УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ СО2 ИЗ СМЕШАННОГО ПОТОКА ГАЗА Российский патент 2013 года по МПК B01D53/62 

ОПИСАНИЕ

Настоящая заявка устанавливает приоритет по отношению к одновременно находящейся на рассмотрении предварительной заявке на патент США, озаглавленной «Устройство и способ усовершенствованного извлечения СО₂ из смешанного потока газа», US № 61/038494, поданной 21 марта 2008 г., содержание которой во всей полноте включается в настоящий документ путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу извлечения диоксида углерода (СО₂) из потока технологического газа, содержащего диоксид углерода и диоксид серы. Более конкретно, предложенное изобретение направлено на устройство обработки дымового газа на основе использования растворителя с целью извлечения СО₂ из потока дымового газа, в котором предусматривается наличие катализатора с целью повышения эффективности растворителя с точки зрения улавливания СО₂ из потока дымового газа или регенерации этого растворителя.

Уровень техники

При сгорании топлива, такого как уголь, нефть, торф, отходы и т.д., в предназначенной для сжигания установке образуется горячий технологический газ (или дымовой газ). Такой дымовой газ часто, помимо прочего, содержит диоксид углерода (СО₂). Неблагоприятное воздействие на окружающую среду выброса диоксида углерода в атмосферу общепризнано и стало стимулом для разработки способов, предусматривающих извлечение диоксида углерода из горячего технологического газа, образующегося при сгорании указанных выше видов топлив. Одно из ранее раскрытых устройств и способов направлено на одностадийное устройство и способ на основе использования охлажденного аммиака для извлечения диоксида углерода (СО₂) из потока образованного продуктами сгорания дымового газа.

Известные устройства улавливания СО₂ на основе использования растворителя, такие как устройства и способы с использованием аммиака (САР), представляют собой относительно недорогое средство улавливания/извлечения СО₂ из потока газа, такого как, например, поток образованного продуктами сгорания дымового газа. Пример такого устройства и способа раскрыт в находящейся в стадии рассмотрения заявке РСТ/US2005/012794 (номер международной публикации WO 2006/022885 (изобретатель: Eli Gal)), поданной 12 апреля 2005 г. и озаглавленной «Ультраочистка газообразных продуктов сгорания, включая извлечение СО₂». В этом способе абсорбция СО₂ из потока дымового газа происходит в результате контакта потока дымового газа, содержащего СО₂, с охлажденным ионогенным раствором (или суспензией) аммиака.

Фиг. 1А представляет собой схему, в общих чертах изображающую устройство обработки дымового газа 15, предназначенное для извлечения различных загрязняющих веществ из потока дымового газа FG, выходящего из огневого пространства котла 26, используемого в системе парового генератора, например, на электростанции. Данное устройство включает устройство 70 извлечения СО₂, предназначенное для извлечения СО₂ из потока дымового газа FG перед выбросом потока очищенного дымового газа в дымовую трубу 90 (или, в качестве альтернативы, дополнительной обработкой). Кроме того, оно предназначено для производства СО₂, извлеченного из потока дымового газа FG. Детали устройства 70 для извлечения СО₂ в общих чертах изображены на фиг.1В.

Как показано на фиг.1В, устройство 70 для извлечения СО₂ включает устройство улавливания 72, предназначенное для улавливания/извлечения СО₂ из потока дымового газа FG и устройство регенерации 74, предназначенное для регенерации ионогенного раствора аммиака, использованного для извлечения СО₂ из потока дымового газа FG. Детали устройства улавливания 72 в общих чертах изображены на фиг.1С.

На фиг.1С в общих чертах изображено устройство улавливания 72 устройства 70 улавливания СО₂ (фиг.1А). В этом устройстве устройство улавливания 72 представляет собой устройство улавливания СО₂ на основе использования растворителя. Более конкретно, в данном примере используемый растворитель представляет собой охлажденный аммиак. В устройстве/способе извлечения СО₂, основанных на использовании охлажденного аммиака (САР), предусматривается наличие абсорбционной камеры, в которой абсорбирующий ионогенный раствор аммиака (ионогенный раствор аммиака) вступает в контакт с потоком дымового газа (FG), содержащим СО₂. Как правило, ионогенный раствор аммиака является водным и может состоять, например, из воды и ионов аммония, бикарбонатных ионов, карбонатных ионов и/или карбаматных ионов. Один из примеров известного устройства извлечения СО₂ способом САР представлен на схеме фиг.1С.

Как видно на фиг.1С, абсорбционная камера 170 предназначена для приема потока дымового газа FG, поступающего, например, из огневого пространства котла 26, работающего на ископаемом топливе (см. фиг.1А). Она также предназначена для приема обедненного ионогенного раствора аммиака, подаваемого из устройства регенерации 74 (см. фиг.1В). Обедненный ионогенный раствор аммиака вводят в камеру 170 через устройство 121 распределения жидкости, тогда как поток дымового газа FG вводят в абсорбционную камеру 170 через отверстия 76 для дымового газа.

Ионогенный раствор аммиака приводят в контакт с потоком дымового газа посредством устройства 111 газожидкостного контакта (далее - массообменное устройство (mass transfer device - MTD)), используемого для осуществления контакта потока дымового газа с растворителем и расположенного в абсорбционной камере 170 и на траектории, по которой поток дымового газа следует от точки входа через входное отверстие 76 к выходу 77 из камеры. Данное устройство 111 газожидкостного контакта может представлять собой, например, один или более общеизвестный структурированный или неупорядоченный насадочный материал или их сочетание.

Вступив в контакт с потоком дымового газа, ионогенный раствор аммиака абсорбирует СО₂ из потока дымового газа, таким образом, ионогенный раствор аммиака насыщается СО₂ (образуется обогащенный раствор). Обогащенный ионогенный раствор аммиака продолжает течь вниз через массообменное устройство, после чего собирается в нижней части 78 абсорбционной камеры 170. Затем обогащенный ионогенный раствор аммиака регенерируют при помощи устройства регенерации 74 (см. фиг 1В) с целью высвобождения СО₂, абсорбированного ионогенным раствором аммиака из потока дымового газа. СО₂, высвобожденный из ионогенного раствора аммиака, может быть затем направлен на хранение или на другие заранее определенные цели или варианты использования. После высвобождения СО₂ из ионогенного раствора аммиака этот ионогенный раствор аммиака называют обедненным раствором. Обедненный ионогенный раствор аммиака опять готов к поглощению СО₂ из потока дымового газа и может быть снова направлен в устройство 121 распределения жидкости, тем самым его опять вводят в абсорбционную камеру 170. Детали устройства регенерации 74 показаны на фиг.1Е. Устройство 74 включает регенерационную камеру 195. Регенерационная камера 195 предназначена для приема обогащенного раствора, подаваемого из устройства улавливания 72, и для возвращения обедненного раствора в устройство улавливания 72 после отделения СО₂ от обогащенного раствора.

В ходе процесса регенерации обогащенный ионогенный раствор аммиака нагревают так, что содержащийся в этом растворе СО₂ отделяется от охлажденного раствора аммиака. После отделения от СО₂ аммиак (аммиачный сток) возвращают в устройство улавливания для дальнейшего улавливания СО₂ из потока газа.

Известные в настоящее время технологии улавливания СО₂ на основе использования растворителя, обычно, предусматривают потребление, приблизительно, 20-30% энергии, вырабатываемой данной энергоустановкой, которая нужна для того, чтобы способ улавливания СО₂ функционировал эффективно. Кроме того, в этих технологиях часто значительная доля термической энергии, производимой котлом/ребойлером (производительность котла) затрачивается на регенерацию раствора амина с целью его повторного использования для улавливания СО₂ из потока дымового газа. Коротко говоря, хотя технологии улавливания СО₂ из потока дымового газа известны, для их эффективного функционирования нужно огромное количество энергии. Кроме того, чтобы сделать максимальным/оптимизировать время, в течение которого дымовой газ находится в контакте с амином, физический размер резервуаров абсорбера и/или регенератора в обычном устройстве должен быть очень большим. Стоимость проектирования и воплощения таких крупногабаритных колонн очень высока. Кроме того, физическое пространство, необходимое для размещения этих резервуаров на технологической площадке, весьма значительно. Когда место ограничено, должны предприниматься дополнительные меры для обеспечения эксплуатации этих резервуаров/устройств в ограниченном пространстве, если это возможно.

Сущность изобретения

Варианты настоящего изобретения предусматривают обеспечение устройства обработки дымового газа, предназначенного для использования с котлом, работающим на ископаемом топливе. Вкратце, с точки зрения конструкционного решения, один из вариантов осуществления этого устройства, среди прочего, может быть реализован как устройство для обработки дымового газа, включающее абсорбционную колонну, предназначенную для приема смешанного потока газа, содержащего диоксид углерода, и для осуществления его контакта с растворителем; в данной абсорбционной колонне находится насадочный материал, покрытый катализатором.

Варианты осуществления настоящего изобретения также могут рассматриваться как обеспечивающие способы обработки смешанного потока газа, где один из способов включает следующие стадии: прием потока дымового газа из огневого пространства котла; осуществление контакта этого потока дымового газа с растворителем и осуществление контакта растворителя с катализатором.

Другие устройства, способы, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области при изучении прилагаемых чертежей и подробного описания. Подразумевается, что такие дополнительные устройства, способы, отличительные признаки и преимущества включаются в это описание, входят в объем настоящего изобретения и охраняются прилагаемой формулой изобретения.

Краткое описание чертежей

Многие аспекты настоящего изобретение могут быть лучше поняты при рассмотрении прилагаемых чертежей. При изображении компонентов на чертежах не учитывался масштаб, вместо этого внимание было уделено доходчивости пояснения принципов настоящего изобретения. Кроме того, на этих чертежах одинаковыми номерами позиций обозначены аналогичные части на разных видах. Далее изобретение описывается более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1А - 1С представляют собой схемы, на которых в общих чертах изображено устройство 15 обработки дымового газа, предназначенное для извлечения СО₂.

Фиг.2А - 2D представляют собой схемы, в общих чертах поясняющие пример насадочных материалов 315, на стенках/поверхности которых иммобилизован катализатор, способный удерживать СО₂.

Фиг. 3 представляет собой схему, на которой в общих чертах изображены соответствующие участки устройства 70 для улавливания СО₂ с использованием амина или аммиака, и где абсорбер 110 и регенератор 330 снабжены насадочными материалами 315 и 335 соответственно, которые покрыты катализатором, способным удерживать СО₂.

Подробное описание изобретения

Предложенное изобретение направлено на повышение эффективности улавливания СО₂ в устройстве/способе улавливания СО₂ на основе использования растворителя (амина/аммиака). В одном из вариантов осуществления предложенного изобретения, схематично изображенном на фиг.2А - 3, предусматривается наличие массообменного устройства MTD 315 (или насадочных материалов), образованного, например, одним или более носителем 320 и расположенного во внутренней части абсорбционной камеры 110 (фиг.3). Носитель (носители) 320 покрыты катализатором 425.

Фиг.2А - 2D представляют собой схемы, на которых в общих чертах изображены насадочные материалы 315, покрытые твердым материалом 425, способным удерживать СО₂. На фиг. 2В и 2С показано, что насадочные материалы 315 могут состоять, например, из последовательности гофрированных носителей 320, расположенных в непосредственной близости друг к другу так, что образуется группа каналов 334, по которым перемещается дымовой газ, поступающий в абсорбционную камеру 110. Катализатор 425 нанесен на одну или более поверхность каждого из гофрированных носителей 320.

Катализатор, нанесенный на носитель (носители) 320, предпочтительно, является гетерогенным катализатором. Кроме того, катализатор 425, предпочтительно, обладает средней основностью/реактивностью по отношению к СО₂ и большой площадью удельной поверхности, например, 100 - 1000 м²/г. Предпочтительно, катализатор 425 представляет собой выпускаемый серийно катализатор с большой площадью поверхности по БЭТ (Брунауэр, Эммет, Теллер) и пористостью (полимер, оксиды металлов, SiO₂, молекулярные сита и т.д.), который должен обладать способностью накапливать или удерживать СО₂ при среднем уровне взаимодействия (основности) с катализатором. Основность поверхности может быть отрегулирована, например, путем обработки поверхности щелочным/щелочноземельным металлом или оксидом переходного металла с целью повышения способности адсорбировать СО₂. Катализатор 425 может быть иммобилизован на носителе (носителях) 320 при помощи, например, известных технологий реактивной грунтовки.

При функционировании устройства поток дымового газа вступает в контакт с насадочными материалами 315 и, таким образом, носителем 320, который покрыт (снабжен слоем) катализатора 425, способного удерживать/задерживать СО₂ из потока дымового газа на, по меньшей мере, некоторое время. При удерживании СО₂ на катализаторе, расположенном на носителе 320, СО₂ подвергается воздействию растворителя, протекающего по насадочным материалам 115 противоточно по отношению к потоку дымового газа, более длительное время, таким образом, увеличивается вероятность того, что СО₂ будет захвачен растворителем.

Таким образом, становится возможным опосредованно увеличить время контакта СО₂, содержащегося в потоке дымового газа, с растворителем (амин/аммиак) в абсорбционной колонне 110 и, таким образом, увеличить количество СО₂, который будет адсорбирован на поверхности твердых материалов. Для этого в одном из вариантов представленного изобретения предлагается, чтобы твердый материал, способный удерживать (адсорбировать) СО₂ в течение некоторого времени, был иммобилизован (нанесен) на одной или более поверхности насадочных материалов 315, используемых в абсорбционной колонне 110 (фиг.3) устройства улавливания СО₂ на основе использования растворителя.

Фиг.3 представляет собой схему, на которой в общих чертах изображены соответствующие участки устройства 300 для улавливания СО₂ с использованием растворителя (например, амина или аммиака), предназначенного для эксплуатации при обработке потока дымового газа, поступающего, например, из работающего на ископаемом топливе котла электростанции. Устройство 300 включает абсорбционную колонну 110, в которой имеются насадочные материалы 315, покрытые катализатором 425 на одной или более поверхности. В имеющейся регенерационной колонне 330 находятся насадочные материалы 339, которые покрыты катализатором 425 на одной или более поверхности.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на ограниченное количество предпочтительных вариантов его осуществления, специалистам в данной области понятно, что внесение различных изменений и произведение замены его элементов на эквивалентные может быть осуществлено без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, многочисленные модификации с целью приспособления конкретной ситуации или материала к положениям настоящего изобретения могут быть произведены без выхода за пределы его основного объема. Следовательно, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами его осуществления, описанными в качестве считающегося наилучшим способа реализации данного изобретения, напротив, изобретение включает все варианты осуществления, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, использование терминов первый, второй и т.д. не означает какого-либо порядка или степени важности, напротив, термины первый, второй и т.д. используются для отличия одного элемента от другого.

Изобретение относится к устройству и способу обработки дымового газа, основанное на использовании растворителя и предназначенное для извлечения СО₂ из потока дымового газа. Устройство содержит катализатор, нанесенный на носитель. Катализатор подбирают так, чтобы он обладал способностью удерживать СО₂, по меньшей мере, в течение некоторого времени, тем самым увеличивая время контакта СО₂ и растворителя. Изобретение позволяет увеличить эффективность улавливания диоксида углерода на основе использования растворителя. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система обработки дымового газа, содержащая:
абсорбционную колонну, содержащую насадочные материалы, на которые нанесен катализатор, входное отверстие для смешанного потока газа, предназначенное для осуществления контакта смешанного потока газа, содержащего диоксид углерода, с насадочными материалами для ускоренного катализатором улавливания диоксида углерода на поверхности насадочных материалов, и входное отверстие для растворителя, содержащего катализатор, предназначенное для осуществления контакта растворителя с захваченного диоксида углерода из насадочных материалов и получения обогащенного диоксидом углерода растворителя.

2. Система по п.1, в которой катализатор является гетерогенным катализатором.

3. Система по п.1, в которой указанный растворитель основан на амине или аммиаке.

4. Система по п.1, в которой насадочные материалы предназначены для продления времени контакта насадочных материалов и смешанного потока газа, содержащего диоксид углерода.

5. Система по п.1, в которой указанный растворитель охлаждают до осуществления его контакта с указанным удерживаемым диоксидом углерода.

6. Система по п.1, дополнительно включающая регенерационную колонну, содержащую насадочные материалы, на которые нанесен катализатор; входное отверстие для обогащенного диоксидом углерода растворителя, предназначенное для осуществления контакта насадочного материала с обогащенным диоксидом углерода растворителя для ускоренной катализатором карбоматизации для получения обедненного диоксидом углерода растворителя.

7. Система по п.6, в которой катализатор в регенерационной колонне является гетерогенным катализатором.

8. Система по п.6, в которой указанный обогащенный диоксидом углерода растворитель основан на амине или аммиаке.

9. Система по п.6, в которой обедненный диоксидом углерода растворитель нагревают до или во время осуществления его контакта с насадочным материалом.

10. Система по п.6, в которой может быть организована циркуляция указанного обедненного диоксидом углерода растворителя в абсорбционной колонне для использования в качестве указанного растворителя.

11. Способ очистки смешанного потока газа, включающий:
пропускание смешанного потока газа, содержащего диоксид углерода, через абсорбционную колонну, содержащую насадочные материалы, на которые нанесен катализатор, где насадочные материалы предназначены для осуществления контакта между смешанным потоком газа и насадочными материалами для ускоренного катализатором улавливания диоксида углерода из смешанного потока газа на поверхности насадочных материалов, осуществления контакта указанной поверхности насадочных материалов с растворителем для извлечения захваченного диоксида углерода из насадочных материалов и для получения обогащенного диоксидом углерода растворителя.

12. Способ по п.11, в котором катализатор является гетерогенным катализатором.

13. Способ по п.11, в котором указанный растворитель основан на амине или аммиаке.

14. Способ по п.11, в котором насадочные материалы предназначены для увеличения времени контакта между насадочными материалами и смешанным потоком газа, содержащего диоксид углерода.

15. Способ по п.11, в котором указанный растворитель охлаждают до или во время осуществления его контакта с насадочными материалами.

16. Способ по п.11, дополнительно включающий пропускание указанного обогащенного диоксидом углерода растворителя через регенерационную колонну, содержащую насадочные материалы, на которые нанесен катализатор, где насадочные материалы предназначены для осуществления контакта с обогащенным диоксидом углерода растворителем для ускоренной катализатором карбоматизации растворителя для получения обедненного диоксидом углерода растворителя.

17. Способ по п.16, в котором катализатор регенерационной колонны является гетерогенным катализатором.

18. Способ по п.16, в котором указанный обогащенный диоксидом углерода растворитель основан на амине или аммиаке.

19. Способ по п.16, в котором указанный обогащенный диоксидом углерода растворитель нагреваю до или во время его пропускания через указанную регенерационную колонну.

20. Способ по п.16, в котором может быть организована циркуляция указанного обедненного диоксидом углерода растворителя, содержащего катализатор, в абсорбционной колонне для использования в качестве указанного растворителя.