2
УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ CO ИЗ СМЕШАННОГО ПОТОКА ГАЗА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КАТАЛИЗАТОРА
2
APPARATUS AND METHOD FOR IMPROVED EXTRACTION OF CO FROM MIXED GAS STREAM USING CATALYST

2
Настоящая заявка устанавливает приоритет по отношению к одновременно находящейся на рассмотрении предварительной заявке на патент США, озаглавленной «Устройство и способ усовершенствованного извлечения СО из смешанного потока газа при использовании катализатора», № US 61/038467, поданной 21 марта 2008 г, содержание которой во всей полноте включается в настоящий документ путем ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
2
2
2
Настоящее изобретение относится к устройству и способу извлечения диоксида углерода (СО) из потока технологического газа, содержащего диоксид углерода и диоксид серы. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на устройство обработки дымового газа на основе использования растворителя с целью извлечения СО из потока дымового газа, в котором предусматривается наличие катализатора с целью повышения эффективности растворителя с точки зрения улавливания СО из потока дымового газа или регенерации этого растворителя.
Уровень техники
2
2
При сгорании топлива, такого как уголь, нефть, торф, отходы и т.д., в предназначенной для сжигания установке образуется горячий технологический газ (или дымовой газ). Такой дымовой газ часто, помимо прочего, содержит диоксид углерода (СО). Неблагоприятное воздействие на окружающую среду выброса диоксида углерода в атмосферу общепризнано и стало стимулом для разработки способов, предусматривающих извлечение диоксида углерода из горячего технологического газа, образующегося при сгорании указанных выше видов топлив. Одно из ранее раскрытых устройств и способов направлено на одностадийное устройство и способ на основе использования охлажденного аммиака для извлечения диоксида углерода (СО) из потока образованного продуктами сгорания дымового газа.
2
2
2
2
2
Известные устройства улавливания СО на основе использования растворителя, такие как устройства и способы с использованием аммиака (САР), представляют собой относительно недорогое средство улавливания/извлечения СО из потока газа, такого как, например, поток образованного продуктами сгорания дымового газа. Пример такого устройства и способа раскрыт в находящейся в стадии рассмотрения заявке РСТ/US2005/012794 (номер международной публикации WO 2006/022885 (изобретатель: Eli Gal)), поданной 12 апреля 2005 г. и озаглавленной «Ультраочистка газообразных продуктов сгорания, включая извлечение СО». В этом способе абсорбция СО из потока дымового газа происходит в результате контакта потока дымового газа, содержащего СО, с охлажденным ионогенным раствором (или суспензией) аммиака.
2
2
2
2
Фиг.1А представляет собой схему, в общих чертах изображающую устройство обработки дымового газа 15, предназначенное для извлечения различных загрязняющих веществ из потока дымового газа FG, выходящего из огневого пространства котла 26, используемого в системе парового генератора, например, на электростанции. Данное устройство включает устройство 70 извлечения СО, предназначенное для извлечения СО из потока дымового газа FG перед выбросом потока очищенного дымового газа в дымовую трубу 90 (или, в качестве альтернативы, дополнительной обработкой). Кроме того, оно предназначено для производства СО, извлеченного из потока дымового газа FG. Детали устройства 70 для извлечения СО в общих чертах изображены на фиг. 1В.
2
2
2
Как показано на фиг.1В, устройство 70 для извлечения СО включает устройство улавливания 72, предназначенное для улавливания/извлечения СО из потока дымового газа FG и устройство регенерации 74, предназначенное для регенерации ионогенного раствора аммиака, использованного для извлечения СО из потока дымового газа FG. Детали устройства улавливания 72 в общих чертах изображены на фиг.1С.
2
2
2
2
2
На фиг.1С в общих чертах изображено устройство улавливания 72 устройства 70 улавливания СО (фиг.1А). В этом устройстве устройство улавливания 72 представляет собой устройство улавливания СО на основе использования растворителя. Более конкретно, в данном примере используемый растворитель представляет собой охлажденный аммиак. В устройстве/способе извлечения СО, основанных на использовании охлажденного аммиака (САР), предусматривается наличие абсорбционной камеры, в которой абсорбирующий ионогенный раствор аммиака (ионогенный раствор аммиака) вступает в контакт с потоком дымового газа (FG), содержащим СО. Как правило, ионогенный раствор аммиака является водным и может состоять, например, из воды и ионов аммония, бикарбонатных ионов, карбонатных ионов и/или карбаматных ионов. Один из примеров известного устройства извлечения СО способом САР представлен на схеме фиг.1С.
Как видно на фиг.1С, абсорбционная камера 170 предназначена для приема потока дымового газа FG, поступающего, например, из огневого пространства котла 26, работающего на ископаемом топливе (см. фиг.1А). Она также предназначена для приема обедненного ионогенного раствора аммиака, подаваемого из устройства регенерации 74 (см. фиг.1В). Обедненный ионогенный раствор аммиака вводят в камеру 170 через устройство 121 распределения жидкости, тогда как поток дымового газа FG вводят в абсорбционную камеру 170 через отверстия 76 для дымового газа.
Ионогенный раствор аммиака приводят в контакт с потоком дымового газа посредством устройства 111 газожидкостного контакта (далее - массообменное устройство (mass transfer device - MTD)), используемого для осуществления контакта потока дымового газа с растворителем и расположенного в абсорбционной камере 170 и на траектории, по которой поток дымового газа следует от точки входа через входное отверстие 76 к выходу 77 из камеры. Данное устройство 111 газожидкостного контакта может представлять собой, например, один или более общеизвестный структурированный или неупорядоченный насадочный материал или их сочетание.
2
2
2
2
2
2
2
Вступив в контакт с потоком дымового газа, ионогенный раствор аммиака абсорбирует СО из потока дымового газа, таким образом, ионогенный раствор аммиака насыщается СО (образуется обогащенный раствор). Обогащенный ионогенный раствор аммиака продолжает течь вниз через массообменное устройство, после чего собирается в нижней части 78 абсорбционной камеры 170. Затем обогащенный ионогенный раствор аммиака регенерируют при помощи устройства регенерации 74 (см. фиг 1В) с целью высвобождения СО, абсорбированного ионогенным раствором аммиака из потока дымового газа. СО, высвобожденный из ионогенного раствора аммиака, может быть затем направлен на хранение или на другие заранее определенные цели или варианты использования. После высвобождения СО из ионогенного раствора аммиака этот ионогенный раствор аммиака называют обедненным раствором. Обедненный ионогенный раствор аммиака опять готов к поглощению СО из потока дымового газа и может быть снова направлен в устройство 121 распределения жидкости, тем самым, его опять вводят в абсорбционную камеру 170. Детали устройства регенерации 74 показаны на фиг.1Е. Устройство 74 включает регенерационную камеру 195. Регенерационная камера 195 предназначена для приема обогащенного раствора, подаваемого из устройства улавливания 72, и для возвращения обедненного раствора в устройство улавливания 72 после отделения СО от обогащенного раствора.
2
2
2
В ходе процесса регенерации обогащенный ионогенный раствор аммиака нагревают так, что содержащийся в этом растворе СО отделяется от охлажденного раствора аммиака. После отделения от СО аммиак (аммиачный сток) возвращают в устройство улавливания для дальнейшего улавливания СО из потока газа.
2
2
2
2
Известные в настоящее время технологии улавливания СО на основе использования растворителя, обычно, предусматривают потребление, приблизительно, 20-30% энергии, вырабатываемой данной энергоустановкой, которая нужна для того, чтобы способ улавливания СО функционировал эффективно. Кроме того, в этих технологиях часто значительная доля термической энергии, производимой котлом/ребойлером (производительность котла), затрачивается на регенерацию раствора амина с целью его повторного использования для улавливания СО из потока дымового газа. Коротко говоря, хотя технологии улавливания СО из потока дымового газа известны, для их эффективного функционирования нужно огромное количество энергии. Кроме того, чтобы сделать максимальным/оптимизировать время, в течение которого дымовой газ находится в контакте с амином, физический размер резервуаров абсорбера и/или регенератора в обычном устройстве должен быть очень большим. Стоимость проектирования и воплощения таких крупногабаритных колонн очень высока. Кроме того, физическое пространство, необходимое для размещения этих резервуаров на технологической площадке, весьма значительно. Когда место ограничено, должны предприниматься дополнительные меры для обеспечения эксплуатации этих резервуаров/устройств в ограниченном пространстве, если это возможно.
Сущность изобретения
Варианты настоящего изобретения предусматривают обеспечение устройства обработки дымового газа, предназначенного для использования с котлом, работающим на ископаемом топливе. Вкратце, с точки зрения конструкционного решения, один из вариантов осуществления этого устройства, среди прочего, может быть реализован как устройство для обработки дымового газа, включающее абсорбционную колонну, предназначенную для приема смешанного потока газа, содержащего диоксид углерода, и для осуществления его контакта с растворителем; в данной абсорбционной колонне находится насадочный материал, покрытый катализатором.
Варианты осуществления настоящего изобретения также могут рассматриваться как обеспечивающие способы обработки смешанного потока газа, где один из способов включает следующие стадии: прием потока дымового газа из огневого пространства котла; осуществление контакта этого потока дымового газа с растворителем и осуществление контакта растворителя с катализатором.
Другие устройства, способы, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области при изучении прилагаемых чертежей и подробного описания. Подразумевается, что такие дополнительные устройства, способы, отличительные признаки и преимущества включаются в это описание, входят в объем настоящего изобретения и охраняются прилагаемой формулой изобретения.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение может быть лучше понято, а его многочисленные цели и преимущества станут очевидными специалистам в данной области при рассмотрении прилагаемых чертежей, на которых:
2
Фиг.1А - Фиг.1С представляют собой схемы, на которых в общих чертах изображено устройство 15 обработки дымового газа, предназначенное для извлечения СО.
Фиг.2А - Фиг.2D представляют собой схемы, в общих чертах поясняющие пример насадочных материалов 315, на стенках/поверхности которого может быть иммобилизован катализатор.
2
Фиг.3 представляет собой схему, на которой в общих чертах изображены соответствующие участки устройства 70 для улавливания СО с использованием амина или аммиака, и где абсорбер 110 и регенератор 330 снабжены насадочными материалами 315 и 335 соответственно, которые покрыты катализатором.
2
Фиг.4А представляет собой схему, на которой в общих чертах изображены соответствующие участки устройства 70 для улавливания СО на основе амина или аммиака, где катализатор 425 добавляется в свежий подаваемый растворитель 195 (фиг.4А) или, в качестве альтернативы, он может быть добавлен непосредственно в растворитель, подаваемый в колонну. В данном примере растворитель представляет собой амин или аммиак.
2
Фиг.4В представляет собой схему, на которой в общих чертах изображены соответствующие участки устройства 70 для улавливания СО на основе амина или аммиака, где катализатор 425 добавляется непосредственно в растворитель, подаваемый в колонну.
Подробное описание изобретения
2
2
Предложенное изобретение направлено на повышение эффективности улавливания СО в устройстве улавливания на основе растворителя, предназначенном для использования при обработке, например, потока дымового газа. Предложенное изобретение также направлено на эффективное регенерирование растворителя, использованного для улавливания СО.
2
В одном из вариантов осуществления предложенного изобретения катализатор 425 нанесен (или иммобилизован) на одну или более поверхность насадочных материалов 315, расположенных в абсорбционной колонне 110 устройства 70 для улавливания СО с использованием амина или аммиака. Фиг.2А - Фиг.2D представляют собой схемы, на которых в общих чертах изображены насадочные материалы 315, покрытые катализатором. На фиг.2В и 2С показано, что насадочные материалы 315 могут состоять, например, из последовательности гофрированных носителей 320, расположенных в непосредственной близости друг к другу так, что образуется группа каналов 334, по которым перемещается дымовой газ, поступающий в абсорбционную камеру 110. Катализатор 425 нанесен на одну или более поверхность каждого из гофрированных носителей 320. Гофрированные желобки 334 образуют траекторию прохождения дымового газа через насадочные материалы 315 и, тем самым, контакта со слоем катализатора 425.
3
2
Катализатор 425 может быть либо гомогенным, либо (и/или) гетерогенным катализатором. К типу гомогенных катализаторов можно отнести, например, металлорганический комплекс, образованный переходным металлом и неорганическими/органическими лигандами (такими как бипиридин, ароматические группы, галоген и т.д.). Образование комплекса переходного металла является одним из наиболее эффективных и универсальных способов активации инертных молекул. В результате координирования изменяется реакционная способность лигандов и создаются благоприятные со стерической точки зрения условия для взаимодействия лигандов. Такая активация посредством координации позволяет осуществлять под влиянием соединений переходных металлов многочисленные каталитические реакции. К другим примерам пригодных для использования катализаторов относятся, помимо прочего, катализаторы в виде металлорганических комплексов, таких как, например, комплекс галогенного типа, Ni(bpy)Cl [bpy: бипиридин].
2
2
К типу гетерогенных катализаторов можно отнести, например, металлы или их соединения, такие как оксиды (например, MgO), хлорид MgCl и т.д. (оксид, предпочтительно, не содержит сульфид и хлорид, они независимы друг от друга), которые диспергированы, предпочтительно равномерно, на твердых материалах с большой площадью поверхности по БЭТ, таких как, например, полимер, оксиды металлов, SiO, молекулярные сита, глина, модифицированная основанием и/или кислотой, и т.д.
2
2
2
Катализатор 425 предназначен для ускорения реакции CO с растворителем, таким как амин или охлажденный аммиак, и, таким образом, увеличения количества улавливаемого растворителем СО за данный период времени (то есть, повышения эффективности процесса улавливания СО с использованием амина).
Катализатор на насадочных материалах в регенерационной колонне.
2
2
2
2
В одном из вариантов осуществления предложенного изобретения катализатор нанесен/иммобилизован на одной или более поверхности насадочных материалов в регенерационной колонне устройства для улавливания СО с использованием амина или аммиака. Катализатор может быть либо гомогенным, либо (и/или) гетерогенным катализатором. Катализатор предназначается для ускорения регенерации растворителя (например, амина или аммиака) после того, как он прореагировал/вступил во взаимодействие с СО. Катализатор подбирается и предназначается для ускорения разложения продуктов, образовавшихся при взаимодействии/реакции между СО и амином, таким образом, повышается эффективность регенерации амина из обогащенного раствора амина за данный период времени (то есть, повышается эффективности процесса улавливания СО с использованием амина). Этот вариант осуществления изобретения в общих чертах изображен на фиг.3.
2
2
В еще одном варианте осуществления изобретения катализатор добавляют в растворитель, такой как, например, амин или аммиак, который используется для улавливания СО из потока дымового газа. Этот катализатор также может быть использован для ускорения регенерации растворителя после того, как он вступил в реакцию с СО. В данном варианте осуществления изобретения может быть использован гомогенный катализатор. Этот вариант осуществления изобретения в общих чертах изображен на фиг.4А и фиг.4В. На фиг.4А поясняется, что катализатор 425 может быть подан непосредственно в расходный резервуар растворителя 510. На фиг.4В поясняется, как катализатор 425 может быть соединен с растворителем, подаваемым в устройство 121 распределения жидкости.
В устройстве 15 обработки дымового газа, в котором катализатор 425 нанесен/иммобилизован/наложен слоем на насадочные материалы 315 и в абсорбционной колонне 110, и в регенерационной колонне 330, катализатор 425, используемый и в абсорбционной колонне 110, и в регенерационной колонне 330, может представлять собой один и тот же катализатор или разные катализаторы. Нет необходимости использовать один и тот же катализатор в отношении улавливания и регенерации.
2
Катализатор 425 может быть диспергирован/наложен слоем/нанесен на твердый материал 320 с большой площадью поверхность по БЭТ, например, 100-1000 м/г, квадратный метр на грамм твердых материалов, посредством, например, влажной пропитки с последующим нанесением/иммобилизацией на насадочные материалы 315, расположенные, например, в абсорбционной колонне 110 и/или регенерационной/отпарной колонне 330. Это может быть осуществлено посредством, например, известных технологий реактивной грунтовки, подобных применяемым, например, в промышленных процессах подготовки катализаторов. Эти твердые материалы могут быть использованы для изготовления насадочных материалов или их частей.
3
2
В качестве альтернативы, катализаторы (металлорганический комплекс, переходный металл, а также его соль) могут быть непосредственно нанесены на насадочные материалы 315 (см. фиг.2А - фиг.2С) с образованием пленки (или слоя) катализатора. Это может быть осуществлено посредством, например, известных технологий нанесения покрытий, подобных применяемым, например, при промышленном производстве полупроводников или в процессах самосборки или электрохимическом нанесении покрытий. Некоторые примеры пригодных для использования катализаторов включают, помимо прочего, например, катализаторы в виде металлорганических комплексов, такие как, например, комплекс галогенного типа, Ni(bpy)Cl [bpy: бипиридин] и неорганические катализаторы на основе переходных металлов.
2
2
2
2
При улавливании СО может быть использован любой гомогенный и/или гетерогенный катализатор, предназначенный для активации СО, адсорбированного на поверхности катализатора 425, и катализа карбонизации/бикарбонизации и карбоматизации амина СО в ходе гомогенного и/или гетерогенного процесса. Эти катализаторы также могут быть использованы при регенерации растворителя (например, амин или аммиак) с целью катализа разложения продуктов, образовавшихся в результате карбонизации/бикарбонизации и карбоматизации амина СО.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на ограниченное количество предпочтительных вариантов его осуществления, специалистам в данной области понятно, что внесение различных изменений и произведение замены его элементов на эквивалентные может быть осуществлено без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, многочисленные модификации с целью приспособления конкретной ситуации или материала к положениям настоящего изобретения могут быть произведены без выхода за пределы его основного объема. Следовательно, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами его осуществления, описанными в качестве считающегося наилучшим способа реализации данного изобретения, напротив, изобретение включает все варианты осуществления, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, использование терминов первый, второй и т.д. не означает какого-либо порядка или степени важности, напротив, термины первый, второй и т.д. используются для отличия одного элемента от другого.