CZ31287U1 - Nízkoemisní energetický systém tvořený integrovaným paroplynovým cyklem s precombustion záchytem CO2 - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká nízkoemisního energetického systému tvořeného technologií precombustion se sorpcí CO₂ na pevném sorbentů a integrovaným paroplynovým cyklem. Užitný vzor je z oblasti snižování plynných emisí z antropogenních zdrojů.

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 nebo využití CO₂ (Carbon Capture, Transport and Storage/Utilization, CCTS/U). Z hlediska ekonomické i technologické náročnosti je nej obtížnějším článkem řetězce CCTS/U část záchytu CO₂.

V rámci možností snižování CO₂ z velkých zdrojů jsou k dispozici následující technologie:

- Oxyíuel - je založeno na náhradě spalovacího vzduchu čistým kyslíkem v běžném spalovacím procesu. Výstupem jsou spaliny neobsahující dusík, čímž stoupne koncentrace CO₂ na 45 až 50 %. Druhou hlavní složkou je vodní pára v koncentraci cca 40 až 50 %. Spaliny procházejí běžným systémem čištění a vstupují do kondenzátoru, kde se odstraní vodní pára. Výstupem je 90 až 95 % CO₂.

- Postcombustion - Post-combustion CCS technologie je obecně reprezentována konvenčním spalovacím procesem se standardním čištěním spalin. Tento konvenční systém je doplněn technologií schopnou separovat CO₂ v nízké koncentraci z velkého objemu spalin. Typicky je tato separace zajištěna fyzikální nebo chemickou absorpcí pomocí vhodných rozpouštědel (např. amoniak nebo etanolaminy).

- Precombustion - je založena na separaci CO₂ z paliva ještě před jeho spalováním

Metoda pre-combustin je založena na separaci CO₂ z paliva ještě před jeho spalováním. K tomu je třeba uhlík obsažený v palivu nejprve zoxidovat. Při užití uhlí toho lze dosáhnout jeho zplynováním. Pro zmenšení objemu procesního plynu s vyšší koncentrací CO₂ je nezbytné pro zplynování uhlí ve zplynovacím generátoru použít kyslík. Získaný procesní plyn je nejprve nutné ve filtru zbavit mechanických částic popela. Dále je plyn veden do reformingu (shift reaktoru), kam se ještě přidává vodní pára, která se rozkládá na vodík a kyslík, kterým se oxiduje CO z plynu na CO₂. Následuje odsíření plynu a separace CO₂ pro následné ukládání. Výsledkem tohoto procesu je plyn bohatý na vodík (ideálně čistý vodík), který lze užít jako bezemisní palivo, které je dále energeticky využíváno.

Technologie pre-combustion nebyla dosud komerčně nasazena, ve světě existuje pouze několik neúplných pilotních jednotek laboratorního nebo poloprovozního měřítka. V literatuře je popsána celá řada možných řešení této technologie, která jsou si velmi podobná.

Z hlediska možného záchytu CO₂ ze syntézního plynuje možné využít sorpční procesy. Sorpční procesy jsou v současnosti nejpokročilejšími metodami separace CO₂ a 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 uvedené metody se nacházejí ve stádiu výzkumu a vývoje

Tradiční absorbenty na bázi monoehtanolaminu (MEA) jsou těkavé, degradují v oxidativním prostředí za přítomnosti dalších kysele reagujících plynů, degradací dochází ke ztrátě účinné

-1 CZ 31287 Ul složky a produkty degradace (tepelně stabilní soli) jsou silně korozivní. MEA je proto postupně nahrazován solventy se sftéricky chráněnými aminy, terciárními aminy, kombinovanými aminy, solemi aminokyselin nebo amoniakem. Snahy o řešení problematiky související s charakteristikami provozního média jsou paralelně doplňovány řešením snižování velké energetické náročnosti absorpce, a to především opatřeními vedoucími k zlepšení účinnosti absorpce (mezichlazení absorbéru), snížení spotřeby přehřáté páry při regeneraci absorbentu (komprese par solventu), 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 a při použití vhodného adsorbentu také k úspoře energie v regeneračním kroku 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 technologické zařízení pro separaci CO₂ před spalováním obsahující separaci CO₂ pomocí pevného sorbentu určeného pro průmyslové aplikace a paroplynového cyklu.

Charakteristika základních bloků technologického zařízení:

Základní vymezení rozsahu technického řešení je dáno na vstupní straně přípravou paliva a zařízením pro výrobu kyslíku a na výstupní straně odvodem CO₂ dočištěného a připraveného pro transport do lokality jeho uložení, případně dalšího využití. Dále odvodem spalin vzniklých po energetickém využití syntézního plynu bohatého na vodík v paroplynovém cyklu.

Technické řešení zařízení zahrnuje v první fázi vstupy, které jsou tvořeny jednak zařízením pro přípravu paliva, kde je upravena granulometrie paliva a také vlhkost paliva ve fluidní sušce, a zařízením pro výrobu kyslíku pro kterou je využita technologie kryogenní separace. Z přiváděného vzduchu je pomocí kryogenní separace vyroben kyslík a dusík. Následně je palivo zplyňováno spolu s kyslíkem v hořákovém zplyňovacím generátoru. Získaný procesní, syntézní plyn je veden do zařízení vysokoteplotního čištění spalin, kde je syntézní plyn zbaven kyselých složek pomocí dávkování oxidu vápenatého CaO. Dalším krokem je snížení teploty syntézního plynu pro odprášení, kde je plyn zbaven mechanických částic popela. Následně je syntézní plyn zbavených kyselých složek a mechanických nečistot veden do reformingu (shifit reaktoru). Do shift reaktoru je přidávána vodní pára, která se rozkládá na vodík a kyslík, kterým se oxiduje CO ze syntézního plynu na CO₂.

Vzniklý syntézní plyn je veden do zařízení pro separace CO₂. Separace CO₂ využívá vratné reakce oxidu vápenatého (CaO) s oxidem uhličitým (CO₂) za vzniku uhličitanu vápenatého (CaCO₃). Převažující směr reakce je dán tlakem a teplotou. Pokud je teplota při daném tlaku nižší než rovnovážná, je převažující reakcí karbonatace:

CaO + CO₂ —► CaCO₃

Pokud je teplota při daném tlaku vyšší než rovnovážná, je převažující reakcí kalcinace:

CaCO₃ CaO + CO₂

Technické řešení spočívá ve využití dvoureaktorového uspořádání. K záchytu (separaci) CO₂ je určen sorbent, který střídavě prochází oběma reaktory. Jako sorbent je použit vápenec - přírodní materiál skládající se převážně z CaCO₃ o zrnitosti 1 až 2 mm.

První reaktor, karbonátor, je sesuvného typu a je určen ke karbonataci sorbentu (CaO) za teploty 450 až 600 °C a tlaku 2 až 3,5 MPa. Druhý reaktor, kalcinátor, je fluidního typu s cirkulující fluidní vrstvou a je určen ke kalcinaci sorbentu za teploty 850 až 950 °C a atmosférického tlaku. Separovaný CO₂ je z kalcinátoru veden k dočištění a úpravě na parametry požadovaných dalším využitím, tedy 11 MPa a 50 °C.

-2CZ 31287 Ul

Syntézní plyn, zbavený velké části CO₂ a bohatý na vodík, je odvedený z karbonátoru a veden spolu s dusíkem, vzniklým při výrobě kyslíku, do paroplynového zařízení určené k energetickému využití vzniklého plynu. Paroplynové zařízení je tvořeno spalovací turbínou spalující syntézní plyn bohatý na vodík, spalinovým kotlem a parní turbínou.

Objasnění výkresů

Na Obr. 1 je schéma celého energetického bloku. Na Obr. 2 je blokové uspořádání celého technologického řetězce.

Příklad uskutečnění technického řešení

Uskutečnění technického řešení je energetický blok využívající hnědého uhlí o vysokém obsahu vody a popela se separaci CO₂ pomocí pevných sorbentů a paroplynovým cyklem.

Technické řešení je tvořeno přívodem 1 paliva, zařízením 2 pro úpravu paliva, kde se surové palivo v prvním stupni 3 zařízení nadrtí, následně ve fluidní sušce 4 vysuší na požadovanou koncentraci vody a v posledním stupni 5 zařízení následně rozemele na požadovanou granulometrii vyžadovanou hořákovým zplyňováním. Uhlí se suší externím přívodem páry 29. Pro zplyňování je nutné dodat okysliěovadlo, v tomto případě kyslík. Kyslík je vyráběn ze vzduchu 6 v zařízení 7 využívající principu kryogenní separace kyslíku ze vzduchu, odpadní dusík je pak dále využíván technologií, předně jako nosný plyn do plynové turbíny v energetickém využití a jako inert pro dopravu paliva z hlediska bezpečnosti provozu.

Po zařízení 2 pro úpravu paliva je palivo pod dusíkem dopravováno do zplyňovacího generátoru 8. Jako okysliěovadlo je použit 95% kyslík. Ze zplyňovacího generátoru je odváděna struska 31. Vzniklý syntézní plyn o vysoké teplotě je dále veden do zařízení 9 vysokoteplotního tlakového odsíření. Odsíření plynuje realizováno adsorpcí sloučenin síry na CaO/CaCO₃, při čemž vzniká jako konečný produkt síran vápenatý, odpadní produkt je odváděn do deponie 17. Po výstupu ze zařízení 9 vysokoteplotního tlakového odsíření prochází plyn výměníkem 10 tepla, kde je jeho teplota snížena na požadovanou teplotu dalším technologickým zařízením il určeným pro odprášení syntézního plynu. Odprášení plynu je zajištěno soustavou keramických trubic. Separované mechanické nečistoty jsou vedeny na deponii 17. Po odprášení je syntézní plyn veden do reaktoru (katalytického shift reaktoru) 12, do kterého je přidávána vodní pára, se kterou reaguje CO ze syntézního plynu na CO₂ a vodík. Výstupem je plyn složený z velké části CO₂ a H₂. Ochlazený plyn je veden přes výměník 10 tepla, v kterém se syntézní plyn ohřívá pomocí syntézního plynu vystupujícího ze zařízení 9 pro vysokoteplotní tlakové odsíření. Ohřátý syntézní plyn je veden do zařízení 13 pro separaci CO₂, které je v první fázi tvořena tzv. karbonátorem 14, kde při teplotě 450 až 600 °C probíhá reakce mezi CaO a CO₂. Z karbonátoru vystupují syntézní plyn bohatý na vodík a pevný vápenec CaCO₃. Vápenec je dopravován do tepelného výměníku 15, kde je ohříván na vyšší teplotu. Ohřátý vápenec CaCO₃ je dopravován do tzv. kalcinátoru 16, kde při teplotě 850 až 950 °C je CaCO₃ rozložen na CaO a CO₂. CaO se vrací přes výměník 15, kde předává teplo CaCO₃ do karbonátoru 14. Po absolvování určitého počtu cyklů se vápenec odvádí na deponii (sklad) 17. Čerstvý vápenec 18 je doplňován do kalcinátoru 16. Separovaný CO₂ je následně z kalcinátoru 16 veden do systému 19 dočištění a úpravy CO₂. Systém 19 úpravy CO₂ zahrnuje zchlazení CO₂ ve výměníku 20 tepla, kompresi CO₂ v soustavě kompresoru 21, kde dochází k úpravě CO₂ na požadované parametry dané dalším využitím. Čistý CO₂ je dále odváděn výstupem 22 pro další využití.

Syntézní plyn bohatý na vodík vystupující z karbonátoru 14 je veden přes zařízení 23 určené k odprášení syntézního plynu, kde dochází k odloučení CaO a CaCO₃, který jsou odváděny na deponii 17, do spalovací turbíny 24. Před vstupem do turbíny je do syntézního plynu přidáván dusík jako expanzní médium. Dále je do turbíny dodávána voda nutná pro regulaci teploty. Spaliny vzniklé spálením uvedeného plynu jsou vedeny do kotle 25 na odpadní teplo, kde horké spaliny předávají teplo napájecí vodě 33. Vyrobená páraje vedena do odběrové kondenzační turbíny 26. Z odběrové kondenzační turbíny 26 jsou vedeny jednotlivé odběry páry určené pro sušení uhlí ve fluidní sušce 4 a zařízení 7 pro výrobu O₂. V odběrové parní turbíně se dále využívá pára vzniklá v technologii separace CO₂. Po průchodu kotlem 25 na odpadní teplo jsou spaliny vedeny

-3CZ 31287 Ul do komína 27. Uvedené uspořádání využití syntézního plynu bohatého na vodík je plně optimalizované a dochází jednat k výrobě elektrické energie, ale také k výrobě tepla potřebného pro jednotlivé technologické zařízení. V technologii je využívaná ke chlazení chladící voda 28, pára 29, je odváděn kondenzát 30 a ze systému čištění CO₂19 i odpadní plyny 32.

Celý energetický blok je navržen optimálně a s ohledem na to, aby jej bylo možné potencionálně navrhnout pro nízkoemisní energetické využití pevných fosilních paliv.

Průmyslová využitelnost

Vyvinuté technické řešení záchytu CO₂, které je předmětem užitného vzoru, je možné přímo aplikovat jako technologii pro nízkoemisní energetické využití paliva obsahujícího větší koncentrace vody a popela. Vyvinuté technické řešení záchytu CO vychází z průmyslově zvládnutých technologických prvku.

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

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

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Nízkoemisní energetický systém tvořený integrovaným paroplynovým cyklem sprecombustion záchytem CO₂, vyznačující se tím, že obsahuje zařízení (2) pro úpravu paliva, na které navazuje zplyňovací generátor (8), do kterého je dopravován kyslík ze zařízení (7) kryogenní separaci kyslíku ze vzduchu, přičemž dále obsahuje zařízení (9) vysokoteplotního tlakového odsíření, na které navazuje výměník (10) tepla pro snížení teploty syntézního plynu, dále zařízení (11) pro odprášení syntézního plynu a reaktor (12), přičemž k reaktoru (12) je přes výměník (10) tepla připojeno zařízení (13) pro separaci CO₂, tvořené karbonátorem (14) a kalcinátorem (16), následuje systém (19) pro dočištění a úpravu CO₂, opatřený výměníkem (20) tepla pro zchlazení CO₂ a kompresorem (21) pro kompresi CO₂, na karbonátor (14) navazuje zařízení (23) určené k odprášení syntézního plynu, přičemž dále obsahuje spalovací turbínu (24), kotel (25) na odpadní teplo a parní odběrovou kondenzační turbínu (26).