Способ и устройство для удаления диоксида углерода из дымового газа
Группа изобретений относится к способу и устройству для удаления диоксида углерода из дымового газа. Способ включает смешивание дымового газа с аммиаком и контактирование газовой смеси с раствором нитрата кальция с образованием осадков карбоната кальция и раствора нитрата аммония. Контактирование газовой смеси с раствором нитрата натрия с образованием осадков карбоната натрия и раствора нитрата аммония. Карбонатные/бикарбонатные осадки извлекают путем отделения карбоната/бикарбонатов (тверд.) от указанных растворов. Устройство содержит реакционный сосуд со входом для приема указанного раствора и входом для приема и доставки смеси дымовой газ/аммиак в газожидкостный контактор, который выполнен с возможностью диффузии указанной газовой смеси в раствор нитрата кальция или нитрата натрия. Реакционный сосуд также снабжен импеллером и тяговой трубой, выполненной с возможностью циркуляции диффундированной газовой смеси в растворах нитрата кальция или нитрата натрия в течение периода времени, достаточного для образования карбонатных/бикарбонатных осадков, связывающих СО2 в твердой форме. Группа изобретений обеспечивает возможность производства нескольких высокоценных продуктов в результате улавливания углерода из дымового газа, что способствует обогащению экономики многих стран, снижению негативного воздействия на окружающую среду. 2 н. и 13 з.п. ф-лы; 5 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для удаления диоксида углерода из дымового газа. В частности, настоящее изобретение относится к способу и устройству для удаления диоксида углерода из дымового газа с использованием раствора нитрата кальция или раствора нитрата натрия, или раствора сульфата кальция.
Уровень техники
Дымовой газ от электростанций, промышленных предприятий, нефтеперерабатывающих заводов и тому подобного является главным источником парниковых газов, в частности диоксида углерода. Существуют различные химические процессы и скрубберы, которые обычно используются для очистки дымового газа с целью удаления загрязнителей, таких как твердые частицы, соединения тяжелых металлов, оксиды азота и оксиды серы, для соответствия правилам по контролю выбросов в окружающую среду. Тем не менее, существует настоятельная потребность в технологиях, направленных на создание способов и систем для улавливания и хранения диоксида углерода, которые являются экономически приемлемыми. Кроме того, было бы целесообразно превращать огромный объем диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу, в многочисленные вторичные продукты, чтобы избежать перенасыщения рынка и проблем утилизации, которые могут возникнуть в случае производства только одного продукта.
В одном отработанном в промышленных масштабах способе извлечения диоксида углерода из дымового газа используются промышленные абсорбенты, содержащие моноэтаноламин (MEA) и другие первичные амины. Эти абсорбенты способны извлекать 85-95% диоксида углерода в дымовом газе и давать продукт - диоксид углерода с чистотой более 99,95% при регенерации. Однако эти абсорбенты требуют регулярной регенерации, с которой сопряжены затраты на энергоресурсы, а также абсорбенты с течением времени испытывают проблемы коррозии и разложения растворителя.
Соответственно, существует потребность в альтернативных или усовершенствованных способах и системах для производства нескольких продуктов из процесса улавливания углерода, удаляющего диоксид углерода из дымового газа. Если миллионы тонн диоксида углерода используются для производства одного единственного продукта, - он вскоре окажется в переизбытке. Способ, в котором производится несколько высокоценных продуктов в результате улавливания углерода, способен обогатить экономику многих стран.
Учитывая большие объемы диоксида углерода, которые могут быть извлечены из источников выбросов, также существует потребность в устройстве, которое оказывает минимально возможное воздействие на окружающую среду, в частности, позволяющем модернизировать существующие установки, на которых производятся большие объемы диоксида углерода. Существует потребность в создании устройства с вертикальными цилиндрическими реакторами, имеющими подходящие диаметры для соответствия имеющемуся пространству.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом предлагается способ удаления диоксида углерода из дымового газа, включающий:
смешивание дымового газа с аммиаком; и
контактирование газовой смеси со стадии а) с раствором, содержащим нитрат кальция, нитрат натрия или сульфат кальция, для образования карбонатных и/или бикарбонатных осадков в растворе нитрата аммония или сульфата аммония.
В одном варианте осуществления способ может также включать стадию извлечения карбонатных/бикарбонатных осадков с помощью отделения карбонатных/бикарбонатных осадков от раствора нитрата аммония или раствора сульфата аммония.
В другом варианте осуществления улетучивающиеся пары аммиака со стадии b) могут быть собраны, рециркулированы и смешаны с дымовым газом и аммиаком на стадии а).
В соответствии со вторым аспектом предлагается устройство для удаления диоксида углерода из дымового газа, содержащее:
сосуд, имеющий вход для приема раствора, содержащего нитрат кальция, нитрат натрия или сульфат кальция, и вход для приема газовой смеси дымового газа и аммиака;
газожидкостный контактор, выполненный с возможностью диффузии указанной газовой смеси в раствор нитрата кальция, раствор нитрата натрия или раствор сульфата кальция, поступивший в сосуд;
при этом сосуд снабжен импеллером и тяговой трубой, выполненной с возможностью циркуляции диффундированной газовой смеси в растворах нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция в течение периода времени, достаточного для образования карбонатных/бикарбонатных осадков.
Краткое описание чертежей
Вне зависимости от любых других модификаций, которые могут входить в объем способа и устройства, изложенный в разделе «Сущность изобретения», далее будут описаны конкретные варианты осуществления изобретения, приводимые лишь в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 приводится схематическое изображение устройства для удаления диоксида углерода из дымового газа; и,
на фиг.2 приводится схематическое изображение установки для удаления диоксида углерода из дымового газа, использующей непрерывно-периодическую систему.
На фиг.3 приводится схематическое изображение установки для удаления диоксида углерода из дымового газа, использующей устройство для осуществления непрерывно-периодического способа. На фиг.3 представлены многотрубные коллекторы с воздушным и водяным охлаждением для охлаждения выбросов.
На фиг.4 представлено схематическое изображение с пространственным разделением деталей устройства Вентури/кольцевой трубы, используемого для повторного введения улетучившегося аммиака и CO2, извлеченного из головного пространства реакторов, обратно в насыщенный аммиаком поток дымового газа перед контактированием с раствором.
На фиг.5 представлено схематическое изображение кольцевой трубы реактора, используемой при контактировании прореагировавшей газовой смеси с циркулирующими растворами, диспергирующими смесь газ/аммиак с раствором, облегчающей адсорбцию диоксида углерода и диффузию пузырьков в циркулирующий раствор.
Подробное описание
В одном аспекте настоящая заявка относится к способу удаления диоксида углерода из дымового газа.
Общие понятия
В данном описании, если специально не указано иное или контекст не требует иного, ссылку на одну стадию, состав вещества, группу стадий или группу составов вещества следует понимать как охватывающую одну и множество (т.е. одну или более) этих стадий, составов вещества, групп стадий или групп составов вещества. Соответственно, используемые в настоящем документе формы слов единственного числа включают указания на множественное число, если из контекста явно не следует иное. Например, ссылка на определенные и неопределенные формы слов единственного числа включают ссылку как на одно, так и на два или более и т.д.
Каждый пример настоящего изобретения, описанный в настоящей заявке, должен применяться с соответствующими изменениями (mutatis mutandis) для всех без исключения других примеров, если специально не указано иное. Настоящее изобретение не должно ограничиваться объемом каких-либо конкретных примеров, описанных в настоящей заявке, которые приводятся только для иллюстрации. Функционально эквивалентные продукты, составы и способы находятся в пределах объема изобретения, как описано в настоящей заявке.
Термин «и/или», например, «X и/или Y» следует понимать как означающий либо «X и Y», либо «X или Y», и используется для обеспечения явной поддержки обоих значений или любого значения.
По всему описанию слово «содержать», или его варианты, такие как «содержит» или «содержащий», подразумевают включение указанного элемента, целого числа или стадии, или группы элементов, целых чисел или стадий, но не исключение любого другого элемента, целого числа или стадии, или группы элементов, целых чисел или стадий.
Если не определено иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют такое же значение, какое обычно понимается специалистом в области техники, к которой принадлежит данное изобретение. Хотя способы и вещества, сходные или эквивалентные описанным в настоящем документе, могут использоваться на практике или при проверке настоящего изобретения, подходящие способы и материалы описаны ниже. В случае противоречия, настоящее описание, включая определения, будет иметь преимущество. В дополнение к этому, материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.
Дымовой газ
Термин «дымовой газ» применяется в широком смысле для обозначения любого газа, выходящего в атмосферу через дымовую трубу, которая представляет собой трубопровод для транспортировки отходящих дымовых газов, образованных в промышленных процессах или процессах сгорания. Как правило, дымовой газ относится к газообразным продуктам сгорания, образующимся на электростанциях, работающих на ископаемых видах топлива, таких как уголь, нефть и газ. Однако следует понимать, что термин «дымовой газ» может относиться к отходящим дымовым газам, содержащим диоксид углерода, образованным в других промышленных процессах, таких как производство цемента и извести, производство стали, мусоросжигательные установки и технологические печи на крупных нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимических и химических заводах; а также к выхлопным газам различных типов двигателей, включая, без ограничения, дизельные двигатели, двигатели внутреннего сгорания и газотурбинные двигатели.
Состав дымового газа зависит от сжигаемого топлива или от типа промышленного процесса, в котором образуется дымовой газ. Дымовой газ может содержать один или более газов, выбранных из группы, содержащей азот, диоксид углерода, монооксид углерода, водяной пар, кислород, углеводороды и загрязнители, такие как твердые частицы, оксиды азота (NOx) и оксиды серы (SOx).
Удаление диоксида углерода
Способ удаления диоксида углерода из дымового газа включает:
a) смешивание дымового газа с аммиаком; и
b) контактирование газовой смеси со стадии а) с раствором, содержащим нитрат кальция, нитрат натрия или сульфат кальция, для образования карбонатных и/или бикарбонатных осадков в растворе нитрата аммония или сульфата аммония.
Охлаждение дымового газа
Температура дымового газа, выходящего из газоотводного канала, может быть в диапазоне от примерно 300°С до примерно 800°С, в зависимости от процесса, в котором дымовой газ образуется, длины дымовой трубы и других факторов, как будет понятно специалистам в данной области техники. Перед смешиванием дымового газа с аммиаком дымовой газ может быть охлажден до температуры менее 35°C.
Охлаждение дымового газа может быть достигнуто с помощью пропускания дымового газа через теплообменник. Теплообменник может быть встроенным многотрубным теплообменником с воздушным или водяным охлаждением.
Дополнительно или в качестве альтернативы, охлаждение дымового газа может достигаться с помощью смешивания дымового газа с более низкотемпературным газом, в частности, аммиаком или улетучившимися парами аммиака, которые были собраны в результате реакции газовой смеси с раствором, содержащим нитрат кальция, нитрат натрия или сульфат кальция на стадии b).
Смешивание дымового газа с аммиаком
Смешивание дымового газа с аммиаком может включать введение потока аммиака в поток дымового газа. В некоторых вариантах осуществления поток дымового газа включает увлажненный поток дымового газа. Термин «увлажненный», «увлажняющий» или его варианты, используемые в настоящем документе, относятся к газу, который насыщен водяным паром в условиях давления и температуры.
Смесь дымовой газ/аммиак может содержать от примерно 20% об./об. до примерно 40% об./об. аммиака.
Дымовой газ также может быть сжат до давления по меньшей мере 5 фунт/кв. дюйм (0,03 МПа), предпочтительно до давления от 5 фунт/кв. дюйм до примерно 15 фунт/кв. дюйм (0,03-0,10 МПа).
Процесс первичной хемосорбции, относящийся к абсорбции диоксида углерода в охлажденной смеси аммиака/дымового газа, описывается следующим образом:
CO2+(NH4)OH →(NH4)HCO3
или в качестве альтернативы
CO2+NH3+H2O → (NH4)HCO3(водн.)
Этому процессу первичной хемосорбции может способствовать увлажнение дымового газа и/или газообразного аммиака. Дымовой газ может изначально содержать водяной пар в парообразной форме. Дополнительно или в качестве альтернативы, газообразный аммиак может быть увлажнен перед его смешиванием с дымовым газом. Следует иметь ввиду, что улетучившиеся пары аммиака, собранные и циркулирующие со стадии b), являются увлажненными.
Предпочтительно, аммиак в образованной смеси дымовой газ/аммиак будет абсорбирован и солюбилизирован или в растворе нитрата кальция, или в растворе нитрата натрия или в растворе сульфата кальция, когда смесь дымовой газ/аммиак пропускается через газожидкостный контактор, как описано ниже.
Раствор нитрата кальция
Термин «раствор нитрат кальция» в широком смысле относится к любому водному раствору, который содержит значительную концентрацию растворенного Ca(NO3)2. Концентрация растворенных солей обычно выражается в граммах на литр. Концентрация нитрата кальция в растворе нитрата кальция может превышать примерно 230 г нитрата кальция на литр и доходить до 860 г/л нитрата кальция. Водный раствор может быть водой, деионизированной водой, водой сверхвысокой чистоты, дистиллированной водой, муниципальной водой, грунтовыми водами, попутными водами или технической водой, которая содержит очень мало загрязнителей.
Раствор нитрата натрия
Термин «раствор нитрата натрия» в широком смысле относится к любому водному раствору, который содержит значительную концентрацию растворенного NaNO3. Концентрация растворенных солей обычно выражается в граммах на литр. Концентрация нитрата натрия в растворе нитрата натрия может превышать примерно 230 г нитрата натрия на литр. Водный раствор может быть водой, деионизированной водой, водой сверхвысокой чистоты, дистиллированной водой, муниципальной водой, грунтовыми водами, попутными водами или технической водой, которая содержит очень мало загрязнителей.
Раствор сульфата кальция
Термин «сульфат кальция» в широком смысле относится к любому водному раствору, который содержит значительную концентрацию растворенного и нерастворенного CaSO4. Концентрация растворенных и нерастворенных солей обычно выражается в граммах на литр. Концентрация сульфата кальция может быть больше, чем примерно 500 г сульфата кальция на литр. Водный раствор может быть водой, деионизированной водой, водой сверхвысокой чистоты, дистиллированной водой, муниципальной водой, грунтовыми водами, попутными водами или технической водой, которая содержит очень мало загрязнителей.
Значение рН раствора нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция может находиться в диапазоне от примерно 7 до примерно 10, предпочтительно в диапазоне от примерно 7,5 до примерно 9,6. Подходящие буферы, которые хорошо известны специалистам в данной области, могут использоваться для поддержания рН раствора нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция в желаемом диапазоне значений рН, хотя ожидается, что в большинстве случаев объем аммиака в смеси дымовой газ/аммиак будет достаточным для поддержания рН раствора нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция в желаемом диапазоне рН.
Раствор нитрата кальция, раствор нитрата натрия или раствор сульфата кальция поддерживается при низкой температуре менее 35°С, предпочтительно от примерно 20°С до примерно 33°С. Раствор нитрата кальция, раствор нитрата натрия или раствор сульфата кальция поддерживаются при низкой температуре для увеличения емкости поглощения указанного раствора относительно диоксида углерода из смеси дымовой газ/газообразный аммиак и для сохранения диоксида углерода в растворе в виде бикарбонатных/карбонатных анионов, как будет описано ниже. Поддержание указанного раствора при низкой температуре способствует сохранению карбоната/бикарбоната аммония в растворе, в связи с этим предотвращается увеличение давления от улетучивающегося аммиака и СО2 в головном пространстве над реакционной смесью.
Контактирование газовой смеси с раствором нитрата кальция, раствором нитрата натрия или раствором сульфата кальция
Контактирование газовой смеси с раствором нитрата кальция, раствором нитрата натрия или раствором сульфата кальция может включать пропускание смеси дымовой газ/аммиак через газожидкостный контактор. Газожидкостный контактор выполнен с возможностью диффузии пузырьков указанной газовой смеси в водный раствор.
Следует иметь в виду, что контактирование смеси дымовой газ/аммиак с раствором нитрата кальция, раствором нитрата натрия или раствором сульфата кальция способствует абсорбции диоксида углерода и аммиака (и газообразных SOx и NOx) в указанном растворе. Их абсорбция может осуществляться за счет процессов физической абсорбции или хемосорбции.
В процессах физической абсорбции диоксид углерода и аммиак растворяются в указанном растворе. Растворимость растворенного газообразного диоксида углерода будет зависеть, по меньшей мере частично, от температуры, давления и рН указанного раствора.
Процесс первичной хемосорбции, связанный с абсорбцией диоксида углерода и аммиака в растворе нитрата кальция, растворе нитрата натрия или растворе сульфата кальция, можно описать следующим образом:
1. CO2(газ)+CaNO3(водн.)+NH3(газ)+H2O → CaCO3(тверд.)+NH4++NO3-(водн.)
2. CO2(газ)+NaNO3(водн.)+NH3(газ)+H2O → NaHCO3(тверд.)+NH4++NO3(водн.)
3. CaSO4(тверд.)+NH4HCO3(водн.) → CaCO3(тверд.)+NH4SO4(водн.)
Газожидкостный контактор может быть выполнен с возможностью образования газового пузырька, имеющего средний размер, выбираемый чтобы гарантировать желательную степень массопереноса газ-жидкость для достижения адсорбции диоксида углерода и аммиака в водном растворе нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция и эффективной очистки газа.
Аналогичным образом, давление и скорость потока газовой смеси через газожидкостный контактор могут быть выбраны для образования газового пузырька, имеющего размер, выбранный таким образом, чтобы гарантировать желательную степень массопереноса газ-жидкость для достижения адсорбции диоксида углерода и аммиака в растворе нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция и эффективной очистки газа.
Пузырьки смеси дымовой газ/газообразный аммиак увлекаются циркуляционными токами в растворе нитрата кальция, растворе нитрата натрия или растворе сульфата кальция, образованными с помощью установленного вращающегося смесительного устройства в виде импеллера. Таким образом, указанные пузырьки диспергируются по всему раствору нитрата кальция, раствору нитрата натрия или раствору сульфата кальция.
Газовая смесь может непрерывно или периодически вводиться в растворы нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция до тех пор, пока указанный раствор не достигнет насыщения в отношении диоксида углерода, и карбонатные или бикарбонатные осадки не начнут образовываться. Специалистам в данной области техники будет понятно, что карбонатные осадки обычно будут в виде карбоната кальция в растворе нитрата кальция или в растворе сульфата кальция и в виде карбоната/бикарбоната натрия в растворе нитрата натрия, в зависимости от их концентрации в реакционной смеси.
Реакционная смесь может выдерживаться для старения, что позволяет увеличить размер частиц карбонатных осадков и способствует их отделению. Старение может происходить in situ. В качестве альтернативы, реакционная смесь может быть перенесена в отдельный сосуд для старения и/или осаждения осадков карбоната кальция или карбоната/бикарбоната натрия. Для периодических способов старение может продолжаться в течение 2-4 часов.
В качестве альтернативы, в непрерывном способе реакционная смесь и отмываемый поток аммиака/дымового газа может пропускаться через серию реакционных сосудов, имеющих реакционные смеси с увеличивающейся концентрацией реагентов и продуктов. После прохождения через реакционные сосуды отмываемая смесь аммиак/дымовой газ пропускается через выводную трубу-отмыватель - конечную систему отмывки, которая улавливает любой улетучивающийся аммиак. Выводная труба-отмыватель обеспечивает чистоту выбросов, выпускаемых в атмосферу. Термин «отмываемый», используемый в настоящем документе, относится к потоку газа, который увлажняется путем пропускания газового потока через водный раствор.
Извлечение карбонатных/бикарбонатных осадков
Cтадия извлечения карбонатных/бикарбонатных осадков может осуществляться с помощью отделения осадков карбоната кальция или осадков карбоната/бикарбоната натрия от указанного раствора. Может использоваться любой подходящий способ отделения, хорошо известный специалистам в данной области, включая, без ограничения, гравитационное отделение, фильтрование, центрифугирование и тому подобное.
Отделенный карбонат кальция, извлеченный из указанного раствора, может использоваться при производстве бумаги, белил, фармацевтических препаратов, при производстве наполнителей пластмасс, производстве шин, строительных изделий, добавок в корм для скота и в сельском хозяйстве.
Карбонат/бикарбонат натрия, извлеченный из раствора нитрата натрия, имеет множество применений, включая приготовление пищи, хлебопекарное производство и промышленное использование.
Отделенный полученный раствор нитрата аммония или раствор сульфата аммония может впоследствии использоваться для производства богатых азотом удобрений, а также использоваться при получении удобрений на основе нитрата аммония. Раствор сульфата аммония используют в качестве жидкого или кристаллизованного удобрения с высоким содержанием сульфата.
Устройство для удаления диоксида углерода из дымового газа
Устройство для удаления диоксида углерода из дымового газа содержит:
сосуд, имеющий вход для приема раствора, содержащего нитрат кальция, нитрат натрия или сульфат кальция, и вход для приема газовой смеси дымового газа и аммиака;
газожидкостный контактор, выполненный с возможностью диффузии указанной газовой смеси в раствор нитрата кальция, раствор нитрата натрия или раствор сульфата кальция, поступивший в сосуд;
при этом сосуд снабжен импеллером и тяговой трубой, выполненной с возможностью циркуляции диффундированной газовой смеси в растворах нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция в течение периода времени, достаточного для образования карбонатных/бикарбонатных осадков.
Устройство может также содержать сепаратор для отделения образующихся в результате карбонатных/бикарбонатных осадков. Сепаратор может быть любым сепаратором, подходящим для выделения осадков карбоната кальция или карбоната/бикарбоната натрия из растворов нитрата аммония или сульфата аммония, как будет понятно специалисту в данной области техники. Примеры подходящих сепараторов включают без ограничения циклоны, фильтры, такие как фильтр-прессовые устройства, фильтр-тканевые сепараторы, гравитационные сепараторы, центрифуги и тому подобное.
Следует иметь в виду, что канал потока дымового газа будет выполнен с возможностью направления дымового газа в газожидкостный контактор. Канал потока может быть выполнен с возможностью введения потока газообразного аммиака в дымовой газ и, соответственно, направления смеси дымового газа и аммиака в газожидкостный контактор.
Устройство может также содержать систему извлечения аммиака, находящуюся в сообщении по текучей среде с реакционным сосудом и выполненную с возможностью приема и извлечения аммиака из отходящих газов в головном пространстве реакционного сосуда. Система извлечения аммиака может быть выполнена с возможностью рециркуляции отходящих газов в головном пространстве реакционного сосуда и смешивания их с дымовым газом.
Реакционный сосуд
Реакционный сосуд может быть любым сосудом, в подходящем случае выполненным с возможностью контактирования смеси дымовой газ/газообразный аммиак с раствором нитрата кальция с образованием осадков карбоната кальция и нитрата аммония в растворе, или с раствором нитрата натрия с образованием карбоната/бикарбоната натрия и нитрата аммония в растворе, или с раствором сульфата кальция с образованием карбоната кальция и сульфата аммония в растворе.
Реакционный сосуд имеет вход для приема указанных растворов или воды и соответственно солей нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция, и вход для приема смеси дымовой газ/аммиак. Реакционный сосуд будет оснащен выпуском для отведения смеси карбонатных/бикарбонатных осадков и растворов нитрата аммония или сульфата аммония, которые могут быть впоследствии разделены в сепараторе.
Реакционный сосуд может быть закрыт для предотвращения эмиссионной потери. В частности, газообразный аммиак, поступающий в головное пространство реакционного сосуда, может быть уловлен и рециркулирован обратно в канал потока дымового газа, поступающего в реакционный сосуд.
Следует иметь в виду, что устройство может содержать более одного реакционного сосуда, расположенного последовательно, причем каждый последующий сосуд выполнен с возможностью приема перелива реагентов и продуктов из соседнего предшествующего реакционного сосуда в указанной последовательности. В качестве альтернативы, один или более реакционных сосудов могут работать как непрерывно-периодическая система.
Газожидкостный контактор
Газожидкостный контактор может быть выполнен с возможностью диффузии указанной газовой смеси в растворы нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция. В одном варианте осуществления изобретения газожидкостный контактор выполнен в форме полой перфорированной кольцевой трубы, которая находится в сообщении по текучей среде с каналом потока для поступления туда смеси дымового газа и аммиака.
Перфорации газожидкостного контактора могут быть выполнены и выбраны по размеру для образования газового пузырька, имеющего средний размер, выбранный таким образом, чтобы обеспечить желательную степень массопереноса газ-жидкость для достижения абсорбции прореагировавшего диоксида углерода и аммиака в качестве (NH4)HCO3 в растворе нитрата кальция, растворе нитрата натрия или растворе сульфата кальция и эффективной очистки газа.
Реакционный сосуд может быть снабжен импеллером, выполненным с возможностью циркуляции диффундированной газовой смеси в растворах нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция в течение периода времени, достаточного для образования карбонатных/бикарбонатных осадков.
Импеллер устанавливает циркуляционный поток газовой смеси в растворах нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция для облегчения описанных выше процессов физической абсорбции или хемосорбции с образованием осадков карбоната/бикарбоната кальция или натрия и раствора нитрата аммония или сульфата аммония.
Средство охлаждения
Устройство может дополнительно содержать средство охлаждения, расположенное выше по потоку от реакционного сосуда для охлаждения дымового газа. Средство охлаждения может быть выполнено в форме теплообменника, радиатора или детандера.
Теплообменник может быть любым подходящим теплообменником, таким как кожухотрубный теплообменник, пластинчатый теплообменник, кожухопластинчатый теплообменник и ребристый пластинчатый теплообменник, и тому подобное. Теплообменник может представлять собой охлаждаемые воздухом или водой коллекторы. В качестве альтернативы, теплообменник может использовать альтернативный газовый или жидкий охладитель, например, хладагент или башенный охладитель, который циркулирует через холодильный контур и теплообменник с помощью одного или более насосов.
Детандер может быть любым подходящим устройством, выполненным с возможностью расширения дымового газа, в результате чего происходит снижение его давления и температуры. Примеры подходящих детандеров включают без ограничения коллекторы, трубы Вентури, турбодетандеры, клапаны снижения давления, и тому подобное.
Реакционный сосуд также может быть оснащен средством охлаждения для поддержания указанных растворов при температуре ниже 35°С. Подходящее средство охлаждения включает охлаждающую рубашку, связанную с указанным реакционным сосудом.
Далее, со ссылкой на фиг.1-фиг.5, где одинаковые номера позиций используются для обозначения одинаковых или подобных частей на всех участках, будет описан один из вариантов способа и устройства 10 для удаления диоксида углерода из дымового газа.
Дымовой газ выпускается из источника выбросов (например, электростанции, не показана) через дымовую трубу 12. Труба 12 для подачи дымового газа имеет встроенный нагнетатель (турбонагнетатель типа Рутс, не показан), расположенный перед многотрубным коллектором 45 с воздушным охлаждением для обеспечения требуемого давления нагнетания выбросов в кольцевую трубу 32. Дымовая труба 12 может быть выполнена в сообщении по текучей среде непосредственно через трубу Вентури/кольцевую трубу 43, где газообразный аммиак вводится во входное отверстие 15.
Труба Вентури/кольцевая труба 43 смешивает газообразный аммиак с дымовым газом. Кроме того, увлажненные улетучившиеся пары аммиака, рециркулированные из соответствующих головных пространств реакционных сосудов 16А, 16В, также могут быть смешаны с дымовым газом в трубе Вентури/кольцевой трубе 43 посредством трубопровода 19. Благодаря этому реакция между аммиаком и диоксидом углерода может начинаться до того, как смесь аммиак/дымовой газ поступит в соответствующие входы 14 реакционных сосудов 16А, 16В, расположенных последовательно.
Труба Вентури/кольцевая труба 43 также может быть выполнена с возможностью приема газообразного аммиака после того, как он прошел через расширительный охладитель 50 аммиака. Этот трубопровод подачи аммиака подает газ в трубу Вентури/кольцевую трубу 43.
Охлаждение газовой смеси важно, поскольку реакция между аммиаком и диоксидом углерода является экзотермической.
Охлаждение, обеспечиваемое расширяющимся газообразным аммиаком, также может использоваться в качестве теплообменной среды в теплообменнике 50. Специалисту будет понятно, что эти и другие меры могут применяться для поддержания температуры смеси аммиак/дымовой газ ниже 35°C.
Следует иметь в виду, что до смешивания с аммиаком дымовой газ может быть охлажден до температуры ниже 35°C с помощью встроенных многотрубных теплообменных коллекторов 45 с воздушным и водяным охлаждением. Труба Вентури/кольцевая труба 43 для кондиционирования выбросов смешивает дымовой газ с увлажненным возвращаемым газообразным паром, извлеченным из головного пространства реакторов. Безводный газообразный аммиак может быть введен в поток дымового газа.
Кроме того, реакционные сосуды 16А, 16В также могут поддерживаться в желаемом температурном диапазоне, предпочтительно менее 35°С, еще более предпочтительно менее 30°С. Реакционную смесь в реакционных сосудах 16А и 16В также можно охлаждать путем перекачивания реакционной смеси через теплообменник 50 и возвращения ее обратно в реактор в охлажденном состоянии через циркуляционные трубопроводы 19.
Реакционные сосуды 16А, 16В обычно являются вертикальными цилиндрическими сосудами с сужающейся вниз нижней частью 18, заканчивающейся в выпуске 20 в виде сливного желоба для отведения жидкого содержимого реакционных сосудов 16А, 16В. Реакционные сосуды 16А, 16В снабжены соответствующими крышками 22, чтобы удерживать отходящие газы (например, аммиак) из жидкого содержимого реакционных сосудов 16А, 16В в головном пространстве сосудов. Каналы 21 предназначены для направления и рециркуляции таких отходящих газов обратно в трубу Вентури/кольцевую трубу 43, для обратного направления в поток 12 дымового газа. Отведение отходящих газов может достигаться посредством приложения отрицательного давления к головному пространству реакционных сосудов 16А, 16В с помощью вакуумного насоса (показанного на фиг.3), в результате чего отходящие газы возвращаются под давлением обратно в поток дымового газа через трубу Вентури/кольцевую трубу 43 (показано на фиг.3 и фиг.5).
Реакционный сосуд 16А предусмотрен с входом 24 с крышкой для приема воды, нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция. Реакционный сосуд 16А также может быть снабжен переливной трубой и выводной трубой 46 с конечным отмывателем 47 (показано на фиг.3 и фиг.5). Эти системы позволяют смеси аммиак/дымовой газ проходить через реакционные сосуды 16А, 16В и выводиться в атмосферу полностью отмытыми через выводную трубу-отмыватель 47.
Реакционный сосуд 16А снабжен переливной трубой 26, находящейся в сообщении по текучей среде с реакционным сосудом 16В для подачи избытка растворов из реакционного сосуда 16А в соседний реакционный сосуд 16A.
Каждый реакционный сосуд 16А, 16В снабжен тяговой трубой 28 в виде полого цилиндра, концентрически выровненного вдоль центральной продольной оси реакционных сосудов 16А, 16В. Тяговая труба 28 поддерживается внутри реакционного сосуда 16 с помощью опорных кронштейнов 30, проходящих латерально от боковых стенок реакционного сосуда 16.
Входы 14 соединены с газожидкостным контактором 32, который расположен в верхней части над тяговой трубой 28. В данном конкретном варианте осуществления газожидкостный контактор 32 содержит полую перфорированную кольцевую трубу, оснащенную скользящим фартуком с открытыми двухпроходными щелями, который находится внутри тяговой трубы. Кольцевая труба может быть подниматься из циркулирующего раствора или опускаться вниз с погружением кольцевой трубы под поверхность раствора по мере необходимости. Газожидкостный контактор 32 в процессе использования расположен погруженным под поверхность раствора в реакционном сосуде 16. Скользящий фартук 33 скользит в тяговой трубе 28 (фиг.5). Газожидкостный контактор 32 может быть снабжен подъемным средством 34 для поднимания или опускания газожидкостного контактора 32 из раствора в реакционном сосуде 16.
Диаметр полой перфорированной кольцевой трубы 32 выбирают таким образом, чтобы внешний диаметр полой перфорированной кольцевой трубы 32 отстоял от боковых стенок тяговой трубы 28. Предпочтительно, перфорации в полой кольцевой трубе 32 расположены на ее нижней стороне, благодаря чему в процессе использования поток пузырьков смеси дымовой газ/газообразный аммиак опускается через тяговую трубу 28 (фиг.5).
Реакционный сосуд 16 также снабжен импеллером 36, установленным на валу, расположенном в совмещении вдоль центральной продольной оси реакционного сосуда 16. Импеллер 36 приводится в действие двигателем 40 и связанным с ним верхним приводом, установленным на крышке 22 реакционного сосуда 16. В процессе работы импеллер 36 создает нисходящую тягу, которая направляет поток пузырьков газа вниз через тяговую трубу 28 и вдоль циркуляционного канала 38 для диспергирования пузырьков газа через растворы нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция, находящиеся в реакционном сосуде 16.
На фиг.2 показан вариант осуществления устройства и проиллюстрирован последовательный поток газа из реакционного сосуда 16А в реакционный сосуд 16В и через серию осадительных резервуаров 42. Совокупное время пребывания, получаемое в результате протекания растворов через серию осадительных резервуаров 42, дает образующимся растворам время для старения и завершения реакции.
Осадительные резервуары 42 снабжены крышками, соответствующими тяговыми трубами 28 и импеллерами 36 для перемешивания их содержимого. Осадительные резервуары 42 могут быть расположены в сообщении по текучей среде с сепаратором 44 в виде фильтр-пресса или вакуумного ленточного фильтра для отделения карбонатных/бикарбонатных осадков от растворов нитрата аммония или сульфата аммония.
В процессе использования дымовой газ из источника выбросов охлаждается до температуры менее 35°С, смешивается с газообразным аммиаком, и далее смесь аммиак/дымовой газ направляется через дымовую трубу 12 к входу 14 реакционного сосуда 16. Указанная газовая смесь вводится через газожидкостный контактор в раствор нитрата кальция, раствор нитрата натрия или раствор сульфата кальция, находящийся в реакционном сосуде 16. Газожидкостный контактор выполнен с возможностью диффузии пузырьков указанной газовой смеси в растворы нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция. Вращающийся импеллер 36 создает циркуляционный канал потока для пузырьков внутри реакционного сосуда 16 для улучшения массопереноса газ-жидкость и сопряженных процессов хемосорбции и физической абсорбции, связанных с превращением CO2 в карбонатный/бикарбонатный осадок.
Когда раствор в реакционном сосуде 16 достигает своей емкости поглощения в отношении диоксида углерода, он может быть направлен в осадительные резервуары 42 и затем в сепаратор 44 для извлечения карбонатных/бикарбонатных осадков. Образующийся в результате фильтрат, содержащий нитрат аммония или сульфат аммония, может дальше использоваться для производства обогащенных азотом удобрений, обогащенных сульфатом аммония удобрений, смесей удобрений или может использоваться для производства удобрений на основе нитрата аммония. Любые газообразные пары (CO2/NH3), которые могут улетучиваться из циркулирующего раствор, рециркулируют обратно в поток выбросов через трубу Вентури/кольцевую трубу 43, для повторного пропускания через систему.
Как следует из приведенного выше описания, способ настоящего изобретения способствует снижению выбросов парниковых газов (т.е. диоксида углерода) по сравнению с традиционными технологиями очистки дымового газа.
Финансовый инструмент, предназначенный для торговли в рамках системы торговли квотами на выбросы парниковых газов (ETS), может быть создан путем объединения описанного здесь устройства и источника выбросов дымового газа, такого как промышленная электростанция, таким образом, при котором способы настоящего изобретения могут быть легко использованы. Инструмент может представлять собой, например, квоту на выброс углерода, компенсацию выбросов углерода или сертификат, подтверждающий выработку возобновляемой энергии. Как правило, такие инструменты продаются на рынке, который организован таким образом, чтобы противодействовать выбросам парниковых газов через систему ограничений и торговли квотами на выбросы, при которой суммарная эмиссия ограничена, разрешения распределяются в пределах ограничения, и торговля позволяет рынку найти самый дешевый способ обеспечить необходимое сокращение выбросов. Киотский протокол и ETS Европейского союза основаны на этом подходе.
Далее приводится пример того, как могут быть образованы квоты при использовании завода по производству удобрений. Лицо в промышленно развитой стране желает получить квоты по проекту «Механизма экологически чистого развития» (CDM), под эгидой европейской системы ETS. Лицо вносит вклад в создание завода по производству удобрений, использующего способы настоящего изобретения в непосредственной близости от источника выбросов дымового газа. Затем этому лицу могут быть выданы квоты (или сертифицированные единицы сокращения выбросов, где каждая единица эквивалентна сокращению на одну метрическую тонну СО2 или ее эквиваленту). Количество выданных квот (CER) основывается на зарегистрированном различии между базисными и фактическими выбросами. Заявитель ожидает, что в скором времени лицам, инвестирующим в производство энергии с низким уровнем выбросов углерода в промышленно развитых странах, будут доступны компенсации или квоты, аналогичные CER, и они смогут быть образованы аналогичным образом.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что многочисленные варианты и/или модификации могут быть внесены в изобретение, представленное в конкретных вариантах осуществления, без отклонения от сущности или объема изобретения, описанного здесь в общих чертах. Соответственно, настоящие варианты осуществления следует рассматривать во всех отношениях как иллюстративные и неограничивающие.
Следует понимать, что если в данном описании упоминается какая-либо публикация, относящаяся к известному уровню техники, такая ссылка не означает признания того, что публикация является частью общеизвестных сведений в этой области, в Австралии или любой другой стране.
В приведенной ниже формуле изобретения и в предшествующем описании изобретения, за исключением случаев, когда контекст требует иного, что специально оговорено или явствует по смыслу, слово «содержать» или его производные, такие как «содержит» или «содержащий» использованы в смысле «включает», т.е. описывают наличие указанных признаков, но не исключают наличия или добавления дополнительных признаков в различных вариантах осуществления изобретения.
1. Способ удаления диоксида углерода из дымового газа, включающий:
а) смешивание дымового газа с аммиаком; и
b) диффундирование газовой смеси со стадии а) в раствор, содержащий нитрат кальция, нитрат натрия или сульфат кальция, для образования карбонатных и/или бикарбонатных осадков в растворе нитрата аммония или сульфата аммония посредством газожидкостного контактора, причем газожидкостный контактор расположен в сосуде, имеющем тяговую трубу и импеллер, концентрически расположенный внутри тяговой трубы, при этом газожидкостный контактор расположен в верхней части над тяговой трубой, газожидкостный контактор содержит перфорированную кольцевую трубу, оснащенную скользящим фартуком, который находится внутри тяговой трубы, при этом конструкция является такой, что внешний диаметр перфорированной кольцевой трубы находится на расстоянии от боковых стенок тяговой трубы и импеллер создает циркуляционный канал потока для пузырьков газовой смеси в указанном растворе в течение периода времени, достаточного для образования карбонатных и/или бикарбонатных осадков.
2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию извлечения карбонатных/бикарбонатных осадков.
3. Способ по п.1 или 2, в котором раствор нитрата кальция или раствор нитрата натрия имеет концентрацию растворенных солей по меньшей мере 230 г/л.
4. Способ по п.1 или 2, в котором раствор сульфата кальция имеет концентрацию растворенных солей по меньшей мере 500 г/л.
5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором рН раствора нитрата кальция, раствора нитрата натрия или раствора сульфата кальция находится в диапазоне от 7 до 10.
6. Способ по п.5, в котором рН раствора нитрата кальция, нитрата натрия или сульфата кальция находится в диапазоне от 7,5 до 9,6.
7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором температура раствора нитрата кальция, раствора нитрата натрия или раствора сульфата кальция составляет менее 35°С.
8. Способ по п.7, в котором температура раствора нитрата кальция, раствора нитрата натрия или раствора сульфата кальция находится в диапазоне от 20°С до 35°С.
9. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором аммиак составляет от 20% об/об до 40% об/об смеси дымовой газ/аммиак.
10. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором дымовой газ сжимается до давления в диапазоне от 5 фунт/кв. дюйм (0,03 МПа) до 15 фунт/кв. дюйм (0,10 МПа).
11. Устройство для удаления диоксида углерода из дымового газа, содержащее:
сосуд, имеющий вход для приема раствора, содержащего нитрат кальция, нитрат натрия или сульфат кальция, и вход для приема смеси дымового газа и аммиака; и
газожидкостный контактор, выполненный с возможностью диффузии указанной газовой смеси в раствор нитрата кальция, раствор нитрата натрия или раствор сульфата кальция, поступивший в сосуд;
причем сосуд дополнительно оснащен тяговой трубой и импеллером, концентрически расположенным внутри тяговой трубы,
при этом газожидкостный контактор расположен в верхней части над тяговой трубой, газожидкостный контактор содержит перфорированную кольцевую трубу, оснащенную скользящим фартуком, который находится внутри тяговой трубы, при этом конструкция является такой, что внешний диаметр перфорированной кольцевой трубы находится на расстоянии от боковых стенок тяговой трубы и импеллер создает циркуляционный канал потока для пузырьков газовой смеси, находящийся около боковых стенок тяговой трубы.
12. Устройство по п.11, где устройство дополнительно содержит сепаратор для отделения осадков карбоната кальция или осадков карбонатов/бикарбонатов натрия.
13. Устройство по п.11 или 12, дополнительно содержащее средство охлаждения, выполненное с возможностью охлаждать дымовой газ до температуры менее 35°C.
14. Устройство по п.13, в котором средство охлаждения содержит теплообменник, расположенный выше по потоку от входа газовой смеси реакционного сосуда.
15. Устройство по любому из пп.11-14, дополнительно содержащее систему извлечения аммиака, находящуюся в сообщении по текучей среде с реакционным сосудом и выполненную с возможностью приема и извлечения аммиака из отходящих газов в головном пространстве реакционного сосуда.
