ES2582829T3 - Integración térmica para separación criogénica de CO2 - Google Patents

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Abstract

Un sistema de tratamiento de gas de chimenea para retirar o eliminar CO2 de una corriente de gas de chimenea, que comprende un compresor (144, 244) de gas de chimenea, al menos un secador de adsorción (162, 262) de gas de chimenea aguas abajo del compresor (144, 244) de gas de chimenea, un sistema de refrigeración adecuado para condensación de dióxido de carbono (CO2), en una corriente de gas de chimenea, comprendiendo dicho sistema un circuito de refrigeración (151, 251) que contiene un refrigerante, en el que dicho circuito de refrigeración comprende: un compresor (152, 252) de refrigerante de múltiples etapas, un condensador (153, 253) de refrigerante aguas abajo del compresor (152, 252) de refrigerante de múltiples etapas, un enfriador (180, 280) de refrigerante aguas abajo del compresor (153, 253) de refrigerante, un enfriador (160, 260) de gas de chimenea, al menos un condensador (170, 270) que tiene un fluido de enfriamiento para el gas de chimenea que es suministrado al enfriador (180, 280) de refrigerante y es suministrado al compresor (152, 252) de refrigerante de múltiples etapas, estando al menos el condensador (170, 270) aguas abajo del secador de adsorción (162, 262), y una columna de destilación (171, 271) adecuada para permitir destilación suministrada con el gas de chimenea enfriado por el enfriador (160, 260) de gas de chimenea y al menos un condensador (170, 270); teniendo la columna de destilación (171, 271) un equipo de transferencia calorífica (184, 284) adecuado para vaporizar una parte del dióxido de carbono para generar la corriente de gas requerida para la columna de destilación (171, 271), siendo proporcionado el calor al equipo de transferencia calorífica por el refrigerante enfriando el refrigerante en el enfriador de refrigerante por contacto indirecto con el CO2 líquido purificado procedente de la columna de destilación, en el que el enfriador de gas de chimenea está dispuesto entre el compresor de gas de chimenea y el secador de adsorción de gas de chimenea y el secador de adsorción de gas de chimenea y al menos un condensador están dispuestos en serie aguas arriba de la columna de destilación, caracterizado por que dicho sistema comprende un primer condensador (164, 264) que está dispuesto en serie aguas arriba del condensador (170, 270) y aguas abajo del secador de adsorción (162, 262) de gas de combustión, en el que el primer condensador (164, 264) es suministrado con un refrigerante procedente del enfriador (180, 280) de refrigerante y suministra el refrigerante al compresor (152, 252) de refrigerante de múltiples etapas, el enfriador (160, 260) de gas de chimenea tiene un fluido de enfriamiento para el gas de chimenea que es suministrado desde el enfriador de refrigerante (180, 280) y es suministrado al compresor (152, 252) de refrigerante de múltiples etapas, el enfriador (160, 260) de gas de chimenea comprende una válvula de expansión adecuada para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado, y un intercambiador de calor, en el que el refrigerante es adecuado para ser expandido a una presión P1 y el refrigerante en ebullición es adecuado para ser utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea, el primer condensador (164, 264) comprende una válvula de expansión, adecuada para reducir le presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado y un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado es adecuado para ser expandido a una presión P2 inferior que P1 y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea, el condensador (170, 270) comprende una válvula de expansión adecuada para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado y un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado es adecuado para ser expandido a una presión P3 inferior que P2 y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea.

Description

imagen1
DESCRIPCIÓN
Integración térmica para separación criogénica de CO2
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un método y a un sistema para separar CO2 de una corriente de gas de chimenea rica 5 en CO2 mediante refrigeración de la corriente de gas de chimenea para condensar el CO2 presente en ella.
ANTECEDENTES
En la combustión de un combustible, tal como carbón, petróleo, turba, residuos, etc., en una instalación de combustión, tal como una central térmica, se genera un gas de proceso caliente, conteniendo tal gas de proceso, entre otros componentes, dióxido de carbono CO2. Con demandas medioambientales crecientes se han desarrollado distintos
10 procesos para retirar dióxido de carbono del gas de proceso.
La captura de CO2 a menudo comprende enfriamiento, o compresión y enfriamiento, del gas de chimenea para condensar CO2 en forma líquida o sólida y separarle de los componentes de gas de chimenea no condensables, tales como N2 y O2. Antes de capturar el CO2, es generalmente necesario limpiar el gas de chimenea rico en dióxido de carbono. La operación de limpieza de gas puede incluir en general la retirada de polvo, compuestos de azufre, metales,
15 óxido de nitrógeno, etc.
El enfriamiento de los gases de chimenea a su temperatura de condensación puede ser conseguido por distintos medios, por ejemplo, utilizando un refrigerante externo adecuado. Los sistemas de captura de CO2 que utilizan un refrigerante externo pueden ser caros, tanto en términos de costes de inversión como en términos de costes operativos. Como una alternativa, a menudo se utilizan sistemas de auto-refrigeración, en los que el gas de chimenea rico en CO2 es
20 comprimido, enfriado y expandido para conseguir la condensación del CO2.
En estos sistemas el producto de CO2 líquido es utilizado como un medio de refrigeración para el gas de chimenea rico en CO2. Debido a las aproximaciones de temperatura ajustadas y al intercambio de calor simultáneo entre la condensación y los diferentes medios de evaporación en estos sistemas, la condensación de CO2 es realizada generalmente utilizando intercambiadores de calor de aluminio soldado. Además de ser caro, el aluminio es sensible al 25 ensuciamiento por muchos de los componentes de traza contenidos en los gases de chimenea a partir de la combustión de combustibles fósiles como mercurio y sustancias en partículas. Los sistemas de auto-refrigeración por lo tanto requieren generalmente esfuerzos prolongados para retirar los componentes dañinos en el gas de chimenea aguas arriba de la operación de condensación de CO2, tal como filtros de partículas, adsorbentes de mercurio y separadores de SOx/NOx. Por lo tanto existe una demanda en los sistemas y método para hacer el equipo disponible en el método para
30 la retirada de dióxido de carbono.
El documento EP 1 319 911 A1 describe un sistema de acuerdo con la parte de caracterización previa de la reivindicación 1.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
Un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema y un método para la retirada de dióxido de carbono de
35 una corriente de gas de chimenea, por ejemplo generada en una caldera que quema un combustible en presencia de un gas que contiene oxígeno, aliviando el sistema y método al menos uno de los problemas mencionados anteriormente.
Los sistemas de tratamiento de gas de chimenea y los métodos para la retirada de CO2 de la corriente de gas de chimenea de acuerdo con distintos aspectos descritos aquí permiten una separación de CO2 más rentable utilizando diseños y materiales de intercambiador de calor simples y robustos.
40 De acuerdo con aspectos ilustrados aquí, se ha proporcionado un sistema de refrigeración para condensación de dióxido de carbono (CO2) en una corriente de gas de chimenea, comprendiendo dicho sistema
un compresor de gas de chimenea,
al menos un secador de adsorción de gas de chimenea,
un sistema de refrigeración para condensación de dióxido de carbono (CO2), en una corriente de gas de 45 chimenea, comprendiendo dicho sistema un circuito de refrigeración que contiene un refrigerante, comprendiendo dicho circuito de refrigeración;
un compresor refrigerante de múltiples etapas,
un condensador refrigerante,
un enfriador refrigerante, un enfriador de gas de chimenea,
imagen2
al menos un condensador,
y
una columna de destilación que permite la destilación;
5 en el que el refrigerador de gas de chimenea está dispuesto entre el compresor de gas de chimenea y el secador de adsorción de gas de chimenea y el secador de adsorción de gas de chimenea y al menos un condensador están dispuestos en serie aguas arriba de la columna de destilación.
De acuerdo con algunas realizaciones, el sistema de tratamiento de gas de chimenea comprende además otro condensador, estando dispuesto en serie, el primer condensador, aguas arriba del condensador.
10 Disponiendo dos o más condenadores en serie, que tienen separadores de gas/líquido situados entre ellos, se puede optimizar la eficiencia de consumo de energía cuando el enfriamiento puede ser realizado paso a paso, en vez de en un solo paso.
De acuerdo con las realizaciones, el sistema de tratamiento de gas de chimenea que comprende además un intercambiador de calor configurado para enfriar al menos una parte del refrigerante condensado utilizando el gas de 15 chimenea empobrecido en CO2 del segundo condensador de CO2.
De acuerdo con algunas realizaciones, el sistema de tratamiento de gas de chimenea comprende además
un primer intercambiador de calor configurado para enfriar al menos una parte del refrigerante condensado utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente de la columna de destilación,
un segundo intercambiador de calor configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 20 procedente del primer enfriador de refrigerante utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor de gas de chimenea;
un primer dispositivo de expansión del gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 comprimido recalentado procedente del primer intercambiador de calor,
un tercer intercambiador de calor configurado para enfriar además el refrigerante condensado del primer 25 enfriador de refrigerante utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del dispositivo de expansión del gas de chimenea,
un cuarto intercambiador de calor configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del segundo intercambiador de calor utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor de gas de chimenea,
30 un segundo dispositivo de expansión del gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 comprimido recalentado procedente del segundo intercambiador de calor, y
opcionalmente, un quinto intercambiador de calor configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del tercer intercambiador.
De acuerdo con algunas realizaciones, el sistema de tratamiento de gas de chimenea comprende además
35 un primer intercambiador de calor configurado para enfriar al menos una parte del refrigerante condensado utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente de la columna de destilación,
un segundo intercambiador de calor configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del primer intercambiador utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor de gas de chimenea,
40 un primer dispositivo de expansión del gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del segundo intercambiador de calor,
un tercer intercambiador de calor configurado para enfriar además el refrigerante condensado del primer intercambiador de calor utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del dispositivo de expansión del gas de chimenea;
45 un segundo dispositivo de expansión del gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea de empobrecido en CO2 comprimido recalentado procedente del segundo intercambiador de calor, y
un cuarto intercambiador de calor configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 3
imagen3
procedente del tercer intercambiador.
De acuerdo con algunas realizaciones, el sistema de tratamiento de gas de chimenea comprende además una unidad de reducción catalítica selectiva (SCR) para la retirada de óxidos de nitrógeno (NOx) procedentes de la corriente de gas de chimenea, dispuesta aguas abajo del secador de adsorción de gas de chimenea, con referencia a la dirección de flujo
5 general de la corriente de gas de chimenea empobrecido en CO2.
De acuerdo con aspectos ilustrados aquí, se ha proporcionado un método para condensación de dióxido de carbono (CO2) en una corriente de gas de chimenea que utiliza una corriente de circulación de un refrigerante externo, comprendiendo dicho método
a) compresión y condensación al menos parcial de refrigerante externo para obtener refrigerante externo 10 condensado,
b) condensación de CO2 en la corriente de gas de chimenea mediante refrigeración de la corriente de gas de chimenea a través de evaporación al menos parcial de refrigerante externo condensado obtenido en la operación a),
c) separación mediante destilación del CO2 condensado procedente de la corriente de gas de chimenea, y
d) enfriamiento del refrigerante externo condensado para utilizar en la refrigeración de la operación b) utilizando 15 el CO2 condensado separado en la operación c).
De acuerdo con algunos métodos, dicho refrigerante externo es propano o propileno.
De acuerdo con algunos métodos, dicho refrigerante externo es amoníaco. Las características descritas anteriormente y otras están ejemplificadas por las siguientes figuras y por la descripción detallada. Objetos y características adicionales de la presente invención resultarán evidentes a partir de la descripción.
20 BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Con referencia ahora a las figuras, que son realizaciones ejemplares:
La fig. 1 representa esquemáticamente una realización de un sistema de separación de CO2.
La fig. 2 representa esquemáticamente una realización de un sistema de separación de CO2.
La fig. 3 representa esquemáticamente una realización de un sistema de separación de CO2.
25 DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERIDAS
Las presiones están aquí en unidad “bar”, e indican presiones absolutas a menos que se indique de otra manera.
Los términos “indirecto” o “indirectamente” son utilizados aquí en conexión con el intercambio de calor entre dos fluidos, tal como calentamiento, refrigeración o enfriamiento, indican que el intercambio de calor ocurre sin mezclar los dos fluidos juntos. Tal intercambio de calor indirecto puede por ejemplo ser realizado en un intercambiador de calor de
30 contacto indirecto, en el que las corrientes de fluido permanecen separadas y el calor se transfiere continuamente a través de una pared divisoria impermeable.
El sistema de refrigeración o sistema de tratamiento de gas de chimenea de los distintos aspectos descritos aquí puede por ejemplo ser implementado en una instalación de combustión, tal como un sistema de caldera con quema de combustibles fósiles. Las aplicaciones del sistema y método, no están limitadas, típicamente son útiles para todas las
35 corrientes de gas que tienen una concentración de CO2 aumentada, por ejemplo una concentración de CO2 por encima del 50%.
Típicamente, el gas de chimenea que deja un sistema de caldera de oxi-combustión de combustibles fósiles contendrá el 50-80% por volumen de dióxido de carbono. El equilibrio del “gas de chimenea rico en dióxido de carbono” será aproximadamente el 15-40% por volumen de vapor de agua (H2O), 2-7% por volumen de oxígeno (O2), ya que un ligero
40 exceso de oxígeno es a menudo preferido en la caldera, y de forma total aproximadamente el 0-10% por volumen de otros gases, incluyendo principalmente nitrógeno (N2) y argón (Ar), ya que rara vez puede evitarse completamente alguna fuga de aire.
El gas de chimenea rico en dióxido de carbono generado en un sistema de caldera de oxi-combustión de combustibles fósiles puede comprender típicamente contaminantes en la forma de, por ejemplo, partículas de polvo, ácido clorhídrico,
45 HCl, óxidos nitrosos, NOx, óxidos de azufre, SOx, y metales pesados, incluyendo mercurio, Hg.
La separación de CO2 en las realizaciones descritas aquí es conseguida por medio de compresión del gas de chimenea y condensación por refrigeración. La fig.1 ilustra esquemáticamente un sistema de separación de CO2 para condensación de dióxido de carbono (CO2) en una corriente de gas de chimenea. El sistema de separación de CO2 de la fig. 1 puede ser implementado en cualquier sistema de caldera de oxi-combustión de combustibles fósiles. El sistema 10 de separación de CO2 comprende un conducto 55 de gas de chimenea operativo para reenviar el gas de chimenea desde una caldera a un apilamiento, opcionalmente a través de una o más unidades de tratamiento de gas de chimenea, tales como un dispositivo de retirada de polvo, un sistema de retirada de dióxido de azufre, y un condensador de gas de
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5 chimenea.
El sistema 10 de separación de CO2 puede comprender opcionalmente al menos un compresor 44 que tiene al menos una, y típicamente de dos a diez etapas de compresión para comprimir el gas de chimenea rico en dióxido de carbono. El compresor de gas de chimenea es operativo para comprimir el gas de chimenea a una presión a la que el CO2 gaseoso es convertido a forma líquida cuando la temperatura del gas de chimenea es reducida en al menos un condensador 70 10 de CO2, por ejemplo en dos condensadores 64, 70 de CO2. El gas de chimenea rico en dióxido de carbono es comprimido generalmente a una presión de aproximadamente 20 bar o superior, tal como aproximadamente 33 bar, en el compresor de múltiples etapas. Cada etapa de compresión podría estar dispuesta como una unidad separada. Como una alternativa varias etapas de compresión podrían ser operadas por un árbol de accionamiento común. El compresor 44 también puede comprender una unidad de enfriamiento intermedia (no mostrada), aguas abajo de una o más de las
15 etapas de compresión. La unidad de enfriamiento intermedia puede además estar configurada para recoger y desechar cualquier condensado líquido formado durante la compresión y/o el enfriamiento del gas de chimenea rico en dióxido de carbono.
El sistema 10 de separación de CO2 comprende un sistema de refrigeración 50 que tiene un circuito de refrigeración 51 que contiene refrigerante en forma líquida y/o vapor. Un número de refrigerantes diferentes pueden ser utilizados para
20 suministrar las funciones de enfriamiento y condensación requeridas para condensación de CO2 en el sistema de refrigeración. Ejemplos de refrigerantes que pueden ser utilizados incluyen propano (R290) y propileno (R1270) y mezclas de los mismos. Otra opción es amoníaco. También se pueden utilizar si se desea otros refrigerantes que tengan las propiedades termodinámicas y químicas deseadas.
El circuito de refrigeración 51 comprende un compresor 52 de refrigerante de múltiples etapas configurado para
25 comprimir el refrigerante a una presión predeterminada. El compresor 52 de múltiples etapas puede por ejemplo tener tres o más etapas de compresión, cada etapa de compresión configurada para comprimir el refrigerante a un cierto nivel de presión. El compresor 52 de múltiples etapas puede estar provisto con un enfriamiento intermedio entre dos o más de las etapas de compresión. Refrigerante gaseoso, frío es comprimido desde una baja presión dentro del compresor 52 de múltiples etapas a una presión P0, por ejemplo en el intervalo de aproximadamente 8 a 25 bar (dependiendo del
30 refrigerante y de la temperatura media de condensación), y dirigido hacia el condensador 53 de refrigerante. El refrigerante de alta presión es entonces condensado sustancialmente dentro del condensador 53 de refrigerante que puede ser enfriado por agua, aire forzado o similar.
El refrigerante condensado es distribuido a un enfriador 60 de gas de chimenea, a un primer condensador 64 de CO2 y a un segundo condensador 70 de CO2, donde es utilizado para enfriar el gas de chimenea que contiene CO2.
35 El enfriador 60 de gas de chimenea comprende un dispositivo de dosificación, por ejemplo una válvula de expansión (no mostrada), para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado. El enfriador de gas de chimenea comprende además un intercambiador de calor, en el que el refrigerante es expandido a una presión P1, por ejemplo aproximadamente 5 bar, y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar directamente la corriente de gas de chimenea a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 10-20 ºC. El agua que se precipita desde el gas de
40 chimenea durante el enfriamiento en el enfriador de gas de chimenea es separado de la corriente de gas de chimenea y retirado a través de la tubería 61. El gas de chimenea enfriado empobrecido en vapor de agua procedente del enfriador de gas de chimenea es entonces reenvido al primer condensador 64 de CO2, opcionalmente a través de un secador de adsorción (no mostrado).
El primer condensador 64 de CO2 comprende un dispositivo de dosificación, por ejemplo una válvula de expansión (no
45 mostrada), para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado. El primer condensador 64 de CO2 comprende además un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado es expandido a una presión P2 (˂P1), por ejemplo de aproximadamente 2,7 bar, y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea a una temperatura de aproximadamente -20 ºC, haciendo que al menos una parte del CO2 procedente del gas de chimenea se condense. El primer condensador 64 de CO2 comprende además un primer
50 separador 65 de gas/líquido. El separador 65 de gas/líquido separa CO2 condensado en forma líquida del gas de chimenea empobrecido en CO2 parcialmente residual (gas de ventilación). El CO2 licuado deja el separador 65 de gas/líquido a través de la tubería 66 y es bombeado a un tambor de producto de CO2 por la bomba 67 de producto de CO2. El gas de ventilación deja el separador 65 de gas/líquido a través de la tubería 68.
El gas de ventilación parcialmente empobrecido en CO2 es reenviado a través de la tubería 68 al segundo condensador
55 70 de CO2. El segundo condensador 70 de CO2 comprende un dispositivo de dosificación, por ejemplo una válvula de expansión (no mostrada), para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado. El segundo condensador 70 de CO2 comprende además un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado es expandido a una presión P3 (˂P2), por ejemplo presión atmosférica (aproximadamente 1 bar), y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea a una temperatura de aproximadamente -42 ºC, haciendo que al menos una parte del CO2 procedente del gas de chimenea se condense. La temperatura de refrigeración está limitada por la temperatura mínima que se puede alcanzar del refrigerante. Para propileno o propano, este límite de temperatura sería aproximadamente -45 ºC a un nivel de presión ambiente.
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La corriente de gas de chimenea parcialmente condensado procedente del segundo condensador 70 de CO2 es
5 reenviada a una columna de destilación 71 para purificación por destilación del líquido. La corriente es alimentada a la columna en la parte superior y la parte líquida sirve como el reflujo requerido. De este modo, la columna de destilación no requiere ningún sistema de condensación auxiliar para generación de reflujo. Consecuentemente, el coste de inversión total del sistema es minimizado. El CO2 licuado discurre hacia abajo de la columna de destilación y es contactado intensamente con el gas que fluye hacia arriba. Este contacto es la extracción (destilación) de impurezas de traza del
10 CO2 líquido y así la concentración del CO2 es aumentada. El CO2 purificado deja la columna de destilación 71 a través de la tubería 72 a un equipo de transferencia calorífica 84 de columna de destilación. En el equipo de transferencia calorífica una parte del CO2 es vaporizada para generar la corriente de gas requerida para la columna. El calor es proporcionado sub-enfriando una parte del refrigerante.
El líquido restante puede ser extraído bien desde el sumidero de columna o bien, como se ha mostrado, desde el equipo
15 de transferencia calorífica y subsiguientemente, es bombeado a un tambor de producto de CO2 por la bomba 86 de CO2, a través de otro intercambiador de calor 85 donde el refrigerante es enfriado a aproximadamente 1-5 ºC, por ejemplo 3-4 ºC. Desde el tambor el producto de CO2 es elevado de presión por la bomba 88 de producto de CO2 al nivel requerido para otro tratamiento.
El sistema de refrigeración 50 comprende además un enfriador de refrigerante 80. El enfriador de refrigerante 80
20 comprende un intercambiador de calor configurado para enfriar refrigerante por contacto indirecto con CO2 líquido purificado frío procedente de la columna de destilación 71.
La temperatura del CO2 condensado procedente del primer y segundo condensadores 64, 70 de CO2 puede por lo general ser de aproximadamente -20 ºC y -42 ºC respectivamente. La temperatura del refrigerante puede ser reducida desde el intervalo de aproximadamente 15-30 ºC a aproximadamente 1 ºC en el enfriador de refrigerante 80.
25 El refrigerante evaporado procedente del enfriador 60 de gas de chimenea, del primer condensador 64 de CO2 y del segundo condensador 70 de CO2 es devuelto al compresor 52 de múltiples etapas para una nueva compresión y, después de condensación, utilizado para un enfriamiento adicional de la corriente de gas de chimenea. El refrigerante evaporado procedente del enfriador 60 de gas de chimenea a una presión P1, por ejemplo de aproximadamente 5 bar, es reenviado a una primera etapa de compresión 52’ del compresor 52 de múltiples etapas adecuado para recibir
30 refrigerante a una prensión de P1. El refrigerante evaporado procedente del primer condensador 64 de CO2 a una presión P2, por ejemplo de aproximadamente 2,7 bar, es reenviado, opcionalmente a través de un tambor 56 de succión de compresor de refrigerante, a una segunda etapa de compresión 52’’ del compresor 52 de múltiples etapas adecuado para recibir refrigerante a una presión de P2. El refrigerante evaporado procedente del segundo condensador 70 de CO2 a una presión P3, por ejemplo de aproximadamente 1 bar, es reenviado, opcionalmente a través de un tambor 57 de
35 succión de compresor de refrigerante, a una tercera etapa de compresión 52’’’ del compresor 52 de múltiples etapas adecuado para recibir refrigerante a una presión de P3. Las corrientes de refrigerante evaporado son entonces comprimidas de nuevo a presión P0 y reutilizadas en el circuito de refrigeración.
El producto de CO2 líquido procedente del enfriador de refrigerante 80 puede ser recogido en un tambor 87 de producto de CO2 y puede entonces ser bombeado por la bomba 88 de producto de CO2 a un nivel de presión adecuado para
40 transporte u otro tratamiento. Si la presión fuera aumentada a este nivel en una única operación en la bomba de producto de CO2, la bomba introduciría demasiado calor en la corriente de producto de CO2 y de este modo reduciría la función disponible para el enfriamiento del refrigerante en el enfriador de refrigerante y/o en el enfriador o enfriadores de refrigerante auxiliares.
La fig. 2 representa esquemáticamente una realización de un sistema de separación de CO2 integrado en un sistema de
45 tratamiento de gas de chimenea para retirar CO2 de una corriente de gas de chimenea, por ejemplo una corriente de gas de chimenea generada por una caldera que quema un combustible en presencia de un gas que contiene oxígeno.
El sistema 110 de separación de CO2 comprende al menos un compresor 144 que tiene al menos una, y típicamente de dos a diez etapas de compresión para comprimir el gas de chimenea rico en dióxido de carbono. El compresor 144 de gas de chimenea es operativo para comprimir el gas de chimenea a una presión a la que el CO2 gaseoso es convertido a 50 forma líquida cuando la temperatura del gas de chimenea es reducida en los condensadores 164, 170 de CO2. El gas de chimenea rico en dióxido de carbono es generalmente comprimido a una presión de aproximadamente 20 bar o superior, tal como aproximadamente 33 bar, en el compresor de múltiples etapas. Cada etapa de compresión podría estar dispuesta como una unidad separada. Como una alternativa varias etapas de compresión podrían ser operadas por un árbol de accionamiento común. El compresor 144 también puede comprender una unidad de enfriamiento intermedia (no
55 mostrada), aguas abajo de una o más de las etapas de compresión. La unidad de enfriamiento intermedia puede además estar configurada para recoger y desechar cualquier condensado líquido formado durante la compresión y/o enfriamiento del gas de chimenea rico en dióxido de carbono.
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El agua residual puede causar la formación de hielo en los intercambiadores de calor de los condensadores de CO2, dando como resultado eventualmente problemas con capacidad de enfriamiento reducida y obstrucción de los intercambiadores de calor. Previendo un secador de adsorción aguas arriba de los condensadores de CO2, tales problemas son evitados, o al menos minimizados. Así, el sistema 110 de separación de CO2 puede comprender además 5 un secador de adsorción 162 operativo para retirar al menos una parte del vapor de agua que permanece en la corriente de gas de chimenea rico en CO2. El secador de adsorción 162 está provisto con un paquete que comprende un adsorbente de vapor de agua, también denominado como un desecante, que tiene afinidad por el vapor de agua. El desecante puede, por ejemplo, ser gel de sílice, sulfato de calcio, cloruro de calcio, arcilla de montmorillonita, tamices moleculares, u otro material que es, como tal, conocido por su utilización como un desecante. Por consiguiente, cuando 10 el gas de chimenea rico en dióxido de carbono comprimido y enfriado pasa a través del paquete, al menos una parte del contenido de vapor de agua del gas será adsorbida en el desecante del paquete. Como el vapor de agua en el gas de chimenea podría bloquear los intercambiadores de calor de los condensadores de CO2, el punto de rocío o condensación del agua del gas de chimenea es reducido a aproximadamente -60 ºC en el secador de adsorción. El material secador puede ser seleccionado preferiblemente de tal manera que puede resistir eventualmente la formación de ácidos. Esto
15 permite omitir operaciones adicionales para la retirada de compuestos de SOx y NOx que podrían de otra manera dañar la integridad del adsorbente.
El secador de adsorción 162 puede estar provisto con un sistema de regeneración y calentamiento para regeneración intermitente de la capacidad de adsorción de vapor de agua del secador de adsorción. Un conducto de suministro 190 está previsto para suministrar un gas de regeneración al sistema. El gas de regeneración es preferiblemente un gas 20 inerte que no reacciona con el paquete del secador de adsorción. Ejemplos de gases adecuados incluyen nitrógeno u otro gas inerte que, preferiblemente, contiene una baja cantidad de mercurio y de vapor de agua. Preferiblemente, gas de ventilación que comprende usualmente nitrógeno como uno de sus constituyentes principales, separado del dióxido de carbono en el sistema 110 de separación de CO2 es utilizado como gas de regeneración. El sistema de regeneración comprende un calentador 191 que está adaptado para calentar el gas de regeneración. Un circuito de calentamiento está
25 conectado al calentador para hacer circular un medio de calentamiento, tal como vapor, en el calentador. Para regeneración del material del paquete del secador de adsorción 162, el calentador puede calentar típicamente el gas de regeneración a una temperatura de aproximadamente 120-300 ºC. Durante una secuencia de regeneración, el gas de regeneración calentado es suministrado al secador de adsorción 162 procedente del sistema de regeneración y de calentamiento. El gas de regeneración calienta el material del paquete y causa la desorción de vapor de agua.
30 De acuerdo con una realización, el sistema puede estar provisto con dos secadores de adsorción paralelos, estando uno de esos secadores de adsorción en funcionamiento mientras el otro secador de adsorción paralelo se somete a regeneración. De acuerdo con otra realización, el gas de chimenea rico en dióxido de carbono podría ser emitido a la atmósfera durante la regeneración del paquete del secador de adsorción.
Con referencia a la fig. 2, el sistema 110 de separación de CO2 de chimenea comprende un sistema de refrigeración 150
35 para condensación de dióxido de carbono en la corriente de gas de chimenea. El sistema de refrigeración 150 comprende un circuito de refrigeración 151 que contiene refrigerante en forma líquida y/o vapor. Un número de refrigerantes diferentes puede ser utilizado para suministrar funciones de enfriamiento y de condensación requeridas para condensación de CO2 en el sistema de refrigeración. Ejemplos de refrigerantes que pueden ser utilizados incluyen propano (R290) y propileno (R1270) y mezclas de los mismos. También se pueden utilizar si se desea otros refrigerantes
40 que tienen las propiedades termodinámicas y químicas.
El circuito de refrigeración 151 comprende un compresor 152 de refrigerante de múltiples etapas configurado para comprimir el refrigerante a una presión predeterminada. El compresor de múltiples etapas puede por ejemplo tener tres o más etapas de compresión, estando cada etapa de compresión configurada para comprimir el refrigerante a un cierto nivel de presión. El compresor de múltiples etapas puede estar provisto con enfriamiento intermedio entre dos o más de
45 las etapas de compresión.
El refrigerante gaseoso, frío es comprimido desde una baja presión dentro del compresor 152 de múltiples etapas a una presión P0, por ejemplo en el intervalo de aproximadamente 8 a aproximadamente 25 bar (dependiendo del refrigerante y de la temperatura media de condensación), y dirigido hacia el condensador 153 de refrigerante. El refrigerante de alta presión es entonces condensado sustancialmente dentro del condensador 153 de refrigerante que puede ser enfriado
50 por agua, aire forzado o similar.
El refrigerante condensado es distribuido a un enfriador 160 de gas de chimenea, a un primer condensador 164 de CO2 y a un segundo condensador 170 de CO2, donde es utilizado para enfriar el gas de chimenea que contiene CO2 que se desplaza en el conducto 155 de gas de chimenea.
El enfriador 160 de gas de chimenea comprende un dispositivo de dosificación, por ejemplo una válvula de expansión (no
55 mostrada), para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado. El enfriador de gas de chimenea comprende además un intercambiador de calor, en el que el refrigerante es expandido a una presión P1, por ejemplo de aproximadamente 5 bar, y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 6 a 20 ºC. El agua que se precipita desde el gas de chimenea durante el enfriamiento en el enfriador de gas de chimenea es separado de la corriente de gas de chimenea y retirado a través de la tubería 161. El gas de chimenea enfriado empobrecido en vapor de agua procedente del enfriador de gas de chimenea es entonces reenviado al secador de adsorción 162.
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El gas de chimenea enfriado y secado procedente del secador de adsorción 162 es reenviado al primer condensador 164 de CO2. El primer condensador de CO2 comprende un dispositivo de dosificación, por ejemplo una válvula de expansión 5 (no mostrada), para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado. El primer condensador de CO2 comprende además un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado es expandido a una presión P2 (˂P1), por ejemplo de aproximadamente 2,7 bar, y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea a una temperatura de aproximadamente -20 ºC, haciendo que al menos una parte del CO2 del gas de chimenea se condense. El primer condensador 164 de CO2 comprende además un primer separador 165 de
10 gas/líquido. El separador 165 de gas/líquido separa CO2 condensado en forma líquida procedente del gas de chimenea residual parcialmente empobrecido en CO2 (gas de ventilación). El CO2 licuado deja el separador 165 de gas/líquido a través de la tubería 166 y es reenviado a la columna de destilación 171.
El gas de ventilación parcialmente empobrecido en CO2 es reenviado a través de la tubería 168 al segundo condensador 170 de CO2. El segundo condensador 170 de CO2 comprende un dispositivo de dosificación, por ejemplo una válvula de 15 expansión (no mostrada), para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado. El segundo condensador de CO2 comprende además un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado es expandido a una presión P3 (˂P2), por ejemplo una presión atmosférica (aproximadamente 1 bar), y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea a una temperatura de aproximadamente -42 ºC, haciendo que al menos una parte del CO2 procedente del gas de chimenea se condense. La temperatura de
20 refrigeración está limitada por la temperatura mínima que se puede alcanzar del refrigerante. Para propileno o propano, este límite de temperatura sería de aproximadamente -45 ºC al nivel de presión ambiente.
La corriente de gas de chimenea parcialmente condensado procedente del segundo condensador 170 de CO2 es reenviada a una columna de destilación 171 para purificación por destilación del líquido. La corriente es alimentada a la columna en la parte superior y la parte líquida sirve como el reflujo requerido. De este modo, la columna de destilación no 25 requiere ningún sistema de condensación auxiliar para generación de reflujo. Por consiguiente, el coste de inversión total del sistema es minimizado. El CO2 licuado discurre hacia abajo de la columna de destilación y es contactado intensamente con el gas que fluye hacia arriba. Este contacto es extracción (separación) de impurezas de trazas del CO2 líquido y así la concentración del CO2 es aumentada. El CO2 purificado deja la columna de destilación 171 a través de la tubería 172 a un equipo de transferencia calorífica 184 de columna de destilación. En el equipo de transferencia calorífica 30 una parte del CO2 es vaporizada para generar la corriente de gas requerida para la columna. El calor es proporcionado sub-enfriando una parte del refrigerante. El líquido restante puede ser extraído bien del sumidero de la columna o bien, como se ha mostrado, del equipo de transferencia calorífica y subsiguientemente, es bombeado a un tambor de producto de CO2 por la bomba 186 de CO2, a través de otro intercambiador de calor 185 donde el refrigerante es enfriado a aproximadamente 1-5 ºC, por ejemplo 3-4 ºC. Desde el tambor el producto de CO2 es elevado de presión por la bomba
35 188 de producto de CO2 al nivel requerido para tratamiento adicional.
El sistema 150 de refrigeración comprende además un enfriador 180 de refrigerante. El enfriador 180 de refrigerante comprende un intercambiador de calor configurado para enfriar refrigerante por contacto indirecto con el CO2 líquido purificado frío procedente de la columna de destilación 171.
La temperatura del CO2 condensado procedente del primer y segundo condensadores 164, 170 de CO2 puede por lo
40 general ser de aproximadamente -20 ºC y -42 ºC respectivamente. La temperatura del refrigerante puede ser reducida desde el intervalo de aproximadamente 15-30 ºC a aproximadamente 1 ºC en el enfriador 180 de refrigerante.
El sistema 150 de refrigeración comprende además un enfriador 180 de refrigerante. El enfriador 180 de refrigerante comprende un intercambiador de calor configurado para enfriar refrigerante por contacto indirecto con CO2 líquido purificado frío procedente de la columna de destilación.
45 La temperatura del CO2 condensado procedente del primer y segundo condensadores 164, 170 de CO2 puede por lo general ser de aproximadamente -20 ºC y -42 ºC respectivamente. La temperatura del refrigerante puede ser reducida desde el intervalo de aproximadamente 15-30 ºC a aproximadamente 1 ºC en el enfriador 180 de refrigerante.
El refrigerante enfriado desde el enfriador 180 de refrigerante es dividido y distribuido a través de las tuberías 181, 182, 183 al enfriador 160 de gas de chimenea, al primer condensador 164 de CO2 y al segundo condensador 170 de CO2. La
50 cantidad de refrigerante distribuido a cada uno del enfriador 160 de gas de chimenea, del primer condensador 164 de CO2 y del segundo condensador 170 de CO2 puede ser seleccionada de modo que proporcione la refrigeración deseada en cada intercambiador de calor.
El producto de CO2 líquido procedente del enfriador 180 de refrigerante puede ser recogido en un tambor 187 de producto de CO2 y puede entonces ser bombeado por la bomba 188 de producto de CO2 a un nivel de presión adecuado 55 para transporte u otro tratamiento. Si la presión fuera aumentada a este nivel en una sola operación en la bomba de producto de CO2, la bomba introduciría demasiado calor en la corriente de producto de CO2 y de este modo reduciría la función disponible para el enfriamiento del refrigerante en el enfriador de refrigerante y/o en el enfriador o enfriadores de
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refrigerante auxiliares.
El sistema 150 de refrigeración en la fig. 2 comprende además una disposición para enfriar previamente al menos una parte del refrigerante condensado que llega procedente del condensador de refrigerante utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 frío procedente del segundo condensador de CO2. La disposición comprende un primer intercambiador de calor 192 configurado para enfriar el refrigerante que llega procedente del condensador 153 de refrigerante, por contacto indirecto con gas de chimenea empobrecido en CO2 frío procedente del segundo condensador 170 de CO2 a través de la tubería 174. Un segundo intercambiador de calor 193 está configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 frío procedente del primer intercambiador de calor 192 utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor 144 de gas de chimenea. Un dispositivo de expansión 194 de gas de chimenea está configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 comprimido recalentado desde el segundo intercambiador de calor lo que resulta en una reducción de temperatura del gas de chimenea. El gas de chimenea procedente del dispositivo de expansión 194 de gas de chimenea es reenviado a un tercer intercambiador de calor 195 donde es utilizado para enfriar adicionalmente el refrigerante condensado procedente del primer intercambiador de calor.
Opcionalmente, la disposición comprende además un cuarto intercambiador de calor 196 configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del tercer intercambiador de calor 195 utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor 144 de gas de chimenea, un segundo dispositivo de expansión 197 de gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 recalentado desde el cuarto intercambiador de calor 196 lo que da como resultado una reducción de temperatura del gas de chimenea, y un quinto intercambiador de calor 198 configurado para recalentar el gas de chimenea expandido procedente del segundo dispositivo de expansión 197 de gas de chimenea utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor 144 de gas de chimenea. Esta disposición opcional proporciona un gas de chimenea recalentado que es adecuado, posiblemente después de un calentamiento adicional en un calentador 191 de gas de regeneración, para utilizar como un gas de regeneración para regeneración del secador de adsorción 162 como se ha descrito anteriormente. El gas de chimenea recalentado puede ser reenviado a una unidad SCR (opcional) para la retirada de óxidos de nitrógeno del gas de chimenea por reducción catalítica selectiva a N2.
El refrigerante evaporado procedente del enfriador 160 de gas de chimenea, del primer condensador 164 de CO2 y del segundo condensador 170 de CO2 es devuelto al compresor 152 de múltiples etapas para una nueva compresión y utilización para enfriamiento adicional de la corriente de gas de chimenea. El refrigerante evaporado procedente del enfriador 160 de gas de chimenea a una presión P1, por ejemplo de aproximadamente 5 bar, es reenviado a una primera etapa de compresión 152’ del compresor 152 de múltiples etapas adecuado para recibir refrigerante a una presión de P1. El refrigerante evaporado procedente del primer condensador 164 de CO2 a una presión P2, por ejemplo de aproximadamente 2,7 bar, es reenviado, opcionalmente a través de un tambor 156 de succión de compresor de refrigerante, a una segunda etapa de compresión 152’’ del compresor 152 de múltiples etapas adecuada para recibir refrigerante a una presión de P2. El refrigerante evaporado procedente del segundo condensador 170 de CO2 a una presión P3, por ejemplo de aproximadamente 1 bar, es reenviado opcionalmente a través de un tambor 157 de succión de compresor de refrigerante, a una tercera etapa de compresión 152’’’ del compresor 152 de múltiples etapas adecuado para recibir refrigerante a una presión de P3. Las corrientes de refrigerante evaporado son entonces de nuevo comprimidas a una presión P0 y reutilizadas en el circuito de refrigeración.
Con referencia a la fig. 3, el sistema 210 de separación de CO2 comprende un sistema 250 de refrigeración. El sistema 250 de refrigeración comprende un circuito 251 de refrigeración que contiene refrigerante en forma líquida y/o vapor. Se puede utilizar un número de refrigerantes diferentes para suministrar las funciones de enfriamiento y condensación requeridas para condensación de CO2 en el sistema de refrigeración. Ejemplos de refrigerantes que pueden ser utilizados incluyen R290 (propano) y propileno R1270 y mezclas de los mismos. Otra opción de refrigerantes es el amoníaco. También pueden utilizarse si se desea otros refrigerantes que tengan las propiedades termodinámicas y químicas deseadas.
El circuito de refrigeración comprende un compresor 252 de refrigerante de múltiples etapas configurado para comprimir el refrigerante a una presión predeterminada. El compresor de múltiples etapas puede por ejemplo tener tres o más etapas de compresión, cada etapa de compresión configurada para comprimir el refrigerante a un cierto nivel de presión. El compresor de múltiples etapas puede estar provisto con un enfriamiento intermedio entre dos o más de las etapas de compresión.
El refrigerante gaseoso, frío es comprimido desde una baja presión dentro del compresor 252 de múltiples etapas a una presión P0, por ejemplo en el intervalo de aproximadamente 8 a aproximadamente 25 bar (dependiendo del refrigerante y de la temperatura media de condensación), y dirigido hacia el condensador 253 de refrigerante. El refrigerante de alta presión es entonces condensado sustancialmente dentro del condensador 253 de refrigerante que puede ser enfriado por agua, aire forzado o similar.
El circuito 251 de refrigeración comprende una división por líquido que divide el flujo de refrigerante procedente del condensador 253 de refrigerante en una primera y segunda partes.
La primera parte del refrigerante condensado es dirigida a través de una tubería 254a a un enfriador 280 de refrigerante configurado para enfriar la parte de refrigerante condensado utilizando CO2 líquido separado en la columna de destilación
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271. La segunda parte del refrigerante condensado es dirigida a través de la tubería 254b a una disposición de intercambiador de calor configurada para enfriar una segunda parte del refrigerante condensado utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del segundo condensador 270 de CO2.
5 La primera parte del refrigerante condensado es reenviada desde el condensador de refrigerante 253 al enfriador de refrigerante 280 a través de la tubería 254a. En enfriador de refrigerante comprende un intercambiador de calor configurado para enfriar refrigerante por contacto indirecto con CO2 condensado frío procedente de la columna de destilación 271.
La corriente de gas de chimenea parcialmente condensado procedente del segundo condensador 270 de CO2 es 10 reenviada a una columna de destilación 271 para purificación por destilación del líquido.
La corriente es alimentada a la columna en la parte superior y la parte líquida sirve como el reflujo requerido. De este modo, la columna de destilación no requiere ningún sistema de condensación auxiliar para generación de reflujo. Por consiguiente, el coste de inversión total del sistema es minimizado. El CO2 licuado discurre hacia abajo de la columna de destilación y es contactado intensamente con el gas que fluye hacia arriba. Este contacto es la extracción (separación) 15 de impurezas de trazas de CO2 líquido y así la concentración de CO2 es aumentada. El CO2 purificado deja la columna de destilación 271 a través de la tubería 272 a un equipo de transferencia calorífica de la columna destilación 284. En el equipo de transferencia calorífica una parte del CO2 es vaporizada para generar la corriente de gas requerida para la columna. El calor es proporcionado sub-enfriando la corriente de gas requerida para la columna. El calor es proporcionado sub-enfriando una parte del refrigerante. El líquido restante puede ser extraído bien desde el sumidero de
20 la columna o bien, como se ha mostrado, desde el equipo de transferencia calorífica y subsiguientemente, es bombeado a un tambor de producto de CO2 por la bomba 81 de CO2, a través de otro intercambiador de calor 285 donde el refrigerante es enfriado a aproximadamente 1-5 ºC, por ejemplo 3-4 ºC. Desde el tambor el producto de CO2 es elevado de presión por la bomba 288 de producto de CO2 al nivel requerido para otro tratamiento.
El sistema de refrigeración 250 comprende además un enfriador 280 de refrigerante. El enfriador 280 de refrigerante
25 comprende un intercambiador de calor configurado para enfriar refrigerante por contacto indirecto con el CO2 líquido purificado frío procedente de la columna de destilación 71.
La temperatura del CO2 condensado procedente del primer y segundo condensadores 264, 270 de CO2 puede por lo general ser de aproximadamente -20 ºC y -42 ºC respectivamente. La temperatura del refrigerante puede ser reducida desde el intervalo de aproximadamente 15-30 ºC a aproximadamente 1 ºC en el enfriador 280 de refrigerante.
30 La cantidad de refrigerante distribuido a cada uno del enfriador 260 de gas de chimenea, del primer condensador 264 de CO2 y del segundo condensador 270 de CO2 puede ser seleccionada de modo que proporcione la refrigeración deseada en cada intercambiador de calor.
El enfriador de gas de chimenea 260 comprende un dispositivo de dosificación, por ejemplo una válvula de expansión (no mostrada), para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado. El enfriador de gas de chimenea 35 comprende además un intercambiador de calor, en el que el refrigerante es expandido a una presión P1, por ejemplo de aproximadamente 5 bar, y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 6 a 20 ºC. El agua que se precipita desde el gas de combustión durante el enfriamiento en el enfriador de gas de chimenea es separada de la corriente de gas de chimenea y retirada a través de la tubería 261. El gas de chimenea enfriado empobrecido en vapor de agua procedente del
40 enfriador de gas de chimenea es entonces reenviado al primer condensador 264 de CO2, opcionalmente a través de un secador de adsorción 262.
El primer condensador de CO2 comprende un dispositivo de dosificación, por ejemplo una válvula de expansión (no mostrada), para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado. El primer condensador de CO2 comprende además un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado se expande a una presión P2 (˂P1), por 45 ejemplo de aproximadamente 2,7 bar, y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea a una temperatura de aproximadamente -20 ºC, haciendo que al menos una parte del CO2 procedente del gas de chimenea se condense. El primer condensador 264 de CO2 comprende además un primer separador 265 de gas/líquido. El separador 265 de gas/líquido separa CO2 condensado en forma líquida del gas de chimenea residual parcialmente empobrecido en CO2 (gas de ventilación). El CO2 licuado deja el separador 265 de gas/líquido a través de
50 la tubería 266 y es bombeado por una bomba de producto de CO2 a una presión, por ejemplo de aproximadamente 60 bar, suficiente para impedir la evaporación del producto de CO2 cuando es utilizado para enfriar el refrigerante en el enfriador 280 de refrigerante. El gas de ventilación deja el separador 265 de gas/líquido a través de la tubería 268.
El gas de ventilación parcialmente empobrecido en CO2 es reenviado a través de la tubería 268 al segundo condensador 270 de CO2. El segundo condensador de CO2 comprende un dispositivo de dosificación, por ejemplo una válvula de 55 expansión (no mostrada), para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado. El segundo condensador de CO2 comprende además un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado es expandido a una presión P3 (˂P2), por ejemplo presión atmosférica (aproximadamente 1 bar), y el refrigerante en ebullición es
imagen9
utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea a una temperatura de aproximadamente -42 ºC, haciendo que al menos una parte del CO2 procedente del gas de chimenea se condense. La temperatura de refrigeración está limitada por la temperatura mínima que se puede alcanzar del refrigerante. Para propileno o propano, este límite de temperatura sería de aproximadamente -45 ºC a un nivel de presión ambiente. El segundo condensador de
5 CO2 comprende además un separador 271 de gas/líquido. El separador 271 de gas/líquido separa el CO2 condensado en forma líquida del gas de chimenea residual parcialmente empobrecido en CO2 (gas de ventilación).
La corriente de gas de chimenea parcialmente condensado procedente del segundo condensador 270 de CO2 es reenviada a una columna de destilación 271 para purificación por destilación del líquido. La corriente es alimentada a la columna en la parte superior y la parte líquida sirve como el reflujo requerido. De este modo, la columna de destilación no 10 requiere ningún sistema de condensación auxiliar para generación de reflujo. Consecuentemente, el coste de inversión total del sistema es minimizado. El CO2 licuado discurre hacia abajo de la columna de destilación y es contactado intensamente con el gas que fluye hacia arriba. Este contacto es la extracción (destilación) de impurezas de traza del CO2 líquido y así la concentración del CO2 es aumentada. El CO2 purificado deja la columna de destilación 271 a través de la tubería 272 a un equipo de transferencia calorífica 284 de columna de destilación. En el equipo de transferencia
15 calorífica una parte del CO2 es vaporizada para generar la corriente de gas requerida para la columna. El calor es proporcionado sub-enfriando una parte del refrigerante.
El líquido restante puede ser extraído bien desde el sumidero de columna o bien, como se ha mostrado, desde el equipo de transferencia calorífica y subsiguientemente, es bombeado a un tambor de producto de CO2 por la bomba 286 de CO2, a través de otro intercambiador de calor donde el refrigerante es enfriado a aproximadamente 1-5 ºC, por ejemplo
20 3-4 ºC. Desde el tambor el producto de CO2 es elevado de presión por la bomba 288 de producto de CO2 al nivel requerido para otro tratamiento.
Si la presión fuera aumentada a este nivel en una sola operación en la bomba de producto de CO2, la bomba introduciría demasiado calor en la corriente de producto de CO2 y de este modo reduciría la función disponible para el enfriamiento del refrigerante en el enfriador 280 de refrigerante.
25 La segunda parte del refrigerante condensado es dirigida a través de la tubería 254b a una disposición de intercambiador de calor configurada para enfriar una segunda parte del refrigerante condensado utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del segundo condensador 270 de CO2. La disposición de intercambiador de calor comprende dos intercambiadores de calor 292a, 292b dispuestos en paralelo. La segunda parte del refrigerante condensado procedente del condensador de refrigerante está dividida en dos sub-corrientes, cada una dirigida hacia uno
30 de los dos intercambiadores de calor a través de las tuberías 254b1 y 254b2 respectivamente. El intercambiador de calor 292a está configurado para enfriar la sub-corriente 254b1 del refrigerante condensado utilizando gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del segundo condensador 270 de CO2. El intercambiador de calor 293 está configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del intercambiador de calor 292a utilizando el gas de chimenea caliente procedente del compresor 244 de gas de chimenea. Un dispositivo de expansión 294 de gas de
35 chimenea está configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 comprimido recalentado procedente del intercambiador de calor 293. El intercambiador de calor 292b está configurado para enfriar la sub-corriente 254b2 del refrigerante condensado utilizando gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del dispositivo de expansión 294 de gas de chimenea. La primera y segunda sub-corrientes enfriadas procedentes de los intercambiadores de calor 292a, 292b son combinadas y reenviadas a través de la tubería 295 a la tubería 283, donde es combinada con el refrigerante
40 que llega procedente del enfriador 286 de refrigerante auxiliar.
Opcionalmente, la disposición comprende además un cuarto intercambiador de calor 296 configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del intercambiador de calor 292b utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor 244 de gas de chimenea, un segundo dispositivo de expansión 297 de gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 recalentado desde el intercambiador de calor 296 lo 45 que da como resultado una reducción de temperatura del gas de chimenea, y un intercambiador de calor 298 configurado para recalentar el gas de chimenea expandido procedente del segundo dispositivo de expansión 297 de gas de chimenea utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor 244 de gas de chimenea. Esta disposición opcional proporciona un gas de chimenea recalentado que es adecuado, posiblemente después de un calentamiento adicional en un calentador 291 de gas de regeneración, para utilizar como un gas de regeneración para regeneración del
50 secador de adsorción 262 como se ha descrito anteriormente.
Opcionalmente, el gas de chimenea recalentado puede ser reenviado a una unidad SCR (opcional) para la retirada de óxidos de nitrógeno del gas de chimenea por reducción catalítica selectiva a N2.
El refrigerante evaporado procedente del enfriador 260 de gas de chimenea, del primer condensador 264 de CO2 y del segundo condensador 270 de CO2 es devuelto al compresor 252 de múltiples etapas para una nueva compresión y 55 utilización para enfriamiento adicional de la corriente de gas de chimenea. El refrigerante evaporado procedente del enfriador 260 de gas de chimenea a una presión P1, por ejemplo de aproximadamente 5 bar, es reenviado a una primera etapa de compresión 252’ del compresor 252 de múltiples etapas adecuado para recibir refrigerante a una presión de P1. El refrigerante evaporado procedente del primer condensador 264 de CO2 a una presión P2, por ejemplo de aproximadamente 2,7 bar, es reenviado, opcionalmente a través de un tambor 256 de succión de compresor de
refrigerante, a una segunda etapa de compresión 252’’ del compresor 252 de múltiples etapas adecuada para recibir refrigerante a una presión de P2. El refrigerante evaporado procedente del segundo condensador 270 de CO2 a una presión P3, por ejemplo de aproximadamente 1 bar, es reenviado opcionalmente a través de un tambor 257 de succión de compresor de refrigerante, a una tercera etapa de compresión 252’’’ del compresor 252 de múltiples etapas adecuado
5 para recibir refrigerante a una presión de P3. Las corrientes de refrigerante evaporado son entonces de nuevo comprimidas en el compresor 252 de múltiples etapas a una presión P0 y reutilizadas en el circuito de refrigeración.
Ventajas de realizaciones descritas aquí anteriormente incluyen:
-Menor consumo de energía en comparación con sistemas de separación de CO2 refrigerados convencionales;
-Permitir la utilización de diseños y materiales de intercambiador de calor robustos, simples que son robustos contra el 10 ensuciamiento y la corrosión;
-No es necesario equipo de pulido de gas de chimenea por razones de tratamiento;
-Permitir un diseño más simple del equipo;
-Permitir un equipo más convencional y simple y la utilización de acero al carbono aguas abajo del secador;
-Permitir el transporte del CO2 a través de bombeo en lugar de compresión más costosa;
15 -Esquema de tratamiento más simple que no tiene sistema auxiliar de columna como condensador de vapor auxiliar, tambor de reflujo y bomba de reflujo.
Aunque el invento se ha descrito con referencia a un número de realizaciones preferidas, se entenderá por los expertos en la técnica que pueden hacerse varios cambios y equivalentes pueden ser sustituidos para elementos del mismo sin salir del marco del invento. Además, pueden hacerse muchas modificaciones para adaptar una situación o material
20 particular a las enseñanzas del invento sin salir del marco esencial del mismo. Por lo tanto, se pretende que el invento no esté limitado a las realizaciones particulares descritas como el mejor modo contemplado para llevar a cabo este invento, pero el invento incluirá todas las realizaciones que caen dentro del marco de las reivindicaciones adjuntas. Además, la utilización del término primero, segundo, etc. no indica ningún orden o importancia, sino que los términos primero, segundo, etc. son utilizados para distinguir un elemento de otro.
25

Claims (4)

  1. imagen1
    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema de tratamiento de gas de chimenea para retirar o eliminar CO2 de una corriente de gas de chimenea, que comprende
    un compresor (144, 244) de gas de chimenea,
    5 al menos un secador de adsorción (162, 262) de gas de chimenea aguas abajo del compresor (144, 244) de gas de chimenea,
    un sistema de refrigeración adecuado para condensación de dióxido de carbono (CO2), en una corriente de gas de chimenea, comprendiendo dicho sistema un circuito de refrigeración (151, 251) que contiene un refrigerante,
    en el que dicho circuito de refrigeración comprende:
    10 un compresor (152, 252) de refrigerante de múltiples etapas,
    un condensador (153, 253) de refrigerante aguas abajo del compresor (152, 252) de refrigerante de múltiples etapas,
    un enfriador (180, 280) de refrigerante aguas abajo del compresor (153, 253) de refrigerante,
    un enfriador (160, 260) de gas de chimenea,
    15 al menos un condensador (170, 270) que tiene un fluido de enfriamiento para el gas de chimenea que es suministrado al enfriador (180, 280) de refrigerante y es suministrado al compresor (152, 252) de refrigerante de múltiples etapas, estando al menos el condensador (170, 270) aguas abajo del secador de adsorción (162, 262),
    y
    una columna de destilación (171, 271) adecuada para permitir destilación suministrada con el gas de chimenea
    20 enfriado por el enfriador (160, 260) de gas de chimenea y al menos un condensador (170, 270); teniendo la columna de destilación (171, 271) un equipo de transferencia calorífica (184, 284) adecuado para vaporizar una parte del dióxido de carbono para generar la corriente de gas requerida para la columna de destilación (171, 271), siendo proporcionado el calor al equipo de transferencia calorífica por el refrigerante enfriando el refrigerante en el enfriador de refrigerante por contacto indirecto con el CO2 líquido purificado procedente de la columna de destilación,
    25 en el que el enfriador de gas de chimenea está dispuesto entre el compresor de gas de chimenea y el secador de adsorción de gas de chimenea y el secador de adsorción de gas de chimenea y al menos un condensador están dispuestos en serie aguas arriba de la columna de destilación,
    caracterizado por que
    dicho sistema comprende un primer condensador (164, 264) que está dispuesto en serie aguas arriba del
    30 condensador (170, 270) y aguas abajo del secador de adsorción (162, 262) de gas de combustión, en el que el primer condensador (164, 264) es suministrado con un refrigerante procedente del enfriador (180, 280) de refrigerante y suministra el refrigerante al compresor (152, 252) de refrigerante de múltiples etapas,
    el enfriador (160, 260) de gas de chimenea tiene un fluido de enfriamiento para el gas de chimenea que es suministrado desde el enfriador de refrigerante (180, 280) y es suministrado al compresor (152, 252) de refrigerante de 35 múltiples etapas,
    el enfriador (160, 260) de gas de chimenea comprende una válvula de expansión adecuada para reducir la presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado, y un intercambiador de calor, en el que el refrigerante es adecuado para ser expandido a una presión P1 y el refrigerante en ebullición es adecuado para ser utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea,
    40 el primer condensador (164, 264) comprende una válvula de expansión, adecuada para reducir le presión e inducir la evaporación del refrigerante condensado y un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado es adecuado para ser expandido a una presión P2 inferior que P1 y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea,
    el condensador (170, 270) comprende una válvula de expansión adecuada para reducir la presión e inducir la
    45 evaporación del refrigerante condensado y un intercambiador de calor, en el que el refrigerante licuado es adecuado para ser expandido a una presión P3 inferior que P2 y el refrigerante en ebullición es utilizado para enfriar indirectamente la corriente de gas de chimenea.
  2. 2. Un sistema de tratamiento de gas de chimenea según la reivindicación 1, comprendiendo además dicho sistema
    13
    imagen2
    un primer intercambiador de calor (192) configurado para enfriar al menos una parte del refrigerante condensado utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente de la columna de destilación,
    un segundo intercambiador de calor (193) configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del enfriador de refrigerante utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor de gas de 5 chimenea,
    un primer dispositivo de expansión (194) de gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 comprimido recalentado procedente del primer intercambiador de calor,
    un tercer intercambiador de calor (195) configurado para enfriar adicionalmente el refrigerante condensado procedente del enfriador de refrigerante utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del dispositivo de expansión
    10 de gas de chimenea,
    un cuarto intercambiador de calor (196) configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del segundo intercambiador de calor utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor de gas de chimenea,
    un segundo dispositivo de expansión (197) de gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 comprimido recalentado procedente del segundo intercambiador de calor, y
    15 opcionalmente, un quinto intercambiador de calor (198) configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del tercer intercambiador.
  3. 3. Un sistema de tratamiento de gas de chimenea según la reivindicación 1, comprendiendo además dicho sistema
    un primer intercambiador de calor (192) configurado para enfriar al menos una parte del refrigerante condensado utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente de la columna de destilación,
    20 un segundo intercambiador de calor (193) configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del primer intercambiador de calor utilizando gas de chimenea caliente procedente del compresor de gas de chimenea,
    un primer dispositivo de expansión (194) de gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 comprimido recalentado procedente del segundo intercambiador de calor,
    25 un tercer intercambiador de calor (195) configurado para enfriar adicionalmente el refrigerante condensado procedente del primer intercambiador de calor utilizando el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del dispositivo de expansión de gas de chimenea,
    un segundo dispositivo de expansión (197) de gas de chimenea configurado para expandir el gas de chimenea empobrecido en CO2 comprimido recalentado procedente del segundo intercambiador de calor, y
    30 un cuarto intercambiador de calor (196) configurado para recalentar el gas de chimenea empobrecido en CO2 procedente del tercer intercambiador.
  4. 4. Un sistema de tratamiento de gas de chimenea según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, comprendiendo además dicho sistema
    una unidad de reducción catalítica selectiva (SCR) para la retirada de óxidos de nitrógeno (NOx) de la corriente de gas de
    35 chimenea, dispuesta aguas abajo del secador de adsorción de gas de chimenea, con referencia a la dirección de flujo general de la corriente de gas de chimenea.
    40
    14
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