Способ по п.5, где подведение указанного тепла включает:
извлечение части любого обедненного раствора и полуобедненного раствора из регенерационной колонны;
передачу тепла к этой части;
возвращение нагретой части в регенерационную колонну.