CC BY
124DOI: 10.24411/9999-010A-2019-10036
А.А. ДЯДЧЕНКО
Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ АБСОРБЦОННО-ДЕСОРБЦИОННОЙ СХЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТВОРА МОНОЭТАНОЛАМИНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОЙ УГЛЕКИСЛОТЫ НА САМАРСКОЙ ТЭЦ
В настоящее время по объемам выброса вредных веществ в атмосферу предприятия теплоэнергетики занимают лидирующее место. Почти тридцать процентов от общего числа выбросов всех предприятий различных отраслей приходится на котельные и тепловые электрические станции. Наибольшей из проблем является накопление большого количества углекислого газа в атмосфере, что приводит к увеличению температуры воздуха на планете и ее сред него довых показателей. В работе описан способ частичного решения этой проблемы, а так же возможность получения прибыли за счёт сбыта очищенной двуокиси углерода.
Для реализации данной идеи на тепловой электростанции (на примере Самарской ТЭЦ) предлагается установить ряд оборудования, работающего по абсорбцонно-десорбционной схеме с использованием раствора моноэтаноламина (МЭА), для получения жидкой углекислоты. Метод получения жидкой углекислоты из дымовых газов заключается в следующем.
Десорбция СО2 из насыщенного раствора МЭА производится кипячением водяным паром. Дымовые газы проходят в охладитель (скруббер), где промываются и охлаждаются при прямом контакте с охлаждающей водой до температуры абсорбции 38...40°С. Одновременно с промывкой от примесей частично конденсируются пары воды. В колонне абсорбера двуокись углерода поглощается из дымовых газов раствором моноэтаноламина (МЭА). Оставшиеся газы (N2, H2O) выдуваются в атмосферу. Из абсорбера насыщенный раствор МЭА (обогащенный СО2) перекачивается в колонну десорбера. Перед десорбером насышенный раствор подогревается за счет теплообмена с истощенным раствором в Теплообменнике раствора. В колонне десорбера осуществляется процесс тепло- и массообмена между паром, поступающим из кипятильника и насыщенным раствором МЭА. Смесь полученного диоксида углерода и водяного пара охлаждается в холодильнике газа. Холодильник газа состоит из двух последовательно установленных аппаратов. В первом по ходу газа теплообменнике подогревается вода отопления до требуемой температуры 60...80°С, а во втором происходит полное охлаждение диоксида углерода до необходимой температуры 35°С. Использование тепла охлаждения для производства горячей воды или отопления существенно повышает энергоэффективность производства. Система очистки при низком давлении служит для удаления следов МЭА. В системе используются скрубберы и барботеры для промывки газообразного диоксида углерода водой и раствором KMnO4 и адсорбер низкого давления с активированным углем.
Очищенная газообразная двуокись углерода сжимается компрессором без смазки цилиндров, спроектированным и изготовленным из материалов, специально предназначенных для работы с насыщенной влагой газообразной двуокисью углерода. Сжатая двуокись углерода после концевого холодильника компрессора охлаждается в дополнительном холодильнике холодной водой и после отделения капельной влаги подается в блок осушки СО2, который состоит из двух адсорберов, поочередно переключающихся для регенерации. Регенерация адсорбента производится нагретой сухой двуокисью углерода. Для очистки от запахов установлен адсорбер с активированным углем. Осушенная и очищенная двуокись углерода подается в конден-
© 2019 Дядченко Артем Александрович, [email protected]
сатор СО2-испаритель фреона, где газ конденсируется при давлении 1,8...2,0 Мпа. Фреоновый холодильный агрегат служит для охлаждения конденсатора СО2. Жидкая двуокись углерода из конденсатора СО2 подается в накопительную ёмкость 11.
Рис. 1. Принципиальная схема производства жидкой углекислоты с применением абсорбционно-десорбционной схемы с использованием раствора моноэтаноламина Примечание: 1 - десорбер, 2 - скруббер, 3 - теплообменник "вода - вода", 4 - теплообменник раствора МЭА, 5 - холодильник раствора МЭА, 6 - насос раствора МЭА, 7 - эксгаустер, 8 - абсорбер, 9 -холодильник газа, 10 - флегмоотделитель, 11 - регулятор давления, 12 - установка очистки СО2, 13 -компрессор СО2, 14 - охладитель СО2, 15 - блок осушки и дезодоратор, 16 - конденсатор СО2, 17 -холодильная машина, 18 - накопительная емкость СО2, 19 - насос перекачки жидкого СО2, 20 - пост заправки баллонов
На Самарской ТЭЦ установлены пять энергетических котлов типа БКЗ-420-140 НГМ, пять водогрейных котлов типа КВГМ 180 и три водогрейных котла типа ПТВМ 100 (Буров и др., 2014). Часовое количество дымовых газов, проходящих через дымовую трубу, определяется по формуле (Кудинов, 2015):
V = п * В * [Уг + (а -1) * Vв) + 273)/273) * (760/Ь),
где п - количество котлов, присоединённых к трубе, шт.; В - расчётный часовой расход топлива на каждый из котлов, кг/ч.; а - коэффициент избытка воздуха в дымовой трубе;
Уг - теоретическое количество дымовых газов, необходимых для сгорания 1 килограмма топлива, м3/кг
Ув - теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1 килограмма топлива, м3/кг
Q - температура дымовых газов, С° Ь - барометрическое давление, мм РТ. ст.
Количество уходящих газов с энергетических котлов БКЗ 420 140 НГМ равно: Уг бкз = 5*3800*8*[12,36+(1,15-1)*11)*((120+273)/273)*(760/763) = 3052120 м3/ч.; Количество уходящих газов с водогрейных котлов КВГМ 180 равно: Уг квт = 5*900*18*[12,36+(1,18-1)*11)*((117+273)/273)*(760/762) = 1654326 м3/ч.; Количество уходящих газов с водогрейных котлов ПТВМ 100 равно: Уг ПТВМ = 3*900*18*[12,36+(1,2-1)*11)*((115+273)/273)*(760/761) = 1016208 м3/ч.;
1 - http://plamya-co2.ru/news
Суммарное количество уходящих газов со всех водогрейных и энергетических котлов при максимальной нагрузке равно:
Усумммакс = У г бкз + Кг квгм + У г птвм = 5722654 м /ч.;
В летний период времени водогрейные котлы, как правило, не работают, а из энергетических котлов работают 2 и один в резерве. С таким количеством работающих котлов суммарное количество уходящих газов будет равно:
Усумм мин = Уг бкз * 0,4 = 763030 м3/ч.;
Для дальнейших расчётов возьмём среднее суммарное значение уходящих газов в
час:
Усумм средн = ((Уг бкз * 0,4) + Усумм макс) /2 =3242842 м3/ч.;
В продуктах сгорания котлов, работающих на природном газе, содержится от 7 до 11% СО2. (принимаем среднее значение 9%). Значит, объём СО2, содержащийся в полном объёме продуктов сгорания равен:
Усо2= (Усуммсредн *0,01) *9 = 291855 м3/ч.;
Эффективность улавливания СО2 посредством моноэтаноломина, выступающего абсорбентом, составляет 85-95%. (принимаем среднее значение 90%):
Усо2 получаемый = (Усо2 *0,01) *90 = 262670 м3/ч.;
Учитывая, что 14,0 куб. м. газа равно 10 кг можно высчитать суммарную массу жидкой двуокиси углерода:
Мсо2 = (262670 /14*10) = 187.6 т/час;
В Самарской области крупных производителей жидкой двуокиси углерода нет. Потому, для определения выручки со сбыта одной тонны жидкой двуокиси углерода, возьмём среднюю стоимость по России (8500 рублей). Таким образом, доход при условии полного сбыта продукции составит:
Б = 187.6 *8500 = 1589500 руб./час;
Вычитая стоимость химических реагентов, расходы электроэнергии и воды на собственные нужды, а так же на транспорт и заработную плату сотрудников чистая прибыль составит:
Р = 1589500 - 1540950 = 48550 руб./час;
Максимальная мощность 500 кг в час, то есть для производства жидкой двуокиси углерода установок необходимо:
К = 187600 / 500 = 375 единиц установок;
Стоимость одной установки 2.100.000 рублей, её дальнейший монтаж 650000 рублей, для того что бы полностью окупить стоимость всех приобретённых установок, необходимо:
С уст = 2100000 * 375 = 787500000 руб. (787,5 млн. руб.);
С монт = 650000 * 375 = 243750000 руб. (243,75 млн. руб.);
С сум = 1031250000 (1031,25 млн. руб.);
За счёт чистой прибыли с продажи двуокиси углерода полностью окупить расходы на закупку и установку оборудования необходимо:
Т окуп = 21241 час = 885 дней = 29 месяцев = 2,45 года.
Таким образом, установка оборудования для производства жидкой двуокиси
углерода уменьшает выбросы СО2 в атмосферу в среднем на 90%, что значительно снижает отрицательное воздействие на окружающую среду. Сбыт жидкой двуокиси углерода позволит получить существенную прибыль в виде 48550 руб./час, что позволит за счёт работы установки окупить первоначальные вложения за 2,45 года.
Список литературы
Буров В.Д., Дорохов Е.В., Елизаров Д.П. и др. Кудинов А.А. Тепловые электрические
Тепловые электрические станции: учебник для станции. Схемы и оборудование: уч. пос. для вузов. М.: Издат. дом МЭИ, 2014. 466 с. вузов. М.: ИНФРА-М, 2015. 325 с.
