ENERGY-SAVING METHOD FOR REGENERATION OF SOLVENT FOR CARBON DIOXIDE RECOVERY
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ РАСТВОРИТЕЛЯ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Настоящее изобретение осуществлено при государственной поддержке по контракту № DE-FE 0012829, предоставленному Министерством энергетики США. Государство обладает определенными правами на настоящее изобретение.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к энергосберегающему способу удаления диоксида углерода из растворителя, содержащего диоксид углерода, посредством этого регенерируя растворитель.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Многочисленные химические и промышленные способы производят потоки жидкостей, содержащих кислотные газы. Удаление кислотного газа обычно требуется для соответствия нормам по охране окружающей среды и/или удовлетворения требований последующих процессов. Современные способы удаления кислотных газов включают противоточную абсорбцию регенерируемым растворителем в абсорбционной колонне, в который кислотный газ перемещается вверх и поглощающий жидкость регенерируемый растворитель течет вниз. Обогащенный кислотным газом растворитель, покидающий дно абсорбера, направляют в десорбер через теплообменник с перекрестным током, где он становится нагретым. В десорбере типа набивная или тарельчатая колонна, кислотные газы удаляют из обогащенного раствора контактом его с потоком в противоточном направлении. Часть обедненного кислотным газом раствора со дна десорбера циркулирует через ребойлер, в котором вспомогательный поток применяют для частичного испарения аминового раствора, который, после конденсации потока в десорбере, обеспечивает теплоту, необходимую для регенерации амина, высвобождая кислотный газ. Насыщенный водой горячий поток кислотного газа, покидающий верхнюю часть десорбера, охлаждают, собирая конденсированную воду. Остаток кислотного газа предпочтительно сжимать для хранения при высоком давлении для того, чтобы предотвратить высвобождение больших количеств кислотного газа в атмосферу.
2
2
2
Регенерируемые жидкие растворители включают, например, химические растворители, такие как первичные, вторичные и третичные амины и карбонат калия, и физические растворители, такие как DEPG или диметиловый эфир полиэтиленгликоля (Selexol™ или Coastal AGR), NMP или N-метил-2-пирролидон (Purisol), метанол (Rectisol), морфолиновые производные (Morphysorb) и пропиленкарбонат (Fluor Solvent™). Способ Shell Sulfinol представляет собой гибридный способ, применяя комбинацию физического растворителя, сульфолана, и химического растворителя, диизопропаноламина (DIPA) или метилдиэтаноламина (MDEA). Каждый из физического растворителя и одного из химических растворителей составляет 35-45% раствора, причем балансом является вода. Кислотные газы включают, например, диоксид углерода, сульфид водорода, диоксид серы, дисульфид углерода, циановодород и карбонилсульфид. Способ улавливания отработанного диоксид углерода из больших точечных источников, таких как электростанция на ископаемом топливе, представляет большой интерес из-за опасения климатических изменений в результате выброса CO. Ожидают, что количество CO, получаемое в результате сжигания ископаемого топлива в США, увеличится на 3,2% с приблизительно 5,6 до 5,8 триллионов метрических тонн с 2012 по 2035, причем более 30% CO будет производиться в секторе электроэнергии, получаемой на углесжигающих электростанциях. Следовательно, для содействия решению проблем, связанных с глобальным изменением климата, и снижения выброса парниковых газов в США на 17% к 2020 и 83% к 2050 относительно исходного значения на 2005, вероятно появление федерального законодательства, направленного на углесжигающие электростанции. Более того, стоимость извлечения диоксида углерода является достаточно высокой для общепринятых способов из-за потребления большого количества энергии, требуемой для последующего способа сжатия, в котором диоксид углерода должен быть сжат и сжижен с первоначального давления, которое является только немного большим давления окружающей среды.
Существует необходимость или потребность в эффективном и более рентабельном способе удаления диоксида углерода из растворителя, содержащего диоксид углерода, вместе с последующим способом сжатия диоксида углерода, который снижает требуемое общее количество потребляемой мощности.
СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу удаления диоксида углерода из растворителя, содержащего диоксид углерода, имеющего первое содержание диоксида углерода. Способ включает стадии нагревания растворителя, содержащего диоксид углерода, до первой температуры и приложения первого давления к растворителю, содержащему диоксид углерода; подачи растворителя, содержащего диоксид углерода, в аппарат для продувки первой стадии с высокими температурой и давлением; выдувания диоксид углерода из растворителя, содержащего диоксид углерода, в аппарате для продувки первой стадии, получая первый обработанный растворитель, имеющий второе содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем первое содержание диоксида углерода, и первый газовый поток, содержащий диоксид углерода; и удаления первого газового потока, содержащего диоксида углерода, из аппарата для продувки первой стадии. Способ также включает стадии подачи первого обработанного растворителя в аппарат для продувки второй стадии при второй температуре, которая является меньшей, чем первая температура, и втором давлении, которое является меньшим, чем первое давление; выдувания диоксида углерода из первого обработанного растворителя в аппарат для продувки второй стадии, получая второй обработанный растворитель, имеющий третье содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем второе содержание диоксида углерода, и второй газовый поток, содержащий диоксид углерода; удаления второго газового потока, содержащего диоксида углерода, из аппарата для продувки второй стадии; и удаления второго обработанного растворителя из аппарата для продувки второй стадии.
Излагая более лаконично, способ настоящего изобретения включает стадии выдувания диоксида углерода из растворителя, содержащего диоксид углерода, в аппарате для продувки первой стадии, получая первый обработанный растворитель, имеющий второе содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем первое содержание диоксида углерода; и выдувания диоксида углерода из первого обработанного растворителя в аппарате для продувки второй стадии, получая второй обработанный растворитель, имеющий третье содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем второе содержание диоксида углерода.
С учетом приведенного выше, признак и преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении эффективного и экономичного способа регенерации растворителя (например, удаляя диоксид углерода из растворителя, содержащего диоксид углерода) и последующего сжатия до высокого давления. Приведенные выше и другие признаки и преимущества станут более понятными из следующего подробного описания настоящего изобретения, прочитываемого вместе с чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 схематически иллюстрирует двустадийный способ регенерации растворителя согласно настоящему изобретению.
Фигура 2 схематически иллюстрирует многостадийную компрессорную линию, применяемую для сжатия и сжижения диоксида углерода генерируемого двустадийным способом регенерации растворителя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ссылаясь на фигуру 1, двухстадийный способ регенерации растворителя 100 показан для удаления диоксида углерода из растворителя, содержащего диоксид углерода. Поток растворителя, содержащего диоксид углерода, 102 помещают под избыточное давление, применяя насос 104, и нагревают, применяя теплообменник 106, и затем подают в аппарат для продувки первой стадии 108. Первое давление составляет, соответственно, по меньшей мере, приблизительно четыре атмосферы, или, по меньшей мере, приблизительно восемь атмосфер, или, по меньшей мере, приблизительно десять атмосфер. Первая температура составляет, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 125°C, или, по меньшей мере, приблизительно 135°C, или, по меньшей мере, приблизительно 145°C. Аппарат для продувки первой стадии может представлять собой прямоточный ребойлер или другой подходящий аппарат для продувки с нагревательными элементами.
Поток растворителя, содержащего диоксид углерода, 102 может иметь первое содержание диоксида углерода (перед любым удалением диоксида углерода) в диапазоне приблизительно 1-12% по весу, соответственно, по меньшей мере, приблизительно 8% по весу, и может быть большим или меньшим, в зависимости от конкретного растворителя и конкретного применения. Подходящие растворители включают, без ограничения, водный аммиак, аминовые растворители, такие как моноэтаноламины, диэтаноламины и триэтаноламины, водный карбонат калия, и другие известные растворители. Один подходящий растворитель представляет собой активированный N-метилдиэтаноламин (ʺaMDEAʺ), который содержит пиперазиновый активирующий агент.
Диоксид углерода выдувают из растворителя, содержащего диоксид углерода, в аппарате для продувки первой стадии 108, получая первый обработанный растворитель, имеющий второе содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем первое содержание диоксида углерода, и первый газовый поток, содержащий диоксид углерода. Первый газовый поток, содержащий диоксид углерода, 110 покидает аппарат для продувки первой стадии 108, и его подают в конденсатор 112, который конденсирует пары воды и отделяет их от газообразного диоксида углерода. Газовый поток диоксида углерода 114 покидает конденсатор 112, и его можно направлять в сторону всасывания второй или третьей стадии сжатия многостадийной компрессорной линии, как объясняется ниже. Поток конденсированной воды 116 покидает конденсатор 112, и его смешивают с потоком конденсированной воды 128, описанным ниже. Поток первого обработанного растворителя 118 покидает аппарат для продувки первой стадии 108, и его подают в аппарат для продувки второй стадии 120 при второй температуре, которая является меньшей, чем первая температура, и втором давлении, которое является меньшим, чем первое давление.
Первый обработанный растворитель имеет второе содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем первое содержание диоксида углерод, и составляет, соответственно, по меньшей мере, приблизительно на 30% меньше, или, по меньшей мере, приблизительно на 50% меньше, или, по меньшей мере, приблизительно на 75% меньше, чем первое содержание диоксида углерода. В качестве примера, когда первое содержание диоксида углерода составляет приблизительно 8-12% по весу, второе содержание диоксида углерода может составлять приблизительно 6% или меньше по весу, или приблизительно 4% или меньше по весу, или приблизительно 2% или меньше по весу. Вторая температура является, соответственно, по меньшей мере, приблизительно на 5°C меньшей, чем первая температура, или, по меньшей мере, приблизительно на 15°C меньшей, чем первая температура, или, по меньшей мере, приблизительно на 25°C меньшей, чем первая температура, и является, соответственно, не большей, чем приблизительно 130°C, или не большей, чем приблизительно 120°C, или не большей, чем приблизительно 110°C. Второе давление является, соответственно, по меньшей мере, приблизительно на 50% меньшим, чем первое давление, или, по меньшей мере, приблизительно на 60% меньшим, чем первое давление, или, по меньшей мере, приблизительно на 75% меньшим, чем первое давление, причем все описанные давления измеряли в абсолютных единицах. Например, когда первое давление составляет приблизительно 6-10 атмосфер, второе давление является, соответственно не большим, чем приблизительно три атмосферы, или не большим, чем приблизительно 1,5 атмосферы.
Диоксид углерода выдувают из первого обработанного растворителя в аппарате для продувки второй стадии 120, получая второй обработанный растворитель, имеющий третье содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем второе содержание диоксида углерода, и второй газовый поток, содержащий диоксид углерода. Второй газовый поток, содержащий диоксид углерода, 122 покидает аппарат для продувки второй стадии 120, и его подают в конденсатор 124, который конденсирует водяной пар и отделяет его от газообразного диоксида углерода. Поток газообразного диоксида углерода 126 покидает конденсатор 124, и его подают на первую стадию компрессии многостадийной компрессорной линии, как объясняется ниже. Поток конденсированной воды 128 покидает конденсатор 124, и его добавляют ко второму потоку обработанного растворителя 130 после того, как поток 130 покидает аппарат для продувки второй стадии 120 и проходит через перекрестный 106 и холодильник 125. Второй поток обработанного растворителя 130, причем к нему добавляют поток конденсированной воды 128, становится потоком 131, и его можно транспортировать, применяя насос для растворителя 132, получая поток 133 для повторного применения в способе абсорбции диоксида углерода или для другого подходящего применения.
Альтернативно, но не обязательно, второй поток обработанного растворителя 130 можно подавать в аппарат для продувки третьей стадии, чья структура и функционирование повторяет структуру и функционирование аппарата для продувки второй стадии 120, и его можно описать соответствующими номерами позиций. Аналогично, поток обработанного растворителя, покидающий аппарат для продувки третьей стадии, можно подавать в аппарат для продувки четвертой и последующих стадий, по желанию, снижая содержание диоксида углерода до очень низкого уровня. Затем, способ мог бы включать стадии выдувания диоксида углерода из второго обработанного растворителя в аппарате для продувки третьей стадии 120, получая третий обработанный растворитель, имеющий четвертое содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем третье содержание диоксида углерода, и третий газовый поток, содержащий диоксид углерода; удаления третьего газового потока, содержащего диоксид углерода, из аппарата для продувки третьей стадии; и извлечения третьего обработанного растворителя из аппарата для продувки третьей стадии. Затем, третий обработанный растворитель можно было бы подавать в аппарат для продувки четвертой стадии, имеющий ту же конфигурацию 120. Затем, способ мог бы включать стадии подачи третьего обработанного растворителя в аппарат для продувки четвертой стадии; выдувания диоксида углерода из третьего обработанного растворителя в аппарате для продувки четвертой стадии, получая четвертый обработанный растворитель, имеющий пятое содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем четвертое содержание диоксида углерода, и четвертый газовый поток, содержащий диоксид углерода; удаления четвертого газового потока, содержащего диоксид углерода, из аппарата для продувки четвертой стадии; и извлечения четвертого обработанного растворителя из аппарата для продувки четвертой стадии.
Аппарат для продувки второй стадии 120 может представлять собой стандартный расширитель или другой подходящий аппарат для продувки. Второй обработанный растворитель имеет третье содержание диоксида углерода, которое является меньшим, чем второе содержание диоксида углерода, и является, соответственно, по меньшей мере, приблизительно на 30% меньшим, или, по меньшей мере, приблизительно на 50% меньшим, или, по меньшей мере, приблизительно на 90% меньшим, чем второе содержание диоксида углерода. Например, когда второе содержание диоксида углерода составляет приблизительно 2-6% по весу, третье содержание диоксида углерода может являться не большим, чем приблизительно 4,0% по весу, или не большим, чем приблизительно 1% по весу или не большим, чем приблизительно 0,2% по весу.
Фигура 2 показывает HYSYS модель шестистадийной компрессорной линии 200, которую применяют для компрессии извлеченного диоксида углерода (например, потоков 114 и 126, фигура 1) до большего давления или жидкого состояния. Компрессорная линия 200 включает компрессор первой стадии 202, соответственно, поршневой насос, холодильник первой стадии 204, компрессор второй стадии 206, холодильник второй стадии 208, компрессор третьей стадии 210, холодильник третьей стадии 212, компрессор четвертой стадии 214, холодильник четвертой стадии 216, компрессор пятой стадии 218, холодильник пятой стадии 220 и компрессор шестой стадии 222. Компрессоры 202, 206, 210, 214, 218 и 222 сжимают диоксид углерода на стадиях от исходного давления, соответствующего давлению потока диоксида углерода 114, 126 (фигура 1) до давления сжижения, достаточного для поддержания диоксида углерода в полностью жидком состоянии, например, приблизительно 150 атмосфер или 2200 фунт/кв.дюйм. Холодильники 204, 208, 212, 216 и 220 охлаждают сжатый диоксид углерода на каждой стадии, соответственно, до приблизительно температуры окружающей среды.
Поток диоксида углерода 114 (фигура 1), исходящий из аппарата для продувки первой стадии 108, обычно имеет давление, аналогичное давлению стороны низкого давления многостадийной компрессорной линии второй и третьей стадии, соответственно, по меньшей мере, приблизительно шесть атмосфер, или, по меньшей мере, приблизительно восемь атмосфер, или, по меньшей мере, приблизительно десять атмосфер, и температура равна или немного выше температуры окружающей среды, обусловленной конденсатором 112. Поскольку поток диоксида углерода 114 уже имеет значительно большее давление, чем давление со стороны низкого давления многостадийной компрессорной линии, не требуется проходить компрессорную линию 200 в компрессоре первой стадии 210, но можно, вместо этого, проходить компрессор второй стадии 214 и/или компрессор третьей стадии 218. Это приводит в результате к значительному энергосбережению и снижению расходов, по сравнению с способами извлечения диоксида углерода предшествующего уровня техники, которые требуют подачи всего количества диоксида углерода в компрессор первой стадии 202, обычно не более чем 2 атмосферы, соответственно, но не более 1,5 атмосфер.
Поток диоксида углерода 126, исходящий из аппарата для продувки второй стадии 120, обычно имеют давление, аналогичное второму давлению, описанному выше, обычно не более чем 2 атмосферы, соответственно, не более чем 1,5 атмосферы, и температура равна или немного выше температуры окружающей среды, обусловленной конденсатором 124. Из-за его меньшего давления, поток диоксида углерода 126 можно, соответственно, вводить в компрессорную линию 200 компрессора первой стадии 202. Однако, поскольку поток диоксида углерода 126 представляет только часть всего диоксида углерода, входящего в компрессорную линию 200 из потоков 114 и 126, суммарные энергосбережение и снижение расходов являются значительными, по сравнению с общепринятыми способами извлечения диоксида углерода, которые подают весь извлеченный диоксид углерода в первую стадию компрессорной линии. На практике, количество диоксида углерода, генерируемое из потока 126 в аппарате для продувки второй стадии 120, может находиться в диапазоне приблизительно 20-60% всего диоксида углерода, и количество диоксида углерода, генерируемое из потока 114 в аппарате для продувки первой стадии 108, может находиться в диапазоне приблизительно 30-80% всего диоксида углерода.
ПРИМЕРЫ
Применяя двухстадийный способ регенерации продувкой, показанный на фигуре 1, и шестистадийную компрессорную линию, показанную на фигуре 2, диоксид углерода удаляют из aMDEA растворителя, содержащего 8% по весу активирующего агента и имеющего первоначальную загрузку диоксида углерода 5-8% по весу. Растворитель, содержащий диоксид углерода, подают в аппарат для продувки первой стадии, прямоточный ребойлер при трех наборах температур и давления: 1) 140°C и 8,16 атмосфер, 2) 130°C и 6,8 атмосфер, и 3) 120°C и 5,44 атмосфер. Для каждого прогона, извлеченный диоксид углерода сжимают и сжижают, применяя показанную компрессорную линию (фигура 2). Диоксид углерода, генерируемый в прямоточном ребойлере первой стадии, подают на вторую или третью стадию компрессорной линии. Диоксид углерода, генерируемый в расширителе второй стадии, подают на первую стадию компрессорной линии. Потребляемую мощность, требуемая для суммарного сжатия, регистрировали и сравнивали с потребляемой мощностью, требуемой для сжатия и сжижения соответствующего количества диоксида углерода, генерируемого в общепринятой десорбционной колонне и полной подаче на первую стадию компрессорной линии.
Результаты моделирования HYSIS показаны в таблице 1. Как показано, чем выше первая температура и первое давление растворителя, содержащего диоксид углерода, поступающего в ребойлер первой стадии, тем больше сбережение энергии, требуемой для сжатия, по сравнению с диоксидом углерода, генерируемым в общепринятой десорбционной колонне.
Таблица 1
Пример
Температура °C
Давление, атм.
% CO<sub>2</sub> на стадии сжатия
% снижение потребляемой мощности относительно контроля
3<sup>ья</sup> стадия
2<sup>ая</sup> стадия
1<sup>ая</sup> стадия
1
140
8,16
50,3
0
49,7
20,1
2
130
6,80
0
66,7
33,3
12,6
3
120
5,44
0
50,7
49,3
9,6
контроль
120
1,36
0
0
100
0
Варианты осуществления настоящего изобретения, описанные в настоящем изобретении, в настоящее время являются предпочтительными. Различные модификации и улучшения можно осуществлять, не выходя за пределы объема и сущности настоящего изобретения. Объем настоящего изобретения определен прилагаемой формулой изобретения, и все изменения, попадающие в пределы смыслового содержания и диапазона эквивалентов, предполагаются включенными в настоящее изобретение.