CC BY
38ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
УДК 658.26.: 66.0
АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ АБСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ОТ СО2
Э.В. Шамсутдинов, Э.И. Мухаметшина, С.И. Иванова, Г.Р. Мингалеева
Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН, Лобачевского 2/31, Казань, Россия, 420111, Тел.:(843) 2767953
ANALYSIS OF ENERGY EFFICIENCY OF FLUE GAS CLEANING FROM СО2 BY ABSORPTION
Shamsutdinov E.V., Mukhametshina E.I., Ivanova S.I., Mingaleeva G.R.
Research Center for Energy Problems KazRC RAS Lobachevsky 2/31, Kazan' 420111 Russia, Phone: (843) 2767953
Введение
Современный уровень знаний об антропогенном парниковом эффекте и связанном с ним потеплением климата заставляет уделять этому явлению повышенное внимание. Наряду с другими факторами развитие энергетики вносит существенный вклад в накопление в атмосфере парниковых газов (в основном СО2). Связано это с тем, что при сжигании органического топлива, обеспечивающего свыше 70 % потребности человечества в тепловой и электрической энергии, образуется большое количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. В связи с этим возникает необходимость поиска мер, позволяющих удержать ожидаемый подъем температур в допустимых границах. Одним из методов решения рассматриваемой проблемы является разработка и внедрение эффективных способов улавливания СО2 из дымовых газов энергетических установок или отходящих газов промышленных предприятий с последующим его технологическим использованием. При этом степень концентрации СО2 должна быть не менее 95 %.
Теоретическая часть
Одним из способов выделения СО2 из дымовых газов является абсорбционная очистка водными растворами этаноламинов. Наибольшее промышленное применение получил процесс очистки растворами моноэтаноламина (МЭА). Этаноламины представляют собой бесцветные вязкие гигроскопичные жидкости, смешивающиеся с водой и низшими спиртами.
В работе рассматривается ряд технологических схем очистки газов с помощью МЭА с различным аппаратурным оформлением. Основным оборудованием данных схем являются абсорберы и десорберы (регенераторы). Проведение процессов абсорбции и регенерации абсорбента сопровождается затратами энергии на подготовку и подачу раствора, транспортировку исходных и целевых продуктов. Соответственно выбор способа улавливания и последующего выделения СО2 должен сопровождаться всесторонним анализом энергетической эффективности систем на основе проведения тепловых и термодинамических расчетов.
Для идентификации потоков в технологических схемах очистки газов предварительно проводится их структурный анализ и определяется последовательность теплового и термодинамического расчета, при этом технологические схемы очистки газа отображаются в виде информационных блок-схем (ИБС), представляющих собой графы, в которых аппараты схем заданы вычислительными информационными блоками, а связи между элементами - дугами (направленными потоками информации). Методы структурного анализа изложены в работе [1].
Тепловой и термодинамический анализ проводится по методике, представленной в работе [2]. В качестве основного критерия оценки энергетической эффективности систем выбран эксергетический КПД Пе, который позволяет учитывать различные виды энергии - тепловую, механическую, химическую - в процессах абсорбции и десорбции СО2 из растворов
моноэтаноламинов, а также внутренние преобразования энергии в аппаратах технологических схем. Он определяется по формуле:
Еп
(1)
где Епол - полезная эксергия, кДж/кг; Еподв - подведенная эксергия, кДж/кг.
В качестве полезной эксергии взяты потоки очищенного газа, углекислого газа и горючих примесей, представляющие наибольшую ценность.
Описание технологических схем очистки газа
На рис. 1 приведена схема грубой одноступенчатой моноэтаноламиновой очистки при атмосферном давлении [3].
Регенерация проводится в аппаратах с выносными кипятильниками под давлением 0,167 МПа. Регенерированный раствор, содержащий 0,15-0,23 моль СО2 на 1 моль моноэтаноламина, при 115-120 °С проходит межтрубное пространство теплообменников, затем поступает в кожухотрубчатый холодильник, где охлаждается водой до 25-40 °С, и далее подается на орошение абсорберов. Парогазовая смесь, выходящая из регенераторов при 97-105 °С, поступает в скруббер-охладитель, где водяные пары конденсируются, а газ охлаждается до 30-35 °С. Газ, выходящий из конденсатора, содержит более 99 % (об.) двуокиси углерода. Скруббер-охладитель орошается циркулирующим конденсатом, который проходит холодильники и далее подается насосом через второй холодильник на орошение. Конденсация паров возможна и в поверхностном конденсаторе. Часть конденсата в виде флегмы отводится на орошение трех верхних тарелок регенератора и абсорбера. Количеством подаваемой флегмы регулируется баланс в системе. В технологическую схему моноэтанолами-новой очистки входят также узлы приготовления (с соответствующими емкостями и насосами) и разгонки раствора.
Рис. 1. Схема одноступенчатой моноэтаноламиновой
очистки при атмосферном давлении: 1 - абсорбер; 2 - брызгоотделитель; 3 - кипятильник; 4 - регенератор; 5 - теплообменник; 6 - скруббер-охладитель; 7, 7' - холодильники конденсата; 8 - насос насыщенного раствора; 9 - водяной холодильник; 10 - насос регенерированного раствора; 11 - насос конденсата Fig. 1. Diagram of single-stage monoethanol amine purification under atmospheric pressure: 1 - absorber; 2 - spray trap; 3 - boiler; 4 - regenerator; 5 - heat exchanger; 6 - cooling scrubber; 7, 7' - condensate coolers; 8 - saturated solution pump; 9 - water cooler; 10 - regenerated solution pump; 11 -condensate pump
Конвертированный газ поступает при 20-40 °С в абсорбер, орошаемый 15-20%-ным раствором моноэтаноламина. Здесь концентрация СО2 в газе снижается от 18-20 до 1-2,5 % об. После прохождения отбойного слоя насадки в верхней части абсорбера и брызгоуловителя очищенный газ направляется в газгольдер и затем на компрессию. Насыщенный раствор моноэтаноламина, содержащий 0,4-0,5 моль СО2/моль МЭА (в определенных условиях до 0,7 моль СО2/моль МЭА) и нагретый за счет теплоты абсорбции до 40-45 °С (иногда до 65-70 °С), подается центробежным насосом в кожухотрубчатый теплообменник, где нагревается до 90-105 °С, и затем поступает в регенератор.
Рис. 2. ИБС одноступенчатой МЭА очистки при атмосферном давлении: 1 -абсорбер, 2 -брызгоотделитель, 3 -насос, 4 - теплообменник, 5 - регенератор, 6 - кипятильник, 7-насос, 9 -холодильник, 10 -скруббер-холодильник, 11 -холодильник конденсата, 12 - насос, 13 -холодильник; обозначения потоков 1 -34 представлены в табл. 1 Fig. 2. Information block diagram (IBD) of single-stage monoethanol amine purification under atmospheric pressure:1 -absorber, 2 -spray trap, 3 -pump, 4 - heat exchanger, 5 -regenerator, 6 -boiler, 7 -pump, 9 -cooler, 10 -cooling scrubber, 11 -condensate cooler, 12 -pump, 13 -cooler; flow symbols 1 - 34 are shown in Table 1
Результаты структурного, теплового и термодинамического анализа одноступенчатой моноэтанола-миновой очистки при атмосферном давлении, ИБС которой приведена на рис. 2, представлены в табл. 1.
..JLjt^OJLS
яш
n
Таблица 1
Характеристики потоков ИБС одноступенчатой МЭА очистки при атмосферном давлении
Table 1
IBD flow characteristics of single-stage MEA cleaning under atmospheric pressure
№ Энергоноситель Выходит из блока Входит в блок Т, К G, кг/с Р, МПа Теплота, кДж/кг Эксергия, кДж/кг
1' Газ 1 2 314,15 11,1 0,1 424 2415
2' Насыщенный раствор МЭА 1 3 313,15 10,0 0,1 2770 2364
3' Газ очищенный 2 1 313,15 10,0 0,09 2770 2364
4' Насыщенный раствор 3 4 314,15 10,0 0,12 2773 2370
5' Насыщенный раствор 3 1 373,15 10,0 0,12 2933 2666
6' Регенерированный раствор 4 7 314,15 10,0 0,12 2773 2165
7' Газ 5 6 388,15 13,0 0,167 524 2437
8' Парогазовая смесь 5 10 378,15 10,0 0,167 510 2433
9' Регенерированный раствор 6 4 393,15 10,0 0,2 2988 2548
10' Газ 6 5 390,15 3,64 0,16 526 1558
11' Регенерированный раствор 7 8 314,15 21,1 0,121 2773 2165
12' Регенерированный раствор 8 9 313,15 10,0 0,121 2770 2159
13' Регенерированный раствор 9 1 303,15 10,0 0,12 2743 2101
14' Конденсат 10 11 333,15 6,0 0,166 2368 2091
15' Конденсат 11 1 313,15 6,0 0,16 2341 1986
16' Конденсат 12 13 313,15 6,0 0,161 2341 1986
17' Конденсат 13 14 303,15 6,0 0,16 2328 1929
18' Конденсат 14 5 303,15 3,0 0,16 2328 1929
19' Конденсат 14 10 303,15 3,0 0,16 2328 1929
20' Конвертированный газ - 1 313,15 1,1 0,1 422 2415
21' Пар - 6 418,15 1,64 0,3 2824 3129
22' Очищенный газ 2 - 313,15 1,1 0,1 335 2472
23' Газ 10 - 308,15 4,0 0,166 413 230
24' МЭА на фильтрацию 8 - 313,15 11,1 0,121 2770 2159
25' Вода - 9 288,15 4,3 0,1 3464 1264
26' Вода 9 - 298,15 4,3 0,09 3506 1338
27' Вода - 11 288,15 7,8 0,1 3464 1264
28' Вода 11 - 298,15 7,8 0,09 3506 1338
29' Вода - 13 288,15 7,8 0,1 3464 1264
30' Вода 13 - 298,15 7,8 0,09 3506 1338
31' МЭА - 7 298,15 11,1 0,1 2729 907
32' Эл. ток - 3 - - - - 1136
33' Эл. ток - 7 - - - - 112
34' Эл. ток - 12 - - - - 208
Расчет последующих технологических схем очистки газов проводился аналогично схеме грубой МЭА-очистки на основе методов структурного, теплового и термодинамического анализа. В табл. 2-4 приведены суммарные характеристики потоков, входящих в каждый аппарат технологической схемы и выходящих из него.
Эффективным методом получения чистой двуокиси углерода является промежуточная десорбция примесей [3]. С целью повышения степени очистки углекислого газа предложен способ, по которому горючие компоненты удаляют из раствора этанола-мина, насыщенного углекислым газом, путем подогрева его до температуры 55-65 °С с последующей продувкой азотом и десорбцией газа известным способом, представленным на рис. 3.
Насыщенный углекислым газом раствор этанола-мина из абсорбера 1 самотеком подают в промежуточную емкость, где его подогревают до температуры 55-65 °С идущим на охлаждение раствором из десорбера. При этом выделяются горючие компоненты из раствора. Для более тонкой очистки углекислого газа в нижнюю часть промежуточной емкости подают азот. Далее смесь подается в верхнюю часть регенератора 3, где происходит удаление примесей при температуре до 110 °С и давлении, соответст-
вующем рабочему давлению в регенераторе, путем продувки раствора десорбирующейся углекислотой. Горючие газы вследствие малой растворимости де-сорбируются из насыщенного раствора и удаляются вместе с частью десорбируемой углекислоты из верхней части регенератора. Характеристики потоков в аппаратах схемы МЭА-очистки с отдувкой примесей азотом представлены в табл. 2
Рис. 3. Принципиальная схема моноэтаноламиновой очистки с отдувкой горючих примесей азотом Fig. 3. Schematic diagram of MEA cleaning with nitrogen hot impurity stripping.
Таблица 2
Характеристики потоков в аппаратах схемы МЭА-очистки с отдувкой примесей азотом
Table 2
Flow characteristics in single-stage MEA cleaning devices with nitrogen impurity stripping
№ Аппарат Теплота, кДж/кг Эксергия, кДж/кг
входящая выходящая входящая выходящая
1 Абсорбер 872 406 4834 2426
2 Теплообменник 5669 3301 4979 2473
3 Десорбер 3620 3281 3267 2835
4 Теплообменник 5758 3368 5130 5071
5 Регенератор 3893 3450 7588 5092
6 Конденсатор 4225 4107 3786 2672
7 Кипятильник 6796 5988 6397 4568
8 Холодильник 4157 4146 3774 3740
Широкое распространение получили различные схемы МЭА-очистки с разделенными потоками насыщенного и регенерированного абсорбента. При использовании этих схем снижается расход теплоты и увеличивается степень очистки газа. Высокими технико-экономическими показателями характеризуется многопоточная схема тонкой МЭА-очистки газа с двумя потоками регенерированного раствора и тремя потоками насыщенного раствора (рис. 4, табл. 3) [3].
Принцип ее работы следующий: сырой газ поступает в абсорбер 1, в котором абсорбция осуществля-
ется 20%-ным раствором моноэтаноламина под давлением 2,7 МПа. В нижней части абсорбера происходит предварительная очистка (до 1-2 % СО2 и менее) грубо регенерированным раствором (содержание СО2 до 0,3-0,35 моль/моль МЭА). Тонкая очистка (до 100 см3/м3 и менее) осуществляется тонко регенерированным раствором (содержание СО2 около 0,1 моль/моль МЭА).
Далее насыщенный раствор при температуре 63 °С разделяется на три потока. Степень карбонизации насыщенного раствора около 0,65 моль/моль.
Верхний поток направляется на верхнюю тарелку регенератора 2 (холодный байпас), средний поток нагревается до 90 °С в теплообменнике 3' и направляется в среднюю часть регенератора. Нижний поток перегревается в теплообменниках 3'' и 3 до температуры 104 °С и подается еще ниже.
Нагрев насыщенного раствора в теплообменниках 3 и 3' происходит за счет тепла грубо регенерированного раствора, выходящего из регенератора с температурой 110 °С. Далее грубо регенерированный раствор насосом 7' подается в холодильник 4, где охлаждается до 40 °С. Тонко регенерированный раствор выходит из регенератора с температурой 127 °С и нагревает насыщенный раствор в теплообменнике 3''. Далее насосом 7 подается в холодильник 4', где также охлаждается до 40 °С и поступает в абсорбер. Парогазовая смесь СО2 выходит из регенератора при температуре 75 °С и направляется в конденсатор 5.
Рис. 4. Многопоточная схема тонкой МЭА-очистки газа Fig. 4. Multi-flow fine MEA gas cleaning diagram
Таблица 3
Характеристики потоков в аппаратах многопоточной тонкой МЭА-очистки газа
Table 3
Flow characteristics in multi-flow fine MEA gas cleaning devices
№ Аппарат Теплота, кДж/кг Эксергия, кДж/кг
входящая выходящая входящая выходящая
1 Абсорбер 6162 5574 37675 19883
2 Регенератор 8136 8582 7477 6048
3 Теплообменник 5505 5437 3785 3677
3' Теплообменник 5674 3847 3489 3484
3'' Теплообменник 6216 5910 3744 3608
4 Кипятильник 3493 2927 1638 1613
4' Холодильник 4596 5885 1775 1616
5 Конденсатор 4357 4103 123 16
6 Кипятильник 2554 4137 3309 3166
7 Насос 2601 845 1638 1635
7' Насос 3053 1739 1775 1772
Если исходный газ насыщен водой и содержит заметные количества высших углеводородов, то может быть реализован процесс «Бенфилд» [4], схема которого представлена на рис. 5, а характеристики потоков - в табл. 4. Сырой газ поступает в абсорбер 1, в котором при давлении от 0,7 до 13,8 МПа осуществляется абсорбция раствором моноэтаноламина. Температура исходного газа не имеет большого значения и обычно находится в пределах от комнатной до 204 °С. Теплота исходного газа используется для полного или частичного обеспечения нужд процесса. Очистка газа осуществляется регенерированным раствором в верхней части абсорбера.
Рис 5. Схема процесса «Бенфилд» Fig. 5. BENFILD process diagram
128
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (65) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
is
Далее насыщенный раствор из абсорбера направляется на верхнюю тарелку регенератора 2. Регенерированный раствор с давлением, близким к атмосферному, выходит из регенератора и насосом 3 подается в абсорбер.
Парогазовая смесь СО2 выходит из регенератора и направляется в конденсатор 6. После конденсатора парогазовая смесь поступает в скруббер 7, где происходит разделение смеси. Жидкостная часть поступившего газа направляется снова в регенератор.
Таблица 4 Table 4
Характеристики потоков в аппаратах процесса «Бенфилд» Flow characteristics in BENFILD devices
№ Аппарат Теплота, кДж/кг Эксергия, кДж/кг
входящая выходящая входящая выходящая
1 Абсорбер 6438 4281 37927 13891
2 Регенератор 5462 5956 3698 4015
3 Насос 3002 3002 2013 2013
4 Кипятильник 6324 5664 3457 3054
5 Конденсатор 1512 1633 8 20
6 Скруббер 262 520 2 3
Для рассмотренных схем на основе составленных тепловых и эксергетических балансов каждого аппарата, расходов теплоносителей и их термодинамических параметров проведена оценка тепловой и термодинамической эффективности проходящих процессов и сравнение полученных КПД со степенью очистки газов (табл. 5).
Как видно из таблицы, наибольшей термодинамической эффективностью характеризуется много-
поточная схема тонкой МЭА-очистки газа, эксерге-тический КПД которой составляет 48 %, что обусловлено более полным использованием абсорбционной емкости МЭА за счет ступенчатого использования сначала грубо-, а затем тонкорегенерированного раствора. Небольшие потери эксергии обусловлены разделением потоков насыщенного раствора и его высокой степенью карбонизации. При этом достигается наибольшая степень очистки газа от СО2.
Таблица 5
Table 5
Значения энергетических КПД и степени очистки газов от СО2 Energy and СО2 removal efficiency data
№ Наименование процесса Степень очистки газа от СО2, % Тепловой КПД схемы, % Эксергетический КПД схемы, %
1 Одноступенчатая МЭА-очистка при атм. давлении 87-94 86 35
2 МЭА-очистка с отдувкой горючих примесей азотом 90-94 89 25
3 Многопоточная тонкая МЭА-очистка газа 99,99-99,998 86 48
4 Процесс «Бенфилд» 88-99,9 76 32
Однако для получения чистого углекислого газа, используемого при производстве метанола, бикарбоната аммония и других продуктов, наиболее пригодна схема МЭА-очистки с отдувкой горючих примесей азотом, хотя она и имеет низкое значение эксер-гетического КПД (25 %) и невысокую степень очистки исходного газа от СО2 (90-94 %). Таким образом, разработка энергоэффективной технологической схемы как очистки газов, так и получения высококонцентрированного СО2 должна основываться
на оптимальном сочетании характерных технологических процессов рассмотренных схем и целевого назначения применяемых технологий.
Выводы
Рассмотрен ряд технологических схем абсорбционной очистки газа от СО2 водными растворами мо-ноэтаноламина, проведен их структурный, тепловой и термодинамический анализ, оценена энергетическая эффективность систем. В результате выявлены
системы с наибольшими и наименьшими значениями теплового и эксергетического КПД, что позволит осуществить обоснованный выбор систем очистки газов от СО2 и получения его в концентрированном виде для промышленного использования.
Работа выполняется при финансовой поддержке ФАНИ (госконтракт № 02.516.11.6040, грант Президента РФ № НШ - 738.2008.8)
Список литературы
1. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. Учебник для вузов. М.: Химия, 1991.
2. Сажин Б. С., Булеков А.П. Эксергетический метод в химической технологии. М.: Химия, 1992.
3. Семенова Т.А., Лейтес И.Л., Аксельрод Ю.В. Очистка технологических газов. М.: Химия, 1977.
4. Berison Н.Е. HiPure process removes CO2-H2S / Н.Е. Berison, R.W. Parrsli // Hydrocarbon Processing. 1974. V. 53, № 4. P. 81-82.
