Способ удаления вредных веществ из диоксида углерода и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к способу отделения вредных веществ из газового потока и касается способа удаления вредных веществ из диоксида углерода и устройства для его осуществления. Способ отделения вредного вещества из газовой смеси, которая, в основном, содержит диоксид углерода СО₂, а также ценные вещества, такие как водород Н₂, монооксид углерода СО, азот N₂ или благородный газ, в котором осуществляют конденсацию СО₂, чтобы отделить жидкий СО₂. В качестве вредного вещества обрабатывают сероводород Н₂S или карбонилсульфид COS. Осуществляют адсорбционное отделение Н₂S или COS из жидкого СО_2.. Темературу способа устанавливают в диапазоне от -30°С до -70°С. Изобретение обеспечивает энергосберегающую возможность для удаления вредных веществ в электростанциях с преимущественным отоплением с помощью ископаемого топлива. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Группа изобретений относится к способу, а также устройству для отделения вредных веществ из потока диоксида углерода, например для вредных веществ, которые представляют собой соединения серы или ртути.

По причине так называемого парникового эффекта и связанного с ним глобального потепления эмиссия вызывающих парниковый эффект газов в атмосферу оценивается все более как критическая. Значительная доля парникового эффекта приписывается диоксиду углерода СO₂, который образуется при сжигании ископаемого топлива.

В настоящее время в обществе существует консенсус в том, что отделение диоксида углерода из газообразных отходов электростанций может противодействовать росту парникового эффекта. На этом основании должны стать возможными соответствующие усовершенствования установок с небольшой или совсем без эмиссии диоксида углерода. При этом разрабатываются самые новые концепции для электростанций, которые выбрасывают небольшое количество или совсем не выбрасывают диоксида углерода. Все программы преследуют общую цель при небольших затратах отделять по возможности полностью и с высокой чистотой диоксид углерода.

В центре внимания в начале находится отделение диоксида углерода. Кроме этого, однако, существуют другие нежелательные вещества, которые возникают в зависимости от вида топлива и должны удаляться. Такие вещества, как сера, ртуть и их соединения, при этом являются самыми частыми в количественном отношении.

Самые современные программы электростанций имеют типовые условия, которые предъявляют в соответствии с современным уровнем техники самое современное отделение вредных веществ.

До сих пор вредные вещества, являющиеся отходами работы электростанций, такие как соединения серы или ртути, удалялись прямо из газовой фазы. Так, например, отделение сероводорода осуществляется с помощью абсорбционной очистки газов (промывания газов). При этом поток газа пропускается через абсорбер, в котором жидкая среда абсорбирует вредные вещества. Жидкие абсорбирующие среды, например водные растворы аминоспиртов, специальный водный метил-диэтаноламин, или, например, холодный метанол применимы при Ректизол-процессе. Подобного рода способы с жидкими абсорбирующими средами известны, и на них основаны различные технологии.

Недостатки в уровне технике, прежде всего, состоят в том, что способы абсорбционной очистки газов влекут за собой повышенное потребление энергии, так как они могут быть связаны с такими стадиями способа, как сжатие и/или охлаждение.

Регенерация абсорбирующих сред происходит с помощью дистилляции, с чем связаны значительные расходы энергии.

Кроме того, конструкционное оформление подобного рода способов относительно сложно, что отрицательно сказывается на осуществлении способа и на инвестиционных затратах.

Задачей изобретения является раскрытие энергосберегающей возможности для удаления вредных веществ в электростанциях с преимущественным отоплением с помощью ископаемого топлива. Кроме того, должно предлагаться легко обслуживаемое устройство для осуществления способа.

Изобретение основывается на том, что в газовой смеси, которая большей частью состоит из диоксида углерода СО₂ и содержит составные части, представляющие ценные газы и вредные вещества, вредные вещества обогащаются преимущественно в жидком диоксиде углерода непосредственно при конденсации диоксида углерода. Эти знания используются в том отношении, что отделение вредных веществ из жидкой фазы диоксида углерода осуществляется при низких температурах с помощью применения адсорбирующих материалов/адсорбентов, преимущественно твердых адсорбирующих материалов. При этом особенно предпочтительно, что энергетический баланс отделения вредных веществ при низких температурах получается положительным, т.е. в целом необходим меньший расход энергии.

Отделение вредных веществ из жидкой фазы может происходить при низких температурах особенно предпочтительно с помощью адсорбирующих материалов, так как указанные материалы имеют большую площадь поверхности, которая предоставляется в распоряжение для адсорбции вредных веществ.

Если способ отделения вредных веществ из состоящего, в основном, из диоксида углерода газового потока комбинируется со способом, в котором диоксид углерода уже существует в жидком состоянии, то в общем энергетическом балансе могут достигаться синергетические эффекты.

Особенно предпочтительно устанавливать и поддерживать температуру способа менее -30°С. Не имеет смысла применять температуры ниже -70°С, так как при таких низких температурах диоксид углерода существует в твердой фазе.

Давление, при котором осуществляется способ, должно лежать выше тройной точки диоксида углерода в соответствии с диаграммой температура/давление. При этом оно составляет, по меньшей мере, 5 бар. Точно также применяемый диапазон температур, при котором осуществляется способ, начинается при -5°С и распространяется в направлении более низкой температуры.

Применение способа для отделения вредных веществ из газовой смеси, которая состоит, в основном, из диоксида углерода, особенно предпочтительно может реализоваться в так называемых «свободных от диоксида углерода» электростанциях. В этих электростанциях отделение диоксида углерода может осуществляться криогенно. При этом диоксид углерода охлаждается до низкой температуры, сжижается и отделяется. Жидкая фаза очень хорошо подходит для адсорбционного отделения вредных веществ, так как они преимущественно обогащаются в жидком диоксиде углерода. Кроме того, низкие температуры способствуют адсорбции, так что, например, отпадает необходимость в ранее предусмотренной абсорбционной очистке газов. Применение адсорберов со стационарным слоем для адсорбции вредных веществ является предпочтительным, так как в данном случае используются твердые вещества с большой площадью поверхности. Такие вещества, в частности, представляют собой глинозем (оксид алюминия), активированный уголь, силикагель, цеолит или полимеры с большой площадью поверхности.

Так как на поверхности адсорбентов в ходе осуществления способа происходит осаждение вредных веществ, предпочтительно предусматривается периодическая регенерация отдельных адсорберов со стационарным слоем.

Ниже с помощью сопровождающихся схематических фигур описываются примеры осуществления.

В частности, фигуры показывают:

фигура 1 схематически изображает адсорбер со стационарным слоем, через который пропускается жидкий диоксид углерода, содержащий вредные вещества, причем вредные вещества адсорбируются в адсорбере со стационарным слоем;

фигура 2 изображает параллельно включенные адсорберы, которые с помощью соответствующих клапанов отдельно или группами могут переключаться между режимами, при которых осуществляется адсорбция и регенерация.

Адсорбция вредных веществ происходит в адсорберах со стационарным слоем, как они представлены на фигурах 1 и 2. Адсорбенты после определенного срока службы должны регенерироваться. Это осуществляется с помощью понижения давления, повышения температуры, пропускания газа или пара или комбинации указанных действий. Из этих соображений имеется несколько адсорберов, которые могут находиться попеременно в рабочем режиме или могут регенерироваться. Компоновка для трех абсорберов со стационарным слоем изображена на фигуре 2. Аналогичные конфигурации возможны для двух или более чем трех адсорберов.

При конденсации диоксида углерода в жидком диоксиде углерода автоматически происходит существенное обогащение вредных веществ, содержащихся в газовой смеси. Это могло бы быть показано с помощью моделирующих расчетов на примере сероводорода H₂S, а также карбонилсульфида COS. После этого может осуществляться отделение вредных веществ из жидкой фазы при низких температурах с помощью адсорбирующих материалов.

Предпочтительным является отделение вредных веществ при более низких температурах, дающее экономию энергии в общей программе. С программой электростанции, которая уже предусматривает криогенное отделение диоксида углерода, может отлично комбинироваться способ, соответствующий изобретению.

Диапазон температур, при котором осуществляется способ, может лежать между -5°С и 70°С. Нижняя граница температуры лежит в области застывания диоксида углерода из жидкой фазы, в результате чего твердые вещества могут блокировать способ. Вообще должны быть созданы предпосылки для того, чтобы адсорбер со стационарным слоем, оставался открытым для жидкого реакционного потока. Энергетический баланс всего способа, однако, показывает, что температуры -30°С и ниже предпочтительны для отделения вредных веществ.

Содержащиеся в описанном способе при известных условиях в газообразной форме или в виде жидкого потока ценные газы, такие как водород, монооксид углерода, азот или благородные газы, при осуществлении описанного способа не адсорбируются. Вредные вещества, такие как ртуть, сера или их соединения, которые находятся, в основном, в жидком потоке диоксида углерода, благодаря адсорбентам осаждаются, т.е. адсорбируются в адсорберах со стационарном слоем и таким образом задерживаются в адсорберах со стационарным слоем. Другим вредным веществом, которое может отделяться таким образом, является карбонилсульфид COS.

Фигура 1 показывает адсорбер 1 со стационарным слоем, в который направляется жидкий поток 2 диоксида углерода, содержащий вредные вещества. На выходе адсорбера 1 со стационарным слоем получается жидкий поток 3 диоксида углерода без вредных веществ.

Фигура 2 показывает три адсорбера 1 со стационарным слоем, включенных параллельно. Жидкий поток 2 диоксида углерода подводится к верхней стороне, вредные вещества задерживаются в адсорберах 1 со стационарным слоем, и жидкий поток 3 диоксида углерода может отводиться на нижней стороне без вредных веществ. Для регенерации 4 отдельные адсорберы 1 со стационарным слоем могут соответственно переключаться.

Прямое каталитическое превращение благодаря низким температурам может быть связано с благоприятным положением равновесия, однако имеет очень неблагоприятную кинетику. Потребовалось бы очень большое количество катализаторов, которые из-за наличия серы, вероятно, очень быстро бы деактивировались.

1. Способ отделения по меньшей мере одного вредного вещества из газовой смеси, которая содержит в основном диоксид углерода (СО₂), и по меньшей мере одно ценное вещество, выбранное из группы веществ, состоящей из водорода (Н₂), монооксида углерода (СО), азота (N₂) или благородного газа, в котором осуществляют конденсацию диоксида углерода, чтобы получить и отделить жидкий диоксид углерода, отличающийся тем, что
- в качестве по меньшей мере одного вредного вещества обрабатывают сероводород (H₂S) или карбонилсульфид (COS),
осуществляют адсорбционное отделение сероводорода (H₂S) или карбонилсульфида (COS) из жидкого диоксида углерода, и
- температуру способа устанавливают в диапазоне от -30°С до -70°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержащееся в газовой смеси вредное вещество, выбранное из группы веществ, состоящей из серы, ртути, соединений серы и/или ртути, отделяют из жидкого диоксида углерода адсорбционным отделением.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве адсорбента для адсорбционного отделения используют по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы веществ, состоящей из активированного угля, цеолита, силикагеля, глинозема или по меньшей мере одного полимера с большой площадью поверхности.

4. Применение способа по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что отделение, по меньшей мере, одного вредного вещества из криогенного диоксида углерода осуществляется на электростанциях бедных или свободных от диоксида углерода.

5. Устройство для отделения по меньшей мере одного вредного вещества, в частности, ртути, серы или их соединений из газовой смеси, которая содержит в основном диоксид углерода, и по меньшей мере одно ценное вещество, в частности, водород, монооксид углерода, азот или благородный газ, которое для получения жидкого диоксида углерода содержит блок конденсации диоксида углерода, отличающееся тем, что
- в качестве по меньшей мере одного вредного вещества обрабатывают сероводород (H₂S) или карбонилсульфид (COS),
- для адсорбционного отделения сероводорода (H₂S) или карбонилсульфида (COS) из жидкого диоксида углерода устройство содержит по меньшей мере один адсорбер (1) со стационарным слоем, и тем, что
- рабочая температура устройства лежит в диапазоне от -70°С до -30°С.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что по меньшей мере один адсорбер (1) со стационарным слоем для адсорбционного отделения содержит по меньшей мере один адсорбент, выбранный из группы, состоящей из активированного угля, цеолита, глинозема или, по меньшей мере, одного полимера с большой площадью поверхности.

7. Устройство по любому из пп. 5 или 6, отличающееся тем, что содержит несколько адсорберов (1) со стационарным слоем, которые могут параллельно объединяться в группы, так что адсорбер или группы адсорберов могут переключаться для регенерации адсорбентов.

8. Применение устройства по любому из пп. 5-7, отличающееся тем, что отделение, по меньшей мере, одного вредного вещества из криогенного диоксида углерода осуществляется на электростанциях бедных или свободных от диоксида углерода.