Способ выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ Российский патент 2023 года по МПК B01D53/62 B01D53/22 C01B32/50 

Изобретение относится к способам селективного извлечения диоксида углерода из газовой смеси с азотом методом мембранного газоразделения и может быть использовано в газовой и других отраслях химической промышленности, в электроэнергетической промышленности.

Известна установка для получения углекислоты (авторское свидетельство СССР № 1162459 А, опубл. 23.06.1985), которая описывает устройство и способ для улавливания диоксида углерода из дымовых газов. Принцип работы основан на сорбционном методе, а точнее, на аминовой очистке. В способе дымовые газы орошаются раствором моноэтаноламина при температуре 33-35°С, который сорбирует преимущественно диоксид углерода, а затем раствор направляют в десорбер, где нагревают до 117-120°С, в результате чего образуется парогазовая смесь. После регенерации сорбент охлаждают до 33-35°С, а улетучивание сорбента компенсируют подпиткой свежим раствором по трубопроводу.

Известна установка для получения диоксида углерода из дымовых газов (авторское свидетельство СССР № 982757 А1, опубл. 23.12.1982), которая описывает установку аминовой очистки дымовых газов. Удельный расход электроэнергии установки приводится равной 412,6 кВт⋅ч/т.

Недостатками способов, основанных на методе аминовой очистки, является высокая энергоемкость процесса, которая объясняется необходимостью постоянного нагрева абсорбента, затем его охлаждением, энергозатратами на два насоса для переноса сорбента между абсорбером и десорбером, а также необходим насос для обеспечения подпитки свежим абсорбентом.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ разделения газов с использованием мембран с очисткой от пермеата для удаления CO₂ из выхлопных газов сгорания (патент США № 9856769 B2, опубл. 02.01.2018) (прототип). Способ представляет собой процесс, включающий разделение газов, на основе мембран для контроля выбросов диоксида углерода в процессах сгорания, в которых выбросы диоксида углерода таким образом контролируются. Способ включает направление первой части потока выхлопных газов на стадию улавливания диоксида углерода, при одновременном пропускании второй части потока выхлопных газов через питающую сторону мембраны, пропускание потока очищающего газа, обычно воздуха, через пермеатную сторону, затем пропускание пермеата/очищающего газа обратно в камеру сгорания.

Недостатком известного способа является низкая концентрация диоксида углерода на выходе. При входящем потоке дымовых газов около 10 т/ч, концентрация CO₂ в линии его извлечения около 67 об.%, а в линии сброса в атмосферу порядка 2 об.%.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение энергоэффективности выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ в сравнении с методами сорбционной очистки и повышение концентрации выделенного диоксида углерода в сравнении с методами мембранного газоразделения.

Техническая задача решается путем разработки способа выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ. Принцип работы заявляемого способа основан на методе мембранного газоразделения и предполагает использование мембранного каскада типа «непрерывная мембранная колонна» с заявляемой конфигурацией. Принципиальная схема выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ представлена на фиг.1. Способ заключается в том, что поток дымовых газов, состоящий из N₂ и CO₂ с концентрациями 83 и 17 мол.%, соответственно, подают по линии 1 со скоростью 976154 кмоль/ч под давлением 0,1 МПа в компрессор 2, откуда поступает в первый мембранный модуль 3, где разделяется на два потока, один из которых отводится из первого мембранного модуля 3 с концентрацией диоксида углерода 0,4 мол.% по линии 4, второй поток поступает в вакуум-компрессор 5, откуда поступает во второй мембранный модуль 6, где разделяется на два потока, один из которых отводится из второго мембранного модуля 6 с концентрацией диоксида углерода 97,7 мол.% и поступает на вакуумный насос 7, второй поток направляют в третий мембранный модуль 8, где он разделяется на два потока, один из которых смешивают с потоком дымовых газов перед вводом в первый мембранный модуль 3, а второй поток смешивают с потоком, вышедшим из первого мембранного модуля 3, перед вакуум-компрессором 5. Компрессором 2 поддерживают давление в надмембранном пространстве первого мембранного модуля 3 равное 0,15 МПа, вакуумным насосом 7 поддерживают давление в подмембранном пространстве второго мембранного модуля 6 равное 0,02 МПа, вакуум-компрессором 5 поддерживают давление 0,02 МПа в подмембранных пространствах первого мембранного модуля 3 и третьего мембранного модуля 8, а также поддерживают давление после себя, во втором мембранном модуле 6 равное 0,15 МПа.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ, состоящая из линии 1, компрессора 2, первого мембранного модуля 3, линии 4, вакуум-компрессора 5, второго мембранного модуля 6, вакуумного насоса 7, третьего мембранного модуля 8.

Существенным признаком изобретения является взаимное расположение мембранных модулей, схема их соединения и организация потоков в ней.

Входные параметры выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ представлены в таблице 1. Расчет выходных параметров выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ проводят в среде моделирования технологических процессов Aspen Plus.

Интеграция пользовательского блока мембранного модуля, созданного в Aspen Custom Modeler в технологическую среду Aspen Plus, была осуществлена научным коллективом РХТУ им. Д.И. Менделеева. Математическая модель производит расчет технологического процесса, результатом которого являются составы газовых смесей в отбираемых линиях (линия 4 на выходе из первого мембранного модуля 3 и состав газовой смеси после второго мембранного модуля 6 перед вакуумным насосом 7), а также расчет энергоемкости процесса, результатом которого является количество электроэнергии, затраченной на достижение результата. Выходные параметры выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ приведены в таблице 2. Давления в надмембранных и подмембранных полостях мембранных модулей поддерживают компрессором 1, вакуум-компрессором 5 и вакуумным насосом 7, сумму энергозатрат которых приводят как общие энергозатраты процесса.

Таблица 1. Входные параметры выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ. Параметр Значение Входящий поток дымовых газов, кмоль/ч 976154 Давление входящего потока, МПа 0,1 Температура, °С 51 Концентрация N₂ во входящем потоке дымовых газов, мол.% 83 Концентрация CO₂ во входящем потоке дымовых газов, мол.% 17 Давление в надмембранных пространствах мембранных модулей, МПа 0,15 Давление в подмембранных пространствах мембранных модулей, МПа 0,02 Проницаемость мембраны по CO₂, GPU^* 1000 Селективность мембраны для CO₂/N₂ 50

Таблица 2. Выходные параметры выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ. Параметр Значение Концентрация N₂ на выходе из первого мембранного модуля (линия 4), мол.% 99,6 Концентрация CO₂ на выходе из второго мембранного модуля, перед вакуумным насосом, мол.% 97,2 Массовый поток после второго мембранного модуля, перед вакуумным насосом, т/ч 6,8 Общие энергозатраты процесса, кВт⋅ч 2530 Удельная энергоемкость процесса выделения CO₂, кВт⋅ч/т 372

Таким образом, в заявляемом методе удельная энергоемкость процесса выделения CO₂ составляет 372 кВт⋅ч/т, что более чем на 10 % ниже, чем в методе аминовой очистки (412,6 кВт⋅ч/т), а концентрация выделяемого диоксида углерода равна 97,2 мол.%, что позволяет снизить энергозатраты на его дальнейшее сжижение.

Изобретение относится к селективному извлечению диоксида углерода из газовой смеси с азотом методом мембранного газоразделения. Для выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ поток дымовых газов, состоящий из N₂ и CO₂ с концентрациями 83 и 17 мол.% соответственно, подают со скоростью 976154 кмоль/ч под давлением 0,15 МПа в первый мембранный модуль. Поток разделяют на два потока, один из которых отводят из надмембранного пространства первого мембранного модуля. Второй поток отводят из подмембранного пространства под давлением 0,02 МПа и подают во второй мембранный модуль под давлением 0,15 МПа, где разделяют на два потока, один из которых отводят из подмембранного пространства второго мембранного модуля под давлением 0,02 МПа. Второй поток направляют в третий мембранный модуль под давлением 0,15 МПа, где его разделяют на два потока. Первый из потоков смешивают с потоком дымовых газов перед вводом в первый мембранный модуль, а второй поток смешивают с потоком, вышедшим из подмембранного пространства первого мембранного модуля. Изобретение позволяет повысить энергоэффективность выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ, повысить концентрацию выделенного диоксида углерода. 1 ил., 2 табл.

Способ выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ, заключающийся в том, что поток дымовых газов, состоящий из N₂ и CO₂ с концентрациями 83 и 17 мол.% соответственно, подают со скоростью 976154 кмоль/ч под давлением 0,15 МПа в первый мембранный модуль, где поток разделяется на два потока, один из которых отводится из надмембранного пространства первого мембранного модуля, второй поток отводится из подмембранного пространства под давлением 0,02 МПа и поступает во второй мембранный модуль под давлением 0,15 МПа, где разделяется на два потока, один из которых отводится из подмембранного пространства второго мембранного модуля под давлением 0,02 МПа, второй поток направляют в третий мембранный модуль под давлением 0,15 МПа, где он разделяется на два потока, один из которых смешивают с потоком дымовых газов перед вводом в первый мембранный модуль, а второй поток смешивают с потоком, вышедшим из подмембранного пространства первого мембранного модуля.