Устройство и способ усовершенствованного извлечения co2 из смешанного потока газа при использовании катализатора

Изобретение относится к устройству и способу обработки дымового газа, основано на использовании растворителя и предназначено для извлечения СО₂ из потока дымового газа. Предусматривается наличие катализатора с целью повышения эффективности растворителя с точки зрения улавливания СО₂ из потока дымового газа или регенерации этого растворителя. Изобретение позволяет увеличить эффективность улавливания диоксида углерода, а также позволяет эффективно регенерировать растворитель, содержащий катализатор, используемый для улавливания диоксида углерода. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящая заявка устанавливает приоритет по отношению к одновременно находящейся на рассмотрении предварительной заявке на патент США, озаглавленной «Устройство и способ усовершенствованного извлечения СО₂ из смешанного потока газа при использовании катализатора», № US 61/038467, поданной 21 марта 2008 г, содержание которой во всей полноте включается в настоящий документ путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу извлечения диоксида углерода (СО₂) из потока технологического газа, содержащего диоксид углерода и диоксид серы. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на устройство обработки дымового газа на основе использования растворителя с целью извлечения СО₂ из потока дымового газа, в котором предусматривается наличие катализатора с целью повышения эффективности растворителя с точки зрения улавливания СО₂ из потока дымового газа или регенерации этого растворителя.

Уровень техники

При сгорании топлива, такого как уголь, нефть, торф, отходы и т.д., в предназначенной для сжигания установке образуется горячий технологический газ (или дымовой газ). Такой дымовой газ часто, помимо прочего, содержит диоксид углерода (СО₂). Неблагоприятное воздействие на окружающую среду выброса диоксида углерода в атмосферу общепризнано и стало стимулом для разработки способов, предусматривающих извлечение диоксида углерода из горячего технологического газа, образующегося при сгорании указанных выше видов топлив. Одно из ранее раскрытых устройств и способов направлено на одностадийное устройство и способ на основе использования охлажденного аммиака для извлечения диоксида углерода (СО₂) из потока образованного продуктами сгорания дымового газа.

Известные устройства улавливания СО₂ на основе использования растворителя, такие как устройства и способы с использованием аммиака (САР), представляют собой относительно недорогое средство улавливания/извлечения СО₂ из потока газа, такого как, например, поток образованного продуктами сгорания дымового газа. Пример такого устройства и способа раскрыт в находящейся в стадии рассмотрения заявке РСТ/US2005/012794 (номер международной публикации WO 2006/022885 (изобретатель: Eli Gal)), поданной 12 апреля 2005 г. и озаглавленной «Ультраочистка газообразных продуктов сгорания, включая извлечение СО₂». В этом способе абсорбция СО₂ из потока дымового газа происходит в результате контакта потока дымового газа, содержащего СО₂, с охлажденным ионогенным раствором (или суспензией) аммиака.

Фиг.1А представляет собой схему, в общих чертах изображающую устройство обработки дымового газа 15, предназначенное для извлечения различных загрязняющих веществ из потока дымового газа FG, выходящего из огневого пространства котла 26, используемого в системе парового генератора, например, на электростанции. Данное устройство включает устройство 70 извлечения СО₂, предназначенное для извлечения СО₂ из потока дымового газа FG перед выбросом потока очищенного дымового газа в дымовую трубу 90 (или, в качестве альтернативы, дополнительной обработкой). Кроме того, оно предназначено для производства СО₂, извлеченного из потока дымового газа FG. Детали устройства 70 для извлечения СО₂ в общих чертах изображены на фиг. 1В.

Как показано на фиг.1В, устройство 70 для извлечения СО₂ включает устройство улавливания 72, предназначенное для улавливания/извлечения СО₂ из потока дымового газа FG и устройство регенерации 74, предназначенное для регенерации ионогенного раствора аммиака, использованного для извлечения СО₂ из потока дымового газа FG. Детали устройства улавливания 72 в общих чертах изображены на фиг.1С.

На фиг.1С в общих чертах изображено устройство улавливания 72 устройства 70 улавливания СО₂ (фиг.1А). В этом устройстве устройство улавливания 72 представляет собой устройство улавливания СО₂ на основе использования растворителя. Более конкретно, в данном примере используемый растворитель представляет собой охлажденный аммиак. В устройстве/способе извлечения СО₂, основанных на использовании охлажденного аммиака (САР), предусматривается наличие абсорбционной камеры, в которой абсорбирующий ионогенный раствор аммиака (ионогенный раствор аммиака) вступает в контакт с потоком дымового газа (FG), содержащим СО₂. Как правило, ионогенный раствор аммиака является водным и может состоять, например, из воды и ионов аммония, бикарбонатных ионов, карбонатных ионов и/или карбаматных ионов. Один из примеров известного устройства извлечения СО₂ способом САР представлен на схеме фиг.1С.

Как видно на фиг.1С, абсорбционная камера 170 предназначена для приема потока дымового газа FG, поступающего, например, из огневого пространства котла 26, работающего на ископаемом топливе (см. фиг.1А). Она также предназначена для приема обедненного ионогенного раствора аммиака, подаваемого из устройства регенерации 74 (см. фиг.1В). Обедненный ионогенный раствор аммиака вводят в камеру 170 через устройство 121 распределения жидкости, тогда как поток дымового газа FG вводят в абсорбционную камеру 170 через отверстия 76 для дымового газа.

Ионогенный раствор аммиака приводят в контакт с потоком дымового газа посредством устройства 111 газожидкостного контакта (далее - массообменное устройство (mass transfer device - MTD)), используемого для осуществления контакта потока дымового газа с растворителем и расположенного в абсорбционной камере 170 и на траектории, по которой поток дымового газа следует от точки входа через входное отверстие 76 к выходу 77 из камеры. Данное устройство 111 газожидкостного контакта может представлять собой, например, один или более общеизвестный структурированный или неупорядоченный насадочный материал или их сочетание.

Вступив в контакт с потоком дымового газа, ионогенный раствор аммиака абсорбирует СО₂ из потока дымового газа, таким образом, ионогенный раствор аммиака насыщается СО₂ (образуется обогащенный раствор). Обогащенный ионогенный раствор аммиака продолжает течь вниз через массообменное устройство, после чего собирается в нижней части 78 абсорбционной камеры 170. Затем обогащенный ионогенный раствор аммиака регенерируют при помощи устройства регенерации 74 (см. фиг 1В) с целью высвобождения СО₂, абсорбированного ионогенным раствором аммиака из потока дымового газа. СО₂, высвобожденный из ионогенного раствора аммиака, может быть затем направлен на хранение или на другие заранее определенные цели или варианты использования. После высвобождения СО₂ из ионогенного раствора аммиака этот ионогенный раствор аммиака называют обедненным раствором. Обедненный ионогенный раствор аммиака опять готов к поглощению СО₂ из потока дымового газа и может быть снова направлен в устройство 121 распределения жидкости, тем самым, его опять вводят в абсорбционную камеру 170. Детали устройства регенерации 74 показаны на фиг.1Е. Устройство 74 включает регенерационную камеру 195. Регенерационная камера 195 предназначена для приема обогащенного раствора, подаваемого из устройства улавливания 72, и для возвращения обедненного раствора в устройство улавливания 72 после отделения СО₂ от обогащенного раствора.

В ходе процесса регенерации обогащенный ионогенный раствор аммиака нагревают так, что содержащийся в этом растворе СО₂ отделяется от охлажденного раствора аммиака. После отделения от СО₂ аммиак (аммиачный сток) возвращают в устройство улавливания для дальнейшего улавливания СО₂ из потока газа.

Известные в настоящее время технологии улавливания СО₂ на основе использования растворителя, обычно, предусматривают потребление, приблизительно, 20-30% энергии, вырабатываемой данной энергоустановкой, которая нужна для того, чтобы способ улавливания СО₂ функционировал эффективно. Кроме того, в этих технологиях часто значительная доля термической энергии, производимой котлом/ребойлером (производительность котла), затрачивается на регенерацию раствора амина с целью его повторного использования для улавливания СО₂ из потока дымового газа. Коротко говоря, хотя технологии улавливания СО₂ из потока дымового газа известны, для их эффективного функционирования нужно огромное количество энергии. Кроме того, чтобы сделать максимальным/оптимизировать время, в течение которого дымовой газ находится в контакте с амином, физический размер резервуаров абсорбера и/или регенератора в обычном устройстве должен быть очень большим. Стоимость проектирования и воплощения таких крупногабаритных колонн очень высока. Кроме того, физическое пространство, необходимое для размещения этих резервуаров на технологической площадке, весьма значительно. Когда место ограничено, должны предприниматься дополнительные меры для обеспечения эксплуатации этих резервуаров/устройств в ограниченном пространстве, если это возможно.

Сущность изобретения

Варианты настоящего изобретения предусматривают обеспечение устройства обработки дымового газа, предназначенного для использования с котлом, работающим на ископаемом топливе. Вкратце, с точки зрения конструкционного решения, один из вариантов осуществления этого устройства, среди прочего, может быть реализован как устройство для обработки дымового газа, включающее абсорбционную колонну, предназначенную для приема смешанного потока газа, содержащего диоксид углерода, и для осуществления его контакта с растворителем; в данной абсорбционной колонне находится насадочный материал, покрытый катализатором.

Варианты осуществления настоящего изобретения также могут рассматриваться как обеспечивающие способы обработки смешанного потока газа, где один из способов включает следующие стадии: прием потока дымового газа из огневого пространства котла; осуществление контакта этого потока дымового газа с растворителем и осуществление контакта растворителя с катализатором.

Другие устройства, способы, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области при изучении прилагаемых чертежей и подробного описания. Подразумевается, что такие дополнительные устройства, способы, отличительные признаки и преимущества включаются в это описание, входят в объем настоящего изобретения и охраняются прилагаемой формулой изобретения.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение может быть лучше понято, а его многочисленные цели и преимущества станут очевидными специалистам в данной области при рассмотрении прилагаемых чертежей, на которых:

Фиг.1А - Фиг.1С представляют собой схемы, на которых в общих чертах изображено устройство 15 обработки дымового газа, предназначенное для извлечения СО₂.

Фиг.2А - Фиг.2D представляют собой схемы, в общих чертах поясняющие пример насадочных материалов 315, на стенках/поверхности которого может быть иммобилизован катализатор.

Фиг.3 представляет собой схему, на которой в общих чертах изображены соответствующие участки устройства 70 для улавливания СО₂ с использованием амина или аммиака, и где абсорбер 110 и регенератор 330 снабжены насадочными материалами 315 и 335 соответственно, которые покрыты катализатором.

Фиг.4А представляет собой схему, на которой в общих чертах изображены соответствующие участки устройства 70 для улавливания СО₂ на основе амина или аммиака, где катализатор 425 добавляется в свежий подаваемый растворитель 195 (фиг.4А) или, в качестве альтернативы, он может быть добавлен непосредственно в растворитель, подаваемый в колонну. В данном примере растворитель представляет собой амин или аммиак.

Фиг.4В представляет собой схему, на которой в общих чертах изображены соответствующие участки устройства 70 для улавливания СО₂ на основе амина или аммиака, где катализатор 425 добавляется непосредственно в растворитель, подаваемый в колонну.

Подробное описание изобретения

Предложенное изобретение направлено на повышение эффективности улавливания СО₂ в устройстве улавливания на основе растворителя, предназначенном для использования при обработке, например, потока дымового газа. Предложенное изобретение также направлено на эффективное регенерирование растворителя, использованного для улавливания СО₂.

В одном из вариантов осуществления предложенного изобретения катализатор 425 нанесен (или иммобилизован) на одну или более поверхность насадочных материалов 315, расположенных в абсорбционной колонне 110 устройства 70 для улавливания СО₂ с использованием амина или аммиака. Фиг.2А - Фиг.2D представляют собой схемы, на которых в общих чертах изображены насадочные материалы 315, покрытые катализатором. На фиг.2В и 2С показано, что насадочные материалы 315 могут состоять, например, из последовательности гофрированных носителей 320, расположенных в непосредственной близости друг к другу так, что образуется группа каналов 334, по которым перемещается дымовой газ, поступающий в абсорбционную камеру 110. Катализатор 425 нанесен на одну или более поверхность каждого из гофрированных носителей 320. Гофрированные желобки 334 образуют траекторию прохождения дымового газа через насадочные материалы 315 и, тем самым, контакта со слоем катализатора 425.

Катализатор 425 может быть либо гомогенным, либо (и/или) гетерогенным катализатором. К типу гомогенных катализаторов можно отнести, например, металлорганический комплекс, образованный переходным металлом и неорганическими/органическими лигандами (такими как бипиридин, ароматические группы, галоген и т.д.). Образование комплекса переходного металла является одним из наиболее эффективных и универсальных способов активации инертных молекул. В результате координирования изменяется реакционная способность лигандов и создаются благоприятные со стерической точки зрения условия для взаимодействия лигандов. Такая активация посредством координации позволяет осуществлять под влиянием соединений переходных металлов многочисленные каталитические реакции. К другим примерам пригодных для использования катализаторов относятся, помимо прочего, катализаторы в виде металлорганических комплексов, таких как, например, комплекс галогенного типа, Ni(bpy)₃Cl₂ [bpy: бипиридин].

К типу гетерогенных катализаторов можно отнести, например, металлы или их соединения, такие как оксиды (например, MgO), хлорид MgCl₂ и т.д. (оксид, предпочтительно, не содержит сульфид и хлорид, они независимы друг от друга), которые диспергированы, предпочтительно равномерно, на твердых материалах с большой площадью поверхности по БЭТ, таких как, например, полимер, оксиды металлов, SiO₂, молекулярные сита, глина, модифицированная основанием и/или кислотой, и т.д.

Катализатор 425 предназначен для ускорения реакции CO₂ с растворителем, таким как амин или охлажденный аммиак, и, таким образом, увеличения количества улавливаемого растворителем СО₂ за данный период времени (то есть, повышения эффективности процесса улавливания СО₂ с использованием амина).

Катализатор на насадочных материалах в регенерационной колонне.

В одном из вариантов осуществления предложенного изобретения катализатор нанесен/иммобилизован на одной или более поверхности насадочных материалов в регенерационной колонне устройства для улавливания СО₂ с использованием амина или аммиака. Катализатор может быть либо гомогенным, либо (и/или) гетерогенным катализатором. Катализатор предназначается для ускорения регенерации растворителя (например, амина или аммиака) после того, как он прореагировал/вступил во взаимодействие с СО₂. Катализатор подбирается и предназначается для ускорения разложения продуктов, образовавшихся при взаимодействии/реакции между СО₂ и амином, таким образом, повышается эффективность регенерации амина из обогащенного раствора амина за данный период времени (то есть, повышается эффективности процесса улавливания СО₂ с использованием амина). Этот вариант осуществления изобретения в общих чертах изображен на фиг.3.

В еще одном варианте осуществления изобретения катализатор добавляют в растворитель, такой как, например, амин или аммиак, который используется для улавливания СО₂ из потока дымового газа. Этот катализатор также может быть использован для ускорения регенерации растворителя после того, как он вступил в реакцию с СО₂. В данном варианте осуществления изобретения может быть использован гомогенный катализатор. Этот вариант осуществления изобретения в общих чертах изображен на фиг.4А и фиг.4В. На фиг.4А поясняется, что катализатор 425 может быть подан непосредственно в расходный резервуар растворителя 510. На фиг.4В поясняется, как катализатор 425 может быть соединен с растворителем, подаваемым в устройство 121 распределения жидкости.

В устройстве 15 обработки дымового газа, в котором катализатор 425 нанесен/иммобилизован/наложен слоем на насадочные материалы 315 и в абсорбционной колонне 110, и в регенерационной колонне 330, катализатор 425, используемый и в абсорбционной колонне 110, и в регенерационной колонне 330, может представлять собой один и тот же катализатор или разные катализаторы. Нет необходимости использовать один и тот же катализатор в отношении улавливания и регенерации.

Катализатор 425 может быть диспергирован/наложен слоем/нанесен на твердый материал 320 с большой площадью поверхность по БЭТ, например, 100-1000 м²/г, квадратный метр на грамм твердых материалов, посредством, например, влажной пропитки с последующим нанесением/иммобилизацией на насадочные материалы 315, расположенные, например, в абсорбционной колонне 110 и/или регенерационной/отпарной колонне 330. Это может быть осуществлено посредством, например, известных технологий реактивной грунтовки, подобных применяемым, например, в промышленных процессах подготовки катализаторов. Эти твердые материалы могут быть использованы для изготовления насадочных материалов или их частей.

В качестве альтернативы, катализаторы (металлорганический комплекс, переходный металл, а также его соль) могут быть непосредственно нанесены на насадочные материалы 315 (см. фиг.2А - фиг.2С) с образованием пленки (или слоя) катализатора. Это может быть осуществлено посредством, например, известных технологий нанесения покрытий, подобных применяемым, например, при промышленном производстве полупроводников или в процессах самосборки или электрохимическом нанесении покрытий. Некоторые примеры пригодных для использования катализаторов включают, помимо прочего, например, катализаторы в виде металлорганических комплексов, такие как, например, комплекс галогенного типа, Ni(bpy)₃Cl₂ [bpy: бипиридин] и неорганические катализаторы на основе переходных металлов.

При улавливании СО₂ может быть использован любой гомогенный и/или гетерогенный катализатор, предназначенный для активации СО₂, адсорбированного на поверхности катализатора 425, и катализа карбонизации/бикарбонизации и карбоматизации амина СО₂ в ходе гомогенного и/или гетерогенного процесса. Эти катализаторы также могут быть использованы при регенерации растворителя (например, амин или аммиак) с целью катализа разложения продуктов, образовавшихся в результате карбонизации/бикарбонизации и карбоматизации амина СО₂.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на ограниченное количество предпочтительных вариантов его осуществления, специалистам в данной области понятно, что внесение различных изменений и произведение замены его элементов на эквивалентные может быть осуществлено без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, многочисленные модификации с целью приспособления конкретной ситуации или материала к положениям настоящего изобретения могут быть произведены без выхода за пределы его основного объема. Следовательно, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами его осуществления, описанными в качестве считающегося наилучшим способа реализации данного изобретения, напротив, изобретение включает все варианты осуществления, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, использование терминов первый, второй и т.д. не означает какого-либо порядка или степени важности, напротив, термины первый, второй и т.д. используются для отличия одного элемента от другого.

1. Система обработки дымового газа, содержащая:
абсорбционную колонну, содержащую насадочные материалы, входное отверстие для приема смешанного потока газа для осуществления контакта указанного смешанного потока газа, содержащего диоксид углерода, с насадочными материалами и входное отверстие для растворителя, содержащего катализатор, для осуществления контакта растворителя, содержащего катализатор, со смешанным потоком газа для ускоренного катализатором улавливания растворителем диоксида углерода из указанного смешанного потока газа с образованием обогащенного диоксидом углерода растворителя, содержащего катализатор, на основе амина или аммиака.

2. Система по п.1, в котором катализатор является гомогенным катализатором.

3. Система по п.1, в котором катализатор является гетерогенным катализатором.

4. Система по п.1, в котором указанный растворитель основан на амине.

5. Система по п.1, в котором катализатор ускоряет улавливание диоксида углерода растворителем из смешанного потока газа в системе обработки газа.

6. Система по п.1, в котором указанный растворитель представляет собой обедненный диоксидом углерода растворитель, охлажденный до осуществления его контакта с указанным смешанным потоком газа.

7. Система по п.1, дополнительно содержащая: регенерационную колонну, содержащую: насадочные материалы с иммобилизованным или нанесенным на них катализатором; входное отверстие для обогащенного диоксидом углерода растворителя, содержащего катализатор, для осуществления контакта обогащенного диоксидом углерода растворителя, содержащего катализатор, с насадочными материалами для ускоренной иммобилизованным или нанесенным катализатором карбоматизации для получения обедненного диоксидом углерода растворителя, содержащего катализатор.

8. Система по п.7, в которой катализатор регенерационной колонны является гомогенным катализатором.

9. Система по п.7, в которой катализатор, находящийся в абсорбционной колонне, и катализатор, находящийся в регенерационной колонне, могут представлять собой один и тот же катализатор или разные катализаторы, при этом катализатор, находящийся в регенерационной колонне, является гетерогенным катализатором.

10. Способ извлечения диоксида углерода из смешанного потока газа, включающий:
пропускание смешанного потока газа, содержащего диоксид углерода, через абсорбционную колонну, содержащую насадочные материалы, и прохождение потока растворителя, содержащего катализатор, через насадочные материалы для осуществления контакта растворителя, содержащего катализатор, со смешанным потоком газа для ускоренного катализатором улавливания диоксида углерода из смешанного потока газа растворителем, содержащего катализатор, на основе амина или аммиака.

11. Способ по п.10, в котором катализатор является гомогенным катализатором.

12. Способ по п.10, в котором катализатор является гетерогенным катализатором.

13. Способ по п.10, в котором растворитель основан на амине.

14. Способ по п.10, в котором абсорбционная колонна предназначена для продления времени контакта смешанного потока газа и растворителя, содержащего катализатор.

15. Способ по п.10, в котором растворитель охлаждают до осуществления его контакта со смешанным потоком газа.

16. Способ по п.10, в котором растворитель представляет собой обедненный диоксидом углерода растворитель.

17. Способ по п.10, дополнительно включающий прием обогащенного диоксидом углерода растворителя, содержащего катализатор, в регенерационной колонне, содержащей насадочные материалы с иммобилизованным или нанесенным на них катализатором, и осуществление контакта обогащенного диоксидом углерода растворителя, содержащего катализатор, с насадочными материалами для удаления диоксида углерода из обогащенного диоксидом углерода растворителя для получения обедненного диоксидом углерода растворителя, содержащего катализатор.

18. Способ по п.17, в котором обогащенный диоксидом углерода растворитель нагревают до подачи в указанную регенерационную колонну или внутри нее.

19. Способ по п.17, в котором может быть организована циркуляция указанного обедненного диоксидом углерода растворителя, содержащего катализатор, в абсорбционной колонне.

20. Способ по п.17, в котором указанный катализатор регенерационной колонны может быть таким же или отличным от катализатора абсорбционной колонны.