РЕГЕНЕРАЦИЯ ПОГЛОТИТЕЛЯ ОБЕДНЕННЫМ РАСТВОРОМ, ПОДВЕРГНУТЫМ МГНОВЕННОМУ ИСПАРЕНИЮ, И ИНТЕГРАЦИЯ ТЕПЛА Российский патент 2012 года по МПК B01D53/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области улавливания CO₂ из газовой смеси. Более конкретно, настоящее изобретение относится к улавливанию CO₂ из газа, содержащего CO₂, например из газа сгорания, полученного при сгорании углеродсодержащих материалов или при осуществлении других способов с высвобождением CO₂. Еще более конкретно, настоящее изобретение относится к усовершенствованному способу и установке для регенерации поглотителя CO₂, применяемым в способе и установке для улавливания CO₂.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Постоянно увеличивающийся в течение последних столетий объем сжигания ископаемых топлив, например угля, природного газа и нефти, привел к увеличению концентрации CO₂ в атмосфере. Повышение концентрации CO₂ вызывает беспокойство из-за возникновения парникового эффекта, вызываемого CO₂. Полагают, что парниковый эффект уже вызвал по меньшей мере некоторые изменения климата, наблюдаемые в течение нескольких последних десятилетий и, в соответствии с прогнозами, может вызвать еще более серьезные изменения климата планеты Земля.

Это заставляет ученых, специалистов по защите окружающей среды и политических деятелей всего мира решать проблему стабилизации или даже снижения выбросов в атмосферу CO₂, получаемого при сгорании ископаемого топлива. Это может быть достигнуто за счет улавливания и безопасного захоронения CO₂, получаемого из выхлопных газов, выделяемых теплоэлектростанциями и другими установками, в которых сжигают ископаемое топливо.

Уловленный CO₂ может быть введен в подземные формации, например водоносные пласты и нефтяные скважины для повышения добычи нефти, или в выработанные нефтяные и газоносные скважины для захоронения. Испытания показывают, что CO₂ остается в подземных формациях в течение тысяч лет и не выбрасывается в атмосферу.

Улавливание CO₂ из газа при помощи абсорбции хорошо известно, и его используют в течение десятилетий, например с целью извлечения CO₂ (и других кислых газов) из природного газа, добываемого из газовых месторождений. Поглотители, применяемые или предлагаемые в соответствии с существующим уровнем техники, включают различные водные щелочные растворы, например карбонат калия, см., например, US 5528811, и различные амины, см., например, US 4112051, US 4397660 и US 5061465. Отделение CO₂ от отходящих газов теплоэлектростанций посредством раствора амина описано, например, в US 4942734.

Общей особенностью этих способов улавливания CO₂ является то, что разделяемую газовую смесь направляют противотоком к водному раствору поглотителя в абсорбционной колонне. Газ, выходящий из абсорбционной колонны, обеднен CO₂ (или обеднен кислым газом), в то время как CO₂ (или другой кислый газ) выходит из абсорбционной колонны вместе с поглотителем. Поглотитель регенерируют в регенерационной колонне и возвращают в абсорбционную колонну. Амин регенерируют путем десорбции раствора амина водяным паром в регенерационной колонне. Водяной пар получают в кипятильнике, находящемся в основании колонны.

Как указано выше, CO₂ как таковой хорошо известен в уровне техники. Тем не менее, существует потребность внесения ряда усовершенствований в способ улавливания CO₂ с целью повышения экономической рентабельности теплоэлектростанций с низким содержанием CO₂ или отсутствием CO₂ в выбросах.

Установки, применяемые для улавливания CO₂, имеют относительно крупногабаритные, сложные и дорогостоящие конструкции. Таким образом, желательно снизить размеры, сложность и стоимость таких установок.

Улавливание СО₂ производят за счет производительности теплоэлектростанции, использующей ископаемое топливо; таким образом, понижается выход электрической энергии и/или среднетемпературной теплоты, вырабатываемой теплоэлектростанцией. Понижение производительности по сравнению с обычной теплоэлектростанцией делает такую теплоэлектростанцию менее рентабельной. Таким образом, следует повысить производительность, т.е. понизить стоимость энергии, затрачиваемой на улавливание CO₂.

Поглотители, предпочитаемые в настоящее время, включают водные растворы различных аминов. Обычно используемые амины включают алканоламины, например диэтаноламин, монометилэтаноламин, аминоэтилэтаноламин, 2-(метиламино)этанол, МДЭА (метилдиэтанолламин), а также другие амины, известные специалисту в данной области техники. Поглощение CO₂ аминными поглотителями представляет собой обратимую экзотермическую реакцию. Соответственно, для десорбции и высвобождения CO₂ в регенерационную колонну нужно подводить тепло.

Подвод тепла в регенерационную колонну в соответствии с существующим уровнем техники осуществляют при помощи кипятильника, в котором поглотитель нагревают до температуры, обычно составляющей приблизительно от 120 до 130°C. Нагревание поглотителя в кипятильнике может быть осуществлено при помощи электрического нагревательного элемента, но обычно нагревание производят при помощи теплоносителя, например среднетемпературного водяного пара. Кипятильник является основным потребителем среднетемпературного тепла в цикле абсорбции/десорбции для улавливания CO₂. Снижение потребления среднетемпературного тепла улучшит экономические показатели способа улавливания CO₂.

В GB 2195916 и US 4160810 описано охлаждение обедненного поглотителя, выходящего из регенератора, при помощи его мгновенного испарения (испарения путем быстрого понижения давления) и разделения на поток жидкости, который вводят в абсорбер, и газообразную фазу, которую вновь направляют в регенератор. Давление газообразной фазы повышают либо при помощи эжектора, как описано в GB 2195916, либо при помощи компрессора, как описано в US 4160810.

В EP 1736231 описано устройство и способ извлечения CO₂ из газовой смеси, основная конфигурация которых соответствует описанным выше принципам. Для нагревания обогащенного поглотителя перед его введением в регенератор используют два теплообменника; в первом теплообменнике происходит нагревание обогащенного поглотителя обедненным поглотителем, направляемым из регенератора, а во втором теплообменнике происходит нагревание обогащенного поглотителя теплом, поступающим от конденсата, получаемого в кипятильнике. Использование конденсата, поступающего из кипятильника, для нагревания обогащенного поглотителя снижает потери тепла от нагревания кипятильника, поскольку таким образом утилизируется большая часть теплоты водяного пара, получаемого в кипятильнике.

Тем не менее, потери теплоты в цикле абсорбции/регенерации способа улавливания CO₂ остаются слишком большими, т.е. все еще имеется необходимость разработки усовершенствованных установок и способов.

Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в снижении нагрузки на кипятильник и, таким образом, снижении потребления среднетемпературной энергии, например среднетемпературного водяного пара.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первый аспект настоящего изобретения относится к способу регенерации обогащенного поглотителя, содержащего поглощенный CO₂, с получением регенерированного, или обедненного, поглотителя и CO₂, где поток обогащенного поглотителя вводят в регенерационную колонну, в которой поглотитель протекает сверху вниз и противотоком к потоку водяного пара, получаемого при нагревании обедненного поглотителя в кипятильнике, расположенном в нижней части регенерационной колонны,

где высвобождаемый CO₂ и водяной пар извлекают из верхней части колонны и разделяют с получением потока CO₂, который удаляют, и конденсированной воды, которую направляют рециклом в регенерационную колонну,

где обеденный, или регенерированный, поглотитель извлекают из нижней части колонны и

где обогащенный поглотитель нагревают за счет первого теплообмена с обедненным поглотителем, а затем дополнительно нагревают за счет теплообмена с низкотемпературным источником тепла, после чего вводят его в регенерационную колонну,

где обедненный поглотитель, выходящий из регенерационной колонны, подвергают мгновенному испарению с получением газообразной фазы, которую подвергают сжатию и повторно вводят в регенерационную колонну, и жидкой фазы, которую подвергают теплообмену с обогащенным поглотителем. Сочетание мгновенного испарения обедненного поглотителя, выходящего из регенератора, сжатия газообразной фазы, введения сжатой газообразной фазы в регенератор в виде водяного пара для десорбции СО₂ из поглотителя, и дополнительное охлаждение жидкой фазы после мгновенного испарения при теплообмене с обогащенным поглотителем, перед введением жидкой фазы в регенератор, снижает потери тепла в регенераторе за счет возврата большей части тепловой энергии обратно в регенератор. Кроме того, жидкую фазу после мгновенного испарения, или обедненный поглотитель, направляемый в абсорбер, дополнительно охлаждают, что повышает эффективность процесса поглощения. Такое сочетание также позволяет лучше использовать низкотемпературное тепло. Объединенный эффект такого способа состоит в улучшении температурного профиля колонны, и при этом передача тепла, обычно осуществляемая от обедненного амина к обогащенному амину, происходит в нижней части десорбера. Итоговый результат состоит в повышении эффективности улавливания и улучшении энергетического баланса системы.

Согласно первому воплощению первого аспекта изобретения сжатую газообразную фазу смешивают с водой для охлаждения и насыщения газообразной фазы водяным паром перед ее введением в регенерационную колонну. После сжатия температура газообразной фазы обычно выше, чем требуется для введения в регенерационную колонну. Введение воды в водяной пар обеспечивает охлаждение газа и насыщение пара водой, что повышает эффективность использования сжатой газообразной фазы при регенерации поглотителя.

В соответствии с одним из воплощений воду отделяют от извлеченного CO₂. Использование воды, отделенной от извлеченного CO₂, для введения в сжатую газообразную фазу позволяет поддерживать водный баланс во всей системе, так что при осуществлении способа нет необходимости отбирать или добавлять воду.

Второй аспект настоящего изобретения относится к способу улавливания CO₂ из газа, содержащего CO₂, включающему введение обедненного жидкого поглотителя и газа, содержащего CO₂, в абсорбер, в котором газ, содержащий CO₂, пропускают противотоком к обедненному поглотителю с целью получения обогащенного поглотителя и потока газа, обедненного CO₂, выпуск газа, обедненного CO₂, в окружающую среду и извлечение обогащенного поглотителя из абсорбера;

где обогащенный поглотитель вводят в регенерационную колонну, в которой поглотитель протекает сверху вниз противотоком к потоку водяного пара, получаемого при нагревании обедненного поглотителя в кипятильнике, расположенном в нижней части регенерационной колонны,

где высвобожденный CO₂ и водяной пар извлекают из верхней части колонны и разделяют с получением потока CO₂, который удаляют, и конденсированной воды, которую направляют рециклом в регенерационную колонну,

где обеденный или регенерированный поглотитель извлекают из нижней части колонны и

где обогащенный поглотитель сначала за счет первого теплообмена с обедненным поглотителем, а затем дополнительно нагревают за счет теплообмена с низкотемпературным источником тепла, после чего вводят его в регенерационную колонну,

где обеденный поглотитель, выходящий из регенерационной колонны, мгновенно испаряют с получением газообразной фазы, которую подвергают сжатию и повторно вводят в регенерационную колонну, и жидкой фазы обедненного поглотителя, которую подвергают теплообмену с обогащенным поглотителем.

В соответствии с этим аспектом вышеописанный способ регенерации поглотителя, включающий преимущества, отмеченные выше для способа улавливания CO₂, осуществляют на установке для улавливания CO₂.

Третий аспект настоящего изобретения относится к регенератору жидкого поглотителя CO₂, включающему регенерационную колонну; трубопровод для обогащенного поглотителя, предназначенный для введения обогащенного поглотителя в регенерационную колонну; средство извлечения для извлечения обедненного поглотителя из нижней части регенерационной колонны; кипятильник для нагревания части извлекаемого поглотителя перед его введением в регенерационную колонну с целью получения водяного пара, который повторно вводят в колонну; трубопровод для обедненного поглотителя, предназначенный для подачи рециклом части поглотителя, извлекаемого при помощи средства извлечения, в абсорбер; теплообменник для нагревания обогащенного поглотителя за счет теплообмена с извлекаемым обедненным поглотителем и теплообменник для дополнительного нагревания нагретого обогащенного поглотителя за счет теплообмена с низкотемпературным источником тепла, перед введением обогащенного газа в регенератор; газовый трубопровод для извлечения CO₂ и пара из верхней части регенерационной колонны и средства разделения, предназначенные для разделения газа, извлекаемого из верхней части регенерационной колонны, на поток CO₂, который отводят из регенератора, и воду, которую направляют рециклом в регенерационную колонну; регенератор дополнительно включает средства мгновенного испарения, трубопровод для отвода водяного пара, соединяющий указанные средства мгновенного испарения с компрессором для сжатия извлекаемой газообразной фазы, трубопровод для введения сжатой газообразной фазы в регенерационную колонну и трубопровод для обедненного поглотителя, соединяющий средство мгновенного испарения с теплообменником. Сочетание средства мгновенного испарения, компрессора для сжатия газообразной фазы после мгновенного испарения, нагнетательного трубопровода для подачи сжатой газообразной фазы в регенератор и трубопровода для обедненного поглотителя, предназначенного для жидкой фазы, или трубопровода для обедненного поглотителя, предназначенного для введения обедненного поглотителя в теплообменник для дополнительного охлаждения обедненного поглотителя и нагревания обогащенного поглотителя, повышает эффективность способа и снижает потери тепла по сравнению с традиционными регенерационными установками.

В соответствии с первым воплощением указанного третьего аспекта средство мгновенного испарения включает клапан мгновенного испарения и емкость для мгновенного испарения.

В соответствии с другим воплощением регенератор дополнительно включает пароохладитель (de-superheater), расположенный между компрессором и регенерационной колонной, в котором охлаждают сжатый водяной пар и насыщают его водяным паром путем введения воды.

В соответствии с одним из воплощений к средствам разделения подведен трубопровод, по которому воду направляют из средств разделения к пароохладителю.

Согласно четвертому аспекту настоящее изобретение относится к установке для улавливания CO₂ из газа, содержащего CO₂, включающей средство подачи обедненного жидкого поглотителя и газа, содержащего CO₂, в абсорбер, в котором поглотитель и газ, содержащий CO₂, пропускают противотоком с целью получения потока газа, обедненного CO₂, и обогащенного поглотителя; средство выпуска газа, обедненного CO₂, в окружающую среду; средства извлечения обогащенного поглотителя из абсорбера и подачи обогащенного поглотителя в регенератор; регенератор, включающий регенерационную колонну, трубопровод для обогащенного поглотителя, предназначенный для подачи обогащенного поглотителя в регенерационную колонну, средство извлечения для извлечения обедненного поглотителя из нижней части регенерационной колонны, кипятильник для нагревания части извлекаемого поглотителя перед его повторным введением в регенерационную колонну с целью получения водяного пара, который повторно вводят в колонну, трубопровод для обедненного поглотителя, предназначенный для подачи рециклом части поглотителя, извлекаемой при помощи средства извлечения, в абсорбер, теплообменник для нагревания обогащенного поглотителя за счет теплообмена с извлекаемым обедненным поглотителем и теплообменник для дополнительного нагревания нагретого обогащенного поглотителя за счет теплообмена с низкотемпературным источником тепла, после чего обогащенный газ вводят в регенератор, газовый трубопровод для извлечения СО₂ и пара из верхней части регенерационной колонны и средство разделения для разделения газа, извлекаемого из верхней части регенерационной колонны, на поток CO₂, который отводят из регенератора, и воду, которую направляют рециклом в регенерационную колонну; дополнительно включающей средство мгновенного испарения, трубопровод для извлечения водяного пара, соединяющий указанное средство мгновенного испарения с компрессором для сжатия извлекаемой газообразной фазы, трубопровод для подачи сжатой газообразной фазы в регенерационную колонну и трубопровод для обедненного поглотителя, соединяющий средство мгновенного испарения с теплообменником. В соответствии с этим аспектом вышеописанную установку для регенерации поглотителя, включающую преимущества, упомянутые выше для способа улавливания CO₂, внедряют в установку для улавливания CO₂.

Используемый в настоящем описании термин «низкотемпературный источник тепла» или «низкотемпературный теплоноситель» означает источник тепла или теплоноситель, например воду, водяной пар или другой теплоноситель, температура которого на выходе из теплообменника ниже приблизительно 115°C, например ниже 110°С. Температура низкотемпературного источника тепла на выходе из теплообменника может составлять менее 105°C, менее 100°C или менее 95°C. Температура низкотемпературного источника тепла на входе в теплообменник может составлять менее 130°C, например менее 125°C.

Используемый в настоящем описании термин «среднетемпературное тепло» или «среднетемпературный теплоноситель» означает источник тепла или теплоноситель, например воду, водяной пар или другой теплоноситель, температура которого на выходе из теплообменника выше приблизительно 120°C, например выше 125°C или выше 130°C. Температура среднетемпературного источника тепла или теплоносителя на входе в теплообменник обычно составляет более 125°C, более предпочтительно более 130°C.

Среднетемпературный теплоноситель может представлять собой водяной пар при температуре выше 125°C или выше 130°C, который конденсируется в теплообменнике с образованием конденсатной воды с температурой на 1-10°C ниже, чем температура, при которой пар поступает в теплообменник. Полученная конденсатная вода затем может быть использована в качестве низкотемпературного теплоносителя в процессах, не требующих применения высоких температур.

Используемый в настоящем описании и формуле изобретения термин «газ, содержащий CO₂» означает любой газ сгорания или другой поток промышленного газа, имеющий такую концентрацию CO₂, которая значительно превышает уровень CO₂ в атмосфере. Обычно газ, содержащий CO₂, представляет собой газ сгорания, получаемый на теплоэлектростанции, работающей на ископаемом топливе.

Термин «газ, обедненный CO₂» или «поток, обедненный CO₂» означает газ или поток газа, из которого была извлечена значительная часть CO₂. Обычно из газа, содержащего CO₂, извлекают более 80%, более предпочтительно более 85% и наиболее предпочтительно более 90% CO₂, прежде чем этот газ выпускают в атмосферу в виде газа, обедненного CO₂.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показана схема установки для улавливания CO₂ согласно предшествующему уровню техники.

На Фиг.2 показана схема усовершенствованного участка регенерации амина установки для улавливания CO₂ согласно воплощению настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 изображена установка для улавливания CO₂ согласно предшествующему уровню техники, в которой отходящий газ сжигания углеродсодержащего топлива направляют в установку для улавливания CO₂ через выпускной трубопровод 1. Отходящий газ в трубопроводе 1 по существу охлажден за счет утилизации энергии высокотемпературного тепла, получаемой при сжигании, для производства электрической энергии. Температура отходящего газа, поступающего в установку улавливания CO₂ по трубопроводу, обычно составляет приблизительно от 120 до 90°C. Отходящий газ из трубопровода 1, при необходимости, направляют в секцию охлаждения, где его насыщают водой и охлаждают до температуры, составляющей, например, приблизительно от 35 до 60°C.

Охлажденный и увлажненный отходящий газ затем вводят в нижнюю часть абсорбционной колонны 3, в которой отходящий газ протекает снизу вверх по абсорбционной колонне 3 противотоком к обедненному поглотителю, т.е. поглотителю, из которого извлекли CO₂, подаваемому в верхнюю часть абсорбционной колонны через трубопровод 4 для обедненного поглотителя. Обедненный газ, т.е. отходящий газ, из которого удалена значительная часть CO₂, извлекают через трубопровод 6 для выпуска газа, присоединенный к верхней части абсорбционной колонны, в то время как обогащенный поглотитель, т.е. поглотитель с поглощенным CO₂, извлекают из абсорбционной колонны через трубопровод 5 для обогащенного поглотителя.

Обогащенный поглотитель нагревают в теплообменнике 7 за счет теплообмена с обедненным поглотителем, который возвращают в абсорбционную колонну, до температуры, обычно составляющей от 90 до 110°C, после чего обогащенный поглотитель направляют в регенерационную колонну 8. В регенерационной колонне 8 обогащенный поглотитель протекает сверху вниз противотоком к водяному пару, получаемому при нагревании некоторого количества поглотителя в кипятильнике 11 регенератора. Обедненный поглотитель выходит из колонны регенератора через выпускное отверстие 10 для обедненного поглотителя. Часть обедненного поглотителя, отобранную из выпускного отверстия 10, вводят в кипятильник 11 регенератора, где ее нагревают до температуры, обычно составляющей от 120 до 130°C, с целью получения горячего поглотителя и водяного пара, который вновь вводят в колонну регенератора через трубопровод 12. Обедненный поглотитель в кипятильнике 11 обычно нагревают при помощи электроэнергии или теплоносителя, например водяного пара. При использовании теплоносителя для нагревания поглотителя, находящегося в кипятильнике регенератора, теплоноситель вводят через трубопровод 13 и извлекают через трубопровод 13'. Водяной пар в качестве теплоносителя для кипятильника обычно вводят в виде пара высокого давления, имеющего температуру приблизительно от 130 до 140°C; пар извлекают через трубопровод 13' в виде конденсированного пара при той же температуре. Другими словами, энергия, передаваемая от теплоносителя к поглотителю в кипятильнике, представляет собой теплоту конденсации водяного пара. Нагревание колонны снизу позволяет создавать температурный градиент при установившемся режиме от нижней до верхней части колонны; при этом, в зависимости от фактической конструкции колонны, температура в верхней части колонны на 10-50°C ниже, чем в нижней части колонны. В обычной регенерационной колонне температура в нижней части колонны составляет приблизительно 120°C, а температура в верхней части колонны приблизительно на 10-50°C ниже, чем в нижней части колонны.

Ту часть обедненного поглотителя, направляемого по трубопроводу 10, которую не вводят в кипятильник регенератора, направляют рециклом в абсорбционную колонну 3 по трубопроводу 4 и охлаждают в теплообменнике 7 за счет теплообмена с обогащенным поглотителем, направляемым по трубопроводу 5. В теплообменнике 7 происходит нагревание относительно холодного обогащенного поглотителя за счет теплообмена с относительно горячим обедненным поглотителем, извлекаемым из десорбера при температуре, составляющей приблизительно 120°C. В зависимости от фактических размеров и конструкции установки, температура обогащенного амина, выходящего из теплообменника 7 и направляемого в десорбер для амина, может составлять приблизительно от 90 до 110°C.

Углекислый газ, извлекаемый из поглотителя, и водяной пар удаляют из колонны 8 регенератора через трубопровод 9 для выпуска газа. Газ, транспортируемый по трубопроводу 9 для выпуска газа, охлаждают в дефлегматоре 14 с целью конденсации воды, которую отделяют от оставшегося газа, в основном включающего CO₂, в сепараторе 15 для CO₂. Газообразный CO₂ и некоторое количество остаточного водяного пара удаляют из сепаратора 15 для CO₂ через трубопровод 16 для CO₂ и направляют на дальнейшую обработку, например, сушку, сжатие и захоронение. Воду, сконденсированную в сепараторе CO₂, извлекают через трубопровод 17 и перекачивают назад в верхнюю часть регенерационной колонны 8 при помощи насоса 18.

На Фиг.2 показано воплощение регенерационной установки согласно настоящему изобретению, предназначенной для регенерации поглотителя, в которой часть обедненного поглотителя, выходящего из кипятильника 8, подвергают мгновенному испарению посредством клапана 31 мгновенного испарения и емкости 32 для мгновенного испарения с получением водяного пара, который извлекают из емкости для мгновенного испарения через трубопровод 33 для водяного пара, и обедненного поглотителя, который возвращают в абсорбер 3 через трубопровод 4. Газ, полученный в емкости 32 для мгновенного испарения, в основном включает водяной пар и диоксид углерода, что позволяет удалять большую часть диоксида углерода из поглотителя пред его возвращением в абсорбер.

Водяной пар и CO₂, извлекаемые через трубопровод 33, затем сжимают в компрессоре 34 с образованием сжатого горячего ненасыщенного пара в трубопроводе 35. Водяной пар в трубопроводе 35 затем охлаждают и насыщают водой в пароохладителе 36, в который направляют воду через трубопровод 38 и смешивают с водяным паром из трубопровода 35. Полученный водяной пар, насыщенный водой, из пароохладителя 36 затем возвращают и вводят в десорбер 8 по трубопроводу 37. Вода, подаваемая в пароохладитель, может просто представлять собой часть воды, сконденсированной в сепараторе 15. В показанном воплощении воду в трубопровод 38 отводят из трубопровода 17, предпочтительно, после насоса 18.

Мгновенное испарение обедненного поглотителя посредством клапана 31 мгновенного испарения и удаление пара в сепараторе 32 снижает температуру обедненного поглотителя. Таким образом, температура обогащенной среды, извлекаемой из теплообменника 7, может быть ниже температуры, требуемой для введения среды в колонну 8 регенератора. Следовательно, для нагревания обогащенного поглотителя до требуемой температуры может быть установлен теплообменник 20, обогреваемый низкотемпературным теплоносителем в трубопроводе 21. Низкотемпературный теплоноситель, поступающий в теплообменник 20 через трубопровод 21, может, например, представлять собой теплоноситель, выходящий из кипятильника 11 по трубопроводу 13'. Теплоноситель, направляемый в кипятильник по трубопроводу 13, предпочтительно представляет собой водяной пар, в то время как теплоноситель, извлекаемый из кипятильника 11 через трубопровод 13', представляет собой сконденсированную воду.

Сжатие водяного пара, транспортируемого по трубопроводу 33, повышает как давление, так и температуру водяного пара, в результате чего образуется горячий ненасыщенный пар. При температуре, превышающей приблизительно 130°C, поглотитель может разлагаться. Введение воды в пароохладитель 36, обеспечивает то, что водяной пар, направляемый в регенерационную колонну по трубопроводу 37, представляет собой насыщенный водяной пар, температура которого составляет 120-130°C.

Используемый в настоящем описании и формуле изобретения термин «водяной пар» там, где это подходит, также означает водяной пар, включающий другие газы, например CO₂. Сжатие пара, транспортируемого по трубопроводу 33, и, следовательно, повышение его температуры превращает низкотемпературный пар низкого давления в трубопроводе 33 в среднетемпературный пар, применяемый на установке. Кроме того, низкотемпературное тепло, поступающее из кипятильника, может быть использовано в теплообменнике 20. В установке согласно предшествующему уровню техники низкотемпературный теплоноситель, например конденсат пара, извлекаемый из кипятильника, охлаждают за счет теплообмена с водой в теплообменнике и возвращают в бойлер для получения среднетемпературного пара, который возвращают в кипятильник. Таким образом, установка, показанная на Фиг.2, характеризуется пониженной потерей теплоты или энергии, что делает установку более эффективной.

Было произведено моделирование работы установки, показанной на Фиг.2, предназначенной для улавливания CO₂ при помощи МЭА (метилэтаноламина) из отходящего газа, вырабатываемого газовой теплоэлектростанцией мощностью 400 МВт, и были определены основные параметры такой установки.

В соответствии с разработанной моделью система удаления CO₂ позволяет извлекать 85% CO₂, присутствующего в отходящем газе. Для стандартной системы, показанной на Фиг.1, требуется кипятильник регенератора амина, имеющий нагрузку 152 МВт. Теплоту подводят в форме насыщенного водяного пара, имеющего давление 0,4 МПа абс. (4 бар абс.) и температуру 144°C. Температура конденсата водяного пара, выходящего из кипятильника, составляет 144°C. В установке согласно предшествующему уровню техники конденсат охлаждают и перекачивают обратно на теплоэлектростанцию для получения пара. Регенератор амина работает под давлением 0,19 МПа абс. (1,9 бар абс.).

В соответствии с моделью, предлагаемой согласно настоящему изобретению, обедненный поглотитель мгновенно испаряют посредством клапана 31, получая давление 0,105 МПа абс. (1,05 бар абс.). Получаемый затем пар отделяют от жидкости и сжимают, доводя до давления 0,19 МПа абс. (1,9 бар абс.). Для устранения перегрева в пар вводят воду. Затем пар вводят в нижнюю часть десорбционной колонны. Нагрузка на кипятильник снижается до 110 МВт, т.е. снижение составляет 42 МВт. Потребление мощности компрессором пара составляет 3,3 МВт.

Обедненный поглотитель извлекают из емкости для мгновенного испарения при 102°C. Таким образом, обогащенный амин не может быть нагрет в теплообменнике амин/амин выше 100°C. Следовательно, для нагревания обогащенного амина возможно использовать конденсат водяного пара, направляемый из кипятильника. Это еще больше снижает нагрузку на кипятильник.

Соответственно, использование мгновенного испарения обедненного амина для получения водяного пара, предлагаемое согласно настоящему изобретению, позволяет снижать потребление энергии на выработку пара в регенераторе с 152 МВт до 110 МВт, что снижает потребление энергии на выработку пара в регенераторе на 28%. Несмотря на то что эта экономия не включает потребление электроэнергии на сжатие пара, составляющей 3,3 МВт, она оказывается значительной.

Изобретение относится к области улавливания CO₂ из газовой смеси. В заявке описан способ регенерации обогащенного поглотителя, содержащего поглощенный CO₂, с получением регенерированного, или обедненного, поглотителя, в котором обеденный поглотитель, выходящий из регенерационной колонны, подвергают мгновенному испарению с получением газообразной фазы. Газообразную фазу подвергают сжатию и повторно вводят в регенерационную колонну. Жидкую фазу обедненного поглотителя подвергают теплообмену с обогащенным поглотителем. Изобретение позволяет снизить нагрузки на кипятильник и таким образом снизить потребление среднетемпературной энергии. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регенерации обогащенного поглотителя, содержащего поглощенный CO₂, с получением регенерированного, или обедненного, поглотителя и CO₂, включающий следующие стадии:
а) введение потока обогащенного поглотителя в регенерационную колонну, в которой поглотитель протекает сверху вниз противотоком к потоку водяного пара, получаемого при нагревании обедненного поглотителя в кипятильнике, расположенном в нижней части регенерационной колонны,
б) извлечение высвобождаемого CO₂ и водяного пара из верхней части колонны и разделение извлекаемых CO₂ и водяного пара с получением потока CO₂, который удаляют, и конденсированной воды, которую направляют рециклом в регенерационную колонну,
в) извлечение обедненного, или регенерированного, поглотителя из нижней части колонны,
г) мгновенное испарение извлеченного обедненного поглотителя с получением газообразной фазы, которую подвергают сжатию и повторно вводят в регенерационную колонну, и жидкой фазы обедненного поглотителя,
д) нагревание обогащенного поглотителя за счет первого теплообмена с обедненным поглотителем, подвергнутым мгновенному испарению,
е) после проведения теплообмена с обедненным поглотителем нагревание обогащенного поглотителя за счет теплообмена с теплоносителем, температура которого на входе ниже 130°C, и
ж) введение нагретого обогащенного поглотителя в регенерационную колонну.

2. Способ по п.1, в котором сжатую газообразную фазу смешивают с водой для охлаждения и насыщения газообразной фазы водяным паром перед введением сжатой газообразной фазы в регенерационную колонну.

3. Способ по п.2, в котором сжатую газообразную фазу перед введением в регенерационную колонну охлаждают до температуры от 120 до 130°C.

4. Способ улавливания CO₂ из газа, содержащего CO₂, включающий введение обедненного жидкого поглотителя и газа, содержащего CO₂, в абсорбер, в котором газ, содержащий CO₂, пропускают противотоком к обедненному поглотителю с получением обогащенного поглотителя и потока газа, обедненного CO₂; выпуск газа, обедненного CO₂, в окружающую среду и извлечение обогащенного поглотителя из абсорбера, где обогащенный поглотитель регенерируют с получением потока CO₂ и обедненного поглотителя согласно способу по п.1.

5. Способ по п.4, в котором сжатую газообразную фазу перед введением в регенерационную колонну смешивают с водой для охлаждения и насыщения газовой фазы водяным паром.

6. Способ по п.5, в котором сжатую газообразную фазу перед введением в регенерационную колонну охлаждают до температуры от 120 до 130°C.

7. Регенератор для жидкого поглотителя CO₂, включающий регенерационную колонну (8), трубопровод (5) для обогащенного поглотителя, предназначенный для введения обогащенного поглотителя в регенерационную колонну (8), средство извлечения (10) для извлечения обедненного поглотителя из нижней части регенерационной колонны (8), кипятильник (11) для нагревания части извлекаемого поглотителя перед его повторным введением в регенерационную колонну с целью получения водяного пара, который повторно вводят в колонну, трубопровод (4) для обедненного поглотителя, предназначенный для подачи рециклом части поглотителя, извлекаемого при помощи средства извлечения, в абсорбер, теплообменник (7) для нагревания обогащенного поглотителя за счет теплообмена с извлекаемым обедненным поглотителем и теплообменник (20) для дополнительного нагревания нагретого обогащенного поглотителя за счет теплообмена с низкотемпературным источником тепла перед поступлением обогащенного газа в регенератор, газовый трубопровод (9) для извлечения CO₂ и пара из верхней части регенерационной колонны и средства (14, 15, 19, 45) разделения, предназначенные для разделения газа, извлекаемого из верхней части регенерационной колонны, на поток CO₂, который отводят из регенератора, и воду, которую направляют рециклом в регенерационную колонну (8), отличающийся тем, что указанный регенератор дополнительно включает средства (31, 32) мгновенного испарения, трубопровод (33) для отбора водяного пара, соединяющий указанные средства мгновенного испарения с компрессором (34) для сжатия отбираемой газообразной фазы, трубопровод (37) для введения сжатой газообразной фазы в регенерационную колонну (8) и трубопровод (4) для обедненного поглотителя, соединяющий средства мгновенного испарения с теплообменником (7).

8. Регенератор по п.7, в котором средства (31, 32) мгновенного испарения включают клапан (31) мгновенного испарения и емкость (32) для мгновенного испарения.

9. Регенератор по п.7 или 8, дополнительно включающий пароохладитель (36), расположенный между компрессором (34) и регенерационной колонной (8); причем в указанном пароохладителе (36) сжатый водяной пар охлаждают и насыщают водяным паром путем введения воды.

10. Регенератор по п.9, в котором к средствам разделения (14, 15, 16, 17, 18) подведен трубопровод (38) для направления воды из средств разделения к пароохладителю (36).

11. Установка для улавливания CO₂ из газа, содержащего CO₂, включающая средство подачи обедненного жидкого поглотителя и газа, содержащего CO₂, в абсорбер, в котором поглотитель и газ, содержащий CO₂, пропускают противотоком с получением потока газа, обедненного CO₂, и обогащенного поглотителя, средство выпуска газа, обедненного CO₂, в окружающую среду, средства извлечения обогащенного поглотителя из абсорбера и подачи обогащенного поглотителя в регенератор по п.7.

12. Установка по п.11, где средства (31, 32) мгновенного испарения включают клапан (31) мгновенного испарения и емкость (32) для мгновенного испарения.

13. Установка по п.11 или 12, дополнительно включающая пароохладитель (36), расположенный между компрессором (34) и регенерационной колонной (8); причем в указанном пароохладителе (36) сжатый водяной пар охлаждают и насыщают водяным паром путем введения воды.

14. Установка по п.13, где к средствам разделения (14, 15, 16, 17, 18) подведен трубопровод (38) для направления воды из средств разделения к пароохладителю (36).