MX2012003172A - Metodo para eliminar bioxido de carbono de un gas de proceso. - Google Patents

Metodo para eliminar bioxido de carbono de un gas de proceso.

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Abstract

La invención se refiere a un método para eliminar bióxido de carbono de un gas de proceso, el método comprende: a) permitir que una solución amoniacal entre a un montaje de absorción, el montaje de absorción comprende al menos un primer absorbente; b) poner en contacto la solución amoniacal con el gas de proceso en el primer absorbente, la solución amoniacal captura por lo menos una parte del bióxido de carbono del gas de proceso; c) permitir que la solución amoniacal salga del montaje de absorción; d) enfriar la solución amoniacal, en donde por lo menos una parte del bióxido de carbono capturado se precipita como sal sólida; e) permitir que la solución amoniacal enfriada entre a un separador, en el cual separador por lo menos una parte de los sólidos precipitados se retiran de la solución amoniacal, después de lo cual se permite que la solución amoniacal salga del separador; f) calentar la solución amoniacal; y g) permitir que la solución amoniacal calentada vuelva a entrar al montaje de absorción. La invención también se relaciona con un sistema de eliminación de bióxido de carbono.

Description

MÉTODO PARA ELIMINAR BIÓXIDO DE CARBONO DE UN GAS DE PROCESO CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere a un método para la eliminación de bióxido de carbono de un gas de proceso ál contactar el gas de proceso con una solución amoniacal.
ANTECEDENTES La mayoría de la energía empleada en el mundo actualmente se deriva de la combustión de combustibles que contienen carbono e hidrógeno tales como carbón, petróleo, y gas natural, así como otros combustibles orgánicos. Dicha combustión genera gases de combustión que contienen niveles altos de bióxido de carbono. Debido a preocupaciones respecto al calentamiento global, existe una demanda que se incrementa por la reducción de emisiones de bióxido de carbono a la atmósfera, por lo que se han desarrollado métodos para eliminar el bióxido de carbono de los gases de combustión antes de liberar el gas a la atmósfera.
WO 2006/022885 describe uno de esos métodos para eliminar bióxido de carbono de un gas de combustión, dicho método incluye capturar bióxido de carbono del gas de combustión en Un absorbente, de C02 mediante una solución ó fango amoniacal. El C02 se absorbe por la solución amoniacal en el absorbente a una temperatura reducida de entre aproximadamente 0°C y 20°C, después de la cual la solución amoniacal se regenera en un regenerador bajo presión y temperatura elevadas para permitir que el C02 escape de la solución amoniacal como bióxido de carbono gaseoso de alta pureza.
COMPENDIO Un objetivo de la presente invención es mejorar el método de absorción de bióxido de carbono con una solución amoniacal.
Este objetivo, así como otros objetivos que serán claros a partir de la siguiente discusión, de conformidad con un aspecto logrado por un método de eliminación de bióxido de carbono de un gas de proceso, el método comprende: a) permitir que una solución amoniacal se introduzca a un montaje de absorción, dicha configuración de absorción comprende al menos un primer absorbente; b) contactar la solución amoniacal con el gas de proceso en dicho primer, absorbente, la solución amoniacal captura al menos una parte del bióxido de carbono del gas de proceso; c)permitir que la solución amoniacal salga del montaje de absorción; d) enfriar la solución amoniacal, en donde al menos una parte del bióxido de carbono capturado se precipita como una sal sólida; e) permitir que la solución amoniacal enfriada entre a un separador, en cuyo separador por lo menos una parte de los sólidos precipitados se retiran de la solución amoniacal', después de lo cual se permite que la solución amoniacal salga del separador; f) calentar la solución amoniacal; y g) permitir que la solución amoniacal calentada vuelva a entrar al montaje de absorción.
El montaje de absorción puede comprender uno o varios absorbentes. En su diseño más sencillo, el montaje de absorción puede comprender un solo absorbente. Este diseño simple puede también simplificar el método de eliminación de bióxido de carbono y reducirá los costos de mantenimiento del montaje. El o los absorbentes pueden ser de cualquier diseño que permita que se lleve a cabo contacto directo entre la solución amoniacal y el gas de proceso dentro del absorbente.
Al contactar la solución amoniacal con el gas de proceso, el bióxido de carbono puede retirarse del gas de proceso y capturarse por la solución amoniacal al cruzar la inferíase formada entre el gas de proceso y la solución amoniacal.
Existe un límite respecto a cuánto bióxido de carbono puede capturar la solución amoniacal, es decir, cuando la solución amoniacal alcanza saturación. Este límite depende por ejemplo de la presión y temperatura de la solución. Al enfriar la solución amoniacal, la habilidad de la solución para disolver el bióxido de carbono se reduce, por lo que al menos una parte del bióxido de carbono capturado se precipita como una sal sólida. Incluso si la solución amoniacal no ha alcanzado saturación en el montaje de absorción y no se han precipitado sólidos antes del enfriamiento de la solución, el enfriamiento de la solución amoniacal en d) permite la precipitación de bióxido de carbono capturado en la forma de una sal sólida. Por lo tanto, al menos parte del bióxido de carbono capturado puede separarse de la solución amoniacal por el separador al retirar al menos una parte de los sólidos precipitados.
La solución amoniacal que sale del separador puede estar saturada con bióxido de carbono ya que el separador solo puede retirar bióxido de carbono en forma sólida precipitada. Al calentar la solución amoniacal en f), la habilidad de la solución de disolver bióxido de carbono se incrementa, permitiendo que la solución amoniacal regrese al montaje de absorción para capturar más bióxido de carbono sin precipitación de sólidos.
Al enfriar la solución amoniacal, retirar los sólidos, y recalentar la solución, la mayoría de la solución amoniacal puede regresar al montaje de absorción para capturar más bióxido de carbono sin precipitación de sólidos. Por lo tanto, no hay necesidad de regenerar la corriente de solución completa. En vez de eso, el volumen mucho menor de sólidos, y opcionalmente un poco de solución, retirados por el separador y que tienen una concentración mucho mayor de bióxido de carbono pueden transferirse a un regenerador. Ya que el regenerador aplica presión y temperatura incrementadas a la solución, suspensión o fango que se regenera para poder obtener dejando bióxido de carbono de alta pureza, el consumo de energía se reduce mucho si el volumen de la solución, suspensión o fango se reduce y la concentración de bióxido de carbono aumenta.
También, al inducir la precipitación de sólidos al enfriar la solución amoniacal, bióxido de carbono en la forma de sal sólida puede retirarse de la solución amoniacal aunque la solución amoniacal que sale del montaje de absorción no contiene sólidos precipitados, es decir, la solución amoniacal que sale del montaje de absorción puede ser rica en bióxido de carbono pero no completamente saturada o sobresaturada y aún permitir la eliminación de bióxido de carbono en forma sólida por el separador. Esto implica que la precipitación de sólidos dentro del montaje de absorción y el absorbente pueden reducirse o incluso detenerse completamente en comparación con si no se hubiera llevado a cabo enfriamiento. La precipitación de sólidos puede ser indeseable ya que los sólidos pueden atascar tuberías, válvulas, bombas, absorbentes etc., y pueden también incrementar el desgaste del montaje de absorción debido a la abrasión incrementada por el flujo de solución amoniacal. Si no hay precipitación, o solo se reduce en el montaje de absorción, el montaje de absorción podría no tener que diseñarse para contener partículas sólidas en la solución amoniacal por lo que el montaje de absorción puede diseñarse en una forma más sencilla y para una más eficiente captura de bióxido de carbono, por ejemplo por un material de empaque más efectivo en el absorbente si un material de empaque se utiliza, cuyo material de empaque podría de otra forma atascarse y resultar en una caída de presión excesiva. También, el mantenimiento del montaje de absorción podría reducirse enormemente.
Podría ser conveniente controlar la temperatura de la solución amoniacal mientras entra en contacto con el gas de proceso en el primer absorbente, así también la temperatura del primer absorbente, es decir, la temperatura en la que el bióxido de carbono se captura por la solución amoniacal, podría controlarse. Mientras la temperatura se reduce, la velocidad a la que el bióxido de carbono se captura del gas de proceso por la solución amoniacal también se reduce. Si la temperatura se incrementa, la velocidad a la que el amoníaco gaseoso sale y agota la solución amoniacal también se incrementa. La temperatura del absorbente por lo tanto es una compensación entre el índice de captación y el agotamiento de amoníaco. Se ha descubierto que una temperatura de la solución amoniacal mientras hace contacto con el gas de proceso en el primer absorbente de entre aproximadamente 10°C y 20°C (50°F y 68°F) puede ser conveniente, especialmente una temperatura de aproximadamente 15°C (59°F). Otras temperaturas pueden ser de interés también, dependiendo del diseño del conjunto de absorción.
Al enfriar la solución amoniacal, etapa d), después de que ha salido del conjunto de absorción, la solución amoniacal puede, enfriarse a una temperatura por debajo de la temperatura de la solución amoniacal en el primer absorbente. Entre más baja sea la temperatura a la que se enfría la solución amoniacal, más sólidos podrán precipitarse. Sin embargo, la energía de enfriamiento requerida también aumenta. Si la solución amoniacal es una solución acuosa bajo presión atmosférica, la solución amoniacal de preferencia no se enfría por debajo de 0°C (32°F). Se ha descubierto que puede ser conveniente enfriar la solución amoniacal a una temperatura entre aproximadamente 0°C y 10°C (32°F y 50°F), especialmente a una temperatura de aproximadamente 5°C (41 °F). Por supuesto, otras temperaturas también pueden ser de interés dependiendo del diseño de sistema.
Después de que la solución amoniacal ha salido del separador la solución puede saturarse esencialmente con bióxido de carbono, pero con contenido reducido o sin sólidos. Esta solución luego se calienta a una temperatura por encima de la temperatura a la cual se enfrió previamente, haciendo así la solución amoniacal menos saturada o insaturada con bióxido de carbono. Entre más se calienta la solución, menos saturada, o más insaturada, será la solución amoniacal. Sin embargo, más calentamiento también requiere un mayor consumo de energía. También, una mayor temperatura de la solución amoniacal igualmente aumenta el agotamiento de amoníaco de la solución amoniacal ya que el amoniaco gaseoso sale de la solución amoniacal. Se ha descubierto que la solución amoniacal puede en forma conveniente, en la etapa f) anterior, calentarse al menos a 7°C (45°F), tal como entre aproximadamente 7°C y 15°C (45°F y 59°F), especialmente a entre aproximadamente 7°C y 10°C (45°F y 50°F). Por supuesto, otras temperaturas también pueden ser de interés dependiendo del diseño de sistema.
El enfriamiento y/o el calentamiento, respectivamente de la solución amoniacal puede por ejemplo, llevarse a cabo con intercambiadores térmicos. Se ha descubierto que puede ser ventajoso el llevar a cabo al menos parcialmente el enfriamiento y el calentamiento mediante el mismo intercambiador térmico, en cuyo intercambiador térmico la solución amoniacal que sale del montaje de absorción en c) es el medio de calentamiento y la solución amoniacal que sale del separador en e) es el medio de enfriamiento. Así, la energía puede conservarse. Usar la solución amoniacal enfriada y separada como un medio de enfriamiento para enfriar la solución amoniacal que sale del montaje de absorción podría no ser suficiente para enfriar la solución amoniacal que ha salido del montaje de absorción, por lo que podría ser conveniente utilizar adicionalmente un medio de enfriamiento regular, tal como agua fría. El medio de enfriamiento regular puede conectarse al mismo intercambiador térmico que la solución amoniacal separada, o a un intercambiador térmico separado. Así, la solución amoniacal que sale del montaje de absorción puede primero enfriarse por la solución amoniacal del separador y luego enfriarse adicionalmente mediante el medio de enfriamiento regular. En forma alterna, la solución amoniacal no se emplea corrió un medio de enfriamiento o calentamiento, sino medios regulares de enfriamiento y calentamiento se emplean en su lugar.
El separador puede ser cualquier tipo de separador capaz de separar, y por lo tanto retirar, partículas sólidas o material de la solución amoniacal. Dependiendo de los requerimientos puestos en el separador, podría ser conveniente usar un separador en la forma de un hidrociclón. Un hidrociclón puede ser una forma eficiente de eliminar sólidos de la solución amoniacal. La suspensión o fango de la solución amoniacal que comprende sólidos se introduce al hidrociclón en donde la suspensión o fango se separa en una solución superior reducida en, o libre de, sólidos y un bajo flujo rico en sólidos. Se ha descubierto que puede ser conveniente con un contenido de sólidos de la solución amoniacal que comprende sólidos que se introducen al hidrociclón de entre aproximadamente 5% y 10% en peso de la solución amoniacal que comprende sólidos que entran al hidrociclón. En forma ideal, esencialmente todos los sólidos se retiran de la solución amoniacal, dando una solución superior libre de sólidos. Se ha descubierto que puede ser conveniente con un contenido de sólidos de la solución superior de entre 0% y 1 % en peso de la solución superior. También se puede permitir que el flujo inferior contenga un poco de solución líquida para facilitar el transporte de sólidos en una corriente líquida, así un poco de la solución amoniacal puede también separarse del flujo inferior. La cantidad de líquido en el flujo inferior puede ser suficiente para transportar los sólidos en una corriente líquida pero sin reducir la concentración de bióxido de carbono más de lo necesario para permitir este transporte. El flujo inferior puede ser una suspensión o un fango, que sale de la solución amoniacal.
Sin importar el tipo de separador utilizado, puede ser conveniente que la mayoría o esencialmente todos los sólidos se retiren de la solución amoniacal a una suspensión o fango que sale, en cuya suspensión o fango la cantidad de líquido se ha balanceado para permitir el transporte de los sólidos en una corriente líquida pero sin reducir la concentración de bióxido de carbono más de lo necesario para permitir este transporte. Puede ser conveniente tener un contenido de sólidos de al menos 10% en peso de la suspensión o fango que sale, tal como entre aproximadamente 10% y 20% en peso de la suspensión o fango que sale.
De acuerdo con otro aspecto, el objetivo de la presente invención se logra por un sistema de eliminación de bióxido de carbono para eliminar bióxido de carbono de un gas de proceso, el sistema comprende: un montaje de absorción, dicho montaje de absorción comprende al menos un primer absorbente, dicho primer absorbente se configura para, dentro del primer absorbente, permitir contacto entre el gas de proceso y una solución amoniacal de manera que al menos una parte del bióxido de carbono del gas de proceso se captura por la solución amoniacal; un primer intercambiador térmico configurado para enfriar la solución amoniacal incluyendo bióxido de carbono capturado después de que salió del montaje de absorción; un separador configurado para eliminar al menos una parte de cualquier sólido en la solución amoniacal enfriada; un segundo intercambiador térmico configurado para calentar la solución amoniacal después de que ha salido del separador; y conexión de tuberías, y se configura para permitir un flujo, de la solución amoniacal entre el montaje de absorción y el primer intercambiador térmico, el primer intercambiador térmico y el separador, el separador y el segundo intercambiador térmico, así como el segundo intercambiador térmico y el montaje de absorción.
Puede ser conveniente utilizar el sistema de eliminación de bióxido de carbono al llevar a cabo el método discutido anteriormente.
Puede ser conveniente configurar el primer y segundo intercambiadores térmicos para cooperar entre sí de manera que la solución amoniacal que se enfría en el primer intercambiador térmico se enfría al menos parcialmente por la solución amoniacal que se calienta en el segundo intercambiador térmico como medio de enfriamiento, y la solución amoniacal que se calienta en el segundo intercambiador térmico se calienta al menos parcialmente por la solución amoniacal que se enfría en el primer intercambiador térmico como medio de calentamiento.
La anterior discusión con referencia al método está en partes aplicables también relevantes al sistema. Se hace referencia a esa discusión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las modalidades actualmente preferidas se discutirán con referencia a los dibujos, en los que: La Figura 1 es un esquema de flujo de proceso que ilustra las etapas de un método de conformidad con la presente invención.
La Figura 2 es una vista frontal esquemática de un sistema de eliminación de bióxido de carbono de conformidad con la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS El gas de proceso puede ser cualquier tipo de gas de proceso que contiene bióxido de carbono, tal como gas de combustión de cualquier dispositivo de combustión tales como hornos, calentadores de procesos, incineradores, calderas en bloque, y calderas de planta de energía.
La solución amoniacal puede ser cualquier tipo de solución que contiene amoníaco, tal como una solución líquida, especialmente una solución acuosa. El amoníaco en la solución amoniacal puede estar en la forma de iones amonio y/o amoníaco molecular disuelto.
La captura del C02 del gas de procesamiento por la solución amoniacal puede lograrse por la solución amoniacal que absorbe o disuelve el C02 en cualquier forma, tal como en la forma de C02, carbonato o bicarbonato molecular disuelto.
Los sólidos formados en la solución amoniacal pueden ser principalmente carbonato de amonio y bicarbonato de amonio, especialmente bicarbonato de amonio.
El sistema de eliminación de bióxido de carbono comprende tubería que conecta las diferentes partes del sistema y se configura para permitir que solución amoniacal y gas de procesamiento, respectivamente, fluyan a través del sistema como se requiere. La tubería puede comprender válvulas, bombas, boquillas, etc. como sea apropiado para controlar el flujo de solución amoniacal y gas de proceso, respectivamente.
El absorbente o varios absorbentes del montaje de absorción pueden tener cualquier diseño que permita que la solución amoniacal entre en contacto con el gas de proceso. Puede ser conveniente con un diseño de absorción en la forma de una columna, en donde la solución amoniacal fluye desde la parte superior de la columna a la parte inferior de la columna y el gas de proceso fluye desde la parte inferior de la columna hasta la parte superior de la columna, así la solución y el gas pueden encontrarse y mezclarse entre sí en la columna, creando una inferíase entre la solución y el gas a través de la cual la interfase de bióxido de carbono puede transportarse desde el gas de la solución. El contacto de gas/solución puede aumentarse, es decir, el área de" interfase puede aumentarse, al usarse un empaque en la columna, mejorando así la captura de bióxido de carbono. Los flujos respectivos del gas de proceso y la solución amoniacal dentro, así como a y del montaje de absorción pueden controlarse por al menos un sistema de bombeo y/o por acción de la gravedad.
Si se emplea un absorbente en la forma de una columna, el gas de proceso puede entrar a la columna mediante una tubería conectada a la parte inferior de la columna, transportarse hacia arriba a través de la columna y salir de la columna mediante una tubería conectada a la parte superior de la columna, y la solución amoniacal puede entrar mediante una tubería conectada a la parte superior de la columna, transportarse hacia abajo a través de la columna por acción de la gravedad y salir de la columna mediante una tubería conectada a la parte inferior de la columna. La solución amoniacal y/o el gas de proceso pueden adicionalmente recircularse en la columna. Si la solución amoniacal se recircula, la solución amoniacal puede alternativamente introducirse en la columna en la parte inferior de la columna en vez de en la parte superior de la columna, permitiendo que un bucle de recirculación transporte la solución a la parte superior de la columna. La columna puede asociarse con un sistema de bombeo para llevar a cabo la recirculación.
Para poder controlar la temperatura de la columna, un intercambiador térmico puede asociarse con la columna. El intercambiador térmico, por ejemplo, puede formar parte de un bucle de recirculación para la solución amoniacal. Ya que la captura de bióxido de carbono mediante la solución amoniacal es una reacción exotérmica, el intercambiador térmico puede emplearse para enfriar la solución amoniacal para mantener el interior del absorbente a una temperatura deseada y esencialmente constante.
Dependiendo del diseño de y las exigencias sobre el montaje de absorción, puede ser conveniente utilizar una pluralidad de absorbentes para eliminar una cantidad deseada de bióxido de carbono del gas de proceso.
Si una pluralidad de absorbentes se utilizan, pueden tener el mismo o diferentes diseños. Los absorbentes pueden conectarse en serie entre sí para permitir que el gas de proceso y/o solución amoniacal fluyan serialmente desde un absorbente a otro absorbente. Sin embargo, deberá notarse que el gas y la solución pueden fluir en diferentes direcciones entre los absorbentes conectados en serie. Si por ejemplo, un montaje de absorción comprende tres absorbentes conectados en serie, denotados x, y y z, el flujo de gas puede ser desde el absorbente x al absorbente y al absorbente z, en donde el flujo de la solución amoniacal puede ser por ejemplo desde el absorbente y al absorbente x al absorbente z o en cualquier otro orden.
Con referencia a la Figura 1 , un método actualmente preferido de acuerdo con la presente invención se describirá a continuación.
En la etapa 1 , la solución amoniacal en la forma de una solución acuosa, así como el gas de proceso, entran en el montaje de absorción mediante tuberías. El montaje de absorción puede comprender uno o una pluralidad de absorbentes, de preferencia en la forma de columnas empacadas.
En la etapa 2, la solución amoniacal, así como el gas de proceso, se introducen a la primer columna absorbente mediante tuberías separadas conectadas a dicha primer columna absorbente. La solución amoniacal se introduce a la columna absorbente mediante una tubería en la parte superior de la columna, después de lo cual la solución amoniacal fluye hacia abajo a través de la columna empacada del primer absorbente. De manera simultánea, el gas de proceso se introduce a la primer columna absorbente mediante una tubería en el fondo de la columna, después de lo cual el gas de proceso fluye hacia arriba a través de la columna empacada del primer absorbente. La solución amoniacal y el gas de proceso se encuentran así y entran en contacto entre sí mientras fluyen en contra corriente en la primer columna absorbente. El empaque de la columna actúa para incrementar la mezcla y el área, interfase de contacto, entre la fase líquida y la fase gaseosa en la columna. El bióxido de carbono del gas de proceso se transporta desde la fase gaseosa a la fase líquida y se captura así por la solución amoniacal. La solución amoniacal y/o el gas de proceso pueden recircularse en el absorbente. Así, la solución amoniacal puede salir del absorbente mediante una tubería en la parte inferior de la columna absorbente y bombearse de vuelta a la parte superior del absorbente para reintroducirla al absorbente. Durante esta recirculación fuera del absorbente, la temperatura de la solución amoniacal puede también ajustarse mediante un intercambiador térmico.
Deberá notarse que la solución amoniacal y/o el gas de proceso puede haber pasado ya a través de uno o varios absorbentes después de introducirse al montaje de absorción antes de entrar en dicho primer absorbente, dependiendo del diseño del sistema.
En la etapa 3, la solución amoniacal sale del primer absorbente así como el montaje de absorción mediante una tubería.
En la etapa 4, la solución amoniacal se introduce al menos en un intercambiador térmico y se enfría. Como un resultado del enfriamiento, una parte del bióxido de carbono capturado se precipita como sal. Puede preferirse emplear dos intercambiadores térmicos separados, el primero se emplea utilizando solución amoniacal enfriada como medio de enfriamiento y el segundo utilizando agua fría como medio de enfriamiento.
En la etapa 5, la solución amoniacal enfriada que incluye sólidos de sal se introduce a un hidrociclón. En el hidrociclón, la solución amoniacal se separa en un flujo inferior rico sólido y una solución superior con menos de 1 % en peso de sólidos. Así, la mayor parte de los sólidos se han eliminado de la solución amoniacal por el hidrociclón. El flujo inferior rico en sólidos puede transferirse a un regenerador en donde se somete a temperatura y presión incrementadas para eliminar el bióxido de carbono capturado en la forma de una corriente que sale de gas de bióxido de carbono de alta pureza. Puede permitirse que la solución amoniacal así regenerada del flujo inferior se reintroduzca al sistema de eliminación de bióxido de carbono para capturar más bióxido de carbono.
En la etapa 6, la solución amoniacal, es decir, la solución superior del hidrociclón, se recalienta. Para ahorrar energía, el recalentamiento puede llevarse a cabo de preferencia mediante el mismo primer intercambiador térmico como se discutió bajo la etapa 4, con la solución amoniacal enfriada en la etapa 4 como medio de calentamiento. Si se requiere, puede también emplearse un intercambiador térmico adicional con un medio de calentamiento tradicional, tal como agua tibia. Al calentar la solución amoniacal, la solución se vuelve insaturada con respecto al bióxido de carbono, permitiéndole capturar más bióxido de carbono sin inducir ninguna precipitación.
En la etapa 7, la solución amoniacal recalentada se reintroduce al montaje de absorción para capturar más bióxido de carbono del gas de proceso, ya sea en la primera columna absorbente o en un absorbente diferente si se comprenden una pluralidad de absorbentes en el montaje de absorción.
Deberá notarse que el método puede ser continuo. Así, todas las etapas anteriores pueden ocurrir en forma concurrente involucrando diferentes partes de la solución amoniacal.
Con referencia a la Figura 2, a continuación se describirá un sistema de eliminación de bióxido de carbono preferido 10 de conformidad con la presente invención, configurado para llevar a cabo un método actualmente preferido de acuerdo con la presente invención. En la figura 2, la tubería se representa por flechas para un entendimiento más fácil.
El sistema de eliminación de bióxido de carbono 10 comprende un montaje de absorción 12, dicho montaje de absorción 12 comprende tres columnas de absorción, una primera columna de absorción 14, una segunda columna de absorción 16 y una tercera columna de absorción 18. La pnmera columna de absorción comprende un lecho empacado inferior 14a y un lecho empacado inferior 14b.
Una tubería de entrada de gas de proceso de la primera columna de absorción 30 se conecta a la parte inferior de la primera columna de absorción 14 para permitir que el gas de proceso incluyendo bióxido de carbono de por ejemplo, una planta de energía se introduzca a la primera columna de absorción 14. Una tubería de salida de gas de proceso de la primera columna de absorción 32, se conecta a la parte superior de la primera columna de absorción 14 para permitir que el gas de proceso salga de la columna 14 hacia la tercera columna 18 después de haber circulado a través de la columna 14 desde la parte inferior hasta la parte superior.
Un primer bucle de recirculación de la primera columna de absorción 20 se conecta a la primera columna de absorción 14, permitiendo que la solución amoniacal fluya a través de la tubería desde la parte inferior de la columna de absorción 14 hasta la parte superior de la columna 14. Una bomba 22 se comprende en el bucle 20 para efectuar la circulación de la solución amoniacal. También, un intercambiador térmico 24 se comprende en el bucle 20 para controlar la temperatura de la solución amoniacal.
Una tubería de salida de solución amoniacal de la primera columna de absorción 26 se configura para conducir la solución amoniacal lejos de la parte inferior de la primera columna de absorción 14 hacia el hidrociclón 34. La tubería de salida 26 comprende una bomba de salida 28 para controlar el flujo de salida de la solución amoniacal desde la primera columna de absorción 14.
Una tubería de entrada de solución amoniacal de la primera columna de absorción 36 se configura para permitir que la solución amoniacal fluya desde la tercera columna 18 a la parte inferior de la primera columna 14, en donde se permite que se mezcle con, y recircule con, la solución amoniacal que recircula en la primera columna 14 mediante el bucle de recirculación 20.
Una tubería de entrada de solución amoniacal de la segunda columna de absorción 38 se configura para permitir que la solución amoniacal fluya desde el hidrociclón 34 hasta la parte inferior de la segunda columna 16, en donde se permite que se mezcle con, y recircule con, la solución amoniacal que recircula en la segunda columna 16 mediante un bucle de recirculación 40 asociado con la columna 16.
El bucle de recirculación de la segunda columna 40 se conecta a la segunda columna de absorción 16, permitiendo que la solución amoniacal fluya a través de la tubería desde la parte inferior de la columna de absorción 16 a la parte superior dé la columna 16. Una bomba 42 se comprende en el bucle 40 para efectuar la circulación de la solución amoniacal. También, un intercambiador térmico 44 se comprende en el bucle 40 para controlar la temperatura de la solución amoniacal.
Conectada al bucle de recirculación de la segunda columna de absorción 40 está una tubería de entrada de solución amoniacal de la tercera columna 46 configurada para permitir el flujo de la solución amoniacal desde el bucle de recircülación 40 al inferior de la tercera columna 18 en donde se permite que se mezcle con, y recircule con, la solución amoniacal que se recircula en la tercera columna 18 mediante un bucle de recirculación 48 asociado con la columna 18. Los flujos a través de la tubería 46 y el bucle de recirculación 40, respectivamente, se controlan por válvulas (no mostradas) incluidas en la tubería 46 y el bucle 40.
El bucle de recirculación de la tercera columna de absorción 48 se conecta a la tercera columna de absorción 18, permitiendo que la solución amoniacal fluya a través de la tubería desde la parte inferior de la columna de absorción 18 hasta la parte superior de la columna 18. Una bomba 50 se comprende en el bucle 48 para efectuar la circulación de la solución amoniacal. También, un intercambiador térmico 62 se comprende en el bucle 48 para controlar la temperatura de la solución amoniacal.
La parte inferior de la tercera columna también se conecta a un suministro de solución amoniacal pobre mediante la tubería de alimentación pobre 52. La solución amoniacal magra, por ejemplo del proceso de regeneración, puede entonces alimentarse en la parte inferior de la tercera columna 18 mediante la tubería 52 en donde se permite que la solución pobre se mezcle con, y recircule con, la solución amoniacal que se recircula en la tercera columna 18 por medio del bucle de recirculación 48 así como con la solución amoniacal alimentada en la parte inferior de la columna 18 mediante la tubería 46 desde la segunda columna 16.
Conectada al bucle de recirculación de la tercera columna de absorción 48 está la tubería de entrada de solución amoniacal de la primera columna 36 configurada para permitir el flujo de la solución amoniacal desde el bucle de recirculación 48 a la parte inferior de la primera columna 14 en donde se permite que se mezcle con, y recircule con, la solución amoniacal que se recircula en la primera columna 14 mediante el bucle de recirculación 20 asociado con la columna 14. Los flujos a través de la tubería 36 y el bucle de recirculación 48, respectivamente, se controlan por válvulas (no mostradas) que se incluyen en la tubería 36 y bucle 48.
La tubería de salida de gas de proceso de la primera columna de absorción 32 se conecta a la parte inferior de la tercera columna 18, permitiendo que el gas entre en la columna 18 y fluya hacia arriba a través de la columna 18. Mientras el gas de proceso alcanza la parte superior de la columna 18, pueden introducirse a la segunda columna 16 a través de la parte inferior de dicha segunda columna 16, la segunda columna 16 se configura sobre la tercera columna 18, mediante tubería (no mostrada) que conecta la parte superior de la columna 18 con la parte inferior de la columna 16. El gas de proceso limpio de bióxido de carbono puede salir de la segunda columna 16 medíante la salida de gas 60 conectada a la parte superior de la columna 16.
La tubería de salida de solución amoniacal de la primera columna de absorción 26, conectada a la parte inferior de la primera columna 14, permite que la solución amoniacal rica en bióxido de carbono entre en contacto en contra corriente con el gas de proceso rico en bióxido de carbono de la primera columna 14 para salir de la primera columna 14 así como salir del montaje de absorción 12. La tubería de salida 26 se conecta a un primer ¡ntercambíador térmico 54, externo al montaje de absorción 12, en el que la solución amoniacal del intercambiador térmico 54 de la primera columna 14 puede enfriarse por intercambio térmico con la solución amoniacal más fría del hidrociclón 34.
El primer intercambiador térmico 54 se conecta a un segundo intercambiador térmico 56 conectado a una fuente de agua fría 58, en cuyo segundo intercambiador térmico 56, la solución amoniacal puede enfriarse aún más por intercambio térmico con agua fría de la fuente de agua fría 58.
El segundo intercambiador térmico 56 se conecta al hidrociclón 34, permitiendo que la solución amoniacal, incluyendo cualquier sólido precipitado, se introduzca al hidrociclón 34 en el cual la solución amoniacal se separa en una alimentación rica en sólidos, el flujo inferior, y una solución saturada esencialmente libre de sólidos. El flujo inferior puede eliminarse del sistema 10 mediante la tubería de salida 64 a, por ejemplo, un regenerador (no mostrado).
El hidrociclón 34 se conecta al . primer intercambiador térmico 54 para permitir que la solución superior se caliente por intercambio térmico con la solución amoniacal más caliente que sale de la primera columna 14.
El primer intercambiador térmico 54 se conecta a la segunda columna 16 mediante la tubería de entrada 38, permitiendo qué la solución amoniacal se reintroduzca al montaje de absorción 12.
Ejemplo Con referencia a la Figura 2, una modalidad preferida específica se describirá a manera de ejemplo.
El gas de combustión que proviene de un sistema de desulfurización de gas de combustión en húmedo de una planta de energía se enfría en el equipo de procesamiento precedente existente antes de introducirse al sistema de eliminación de bióxido de carbono 10 y el montaje de absorción 12. Mientras el gas de combustión saturado con agua se enfría, el agua se condensa. Este gas de combustión se comprime y enfría más a 15°C (59°F), es decir a la temperatura de la primera columna de absorción 14.
El gas de combustión se introduce a la primera columna de absorción 14, pasa hacia arriba a través de la columna empacada y hace contacto en contra corriente por la solución de absorción amoniacal. Se captura el C02 por la solución amoniacal. Aproximadamente 70 por ciento del bióxido de carbono capturado por el sistema 10 se captura en la primera columna 14. El primer absorbente opera a aproximadamente 15°C (59°F) para tomar ventaja de la velocidad de reacción incrementada de esta temperatura relativamente alta. Esta alta temperatura de operación también evita la producción de sólidos en la columna empacada. La velocidad de flujo de la solución amoniacal del tercer absorbente 18 al primer absorbente 14 se iguala a la velocidad de flujo de la solución de alimentación pobre del tercer absorbente. El calor de reacción se elimina de la columna 14 ai pasar la solución amoniacal a través de un intercambiador térmico enfriado con agua fría 24 localizado en el bucle de circulación 20.
La solución amoniacal se bombea desde la tercera columna de absorción 18 a la primera columna de absorción 14. Durante la circulación en la primera columna de absorción 14, la solución aumenta el contenido de C02 por la captura del gas de combustión. El contenido de C02 de la solución amoniacal aumenta a la concentración de saturación pero no precipita sólidos debido a la temperatura de operación relativamente alta.
El gas de combustión ahora se introduce a la tercera columna de absorción 18. El gas de combustión pasa hacia arriba desde la columna empacada 18 y hace contacto con la solución amoniacal pobre introducida en la tercera columna 18 a contra corriente. El calor de la reacción se elimina al circular la solución a través de un intercambiador térmico enfriado por agua fría en el bucle de circulación 48. La solución pobre del proceso de regeneración se introduce en la parte inferior de la columna 18 para mezclarse con la solución de inventario que ya está presente. Esto no requiere una bomba de cabeza alta ya que el cambio en elevación es pequeño (el tanque de alimentación' de solución pobre se localiza sobre el suelo, así como la parte inferior del tercer absorbente 18). El flujo es limitado dependiendo de la velocidad de flujo de gas de combustión que se procesa. La solución amoniacal adicional que se descarga desde la segunda columna de absorción 16 también se introduce en la tercera columna de absorción 18. Aproximadamente 20 por ciento del C02 capturado se captura en la tercera columna de absorción 18.
La solución se circula en el tercer absorbente 18 para capturar C02 del gas de combustión que pasa a través del mismo. Los sólidos no se producen en esta etapa del proceso de absorción. El tercer absorbente 18 opera a una temperatura de 10°C (50°F) para mejorar la captura de C02 de la corriente de gas de combustión que ya ha tenido la mayor parte de C02 eliminado. Los sólidos no se producen' debido a que la solución que circula es relativamente pobre (no saturada con productos de C02).
El gas de combustión a continuación se introduce a la segunda columna de absorción 16. El gas de combustión pasa hacia arriba a través del lecho empacado para hacer contacto en contra corriente con la solución amoniacal que circula mediante el bucle 40. Esta columna de absorción 16 se opera a una temperatura inferior, aproximadamente 7°C (45°F) para ayudar a capturar vapores de amoníaco perdidos de las columnas de absorción previas 14 y 18 al gas de combustión. Un poco de C02 (aproximadamente 10 por ciento del total capturado) también se captura en la segunda columna de absorción 16. El calor de reacción se elimina al circular la solución de absorción a través de un ¡ntercambiador térmico enfriado con agua fría 44.
La solución amoniacal transferida a la segunda columna de absorción 16 se satura con C02 disuelto (bicarbonato de amonio) mientras sale del hidrociclón. La temperatura de la solución de absorción se aumenta parcialmente por medio del ¡ntercambiador térmico 54 para desaturar la solución de absorción amoniacal y para evitar la formación de sólidos en la segunda columna de absorción 16. Parte del aumento de temperatura se logra por intercambio térmico. El resto del aumento de temperatura es debido al calor de reacción en la segunda columna de absorción.
La solución de absorción amoniacal que viene desde la segunda columna de absorción 16 se bombea a la tercera columna de absorción 18. En la tercera columna de absorción 18, la solución de la segunda columna 16 se mezcla con la solución pobre entrante del regenerador y el inventario de solución existente. En este punto el proceso se inicia de nuevo, formando un bucle de circulación.
Compuestos C02 (bicarbonato de amonio) se eliminan de la solución contenida en la primera columna de absorción 14 en la siguiente manera: La solución se bombea por la bomba 28 desde la primera columna de absorción 14 y se introduce a un intercambiador térmico 54. Se proporciona enfriamiento para el intercambiador térmico por la solución fría libre de sólidos que regresa del hidrociclón 34. A continuación la solución pasa a través de un segundo intercambiador térmico 56 para enfriar la solución lo suficientemente para que cantidades significativas de sólidos se precipiten de la solución. El enfriamiento para el segundo intercambiador térmico 56 se proporciona por agua fría. El intercambiador térmico 54 reduce la temperatura de la solución a 13°C (55°F). En el proceso de enfriar la solución, el límite de solubilidad del bicarbonato de amonio se alcanza y los sólidos comienzan a precipitarse.
La solución con sólidos luego fluye al segundo intercambiador térmico 56 que se enfría por agua fría. Este intercambiador térmico 56 enfría la solución y los sólidos a 5°C (41 °F) para completar la precipitación de sólidos de la solución. Parte de la carga de calor del segundo intercambiador térmico es el calor de cristalización de los sólidos de bicarbonato de amonio. La solución saturada rica liberará sólidos de bicarbonato de amonio a una velocidad que corresponde a la velocidad de captura de C02 de los absorbentes. Los sólidos en el fango pueden alcanzar aproximadamente 10 por ciento en peso en este punto.
La. carga de calor de este segundo intercambiador térmico 56 es alto durante encendido del proceso. Después de que el proceso está en operación, el único trabajo de calentamiento de este intercambiador 56 es la cantidad relativamente pequeña de enfriamiento requerido para bajar la temperatura de la solución de proceso desde aproximadamente 13°C (56°F) hasta 5°C (41 °F). Esta carga de calor realmente enfría la corriente de alimentación de fango rico e incluye la carga de calor de cristalizar los sólidos de bicarbonato de amonio fuera de la solución.
El fango producido en los intercambiadores térmicos 54 y 56 luego se dirige al hidrociclón 34 para eliminación de sólidos. El hidrociclón 34 elimina esencialmente todos los sólidos junto con un poco de la solución amoniacal líquida. Se elimina suficiente líquido con los sólidos para evitar el atasco de tuberías y equipo de control corriente abajo.
El flujo inferior de fango se envía a un tanque de almacenamiento de alimentación rica para ser alimentado al regenerador. El nivel de líquido en el tanque de alimentación rica se controlará al balancear la velocidad de flujo de entrada de fango con el flujo de salida de alimentación rica (fango) al regenerador.
La solución superior esencialmente libre de sólidos (menos que 1 % en sólidos) se transfiere de vuelta al primer intercambiador térmico 54 en donde se utiliza para enfriar la solución saturada que viene desde la primer columna de absorción 14. La solución libre de sólidos se calienta al mismo tiempo a aproximadamente 7°C (45°F). Cualquier diferencia en la temperatura requerida para control de proceso se corrige al ajusfar el flujo refrigerante a los otros intercambiadores térmicos del proceso del absorbente 24, 44 y 62.
La solución libre de sólidos luego se dirige a la segunda columna de absorción 16 para continuar el proceso de absorción. En el segundo absorbente 16, la solución se mezcla con el inventario de la columna y se utiliza para capturar amoníaco del gas de combustión que fluye desde el tercer absorbente 18. La concentración alta de amoníaco en el tercer absorbente 18 resulta en las altas pérdidas de amoníaco del gas de combustión que fluye al segundo absorbente 16. Un poco de C02 también se captura en el segundo absorbente (aproximadamente 10 por ciento del total de C02 capturado).
Deberá notarse que el enfriamiento de la solución amoniacal antes de la entrada al hidrociclón 34 no aumenta la carga de enfriamiento del proceso ya que de otra forma el enfriamiento habría tenido que incrementarse en los bucles de recirculación debido a las reacciones exotérmicas que se llevan a cabo en los absorbentes.
El bicarbonato de amonio sólido no está presente en los absorbentes. Esto permite el uso de materiales de empaque que son sensibles a la presencia de sólidos pero proporciona excelente transferencia de masa. Las bombas que proporcionan circulación nunca se afectan por la presencia de sólidos. Los sellos de la bomba tampoco se afectan por la presencia de sólidos.
El bicarbonato de amonio se precipita fuera de la solución en los intercambiadores térmicos 54 y 56 fuera del montaje de absorción 12. Estos intercambiadores térmicos están fuera del proceso de absorción y se fabrican de manera tal que no son afectados en forma adversa por la presencia de sólidos.
La solución amoniacal que está libre de sólidos después de salir del hidrociclón se recalienta por intercambio en el intercambiador térmico 54 para recuperar el refrigerante que se utilizó para ocasionar la precipitación. Esta etapa ahorra el costo de cualquier enfriamiento que puede ser recuperado, reduciendo así la pérdida de energía en el proceso completo.
La solución enviada al segundo absorbente 16 para la captura de amoníaco no contiene sólidos de manera que la deposición de sólidos en el absorbente no ocurre. La temperatura de la solución que regresa está por encima de la temperatura de saturación de bióxido de carbono de manera que bicarbonato de amonio adicional puede producirse sin permitir ninguna deposición de sólidos.
La solución que viene desde el segundo absorbente 16 se dirige al tercer absorbente 18 para mezclarse con la solución pobre entrante para reanudar el proceso de captura de C02. Este destino evita la acumulación de sólidos en la solución que se mostrado que tiene efectos perjudiciales.
Mientras aumente el porcentaje en peso de sólidos de la alimentación de fango rico al generador, el calor por unidad de masa del producto de C02 producido disminuye. La razón de esto es la reducción de calentamiento significativa requerida para el líquido que acompaña al fango en altos porcentajes en peso contra la cantidad relativamente grande de líquido acompañando los sólidos en un fango de bajo porcentaje de peso de sólidos.
El costo del equipo del proceso completo se reduce al dar un tamaño correcto a los intercambiadores térmicos para que las columnas absorbentes solo retiren el calor requerido para mantener las condiciones del proceso. Un poco de calor de reacción y la mayor parte del enfriamiento del gas de combustión requerido por el proceso se eliminan al agregar una solución fría del hidrociclón superior de vuelta a los absorbentes.
Mientras la invención se ha descrito en referencia a un número de modalidades preferidas, se entenderá por aquellos con destreza en la técnica que diversos cambios pueden llevarse a cabo y equivalentes pueden sustituirse por elementos de los mismos sin alejarse del alcance de la invención. Además, muchas modificaciones pueden llevarse a cabo para adaptar una situación o material particular a las enseñanzas de la invención sin alejarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se pretende que la invención no se limite por las modalidades particulares descritas como el mejor modo hasta ahora contemplado de llevar a cabo esta invención, si no que la invención incluirá todas las modalidades que están dentro del alcance de las reivindicaciones anexas. Aún más, el uso de los términos primero, segundo, etc., no denotan ningún orden de importancia o cronología, si no que los términos primero, segundo, etc., se utilizan para distinguir un elemento de otro.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1 . Un método para eliminar bióxido de carbono de un gas de proceso, el método caracterizado porque comprende a) permitir que una solución amoniacal se introduzca en un montaje de absorción, dicho montaje de absorción (comprende al menos, un primer absorbente que opera a una temperatura de entre aproximadamente 10 a 20°C (50 a 68°F); b) contactar la solución amoniacal con el gas de proceso en el primer absorbente, la solución amoniacal captura al menos una parte del bióxido de carbono del gas de proceso; c) permitir que la solución amoniacal salga del montaje de absorción después de la captura de bióxido de carbono; d) enfriar la solución amoniacal, a una temperatura entre aproximadamente 0 a 10°C (32° a 50°F) fuera del montaje de absorción, en donde al menos una parte del bióxido de carbono capturado se precipita como sal sólida; e) permitir que la solución amoniacal enfriada se introduzca a un separador, en cuyo separador al menos una parte de los sólidos precipitados se eliminan de la solución amoniacal, después de lo cual se permite que la solución amoniacal salga del separador; f) calentar la solución amoniacal; y g) permitir que la solución amoniacal calentada se reintroduzca en el montaje de absorción.
2. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la temperatura de la solución amoniacal en b) es de entre aproximadamente 10 y 20°C (50 y 68°F).
3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la temperatura de la solución amoniacal en b) es de aproximadamente 15°C (59°F).
4. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la solución amoniacal en d) se enfría hasta aproximadamente 5°C (41 °F).
5. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la solución amoniacal en f) se calienta hasta al menos 7°C (45°F).
6. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la solución amoniacal en f) se calienta hasta entre aproximadamente 7 y 15°C (45 y 59°C).
7. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la solución amoniacal en f) se calienta hasta entre aproximadamente 7 y 10°C (45 y 50°C).
8. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el enfriamiento de d) y el calentamiento de f) se logra al menos parcialmente mediante un intercambiador térmico, en cuyo intercambiador térmico la solución amoniacal que sale del montaje de absorción en c) es el medio de calentamiento y la solución amoniacal que sale del separador en e) es el medio de enfriamiento.
9. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el enfriamiento de d) se logra al menos parcialmente por medio de un intercambiador térmico, en cuyo intercambiador térmico se utiliza agua fría como un medio de enfriamiento.
10. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el separador es un hidrociclón.
1 1 . El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque un poco de solución líquida también se elimina junto con los sólidos en el separador, formando una suspensión o fango de salida, cuya suspensión o fango tiene un contenido de sólidos de entre aproximadamente 10% y 20% en peso de la suspensión o fango.
12. El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende: h) contactar la solución amoniacal caliente con el gas de proceso en un segundo absorbente del montaje de absorción, el segundo absorbente se separa del primer absorbente, la solución amoniacal absorbe y disuelve al menos una parte del bióxido de carbono del gas de proceso en el segundo absorbente.
13. Un sistema de eliminación de bióxido de carbono para eliminar bióxido de carbono de un gas de proceso, el sistema caracterizado por un montaje de absorción, que comprende al menos un primer absorbente, dicho primer absorbente se configura para, dentro del primer absorbente, permitir contacto entre el gas de proceso y una solución amoniacal de manera tal que al menos una parte del bióxido de carbono del gas de proceso se captura por la solución amoniacal; un primer intercambiador térmico configurado para enfriar la solución amoniacal incluyendo bióxido de carbono capturado después de que ha salido del montaje de absorción; un separador configurado para eliminar al menos una parte de cualquier sólido en la solución amoniacal enfriada después de que ha salido del primer intercambiador térmico; un segundo intercambiador térmico configurado para calentar la solución amoniacal después de que ha salido del separador; y tubería conectada y configurada para permitir un flujo de la solución amoniacal entre, el montaje de absorción y el primer intercambiador térmico, el primer intercambiador térmico y el separador, el separador y el segundo intercambiador térmico, así como el segundo intercambiador térmico y el montaje de absorción.
14. El sistema de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el primer y segundo intercambiadores térmicos se configuran para cooperar entre sí de manera que la solución amoniacal que se enfría en el primer intercambiador térmico es al menos parcialmente enfriada por la solución amoniacal que se calienta en el segundo intercambiador térmico como medio de enfriamiento, y la solución amoniacal que se calienta en el segundo intercambiador térmico se calienta al menos parcialmente por la solución amoniacal que se enfría en el primer intercambiador térmico como medio de calentamiento.
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