РЕГЕНЕРАЦИЯ ПОГЛОТИТЕЛЯ ОТБИРАЕМЫМ СЖАТЫМ ВЕРХНИМ ПОТОКОМ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛА Российский патент 2012 года по МПК B01D53/14 

Настоящее изобретение относится к области улавливания СO₂ из газовой смеси. Более конкретно, настоящее изобретение относится к улавливанию СО₂ из газа, содержащего СO₂, например, из газа сгорания, полученного при сгорании углеродсодержащих материалов или при осуществлении других способов с высвобождением СО₂. Еще более конкретно, настоящее изобретение относится к усовершенствованному способу и установке для регенерации поглотителя СО₂, применяемым в способе и установке для улавливания СO₂.

Постоянно увеличивающийся в течение последних столетий объем сжигания ископаемых топлив, например угля, природного газа и нефти, привел к увеличению концентрации СО₂ в атмосфере. Повышение концентрации СO₂ вызывает беспокойство из-за возникновения парникового эффекта, вызываемого СО₂. 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 СО₂, получаемого при сгорании ископаемого топлива. Стабилизация или даже уменьшение выбросов в атмосферу СО₂, получаемого при сгорании ископаемых топлив, может быть достигнуто за счет улавливания и безопасного захоронения СО₂, получаемого из выхлопных газов, выделяемых теплоэлектростанциями и другими установками, в которых сжигают ископаемое топливо.

Уловленный СО₂ может быть введен в подземные формации, например водоносные пласты и нефтяные скважины для повышения степени извлечения нефти, или в выработанные нефтяные и газоносные скважины для захоронения. Испытания показывают, что СО₂ остается в подземных формациях в течение тысяч лет и не выбрасывается в атмосферу.

Улавливание СO₂ из газа при помощи абсорбции хорошо известно, и его используют в течение десятилетий, например, с целью извлечения СO₂ (и других кислых газов) из природного газа, получаемого из газовых месторождений. Поглотители, применяемые или предлагаемые в соответствии с существующим уровнем техники, включают различные водные щелочные растворы, такие как карбонат калия, см., например, US 5528811, и различные амины, см., например, US 4112051, US 4397660 и US 5061465. Отделение СO₂ от отходящих газов теплоэлектростанций посредством раствора амина описано, например, в патенте США US 4942734.

Общей особенностью этих способов улавливания СO₂ является то, что разделяемую газовую смесь направляют противотоком к водному раствору поглотителя в абсорбционной колонне. Газ, выходящий из абсорбционной колонны, обеднен СO₂ (или обеднен кислым газом), в то время как СO₂ (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.

На Фиг.1 и в сопроводительном тексте WO 2004/080573 описан способ регенерации поглотителя СO₂, осуществляемый при низком давлении, в соответствии с которым поглотитель отпаривают в регенерационной колонне противоточным потоком водяного пара. Как указано, давление в колонне составляет приблизительно 0,15 атм или приблизительно 0,15 бар, а температура в нижней части регенерационной колонны составляет приблизительно 55°С и понижается по направлению к верхней части колонны. Давление газовой смеси, содержащей СO₂ и водяной пар, извлекаемой из верхней части колонны, повышают до атмосферного давления путем многостадийного сжатия, сопровождаемого охлаждением и отделением воды между стадиями. Охлаждение производят за счет теплообмена с обедненным поглотителем, чтобы получить водяной пар низкого давления, применяемый для десорбции в регенерационной колонне.

Этот способ регенерации, осуществляемый при давлении ниже атмосферного, может быть эффективным для карбонатных поглотителей. Однако аминные поглотители требуют применения более высоких температур для того, чтобы вообще происходила десорбция СО₂. Кроме того, создание пониженного давления дополнительно повышает затраты на строительство и эксплуатацию регенерационного участка такой установки. Во-первых, для обеспечения пониженного давления требуется использование более объемных регенерационных колонн, что сильно увеличивает затраты на строительство. Во-вторых, сжатие газа, извлекаемого из верхней части регенерационной колонны, от давления колонны до атмосферного давления требует больших затрат энергии. Энергетические затраты на сжатие газа от 0,015 МПа абс. (0,15 бар абс.) до 0,1 МПа абс. (1 бар абс.) приблизительно соответствуют энергетическим затратам на сжатие газа от 0,1 МПа абс. (1 бар абс.) до 0,7 МПа абс. (7 бар абс.). Однако низкая рабочая температура верхнего потока десорбера позволяет производить быстрое и эффективное сжатие этого газа.

Несмотря на то, что снижение давления в регенерационной колонне позволяет производить быструю и удобную рекомпрессию пара для интеграции энергии, преимущества, полученные при интеграции энергии, оказываются меньше дополнительных затрат. Кроме того, как было отмечено выше, способ не может быть эффективным при применении поглотителей, отличных от карбонатов, и, в частности, он неэффективен при использовании более часто предпочитаемых аминов.

Как указано выше, СО₂ как таковой хорошо известен в данной области техники. Тем не менее, существует необходимость внесения некоторых усовершенствований в способ улавливания СО₂ с целью повышения экономической рентабельности теплоэлектростанций с низким выбросом СO₂ или отсутствием СО₂ в выбросах.

Установки, применяемые для улавливания СО₂, 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 эффективность, т.е. понизить стоимость энергии, затрачиваемой на улавливание СО₂.

Поглотители, предпочитаемые в настоящее время, включают водные растворы различных аминов. Обычно используемые амины включают алканоламины, например диэтаноламин, монометилэтаноламин, аминоэтилэтаноламин, 2-(метиламино)этанол, МДЭА (метилдиэтаноламин), а также другие амины, известные специалисту в данной области техники. Поглощение СО₂ аминными поглотителями представляет собой обратимую экзотермическую реакцию. Соответственно, для десорбции и высвобождения СO₂ в регенерационную колонну нужно подводить тепло.

Подвод тепла в регенерационную колонну в соответствии с предшествующим уровнем техники осуществляют при помощи кипятильника, в котором поглотитель нагревают до температуры, обычно составляющей приблизительно от 120 до 130°С, и нормальном рабочем давлении таких десорберов, составляющем приблизительно 0,15 МПа абс. (1,5 бар абс.) или 0,05 МПа избыт. (0,5 бар избыт.). Нагревание поглотителя в кипятильнике может быть осуществлено при помощи электрического нагревательного элемента, но обычно нагревание производят при помощи теплоносителя, например водяного пара высокой температуры. Кипятильник является основным потребителем среднетемпературной тепловой энергии в цикле абсорбции/десорбции при улавливании СO₂. Снижение потребления среднетемпературной тепловой энергии улучшит экономические показатели способа улавливания СO₂.

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

Первый аспект настоящего изобретения относится к способу регенерации обогащенного поглотителя, содержащего поглощенный СO₂, с получением регенерированного, или обедненного, поглотителя и СO₂, где поток обогащенного поглотителя вводят в регенерационную колонну, которая работает при атмосферном давлении или давлении, превышающем атмосферное; при этом в указанной регенерационной колоне поглотитель протекает сверху вниз противотоком к потоку водяного пара, получаемого при нагревании обедненного поглотителя в нижней части регенерационной колонны,

где газ, в основном включающий высвобождаемый СO₂ и водяной пар, отбирают из верхней части колонны и разделяют с получением потока СО₂, который удаляют, и конденсированной воды, которую направляют рециклом в регенерационную колонну,

где обеденный, или регенерированный, поглотитель отбирают из нижней части колонны,

где газ, отбираемый из верхней части регенерационной колонны, перед его разделением на СO₂ и воду, сжимают и охлаждают за счет теплообмена с целью утилизации теплоты.

Сжатие общего количества СO₂ и водяного пара, отбираемых из верхней части колонны, перед их разделением, обеспечивает сохранение тепла газа, выходящего из регенерационной колонны, и превращение его в среднетемпературное тепло за счет энергии, используемой для повышения давления водяного пара и повышения температуры конденсации водяного пара. Указанное среднетемпературное тепло затем может быть использовано для других целей, в отличие от низкотемпературного тепла, которое либо не может быть использовано для других целей, либо имеет ограниченное применение, и обычно его высвобождают в виде охлаждающей воды.

В соответствии с одним из воплощений, перед разделением газа, отбираемого из верхней части регенерационной колонны, на СO₂ и воду, этот газ сжимают до давления, в 2-5 раз превышающего рабочее давление регенерационной колонны. Сжатие газа до давления, в 2-5 раз превышающего рабочее давление регенерационной колонны, обеспечивает достаточное повышение общей тепловой энергии и температуры газа, чтобы получать среднетемпературный водяной пар за счет теплообмена со сжатым газом.

В соответствии с одним из воплощений, газ, отбираемый из верхней части регенерационной колонны, сжимают в компрессионной установке, включающей две или более стадии сжатия, где между стадиями сжатия в сжатый газ подают воду. Применение нескольких стадий сжатия улучшает регулирование процесса сжатия и позволяет производить охлаждение в промежутках между стадиями.

В соответствии с одним из конкретных воплощений, сжатый газ охлаждают за счет теплообмена с водой, во время которого указанную воду нагревают с образованием водяного пара. Охлаждение нагретого сжатого газа путем добавления в него воды снижает температуру газа без потерь тепловой энергии в охлаждающих устройствах, что позволяет сохранять тепловую энергию газа и снижать потери тепла.

В соответствии с одним из воплощений, водяной пар, получаемый при теплообмене, используют для получения водяного пара нагреванием обедненного поглотителя в нижней части регенерационной колонны. Использование водяного пара, получаемого при теплообмене со сжатым газом, заменяет получение пара в кипятильнике и, таким образом, снижает нагрузку на кипятильник.

Второй аспект настоящего изобретения относится к способу улавливания СO₂ из газа, содержащего СO₂, включающему введение обедненного жидкого поглотителя и газа, содержащего СO₂, в абсорбер, в котором газ, содержащий СO₂, пропускают противотоком к обедненному поглотителю с получением обогащенного поглотителя и потока газа, обедненного СO₂; выпуск газа, обедненного СO₂, в окружающую среду и извлечение обогащенного поглотителя из абсорбера;

где обогащенный поглотитель вводят в регенерационную колонну, которая работает при атмосферном давлении или давлении, превышающем атмосферное, и 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 газ, в основном включающий высвобождаемый СO₂ и водяной пар, отбирают из верхней части колонны и разделяют с получением потока СO₂, который удаляют, и конденсированной воды, которую направляют рециклом в регенерационную колонну,

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

где газ, отбираемый из верхней части регенерационной колонны, перед его разделением на СO₂ и воду, сжимают и охлаждают за счет теплообмена с целью утилизации теплоты.

Указанный второй аспект относится к включению предлагаемого регенератора в способ улавливания СO₂ из окружающей среды и, таким образом, установка приобретает ряд преимуществ.

Третий аспект настоящего изобретения относится к регенератору жидкого поглотителя СО₂, включающему регенерационную колонну, которая работает при атмосферном давлении или давлении, превышающем атмосферное; трубопровод для обогащенного поглотителя, предназначенный для введения обогащенного поглотителя в регенерационную колонну; средство извлечения для отбора обедненного поглотителя из нижней части регенерационной колонны; кипятильник для нагревания части отбираемого поглотителя перед его повторным введением в регенерационную колонну для получения водяного пара; трубопровод для обедненного поглотителя, предназначенный для подачи рециклом части поглотителя, отбираемой при помощи средства извлечения, в абсорбер; газовый трубопровод для отбора СO₂ и пара из верхней части регенерационной колонны и средство разделения для разделения газа, отбираемого из верхней части регенерационной колонны, на поток СO₂, который отводят из регенератора, и воду, которую направляют рециклом в регенерационную колонну; дополнительно включающему парокомпрессионную установку для сжатия СO₂ и водяного пара до давления от 0,2 до 1,0 МПа (от 2 до 10 бар), установленную между регенерационной колонной и средством разделения.

Сжатие общего количества СO₂ и водяного пара, отбираемых из верхней части колонны, перед их разделением, обеспечивает сохранение тепла газа, извлекаемого из регенерационной колонны, и превращение его в среднетемпературное тепло за счет энергии, используемой для повышения давления водяного пара и повышения температуры конденсации водяного пара. Повышение температуры конденсации водяного пара обеспечивает извлечение тепла при более высоких температурах. В результате снижаются потери тепла при осуществлении всего способа.

В соответствии с первым воплощением, компрессионная установка представляет собой установку для многостадийного сжатия, включающую две или более стадии сжатия. Применение нескольких стадий сжатия обеспечивает возможность производить охлаждение между стадиями. Это повышает эффективность и снижает проектную температуру компрессионной системы.

В соответствии со вторым воплощением, установка включает средство подачи воды, предназначенное для введения воды в сжатый СO₂ и воду между стадиями сжатия. Промежуточное охлаждение обычно проводят в теплообменниках при помощи охлаждающей среды. Охлаждающая среда отводит тепло из системы. Охлаждение введением водяного пара не сопровождается извлечением энергии из системы и повышает количество теплоты, которое может быть получено.

Четвертый аспект настоящего изобретения относится к установке для улавливания СO₂ из газа, содержащего СO₂, включающей средство подачи обедненного жидкого поглотителя и газа, содержащего СO₂, в абсорбер, в котором поглотитель и газ, содержащий СO₂, пропускают противотоком с получением потока газа, обедненного СO₂, и обогащенного поглотителя; средство выпуска газа, обедненного СO₂, в окружающую среду; средство извлечения обогащенного поглотителя из абсорбера и подачи обогащенного поглотителя в регенератор; регенератор, включающий регенератор жидкого поглотителя СO₂, включающий регенерационную колонну, которая работает при атмосферном давлении или давлении, превышающем атмосферное; трубопровод для обогащенного поглотителя, предназначенный для введения обогащенного поглотителя в регенерационную колонну; средство извлечения для отбора обедненного поглотителя из нижней части регенерационной колонны; кипятильник для нагревания части отбираемого поглотителя перед его введением в регенерационную колонну для получения водяного пара; трубопровод для обедненного поглотителя, предназначенный для подачи рециклом части поглотителя, отбираемой при помощи средства извлечения, в абсорбер; газовый трубопровод для отбора СO₂ и пара из верхней части регенерационной колонны и средство разделения газа, отбираемого из верхней части регенерационной колонны, на поток СO₂, который отводят из регенератора, и воду, которую направляют рециклом в регенерационную колонну; дополнительно включающей парокомпрессионную установку, предназначенную для сжатия СO₂ и водяного пара с получением давления, составляющего от 0,2 до 1,0 МПа (от 2 до 10 бар), установленную между регенерационной колонной и средством разделения. Этот четвертый аспект изобретения относится к установке улавливания СO₂, включающей вышеописанный регенератор, и, таким образом, обеспечивает такие же преимущества всей установке улавливания.

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 110°С. Температура низкотемпературного источника тепла на выходе из теплообменника может составлять менее 105°С, менее 100°С или менее 95°С. Температура низкотемпературного источника тепла на входе в теплообменник может составлять менее 130°С, например менее 125°С.

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

Среднетемпературный теплоноситель может представлять собой водяной пар при температуре, превышающей 125°С или превышающей 130°С, который конденсируется в теплообменнике с образованием конденсатной воды с температурой на 1-10°С менее, 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 «стадии сжатия» включает как физические компрессионные установки, включающие две или более стадии сжатия, так и физически разделенные компрессоры, каждый из которых используют для выполнения одной стадии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показана схема установки для улавливания СO₂ согласно предшествующему уровню техники и

на Фиг.2 показана схема воплощения предлагаемого усовершенствованного участка регенерации амина установки для улавливания СO₂.

На Фиг.1 изображена установка для улавливания СO₂ согласно предшествующему уровню техники, где отходящий газ, получаемый при сжигании углеродсодержащего топлива, направляют в установку для улавливания СO₂ через трубопровод 1 для отходящего газа. Отходящий газ в трубопроводе 1 существенно охлажден за счет утилизации высокотемпературной тепловой энергии, получаемой при сжигании углеродсодержащего топлива, для получения электрической энергии. Температура отходящего газа, поступающего в установку для улавливания СO₂ по трубопроводу, обычно составляет приблизительно от 120°С до 90°С. Отходящий газ из трубопровода 1 подают на участок охлаждения, где его насыщают водой и охлаждают до температуры, составляющей, например, приблизительно от 35°С до 60°С.

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, который подвергли десорбции СO₂ и который вводят в верхнюю часть абсорбционной колонны через трубопровод 4 для обедненного поглотителя. Обедненный газ, т.е. отходящий газ, из которого удалена значительная часть СO₂, извлекают через трубопровод 6 для выпуска газа, присоединенный к верхней части абсорбционной колонны, в то время как обогащенный поглотитель, т.е. поглотитель после поглощения СO₂, 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°С, 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 извлекают 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°С, с получением горячего поглотителя и водяного пара, который повторно 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, представляющий собой теплоноситель для кипятильника, обычно вводят в виде пара высокого давления, имеющего температуру приблизительно от 130°С до 140°С; 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 в установившемся режиме от низа до верха колонны; при этом, в зависимости от конструкции колонны, температура в верхней части колонны составляет на 10-50°С менее, чем в нижней части колонны.

Ту часть обедненного поглотителя из трубопровода 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 в трубопроводе 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°С. В зависимости от реальных размеров и конструкции установки, температура обогащенного амина, выходящего из теплообменника 7 и направляемого в десорбер для амина, может составлять приблизительно от 90 до 110°С.

Давление в регенерационной колонне обычно равно атмосферному или превышает атмосферное, что обеспечивает эффективную регенерацию поглотителя, или десорбцию СО₂. Давление регенерации часто составляет 0,15 МПа (1,5 бар) или более. На практике давление часто составляет приблизительно от 0,15 до 0,2 МПа (от 1,5 до 2,0 бар), и может даже превышать это значение.

Углекислый газ, извлекаемый из поглотителя, водяной пар и незначительное количество поглотителя извлекают из регенерационной колонны 8 через трубопровод 9 для выпуска газа. Газ, транспортируемый по трубопроводу 9 для выпуска газа, охлаждают в дефлегматоре 14 для конденсации воды, которую отделяют от оставшегося газа, в основном включающего СO₂, в сепараторе 15 для СO₂. Газообразный СO₂ и некоторое количество остаточного водяного пара удаляют из сепаратора 15 для СO₂ через трубопровод 16 для СO₂ и направляют на дальнейшую обработку, например сушку, сжатие и захоронение. Воду, сконденсированную в сепараторе для СO₂, извлекают через трубопровод 17 и перекачивают назад в верхнюю часть регенерационной колонны 8 при помощи насоса 18. Специалисту в данной области техники понятно, что водяной пар, отбираемый через трубопровод 9, и конденсированная вода, удаляемая в сепараторе 15, могут включать незначительное количество поглотителя. Используемые в настоящем описании и формуле изобретения термины «вода» и «водяной пар (пары воды)», там, где это подходит, включают воду и пары воды, включающие незначительное количество поглотителя.

На Фиг.2 показано предпочтительное воплощение настоящего изобретения. Это воплощение в основном соответствует способу и установке, описанным со ссылками на Фиг.1, с тем лишь исключением, что газ, отбираемый из регенерационной колонны 8 через трубопровод 9, непосредственно сжимают в компрессионной установке 20, не отделяя воду перед проведением сжатия.

Компрессионная установка предпочтительно включает два или более компрессора, соединенных последовательно, или стадий сжатия 21, 21', 21", соединенных соединительными трубопроводами 28. Воду, направляемую по питающему трубопроводу 30, вводят в сжатый и, таким образом, нагретый газ в промежутках между стадиями сжатия в соединительные трубопроводы 28 при помощи водяных инжекторов 29, 29'. Вода охлаждает и насыщает газ перед следующей стадией сжатия.

Газ обычно сжимают в компрессионной установке 20 до давления, обычно в 2-5 раз превышающего рабочее давление регенерационной колонны, что соответствует давлению газа, выходящего из компрессионной установки, приблизительно от 0,2 до 1,0 МПа (от 2 до 10 бар). Обычно давление газа, извлекаемого из компрессионной установки, составляет приблизительно от 0,4 до 0,8 МПа (от 4 до 8 бар).

Сжатый и нагретый газ, выходящий из компрессионной установки 20 через трубопровод 22, охлаждают в теплообменнике 23, в котором происходит конденсация некоторого количества воды и поглотителя с нагреванием теплоносителя в трубопроводе 32. Водяной пар в трубопроводе 22', включающий конденсат и газ, затем дополнительно охлаждают в охлаждающем устройстве 24, после чего конденсат и газ разделяют в сепараторе 25. Газообразную фазу удаляют из сепаратора 25 через трубопровод 31 для СО₂ и направляют на дальнейшую обработку, например сжатие, сушку и захоронение. Жидкую фазу, получаемую в сепараторе 25 и в основном состоящую из воды, содержащей незначительное количество поглотителя, отводят из сепаратора в трубопровод 27 для жидкости с возможным регулированием посредством клапана 26 и подают рециклом в регенерационную колонну.

Сжатие общего количества газа, отбираемого из верхней части регенерационной колонны и включающего СO₂ и водяной пар, а также незначительное количество поглотителя, обеспечивает повышение температуры конденсации паров воды в газе. Это означает, что теплота, выделяемая при конденсации воды, может быть извлечена при повышенной температуре и использована при осуществлении способа.

Теплота газа, выходящего из компрессионной установки 20 по трубопроводу 22, например, может быть использована в качестве источника нагревания для кипятильника 11. Теплоноситель, выходящий из теплообменника 23, может быть использован по меньшей мере частично в качестве среднетемпературного теплоносителя, поступающего в кипятильник 11 по трубопроводу 13, или теплообменник 23 фактически представляет собой кипятильник 11.

Было произведено моделирование работы установки, предназначенной для улавливания СО₂ 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 СО₂ позволяет извлекать 85% СО₂, находящегося в отходящем газе. Для стандартной системы, показанной на Фиг.1, требуется кипятильник регенератора амина, имеющий нагрузку 152 МВт. Теплоту подводят в виде насыщенного водяного пара, имеющего давление 0,4 МПа абс. (4 бар абс.) и температуру 144°С. Температура конденсата водяного пара, выходящего из кипятильника, составляет 144°С. 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 по настоящему изобретению, пар, выходящий из регенерационной колонны, сжимают до давления, равного 0,6 МПа абс. (6 бар абс.) в течение 4 стадий сжатия. В промежутках между стадиями сжатия пар охлаждают введением воды. Температура сжатого пара составляет 144°С, а давление составляет 0,6 МПа абс. (6 бар абс.) Пар направляют в теплообменник, в котором его охлаждают до 133°С. Затем пар направляют в конденсатор для окончательного охлаждения до 25°С. Тепловая нагрузка теплообменника составляет 36 МВт. Эта теплота может быть непосредственно использована в кипятильнике, или она может быть использована для получения водяного пара, который может быть использован в кипятильнике.

Весь получаемый углекислый газ подвергают сжатию для хранения или утилизации. Нагрузка кипятильника снижается до 116 МВт, т.е. уменьшение составляет 36 МВт. Нагрузка компрессионной установки 20 для пара составляет 12 МВт. Тем не менее нагрузку на компрессор для углекислого газа снижают на 4 МВт. Полученное чистое повышение потребления энергии на сжатие составляет 8 МВт.

Соответственно, использование сжатия пара для повышения температуры конденсации воды, предлагаемое согласно настоящему изобретению, позволяет снижать потребление энергии на выработку пара в регенераторе с 152 МВт до 116 МВт, что снижает потребление энергии на выработку пара в регенераторе на 24%. Следует отметить, что повышение потребления энергии на сжатие составляет 8 МВт.

Изобретение относится к области улавливания СO₂ из газовой смеси. Регенерация обогащенного поглотителя, содержащего поглощенный CO₂, с получением регенерированного, или обедненного, поглотителя и CO₂. Обогащенный поглотитель регенерируют путем десорбции водяным паром в регенерационной колонне, в которой газ, в основном включающий высвобождаемый CO₂ и водяной пар, отбирают из верхней части колонны и разделяют с получением потока CO₂, который удаляют, и конденсированной воды, которую направляют рециклом в регенерационную колонну. Обеденный, или регенерированный, поглотитель отбирают из нижней части колонны. При этом газ, отбираемый из верхней части регенерационной колонны, перед его разделением на CO₂ и воду, сжимают и охлаждают за счет теплообмена с целью утилизации теплоты. 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, где поток обогащенного поглотителя вводят в регенерационную колонну (8), которая работает при атмосферном давлении или давлении, превышающем атмосферное; при этом в указанной регенерационной колонне (8) поглотитель протекает сверху вниз противотоком к потоку водяного пара, получаемого при нагревании обедненного поглотителя в нижней части регенерационной колонны (8), где газ, в основном включающий высвобождаемый CO₂ и водяной пар, отбирают из верхней части колонны (8) и разделяют с получением потока CO₂, который удаляют, и конденсированной воды, которую направляют рециклом в регенерационную колонну (8), где обедненный, или регенерированный, поглотитель отбирают из нижней части колонны (8),
где газ, отбираемый из верхней части регенерационной колонны (8), перед его разделением на CO₂ и воду, сжимают и охлаждают за счет теплообмена, с целью утилизации теплоты, и
где газ, отбираемый из верхней части регенерационной колонны (8), сжимают в компрессионной установке (200), включающей две или более стадии (21, 21', 21") сжатия, и между стадиями сжатия в сжатый газ вводят воду.

2. Способ по п.1, в котором поглотитель представляет собой аминный поглотитель.

3. Способ по п.1, в котором рабочее давление в регенерационной колонне (8) составляет 0,15 МПа (1,5 бар. абс.) или выше.

4. Способ по п.1, в котором газ, отбираемый из верхней части регенерационной колонны (8), перед его разделением на CO₂ и воду, сжимают до давления, в 2-5 раз превышающего рабочее давление регенерационной колонны (8).

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором сжатый газ охлаждают за счет теплообмена с водой для нагревания указанной воды с получением водяного пара.

6. Способ по п.5, в котором пар, получаемый при теплообмене, используют для получения пара нагреванием обедненного поглотителя в нижней части регенерационной колонны.

7. Способ улавливания CO₂ из газа, содержащего CO₂, включающий введение обедненного жидкого поглотителя и газа, содержащего CO₂, в абсорбер (3), 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 (3), где обогащенный поглотитель вводят в регенерационную колонну (8) по п.1.

8. Способ по п.7, в котором поглотитель представляет собой аминный поглотитель.

9. Способ по п.7, в котором рабочее давление в регенерационной колонне (8) составляет 0,15 МПа (1,5 бар. абс.) или выше.

10. Способ по п.7, в котором газ, отбираемый из верхней части регенерационной колонны (8), перед его разделением на CO₂ и воду, сжимают до давления, в 2-5 раз превышающего рабочее давление регенерационной колонны (8).

11. Способ по любому из пп.7-10, в котором сжатый газ охлаждают за счет теплообмена с водой для нагревания указанной воды с получением водяного пара.

12. Способ по п.11, в котором пар, получаемый при теплообмене, используют для получения пара нагреванием обедненного поглотителя в нижней части регенерационной колонны.

13. Регенератор жидкого поглотителя CO₂, включающий регенерационную колонну (8), которая работает при атмосферном давлении или давлении, превышающем атмосферное; трубопровод (5) для обогащенного поглотителя, предназначенный для введения обогащенного поглотителя в регенерационную колонну (8), средство (10) извлечения для отбора обедненного поглотителя из нижней части регенерационной колонны (8); кипятильник (11) для нагревания части отбираемого поглотителя перед его повторным введением в регенерационную колонну (8) для получения водяного пара; трубопровод (4) для обедненного поглотителя, предназначенный для подачи рециклом части поглотителя, отбираемой при помощи средства (10) извлечения, в абсорбер (3); газовый трубопровод (9) для отбора CO₂ и пара из верхней части регенерационной колонны (8) и средство (25) разделения для разделения газа, отбираемого из верхней части регенерационной колонны (8), на поток CO₂, который отводят из регенератора (8), и воду, которую направляют рециклом в регенерационную колонну (8); а также парокомпрессионную установку (20), предназначенную для сжатия CO₂ и водяного пара до давления от 0,2 до 1,0 МПа (от 2 до 10 бар), установленную между регенерационной колонной (8) и средством (25) разделения; при этом парокомпрессионная установка (20) представляет собой многостадийную компрессионную установку, включающую две или более стадии сжатия (21, 21', 22"), в которой установлены средства (29, 29') для введения воды в сжатый CO₂ и воду между стадиями сжатия.

14. Установка для улавливания CO₂ из газа, содержащего CO₂, включающая средство (4) для введения обедненного жидкого поглотителя и газа, содержащего CO₂, в абсорбер (3), в котором поглотитель и газ, содержащий CO₂, пропускают противотоком с получением потока газа, обедненного CO₂, и обогащенного поглотителя; средство (6) выпуска газа, обедненного CO₂, в окружающую среду; средство (5) извлечения обогащенного поглотителя и подачи обогащенного поглотителя в регенератор (8) по п.13.