СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ХОЛОДА И ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
METHOD TO PRODUCE POWER, COLD AND CARBON DIOXIDE FROM SMOKE GASES

Изобретение относится ко всем отраслям промышленности, использующим ископаемое топливо, например электроэнергетике, химии, нефтехимии, металлургии, коксохимии и другим отраслям, и может быть использовано для выделения из очищенных в соответствии с требованиями экологического законодательства от оксидов сера и азота дымовых газов диоксида углерода в виде продукта с одновременной выработкой электроэнергии, холода и ликвидацией теплового загрязнения окружающей среды.
Изобретение относится к технологическим объектам, имеющим в качестве выбросов очищенные от оксидов серы и азота дымовые газы с содержанием диоксида углерода порядка 6-8 об.%, и представляет собой комбинированную систему тригенерации, позволяющую получить из потока дымовых газов электроэнергию, холод и диоксид углерода в виде продукта с одновременной полной ликвидацией теплового загрязнения окружающей среды.
Известен метод и установка улавливания диоксида углерода из дымовых газов [Пат. WO 201109163 МПК F23J-015/00. Метод и установка для выделения диоксида углерода от промышленных источников дымовых газов при атмосферном давлении. Method and system for extracting carbon dioxide from an industrial source of flue gas at atmospheric pressure. Sceats Mark Geoffrey, Dinsdale Julian Westley. Заявл.:; Опубл.: 27.01.2011], предусматривающие сжатие дымовых газов с предварительным охлаждением, сепаратор для отделения диоксида углерода из дымовых газов, турбину для производства электроэнергии и блок нагрева. При этом блок расширения может состоять из двух или более турбин, причем сепаратор расположен между турбинами. Блок нагрева содержит атмосферную камеру сгорания для сжигания топлива с воздухом, парогенераторы и паровые турбины для выработки электроэнергии.
Известен способ выделения диоксида углерода из дымовых газов детандированием [Пат. РФ 2350556 С2 МПК С01В 31/20 (2006.01), F25J 3/00 (2006.01). Способ производства диоксида углерода. Борискин В.В., Данилов К.Л., Плаксин Л.Л., Фокин Г.А., Фурсенко С.А. Заявл.: 07.08.2006; Опубл.: 27.03.2009], предусматривающий сжатие осушенных и охлажденных дымовых газов, получаемых путем сжигания углеводородного сырья, которые в дальнейшем детандируют. Дополнительное охлаждение дымовых газов осуществляют за счет рекуперативного теплообмена с обратным потоком после детандера, после чего из них выделяют диоксид углерода в твердом виде. В способе предусмотрено дополнительное охлаждение дымовых газов низкого давления за счет теплообмена с испаряющимся потоком сжиженного природного газа.
Известна установка для производства тепла, холода и диоксида углерода [Авт. свидетельство СССР 1441139 A1 МПК F25B 11/00, 29/00. Установка для производства тепла, холода и диоксида углерода. Борчин Е.Я., Гриценко В.И. Заявл.: 28.02.1986; Опубл.: 30.11.1988], предусматривающая генерацию дымовых газов за счет сжигания топлива в камере сгорания, охлаждение дымовых газов до точки росы в теплообменнике, дальнейшее охлаждение газов в регенеративном теплообменнике, десублимацию диоксида углерода и его расплавление в ожижителе с выработкой продукта для потребителя, а также детандирование прямого потока газов для выработки работы и использования холода обратного потока в десублиматоре. Способ предполагает использование газовой турбины для утилизации теплоты дымовых газов после камеры сгорания в основном энергоблоке.
Известен способ управления холодильным циклом с помощью цикла Ренкина [Пат. JP 58086356 А МПК F25B 11/00; F25B 27/00. Управление холодильным циклом с помощью цикла Ренкина. Rankine cycle driving refrigerating cycle. Matsuzaki Yasumasa. Заявл.:; Опубл.: 231.05.1983], предусматривающий интеграцию цикла Ренкина и холодильного цикла для повышения эффективности цикла Ренкина за счет использования теплоты сжатия в регенераторе для подогрева низкокипящего рабочего тела цикла Ренкина.
Известен способ работы комплексной энерготехнологической установки [Пат. РФ 2133416 С1 МПК F25B 011/00, F25B 029/00. Способ работы комплексной энерготехнологической установки. Саксонов Г.М., Грибов В.Б., Суетинов В.П., Комисарчик Т.Н., Уваров Л.А. Заявл.: 18.12.1997; Опубл.: 20.07.1999], принятый за прототип, в котором за счет объединения основного энергоблока и холодильного цикла вырабатываются теплота, холод, электроэнергия и диоксид углерода. Схема способа представлена на рис.1.
На рис.1 схематически представлена энерготехнологическая установка, которая включает основной энергоблок, состоящий из камеры сгорания 1, куда подают под давлением топливо и компрессором нагнетается сжатый воздух и где происходит образование дымовых газов, и напорного экономайзера 2, который кооперируется с холодильным циклом, который в свою очередь, включает влагоотделитель 3, холодильный регенератор 4, линии прямого 5 и обратного 6 потоков хладагента, турбодетандер 7, десублиматор-сепаратор твердого диоксида углерода 8, дымовую трубу 9, линию 10 твердого диоксида углерода с загрузочным устройством-шнеком 11, плотным затвором 12, ожижитель 13, ресивер 14, задвижки 15, 16, 17, баки запаса горячей 18 и холодной 19 воды, клапан 20 на подводе пара к баку запаса горячей воды, насосы холодной 21 и горячей 22 воды, задвижки 24, 25, 26, насос 23 смеси воды и жидкого диоксида углерода, электрогенератор 27, клапан-воздушник 28 ожижителя 13 и клапан подпитки 29 бака горячей воды 18, соединяющий этот бак с магистралью горячей воды.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В камере сгорания основного энергоблока за счет сжигания топлива образуются дымовые газы с давлением около 0,3 МПа, которые используют для производства электроэнергии, получения пара и горячей воды. Выходящие из основного энергоблока сжатые дымовые газы после очистки от оксидов серы и азота содержат порядка 9 об.% диоксида углерода. В напорном экономайзере эти газы охлаждают водой, используемой у потребителей тепла, до температуры около 50°С, а часть водяных паров, содержащихся в сжатых дымовых газах, конденсируют с выделением скрытой теплоты конденсации паров воды и образованием капельной влаги. После отделения капельной влаги во влагоотделителе очищенные и осушенные дымовые газы поступают в холодильный регенератор, в котором охлаждаются до температуры около -90°С, близкой к точке начала десублимации диоксида углерода. Далее газы расширяют в турбодетандере до давления, близкого к атмосферному, при этом их температура снижается до -110°С. Одновременно в потоке газов за турбодетандером выпадает кристаллический диоксид углерода в виде сухого снега, который выделяют из потока в отделителе. Затем очищенные газы обратным потоком поступают в холодильный регенератор, где отдают запас холода прямому потоку перед турбодетандером. После холодильного регенератора очищенные от диоксида углерода дымовые газы выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Из отделителя твердый диоксид углерода поступает в шнековое загрузочное устройство по линии твердого диоксида углерода для переработки в жидкий продукт.
Недостатком указанного способа, принятого за прототип, является то, что в схеме имеется дефицит электроэнергии и холода, не позволяющий достичь глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов при меньшем, чем указано в способе, их количестве, которое содержится, например, в выбросах энергоблоков коксохимических производств (порядка 6 об.% вместо 9 об.%), что сужает область использования способа.
Техническим результатом предлагаемого способа является возможность глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов в твердом или газообразном состояниях без внешних затрат холода и электроэнергии, а также дополнительная выработка холода, электроэнергии и полная ликвидация теплового загрязнения окружающей среды.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения электроэнергии, холода и диоксида углерода из дымовых газов, включающем удаление из них влаги, сжатие и охлаждение очищенных и осушенных дымовых газов, улавливание диоксида углерода в твердом состоянии из дымовых газов и расширение их в турбине для выработки электроэнергии и холода, составляющих элементы холодильного цикла, процесс улавливания диоксида углерода из дымовых газов осуществляются за счет совмещения холодильного цикла с паросиловым циклом Ренкина, в котором низкокипящее рабочее тело класса легких углеводородов, например этан, выполняет функцию хладагента в процессе улавливания диоксида углерода в твердом или газообразном состояниях в холодильном цикле.
При этом диоксид углерода выделяют или в твердом состоянии в десублиматоре-сепараторе, или в газообразном состоянии в системе абсорбер-десорбер, а выхлоп дымовых газов, не содержащих диоксида углерода в атмосферу, осуществляют при параметрах, близких к параметрам окружающей среды. Твердый (или газообразный) диоксид углерода направляют для переработки в жидкий продукт.
Предлагаемый способ и его аппаратурное оформление поясняются примером конкретного осуществления на рис.2.
На рис.2 схематически представлен способ получения электроэнергии, холода и диоксида углерода из дымовых газов, который включает:
- цикл Ренкина, который содержит испаритель 1 и пароперегреватель 2 низкокипящего рабочего тела, турбину 3 для рекуперации энергии НРТ и выработки механической работы, которая в дальнейшем преобразуется в электрическую энергию (на схеме не показано), конденсатор НРТ 4 для перевода его в жидкое состояние, насос 5 для повышения напора НРТ и его перекачки;
- холодильный цикл, который, в свою очередь, содержит теплообменник 6 для предварительного охлаждения потока очищенных дымовых газов после испарителя 1 и пароперегревателя 2 цикла Ренкина и удаления из них паров воды, охладитель 7 для предварительного охлаждения потока очищенных и осушенных дымовых газов перед первой ступенью сжатия многоступенчатого компрессора 8 с промежуточным охлаждением, десублиматор-сепаратор 9 для улавливания диоксида углерода в твердом состоянии (вместо десублиматора-сепаратора в схему можно включить абсорбер для улавливания диоксида углерода в газообразном состоянии абсорбентом при низкой температуре), турбину 10 для выработки дополнительной механической работы (электроэнергии) и холода.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Дымовые газы, вышедшие из основного энергоблока, имеющие температуру в диапазоне от 350 до 450°С (соответствует температуре очистки дымовых газов, прошедших очистку от соединений серы, от оксидов азота,) и содержащие порядка 6-8 об.% диоксида углерода, направляют в испаритель 1 и пароперегреватель 2 цикла Ренкина, где за счет рекуперации их теплоты происходит испарение и перегрев НРТ класса легких углеводородов, например этана, направляемого в эти элементы под давлением из теплообменника 6 (поток 2). Перегретые пары НРТ направляют в турбину 3 цикла Ренкина, где они совершают работу, расширяясь до атмосферного давления. Затем поток НРТ направляют в конденсатор 4 цикла Ренкина для перевода вышеуказанного НРТ в жидкое состояние за счет внешнего хладагента. Поток жидкого НРТ насосом 5 цикла Ренкина под давлением (поток 1) направляют в десублиматор-сепаратор 9 холодильного цикла, где за счет холода НРТ происходит улавливание диоксида углерода и выделение его в твердом состоянии, затем поток НРТ проходит промежуточный охладитель в подсистеме многоступенчатого сжатия 8 и его направляют в теплообменник 6, где за счет холода НРТ из потока очищенных дымовых газов удаляют влагу. В результате прохождения потока жидкого НРТ под давлением последовательно через вышеуказанные элементы 9, 8, 6 его подогревают до температуры кипения и направляют в испаритель 1 цикла Ренкина (поток 2). Далее цикл по НРТ повторяют, при этом цикл по потоку низкокипящего рабочего тела является замкнутым.
В свою очередь очищенные от оксидов серы и азота дымовые газы направляют в теплообменник 6 холодильного цикла, где за счет холода НРТ из них удаляют влагу. Далее очищенные и осушенные дымовые газы сначала направляют в охладитель 7 холодильного цикла, где их температура снижается, а затем в подсистему многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением 8 холодильного цикла, где их давление повышается. Из подсистемы многоступенчатого сжатия очищенные и осушенные дымовые газы направляют в десублиматор-сепаратор для улавливания из них за счет холода НРТ диоксида углерода. В дальнейшем очищенные и осушенные дымовые газы, не содержащие диоксида углерода, направляют в охладитель 7, где их нагревают за счет охлаждения исходного потока дымовых газов, направляемых на улавливание из них диоксида углерода, а затем подают в турбину 10 холодильного цикла для выработки дополнительной работы и получения дополнительного холода, используемого в межступенчатом охладителе подсистемы сжатия 8 холодильного цикла. Очищенные и осушенные дымовые газы, не содержащие диоксида углерода и имеющие температуру, не превышающую температуру окружающей среды, выбрасывают в атмосферу.
В предлагаемом способе обеспечивается высокая степень улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов, отсутствие для улавливания диоксида углерода внешних источников электроэнергии и холода, генерация дополнительных количеств электроэнергии и холода и полная ликвидация теплового загрязнения окружающей среды за счет оптимального совмещения потоков работы, теплоты и холода.
При промышленном применении предлагаемого способа для широкого круга отраслей промышленности увеличивается количество вырабатываемой электроэнергии за счет суммирования энергии основного энергоблока с дополнительной электроэнергией, выработанной в комбисистеме тригенерации, генерируется холод и выделяется диоксид углерода в твердом или газообразном состоянии, который возможно перевести в жидкий товарный продукт. Предотвращенный выброс диоксида углерода в качестве квоты может быть представлен на мировой углеродный рынок и одновременно может быть использован, например, для повышения нефтеотдачи при закачке жидкого диоксида углерода в глубинные нефтеносные пласты и его захоронения.