улучшенная промотором система на основе охлажденного аммиака и способ удаления co2 из потока дымового газа

Формула изобретения

1. Способ поглощения CO₂ из газового потока, указанный способ включает:

контактирование потока дымового газа, содержащего CO₂, с обедненным раствором поглотителя, причем обедненный раствор поглотителя содержит аммиаксодержащий ионный раствор или суспензию, основанные на охлажденном аммиаке, и промотор, выбранный из пиперазина или ферментной системы, с получением в результате обогащенного раствора поглотителя; и

регенерирование обогащенного раствора поглотителя с высвобождением CO₂ и осаждением бикарбоната аммония из обогащенного раствора поглотителя, с получением в результате обедненного раствора поглотителя.

2. Способ по п.1, в котором промотор содержит 0,2-2,0 моль пиперазина.

3. Способ по п.2, в котором промотор содержит 0,4-1,0 моль пиперазина.

4. Способ увеличения осаждения твердых частиц бикарбоната аммония из аммиаксодержащего ионного раствора на основе охлажденного аммиака, используемого для удаления CO₂ из потока дымового газа, где указанный способ включает:

введение промотора, выбранного из пиперазина или ферментной системы, в аммиаксодержащий ионный раствор на основе охлажденного аммиака, который взаимодействует с CO ₂ из потока дымового газа, что способствует осаждению твердых частиц бикарбоната аммония из аммиаксодержащего ионного раствора.

5. Способ по п.4, в котором промотор содержит 0,2-2,0 моль пиперазина.

6. Способ по п.5, в котором промотор содержит 0,4-1,0 моль пиперазина.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе и способу для удаления диоксида углерода (СО₂) из обрабатываемого газового потока, содержащего диоксид углерода и диоксид серы. Более конкретно предлагаемое изобретение относится к системе обработки дымового газа, содержащей охлажденный аммиак, для удаления СО₂ из потока дымового газа.

Перекрестная ссылка на родственную заявку (заявки)

Данная заявка подтверждает приоритет одновременно рассматриваемой предварительной заявки США, озаглавленной «Улучшенное поглощение СО ₂ в системе обработки после горения топочного газа, содержащей охлажденный аммиак», имеющей серийный номер US 60/992340, поданной 12.05.07 г, описание сущности которой полностью приводится здесь в качестве ссылки.

Краткое описание изобретения

Варианты настоящего изобретения предусматривают систему и способ улавливания диоксида углерода (СО₂) из обрабатываемого газового потока. Вкратце описанный в конфигурации один вариант системы, среди других, может быть осуществлен так, что он включает в себя поглотительный сосуд, сконструированный для получения потока дымового газа; кроме того, поглотительный сосуд сконструирован для получения питания раствора абсорбента. Поглотительный сосуд включает в себя устройство массопереноса ((УМП)(MTD)) газ-жидкость, сконструированное для осуществления контакта газового потока с раствором абсорбента.

Варианты настоящего изобретения могут также рассматриваться как предусматривающие способ удаления СО₂ из потока дымового газа. В этом отношении один вариант такого способа среди других может быть широко обобщен следующими стадиями: объединение промотора с ионным раствором поглотителя (ионным раствором); контактирование объединенных промотора и ионного раствора с потоком дымового газа, который содержит СО₂; и регенерирование объединенных промотора и ионного раствора с высвобождением СО₂, поглощенного из дымового газа.

Другие системы, способы, характеристики и преимущества настоящего изобретения являются или станут очевидными для специалистов в данной области техники при изучении прилагающихся чертежей и последующего подробного описания. Подразумевается, что все такие дополнительные системы, способы, характеристики и преимущества, включенные в данное описание, находятся в объеме настоящего изобретения и защищены прилагаемой формулой изобретения.

Предпосылки создания изобретения

При сжигании топлива, такого как уголь, нефть, торф, отходы и т.д., в установке сжигания, такой как установки, связанные с бойлерными системами для подачи пара к энергоустановке, образуется горячий газ способа (или дымовой газ). Такой дымовой газ часто содержит среди прочего диоксид углерода (СО₂). Отрицательное воздействие на экологию высвобождения диоксида углерода в атмосферу широко известно и имеет в результате разработку способов, предназначенных для удаления диоксида углерода из горячего газа способа, образовавшегося при сжигании вышеуказанных топлив. Одна такая система и способ были рассмотрены ранее и относятся к одностадийной системе на основе охлажденного аммиака и к способу удаления диоксида углерода (СО₂) из потока дымового газа после сжигания.

Известные системы и способы на основе охлажденного аммиака ((СОА)(САР)) обеспечивают относительно недорогостоящее средство улавливания/удаления СО₂ из газового потока, такого как, например, поток дымового газа после сжигания. Пример такой системы и способа был ранее рассмотрен в находящейся на рассмотрении заявке на патент PCT/US 2005/012794 (Номер Международной публикации: WO 2006/022885, автор: Eli Gal), поданной 12 апреля 2005 г и озаглавленной «Ультраочистка газообразного продукта сгорания, включающая удаление СО₂». В данном способе поглощение СО ₂ из потока дымового газа достигается при контактировании ионного раствора (или суспензии) охлажденного аммиака с потоком дымового газа, который содержит СО₂.

На Фиг.1А представлена диаграмма, показывающая в целом систему 15 обработки дымового газа для использования в удалении различных загрязняющих веществ из потока дымового газа FG, испускаемого камерой сгорания бойлерной системы 26, используемой в парогенерирующей системе, например, энергогенерирующей установки. Указанная система включает в себя систему 70 удаления СО₂, которая сконструирована для удаления СО₂ из потока дымового газа FG перед выпуском очищенного потока дымового газа в выпускную трубу (или, альтернативно, на дополнительную обработку). Она также сконструирована для производства СО₂, удаленного из потока дымового газа FG. Детали системы удаления 70 СО₂ в целом показаны на Фиг.1В.

Что касается Фиг.1В, система удаления 70 СО₂ включает в себя систему улавливания 72 для улавливания/удаления СО₂ из потока дымового газа FG и систему регенерации 74 для регенерирования ионного раствора, используемого для удаления СО₂ из потока дымового газа FG. Детали системы улавливания 72 в целом показаны на Фиг.1С.

Что касается Фиг.1С, на ней в целом показана система улавливания 72 системы удаления 70 СО₂ (Фиг.1А). В данной системе система улавливания 72 представляет собой систему улавливания СО₂ на основе охлажденного аммиака. В системе/способе удаления СО₂ на основе охлажденного аммиака предусматривается поглотительный сосуд, в котором ионный раствор поглотителя (ионный раствор) контактирует с потоком дымового газа FG, содержащим СО₂. Ионный раствор обычно является водным и может состоять, например, из воды и аммониевых ионов, бикарбонатных ионов, карбонатных ионов и/или карбаматных ионов. Пример известной СОА-системы удаления СО₂ в целом показан на диаграмме Фиг.1С.

Что касается Фиг.1С, поглотительный сосуд 170 сконструирован для получения потока дымового газа FG, происходящего, например, из камеры сгорания, бойлера 26, работающего на ископаемом топливе (см. Фиг.1А). Он также сконструирован для получения питания обедненного ионного раствора из системы регенерации 74 (см. Фиг.1В). Обедненный ионный раствор вводят в сосуд 170 через систему распределения жидкости 122, тогда как поток дымового газа FG также поступает в поглотительный сосуд 170 через впуск 76 дымового газа.

Ионный раствор приводится в контакт с потоком дымового газа с помощью устройства контактирования газ-жидкость (далее устройство массопереноса, УМП (MTD)) 111, используемого для массопереноса и расположенного в поглотительном сосуде 170 и на пути, который газовый поток проходит от его поступления через впуск 76 до выпуска 77 сосуда. Устройством контактирования газ-жидкость 111 может быть, например, один или более общеизвестных структурированных или произвольных упаковочных материалов или их комбинация.

Ионный раствор, распыленный из системы распылительной головки 121 и/или 122, падает вниз на/в устройство массопереноса 111. Обедненный ионный раствор, питающий систему распылительной головки 122 и рециклированный ионный раствор, питающий распылительную головку 121, могут быть объединены и распылены из одной распылительной головки. Ионный раствор движется каскадом вниз через устройство массопереноса 111 и приходит в контакт с потоком дымового газа FG, который поднимается вверх (в обратном направлении по отношению к ионному раствору) и через устройство массопереноса 111.

При контактировании с потоком дымового газа ионный раствор действует с поглощением СО₂ из потока дымового газа, таким образом, делая ионный раствор «обогащенным» СО₂ (обогащенный раствор). Обогащенный ионный раствор продолжает течь вниз через устройство массопереноса и затем собирается на дне 78 поглотительного сосуда 170. Обогащенный ионный раствор затем регенерируется регенерационной системой 74 (см. Фиг.1В) с высвобождением СО₂, поглощенного ионным раствором из потока дымового газа. СО₂, высвобожденный из ионного раствора, может быть затем извлечен для хранения или других определенных применений/целей. Поскольку СО₂ высвобождается из ионного раствора, ионный раствор называется «обедненным». Обедненный ионный раствор тогда снова готов для поглощения СО ₂ из потока дымового газа и может быть направлен обратно в систему распределения жидкости 122, поэтому он снова вводится в поглотительный сосуд 170.

После того как ионный раствор распыляется в поглотительном сосуде 170 системой распылительной головки 122, он каскадом спускается вниз на и через устройство массопереноса 111, где он контактирует с потоком дымового газа FG. При контактировании с потоком дымового газа ионный раствор взаимодействует с СО₂, который может содержаться в потоке дымового газа. Данная реакция является экзотермической и как таковая дает в результате выделение тепла в поглотительном сосуде 170. Указанное тепло может заставить часть аммиака, содержащегося в ионном растворе, перейти в газообразное состояние. Газообразный аммиак тогда вместо мигрирования вниз вместе с жидким ионным раствором мигрирует вверх через поглотительный сосуд 170 вместе с и как часть потока дымового газа и в конечном счете выходит через выпуск 77 поглотительного сосуда 170. Потеря указанного аммиака из системы (аммиачный сдвиг) снижает молярную концентрацию аммиака в ионном растворе. Когда молярная концентрация аммиака снижается, это дает R-значение (мольное отношение NH₃ к СО₂).

Когда поток дымового газа контактирует с ионным раствором, диоксид углерода, содержащийся в потоке дымового газа, взаимодействует с образованием бикарбонатного иона при взаимодействии с водой (Н₂О) или с гидроксильным ионом (ОН^-). Эти «реакции улавливания» (реакция 1 - реакция 9, показанные ниже) обычно описываются следующим образом:

Реакция 1: СО₂ (газ.) СО₂ (водн.)

Реакция 2: СО ₂ (водн.) + 2Н₂О НСО₃ ^- (водн.) + Н₃О⁺

Реакция 3: СО₂ (водн.) + ОН^- НСО₃ ^- (водн.)

Реакции NH₃ и его ионов и СО₂ имеют место в жидкой фазе и рассматриваются ниже. Однако при низкой температуре, обычно 70-90°F (21,1-26,7°C) и высокой ионной силе, обычно 2-12 аммониевых ионов, бикарбонат, полученный в реакции (2) и реакции (3), взаимодействует с аммониевыми ионами и осаждается как бикарбонат аммония, когда отношение NH ₃/СО₂ составляет менее 2,0, согласно:

Реакция 4: НСО₃ ^-(водн.) + NH₄ ⁺(водн.) NH₄HCO₃(тв.)

Реакция 2 является медленной реакцией, тогда как реакция 3 является быстрой реакцией. При высоких уровнях рН, таких как, например, когда рН выше 10, концентрация ОН^- в ионном растворе является высокой, и, таким образом, большая часть СО₂ улавливается посредством реакции (3), и может быть достигнута высокая эффективность улавливания СО₂. При низком рН концентрация гидроксильного иона ОН^- является низкой, и эффективность улавливания СО₂ является также низкой и основана, главным образом, на реакции (2).

В системе(ах)/способе(ах) улавливания СО₂ на основе охлажденного аммиака СО₂ в потоке дымового газа улавливается при контактировании потока дымового газа с водным раствором аммиака, которое позволяет СО ₂ в потоке дымового газа непосредственно взаимодействовать с водным аммиаком. При низком R-значении, обычно менее примерно 2, и при рН обычно ниже 10 прямая реакция СО₂ с аммиаком в ионном растворе представляет собой преобладающий механизм улавливания СО₂. Первой стадией в последовательности улавливания СО₂ является массоперенос СО₂ из газовой фазы в жидкую фазу реакции (1). В жидкой фазе последовательность реакции имеет место между водным СО₂ и водным аммиаком:

Реакция 5: СО₂(водн.) + NH₃ (водн.) СО₂ * NH₃(водн.)

Реакция 6: СО₂*NH₃(водн.) + Н₂ О NH₂CO₂ ^-(водн.) + Н₃О⁺

Реакция 7: NH₂CO₂ ^-(водн.) + Н₂О NH₄ ⁺(водн.) + CO₃=(водн.)

Реакция 8: CO₃=(водн.) + NH₄ ⁺(водн.) НСО₃ ^-(водн.) + NH₃(водн.)

Реакция 9: CO₃=(водн.) + Н₃О⁺ НСО₃ ^-(водн.) + Н₂О

Как описано выше, бикарбонат, полученный в реакции (8) и реакции (9), может взаимодействовать с аммониевыми ионами с осаждением в качестве твердого бикарбоната аммония на основе реакции (4), тогда как аммиак, полученный в реакции (8), может взаимодействовать с дополнительным СО₂ на основе реакции (5).

Последовательность цепи реакций (5)-(9) является относительно медленной и, таким образом, требует крупного и дорогостоящего устройства улавливания СО₂. Медленная скорость поглощения СО₂ обусловлена: 1) одной или более медленными реакциями в последовательности реакций улавливания (реакция 1 - реакция 9); и 2) накапливанием промежуточных частиц, таких как СО ₂*NH₃ и NH₂CO₂ ^-, в ионном растворе. Накапливание промежуточных частиц замедляет процесс улавливания СО₂ и дает в результате более низкую эффективность улавливания СО₂ энергогенерирующей установкой. Таким образом, в промышленности существует неадрессованная необходимость увеличения скорости реакций улавливания СО_2, что позволит значительно снизить размер и, таким образом, стоимость устройства улавливания СО₂ и вспомогательных систем.

Другие характеристики настоящего изобретения будут видны из описания и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Многие аспекты настоящего изобретения будут лучше поняты при рассмотрении последующих чертежей. Компоненты на чертежах не должно быть в масштабе, вместо этого имеется выделение для ясного показа принципов настоящего изобретения. Кроме того, на чертежах одинаковые ссылочные номера обозначают соответствующие части на всех нескольких видах. Настоящее изобретение далее будет описано подробно с ссылкой на прилагающиеся чертежи, на которых:

На Фиг.1А представлена диаграмма, в целом показывающая систему обработки 15 потока дымового газа, которая включает в себя систему удаления 70 СО₂.

На Фиг.1В представлена диаграмма, в целом показывающая дополнительные детали системы удаления 70 СО₂, которая включает в себя систему улавливания 72 и регенерационную систему 74.

На Фиг.1С представлена диаграмма, в целом показывающая детали системы улавливания 72.

На Фиг.2 представлен график, в целом показывающий эффективность улавливания системы, в которой для улавливания СО₂ используется ионный раствор как с, так и без промотора.

На Фиг.3 представлена диаграмма, в целом показывающая систему улавливания 72, которая включает в себя систему поглотителя ионный раствор + промотор для контактирования с потоком дымового газа.

Подробное описание

Настоящее изобретение относится к системе и способу для улавливания СО₂ на основе охлажденного аммиака. Более конкретно настоящее изобретение относится к системе и способу для улавливания СО₂ на основе охлажденного аммиака, в которых используется промотор для способствования ускорению некоторых реакций улавливания, которые имеют место по существу с совпадением с и/или как результат контактирования ионного раствора на основе охлажденного аммиака с газовым потоком, который содержит СО₂.

Предложены система и способ удаления СО₂ из газового потока, в которых предусматривается ионный раствор на основе охлажденного аммиака, который (раствор) содержит промотор, который способствует ускорению некоторых химических реакций, которые имеют место между СО ₂ и аммиаксодержащим ионным раствором по существу с совпадением с и/или как результат контактирования ионного раствора на основе охлажденного аммиака с газовым потоком, который содержит СО ₂. В предпочтительном варианте ионный раствор смешивается с промотором. Смесь ионный раствор - промотор затем контактирует с потоком дымового газа с помощью, например, абсорбера улавливания СО₂ / поглотительного сосуда.

Промотор действует с ускорением некоторых «реакций улавливания», а именно следующих реакций (реакция 5 - реакция 9), которые имеют место:

Реакция 5: СО₂(водн.) + NH ₃(водн.) СО₂ * NH₃(водн.)

Реакция 6: СО₂ * NH₃(водн.) + Н₂ О NH₂CO₂ ^-(водн.) + Н₃О⁺

Реакция 7: NH₂CO₂ ^-(водн.) + Н₂О NH₄ ⁺(водн.) + CO₃=(водн.)

Реакция 8: CO₃=(водн.) + NH₄ ⁺(водн.) НСО₃ ^-(водн.) + NH₃(водн.)

Реакция 9: CO₃=(водн.) + Н₃О⁺ НСО₃ ^-(водн.) + Н₂О

При ускорении реакций улавливания (5)-(9) предложенная система способна улавливать больше СО₂ из потока дымового газа в единицу времени, поэтому обеспечивает большее удаление СО₂ из потока дымового газа.

В одном варианте предложенного изобретения промотором, который используется, является амин. Данный амин смешивается с ионным раствором и затем контактирует с потоком дымового газа, содержащим СО₂. Пример амина, который может быть использован в качестве промотора, включает в себя (но не ограничивается этим) пиперазин (PZ). В другом варианте промотором, который используется, является фермент или ферментная система. В данном варианте фермент или ферментная система смешивается с ионным раствором и затем контактирует с потоком дымового газа, содержащим СО₂. Пример фермента или ферментной системы, которые могут быть использованы в качестве промотора, включает в себя (но не ограничивается этим) карбозимный мембранный разделитель от фирмы Carbozime, Inc. of Deer Park Drive, Suite H-3, Monmouth Junction, NJ 08852.

Пиперазин представляет собой циклическое соединение C₄N₂H₁₀ и используется в качестве промотора для улавливания СО₂ в аминных системах. Испытания показывают, что пиперазин является очень хорошим промотором для использования с аммиаксодержащими растворами для улучшения улавливания СО₂ и получения бикарбоната аммония. Введение 0,2-2,0 моль PZ и предпочтительно 0,4-1,0 моль PZ в ионный раствор обеспечивает значительное увеличение эффективности улавливания СО₂. Это также обеспечивает увеличение высаждения твердых частиц бикарбоната аммония из раствора. Поскольку бикарбонат аммония богаче СО₂, чем сам раствор (отношение NH₃/СО₂ составляет 1,0), высаждение твердых частиц бикарбоната аммония из раствора увеличивает отношение NH₃/СО₂ и рН раствора, что дает в результате обедненный раствор, который может улавливать больше СО₂ .

Действие PZ-промотора по ускорению некоторых реакций улавливания может позволить значительное снижение на до 50-80% физического размера поглотительного сосуда СО₂ и связанного оборудования. Оно также позволяет снизить излишнее потребление энергии благодаря получаемым снижению падения давления и скорости рециклирования жидкости в сосуде. Короче, оно обеспечивает реализацию и работу используемой системы улавливания СО₂ с намного меньшими затратами.

На Фиг.2 графически представлена относительная эффективность улавливания СО₂ , когда используется ионный раствор с и без промотора, такого как PZ. На Фиг.2 показано, что имеется увеличение эффективности улавливания СО₂, когда ионный раствор, содержащий 0,45 М PZ, контактирует с потоком дымового газа в 11 фут (3,3 м) заполненном поглотительном сосуде по сравнению с ионным раствором без PZ.

На Фиг.2 показано, что при мольном отношении NH₃/СО₂ R=2,4 эффективность улавливания СО₂ составляет 82% с 0,45 М PZ и только 51% без PZ. При R=2,0 эффективность падает до 74% с 0,45 М PZ и только 36% без PZ. При R=1,8 эффективностьсоставляет 66% с 0,45 М PZ и только 23% без PZ. При R=1,6 эффективность является еще высокой с 0,45 М PZ 52%, тогда как эффективность без PZ является ниже 10% в рабочих условиях эксперимента.

PZ-промотор является стабильным в условиях как поглощения, так и регенерации, и регенерированный раствор, содержащий PZ, используется также как свежий PZ в многочисленных циклах поглощения СО₂ . При использовании ионного раствора поглотителя, который содержит охлажденный аммиак и промотор, такой как, например, пиперазин, эффективность улавливания СО₂ системы улавливания СО₂ на основе охлажденного аммиака может быть значительно улучшена. PZ-промотор является стабильным как в низкотемпературных условиях поглощения, так и при высоком давлении и высокотемпературных условиях регенерации. Регенерированный СО₂-обедненный раствор, содержащий пиперазин, позволяет работать также как в случае свежего пиперазина, введенного в аммиаксодержащие растворы.

На Фиг.3 представлена диаграмма, показывающая в целом вариант системы, предназначенной для улавливания СО₂ из потока дымового газа согласно настоящему изобретению. Что касается Фиг.3, поглотительный сосуд 370 сконструирован для получения потока дымового газа FG, происходящего, например, от камеры сгорания бойлера 26, работающего на ископаемом топливе (см. Фиг.1А). Он также сконструирован для получения питания (обедненный ионный раствор + промотор) из регенерационной системы 74 (см. Фиг.1В). Питание (обедненный ионный раствор + промотор) вводится в поглотительный сосуд 370 системой распределения жидкости 322, тогда как поток дымового газа FG также подается в поглотительный сосуд 370 через впуск 76 потока дымового газа.

Ионный раствор + промотор приводится в контакт с потоком дымового газа посредством устройства контактирования газ-жидкость (далее устройство массопереноса, УМП (MTD)) 311, используемого для массопереноса и расположенного в поглотительном сосуде 370 и на пути, который поток дымового газа проходит от поступления через впуск 76 к выпуску 77 сосуда. Устройством контактирования газ-жидкость 311 может быть, например, один или более общеизвестных структурированных или произвольных упаковочных материалов или их комбинация.

Ионный раствор + промотор, распыленный из системы распылительной головки 321 и/или 322, падает вниз на/в устройство массопереноса 311. Ионный раствор движется каскадом вниз через устройство массопереноса 311 и приходит в контакт с потоком дымового газа FG, который поднимается вверх (в противоположном направлении ионному раствору + промотор) и через устройство массопереноса 311.

При контактировании с потоком дымового газа ионный раствор + промотор действует с поглощением СО₂ из потока дымового газа, таким образом, делая ионный раствор + промотор «обогащенным» СО₂ (обогащенный ионный раствор + промотор). Обогащенный ионный раствор + промотор продолжает течь вниз через устройство массопереноса и затем собирается на дне 378 поглотительного сосуда 370.

Обогащенный ионный раствор + промотор затем регенерируется регенерационной системой 74 (см. Фиг.1В) с высвобождением СО₂, поглощенного ионным раствором из потока дымового газа. СО₂, высвобожденный из ионного раствора + промотор, может быть затем извлечен для хранения или других определенных применений/целей. Поскольку СО₂ высвобождается из ионного раствора, ионный раствор + промотор называется «обедненным». Обедненный ионный раствор + промотор тогда снова готов для поглощения СО₂ из потока дымового газа и может быть направлен обратно в систему распределения жидкости 122, поэтому он снова вводится в поглотительный сосуд 370.

После того как ионный раствор распыляется в поглотительном сосуде 370 системой распылительной головки 322, он каскадом спускается вниз на и через устройство массопереноса 311, где он контактирует с потоком дымового газа FG. При контактировании с потоком дымового газа ионный раствор + промотор взаимодействует с СО₂, в результате улавливая и удаляя его из потока дымового газа.

Должно быть подчеркнуто, что вышеописанные варианты настоящего изобретения, в частности любые «предпочтительные» варианты, являются только возможными примерами осуществления, приведенными только для ясного понимания принципов изобретения. Многие вариации и модификации вышеописанных вариантов изобретения могут быть сделаны без отступления по существу от сущности и принципов изобретения. Все такие вариации и модификации предназначены быть включенными в объем данного рассмотрения и настоящего изобретения и защищены последующей формулой изобретения.