Способ и устройство для поглощения диоксида углерода
Изобретение предлагает способ осуществления поглощения диоксида углерода с пониженной опасностью образования аэрозоля из потока, содержащего диоксид углерода, в устройстве поглощения, имеющем особую последовательность секций, где данный способ содержит особые этапы. Другой аспект данного изобретения касается применения структурированной насадки в качестве части секции поглощения диоксида углерода, данное применение заключается в снижении опасности образования аэрозоля в верхней области секции поглощения диоксида углерода. Изобретение позволяет снизить опасность образования аэрозоля. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
Настоящее изобретение касается способа и устройства для поглощения диоксида углерода. Данное изобретение относится, в частности, к области CCS (улавливание и хранение углерода) и, более конкретно, к процессам после сгорания, где технология поглощения применяется для захвата диоксида углерода из топочного газа для снижения выбросов диоксида углерода.
Обычное устройство для поглощения диоксида углерода описано, например, в US 20030045756. Данное поглощающее устройство представляет собой колонну, для которой применяют выражение абсорбционная башня. Эта абсорбционная башня содержит секцию поглощения диоксида углерода и объединенную секцию промывки и охлаждения. В секции поглощения диоксида углерода абсорбционной башни поступающий выхлопной газ сгорания или топочный газ приводят в противоточный контакт с поглощающим раствором, который является растворителем для диоксида углерода. Этот растворитель представляет собой водный раствор амина, аминокислоты или, в общем, соединение, которое реагирует с диоксидом углерода и которое имеет существенное давление пара. Диоксид углерода вступает в контакт с поглощающим раствором, и протекает химическая реакция между диоксидом углерода и реакционным растворителем. Тем самым поглощающий раствор наполняется диоксидом углерода, который химически прореагировал с соединением реакционного растворителя, таким образом, поглощающий раствор поглотил диоксид углерода из выхлопного газа. Данная химическая реакция является экзотермической, поэтому температура поглощающего раствора растет во время процесса поглощения.
При контакте топочного газа, содержащего диоксид углерода, с растворителем топочный газ будет насыщаться растворителем соответственно парциальному давлению растворителя. Парциальное давление и, следовательно, концентрация насыщения растворителем в топочном газе увеличиваются с ростом температуры. Обезуглероженный выхлопной газ, покидающий секцию поглощения, содержит поэтому некоторую концентрацию растворителя, которая является довольно высокой и не может выпускаться в атмосферу. По этой причине в абсорбционной башне обеспечивается объединенная секция промывки и охлаждения. Объединенная секция промывки и охлаждения применяется для удаления испаренного аминового соединения из обезуглероженного выхлопного газа и конденсации воды. Согласно решению, описанному в US 2003/0045756 A1, промывочная вода закачивается из жидкостного резервуара в абсорбционной башне в холодильник и подается обратно в верхнюю часть насадочной секции над жидкостным резервуаром. Такая конфигурация секции в литературе также называется рециркуляцией. Обеспечиваются средства для равномерного распределения воды по диаметру башни. Дополнительные средства обеспечиваются для осуществления контакта обезуглероженного выхлопного газа, содержащего испаренное аминовое соединение, для перемещения аминового соединения из обезуглероженного выхлопного газа в промывочную воду. Документ US 2003/0045756 A1 указывает, что одна объединенная секция промывки и охлаждения недостаточна для полного удаления аминового соединения из потока обезуглероженного газа. Решение, предложенное в этом документе, предусматривает множество объединенных секций промывки и охлаждения в множестве стадий в абсорбционной башне.
Другой способ снижения содержания растворителя в потоке обезуглероженного выхлопного газа описан в WO 2011/087972. Согласно способу, описанному в этом документе, обеспечивается контрольный блок, который регулирует поток воды, по существу, свободной от растворителя, вступающей в противоточный контакт с топочным газом в секции контроля эмиссии, которая представляет собой секцию промывки, и количество охлажденной промывочной воды, возвращаемое в секцию охлаждения газа в поглощающем устройстве. Тем самым количество растворителя, покидающего поглощающее устройство вместе с охлажденным обезуглероженным газовым потоком, минимизируется. Таким образом, колонна для выполнения способа согласно WO 2011/087972 содержит секцию поглощения, секцию промывки, расположенную над секцией поглощения, и секцию охлаждения, расположенную над секцией поглощения.
Однако с поглощением диоксида углерода растворителем связана дополнительная проблема, которая является неотъемлемой с реакцией поглощения, протекающей в секции поглощения. Реакция поглощения диоксида углерода аминовыми соединениями является экзотермической, поэтому температура газа, содержащего диоксид углерода, увеличивается, когда он проходит через секцию поглощения. В верхней концевой части секции поглощения газ контактирует с охлажденным обедненным растворителем и, таким образом, температура газа резко падает. Фиг. 2 показывает типичный температурный профиль секции поглощения. Из-за быстрого охлаждения топочного газа в верхней концевой части секции поглощения он перенасыщается растворителем и водой, и появляется скрытая опасность образования аэрозоля. Перенасыщения нельзя избежать из-за разных скоростей тепло- и массопереноса, которые характерны для обеспеченного насадочного слоя с данной секции и будут объясняться позднее.
В верхней части секции поглощения, т.е. верхнем концевом участке насадочного элемента, изменение температуры происходит быстро из-за высокого потока теплосодержания, который имеет место из-за разницы температур. Массовый поток, в частности растворителя, не является достаточно быстрым, чтобы оставаться ниже равновесного насыщения соответственно парциальному давлению, когда температура топочного газа быстро падает. Концентрация растворителя и воды становится выше концентрации насыщения, что называют условия перенасыщения.
Чем больше падение температуры обезуглероженного газа в верхнем концевом участке насадочного элемента секции поглощения, тем выше степень перенасыщения. Увеличение степени перенасыщения увеличивает вероятность образования аэрозоля. Аэрозоли образуются, когда перенасыщенный компонент, присутствующий в газовой фазе, образует капли, т.е. конденсируется в объеме газовой фазы. Образование капель вызывается зародышеобразованием. Если в газовом потоке присутствуют твердые частицы, вероятность зародышеобразования увеличивается с увеличением концентрации таких твердых частиц в газовом потоке. Потоки топочного газа обычно содержат зольную пыль и, возможно, частицы сульфита или сульфата, которые могут служить в качестве инициаторов зародышеобразования и выносятся потоком топочного газа из блока обессеривания топочного газа, расположенного выше по ходу от устройства поглощения диоксида углерода.
Аэрозольные капли находятся в интервале меньше чем 5 мкм, главным образом, меньше чем 2 мкм. Капли такого маленького размера не могут захватываться обычным сепаратором капель, таким образом, невозможно отфильтровать аэрозоли с помощью обычного оборудования отделения капель, вследствие чего нежелательное количество аэрозолей остается в потоке очищенного газа, покидающем устройство поглощения в его верхней части.
Поэтому целью настоящего изобретения является предложить улучшенный способ поглощения и улучшенное устройство поглощения для осуществления упомянутого улучшенного способа поглощения для поглощения диоксида углерода из газового потока, содержащего диоксид углерода. В частности, целью настоящего изобретения является снизить опасность образования аэрозоля.
Для последующего описания данного изобретения считаются полезными следующие определения.
Секция поглощения: задачей секции поглощения является удалять диоксид углерода из топочного газа. Диоксид углерода поглощается из топочного газа с использованием растворителя, который реагирует с диоксидом углерода.
Секция промывки: задачей секции промывки является поглощать растворитель. Охлаждение топочного газа не является задачей секции промывки. Растворитель удаляется из топочного газа с низким содержанием диоксида углерода с использованием воды, по существу, свободной от растворителя. Вода не возвращается из нижней части этой секции в верхнюю: секция промывки работает в “прямоточном” режиме. Вода, используемая в секции промывки для поглощения растворителя из топочного газа, представляет собой конденсат, ответвляемый из секции охлаждения плюс возможное пополнение воды, если имеется.
Секция охлаждения газа: задачей секции охлаждения газа является конденсировать воду. Секция охлаждения газа не сконструирована специально для поглощения растворителя. Секция охлаждения газа работает с охлажденной водой в качестве охлаждающей текучей среды, которая, возможно, содержит следы растворителя, и топочный газ охлаждается с конденсацией воды, минимизируя, тем самым, требуемое пополнение воды. Секция охлаждения газа работает в режиме “рециркуляции”, т.е. охлаждающая жидкость собирается в коллекторе под секцией охлаждения газа, выпускается и направляется в теплообменник для охлаждения данной жидкости до требуемой температуры. Заданное количество охлаждающей жидкости подается затем в верхнюю часть секции охлаждения газа. Часть выпускаемой охлаждающей жидкости отводится и используется в секции промывки. Количество отводимой охлаждающей жидкости такое же, как количество конденсата, образующегося в секции охлаждения.
Объединенная секция промывки и охлаждения: задачей объединенной секции промывки и охлаждения является конденсировать воду и удалять растворитель. Эта секция работает с охлаждающей жидкостью, которая содержит, главным образом, воду и растворитель. Пополнение воды, если имеется, может подаваться в эту секцию. Топочный газ охлаждается и вода конденсируется, минимизируя требуемое пополнение воды. Заметная часть растворителя также поглощается и, следовательно, конденсированная вода содержит растворитель. Объединенная секция промывки и охлаждения работает в режиме "рециркуляции", т.е. охлаждающая жидкость собирается в коллекторе под объединенной секцией промывки и охлаждения, выпускается и направляется в теплообменник для охлаждения данной жидкости до требуемой температуры. Заданное количество охлаждающей жидкости затем подается обратно в верхнюю часть объединенной секцией промывки и охлаждения. Часть выпускаемой охлаждающей жидкости отводится и может подаваться в секцию поглощения диоксида углерода, или во вторую объединенную секцию промывки и охлаждения, или в секцию промывки. Количество отводимой охлаждающей жидкости такое же, как количество конденсата, образующегося в секции охлаждения.
Сущность изобретения
Данное изобретение касается устройства и способа для осуществления поглощения диоксида углерода с пониженной опасностью образования аэрозоля путем использования оборудования избирательного массопереноса для секции(ий) поглощения диоксида углерода и использования особой конфигурации поглотителя.
Один аспект данного изобретения касается способа осуществления поглощения диоксида углерода из потока, содержащего диоксид углерода, в устройстве поглощения с пониженной опасностью образования аэрозоля, где данное устройство поглощения содержит следующие секции в указанной последовательности от нижней части к верхней части резервуара данного устройства:
по меньшей мере, одна секция поглощения диоксида углерода
секция “прямоточной” промывки
секция охлаждения
где никакой сепаратор жидкости не находится между секцией поглощения диоксида углерода и секцией промывки,
и где данный способ содержит этапы:
(i) прохождения газового потока, содержащего диоксид углерода, через секцию поглощения диоксида углерода с образованием очищенного газового потока, содержащего растворитель и сниженное содержание диоксида углерода вследствие поглощения диоксида углерода с использованием растворителя,
(ii) прохождения данного очищенного газового потока через секцию “прямоточной” промывки, которая работает с конденсатом воды из секции охлаждения выше данной секции “прямоточной” промывки и, необязательно, с пополняемой водой, с образованием очищенного и промытого газового потока, имеющего сниженное содержание растворителя,
(iii) подачи данного очищенного и промытого газового потока в секцию охлаждения для охлаждения очищенного и промытого газового потока и конденсации воды с образованием водного конденсата,
(iv) выпуска водного конденсата из данной секции охлаждения,
(v) возврата (рециркуляции) части выпущенного водного конденсата обратно в секцию охлаждения,
(vi) подачи остальной части выпущенного водного конденсата в секцию промывки, и где охлаждается весь или только рециркулирующая часть водного конденсата, выпущенного из секции охлаждения на этапе (iv).
В предпочтительном варианте осуществления способа данного изобретения никакой коллектор жидкости не располагается между секцией поглощения диоксида углерода и секцией промывки. В другом предпочтительном варианте осуществления данного способа охлажденный, очищенный и промытый газовый поток, полученный с помощью данного способа, содержит аэрозольные капли, где данные аэрозольные капли фактически свободны от растворителя и состоят, главным образом, из воды.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления данного способа секция поглощения диоксида углерода имеет оборудование избирательного массопереноса, отличающееся слабым тепло- и массопереносом на газовой стороне. В особенно предпочтительном варианте осуществления данное оборудование массопереноса, отличающееся слабым тепло- и массопереносом на газовой стороне, представляет собой структурированную насадку, выбранную из:
(а) структурированной насадки, состоящей из рифленых листов, имеющих угол рифления меньше чем 30 градусов от оси колонны, предпочтительно меньше чем 25 градусов, или
(b) структурированной насадки, имеющей первый слой, имеющий первые рифления, второй слой, имеющий вторые рифления, множество открытых каналов, образованных данными первыми и вторыми рифлениями, где данные каналы включают в себя впадину первого рифления, гребень первого рифления и гребень второго рифления, где гребень первого рифления и гребень второго рифления ограничивают впадину первого рифления, где гребни первого и второго рифления имеют первую вершину и вторую вершину, где выступ или выемка распространяется в направлении данной первой вершины, где, если обеспечен выступ, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данного выступа от дна впадины рифления больше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления, и где, если обеспечена выемка, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данной выемки от дна впадины рифления меньше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления данного способа растворитель представляет собой водный раствор амина, аминокислоты или летучего соединения, которое реагирует с диоксидом углерода.
Другим аспектом данного изобретения является применение структурированной насадки в качестве части секции поглощения диоксида углерода в устройстве для поглощения диоксида углерода, где структурированную насадку выбирают из:
(a) структурированной насадки, состоящей из рифленых листов, имеющих угол рифления меньше чем 30 градусов от оси колонны, предпочтительно меньше чем 25 градусов, или
(b) структурированной насадки, имеющей первый слой, имеющий первые рифления, второй слой, имеющий вторые рифления, множество открытых каналов, образованных данными первыми и вторыми рифлениями, где данные каналы включают в себя впадину первого рифления, гребень первого рифления и гребень второго рифления, где гребень первого рифления и гребень второго рифления ограничивают впадину первого рифления, где гребни первого и второго рифления имеют первую вершину и вторую вершину, где выступ или выемка распространяется в направлении данной первой вершины, где, если обеспечен выступ, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данного выступа от дна впадины рифления больше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления, и где, если обеспечена выемка, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данной выемки от дна впадины рифления меньше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления, отличающееся тем, что данное применение заключается в снижении опасности образования аэрозоля в верхней области секции поглощения диоксида углерода.
В предпочтительном варианте осуществления применения данной структурированной насадки данное применение дополнительно приводит к увеличению максимальной нагрузки диоксидом углерода в нижней области секции поглощения диоксида углерода.
Еще одним аспектом данного изобретения является применение устройства поглощения, содержащего следующие секции в указанной последовательности от нижней части к верхней части резервуара данного устройства:
- по меньшей мере, одна секция поглощения диоксида углерода
- секция промывки
- секция охлаждения
отличающееся тем, что никакой сепаратор жидкости не находится между секцией поглощения диоксида углерода и секцией промывки, где данное применение предназначено для того, чтобы избегать перенасыщения растворителем и водой и опасности образования аэрозоля.
В предпочтительном варианте осуществления применения данного устройства поглощения секция поглощения диоксида углерода имеет оборудование избирательного массопереноса, отличающееся слабым тепло- и массопереносом на газовой стороне. В особенно предпочтительном варианте осуществления данное оборудование массопереноса, отличающееся слабым тепло- и массопереносом на газовой стороне, представляет собой структурированную насадку, где данную структурированную насадку выбирают из:
(a) структурированной насадки, состоящей из рифленых листов, имеющих угол рифления меньше чем 30 градусов от оси колонны, предпочтительно меньше чем 25 градусов, или
(b) структурированной насадки, имеющей первый слой, имеющий первые рифления, второй слой, имеющий вторые рифления, множество открытых каналов, образованных данными первыми и вторыми рифлениями, где данные каналы включают в себя впадину первого рифления, гребень первого рифления и гребень второго рифления, где гребень первого рифления и гребень второго рифления ограничивают впадину первого рифления, где гребни первого и второго рифления имеют первую вершину и вторую вершину, где выступ или выемка распространяется в направлении данной первой вершины, где, если обеспечен выступ, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данного выступа от дна впадины рифления больше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления, и где, если обеспечена выемка, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данной выемки от дна впадины рифления меньше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления.
Подробное описание изобретения
Устройство поглощения для поглощения диоксида углерода из газового потока, содержащего диоксид углерода, включает в себя резервуар, содержащий секцию поглощения, содержащую насадочный элемент, расположенный между нижним концом резервуара и верхним концом резервуара, где данный резервуар имеет основную ось, распространяющуюся от нижнего конца резервуара до верхнего конца резервуара, и вход для подачи газового потока, содержащего диоксид углерода, в резервуар у нижнего конца, и выход для выпуска очищенного газового потока у верхнего конца, вход растворителя для добавления обедненного растворителя выше насадочного элемента и выход растворителя для выпуска обогащенного растворителя из резервуара в положении ниже насадочного элемента. Насадочный элемент размещен с множеством слоев, которые составлены из листов, где, по меньшей мере, часть листов имеет рифления, и данные рифления имеют гребни рифления, образующие коньки, и впадины рифления, образующие желоба, и соответствующие коньки или желоба рифлений имеют угол с основной осью устройства поглощения, который составляет меньше чем 30 градусов, по меньшей мере, в части высоты насадочного листа. Предпочтительно, угол рифлений с основной осью устройства поглощения составляет не больше чем 25 градусов, особенно предпочтительно не больше чем 20 градусов, по меньшей мере, в части высоты насадочного листа. Данная часть высоты предпочтительно составляет, по меньшей мере, 5% высоты насадочного листа, более предпочтительно, по меньшей мере, 10% высоты насадочного листа, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 15% высоты насадочного листа. Данная часть находится у верхнего конца листа или вблизи верхнего конца из-за резко выраженной разницы температур вблизи верхнего конца насадочного листа.
Данное множество слоев может включать в себя, по меньшей мере, первый слой и второй слой, где первый представляет собой первый лист, имеющий первое рифление, и данное первое рифление имеет угол рифления больше чем 0 градусов с основной осью, а второй слой расположен крестообразно к первому слою.
Согласно одному варианту осуществления данное устройство поглощения имеет насадочный элемент, содержащий первую секцию и вторую секцию, где первая секция находится под второй секцией и каждая из первой и второй секций содержит множество слоев, и первая секция содержит множество слоев первой секции, имеющих первый угол рифления, а вторая секция содержит множество слоев второй секции, имеющих второй угол рифления, и первый угол рифления отличается от второго угла рифления. Преимущественно, в этом случае первый угол рифления больше, чем второй угол рифления.
Данное множество слоев преимущественно включает в себя, по меньшей мере, первый слой и второй слой, где первый слой представляет собой первый лист, имеющий первое рифление, и первое рифление имеет угол рифления 0 градусов с основной осью, и где второй слой имеет угол 0 градусов с основной осью и/или, по меньшей мере, один из первого и второго слоев содержит множество выступов.
Растворитель, используемый согласно любому из вариантов осуществления данного устройства поглощения, представляет собой, по меньшей мере, один из водного растворителя или растворителя, содержащего летучее соединение.
Устройство поглощения согласно одному варианту осуществления содержит секцию промывки, которая расположена в данном резервуаре между верхним концом и секцией поглощения. Секция промывки наверху секции поглощения содержит в этом случае насадочный элемент, и вход воды/жидкости находится сверху данного насадочного элемента, а распределяющий элемент находится между данным входом и насадочным элементом. Кроме того, секция охлаждения может находиться между секцией промывки и верхним концом.
Согласно одному варианту осуществления устройство поглощения для поглощения диоксида углерода из газового потока, содержащего диоксид углерода, включает в себя резервуар, содержащий секцию поглощения, содержащую насадочный элемент, расположенную между нижним концом резервуара и верхним концом резервуара, где данный резервуар имеет основную ось, распространяющуюся от нижнего конца резервуара к верхнему концу резервуара, и выход для подачи газового потока, содержащего диоксид углерода, в резервуар у нижнего конца, и выход для выпуска очищенного газового потока у верхнего конца, вход растворителя для добавления обедненного растворителя выше насадочного элемента и выход растворителя для выпуска обогащенного растворителя из резервуара в положении ниже насадочного элемента. Насадочный элемент размещен с множеством слоев, которые составлены из листов, где, по меньшей мере, часть листов имеет рифления, и данные рифления имеют гребни рифления, образующие коньки, и впадины рифления, образующие желоба, и соответствующие коньки или желоба рифлений имеют угол с основной осью устройства поглощения, который составляет не больше чем 50 градусов, по меньшей мере, в части высоты насадочного листа, и, по меньшей мере, каждый второй слой из насадочных слоев имеет, по меньшей мере, выемку или выступ. Согласно предпочтительному варианту угол рифления является постоянным. Предпочтительно, угол рифлений с основной осью устройства поглощения составляет не больше чем 30 градусов, особенно предпочтительно не больше чем 25 градусов, по меньшей мере, в части высоты насадочного листа. Данная часть высоты предпочтительно составляет, по меньшей мере, 5% высоты насадочного листа, более предпочтительно, по меньшей мере, 10% высоты насадочного листа, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 15% высоты насадочного листа. Данная часть находится у верхнего конца листа или вблизи верхнего конца из-за резко выраженной разницы температур вблизи верхнего конца насадочного листа.
Кроме того, данное изобретение касается способа поглощения диоксида углерода из газового потока, содержащего диоксид углерода, в устройстве поглощения, где упомянутое устройство поглощения включает в себя резервуар, содержащий секцию поглощения, содержащую насадочный элемент, расположенный между нижним концом резервуара и верхним концом резервуара, где данный резервуар имеет основную ось, распространяющуюся от нижнего конца резервуара до верхнего конца резервуара, и вход для подачи газового потока, содержащего диоксид углерода, в резервуар у нижнего конца, и выход для выпуска очищенного газового потока у верхнего конца, вход растворителя для добавления обедненного растворителя выше насадочного элемента и выход растворителя для выпуска обогащенного растворителя из резервуара в положении ниже насадочного элемента, содержащий этапы подачи газового потока, содержащего диоксид углерода, во вход у нижнего конца, подачи обедненного растворителя сверху насадочного элемента и распределения обедненного растворителя по насадочному элементу, поглощения диоксида углерода из газового потока, содержащего диоксид углерода, в секции поглощения в растворитель, выпуска газового потока с низким содержанием диоксида углерода из секции поглощения, где данный насадочный элемент размещен с множеством слоев, которые составлены из листов, где, по меньшей мере, часть листов имеет рифления, и данные рифления имеют гребни рифления, образующие коньки, и впадины рифления, образующие желоба, и соответствующие коньки или желоба рифлений имеют угол с основной осью устройства поглощения, который составляет меньше чем 30 градусов, по меньшей мере, в части высоты насадочного листа, или имеют угол с основной осью устройства поглощения, который позволяет меньшую скорость газа в промежутках по сравнению со скоростью газа в объеме газового потока, содержащего диоксид углерода, входящего в насадочный элемент, или газового потока с низким содержанием диоксида углерода, покидающего насадочный элемент. Данная часть высоты предпочтительно составляет, по меньшей мере, 5% высоты насадочного листа, более предпочтительно, по меньшей мере, 10% высоты насадочного листа, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 15% высоты насадочного листа. Данная часть находится у верхнего конца листа или вблизи верхнего конца из-за резко выраженной разницы температур вблизи верхнего конца насадочного листа.
Согласно предпочтительной конфигурации данного устройства поглощения газовый поток с низким содержанием диоксида углерода очищается от растворителя, увлеченного газовым потоком с низким содержанием диоксида углерода, в секции промывки, где данная секция промывки содержит насадочный элемент, и где промывочная жидкость, в частности вода, подается в резервуар сверху насадочного элемента, и промывочная жидкость распределяется по насадочному элементу, где промывочная жидкость находится в противоточном течении с газовым потоком с низким содержанием диоксида углерода, и растворитель, содержащийся в газовом потоке с низким содержанием диоксида углерода, поглощается в промывочную жидкость во время прохождения через насадочный элемент, и очищенный промытый газ покидает секцию промывки.
За секцией промывки может следовать секция охлаждения, причем секция охлаждения расположена выше секции промывки, и охлаждение очищенного промытого газа выполняется путем направления очищенного промытого газа над насадочным элементом, а охлаждающая жидкость проходит в противоточном течении с очищенным промытым газом, так что очищенный промытый газ охлаждается перед тем, как покидает устройство поглощения.
Охлаждающая жидкость предпочтительно, по существу, направляется в замкнутом цикле, и часть жидкости, которая конденсируется, отводится и подается в секцию промывки. Охлаждающая жидкость, подаваемая в секцию промывки, образует промывочную жидкость, которая наполняется растворителем в секции промывки, который возвращается в секцию поглощения.
Таким образом, оборудование массопереноса, используемое в секции(ях) поглощения диоксида углерода, выбирают, чтобы оптимизировать поглощение диоксида углерода, снизить перепад давления и снизить степень перенасыщения, что достигается с помощью оборудования массопереноса, отличающегося слабым тепло- и массопереносом на газовой стороне, которое также будет называться “избирательной” насадкой. Оборудование массопереноса со слабыми параметрами тепло- и массопереноса на газовой стороне, но все еще хорошими параметрами массопереноса на жидкой стороне демонстрирует два следующих преимущества - (a) пониженная опасность образования аэрозоля в верхней части секции поглощения диоксида углерода и (b) увеличенное максимальное наполнение диоксидом углерода в нижней части секции поглощения диоксида углерода.
Фиг. 6 показывает массоперенос и энтальпийный перенос между газом и жидкостью в схематичном изображении для обычного насадочного элемента, фиг. 7 - для избирательного насадочного элемента согласно данному изобретению. В общем, массоперенос или энтальпийный перенос подразумевает, что тепло или компонент движется из газовой фазы в жидкую фазу или наоборот, таким образом, ему можно приписать скорость потока или тепловой поток. В ходе этого движения тепло или компонент преодолевает сопротивление, перемещаясь из объема фазы к границе между газовой и жидкой фазой. Поток и сопротивление из-за энтальпийного переноса и массопереноса показаны на фиг. 6 и фиг. 7, что позволяет сравнивать соответствующие количества для обычного насадочного элемента на фиг. 6 и для избирательной насадки на фиг. 7. Интенсивность соответствующего потока приблизительно пропорциональна длине соответствующей стрелки. Соответствующие потоки на фиг. 6 и фиг. 7 имеют одинаковые численные обозначения. Таким образом, фиг. 6 и фиг. 7 показывают тепловой поток из-за энтальпийного переноса 81, тепловой поток из-за переноса скрытой теплоты, соответствующего массопереносу растворителя 82, тепловой поток из-за переноса скрытой теплоты для воды 83, тепловой поток из-за переноса скрытой теплоты диоксида углерода 84, поток массопереноса для растворителя 85, поток массопереноса для воды 86 и поток массопереноса для диоксида углерода 87. Кроме того, фиг. 6 и фиг. 7 показывают сопротивления на стороне жидкости, представленные потоком на жидкой стороне 80, и на стороне газа, представленные потоком на газовой стороне 90, для энтальпийного переноса 91, 92, для переноса скрытой теплоты для растворителя 93, 94, для переноса скрытой теплоты для воды 95, 96, для переноса скрытой теплоты для диоксида углерода 97, 97, массопереноса воды 101, 102, массопереноса диоксида углерода 103, 104.
Фиг. 7 показывает, что все потоки снижены по сравнению с предшествующим уровнем техники за исключением потока диоксида углерода. Потоки для диоксида углерода должны быть одинаковыми на фиг. 6 и фиг. 7, так как они контролируются жидкой стороной. Сопротивление в газовой фазе увеличивается для энтальпийного переноса, а также массопереноса для избирательной насадки. Это является следствием того, что количество воды и растворителя, которое переходит в жидкую фазу, будет снижаться, так как соответствующие сопротивления газовой стороны выше, чем для обычной насадки, а сопротивления переноса скрытой теплоты для растворителя и воды, а также массопереноса воды и растворителя ниже, чем в газовой фазе 'избирательной насадки'. Другими словами, именно сопротивления газовой стороны 94, 96 и 100, 102 лимитируют поток в жидкую фазу. Только для диоксида углерода сопротивление в жидкой фазе выше, чем в газовой фазе, сопротивления для массо- и теплопереноса для диоксида углерода не отличаются между обычным насадочным элементом и насадочным элементом согласно данному изобретению.
Таким образом, применение избирательной насадки не создает каких-либо неудобств для основной задачи, а именно для поглощения диоксида углерода. Однако увеличение сопротивлений газовой стороны для переноса скрытой теплоты и массопереноса имеет результатом то, что поток растворителя и воды будет снижаться. Это означает, что температура газовой фазы будет выше, когда она оставляет верхнюю часть.
Увеличенное сопротивление энтальпийному переносу имеет следствием то, что температурный профиль согласно фиг. 2 смещается к более высоким температурам, что является выгодным для задачи избегать перенасыщения.
Очищенный газовый поток, покидающий секцию поглощения диоксида углерода, имеет более высокую энтальпию из-за пониженного тепло- и массопереноса на газовой стороне при использовании избирательной насадки. Упомянутая энтальпия в этом примере представляет собой удельную энергию, содержащуюся в очищенном газовом потоке. Энтальпия покидающего потока топочного газа выше из-за увеличенной температуры, также обычно называется теплосодержанием, по сравнению с газовым потоком, покидающим обычное оборудование тепло- и массопереноса, применяемое при поглощении диоксида углерода. Не только температура покидающего очищенного газа выше, но также увеличивается содержание воды и растворителя в очищенном газе, и, таким образом, энтальпия дополнительно увеличивается. Изменение энтальпии из-за изменения концентрации, т.е. массопереноса, обычно называют изменением скрытой теплоты. Увеличение температуры также относят к теплосодержанию, и увеличение концентрации воды, т.е. скрытой теплоты, приводит к существенно более высокой энтальпии газа газового потока, покидающего секцию поглощения диоксида углерода на самом верху. Из-за более высокой температуры топочного газа, покидающего секцию поглощения диоксида углерода наверху, степень перенасыщения снижается, и поэтому опасность образования аэрозоля уменьшается.
Так как энтальпия в покидающем очищенном газовом потоке увеличивается, жидкость, выходящая на самом дне секции поглощения диоксида углерода, имеет меньшую энтальпию и поэтому полученная температура жидкости ниже соответственно энтальпийному балансу. Пониженная температура жидкости на дне является выгодной, так как для CCS поглотителей типично, что эти устройства сконструированы так, чтобы работать 'отщепляя на богатом конце'. Это означает, что растворитель будет наполняться диоксидом углерода насколько это возможно, так что достигается термодинамическое равновесие. Термодинамическое равновесие почти достигается возле самого дна секции поглощения диоксида углерода. Когда температура снижается, термодинамическое равновесие смещается в сторону большего наполнения диоксидом углерода, таким образом количество возможного поглощения диоксида углерода увеличивается при заданной скорости потока растворителя.
Причина, почему слабый массоперенос на газовой стороне приводит к увеличению температуры газа, покидающего секцию поглощения диоксида углерода, заключается в следующем: величина, также называемая потоком энтальпийного переноса, т.е. сумма теплосодержания, соответствующего изменению температуры, и скрытой теплоты, соответствующей изменению концентрации, контролируется преимущественно газовой стороной, тогда как скорость поглощения диоксида углерода контролируется жидкой стороной. Следовательно, сохранение скорости массопереноса на жидкой стороне и снижение скорости тепло- и массопереноса на газовой стороне приводит к объясненному поведению: опасность образования аэрозоля в секции поглощения диоксида углерода снижается.
Как указано выше, для поглотителей диоксида углерода после сгорания типично, что они сконструированы 'отщепляя на богатом конце'. Из-за такой конструкции и из-за условий на входе газа температурный профиль в колонне увеличивается снизу вверх. Увеличение температуры происходит преимущественно из-за высвобождаемой теплоты поглощения и теплоты реакции. Так как обедненный растворитель, который подается в самый верх секции поглощения диоксида углерода, имеет низкую температуру, которая обычно составляет приблизительно от 30°C до 45°C, газовый поток охлаждается вверху секции поглощения диоксида углерода возле входа обеденного растворителя. Это приводит к резкому падению температуры газового потока с низким содержанием диоксида углерода, и происходит конденсация воды и растворителя. Перенос теплосодержания, который представляет собой энтальпийный перенос из-за изменения температуры, контролируется газовой стороной, и обычные насадочные элементы являются очень эффективными. Перенос скрытой теплоты из-за изменения концентрации также контролируется, главным образом, газовой стороной, но в зависимости от переносимого компонента массоперенос на газовой стороне может быть медленнее, чем для энтальпии и разным для каждого компонента. Это поведение изображено на фиг. 6 и 7. Особые компоненты с большими молекулярными массами, такие как обычно имеют растворители, демонстрируют сниженный поток в массопереносе из-за более медленной диффузионной способности. Если энтальпийный перенос быстрее, чем перенос скрытой теплоты, даже хотя оба контролируются, главным образом, газовой стороной, невозможно избежать того, что газовая фаза становится перенасыщенной или переохлажденной. Это является верным для растворителей, имеющих существенное парциальное давление, применяемых в поглотителях диоксида углерода. Всегда, когда газовый поток является перенасыщенным, становится возможной опасность образования аэрозоля. Невозможно предсказать, при какой степени перенасыщения будет формироваться аэрозоль, и это сильно зависит от того, как происходит зародышеобразование из молекул. Но в любом случае можно утверждать: чем меньше перенасыщение, тем меньше опасность образования аэрозолей.
Из-за пониженной скорости тепло- и массопереноса на газовой стороне избирательной насадки падение температуры на самом верху секции поглощения диоксида углерода снижается, и следовательно снижается также степень перенасыщения: опасность образования аэрозолей вверху секции поглощения диоксида углерода снижается.
Насадка с избирательно сниженными параметрами массопереноса на газовой стороне описана, например, в EP 223001 A1, WO 2010/106011 A1, WO 2010/106119. Поэтому такая насадка может быть предпочтительно использована в секции поглощения диоксида углерода. Однако структурированная насадка, состоящая из рифленых листов, может быть модифицирована, чтобы намеренно снизить массоперенос на газовой стороне путем снижения угла рифления. Угол рифления меньше чем 30 градусов от оси колонны, предпочтительно меньше чем 25 градусов дает пониженный тепло- и массоперенос на газовой стороне. Такие типы насадки обычно не используются из-за плохих параметров массопереноса в газовой фазе, что обычно является недостатком. Причиной пониженной скорости тепло- и массопереноса на газовой стороне является уменьшенная промежуточная скорость газа, получаемая с насадкой, имеющей угол рифления меньше чем 30 градусов относительно оси колонны. Под промежуточной скоростью подразумевается скорость газа внутри насадки. Если насадка представляет собой тип, имеющий крестообразно расположенные рифления, такие рифления образуют пересекающиеся каналы. Газ проходит вдоль данных каналов или пересекает каналы. Промежуточная скорость газа определяется двумя эффектами: (а) долей пустот в объеме, занятом насадкой, и удерживанием жидкости в ней. Это оказывает незначительный эффект на структурированную насадку и не зависит от угла рифления. (b) Ориентацией течения газа, навязанной углом рифления. Увеличения угла рифления (относительно оси колонны) приводит к увеличению промежуточной скорости газа.
Газ направляется каналами рифления и, таким образом, с помощью сниженного угла рифления достигается меньшая промежуточная скорость газа по сравнению с обычным насадочным элементом. Это приводит к пониженной турбулентности газа, что снижает тепло- и массоперенос на газовой стороне. Хотя пониженный тепло- и массоперенос на газовой стороне обычно не привлекателен, для целей данного изобретения он оказывает благоприятное действие.
Произвольно упакованные элементы не могут бы легко модифицированы, чтобы достичь такого избирательного поведения, так как промежуточная скорость вероятно не зависит от ориентации одного элемента произвольной упаковки из массы элементов произвольной упаковки, образующих произвольную упаковку. Тарелки обычно не используют в таких приложениях из-за высокого перепада давления, присущего такому решению. Кроме того, на тепло- и массоперенос на газовой стороне можно легко влиять простыми геометрическими модификациями.
Преимуществом данного изобретения является снижение степени перенасыщения в газовом потоке и, таким образом, снижение опасности образования аэрозоля, который будет вызывать выброс растворителя в жидкой форме. Образование аэрозоля может приводить к слишком высоким выбросам растворителя: если образуются аэрозоли, требуются избыточное усилие для их удаления. Данное изобретение имеет целью избежать образования аэрозоля путем использования избирательной насадки, чтобы снизить степень перенасыщения, и путем использования особой конфигурации устройства поглощения, включающей в себя избирательную насадку.
Дополнительным преимуществом данного изобретения является возможность увеличивать содержание диоксида углерода в обогащенном растворителе, что позволяет оптимизацию всего процесса с точки зрения энергии, причем такая минимизация общего потребления энергии является ключом для всех процессов в данной области приложения. Эта цель достигается путем использования оборудования массопереноса с разным поведением массопереноса в газе и жидкости, так называемого оборудования избирательного массопереноса, что приводит к более высокой энтальпии газа газового потока, покидающего секцию поглощения диоксида углерода. Так как увеличение энтальпии из-за поглощения диоксида углерода остается постоянным, а также энтальпия все подаваемых потоков остается постоянной, энтальпия жидкого потока, покидающего нижнюю часть секции поглощения диоксида углерода, снижается, т.е. температура получаемой донной жидкости ниже.
Дополнительным преимуществом данного изобретения является снижение выбросов газообразного растворителя в атмосферу. До сих пор выбросы растворителя минимизировали, используя объединенную секцию промывки и охлаждения. Объединенная секция промывки и охлаждения состоит из насадочного элемента, находящегося в абсорбционной башне. Газовый поток, обедненный диоксидом углерода, проходит через насадочный элемент в противотоке к промывочной воде. Охлажденная вода циркулирует или перекачивается по кругу, для этой операции обычно применяют термин рециркуляция. Одна циркуляция не достигает очень низкой концентрации растворителя. По этой причине множество циркуляций может быть использовано последовательно, как описано в US 2003/0045756. Для каждой секции охлаждения нужны следующие элементы: тарелка отбора, насос, теплообменник, трубопроводы и контрольное оборудование.
Предложенное устройство поглощения содержит следующие секции в последовательности, перечисленной снизу вверх по резервуару: по меньшей мере, одна секция поглощения диоксида углерода, секция промывки и затем секция охлаждения, конфигурация которой аналогична секции, описанной в WO 2011/087972.
Предложенная конфигурация колонны имеет следующие основные преимущества, а именно низкие выбросы растворителя в атмосферу, а также пониженная опасность образования аэрозоля в секции промывки и секции охлаждения. Кроме того, никакой сепаратор жидкости не требуется между секцией поглощения диоксида углерода и секцией промывки.
После того как газовый поток, содержащий диоксид углерода, такой как топочный газ, прошел через секцию(и) поглощения диоксида углерода, он входит сначала в секцию промывки, также называемую 'прямоточной' секцией, которая работает с водяным конденсатом из секции охлаждения над секцией промывки и, необязательно, с пополняемой водой, если это доступно. Эта подаваемая вода имеет очень низкую концентрацию растворителя и позволяет поэтому почти полностью удалять растворитель из газового потока в секции промывки. Водяной поток у дна секции промывки обогащен растворителем и может подаваться в секцию поглощения диоксида углерода ниже.
Очищенный промытый газовый поток, покидающий секцию промывки, имеет низкую концентрацию растворителя и подается в секцию охлаждения, чтобы охлаждать газовый поток и конденсировать воду. Эта секция требуется, чтобы минимизировать необходимость пополнения воды. Конденсат, образованный в этой секции, выпускается и используется в качестве сырья для секции промывки. Этот конденсат имеет очень низкую концентрацию растворителя.
Предложенная конфигурация устройства поглощения позволяет осуществлять способ поглощения растворителя при скорости подачи воды в секцию промывки, которая позволяет лучшую эффективность оборудования массопереноса по сравнению с предшествующим уровнем техники, где секция промывки находится над секцией охлаждения, используя только пополняемую воду, как упоминается в качестве предшествующего уровня техники в WO 2011/087972. Лучшая эффективность имеет место из-за увеличенной скорости подачи воды, улучшающей поведение смачивания насадки. Увеличенная скорость подачи воды позволяет также поглощать растворитель из газового потока при более высоких температурах, не встречая термодинамических ограничений, т.е. при увеличенном количестве воды, получаемом от использования конденсата. Концентрация растворителя в газовом потоке может, тем не менее, снижаться до желаемой концентрации в секции промывки, так как есть увеличенное количество воды, доступной из-за использования конденсата.
Газовые потоки могут содержать жидкость, которая увлекается газом из жидкости внутри насадки или из распределителя жидкости. Такая увлеченная жидкость присутствует не из-за образования аэрозоля, а вследствие сил трения, действующих между газовой и жидкой фазой. Такая увлеченная жидкость образует относительно большие капли с диметром капель больше чем 20 микрон. Капли такого размера могут удалять соответствующим оборудованием, таким как сепараторы жидкости.
Благодаря предложенной конфигурации секций любая такая жидкость, увлеченная газом из секции поглощения диоксида углерода, не является критичной, так как она оказывает слабое влияние на последующую секцию промывки, расположенную выше, и поэтому установки сепаратора жидкости можно избежать, как требуется в документе предшествующего уровня техники US 2003/0045756. Причина, почему сепаратор жидкости является преимуществом в предшествующем уровне техники, использующем объединенную секцию промывки и охлаждения, следующая: насадочный элемент действует как сепаратор капель. Таким образом, жидкость, увлеченная газом, который входит в объединенную секцию промывки и охлаждения, будет отделяться в насадочном элементе объединенной секции промывки и охлаждения и будет смешиваться с охлаждающей жидкостью. Увлеченная жидкость из секции поглощения имеет высокую концентрацию растворителя, и его концентрация в охлаждающей жидкости будет увеличиваться. Так как охлаждающая жидкость будет возвращаться в верхнюю часть объединенной секции промывки и охлаждения, высокая концентрация растворителя является недостатком, и данная секция не может больше эффективно удалять растворитель из обезуглероженного газа, что является одной из задач этой секции. С предложенной конфигурацией колонны секция промывки работает в 'прямоточном' режиме. Также при этой конфигурации жидкость, увлеченная газом, будет удаляться. Это происходит преимущественно у дна секции промывки. Так как жидкость со дна не возвращается в верхнюю часть секции, нет воздействия на поглощение растворителя в верхней части секции промывки, и эффективность не ухудшается. Поэтому никакой сепаратор жидкости не требуется между секцией поглощения и секцией промывки.
Важно, что газовый поток из секции поглощения диоксида углерода не охлаждает слишком быстро; в противном случае опасность образования аэрозоля увеличивается при использовании обычной конфигурации колонны согласно US 2003/0045756, т.е. когда газ с низкой концентрацией диоксида углерода подается прямо в секцию охлаждения. Причиной увеличенной опасности образования аэрозоля является более высокая концентрация растворителя в топочном газе, покидающем секцию поглощения диоксида углерода, из-за увеличения температуры топочного газа при использовании избирательной насадки. Предложенная выше конфигурация колонны помогает избежать опасности образования аэрозоля в секции промывки. Причина этого в следующем: секция промывки работает при низкой массовой скорости жидкости, т.е. скорость конденсата из секции охлаждения и, необязательно, пополняемой воды является низкой по сравнению со скоростью газового потока. Поэтому температурный профиль внутри секции промывки будет определяться, главным образом, температурой газа, и температура газа будет оставаться почти неизменной по всей секции. В этой секции промывки концентрация растворителя в газовом потоке может снижаться до требуемого уровня, и точка росы воды не будет существенно изменяться. Следовательно, избегается перенасыщение растворителем и водой и, как следствие, опасность образования аэрозоля.
Теплый газовый поток, покидающий секцию промывки, входит в секцию охлаждения, где газовый поток охлаждается и вода конденсируется. Нельзя избежать того, что газовый поток становится перенасыщенным водой. Однако если аэрозоли образуются, они фактически свободны от растворителя и состоят, главным образом, из воды. Так как вода имеет низкую молекулярную массу, массоперенос воды в газовой фазе является относительно высоким и перенасыщение меньше, чем для растворителей с концентрацией, близкой к насыщению.
Изобретение будет раскрыто более подробно ниже со ссылкой на чертежи типичных вариантов осуществления:
Фиг. 1 показывает устройство поглощения согласно первому варианту осуществления данного изобретения.
Фиг. 2 показывает температурный профиль данного устройства поглощения.
Фиг. 3 показывает часть насадочного элемента, включающую два слоя, расположенные крестообразно одна другой.
Фиг. 4 показывает часть насадочного элемента, включающую два слоя, расположенные крестообразно одна другой.
Фиг. 5 показывает часть насадочного элемента, включающую три слоя, расположенные один возле другого.
Фиг. 6 показывает схематичное представление сопротивлений и потоков для обычной поглощающей насадки в верхней части секции поглощения диоксида углерода.
Фиг. 7 показывает схематичное представление сопротивлений и потоков для избирательной поглощающей насадки в верхней части секции поглощения диоксида углерода.
Устройство поглощения согласно фиг. 1 показано схематично в разрезе. Устройство поглощения содержит оборудование массопереноса с избирательно сниженной эффективностью массопереноса на газовой стороне для секции поглощения диоксида углерода. Устройство поглощения 1 для поглощения диоксида углерода из газового потока 2, содержащего диоксид углерода, включает в себя резервуар 10. Газовый поток 2 может иметь температуру от 35°C до 70°C включительно. Газовый поток имеет содержание диоксида углерода обычно от 4 до 15%, где данный процент является мольным процентом. Резервуар содержит секцию 6 поглощения диоксида углерода, содержащую насадочный элемент 16, расположенный между нижним концом 11 резервуара 10 и верхним концом 12 резервуара 10, использующий избирательную насадку, по меньшей мере, частично. Резервуар 10 имеет основную ось 13, распространяющуюся от нижнего конца 11 резервуара 10 к верхнему концу 12 резервуара 10. Кроме того, обеспечены вход 22 для подачи газового потока 2, содержащего диоксид углерода, в резервуар 10 у нижнего конца 11 и выход 23 для выпуска очищенного газового потока 3 у верхнего конца 12. Обеспечены вход 24 растворителя для добавления обедненного растворителя 4 над насадочным элементом 16 и выход 25 растворителя для выпуска обогащенного растворителя 5 из резервуара 10 в положении ниже насадочного элемента 16. Растворитель предпочтительно обеспечивают при температуре от 30° до 45°C. Насадочный элемент 16 образован из множества слоев, сделанных из листов, где, по меньшей мере, некоторые листы имеют рифления. Рифления 34, 44 имеют вершины рифления, образующие гребни, и впадины рифления, образующие выемки, и соответствующие гребни и выемки рифлений 34, 44 имеют угол с основной осью, который меньше чем 30 градусов. Высота насадки предпочтительно находится в интервале от 10 м до 30 м. Примеры таких насадочных элементов показаны на фиг. 3, фиг. 4 или фиг. 5. Множество слоев может включать в себя, по меньшей мере, первый слой 32 и второй слой 33, где первый слой представляет собой первый лист, имеющий первое рифление 34. Второй слой 33 представляет собой второй лист, имеющий второе рифление 44. Первое рифление 34 имеет угол рифления больше чем 0 градусов с основной осью 13, а второй слой расположен крестообразно к первому слою, как показано на фиг. 3 или фиг. 4. Угол рифления указан численным обозначением 38.
Обедненный растворитель 4 может распределяться с помощью элемента 42 распределения обедненного растворителя на насадочный элемент 16. В одном варианте осуществления насадочный элемент 16 может иметь конфигурацию, показанную на фиг. 3, 4 или 5.
Согласно фиг. 1 секция промывки 7 расположена в резервуаре 10 между верхним концом 12 и секцией 6 поглощения. Секция промывки 7 содержит насадочный элемент 17, и вход 49 воды/жидкости расположен сверху насадочного элемента 17. Высота насадочного элемента 17 составляет обычно не больше чем 6 м, в частности в интервале от 2 до 6 м. Кроме того, распределяющий элемент 41 расположен между входом 49 и насадочным элементом 17. Никакой элемент коллектор жидкости не требуется ниже насадочного элемента 17, и жидкость из насадочного элемента 17 капает в секцию 6 поглощения диоксида углерода. Насадочный элемент 17 секции промывки 7 образован так, чтобы обеспечивать эффективный массоперенос растворителя из газового потока 30 с низким содержанием диоксида углерода в промывочную жидкость 20. Промывочная жидкость 20 распределяется элементом 41 распределения промывочной жидкости на насадочный элемент 17. Во время прохождения промывочной жидкости вдоль листов насадочного элемента 17 промывочная жидкость 20 обогащается растворителем, увлеченным газовым потоком 30 с низким содержанием диоксида углерода из секции 6 поглощения. Обогащенная растворителем, промывочная жидкость 21 может использоваться в секции поглощения для поглощения диоксида углерода в добавление к обедненному растворителю, добавляемому через вход 24. Может использоваться обычный структурированный насадочный элемент, такой как насадочный элемент, описанный в EP 0858366 B1.
Над секцией промывки 7 в резервуаре расположена секция охлаждения 8. Секция охлаждения содержит насадочный элемент 18. Насадочный элемент 18 секции охлаждения преимущественно имеет форму, описанную в EP 0858366 B1. Охлаждающая жидкость 14 входит в резервуар через вход 26 охлаждающей жидкости и распределяется элементом 36 распределения охлаждающей жидкости на насадочный элемент 18. Очищенный, по существу, свободный от растворителя, газовый поток 31 входит в насадочный элемент в противотоке с охлаждающей жидкостью 14. Конденсированная вода из газового потока используется в качестве охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость 14 и добавочная вода, сконденсированная из топочного газа, собираются в элементе 37 коллектор охлаждающей жидкости, расположенном под насадочным элементом 18. Элемент коллектор образован с резервуаром, из которого предусмотрен выход 27 для собранной охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость перекачивается насосом 29 охлаждающей жидкости в теплообменник 40. Из теплообменника 40 охлаждающая жидкость возвращается на вход 26 охлаждающей жидкости. Вследствие того факта, что вода конденсируется из топочного газа, входящего в секцию охлаждения 8, часть выпускаемой охлаждающей жидкости отводится и используется в качестве промывочной воды в секции промывки 7, так что скорость потока рециркулирующей охлаждающей жидкости остается постоянной. Охлаждающая жидкость может отводиться из теплой охлаждающей жидкости перед теплообменником 40 или из охлажденной охлаждающей жидкости после теплообменника 40.
Рабочее давление устройства поглощения близко к атмосферному давлению, предпочтительно не больше чем 1,2 бар.
Фиг. 2 показывает график температурного профиля секции поглощения, который означает распределение температуры по высоте насадки. Фиг. 2 представляет собой только схематичное изображение, т.е. нет величин, относящихся к температуре, указанной по x-оси данного графика. Также нет каких-либо величин, относящихся к высоте насадки, которая отображается по y-оси графика. Нижний конец насадочного элемента показан как низ отрезка 55. Верхний конец насадочного элемента показан как вершина отрезка 56. Сплошная жирная линия 51 показывает температуру растворителя, пунктирная жирная линия 52 показывает температуру газового потока при применении избирательного насадочного элемента. Сплошная тонкая линия 61 показывает температуру растворителя, пунктирная тонкая линия 62 показывает температуру газового потока при применении обычного насадочного элемента. Фиг. 2, таким образом, показывает, что температура растворителя и газа для избирательного насадочного элемента, по большей части, ниже по всей высоте насадочного элемента. Преимущество от возможности выполнять поглощение при меньшей температуре состоит в увеличенном содержании диоксида углерода в растворителе. Таким образом, аэрозоли не образуются совсем или, по меньшей мере, образуются в меньшей степени кроме преимущества от сниженного потребления энергии, которое способствует увеличению общей экономичности способа.
Следующие температуры показаны на фиг. 2: температура жидкости 72, покидающей избирательный насадочный элемент у его верхнего конца, температура 73 газа, содержащего диоксид углерода, входящего в избирательную насадку согласно данному изобретению, а также температура 74 газа, покидающего избирательную насадку. Для сравнения показаны температура жидкости 76, покидающей обычный насадочный элемент, температура 77 газа, содержащего диоксид углерода, входящего в обычную насадку, которая является такой же, как температура при использовании избирательной насадки, а также температура 78 газа, покидающего обычную насадку.
Температура жидкости 75, входящей в обычную насадку, является такой же, как температура жидкости 71, входящей в избирательную насадку.
Структурированный насадочный элемент 16 секции поглощения 6 согласно предпочтительному варианту осуществления, показанный на фиг. 3, имеет слой 32, 33 в форме листа, который имеет волнистое рифление, сквозь которое образовано множество открытых каналов, которые распространяются от верхней стороны насадки к нижней стороне насадки, причем данные каналы включают в себя впадину первой волны, гребень первой волны и гребень второй волны. Гребень первой волны и гребень второй волны ограничивают впадину первой волны. Гребень первой волны и гребень второй волны имеют первую вершину и вторую вершину. Эта структура преимущественно повторяется периодически по всей поверхности каждого из листов насадочного элемента.
Предпочтительно, угол рифления 38 составляет не больше чем 30 градусов. Промежуточная скорость может быть снижена, если слои насадочного элемента расположены с углом рифления, который составляет не больше чем 30 градусов. Два насадочных слоя на фиг. 3 показаны только в качестве примера, и не требуется дополнительного замечания, что может быть предусмотрено большее число насадочных слоев. По существу, насадочные слои распространяются по всей площади сечения резервуара 10.
Фиг. 4 показывает альтернативную конфигурацию насадочного элемента, который преимущественно может быть использован в качестве насадочного элемента 16 в секции поглощения 6. Насадочный элемент имеет избирательно сниженные параметры массопереноса на газовой стороне, как описано в EP 2230011 A1, WO 2010/106011 A1, WO 2010/106119, причем содержание этих заявок включено сюда посредством ссылки во всей их полноте.
Насадочный элемент согласно фиг. 4 содержит первый слой 32, имеющий первые рифления 34, и второй слой 33, имеющий вторые рифления 44. Множество открытых каналов образовано первыми рифлениями и вторыми рифлениями. Каналы включают в себя первую впадину рифления 43, первый гребень рифления 45 и второй гребень рифления 47, где первый гребень рифления 45 и второй гребень рифления 47 соединены первой впадиной рифления 43. Первый и второй гребни рифления имеют первую вершину 46 и вторую вершину 48. Выступ 50 или выемка 60 может распространяться в направлении первой вершины 46. В случае если обеспечен выступ, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки выступа 50 от дна впадины рифления 43 больше, чем нормальное расстояние первой вершины 46 от дна первой впадины гребня рифления 45. В случае если обеспечена выемка 60, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки выемки 60 от дна впадины рифления 43 меньше, чем нормальное расстояние первой вершины 46 от дна первой впадины гребня рифления 45.
Насадочный элемент 16 может не иметь ни выемок, ни выступов. В этом случае угол рифления меньше чем 30 градусов. Альтернативно, он может иметь что-то одно, из выемок 60 или выступов 50, или он может иметь выемки 60, а также выступы 50. В этом случае угол рифления также может быть больше, чем 30 градусов, он может быть в интервале до 70 градусов. Вследствие выемок или выступов, присутствующих на, по меньшей мере, каждом втором насадочном слое, перепад давления насадки снижается по сравнению с насадочным элементом, имеющим насадочные слои, лишенные какой-либо выемки или выступа.
Второй слой 33 имеет вторые рифления 44. Первый слой 32 и второй слой 33 расположены так, что каналы первого слоя 32 пересекают каналы второго слоя 33. Первый слой 32 находится в касательном контакте со вторым слоем 33 посредством выступов 50, если они предусмотрены, или посредством гребней рифления первого слоя 32, пересекающих впадины рифления второго слоя 33. Альтернативно, если предусмотрены выемки, касательный контакт прерывается в каждой из выемок 60, что также показано на фиг. 4. Каждый из слоев может иметь, по меньшей мере, что-то одно из выступа или выемки, или также только первый или второй слой из множества слоев может иметь, по меньшей мере, что-то одно из таких выступов или выемок.
Фиг. 5 показывает вариант насадочного элемента, который имеет угол рифления 0 градусов относительно основной оси резервуара 10. Будут отмечены только отличия насадочных элементов относительно предыдущих фигур. Первый и второй слои 32, 33 этого насадочного элемента разделены промежуточным слоем 65. Первый и второй слои имеют первые и вторые рифления зубчатой формы 34, 44, но они равным образом могут иметь волнистую форму, как показано в предыдущих вариантах осуществления. Чтобы увеличить массоперенос, течение восходящего газового потока, содержащего диоксид углерода, или газового потока с низким содержанием углерода, или промытого очищенного газового потока нарушается отклоняющими элементами 66, 67, 68, 69, 70. Тем самым увеличивается массоперенос между газовым потоком и соответствующим жидким потоком, нисходящим вдоль поверхности насадочного слоя.
Отклоняющие элементы 66, 67, 68, 69, 70 могут быть вырезаны из слоя и отклоняться под некоторым углом к поверхности насадочного слоя.
1. Способ осуществления поглощения диоксида углерода из потока, содержащего диоксид углерода, в устройстве поглощения с пониженной опасностью образования аэрозоля, где данное устройство поглощения содержит следующие секции в указанной последовательности от нижней части к верхней части резервуара данного устройства:
по меньшей мере, одна секция поглощения диоксида углерода
секция "прямоточной" промывки
секция охлаждения,
где никакой сепаратор жидкости не находится между секцией поглощения диоксида углерода и секцией промывки,
и где данный способ содержит этапы, где:
(i) осуществляют проход газового потока, содержащего диоксид углерода, через секцию поглощения диоксида углерода с образованием очищенного газового потока, содержащего растворитель и сниженное содержание диоксида углерода вследствие поглощения диоксида углерода с использованием растворителя,
(ii) осуществляют проход данного очищенного газового потока через секцию "прямоточной" промывки, которая работает с конденсатом воды из секции охлаждения выше данной секции "прямоточной" промывки и, необязательно, с пополняемой водой, с образованием очищенного и промытого газового потока, имеющего сниженное содержание растворителя,
(iii) подают данный очищенный и промытый газовый поток в секцию охлаждения для охлаждения очищенного и промытого газового потока и конденсации воды с образованием водного конденсата,
(iv) выпускают водный конденсат из данной секции охлаждения,
(v) возвращают (рециркулируют) часть выпущенного водного конденсата обратно в секцию охлаждения,
(vi) подают остальную часть выпущенного водного конденсата в секцию промывки, где охлаждают весь или только рециркулирующую часть водного конденсата, выпущенного из секции охлаждения на этапе (iv).
2. Способ по п. 1, где никакой коллектор жидкости не находится между секцией поглощения диоксида углерода и секцией промывки.
3. Способ по п. 1 или 2, где охлажденный, очищенный и промытый газовый поток, полученный с помощью данного способа, содержит аэрозольные капли, где данные аэрозольные капли фактически свободны от растворителя и состоят, главным образом, из воды.
4. Способ по п. 1, где секция поглощения диоксида углерода имеет оборудование избирательного массопереноса, отличающееся слабым тепло- и массопереносом на газовой стороне.
5. Способ по п. 4, где данное оборудование массопереноса, отличающееся слабым тепло- и массопереносом на газовой стороне, представляет собой структурированную насадку, выбранную из:
(a) структурированной насадки, состоящей из рифленых листов, имеющих угол рифления меньше чем 30 градусов от оси колонны, предпочтительно меньше чем 25 градусов, или
(b) структурированной насадки, имеющей первый слой, имеющий первые рифления, второй слой, имеющий вторые рифления, множество
открытых каналов, образованных данными первыми и вторыми рифлениями, где данные каналы включают в себя впадину первого рифления, гребень первого рифления и гребень второго рифления, где гребень первого рифления и гребень второго рифления ограничивают впадину первого рифления, где гребни первого и второго рифления имеют первую вершину и вторую вершину, где выступ или выемка распространяется в направлении данной первой вершины, где, если обеспечен выступ, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данного выступа от дна впадины рифления больше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления, и где, если обеспечена выемка, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данной выемки от дна впадины рифления меньше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления.
6. Способ по п. 1, где данный растворитель представляет собой водный раствор амина, аминокислоты или летучего соединения, которое реагирует с диоксидом углерода.
7. Применение структурированной насадки в качестве части секции поглощения диоксида углерода в устройстве для поглощения диоксида углерода, где структурированную насадку выбирают из:
(a) структурированной насадки, состоящей из рифленых листов, имеющих угол рифления меньше чем 30 градусов от оси колонны, предпочтительно меньше чем 25 градусов, или
(b) структурированной насадки, имеющей первый слой, имеющий первые рифления, второй слой, имеющий вторые рифления, множество открытых каналов, образованных данными первыми и вторыми рифлениями, где данные каналы включают в себя впадину первого
рифления, гребень первого рифления и гребень второго рифления, где гребень первого рифления и гребень второго рифления ограничивают впадину первого рифления, где гребни первого и второго рифления имеют первую вершину и вторую вершину, где выступ или выемка распространяется в направлении данной первой вершины, где, если обеспечен выступ, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данного выступа от дна впадины рифления больше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления, и где, если обеспечена выемка, нормальное расстояние, по меньшей мере, одной точки данной выемки от дна впадины рифления меньше, чем нормальное расстояние первой вершины от дна первой впадины гребня рифления, отличающееся тем, что данное применение заключается в снижении опасности образования аэрозоля в верхней области секции поглощения диоксида углерода.
8. Применение по п. 7, где данное применение дополнительно приводит к увеличению максимальной нагрузки диоксидом углерода в нижней области секции поглощения диоксида углерода.
