CC BY
2Описание технологического процесса получения сжиженного диоксида углерода
Тарабарин Лев Иванович
руководитель группы компаний «Реал-Инвест», dokument@realinvestnn.ru
В статье описывается технологический процесс завода по утилизации дымогарных газов промышленных и энергетических предприятий с получением сжиженного углекислого газа чистотой 99,99% и сухого льда. Завод по данной технологии функционирует в Нижегородской области на площадке ООО «Технопарк РеалИнвест» уже с 2012 г., что позволило очистить более 1 трл. м3 выбросов вредных веществ в атмосферный воздух. Расширение энергетических мощностей для строительных производственных предприятий реализует технологию утилизации дымогарных газов в пищевую сжиженную двуокись углерода, которая уже сейчас используется в экономике. Данный продукт (сжиженная углекислота) используется предприятиями, пищевой, медицинской, химической, металлургической промышленности. Данная технология может быть реализована на любых предприятиях Российской Федерации, осуществляющих выбросы парниковых газов. Ключевые слова: парниковые газы, утилизация вредных выбросов в атмосферу, технология утилизации дымогарных газов.
В 2021 году по поручению Президента Российской Федерации В.В. Путина Распоряжением Правительства Российской Федерации от 29 октября 2021 г. № 3052-р утвердило стратегию социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года [1]. Целью стратегии является достижение углеродной нейтральности при устойчивом росте экономики [2]. В Нижегородской области на площадке ООО «Технопарк РеалИнвест» при расширении энергетических мощностей для строительстве новых производственных предприятий реализовали технологию утилизации дымогарных газов в пищевую сжиженную двуокиси углерода, которая уже сейчас используется в экономике [3].
Технологическая схема станции по производству сжиженного диоксида углерода представлена на рисунке 1.
Источником сырья, для работы станции, являются дымогарные газы газо-поршневых установок. Производительность станции по дымогарным газам 25000-35000 кг/час, что соответствует производительности по сжиженному диоксиду углерода 2000-2400 кг/час, соответственно.
Газ с температурой 450оС из коллектора дымовых газов подается на узел DeNOx для удаления оксидов азота за счет восстановления аммиаком в присутствии ванадиевого катализатора. Для повышения эффективности процесса DeNOx смешение дымогарного газа с аммиаком происходит в статическом смесителе с турбулизирующими перегородками. Водный раствор аммиака (25%) подается насосом в газоход перед смесителем. Данный узел обеспечивает снижение содержания оксидов азота с 500 до 7 ppm.
После реактора газ подается в ребойлер, в котором охлаждается до температуры 200оС. Отведенное в ребойлере от газового потока тепло используется для разложения карбоната моноэтаноламина и десорбции диоксида углерода.
После ребойлера газовый поток с температурой 200оС направляется в рекуператор 1, в котором охлаждается до 120оС.
В межтрубное пространство рекуператора 1 подается хладагент ОЖ-40. После рекуператора хладагент направляется на станцию рекуперации тепла энергоцентра (рисунок 2).
В теплый период года для снятия тепла хладагент с температурой 98оС направляется в аппарат воздушного охлаждения, в котором охлаждается до 85оС. Данный аппарат также используется для снятия тепла с рекуператора станции 2.
В холодный период года хладагент с температурой 98оС направляется в теплообменник для передачи тепла в сеть. Данный теплообменник позволяет также использовать тепло рекуператора станции 2 и котла-утилизатора ГПУ4.
Возможна рекуперация тепла в теплосеть (расход дымогарного газа):
Для снижения нагрузки на газовый скруббер и повышения эффективности теплообменного процесса после рекуператора 1 газовый поток с температурой 120оС направляется в рекуператор 2, в котором охлаждается до 50-70оС. В межтрубное пространство рекуператора 2 подается хладагент ОЖ-40 с температурой 35оС. После рекуператора 2 хладагент направляется на аппарат воздушного охлаждения.
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о
м «
Рисунок 1. Технологическая схема станции по производству сжиженного диоксида углерода
со см о см
о
О!
о ш т
X
<
т О X X
-
Рекуператор станции 2
\
|—&ЧХ—
1__
I-----1
—е
£
станции 3
|—еНХ]-
-СХ-&-'
ЧХ-в-1
й
1
ф®
л V
90-9.5 'С /проект/
80-90 'С (проект/
---о|}-окн
1
! ^^
3-1-1—1
4
V
1 Р расч-05 МПа \Ррай-0.3 МПа
75-35(Зима) 82 (Лето!
Рисунок 2. Схема станции рекуперации тепла энергоцентра
После рекуператора 2 газ с температурой 50-70оС подается в нижнюю часть водяного скруббера, представляющего собой колонный аппарат, заполненный нерегулярной насадкой - кольца Паля. Насадка через распределительное устройство орошается потоком воды с температурой 40оС, циркулирующей через теплообменник с помощью насоса. Избыточная вода, накапливающаяся в результате конденсации из газового потока, выводится на утилизацию.
Для снятия тепла в теплообменный аппарат подается хладагент ОЖ-40, циркулирующий через аппарат воздушного охлаждения.
Промытый и охлажденный газовый поток с температурой 40-45оС и давлением 1,15 бар (абс.) с помощью воздушного вентилятора (эксгаустера) направляется в нижнюю часть колонны абсорбции. Расход газа регулируется производительностью эксгаустера.
Абсорбер представляет собой колонный аппарат, состоящий из двух секций - промывной, для минимизации потерь мо-ноэтаноламина, и сорбционной, в которой происходит хемо-сорбционное поглощение диоксида углерода раствором моно-этаноламина (32%). Секции абсорбера заполнены регулярной насадкой Инжехим.
Газ, содержащий порядка 6%об. диоксида углерода подается через распределительное устройство в нижнюю часть колонны. Раствор моноэтаноламина через распределительное устройство подается на орошение насадки. За счет контакта на поверхности насадки газа и моноэтаноламина происходит поглощение диоксида углерода. Степень извлечения диоксида углерода в зависимости от производительности установки по дымогарному газу - 85-95%.
Газ, содержащий пары моноэтаноламина, из сорбционной секции попадает в промывную секцию. Насадка промывной секции орошается водой с температурой 40оС, циркулирующей через теплообменник с помощью насоса. Для снятия тепла в аппарат подается хладагент ОЖ-40 с температурой 35оС, циркулирующий через аппарат воздушного охлаждения.
В нагнетательную линию насоса также подается вода из газового скруббера. За счет контакта воды с газом на поверхности насадки, происходит извлечение моноэтаноламина и снижение температуры флегмирующего потока, поступающего самотеком из промывной секции в сорбционную. В результате, сокращаются потери моноэтаноламина и снижается температура по профилю колонны абсорбции, обеспечивая повышение степени извлечения диоксида углерода.
Из промывной секции абсорбера газ выводится в атмосферу.
Раствор моноэтаноламина, обогащенный диоксидом углерода, с температурой 45-48оС направляется на стадию десорбции.
«Богатый» раствор моноэтаноламина выводится из нижней части абсорбера с помощью насоса Н3 через теплообменный аппарат Т3, в котором нагревается до 105-110оС, и подается на орошение в колонну десорбции. Нагрев в теплообменнике Т3 происходит за счет использования тепла «бедного» раствора моноэтаноламина, поступающего из десорбера.
Десорбер представляет собой колонный аппарат, заполненный регулярной насадкой Инжехим. Десорбция диоксида углерода происходит за счет термического разложения карбонатов моноэтаноламина при температуре 120-121 оС. Давление в десорбере составляет 1,8-2,0 бар(абс.)
С глухой тарелки десорбера раствор моноэтаноламина самотеком подается в ребойлер, в котором происходит его нагрев до 120-121 оС. Парожидкостная смесь из ребойлера перетекает в нижнюю часть десорбера и подается под глухую тарелку. «Бедный» моноэтаноламин собирается в нижней части
десорбера, а горячий диоксид углерода поступает в насадоч-ную часть для обогащения. Степень извлечения диоксида углерода в зависимости от производительности установки по дымогарному газу составляет 70-80%.
Газ, содержащий порядка 30% воды и 70% диоксида углерода, с температурой 100-105оС выводится из верхней части десорбера.
«Бедный» моноэтаноламин из нижней части дессорбера через механический фильтр Ф1 с помощью насоса Н4 подается в теплообменник Т3, в котором охлаждается до 65-70оС. После Т3 «бедный» моноэтаноламин направляется в теплообменник Т4, в котором охлаждается до 40оС. Для снятия тепла в аппарат Т4 подается хладагент ОЖ-40 с температурой 35оС, циркулирующий через аппарат воздушного охлаждения АВО 3. После теплообменника Т4 раствор моноэтаноламина направляется на абсорбцию.
После теплообменника часть раствора моноэтаноламина (10-15%) направляется на систему фильтрации (Ф2) для снижения пенообразования и коррозионной активности раствора моноэтаноламина за счет фильтрации механических примесей на фильтрах 5-10 мкм и сорбции на активированном угле термостабильных солей и продуктов конденсации моноэтано-ламина.
Газовый поток после дессорбера поступает в теплообменник, в котором охлаждается до температуры 45оС. При этом происходит частичная конденсация воды, содержащейся в газовом потоке. Для снятия тепла в аппарат Т5 подается хладагент ОЖ-40 с температурой 35оС, циркулирующий через аппарат воздушного охлаждения.
После теплообменника газовый поток и конденсат направляются в водяной скруббер. В скруббере происходит охлаждение газового потока до температуры 40-45оС и поглощение мо-ноэтаноламина, унесенного вместе с газовым потоком из де-сорбера.
Водяной скруббер представляет собой колонный аппарат, заполненный нерегулярной насадкой - кольца Паля. Насадка через распределительное устройство орошается потоком свежей обессоленной воды. Избыточная вода, накапливающаяся в нижней части скруббера с помощью насоса направляется в промывную секцию абсорбера.
Газ, содержащий 1,6-2,8% воды, направляется на стадию компремирования и осушки. Давление в верхней части скруббера поддерживается в диапазоне 1,2-1,9 бар (абс.) за счет включения-выключения компрессоров.
В блоке компрессоров происходит постепенное сжатие газа до давления 17,6 бар (абс.). При этом конденсируется основное количество воды. Блок компрессоров представляет из себя ряд двухступенчатых компрессоров с системой водяного охлаждения сжатого газа и водоотделителей.
Сжатый и частично осушенный газ подается на промежуточный холодильник-осушитель, в котором охлаждается до 20оС. На выходе холодильника установлен конденсатоотвод-чик. Для снятия тепла в холодильник-осушитель подается хладагент «Хладон» R404A. Для сжатия и охлаждения «Хладона» используется индивидуальная холодильная станция. Съем тепла осуществляется за счет циркуляции хладагента ОЖ-40 через аппарат воздушного охлаждения.
Удаление остаточной воды из газа происходит в двух параллельных колоннах осушителях, заполненных адсорбентом (цеолит КА-СО). Колонны работают поочередно. Для регенерации адсорбента в колонну подают технический диоксид углерода, полученный на стадии низкотемпературной ректификации, предварительно нагретый до 300оС. Для удаления органических примесей, таких как ацетальдегид и компрессорное масло, после осушителя газ подается в колонну угольной очистки.
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
Сл>
fO CS
о
CS
Газ после осушки и угольной очистки подается на стадию низкотемпературной ректификации. Газ с температурой 20оС и давлением 16,8 бар(абс.) подается в теплообменник-ребой-лер, в котором охлаждается до температуры минус 15оС. Охлажденный газ смешивается с газом, поступающим из наса-дочной колонны, заполненной нерегулярной насадкой -кольца Паля, и направляется в конденсатор. В конденсаторе газ охлаждается до температуры минус 25,7оС и конденсируется. Несконденсировавшийся газ - технический диоксид углерода удаляется и используется для технологических нужд.
Жидкий поток из конденсатора направляется на орошение в насадочную колонну. Жидкий диоксид углерода в виде пленки по насадки стекает в нижнюю часть колонны. В колонне происходит удаление кислорода и азота за счет низкотемпературной ректификации. Из нижней части колонны чистая жидкая углекислота с температурой минус 25,2оС термонасосом перекачивается в установки длительного хранения (УДХ). Часть потока углекислоты направляется в теплообменник-ре-бойлер для охлаждения поступающего на стадию газа. После теплообменника-ребойлера углекислота с температурой минус 25оС направляется в колонну.
Отличие разработанной технологии от зарубежных аналогов:
• Решена проблема термостабильных солей за счет использования перспективных добавок и создания уникальной установки по очистке МЭА.
• Уменьшены массово-габаритные размеры узла сорбции-десорбции, что в свою очередь привело к значительному снижению себестоимости оборудования (почти в 10 раз с импортными аналогами).
• Создана математическая модель по повышению энергоэффективности процесса за счет оптимизации технологических параметров.
• Получена чистота конечного продукта 99,99% за счет расчета и разработки уникальной низкотемпературной колонны ректификации, что позволяет использовать её в пищевой промышленности
• Оптимизирован процесс осушки диоксида углерода путем разработки эффективного селективного сорбента, созданного на российском сырье, тем самым снизив точку росы конечного продукта ниже 70 градусов Цельсия.
В ООО «Технопрак РеалИнвест» при генерации 82 884 200 кВт электрической энергии утилизировано по данной технологии 100% выбросов дымогарных газов с получением 26 768 324 кг сжиженной углекислоты с более чистотой 99%.
Данная технология может быть реализована на любых предприятиях Российской Федерации, осуществляющих выбросы парниковых газов.
Кроме того, продукт (сжиженная углекислота) используется предприятиями, пищевой, медицинской, химической, металлургической промышленности.
Уже сейчас интерес к проекту проявили крупные предприятия: ПАО «СИБУР ХОЛДИНГ», ПАО «Газпромгазораспреде-ление» и другие предприятия энергетического комплекса.
Благодарности.
Практическое применение единственной в России технологии было осуществлено на оборудовании, специально изготовленном для этого на предприятии ГК «Реал-Инвест»
Литература
1. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 29.10.2021 № 3052-р // Официальный интернет-портал правовой информации. Электронный ресурс. URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/000120211101002 2 (Дата обращения 20.10.2023)
2. Тимофеев, Г. П. Подколзин П. Л., Гладилин Д. Е. Глобальные тренды и проблемы достижения углеродной нейтральности // Отходы и ресурсы. 2022. Т. 9. № 4. URL: https://resources.today/PDF/01EC0R422.pdf DOI: 10.15862/01EC0R422 (Дата обращения 20.10.2023)
3. Денис Егоров рассказал об опыте Нижегородской области на первом Российском экологическом форуме // «НТА-Приволжье». 15.10.2021. URL: https://nta-pfo.ru/news/society/2021/news_644825/ (Дата обращения 20.10.2023)
Description of the technological process of obtaining liquefied carbon dioxide Tarabarin L.I.
Real-Invest Group
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
The article describes the technological process of a plant for the utilization of flue gases of industrial and energy enterprises with the production of liquefied carbon dioxide with a purity of 99.99% and dry ice. The plant using this technology has been operating in the Nizhny Novgorod region at the site of Technopark RealInvest LLC since 2012, which allowed to clean up more than 1 trillion m3 of emissions of harmful substances into the atmospheric air. The expansion of energy capacities for construction production enterprises implements the technology of utilization of flue gases into food-grade liquefied carbon dioxide, which is already being used in the economy. This product (liquefied carbon dioxide) is used by enterprises, food, medical, chemical, metallurgical industries. This technology can be implemented at any enterprises of the Russian Federation that emit greenhouse gases. Keywords: greenhouse gases, utilization of harmful emissions into the atmosphere,
technology of utilization of smoke gases. References
1. Decree of the Government of the Russian Federation No. 3052-r dated 29.10.2021
// Official Internet portal of legal information. Electronic resource. URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202111010022 (Accessed 20.10.2023)
2. Timofeev, G. P. Podkolzin P. L., Gladilin D. E. Global trends and problems of
achieving carbon neutrality // Waste and resources. 2022. Vol. 9. No. 4. URL: https://resources.today/PDF/01EC0R422.pdf DOI: 10.15862/01EC0R422 (Accessed 20.10.2023)
3. Denis Egorov spoke about the experience of the Nizhny Novgorod region at the first
Russian Environmental Forum // "NTA-Volga region". 15.10.2021. URL: https://nta-pfo.ru/news/society/2021/news_644825 / (Accessed 20.10.2023)
О Ш
m x
<
m о x
X
