2
СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕМБРАН С ПРОДУВКОЙ ПЕРМЕАТА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ CO ИЗ ПРОДУКТОВ СЖИГАНИЯ
METHOD OF GAS CLEANING BY MEMBRANES WITH PERMEATE BLOW FOR REMOVAL OF CARBON DIOXIDE FROM COMBUSTION PRODUCTS

Данная заявка устанавливает преимущество предварительной заявки на патент США, сер. №61/127,415, зарегистрированной 12 мая 2008 и включенной здесь посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к мембранным способам разделения газов, и в частности к способам с применением продувочного газа на стороне пермеата мембран для удаления диоксида углерода из продуктов сжигания.
Предшествующий уровень техники
Во многих способах сжигания вырабатываются топочные газы, загрязненные диоксидом углерода, вносящим вклад в глобальное потепление и разрушение окружающей среды.
Такие газовые потоки трудно обработать технически и экономически практичными способами, и остается потребность в более совершенных методиках обработки.
Разделение газов с помощью мембран является хорошо известной технологией. В промышленном производстве обычно применяют общую разницу давления между сторонами подачи и пермеата, обычно путем сжатия входящего потока или поддержания стороны пермеата мембраны под частичным вакуумом.
Из литературы известно, что движущая сила для прохождения через мембрану может обеспечиваться путем пропускания продувочного газа вдоль стороны пермеата мембран, что позволяет снизить парциальное давление необходимого проникающего вещества до уровня ниже его парциального давления на стороне подачи. В этом случае общее давление на обеих сторонах мембраны может быть одним и тем же, общее давление на стороне пермеата может быть выше, чем на стороне подачи, или может существовать дополнительная движущая сила, обеспечиваемая путем сохранения более высокого общего давления подачи, чем общее давление при проходе.
Применение продувочного газа наиболее часто предлагается в связи с разделением воздуха для получения обогащенного азотом или кислородом воздуха или с дегидратацией. Примеры патентов, обучающих применению продувочного газа на стороне пермеата для облегчения разделения воздуха, включают патенты США №№5,240,471; 5,500,036 и 6,478,852. Примеры патентов, обучающих применению продувочного газа в способе дегидратации, включают 4,931,070; 4,981,498 и 5,641,337.
Также известна конфигурация пути потока внутри мембранного модуля, сформированная так, чтобы потоки подаваемого газа и продувочного газа располагались в противоположном направлении как можно дальше друг от друга, например, из патентов США 5,681,433 и 5,843,209.
Изложение сущности изобретения
Изобретение относится к способу, включающему мембранное разделение газа для контроля выброса диоксида углерода при способах сжигания, и для контроля способов сжигания, при которых выделяется диоксид углерода.
Отходящие газы при сжигании или печные газы обычно упоминаются как топочный газ и возникают от большого количества печей, отопительных котлов и бойлеров во всех областях промышленности. В частности, электростанции вырабатывают огромные количества топочного газа. Небольшая угольная электростанция на 100 мегаватт может вырабатывать более 300 миллионов стандартных кубических футов в сутки топочного газа.
Главными компонентами выхлопных газов при сгорании обычно являются азот, диоксид углерода и водяной пар. Другие компоненты, которые могут присутствовать, обычно в очень маленьких количествах, включают кислород, водород, SOx, NOx и несгоревшие углеводороды. Концентрация диоксида углерода в топочном газе обычно составляет примерно 20 об.%.
В дополнение к газовым компонентам топочный газ при сгорании содержит суспендированные частицы в форме летучей золы и сажи. Этот материал обычно удаляют с помощью нескольких этапов фильтрации перед выведением газа в трубу. Здесь допускается, что газ уже обработан данным способом перед осуществлением способов изобретения.
Способ изобретения включает обработку фильтрованного отходящего газа для удаления диоксида углерода. В предпочтительных воплощениях уровень диоксида углерода в отходящем газе снижается до 5 об.% или ниже, наиболее предпочтительно до 3 об.% или ниже. Выброс такого потока в окружающую среду является менее вредным, чем выброс необработанного отходящего газа.
Способ сжигания, в котором образуются отходящие газы, может быть любого типа. Топливо может быть ископаемым топливом, таким как уголь, нефть или природный газ, или может происходить из любого другого источника, такого как газ из органических отходов, биомасса или другие горючие отходы. Топливо может сжигаться при смешивании с воздухом, обогащенным кислородом воздухом, или с чистым кислородом.
После этапа сжигания как такового топочный газ вначале подается на этап улавливания диоксида углерода. На этом этапе улавливания удаляется часть диоксида углерода из выделяемого потока, и он предпочтительно обеспечивается в форме концентрированного потока, такого как более 60, 70 или 80 об.% диоксида углерода, и наиболее предпочтительно в виде сверхкритической жидкости или жидкого продукта высокой чистоты. Поток концентрированного продукта может быть направлен на секвестрацию или на любое другое применение.
На этапе улавливания может применяться любая технология разделения, пригодная для извлечения диоксида углерода из потока концентрированного отходящего газа. Предпочтительными технологиями являются абсорбция, такая как аминовая очистка или сорбция охлажденным аммиаком, мембранное разделение, и конденсация.
Поток отходящего газа с этапа улавливания все еще содержит диоксид углерода, но обычно в более низкой концентрации, чем в неочищенном отходящем потоке. Обычно эта концентрация составляет примерно до 10 об.% диоксида углерода.
Поток отходящего газа направляют на обработку в модуль для мембранного разделения. Модуль содержит мембраны с селективной проницаемостью для диоксида углерода по сравнению с азотом и кислородом. Предпочтительно, чтобы мембрана обеспечивала проницаемость по отношению к диоксиду углерода по меньшей мере 300 GPU (единиц газопроницаемости, от «gas permeation unit»), более предпочтительно по меньшей мере примерно 500 GPU и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 1,000 GPU при рабочих условиях способа. Также необходима селективность в отношении диоксида углерода/азота по меньшей мере примерно 10 или более предпочтительно 20 в рабочих условиях способа.
Отходящий газ протекает вдоль стороны подачи мембран, а продувочный газ из воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода течет вдоль стороны пермеата для обеспечения или увеличения движущей силы для проникновения через мембрану. Продувочный поток забирает предпочтительно проникающий диоксид углерода. Продувочный/проникающий поток затем извлекается из мембранного модуля и возвращается в топку для образования по меньшей мере части воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода, подаваемого на этап сжигания.
С применением кислородсодержащего потока, предназначенного для топки в качестве продувочного газа, этап мембранного разделения осуществляется очень эффективным образом, без введения каких-либо дополнительных нежелательных компонентов в зону сжигания.
Способ особенно пригоден в приложениях, чувствительных к изменению энергии, что почти всегда происходит в случае, когда вырабатываются очень большие потоки от электростанций и тому подобного.
Способ также особенно пригоден при разделениях ограниченным коэффициентом давления, как более подробно разъясняется ниже.
Этап мембранного разделения может проводиться с применением одного или нескольких индивидуальных мембранных модулей. Могут применяться любые модули, способные работать в условиях продувки пермеата. Предпочтительно модули имеют форму модулей с полыми волокнами, пластинчатых модулей или рулонных модулей. Известны все три типа модулей, и их конфигурация и работа при продувке, включая режимы противоточной продувки, описаны в литературе.
В способе может применяться модуль с одной мембраной, но в большинстве случаев при разделении применяются модули с множеством мембран, расположенные последовательно или параллельно, как известно в данной области техники. Могут применяться модули с любым числом мембран.
Способ может быть дополнен путем работы мембранного модуля под более высоким давлением на стороне подачи по сравнению со стороной пермеата, что таким образом повышает трансмембранную движущую силу для проницаемости.
Особо предпочтительно, чтобы направление потока подаваемого газа через мембрану на стороне подачи и направление потока продувочного газа через мембрану на стороне пермеата были по существу противоположными друг другу. В альтернативе, относительные направления потоков могут быть по существу встречными или менее предпочтительно параллельными.
В остаточном потоке содержание диоксида углерода снижается примерно до менее 5 об.%, более предпочтительно до менее 3 об.% и наиболее предпочтительно до менее 2 об.%. Этот поток обычно, хотя и не обязательно, выбрасывается в окружающую среду. Снижение содержания диоксида углерода до 20%, 10% или менее от содержания в неочищенном потоке значительно уменьшает вред выбрасывания потока для окружающей среды.
Изобретение в основном воплощении включает три этапа: этап сжигания, этап улавливания диоксида углерода и этап мембранного разделения на основе продувки, работающие в соответствии со следующей основной поточной схемой:
(a) выполнение способа сжигания путем сжигания смеси топлива и воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода с созданием таким образом отходящего потока, содержащего диоксид углерода и азот;
(b) выполнение этапа улавливания диоксида углерода для удаления части диоксида углерода в концентрированной форме из отходящего потока, с созданием таким образом потока сбросного газа с этапа улавливания, с меньшей концентрацией диоксида углерода, чем в отходящем потоке;
(c) обеспечение мембраны, имеющей сторону подачи и сторону пермеата и селективно проницаемой для диоксида углерода по сравнению с азотом и для диоксида углерода по сравнению с кислородом;
(d) пропускание по меньшей мере части потока сбросного газа через сторону подачи;
(e) пропускание воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода в качестве продувочного потока через сторону пермеата;
(f) выведение со стороны подачи сбросного потока со сниженным содержанием диоксида углерода;
(g) выведение со стороны пермеата потока пермеата, содержащего кислород и диоксид углерода;
(h) пропускание потока пермеата на этапе (а) в качестве по меньшей мере части из воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода, используемых на этапе (а).
Циркуляция потока пермеата на этапе сжигания является очень выгодной, поскольку помогает наращивать концентрацию диоксида углерода, проходящего на этап улавливания диоксида углерода, облегчая надлежащее удаление диоксида углерода на данном этапе.
В предпочтительном случае этап улавливания диоксида углерода также включает этап мембранного разделения, и способ включает следующие этапы:
(a) выполнение способа сжигания путем сжигания смеси топлива и воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода с созданием таким образом отходящего потока, содержащего диоксид углерода и азот;
(b) обеспечение первой мембраны, имеющей первую сторону подачи и первую сторону пермеата и селективной в отношении диоксида углерода по сравнению с азотом;
(c) поддержание движущей силы для трансмембранной проницаемости;
(d) пропускание по меньшей мере части потока сбросного газа через первую сторону подачи;
(e) вывод с первой стороны подачи первого остаточного потока со сниженным содержанием диоксида углерода по сравнению с отходящим потоком;
(f) выведение с первой стороны пермеата первого потока пермеата, содержащего диоксид углерода;
(g) обеспечение второй мембраны, имеющей вторую сторону подачи и вторую сторону пермеата и селективной в отношении диоксида углерода по сравнению с азотом и в отношении диоксида углерода по сравнению с кислородом;
(h) пропускание по меньшей мере части первого остаточного потока через вторую сторону подачи;
(i) пропускание воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода в качестве продувочного потока через вторую сторону пермеата;
(j) выведение со второй стороны пермеата сбросного потока со сниженным содержанием диоксида углерода;
(k) выведение со второй стороны пермеата второго потока пермеата, содержащего кислород и диоксид углерода;
(l) пропускание потока пермеата на этапе (а) в качестве по меньшей мере части из воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода, используемых на этапе (а).
В предпочтительных воплощениях данного типа поток пермеата с первого этапа мембранного разделения может быть охлажден и сжат до получения жидкого продукта из диоксида углерода для секвестрации или применения.
Первый тип мембранного разделения обычно, но не обязательно, работает как этап, обусловленный эффектами давления, с помощью компрессора для сжатия газа, поступающего на сторону подачи мембраны, вакуумного насоса для снижения давления на стороне пермеата мембраны или того и другого.
Многие материалы для мембран являются высокопроницаемыми для водяного пара, так что первый поток пермеата имеет тенденцию к содержанию высоких концентраций водяного пара, например 20 об.%, 30 об.% или более. Такое совместное проникновение воды и диоксида углерода является полезным, поскольку вода разбавляет концентрацию диоксида углерода на стороне пермеата и позволяет поддерживать движущую силу трансмембранного проникновения диоксида углерода.
Факультативно, благоприятный эффект совместного проникновения с водой может быть поддержан или усилен путем добавления водяного пара к первому потоку, подаваемому к мембране, если он не насыщен, или путем введения пара или водяных испарений между индивидуальными мембранными модулями, особенно по направлению к остаточному концу группы модулей.
В качестве другой альтернативы, движущая сила на первом этапе мембранного разделения может быть увеличена путем применения продувки паром на стороне пермеата мембраны.
Во всех этих случаях вода, присутствующая в потоке пермеата, может легко быть удалена путем охлаждения потока до конденсации воды после выведения потока пермеата из мембранного модуля.
Как упоминалось выше, изобретение является особо полезным, поскольку относится к обработке топочного газа электростанции. В этом аспекте предпочтительные способы включают три отдельных этапа мембранного разделения: (i) один этап улавливания диоксида углерода, работающий в целом так, как описано выше; (ii) дополнительный этап мембранного разделения, работающий в сочетании с компрессией и конденсацией, для получения продукта из диоксида углерода в виде жидкости или сверхкритической жидкости с этапа улавливания диоксида углерода; и (iii) этап на основе продувки, в котором входящий воздух или кислород для топки применяют в качестве продувочного газа, также работающий таким образом, как описано выше.
Примерное воплощение способа данного типа для обработки такого топочного газа включает следующие этапы:
(a) выполнение первого этапа мембранного разделения путем:
(i) обеспечения первого мембранного модуля, содержащего первую мембрану, имеющую первую сторону подачи и первую сторону пермеата;
(ii) обеспечения первой движущей силы для проникновения через мембрану путем поддержания первой стороны пермеата под частичным вакуумом;
(iii) пропускания потока топочного газа через сторону подачи;
(iv) отведения от первой стороны подачи первого остаточного потока со сниженным содержанием диоксида углерода;
(v) отведения от первой стороны пермеата первого потока пермеата, обогащенного диоксидом углерода;
(b) сжатие первого потока пермеата;
(c) охлаждение потока первого пермеата с конденсацией воды для получения сжатого, охлажденного потока первого пермеата;
(d) выполнение комбинации второго этапа мембранного разделения и этапа сжижения до образования жидкого продукта диоксида углерода;
(e) выполнение третьего этапа мембранного разделения посредством:
(i) обеспечения третьего мембранного модуля, содержащего третью мембрану, имеющую третью сторону подачи и третью сторону пермеата и селективно проницаемую к диоксиду углерода по сравнению с азотом;
(ii) пропускания по меньшей мере части первого остаточного потока через третью сторону подачи;
(iii) пропускания воздуха в качестве продувочного потока через третью сторону пермеата;
(iv) отвода от третьей стороны подачи обработанного потока топочного газа;
(v) отвода от третьей стороны пермеата третьего потока пермеата, содержащего кислород и диоксид углерода;
(f) применение третьего потока пермеата в качестве потока подачи воздуха для топки на электростанции.
Второй этап мембранного разделения обычно, но не обязательно, работает в качестве этапа, обусловленного эффектами давления, с применением компрессора для сжатия газа, поступающего на сторону подачи мембраны, вакуумного насоса для снижения давления на стороне пермеата мембраны или того и другого.
Способ с таким применением трех этапов мембранного разделения позволяет принимать поток топочного газа, содержащий, например, 5 об.%, 10 об.%, 15 об.% или 20 об.% диоксида углерода, и производить только воду, сжиженный или находящийся в форме сверхкритической жидкости диоксид углерода и обработанный топочный газ, содержащий низкий уровень, такой как 4 об.%, 2 об.%, 1 об.% или меньше, диоксида углерода для выброса.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 является схематическим чертежом поточной диаграммы для основного воплощения изобретения и того, как оно относится к обычному способу сжигания.
Фигура 2 является схематическим чертежом поточной диаграммы для воплощения изобретения, в котором применяется этап мембранного разделения на этапе улавливания диоксида углерода.
Фигура 3 является воплощением изобретения, относящегося к обработке топочного газа от электростанции или тому подобного.
Фигура 4 демонстрирует альтернативное воплощение изобретения, относящееся к обработке топочного газа от электростанции или тому подобного.
Подробное изложение сущности изобретения
Содержание газа приведено в объемных процентах, если не указано иное. Давление приведено в значениях абсолютного давления, в барах, если не указано иное.
Термины «выпускной газ», «сбросный газ» и «выходной поток» применяются взаимозаменяемо.
Изобретение относится к способу контроля выбросов диоксида углерода от процессов сжигания путем разделения газа на основе мембран и способам сжигания, включающим такое разделение газа.
Простая поточная диаграмма для основного воплощения изобретения показана на фигуре 1. Что касается этой фигуры, топочный поток 12 и потока воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода 23 вводят на этап или зону сжигания 11. Поток 23 состоит из продувочного потока 22, обсужденного ниже, и потока дополнительно подаваемого воздуха или кислорода 13.
Выпускной поток от сжигания 14, обычно содержащий 10-20 об.% диоксида углерода, отводится. Этот поток обычно содержит по меньшей мере диоксид углерода, водяной пар и азот, а также компоненты, упомянутые в разделе краткого изложения выше.
Поток направляется, по меньшей мере частично, на этап улавливания диоксида углерода 15. Этот этап может проводиться с помощью любой технологии или комбинации технологий, позволяющих создать поток концентрированного диоксида углерода из выпускного потока.
Этап улавливания обеспечивает поток продукта концентрированного диоксида углерода 16, предпочтительно содержащего более 60, 70 или 80 об.% диоксида углерода или выше. Этот поток может быть в газовой или жидкой фазе и может содержать, например, очищенный сжиженный диоксид углерода. Концентрированный поток может быть направлен для секвестрации или применяться или удаляться любым подходящим способом.
Поток сбросного газа 17 с этапа улавливания все еще содержит диоксид углерода в более низкой концентрации, чем исходный выпускной газ. Обычно, но не обязательно, эта концентрация составляет примерно 10 об.% диоксида углерода для котлов, работающих на угольном топливе, меньше для котлов, работающих на газовом топливе. Поток сбросного газа направляют на обработку на этап или модуль мембранного разделения 18. Модуль содержит мембраны 19, селективно проницаемые для диоксида углерода по сравнению с азотом и для диоксида углерода по сравнению с кислородом.
Сбросный газ течет через сторону подачи мембран; продувочный газ в виде воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода, поток 21, течет через сторону пермеата.
Поток пермеата захватывает предпочтительно проникающий поток диоксида углерода, и полученный поток пермеата 22 выводится из мембранного модуля и объединяется с потоком 13 до образования потока из воздуха или кислорода 23, подаваемого к топке.
В альтернативном воплощении поток 13 может быть не включен, а общая масса, содержащая кислород, подаваемая к топке, может быть обеспечена продувочным потоком.
В остаточном потоке 20 содержание диоксида углерода снижено до уровня менее примерно 5 об.%, более предпочтительно до менее 3 об.% и наиболее предпочтительно до менее 2 об.%. Обычно этот поток выбрасывается в окружающую среду.
Одним из дополнительных благоприятных последствий применения воздуха или кислорода, подаваемого для сжигания, в качестве продувки пермеата является то, что проникающий диоксид углерода, удаленный с продувочным газом, возвращается в камеру сжигания. Это повышает концентрацию диоксида углерода в отходящем газе, покидающем топку, облегчая нисходящее улавливание диоксида углерода.
Например, при обычном сжигании угля с воздухом обычно получается сбросный газ, содержащий 10-12% диоксида углерода, в то время как возвращение диоксида углерода в камеру сжигания в соответствии с учением данного изобретения позволяет повысить концентрацию в сбросном газе примерно до 15 или 20 об.%.
Из фигуры 1 можно видеть, что способ изобретения включает три отдельных операции: этап сжигания, этап улавливания углерода и окончательный этап мембранного разделения, в указанном порядке.
Этап сжигания можно проводить любым способом, ограниченным только в том, что в нем получается сбросный газ, отходящий газ или топочный газ, содержащий диоксид углерода. Такие способы сжигания осуществляют повсеместно в индустриализованном обществе. Примерные способы включают те, на которых этап сжигания применяют для нагревания печи или топочной камеры, такой как домна. Другими важными способами являются те, на которых этап сжигания применяют для генерации пара для управления турбиной или другим оборудованием для выполнения механической работы или генерации электроэнергии. В других способах газообразные продукты сгорания сами по себе используются в качестве источника энергии для запуска турбины или тому подобного или могут обрабатываться до или после использования в турбине.
Топливо для этапа сжигания может быть любым топливом, сжигаемым с кислородом, включая без ограничения уголь, кокс, древесину, биомассу, твердые отходы, масла и другие природные и синтетические жидкие топлива всех качеств и типов и углеводородсодержащий газ любого типа, такой как природный газ, свалочный газ, газ из угольных шахт или тому подобное.
Кислород, с которым сжигают топливо, может подаваться в форме кислорода высокой чистоты, обогащенного кислородом воздуха, обычного воздуха, или любой другой кислородсодержащей смеси.
Этап улавливания углерода может проводиться с применением мембранной или немембранной технологии и может включать один или более одного типа процедур разделения. В случае, когда применяют мембранную технологию на протяжении всего этапа или его части, этап улавливания остается отдельной операцией, отделенной от последующего этапа мембранного разделения 18.
Примерные способы, которые можно применять для улавливания диоксида углерода на данном этапе, включают без ограничения физическую или химическую сорбцию, мембранное разделение, сжатие/низкотемпературную конденсацию, адсорбцию или любую другую известную технологию. Предпочтительными технологиями являются абсорбция, такая как аминовая очистка или сорбция охлажденным аммиаком, конденсация, мембранное разделение, и их комбинации.
Низкотемпературная или криогенная конденсация и абсорбция в растворе амина являются наиболее частыми способами в современном индустриальном применении для улавливания диоксида углерода и не нуждаются в подробном описании. Для применения в настоящем изобретении пригоден любой способ. Способы извлечения жидкого диоксида углерода путем криогенной конденсации или дистилляции хорошо известны в данной области техники. Предпочтительным способом является хорошо известный способ Райана-Холмса, в котором жидкость или смесь жидкостей с легкими углеводородами вносят на колонку для предотвращения образования твердых веществ или азеотропов диоксида углерода в колонке. Различные специфические методики для проведения низкотемпературной конденсации описаны, например, в патентах США №№4,371,381; 4,923,493; 5,233,837. Например, способ Райана-Холмса описан в патентах США 4,350,511 и 4,462,814.
Способы извлечения диоксида углерода путем абсорбции также широко применяются. Вкратце, эти способы включают абсорбцию диоксида углерода на сорбирующем растворе путем физического или химического взаимодействия, затем удаление газа из раствора и рециркуляцию регенерированного сорбента. Могут применяться различные сорбенты; наиболее распространенным является сорбент на основе аминов и может включать единственный алканоламин или смесь аминов. Другие сорбенты, которые можно применять, включают охлажденный аммиак, как в способе Алстом, или другие специализированные патентованные растворители.
Сорбирующий раствор может быть регенерирован путем отгонки паром, а диоксид углерода извлекается из отогнанного пара путем охлаждения и конденсации воды. Примерным способом данного типа, который может применяться, является способ Fluor Daniel Econamine FG™, в котором используется сорбирующая система на основе моноэтаноламина (МЭА). Очень подробное описание этих способов можно найти в литературе, например в Gas Purification, A. Kohl and R. Nielsen (Fifth Edition, Gulf Publishing Co., Houston, Texas, 1997), p.1188-1237.
Предпочтительно применять только мембранное разделение в качестве этапа улавливания диоксида углерода, поскольку трудно достичь высокой концентрации диоксида углерода в потоке пермеата без применения множества мембранных этапов. Пример трехэтапного мембранного модуля для извлечения диоксида углерода из потоков природного газа приводится в патенте США 6,648,944.
В данном этапе также можно объединять две или более различных технологий разделения; мембранное разделение можно объединять с криогенной конденсацией, например, до или после этапа конденсации, либо газ, высвобождаемый на этапе отгонки процесса абсорбции, может сжижаться посредством конденсации. Примеры таких объединенных процессов приведены, например, в патентах США 4,639,257; 4,990,168; 5,233,837 и 6,085,549, каждый из которых включен здесь посредством ссылки.
Третьей единичной операцией является мембранное разделение. Возвращаясь к этапу мембранного разделения 18, как упоминалось в разделе краткого изложения, применяемые на данном этапе мембраны должны проявлять высокую проницаемость для диоксида углерода, а также высокую селективность в отношении диоксида углерода по сравнению с азотом.
Может применяться любая мембрана с подходящими характеристиками производительности. Многие полимерные материалы, особенно эластомерные материалы, высоко проницаемы для диоксида углерода. Предпочтительные мембраны для отделения диоксида углерода от азота или других инертных газов имеют селективный слой на основе полиэтилена. Известен ряд таких мембран с высоким отношением диоксид углерода/азот, например 30, 40, 50 или выше. Примерным предпочтительным материалом для селективного слоя является Pebax, материал из блок-сополимера полиамида-полиэфира, подробно описанный в патенте США 4,963,165.
Мембрана может иметь форму однородной пленки, интегральной асимметричной мембраны, многослойной композиционной мембраны, мембраны, включающей слой или частицы геля или жидкости, или любую другую форму, известную в данной области техники. Если применяются эластомерные мембраны, предпочтительной формой является композиционная мембрана, включающая микропористый опорный слой для механической прочности и слой из эластичной оболочки, ответственный за разделительные свойства.
Мембраны могут быть произведены в виде плоских листов или волокон, и помещаться в любой подходящей форме модуля, включая рулонные модули, пластинчатые модули и герметизированные половолоконные модули. Приготовление всех этих типов мембран и модулей хорошо известно в данной области техники. Для обеспечения противоточного потока продувочного газа модули предпочтительно имеют форму половолоконных модулей, пластинчатых модулей или рулонных модулей.
Пластинчатые или рулонные модули является наиболее предпочтительным вариантом конфигурации мембраны/модуля. Разработан ряд конструкций, позволяющих применять рулонные модули с противоточным режимом с продувкой или без продувки на стороне пермеата. Пример описан в патенте США 5,034,126, Dow Chemical.
Мембранный этап или модуль 18 может содержать единичный мембранный модуль, или группу мембранных модулей, или комплект модулей. Единичный модуль или этап, содержащий один модуль или группу модулей, подходит для многих приложений. Если для остаточного потока необходима дополнительная очистка, он может быть пропущен через второй комплекс мембранных модулей для второго этапа переработки. Если для потока пермеата необходимо дополнительное концентрирование, он может быть пропущен через второй комплекс мембранных модулей для второго этапа обработки. Такие многостадийные или многоэтапные способы и их варианты известны специалистам в данной области техники, которым понятно, что этап мембранного разделения может быть выполнен по конфигурации для многих возможных способов, включая одноэтапные, многостадийные, многоэтапные или более сложные комплексы из двух или более блоков в последовательном или каскадом расположении.
Возвращаясь к рабочим условиям этапа 18, разделение компонентов, достигаемое мембранным блоком, зависит не только от селективности мембраны для разделяемых компонентов, но также и от коэффициента давления.
Под коэффициентом давления мы подразумеваем отношение общего подаваемого давления к общему давлению пермеата. Было математически продемонстрировано, что в процессах, обусловленных давлением, обогащение компонента (т.е. отношения парциального давления компонента в пермеате/парциального давления компонента в подаче) никогда не может быть выше коэффициента давления. Эта взаимосвязь существует независимо от того, насколько высока селективность мембраны.
Кроме того, математическое взаимоотношение между коэффициентом давления и селективностью предопределяет, что то свойство, которое имеет меньшее численное значение, будет оказывать преобладающее влияние на разделение. Таким образом, если численное значение коэффициента давления значительно выше, чем селективности, то разделение, достигаемое в процессе, не будет ограничиваться коэффициентом давления, но будет зависеть от селективной производительности мембран. Напротив, если селективность мембраны имеет численное значение, гораздо большее, чем у коэффициента давления, коэффициент давления будет ограничивать разделение. В этом случае концентрация пермеата становится по существу независимой от селективности мембраны и определяется только коэффициентом давления.
Высокие коэффициенты давления могут быть достигнуты путем сжатия подаваемого газа до высокого давления, или путем применения вакуумных насосов для создания сниженного давления на стороне пермеата, или комбинации того и другого. Однако чем выше селективность, тем более дорогим и энергозатратным является достижение коэффициента давления, сопоставимого по значению или превышающего значение селективности.
Из вышеизложенного можно видеть, что процессы, обусловленные давлением, использующие мембраны с высокой селективностью для компонентов, подлежащих разделению, вероятно, ограничиваются коэффициентом давления. Например, процесс, в котором возможна селективность мембран 40, 50 или выше (такой как в случае многих разделений диоксида углерода/азота), способен получать преимущество от высокой селективности только тогда, когда коэффициент давления является сопоставимым или имеет более высокую амплитуду.
Изобретатели преодолели эту проблему и сделали возможным применение большей внутренней селективной способности мембраны путем разведения пермеата потоком продувочного газа 21, что предотвращает достижение концентрацией на стороне пермеата предельного уровня.
Этот режим работы можно применять с коэффициентом давления 1, т.е. без разницы общего давления между сторонами подачи и пермеата, с коэффициентом давления менее 1, т.е. с более высоким общим давлением на стороне пермеата, чем на стороне подачи, или с относительно умеренным коэффициентом давления, например меньше 10 или меньше 5.
Движущую силу для трансмембранного проникновения обеспечивают путем снижения парциального давления необходимого проникающего вещества на стороне пермеата до уровня ниже его парциального давления на стороне подачи. Применение потока продувочного газа 21 поддерживает низкое парциальное давление диоксида углерода, таким образом обеспечивая движущую силу.
Парциальное давление на стороне пермеата можно контролировать путем регуляции скорости продувочного потока до необходимого значения. В принципе, отношение потока продувочного газа к потоку подаваемого газа может иметь любое значение, обеспечивающее необходимые результаты, хотя отношение потока продувочного газа/потока подаваемого газа редко составляет меньше 0,1 или больше 10. Высокие отношения (т.е. высокая скорость продувочного потока) позволяют достичь максимума удаления диоксида углерода из подачи, но относительно разбавляют диоксид углерода в потоке пермеата (т.е. отмечается относительно низкое обогащение диоксидом углерода в продувочном газе, покидающем модули). Низкие отношения (т.е. низкая скорость продувочного газа) позволяют достичь высоких концентраций диоксида углерода в пермеате, но отмечаются относительно низкие уровни удаления диоксида углерода из подачи.
Применение слишком низкой скорости продувки обеспечивает недостаточную движущую силу для хорошего разделения, а применение чрезмерно высокой скорости продувочного потока может вести к падению давления или другим проблемам на стороне пермеата.
Обычно и предпочтительно скорость потока продувочного газа должна составлять примерно от 50% до 200% от скорости потока, подаваемого к мембране, и наиболее предпочтительно примерно от 80% до 120%. Часто отношение примерно 1:1 является удобным и адекватным.
Общие давления газов на каждой стороне мембраны могут быть одинаковыми или отличающимися, и каждое из них может быть выше или ниже атмосферного давления. Как упоминалось выше, если давления являются примерно одинаковыми, вся движущая сила обеспечивается режимом продувки.
Однако в большинстве случаев топочный газ доступен при атмосферном давлении, а объемы подаваемых потоков являются настолько большими, что предпочтительно не применять существенной компрессии на стороне подачи либо вакуума на стороне пермеата. Однако легкая компрессия, такая как от атмосферного давления до 2-3 бар, может быть полезной и может обеспечивать часть общего улавливания диоксида углерода и извлечения, что является относительно энергоэффективным, как показано в примерах ниже.
Воплощение способа, в котором этап улавливания диоксида углерода включает мембранное разделение, показано на фигуре 2. Специалистам в данной области техники понятно, что фигура 1 и другие поточные диаграммы, изображенные здесь, являются просто блок-диаграммами, предназначенными для разъяснения ключевых типовых процессов способа изобретения, и что действительная технологическая линия может обычно включать множество дополнительных этапов стандартного типа, таких как нагревание, охлаждение, компрессия, конденсация, подача насосом, различные типы разделения и/или фракционирования, а также мониторинг давлений, температур и потоков и тому подобное. Специалистам в данной области техники также должно быть понятно, что подробности типовых процессов могут отличаться от случая к случаю.
Что касается данной фигуры, поток топлива 24 и поток воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода 37, вводят в топку 25.
Поток сбросного газа 26 от сжигания направляют, по меньшей мере частично, на этап улавливания углерода, в данном случае первый этап или модуль мембранного разделения 27. Этот модуль содержит мембраны 28, которые являются селективно проницаемыми для диоксида углерода по сравнению с азотом. Этот этап может быть обусловленным давлением, благодаря действию более высокого давления на стороне подачи, чем на стороне пермеата. Это может достигаться путем компрессии подаваемого потока, или более предпочтительно, поскольку поток меньше по объему, путем затягивания частичным вакуумом на стороне пермеата, или путем комбинации небольшого повышения давления подачи и небольшого вакуума на стороне пермеата.
Этот этап разделяет поток сбросного газа на поток пермеата с повышенной концентрацией диоксида углерода 29 и остаточный поток со сниженным содержанием диоксида углерода 30. Поток пермеата также обычно обогащен водяным паром, который можно легко конденсировать путем охлаждения потока. Факультативно, поток пермеата можно направить на компрессию/низкотемпературную конденсацию или дистилляцию для получения высокоочищенного продукта диоксида углерода.
Факультативно, движущая сила на первом этапе мембранного разделения может быть усилена путем применения продувки паром на стороне пермеата мембраны. Это может обеспечить существенное улучшение разделения, достигаемого на этом этапе, а также снижение потребления энергии, поскольку применяемый пар может быть извлечен из пермеата простой конденсацией перед тем, как газ поступает на вакуумный насос.
Остаточный поток 30 проходит в качестве подаваемого потока на второй модуль или этап мембранного разделения 31, содержащий мембраны 32, селективно проницаемые для диоксида углерода по сравнению с азотом и для диоксида углерода по сравнению с кислородом.
Остаточный поток протекает через сторону подачи, а поток продувочного газа из воздуха, обогащенного кислородом воздуха или кислорода 34 вводится через вход на стороне пермеата мембранного блока и протекает через сторону пермеата, предпочтительно в направлении потока, по меньшей мере частично или по существу противоположном направлению потока на стороне подачи. Отношение скоростей подаваемого и продувочного потоков на входе наиболее предпочтительно поддерживают на уровне примерно 1:1, так что скорость продувочного потока составляет примерно от 80% до 120% от скорости подаваемого потока.
Итоговый поток пермеата/продувки 35 выводится из мембранного блока и объединяется с потоком 36, подаваемым в топку. Факультативно, поток 36 может не применяться, а общий кислородсодержащий поток может быть обеспечен продувочным потоком.
Остаточный поток 33 имеет сниженное содержание диоксида углерода и выводится из процесса. В соответствии с изобретением можно снизить концентрацию диоксида углерода выводимого сбросного газа по меньшей мере на 80%, 90% или более, по сравнению с концентрацией неочищенного топочного газа. Например, сбросный газ из топки может содержать 20% диоксида углерода, а остаточный отходящий газ может содержать только 1 или 2% диоксида углерода.
Такой высокий уровень удаления практически невозможен в способах, полностью обусловленных давлением, поскольку энергетическая потребность для выполнения процесса и площадь мембраны, необходимая для достижения требующихся уровней проникновения диоксида углерода, являются чрезмерными.
Далее способ описывается более подробно в отношении конкретного предпочтительного воплощения для обработки топочного газа из электростанции, такой как электростанция на угольном топливе. В этом примерном способе предполагается, что этап улавливания углерода слагается из стадии мембранного разделения, подобной по функции этапу мембранного разделения 27 на фигуре 2, и третьего этапа мембранного разделения и этапа извлечения диоксида углерода, обеспечивающего очищенный продукт диоксида углерода в виде жидкости или сверхкритической жидкости. Третий этап мембранного разделения и этап извлечения продукта можно проводить с этапом мембранного разделения, предшествующим этапу извлечения продукта, или наоборот.
Способ, в котором этап мембранного разделения предшествует этапу сжижения для извлечения продукта, схематически показан на фигуре 3. Что касается этой фигуры, поток топочного газа 41, отходящий от топок электростанции 40, подаваемый потоком 39, образован топочным потоком 38 и потоком воздуха 49. В большинстве электростанций на угольном или газовом топливе давление этого топочного газа немного выше атмосферного, например 1,1 или 1,2 бар абсолютного давления. Однако в некоторых процессах, например, при сжигании природного газа в турбине генерации электрического тока, давление топочного газа может быть выше, например, 2-10 бар.
Топочный газ проходит через первую секцию этапа улавливания углерода, а именно первый этап мембранного разделения 42. Этот этап проводят с применением мембран 43, имеющих характеристики проницаемости и селективности для диоксида углерода, как описано выше. На этом этапе топочный газ разделяется на остаточный поток со сниженным содержанием диоксида углерода 44, обычно содержащий менее 10% диоксида углерода, и поток пермеата, обогащенный диоксидом углерода 50, обычно содержащий по меньшей мере примерно 40% диоксида углерода.
При выборе операционных условий для этапа мембранного разделения имеется компромисс между величиной площади мембраны, необходимой для разделения, и потреблением энергии для работы процесса. В этом представительном и предпочтительном примере движущая сила для проникновения через мембрану на данном этапе, как было показано, обеспечивается вакуумным насосом или комплексом вакуумных насосов 51 на стороне пермеата на первом мембранном этапе. Вакуумные насосы поддерживают давление примерно 0,1 бар, такое как 0,5 бар или 0,2 бар, на стороне пермеата.
Разница давления по обе стороны мембраны, генерируемого вакуумным насосом(ами), является маленькой, так что площади мембраны, необходимые для достижения разделения, должны быть очень большими. Однако поток пермеата, проходящий через вакуумный насос, составляет только часть объема топочного газа, так что энергия, потребляемая вакуумным насосом, меньше энергии, которая может потребляться компрессионным блоком, работающим с подаваемым газом.
В альтернативных предпочтительных примерных воплощениях в пределах объема изобретения применяется умеренная компрессия подаваемого потока, по отдельности или в сочетании с вытягиванием легким вакуумом на стороне пермеата. Воплощение с легкой компрессией подаваемого потока является предпочтительным, например, в случае электростанции на угольном топливе, в которой топочный газ находится под абсолютным давлением 1,1 бар. Этот газ может быть сжат примерно до 5 бар, например до 2 или 3 бар, а часть энергии, применяемой для компрессоров, может извлекаться путем расширения итогового потока обработанного топочного газа 47 в турбине перед окончательным выбросом. Применение операций соединенных компрессора/турбодетандера для извлечения энергии хорошо известно в данной области техники, и в частности в электростанциях.
Послеохладитель 52 выводит воду, проникающую через мембраны с диоксидом углерода.
Оставшийся поток пермеата 53 затем проходит через компрессор или ряд компрессоров 54, где сжимается под давлением несколько бар, таким как 3 или 4 бар, а затем через послеохладитель 55, в котором дополнительно выводится вода. Сжатый газ образует поток 56, подаваемый на второй этап мембранного разделения 57, содержащий мембраны 58, обладающие характеристиками, подобными тем, что описаны ранее. Поток пермеата 60 от этой стадии обычно содержит более 80% диоксида углерода и направляется на установку криогенного сжижения 61 для получения сжиженного продукта диоксида углерода 62.
Сбросные газы 63 из сжижающей установки, которые состоят в основном из азота и кислорода, но также могут содержать до 10, 15 или 20% диоксида углерода, могут быть возвращены в начало комплекса обработки топочного газа, как показано в позиции А, могут быть возвращены в топку, как показано в позиции В, или могут рециркулировать, применяться или выбрасываться любым другим необходимым способом. Более того, остаточный поток 59 от мембранного модуля второй стадии может возвращаться в процесс в позициях А или В или направляться куда-то в другое место, как необходимо.
Поток остаточного газа 44, покидающий первый мембранный модуль, обычно содержит примерно 10% диоксида углерода. Этот газ проходит в качестве подаваемого газа на этап или модуль мембранного разделения с продувкой 45. На этом этапе применяются мембраны 46, обладающие характеристиками, подобными тем, что описаны выше. Воздух 48, подаваемый к топке электростанции, проходит в качестве продувочного газа на другой стороне мембран. Диоксид углерода проникает предпочтительно через мембраны и возвращается с подаваемым воздухом к топке в потоке пермеата/продувки 49.
Поток обработанного топочного газа 47 сбрасывается.
Воплощение, описанное выше по отношению к фигуре 3, предназначено для иллюстрации типичного способа обработки топочного газа и не предназначено для ограничения объема изобретения. Специалисту в данной области техники понятно, как осуществить данное изобретение с применением других способов сжигания, следуя учениям изобретения.
Например, представительный вариант воплощения из фигуры 3 показан на фигуре 4, на которой схожие элементы обозначены так, как на фигуре 3. Способ с фигуры 3 отличается от способа с фигуры 4 тем, что применяется некоторая компрессия 73 для создания потока сжатого газа 74, 2 или 3 бар, образующая подаваемый поток для этапа мембранного разделения 42.
Данная конструкция также отличается от фигуры 3 способом, посредством которого образуется поток сжатого газа 56. На фигуре 3 поток проходит на этап мембранного разделения 57 и оттуда на установку сжижения. На фигуре 4 мембранный этап применяют вместо обработки сбросного газа от установки для сжижения, так что этап извлечения продукта предшествует последнему этапу мембранного разделения. Таким образом, поток 56 поступает на этап или комплекс компрессии 64, где давление повышается до давления, подходящего для сжижения, такого как 20, 30, 40 бар или выше, затем проходит в качестве сжатого потока 65 на этап конденсации 66. Здесь газ конденсируется/дистиллируется при низкой температуре, обычно посредством теплообмена с пропиленом или другим низкотемпературным охладителем, до получения потока продукта диоксида углерода 67. Верхний поток 68 от колонки извлечения диоксида углерода направляется на этап мембранного разделения 69, содержащего мембраны 70, обладающие характеристиками, подобными тем, что описаны ранее. Движущая сила для трансмембранного проникновения в данном мембранном модуле обеспечивается высоким давлением наверху колонны. Поток пермеата 72 обогащен диоксидом углерода и рециркулирует в подходящей точке компрессионного комплекса для этапов сжижения, как указано на фигуре, или может направляться в какое-либо другое место в процессе.
Остаточный мембранный поток 71 может возвращаться в топку, к комплексу для обработки топочного газа до или после этапа компрессии 73, или может применяться или выбрасываться куда-то в другое место, как необходимо.
Изобретение далее дополнительно описано со следующими примерами, которые предназначены для иллюстрации изобретения, но не предназначены для ограничения объема основных его принципов каким-либо образом.
Примеры
Пример 1. Основы для расчетов для других примеров
(a) Эксперименты с проникновением через мембрану: проводили ряд экспериментов по проникновению с композиционной мембраной, имеющей селективный слой на основе полиэфира. Свойства мембраны, которые оценивали с набором чистых газов под абсолютным давлением 6,7 бар при температуре 30°С, показаны в таблице 1.
Таблица 1
Газ
Проницаемость (GPU)*
Селективность CO<sub>2</sub>/газ
Диоксид углерода
1,000
-
Азот
20
50
Кислород
50
20
Метан
50
20
Вода
>2,000**
-
* Единица проницаемости газов: 1 GPU=1×10<sup>-6</sup> см (в условиях нормальной температуры и давления)/см<sup>2</sup>·сек·см рт.ст.** Предполагаемая величина, не измеряли.
(b) Предположения, касающиеся электростанции: все расчеты проводили, предполагая, что топочный газ для обработки поступал с большой электростанции на угольном топливе мощностью 600 МВт. Предполагалось, что выходящий газ фильтровали для удаления летучей золы и других частиц перед пропусканием на этапах мембранного разделения.
Предполагаемые составы угля и подаваемого воздуха и расчетный состав топочного газа на основе обычного сжигания показаны в таблице 2.
(c) Методология расчетов: все расчеты проводили с программой моделирования ChemCad 5.5 (ChemStations, Inc., Хьюстон, Техас), содержащей код для мембранной операции, разработанный инженерной группой MTR. При расчетах предполагалось, что все компрессоры и вакуумные насосы имели эффективность 75%. В каждом случае моделирующие расчеты проводились для достижения 90% извлечения диоксида углерода из потока топочного газа.
Таблица 2
Компонент/Параметр
Подача воздуха
Подача угля
Топочный газ
Скорость потока (миллион стандартных кубических футов в сутки)
1,400
1,500
Скорость потока (тысяч кг/ч)
165
Давление (бар)
1,0
1,0 или 1,1
Компонент (моль %)
Диоксид углерода
11,6
Кислород
21
1,5
4,3
Азот
79
0,6
73,8
Вода
9,5
10,2
Водород
36,5
Углерод
51,9
Компонент (тысяч кг/ч)
Диоксид углерода
403
Кислород
495,2
9
108
Азот
1631
3
1,634
Вода
30
146
Водород
13
Углерод
110
Пример 2. Не в соответствии с изобретением
Расчет проводили для иллюстрации обработки топочного газа мембранным разделением с применение продувочного газа на стороне пермеата. Предполагалось, что топочный газ был (i) сжат до 9 бар, (ii) охлажден до 30°С и (iii) подвергнут мембранному разделению только с применением разницы и отношения общего давления для достижения разделения. Предполагали, что давление на стороне пермеата поддерживали равным 1 бар.
Предполагали, что часть требований к компрессии достигалась путем расширения остаточного мембранного потока обратно до 1 бар перед выбросом.
Результаты расчетов показаны в таблице 3.
Таблица 3
Компонент/Параметр
Неочищенный топочный газ
Мембранная подача
Мембранный остаточный/сбросный газ
Мембранный пермеат
Скорость потока (миллион стандартных кубических футов в сутки)
1,500
1,345
970
384
Скорость потока (тысяч кг/ч)
2,293
2,151
1,453
698
Температура (°С)
50
30
29
20
Давление (бар)
1,0
9
9
957
Компонент (моль %)
Диоксид углерода
11,6
12,7
1,8
40,3
Кислород
4,3
4,7
4,2
5,9
Азот
73,8
82,2
94,0
52,2
Вода
10,2
0,4
0,0
1,5
Как можно видеть, основная часть воды в неочищенном потоке газа отводится путем охлаждения после этапа компрессии. В способе получается отходящий газ, содержащий 1,8 об.% диоксида углерода, а выброс диоксида углерода в атмосферу снижается на 90%, от 174 до 17 миллионов стандартных кубических футов в сутки.
Необходимые расчетная площадь мембраны и нетто-энергия компрессии были следующими:
2
Площадь мембраны: 580,000 м
Общая мощность компрессии = 220 МВт
Мощность, подаваемая турбодетандером = 99 МВт
Нетто-энергия компрессии = 121 МВт
Нетто-энергия, применяемая в способе, составляет примерно 21% от 600 МВт мощности, вырабатываемой станцией.
Проникающий газ содержит примерно 40 моль % диоксида углерода. Для дополнительной концентрации и очистки диоксида углерода путем компрессии/низкотемпературной конденсации требуется мощность примерно 90 МВт. Таким образом, общий расход энергии комплекса обработки составляет примерно более 200 МВт, или примерно одну треть от общей выработки электростанции.
Пример 3. Не в соответствии с изобретением
Второй расчет проводили для иллюстрации обработки топочного газа путем мембранного разделения без применения продувочного газа на стороне пермеата. В это время предполагали, что топочный газ пропускается через сторону подачи без компрессии, но после охлаждения до 30°, и что вакуум 0,2 бар создавали на стороне пермеата мембран.
Результаты расчетов показаны в таблице 4.
Таблица 4.
Компонент/Параметр
Неочищенный топочный газ
Мембранная подача
Мембранный остаточный/сбросный газ
Мембранный пермеат
Скорость потока (миллион стандартных кубических футов в сутки)
1,500
1,403
865
539
Скорость потока (тысяч кг/ч)
2,293
2,202
1,294
907,6
Температура (°С)
50
30
29
29
Давление (бар)
1,1
1,1
1,1
0,2
Компонент (моль %)
Диоксид углерода
11,6
12,4
2,0
29,1
Кислород
4,3
4,5
3,7
5,7
Азот
73,8
79,2
93,7
56,0
Вода
10,2
3,9
0,5
9,2
В способе вновь было достигнуто 90% удаление диоксида углерода, от 174 до 17 миллионов стандартных кубических футов в сутки в сбрасываемом топочном газе, и снижение концентрации диоксида углерода до 2 об.% в отходящем потоке.
Необходимые расчетная площадь мембраны и нетто-энергия вакуумных насосов были следующими:
2
Площадь мембраны: 7,7 млн м
Общая мощность компрессии = 56 МВт
2
Необходимая площадь мембран 7,7 млн м является очень большой, но потребность в энергии является низкой по сравнению с примером 3, так что в способе применяется только 9% мощности, вырабатываемой станцией.
Однако, как можно видеть, в данном способе вырабатывается очень разбавленный продукт диоксида углерода (29 об.%) по сравнению с продуктом диоксида углерода (40 об.%) из примера 3. Энергия, необходимая для извлечения диоксида углерода из этого потока в виде сверхкритической жидкости или жидкости, составляет примерно 180 МВт, что увеличивает общую потребность в энергии для улавливания диоксида углерода почти на 40% от энергии, вырабатываемой электростанцией.
Пример 4. Способ изобретения
Расчет проводили для иллюстрации обработки топочного газа от электростанции, работающей на угольном топливе, путем мембранного разделения, в соответствии с воплощением из фигуры 3. Предположения о составе газа и производительности мембран были такими, как в примере 1. Предположения о подаче угля были такими, как показано в таблице 2 из примера 1.
Предполагалось, что вакуумный насос 51 обеспечивал вакуум 0,2 бар на стороне пермеата мембран на этапе 42 и что поток пермеата сжимали до 3,5 бар на этапе компрессии 54 перед пропусканием через мембранный модуль или этап 57. Как и в примере 2, предполагалось, что часть энергии компрессии для выполнения этапа компрессии 54 подавалась путем расширения остаточного мембранного потока обратно до 1,1 бар перед возвращением потока в переднюю часть процесса в позиции А.
Результаты расчетов показаны в таблице 5.
Таблица 5
Компонент/Параметр
41 Топочный газ из камеры сжигания
44
47 Сбросный газ
48
49
50
59
80
62 Жидкий продукт
63
Скорость потока (млн ст.куб.ф./сутки)
1,658
1,328
1,192
1,400
1,537
330
78
174
-
14
Строка потека (тысяч кг/час)
2,648
2.054
1,788
2,131
2,397
593
127
390
359
23
Температура (°С)
54
54
50
80
53
54
132
133
30
Давление (бар)
1,1
1,1
1,1
1,0
1,0
0,2
3,5
1,0
1,0
Компонент (моль %)
Диоксид углерода
18,4
9,8
1,5
0
7,3
53
20
91,2
100
20
Кислород
1,8
2,1
5,4
21
16,7
1,2
3,6
0,7
-
8,6
Азот
72,1
84,8
93
79
73,2
21
76
5,7
-
71,2
Вода
7,6
3,3
01
0
2,8
25
0,3
2,3
-
0
Расчетные необходимые площадь мембраны и нетто-энергия компрессии были следующими:
2
Площадь мембран модуля 42=1,8 млн м
2
Площадь мембран модуля 45=2,2 млн м
2
Площадь мембран модуля 57=12,000 м
2
Общая площадь мембран = 4,1 миллион м
Общая энергия компрессии (включая компрессию в сжижающей установке): 85 МВт
Энергия, поставляемая турбодетандером: 3 МВт
Энергия охлаждения: 11 МВт
Общая нетто-энергия: 93 МВт
С применением способа изобретения общая потребность в энергии для улавливания диоксида углерода снижается на 93 МВт, примерно 15% от общего выхода энергии электростанции.
Пример 5. Способ изобретения
2
Проводили расчет, подобный примеру 4, для иллюстрации обработки топочного газа из электростанции, работающей на угольном топливе, путем мембранного разделения, в соответствии с воплощением из фигуры 4. На этой схеме вакуумный насос 51 применяют в линии пермеата 50 первого мембранного этапа 42. Этот поперечный поток в мембранном модуле удаляет только часть CO из топочного газа за один проход для снижения площади мембран и энергии, необходимой для данного этапа.
Остаточный газ 44, покидающий этап поперечного потока через мембраны, все еще содержит 7,4% диоксида углерода. Этот газ дополнительно обрабатывают на втором мембранном этапе 45, который имеет противоточную/продувочную конфигурацию. Подаваемый к котлу воздух 48 проходит на стороне пермеата этого мембранного модуля в качестве продувочного потока.
Проникающий газ, покидающий вторую насосную секцию 54, направляется в петлю компрессии-конденсации-мембраны для сжижения. Предполагается, что поток 71 рециркулирует для соединения с потоком топочного газа 41.
Результаты расчетов показаны в таблице 6.
Параметр/Поток
41 Топочный газ из камеры сжигания
74
50
44
48
49
47 Сбросный газ
54
67 Жидкий продукт
71
Давление (бар)
1,0
2,6
0,14
2,5
1,0
1,0
1,0
10
35
1,0
Скорость потока (млн ст.куб.ф./сут)
1,510
1,410
260
1,150
1,300
1,390
1,060
214
170
44
Компонент (моль %)
Диоксид углерода.
18
18
68
7,4
-
4,7
1,8
83
99,7
20
Азот
68
73
13
87
78
75
92
18
-
71,1
Кислород
4
4,3
1,5
4,8
21
19
6,2
0,2
-
8,9
Вода
10
3,7
17,5
0,7
-
-
-
0,2
0,3
-
В данном способе применяется 12% вырабатываемой энергии для отделения диоксида углерода от топочного газа, с дополнительными 4-7%, необходимыми для компрессии-конденсации-мембранного разделения диоксида углерода в петле сжижения. Общее потребление энергии составляет примерно 16-19% от общего выхода энергии от электростанции.