FI111607B - Prosessi nestemäisen hiilidioksidin tuottamiseksi normaalipaineisesta savukaasusta - Google Patents

Description

111607

PROSESSI NESTEMÄISEN HIILIDIOKSIDIN TUOTTAMISEKSI NORMAALI-PAINEISESTA SAVUKAASUSTA

Keksinnön kohteena on prosessi nestemäisen hiilidioksidin (C02) 5 tuottamiseksi normaalipaineisesta savukaasusta, jossa prosessis-' sa: - absorptiokolonnin alaosaan johdetun savukaasun C02 absorboidaan sen yläosasta alaspäin virtaavaan absorp-tioliuokseen, 10 - C02-köyhä savukaasu poistetaan absorptiokolonnin yläosasta, - sanottu absorptioliuos johdetaan desorptiokolonnin yläosaan, - C02 desorboidaan desorptiokolonnin yläosaan johdetus- 15 ta absorptioliuoksesta kaasumaiseksi C02-rikasteeksi, joka poistetaan sen yläosasta sanotun absorptioliuoksen virratessa kolonnin alaosaan, josta se kierrätetään takaisin sanotun absorptiokolonnin yläosaan, - saatu C02-rikaste saatetaan korkeaan paineeseen ja 20 - enin osa rikasteen C02:sta nesteytetään.

Maailmanlaajuisesti halutaan rajoittaa hiilidioksidipäästöjä niiden ilmastollisten vaikutusten takia. Suuria hiilidioksidi-määriä vapautuu esimerkiksi poltettaessa fossiilisia polttoai-25 neita. Hiilidioksidin talteenotto savukaasuista on ollut : teknisesti hankalaa ja taloudellisesti kannattamatonta sen suuren energiankulutuksen vuoksi.

Erästä tunnettua C02:n erotustekniikkaa savukaasuista edustaa 30 MEA-menetelmä, jota on kuvattu muun muassa julkaisuissa DE-549556 ja DE-606132. Näissä tekniikoissa C02 absorboidaan . savukaasusta monoetylarniinin (MEA) tai muiden amiinien vesili uokseen. Absorboinnin jälkeen liuos kuumennetaan esimerkiksi 120 °C:een ja siihen liuennut C02 desorboidaan noin 2 barin painees-35 sa.

• · 2 111607 Tässä prosessissa C02:n desorptiolämpö, joka MEA:a käytettäessä on 1,6 MJ/kg C02, on tuotava prosessiin 120 °C:ssa. Tämän # menetelmän eräänä merkittävänä epäkohtana on suuri energiamäärä, joka kuluu periaatteessa C02:n siirtämiseen sen alkuperäisestä 5 noin 0,15 barin osapaineesta savukaasussa noin 2 barin desorp-tiopaineeseen.

Edelleen tunnetaan erilaisia erotusmenetelmiä muun muassa julkaisuista US-4,797,141, WO-0048709 ja JP-59073415. Näille io kaikille on kuitenkin vahvasti luonteenomaista se, että desorp-tio tapahtuu kuumentamalla liuosta ulkoisella energialla, joka tekee menetelmistä energeettisesti erittäin epäedullisia. Julkaisusta US-6,228,145 tunnetaan erotusmenetelmä, joka perustuu membraaneihin ja julkaisusta JP-1230416 menetelmä, 15 jossa panosprosessina C02 sidotaan ensin adsorptiolla kiinteään aineeseen ja vapautetaan sitten vakuumissa.

Patenttihakemuksessa PCT/FI01/00629 esitetään termodynaamisesti edullinen menetelmä C02:n erottamiseksi savukaasusta. Tässä 20 menetelmässä hyödynnetään C02:n jyrkästi Henryn laista poikkeavaa liukoisuutta esimerkiksi metanoliin lähellä sen kastepis-tettä. Menetelmä toimii parhaiten C02:n osapaineen ollessa useita baareja ja juuri siitä syystä se soveltuu erityisesti kaasuturbiinikiertoihin ja muihin prosesseihin, joissa savu-25 kaasun paineistusta voidaan käyttää energian tuottamisessa.

Julkaisussa DE-843 545 on esitetty prosessi, jossa 2,5 barin paineeseen ahdettua masuunikaasua, jossa on 24 % C02:a, pestään etanolilla -74 - -67 °C:n lämpötilassa. Tämän jälkeen saatu C02-30 liuos haihdutetaan kahdessa vaiheessa 0,2 ja 0,04 barin painees-. sa samalla lämpötila-alueella. 0,2 barin paineessa saatu C02 johdetaan ahtimeen regeneraattorin kautta, mutta 0,04 barissa saatu jae ahdetaan sellaisenaan, sillä sen paine on liian alhainen normaaliin regeneraattoriprosessiin. Syntyvä jäähdytys-35 tehon vaje ja muu jäähdytystehon tarve peitetään paisuttamalla pesuprosessista poistuva kaasujae jäähdytysturbiinissa.

111607 3 Tässä julkaisussa esitetyssä prosessissa erotusprosessi suoritetaan likimain palautuvasti ilman C02-liuoksen kuumennusta ja siitä aiheutuvaa energianhukkaa. Erittäin alhainen prosessiläm- t 5 pötila, 0,04 barissa saadun C02-jakeen alhainen paine, liuottee-na käytetyn etanolin haihtuvuus ja sen suuri viskositeetti prosessiolosuhteissa tekevät kuitenkin koko prosessin epätaloudelliseksi. Kun se lisäksi vaatii erittäin C02-rikasta prosessikaasua, ei kuvatunlainen prosessi ole tullut yleiseen ίο käyttöön savukaasujen puhdistuksessa.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan prosessi, jossa C02 voidaan nesteyttää normaalipaineisesta savukaasusta ja jolla voidaan välttää edellä mainitut epäkohdat. Keksinnön mukaisen is prosessin tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

Absorptio/desorptioprosessin poikkeamaa palautuvuudesta voidaan pienentää edullisesti käyttämällä desorptiovaiheessa ilmahuuhte-20 lua, jolloin C02-rikasteeseen kertynyttä ilmaa voidaan käyttää C02:n nesteyttämisessä hyödyntämällä nesteytyksessä jäljelle jäävän jätekaasun paine-energiaa.

Keksinnön mukaisessa absorptio-/desorptioprosessissa ei tarvita 25 jäähdytystä, koska prosessit suoritetaan kemiallisesti prosessin kannalta edullisella lämpötila-alueella kryogeenisissa lämpötiloissa tapahtuvan liuotuksen ja haihdutuksen sijasta. Tämän seurauksena absorptioliuoksen viskositeetti on pienempi kuin kymmenesosa edellä mainitun DE-julkaisun prosessissa käytetyn 30 liuoksen viskositeetista. Absorptioliuoksen alhainen viskositeetti tehostaa lämmön- ja aineensiirtoa ja liuoksen kierrätys vaatii vähemmän energiaa.

Keksinnön mukaisella prosessilla voidaan välttää erittäin 35 alhaisessa paineessa olevien C02-jakeiden ahtaminen käyttämällä ilmahuuhtelua tai muita myöhemmin kuvattuja menetelmiä. Toisin 4 111607 kuin tunnetussa tekniikassa nämä menetelmät mahdollistavat C02:n taloudellisen erotuksen ja nesteytyksen esimerkiksi maakaasupol-ton savukaasusta, jonka C02-pitoisuus on alhainen.

5 Kalliita, haihtuvia tai hapettumiselle alttiita kemikaaleja ei keksinnön mukaisessa prosessissa tarvita. Muita keksinnön mukaisen prosessin myötä saavutettavia etuja on lueteltu selitysosassa.

io Seuraavassa prosessia kuvataan viittaamalla oheisiin kuviin, jotka esittävät keksinnön mukaisen prosessin eräitä suoritusmuotoja.

Kuva 1 esittää erästä keksinnön mukaista prosessia periaateku-15 viona kaaviollisesti ja

Kuva 2 esittää erästä toista prosessin suoritusmuotoa periaa-tekuviona kaaviollisesti.

Kuvassa 1 esitetään eräs keksinnön mukaisen prosessin perusrat-20 kaisu, jossa käytetään edullisesti ilmahuuhtelua desorptiovai-heessa. Tässä kuvan vasemmassa puoliskossa esitetty hiilidioksi-dirikasteen erotusyksikkö 10 on muodostettu samaan rakenteeseen sijoitetuista absorptiokolonnista 11 ja desorptiokolonnista 12, jotka on termisesti kytketty toisiinsa lämmönsiirron järjestämi-25 seksi.

Absorptio- ja desorptioprosessit suoritetaan kemiallisesti edullisella lämpötila-alueella 35 - 75 °C, joka vastaa prosessiin tuotavan savukaasun lämpötilaa. Desorptiokolonnin 12 30 lämpötila on 2 - 5 °C alempi kuin absorptiokolonnin 11 absorp-**' tiossa vapautuvan lämmön siirtämiseksi desorptioon kummankin kolonnin 11, 12 toimiessa lähes isotermisissä oloissa edullisimmin ilman ulkopuolisen lämmön tuontia. Desorption vaatima lämpöenergia esimerkiksi kaliumkarbonaattia käytettäessä on noin 35 790 kJ/kg C02.

f 5 111607

Absorptiokolonniin 11 tuodaan sen alaosasta normaalipaineinen savukaasu, joka virtaa ylöspäin siinä olevan C02:n absorboituessa savukaasua vastaan, pitkin kolonnirakenteita (ei esitetty) virtaavaan absorptioliuokseen, joka tuodaan kolonniin 11 sen 5 yläosasta. Absorptioliuokseksi soveltuu esimerkiksi kalium- tai natriumkarbonaatin 2-N-vesiliuos. Kyseiset yhdisteet ovat haihtumattornia ja hapettumattomia. Sanotuilla liuoksilla on esitetyllä lämpötila-alueella alhainen viskositeetti (1,0 - 0,55 cP) , jolloin lämmön- ja aineensiirto tapahtuu tehokkaasti ja 10 liuoksen kierrätys vaatii vain vähän energiaa.

C02-rikas absorptioliuos johdetaan absorptiokolonnin 11 alaosasta desorptiokolonnin 12 alaosaan, johon on järjestetty absorp-tioliuoksen pinnan alapuolelle lämmönvaihdin 16, jossa kolonnin 15 11 alaosasta tuotu absorptioliuos siirtää lämpöä kolonnin 12 pohjalla olevaan liuokseen ja desorboi siitä C02:a.

Lämmönvaihtimesta 16 absorptioliuos johdetaan desorptiokolonnin 12 yläosaan, josta se virtaa alaspäin kolonniin 12 järjestettyjä 20 rakenteita pitkin (ei esitetty). Desorptiokolonnissa 12 vallitsee noin 0,2 barin paine ja sen alapäähän johdetaan keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti huuhteluilmaa, joka virtaa läpi kolonnin 12 pohjalla olevan absorptioliuoksen ja nousee kolonnissa 12 alaspäin virtaavaa absorptioliuosta 25 vastaan. Ilmavirtauksella ylläpidetään kolonnissa 12 va-kiopainetta C02:n osapaineen ollessa kolonnissa 12 kullakin korkeudella likimain tasapainossa samalla korkeudella olevan absorptioliuoksen koostumuksen kanssa. Liuoksesta vapautuva C02 haihtuu huuhteluilmaan. Kolonnin 12 yläosasta poistuva normaali-30 painetta alemmassa paineessa oleva C02-rikaste, jonka C02-pitoisuus on 50 - 55 %, johdetaan vesihöyrylauhduttimen 13 kautta paineistettavaksi ahdin-välijäähdyttimen 14 sarjoihin ja niistä edelleen nesteytysprosessiin 15.

35 Kolonnin 12 pohjalle kertynyt C02-köyhä absorptioliuos siirretään pumpulla 17 takaisin kolonniin 11 C02:n sitomiseksi.

6 111607

Nesteytysprosessissa, jonka eräs edullinen suoritusmuoto on esitetty kuvan 1 oikeassa puoliskossa, ahdin-välijäähdytinsar-joissa 14 esimerkiksi 100 bariin paineistettu C02-rikaste viedään nesteytyskolonnin 18 alaosaan. Nesteytyskolonnissa 18 5 C02-rikaste virtaa ylöspäin C02:n nesteytyessä kolonniin 18 sarjaan järjestettyjen lämmönvaihdinten 19.1, 19.2, 19.3, 19.4 pinnalle. Nesteytynyt C02 johdetaan pois kolonnin 18 pohjalta sen kaukosiirtoa tai muuta käyttöä varten.

io Nesteytymätön jätekaasu johdetaan kolonnin 18 huipulta lämmön-vaihtimena toimivan jäähdytysputken tai -putkiryhmän 19.1 kautta ensimmäiseen jäähdytysturbiiniin 20.1, jossa se menettää osan paine-energiastaan. Jäähdytysturbiinista 20.1 kierto jatkuu vastaavalla tavalla edelleen jäähdytysputkiin 19.2. Jäähdytys-15 paisutuskiertoa 24 toistetaan turbiineissa 20.2, 20.3 ja lämmönvaihtimissa 19.3, 19.4, kunnes jätekaasun paine on laskenut 1 bariin, jolloin se poistetaan jäähdytys-paisutuskier-rosta 24 viimeisen lämmönvaihtimen 19.4 alaosasta. Lämmönvaihti-met 19.1, 19.2, 19.3, 19.4 on järjestetty nesteytyskolonniin 18 20 siten, että ne ovat lämpötilatasoiltaan oleellisesti kohdakkain ja niiden jäähdytysteho on painotettu kolonnin 18 alaosaan. Jäähdytysturbiinit 20.1, 20.2, 20.3 on kytketty generaattoriin 21 tai muuhun laitteeseen niiden tuottaman mekaanisen energian hyödyntämiseksi.

*. 25

Jos C02:n nesteytys suoritetaan esimerkiksi 100 barin paineessa lämpötilavälillä +15 °C - -40 °C, niin nesteytymättömään jätekaasuun jää tällöin niin sanottu "Press-effekt" (Z. phys. Chemie 110, 768- (1924) ) huomioiden noin 11 baria C02 ja 30 nesteytyksessä sitoutuu jäähdytystehoa noin 250 kJ nesteytettyä * C02-kiloa kohti. Kun nesteytyksessä vapautuva lämpövuo keskittyy kolonnin 18 lämpimään alapäähän, on edullista käyttää osassa jäähdytysturbiineista alempaa painesuhdetta ja keskittää niiden tuottama jäähdytysteho kolonnin 18 alapäähän.

35 1 · f 7 111607

Rikasteen C02:sta voidaan tässä keksinnön mukaisessa perusratkaisussa nesteyttää noin 88 %. Edellä kuvattu paisutus- ja jäähdytysprosessi 24 tuottaa näissä oloissa noin 360 kJ jäähdy-tystehoa paisutetun kaasun Nm3:a kohden eli 230 - 260 kJ 5 nesteytettyä C02 -kiloa kohti. Paisuttamalla rikastusvaiheen huuhteluilma erillisessä turbiinissa (ei esitetty) ennen sen syöttämistä desorptiokolonniin 12 voidaan lisäksi tuottaa jäähdytystehoa noin 45 kJ/kg C02 eli yhteensä 280 - 310 kJ/kg co2.

10

Sekä absorptio - desorptiokierrossa 10 että nesteytyksessä 15 voidaan käyttää kaksoiskolonnia, jonka rakenne on esitetty patenttihakemuksessa FI-20011969, "Normaalipaineessa toimiva prosessi hapen tai hapella rikastetun ilman tuottamiseksi" 15 patenttivaatimuksessa 11 sekä kuvissa 4a ja 4b.

Koska käsiteltävä savukaasu on usein lämmintä (60 - 90° C), sen lämpöä voidaan hyödyntää suorittamalla absorptio ja desorptio niin korkeassa lämpötilassa, että savukaasun vesihöyryn paineel-20 la on prosessin kannalta oleellinen vaikutus. Jos tässä toisessa keksinnön mukaisen prosessin edullisessa suoritusmuodossa desorptiokolonnin 12 lämpötila on esimerkiksi 62,5 °C, niin absorptioliuoksesta haihtuva vesi ylläpitää siinä tällöin vesihöyryn osapainetta 0,22 bar.

··. 25

Jos desorptiokolonnista 12 poistuvassa C02-rikasteessa on 0,1 bar C02 ja saman verran huuhteluilmaa, niin C02-rikasteen kokonaispaine vesihöyryn osapaine huomioiden 62,5 °C:ssa on 0,42 bar. Jos C02-rikasteessa on lauhduttimen 13 jälkeen 0,02 bar 30 vesihöyryä, niin sen kokonaispaine on edelleen 0,42 bar, josta • · < ' 0,2 bar on C02:a ja samoin 0,2 bar ilmaa. Toisin sanoen C02:n ja ilman osapaineet kaksinkertaistuvat, jolloin C02:n paineistuk-< sessa tarvittavien ahtimien koot ja niiden energiantarpeet pienenevät. Energia tähän saadaan desorptiokolonnissa 12 35 absorptioliuoksesta haihtuvan tai siihen normaalipainetta alemmassa paineessa tuodun vesihöyryn "liukuvasta" lauhdutukses- 111607 8 ta lauhduttimessa 13. Lauhdevesi poistetaan lauhduttimesta 13 (ei esitetty) ennen C02-rikasteen paineistusta.

Useissa tapauksissa, varsinkin käsiteltävän savukaasun kastepis-5 teen ollessa korkeampi kuin absorptiolämpötila, veden haihduttamiseen desorptiokolonnissa 12 tarvittava lämpöenergia voidaan ottaa savukaasusta absorptiokolonnissa 11. Desorptiokolonniin 12 voidaan myös tuoda esimerkiksi 0,5 barin väliottohöyryä (ei esitetty).

10

Kuvassa 2 esitetyssä kolmannessa keksinnön mukaisessa suoritusmuodossa käytetään kuvassa 1 esitetyn kaksoiskolonnin sijasta kahta erillistä kolonnia 11' ja 12'. Tässä tapauksessa absorp-tiolämpö varastoituu kolonnissa 11' absorptioliuokseen ja 15 poistuu siitä kolonnissa 12' tapahtuvassa desorptiossa. Jos liuokseen absorboituu yksi kilomooli (= 44 kg) C02:a tonnia kohden, sen lämpötila nousee absorptiossa noin 9 °C ja tietyssä C02-osapaineessa saavutettava C02-pitoisuus alenee kaliumkarbonaattia käytettäessä noin 21 %. Tämän efektin rajoittamiseksi 20 voidaan käyttää laimeaa absorptioliuosta ja suurta liuosvirtaus-ta.

Nesteytyskolonnin 18 alaosaan on tässä suoritusmuodossa sijoitettu muusta jäähdytyskierrosta 24 erillinen vesijäähdytteinen ·*, 25 esilauhdutin 22, joka on lähellä C02-rikasteen sisääntuontiyh- dettä 27. Viileän ilmaston maissa on kautta vuoden saatavissa kylmää U 6 °C) jäähdytysvettä merestä tai syvistä järvistä sekä talvisaikaan myös muista vesistöistä. Jos esilauhduttimessa 22 ylläpidetään 10 °C:n lämpötilaa ja C02:n osapaine C02-rikasteessa 30 on 60 bar (rikasteen paineen ollessa esimerkiksi 110 bar ja sen 9 · t ‘ C02 -pitoisuuden 55 %) , niin noin 25 % C02:sta nesteytyy esilauhduttimessa 22 jäähdytystehon tarpeen pienetessä vastaavasti.

35 Kuvassa 2 esitetyssä suoritusmuodossa on nesteytyksen jäähdytys-kiertoon 24 on sijoitettu sopivaan paineeseen lisäabsorptioko- < 9 111607 lonni 23, jossa ensimmäisen absorptiokolonnin 11' alaosasta tuleva C02-rikas liuos absorboi lisää C02:a nesteytyksen jäähdytyskierrosta 24 tulevasta jätekaasusta. Tämä lisää desorptiosta saatavan rikasteen C02-osapainetta samalla kun 5 huomattava osa jätekaasun C02:sta saadaan palautetuksi takaisin nesteytysprosessiin 15. Köyhtynyt jätekaasu palautetaan kolonnin 23 yläosasta nesteytysprosessin 15 jäähdytyskiertoon 24.

Osa nesteytyksen jätekaasusta voidaan myös johtaa sopivassa ίο paineessa haihdutuskolonnin 12' yhteydessä olevaan ejektoriin (katkoviivoilla) haihdutetun C02-rikasteen paineen nostamiseksi ja tarvittavien ahtimien 14 koon pienentämiseksi.

Eräässä neljännessä keksinnön mukaisessa suoritusmuodossa 15 käytetään hyvin vähän tai ei ollenkaan ilmahuuhtelua, jolloin desorptiokolonnissa 12 syntyvä rikaste on lähes puhdasta C02:a ja valtaosa siitä voidaan nesteyttää 100 barin paineessa käyttämällä vesijäähdytystä.

20 Jos absorptioliuoksen C02-pitoisuus vastaa osapainetta 0,15 bar ja C02-osapaine haihdutuskolonnissa on 0,05 bar, niin erotuste-hokkuus ilman ilmahuuhtelua olisi tällöin 67 %. Näin alhaisessa paineessa on edullista hyödyntää vesihöyryn painetta toisessa suoritusmuodossa kuvatulla tavalla. Jo haihdutuslämpötilassa +47 . 25 °C veden höyrynpaine on 0,11 bar ja näin ollen ahtimiin 14 tulevan C02-rikasteen paine on 0,05 barin sijasta 0,16 bar.

Ahtimilla 14 100 bariin paineistettu C02 johdetaan nesteytysko-lonniin 18, jossa se nesteytyy koko kolonnin 18 täyttävässä 30 vesijäähdytteisessä nesteyttimessä (ei esitetty) . Jos rikastees- • sa on epäpuhtauksina muita kaasuja, niin nesteyttimen (ei esitetty) lämpötilan ollessa 15 °C kolonnin 18 huipusta poistuvassa kaasussa on 50% C02:a. Jos tämä C02-hävikki on haitallisen suuri, niin C02 saadaan talteen kuvassa 1 esitetyssä suoritusmuo- 35 dossa kuvatulla nesteytyskolonnilla 18, jonka tarvitsema φ • · 111607 10 jäähdytysteho tuotetaan paisuttamalla kolonnista 18 poistuva jätekaasu jäähdytysturbiineissa 20.1, 20.2, 20.3, 20.4.

Prosessin olosuhteet, kuten C02:n paineistus ja C02-rikasteen 5 pitoisuus, voidaan edullisesti valita siten, että nesteytys-prosessin vaatiman jäähdytystehon tarve voidaan täsmälleen peittää prosessin nesteytymättömän jätekaasun paine-energialla ja muilla prosessiin liittyvillä jäähdytystehon lähteillä. Tällöin prosessin energiankulutus nesteytettyä C02-kiloa kohden io saadaan lähelle sen minimiarvoa.

Eräs edullinen sovellus keksinnön mukaiselle nesteytysprosessil-le on sen käyttäminen happipolton yhteydessä. Tästä suoritusmuodosta puuttuvat kuvatunlaiset absorptio- ja desorptiokierrot, 15 koska happi- tai happirikastepoltossa C02 voidaan nesteyttää savukaasusta ilman rikastusta. Esimerkkinä voidaan esittää C02:n nesteytys Värtan-tyyppisen PFBC-voimalan paineistetusta savukaasusta.

20 Tällöin painepolttokattilan savukaasun pääosa virtaa kaasutur-biinin, jätelämpökattilan ja vesihöyryn lauhduttimen läpi takaisin ahtimeen, jossa siihen sekoitetaan happirikaste ja josta kaasuseos palaa kattilaan. Alemmassa lämpötilassa oleva sivuvirtaus jäähdytetään ja ahdetaan nesteytyspaineeseen, jonka . 25 jälkeen C02 nesteytetään edellisissä esimerkeissä kuvatulla tavalla.

Jos savukaasun C02-pitoisuus on < 50 %, on edullista ulottaa nesteytys lähelle C02 :n kolmoispistettä (-56,5°, 5,1 bar), jotta 30 sen hävikki jätekaasuun saadaan pieneksi. Jos C02:a on 30 % ja * nesteytyspaine on 100 bar, niin lämpötilavälillä -5 - -52,5° C02:sta nesteytyy noin 81 %. Tässä tapauksessa vain osa nesteytyksestä jäävän jätekaasun paine-energiasta tarvitaan j äähdytystehon tuottamiseen ja jäähdytyskierrossa 24 on vain 1-2 35 jäähdytysturbiinia. Ellei ylimääräistä jäähdytystehoa tarvita esimerkiksi voimalan yhteydessä olevassa hapen rikastusyksikös- • · 11 111607 sä, jäähdytyskierrosta ylipaineessa poistuva jätekaasuvirtaus lämmitetään esimerkiksi prosessin lämmönvaihtimissa ennen sen johtamista erilliseen turbiiniin energian, tuottamiseksi.

5 Tämän keksinnön mukaisessa prosessissa savukaasussa olevat typen oksidit (NOx:t) absorboituvat absorptioliuokseen ja muuntuvat siinä nitraatti-ioneiksi. Nitraatti-ionit voidaan helposti erottaa absorptioliuoksesta nitraatteina samalla kun siitä poistuvat kationit korvataan vastaavilla hydroksideilla. Tämä 10 tarjoaa vapausasteen voimalan poltossa, kun savukaasun NOx-pitoisuutta ei tarvitse pyrkiä minimoimaan. Koska nitraatit ovat huomattavasti arvokkaampia kuin hydroksidit, voi taloudellisesti olla jopa edullista pyrkiä suuriin savukaasun NOx-pitoisuuksiin.

15 Keksinnön mukaisessa prosessissa suuret lämpövuot joko siirretään kuvaan 1 perustuvissa suoritusmuodoissa nestevirtauksesta toiseen ilman suurikokoisia ja hyötysuhteeltaan huonoja "kuivia" lämmönvaihtimia tai absorptiolämpö varastoidaan absorptioliuokseen, joka luovuttaa sen desorptiossa, kuten tapahtuu kuvaan 2 20 perustuvissa suoritusmuodoissa.

Keksinnön mukaisella prosessilla ja laitteistolla saavutetaan huomattavasti energiataloudellisempi hiilidioksidin erotustapa aiempaan tunnettuun tekniikkaan verrattuna. Edellisten sovel- . 25 lusesimerkkien perusteella on selvää, että keksinnön mukaisen prosessin toteuttavia laitteistokonsepteja on edellä esitettyjen lisäksi lukuisia muitakin. Näin ollen prosessin eri toteuttamis-variaatiot ovat erittäin monipuoliset eivätkä ne näin ollen rajoitu pelkästään edellä kuvattuihin sovellusesimerkkeihin.

• } 9 9 m • ·

Claims (12)

12 111607

1. Prosessi nestemäisen hiilidioksidin (C02) tuottamiseksi normaalipaineisesta savukaasusta, jossa prosessissa: 5. absorptiokolonnin (11) alaosaan johdetun savukaasun C02 absorboidaan sen yläosasta alaspäin virtaavaan absorptiolluokseen, - C02-köyhä savukaasu poistetaan absorptiokolonnin (11) yläosasta, 10. sanottu absorptioliuos johdetaan desorptiokolonnin (12) yläosaan, - C02 desorboidaan desorptiokolonnin (12) yläosaan johdetusta absorptioliuoksesta kaasumaiseksi C02-rikasteeksi, joka poistetaan sen yläosasta sanotun 15 absorptioliuoksen virratessa kolonnin (12) alaosaan, josta se kierrätetään takaisin sanotun absorptiokolonnin (11) yläosaan, - saatu C02-rikaste saatetaan korkeaan paineeseen ja - enin osa rikasteen C02:sta nesteytetään, 20 tunnettu siitä, että C02 siirretään normaalipaineisesta savukaasusta lähes palautuvilla absorptio- ja desorptioprosesseilla alemmassa paineessa olevaan C02-rikasteeseen lähellä käsiteltävän savukaasun lämpötilaa, edullisemmin lämpötila-alueella 35 -75 °C siten, että absorptio- ja desorptioprosessit tapahtuvat 25 kolonneissa (11, 12) likimain samassa lämpötilassa edullisimmin ilman ulkopuolisen lämmön tuontia sanottuihin prosesseihin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että desorptioprosessin palautuvuuden parantamiseksi desorptiokolon- . 30 nin (12) alaosaan johdetaan ilmavirtaus, jolla kolonnissa (12) ylläpidetään vakiopainetta C02:n osapaineen ollessa kolonnissa (12) kullakin korkeudella likimain tasapainossa samalla korkeudella olevan absorptioliuoksen koostumuksen kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että desorptiokolonnissa (12) desorboidun C02-rikasteen • · 13 111607 nesteytyksessä C02-rikaste jäähdytetään (13) , saatetaan korkeaan paineeseen (14) ja johdetaan nesteytystä varten järjestetyn nesteytyskolonnin (18) alaosaan, josta se virtaa ylöspäin samalla kun osa rikasteen C02:sta nesteytyy kolonniin (18) 5 järjestetyille lämmönvaihtopinnoille (19) ja nesteytymätön jätekaasu poistetaan kolonnin (18) huipulta ja nesteytynyt C02 kolonnin (18) alaosasta.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että 10 sanottuun nesteytyskolonniin (18) on järjestetty sarjaan useita lämmönvaihtimia (19.1, 19.2, 19.3, 19.4), joiden välissä nesteytymättömän jätekaasun paisutus on järjestetty tapahtuvaksi painetasoltaan asteittain pienenevillä jäähdytysturbiineilla (20.1, 20.2, 20.3) siten, että nesteytyskolonnin (18) huipun 15 kautta poistettu nesteytymätön jätekaasu johdetaan jäähdytys-paisutuskiertoon (24) , jossa jätekaasun paine-energialla tuotetaan ainakin osa C02:n nesteytykseen tarvittavasta jäähdy-tystehosta ja jossa sanottu kierto (24) muodostuu seuraavista osavaiheista 20. jätekaasu johdetaan lämmönvaihtimen (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) yläosaan, - jätekaasu poistetaan lämmönvaihtimen (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) alaosasta ja johdetaan jäähdytysturbiiniin (20.1, 20.2, 20.3) paisutettavaksi ja * ’· 25 - jäähdytysturbiinista (20.1, 20.2, 20.3) paisutettu jätekaasu johdetaan uudelle kierrokselle seuraavan lämmönvaihtimen yläosaan (19.2, 19.3, 19.4) ja sanottua jäähdytys-paisutuskiertoa (24) jatketaan kunnes jätekaasun paine on Oleellisesti 1 bar, jolloin se poistetaan 30 kierrossa (24) viimeisenä olevan lämmönvaihtimen (19.4) alaosas-.... . ta.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että sanotut lämmönvaihdinvälineet (19.1, 19.2, 19.3, 35 19.4) on järjestetty nesteytyskolonniin (18) siten, että ne ovat 14 111607 lämpötilatasoiltaan oleellisesti kohdakkain ja niiden jäähdytys-teho on painotettu kolonnin (18) alaosaan.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 3-5 mukainen prosessi, tunnettu 5 siitä, että nesteytyskolonnin (18) alaosaan lähelle C02-rikas- teen sisääntuontlyhdettä (27) on järjestetty oleellisesti jäähdytys-paisutuskierrosta (24) erillään oleva kylmällä vedellä jäähdytetty esilauhdutin (22) , jossa osa kolonniin (18) tulevan rikasteen C02:sta nesteytetään ennen kuin se virtaa lämmönvaih-10 timien (19) pinnoille.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että absorptioliuospinnan alapuolelle on desorptiokolon-nin (12) alaosaan järjestetty lämmönvaihdinvälineet (16), joiden 15 avulla kolonnin (11) alaosasta tuotu absorptioliuos haihduttaa C02: a kolonnin (12) pohjalla olevasta liuoksesta ennen sen siirtämistä absorptiokolonniin (11), ja lämmönvaihtovälineistä (16) sanottu absorptioliuos johdetaan desorptiokolonnin (12) yläosaan. 20

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että absorptiolämpo varastoidaan absorptioliuokseen, joka luovuttaa sen desorptiossa. I 25 9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että prosessiin on järjestetty absorptio- ja desorptioko-lonnien (11, 12) väliin lisäabsorptioyksikkö (23) absorptioko-lonnin (11) alaosasta tuodun absorptioliuoksen C02-pitoisuuden ja desorptiosta saatavan rikasteen C02-osapaineen lisäämiseksi, 30 jossa - lisäabsorptioyksikön (23) alaosasta johdetaan sisään nesteytyskolonnin (18) jäähdytys-paisutuskierron (24) nesteytymätön jätekaasu ja sanottu C02-köyhtynyt jätekaasu johdetaan ulos 35 kolonnin (23) yläosasta takaisin nesteytyskolonnin (18) • · 15 111607 jäähdytys-paisutuskierron (24) seuraavaan osavaiheeseen.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että absorptioliuoksena käytetään kalium- ja/tai natrium- 5 karbonaattien vesiliuosta.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että C02-rikasteen painetason nostamiseksi hyödynnetään desorptiokolonnissa (12) rikasteeseen haihtuvan tai 10 kolonniin (12) tuodun vesihöyryn höyrystys/lauhdutuskiertoa ja/tai ejektoria.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-11 mukainen prosessi, tunnettu siitä, että C02:n nesteytysprosessin energiankulutus 15 minimoidaan sovittamalla rikasteen koostumus, paine sekä muut nesteytysprosessin olosuhteet niin, että prosessin tuottama jäähdytysteho peittää täsmälleen nesteytysprosessin jäähdytyste-hon tarpeen. 1 • · 16 111607