CZ28872U1 - Technologický systém pro záchyt CO2 ze spalin na bázi pevného sorbentu - Google Patents

Description

Technologický systém pro záchyt CO₂ ze spalin na bázi pevného sorbentu

Oblast techniky

Užitný vzor je z oblasti snižování plynných emisí z antropogenních zdrojů. Jeho podstatou je technické řešeni separace CO₂ ze spalin na bázi pevného sorbentu, určené pro záchyt CO₂ ze spalin energetických zařízení spalujících pevná fosilní paliva.

Dosavadní stav techniky

Výroba elektřiny spalováním fosilních paliv je spojena s vysokou produkcí oxidu uhličitého, který se výrazně podílí na zesilování přirozeného skleníkového efektu. Rostoucí koncentrace CO₂ v ovzduší ovlivňuje biogeochemický cyklus uhlíku, tepelnou rovnováhu na zemi a přispívá tím ke změně klimatu. Odvětví energetiky je největším producentem CO₂ z antropogenních stacionárních zdrojů.

Jednou z možností snižování CO₂ z velkých zdrojů je využití technologií pro záchyt, transport a ukládání příp. jiné využití CO2 (Carbon Capture, Transport and Storage/ Utilization-CCTS/U). Z hlediska řešení celého řetězce CCTS/U je technicky i ekonomicky nejnáročnější řešení záchytu CO₂.

V současné době nejpokročilejšími metodami separace CO₂ jsou sorpční procesy. Některé z nich byly v návaznosti na různé technologické procesy dovedeny do komerční fáze (fyzikální absorpce methanolem nebo polyethylenglykolem, chemická absorpční vypírka CO₂ roztokem aminů), ostatní se zatím nacházejí ve stádiu výzkumu a vývoje.

Tradiční absorbenty na bázi monoehtanolaminu (MEA) jsou těkavé, degradují v oxidativním prostředí za přítomnosti dalších kysele reagujících plynů a jsou silně korozivní. Proto jsou postupně nahrazovány solventy se sféricky chráněnými aminy, terciárními aminy, kombinovanými aminy, solemi aminokyselin nebo amoniakem. Současně s řešením problematiky související s charakteristikami provozních látek jsou pro připravované energetické provozy se záchytem CO₂ navrhována opatření vedoucí k zlepšení účinnosti absorpce (mezichlazení absorbéru), k snížení spotřeby přehřáté páry při regeneraci absorbentu (komprese par solventu) a je uvažováno propojení tepelného hospodářství odsiřování a desorpce CO₂, a propojení tepelného hospodářství elektrárny a bloku záchytu CO₂.

Vhodnou alternativu k absorpčním procesům představuje adsorpce. Výhodou adsorpčních procesů je náhrada kapalných médií pevným sorpčním materiálem, takže dochází k eliminaci výše uvedených problémů. Při použití vhodného sorbentu lze také docílit úspory energie v regeneračním kroku procesu díky omezené přítomnosti vody v systému při tepelné desorpci plynem (TSA) nebo při využití podtlaku namísto zvýšení teploty (VSA).

Podstata technického řešení

Podstatou technického řešení, které je předmětem užitného vzoru, je návrh technologického zařízení pro separaci CO₂ ze spalin po spalování v energetických (příp. průmyslových) zařízeních s využitím kontinuálně pracujícího rotačního adsorbéru s tuhými adsorbenty.

Základní vymezení rozsahu technického řešení je dáno na vstupní straně přívodem spalin po standardním odsíření a na výstupní straně odvodem spalin zbavených CO₂ a výstupem CO₂ dočištěného a připraveného pro transport do lokality jeho uložení, případně dalšího využití. Pomocná chladící media jsou vzduch a voda.

Technické řešení zahrnuje technologii dočištění spalin, kde dochází k doodstranění oxidů síry SO_X a oxidů dusíku NO_X., dále vlastní jednotku separace CO₂ zahrnující rotační kolo, které je rozděleno na tři sekce. První sekce adsorpce, druhá sekce desorpce a třetí sekce chlazení. Na konec technologického řetězce je zařazena část dočištění a komprese CO₂. Výstup tvoří plyn o parametrech určených pro transport k místu uložení či dalšího využití. Schéma zařízení pro záchyt CO₂ je na obr. 1

-1 CZ 28872 Ul

Charakteristika základních bloků:

První částí technického řešení separace CO₂ ze spalin pomocí pevných sorbentů je chlazení a dočištění spalin. Zde jsou spaliny, přiváděné z odsiřovací jednotky, ochlazeny na zadanou teplotu a následně jsou pomocí nástřiku hydroxidu sodného NaOH₂ doodstraněny oxidy síry a oxidy dusíku. Takto upravené spaliny jsou pomocí spalinového ventilátoru zavedeny do částí samotné separace CO₂.

Technické řešení separace CO₂ je složeno z adsorpce, desorpce a chlazení a je založeno na principu rotačního kola s vrstvou sorbentů. Podstatou záchytu CO₂ je adsorpce CO₂ ze spalin pomocí uhlíkatých sorbentů.

V sekci adsorpce je CO₂ navázáno na povrchu sorbentů. Spaliny po průchodu sorbentem jsou zbaveny obsahu CO₂ a odváděny do atmosféry. V následné druhé sekci desorpce je adsorbovaný CO₂ termicky vytěsněn ze sorbentů. Děje se tak proudem desorpčního plynu (plyn bohatý na CO₂) ohřátého na potřebnou teplotu. Desorpění plyn, ohřívaný externí parou, předává sorbentů teplo. (V případě integrace zařízení záchytu CO₂ do elektrárny je externí pára přiváděna z parní turbíny energetického bloku). Pro dosažení příznivější ekonomie provozu zařízení pro záchyt CO₂, je zařazen předehřev desorpčního plynu odpadním teplem z vystupujícího chladicího vzduchu. Z okruhu uvolněného CO₂ je část plynu kontinuálně odváděna k zařízení pro dočištění plynu a jeho kompresi pro potřeby transportu.

Ohřátý uhlíkatý sorbent je po desorpci CO₂ v třetí sekci ochlazen protiproudně přiváděným vzduchem na provozní teplotu nutnou pro další adsorpci. Vzduch ze sekce chlazení vystupuje s vysokou teplotou. Jeho teplo je zčásti využito pro předehřev v desorpčním okruhu (rekuperace tepla). Zbylé nevyužité teplo odchází v použitém chladicím vzduchu do atmosféry. Celý sorpční proces probíhá kontinuálně otáčením rotačního kola.

V části dočištění desorbovaného plynu je využita tzv. metoda dvoustupňové mžikové destilace, která je plně dostačující pro čištění desorbovaného plynu na obvykle požadovanou úroveň 95 %. Při kompresi CO₂ (do tlaku až 11 MPa) je využit několikastupňový kompresor.

Objasnění výkresů

Na Obr. 1 je schéma zařízení pro sorpci CO₂ ze spalin po spalování pevných paliv. Na Obr. 2 je Blokové uspořádání elektrárenského bloku včetně separace CO₂.

Příklad uskutečnění technického řešení

Uskutečnění technického řešení je aktuální v elektrárenských provozech s energetickými bloky kategorizovanými jako velká a zvláště velká zařízení spalující pevná fosilní paliva. Klasický blok je tvořen parním kotlem spalujícím hnědé uhlí s podkritickými parametry páry, elektrostatickým odlučovačem popílku pro odloučení tuhých znečišťujících látek, s odsířením spalin (snížení koncentrace SO₂ pomocí mokré vápencové metody) a s parní odběrovou kondenzační turbínou. Technologie uvedeného energetického bloku splňuje emisní limity dle 415/2012 Sb. pro kategorií velké a zvláště velké spalovací zdroje. Systém separace CO₂ (t. j. zařízení pro separaci CO₂) je situován za systémem odsíření spalin. Blokové uspořádání celého elektrárenského bloku vč. zařízení pro separaci CO₂ je na obr. č. 2. Vlastní schéma do bloku integrovaného zařízení pro separací CO₂ vč. informativních parametrů procesuje na obr. 1.

Zařízení pro sorpci CO₂ ze spalin po spalování pevných paliv je tvořeno rotačním absorbérem se sorbentem 21, který je rozdělený na sekci adsorpce 21a, sekci desorpce 21b a na sekci chlazení 21c.

Vstupující spaliny i jsou kouřovodem vedeny do zařízení 20 pro dočištění spalin, kde jsou spaliny zchlazeny a pomocí NaOH doodstraněny oxidy síry SO_X a oxidy dusíku NO_X. Zchlazené spaliny jsou dále vedeny kouřovodem pomocí spalinového ventilátoru 2 přes výměník 24, ve kterém jsou spaliny ohřátý odpadním teplem chladícího vzduchu, do rotačního absorbéru 21_ určeného pro sorpci CO₂.

-2CZ 28872 Ul

Rotační absorbér je tvořen sekci adsorpce 21a, kde dochází k sorpci CO₂ obsaženého ve spalinách. CO₂ obsažený ve spalinách I je vázán na uhlíkatých sorbentech. Vyčištěný proud spalin je po průchodu sekcí adsorpce 21a veden kouřovodem 3 mimo technologii separace CO₂ do komína 29.

V následné sekci desorpce 21b rotačního absorbéru 21 je adsorbovaný CO₂ termicky vytěsněn z uhlíkatého sorbentu proudem desorpčního plynu 4, ohřátého ve výměníku 25 externí parou 8 na potřebnou teplotu. Externí pára je přiváděna ze stávající technologie výroby tepla a elektřiny (turbína, kotel). Vystupující desorpění plyn je veden přes výměník 26, kde je dohříván ohřátým chladícím vzduchem vystupující ze sekce chlazení 21c. Ohřátý desorpění plyn následně vstupuje do výměníku 25. Z okruhu desorpčního plynu je část CO₂ 5 kontinuálně potrubím odváděna k navazujícímu zařízení 22 pro dočištění a kompresi 23 CO₂.

Po desorpci v sekci 21b v rotačním absorbéru je ohřátý uhlíkatý sorbent ochlazen v sekci chlazení 21c přiváděným vzduchem 6. Vzduch 6 je přiváděn z vnějšího prostředí ventilátorem 28 do výměníku 27, kde je pomocí ohřátého vystupujícího chladícího vzduchu 7 vstupující vzduch ohříván na požadovanou teplotu. Ohřátý vzduch 7 vystupující ze sekce chlazení 21c rotačního absorbéru 21 předává své teplo ve výměníku 26 a 24 a je odváděn do atmosféry 30. Celý proces probíhá kontinuálně otáčením rotačního kola.

Zařízení pro záchyt CO₂ ze spalin na bázi pevných sorbentů je navrženo tak, aby bylo optimálně implementovatelné do stávajících energetických zařízení z hlediska dosažení co nejvyšší účinnosti záchytu CO₂ a zachování nejvyšší možné účinnosti celého energetického bloku.

Průmyslová využitelnost

Vyvinuté technické řešení záchytu CO₂ ze spalin, které je předmětem užitného vzoru, je možné přímo aplikovat na reálný energetický blok spalující fosilní paliva a tedy užitný vzor podstoupit do projektové části přípravy výstavby nového bloku, případně do přípravy ekologického retrofitu bloku provozovaného. Vyvinuté technické řešení systému záchytu CO₂ vychází z průmyslově zvládnutých technologických prvků.

Předností navrženého zařízení pro záchyt CO₂ je odstranění všech nebezpečných chemikálií z procesu záchytu CO₂. Proces probíhá pomocí fyzikální adsorpce.

Tento způsob záchytu CO₂ otvírá velký prostor pro další možnosti využití v průmyslu a to nejen pro energetické zdroje spalující fosilní paliva ale i v oblasti hutnictví, sklářství, petrochemie a dalších.

Hlavní přínos nového technického řešení z pohledu globálního oteplování je v možnosti jeho nasazení i pro menší jednotky a tím minimalizování vypouštěného CO₂ do atmosféry.

Claims (1)

1. Technologický systém pro záchyt CO₂ ze spalin vzniklých po spalování pevných fosilních paliv ve velkých a zvláště velkých spalovacích zdrojích na bázi pevných sorbentů, vyznačující se tím, že obsahuje zařízení (20) dočištění spalin (1) pro doodstranění oxidů síry a oxidů dusíků pomocí NaOH, tepelný výměník (24) pro ohřev spalin odpadním teplem před vstupem do adsorbéru, rotační adsorbér (21) rozdělený do tří sekcí a to adsorpční (21a), desorpění (21b) a chladící (21c), a určený pro separaci CO₂, zařízení (22) pro dočištění separovaného CO₂ a zařízení (23) pro kompresy CO₂.