NO20092627A1

NO20092627A1 - Kanalintegrert behandlingskonsept

Info

Publication number: NO20092627A1
Application number: NO20092627A
Authority: NO
Inventors: Dag Arne Eimer; Knut Ingvar Asen; Torbjorn Fiveland; Nils Henrik Eldrup
Original assignee: Statoil Asa
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-11
Also published as: EP2461890A1; US20120174784A1; WO2011005116A1; CN102596366A; RU2532743C2; RU2012104616A; CA2767217A1

Abstract

Beskrevet er en prosess for å fange CO2 fra en gasstrøm, omfattende: ¿ å sprøyte små dråper av en absorpsjonsvæske inn i gasstrømmen i gassens strømningsretning, og ¿ oppsamle de små dråpene nedstrøms, kjennetegnet ved at de små dråpene introduseres med en hastighet som er stor nok til å tvinge gasstrømmen gjennom CO2-fangningsprosessen uten noe vesentlig trykktap.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for å fjerne CO2fra en gasstrøm og en fremgangsmåte for dette.

Isolasjonen av CO2har i de år fått mer oppmerksomhet særlig på grunn av miljømessige problemstillinger som er knyttet til dette. Der finnes et ønske om å være i stand til å fjerne karbondioksid fra forskjellige typer av gasstrømmer for å gjøre prosessene mer miljøvennlige. En av fremgangsmåtene som er blitt undersøkt er bruken av en oppløsning av en absorbent. Oppløsningen bringes i kontakt med en avgass omfattende CO2og nevnte CO2absorberes i væsken, som adskilles fra gassfasen før nevnte CO2frigis ved å endre de fysiske betingelser.

Den konvensjonelle fremgangsmåte for å fjerne CO2fra avgass ville være ved bruken av en standard absoipsjonsutsMllingsprosess som vist på fig. 1.1 denne prosess har gassen sitt trykk forøkt ved hjelp av en vifte enten før eller etter en indirekte eller direkte kontaktkjøler. Gassen mates så til et absorpsjonstarn der gassen bringes i kontakt motstrømsmessig med en absorbent som strømmer nedad. I toppen av kolonnen er en vaskeseksjon montert til å fjerne, hovedsakelig med vann, rester av absorbent som følger gassen fra C02-fjerningsseksjonen. Absorbenten, som er rik i CO2, fra absorbererbunnen, pumpes til toppen av utskillingskolonnen med en varmegjeiivhiningsvarmeveksler som gjør den rike absorbent forutvarmet før den går imi i utskillingståmet. I utskillingstårnet blir nevnte CO2strippet ved hjelp av damp som beveger seg opp i tårnet. Vann og absorbent som følger CO2over toppen gjenvinnes i kondensatoren over utskillertoppen. Damp dannes i kokeren hvorfra absorbenten som er mager med hensyn til CO2pumpes via vamiegjenviimingsvarmeveksleren og en kjøler til toppen av absorpsjonskolonnen.

De kjente prosesser for å fjerne CO2fra avgass involverer utstyr som bevirker et trykkfall i gassen. Dersom et trykkfall tillates, ville det bevirke en bykkoppbygning i utløpet fra lcraftgenereringsanlegget eller annet anlegg som genererer CC>2-avgassen. Dette er uønsket. I tilfellet av en gassturbin ville det føre til redusert vfrkningsgrad i kraftgenereringsprosessen. For å motvirke denne ulempe, behøves en kostbar avgassvifte.

Et ytterligere problem med eksisterende teknologi er at absorpsjonstårnet og den foregående avgasskjøler er kostbare gjenstander.

Det vanlige CCVfangstanlegg trenger også et betydelig areal å bli bygget på. WO00/74816 omhandler et system for CCVfangst. Systemet kan anordnes som en horisontal kanal, der gassen bringes i kontakt med to forskjellige absorpsjonsvæsker i to naboliggende seksjoner. En skjerm inngår for å unngå at væske transporteres fra én seksjon inn i den neste seksjonen. Væskene regenereres og omberegnes.

Siktemålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte og anordning for å fjerne CO2fra en gasstrøm, der fremgangsmåten tilveiebringer et redusert trykktap, er ikke avhengig av bruken av gassvifter, og fortrinnsvis krever mindre energi emi den tradisjonelle fremgangsmåte. Dessuten er siktemålet å tilveiebringe en løsning som krever mindre areal å bygge på. Det er også et mål å tilveiebringe en løsning som kan integreres med en ny, effektiv utskilhngsfremgangs-måte og anordning.

Et ytterligere mål er å tilveiebringe et system som kan effektivt kombinere et anlegg som anvender resirkulermg av avgass.

Det er også tilsiktet å tilveiebringe et system som muliggjør kombinasjon med forut-behandlingssystemer for å fjerne andre uønskede sammensetninger i gasstrømmen.

De ovennevnte siktemål nås ved hjelp av et system og en fremgangsmåte i henhold til de vedlagte selvstendige krav. Ytterligere fordelaktige trekk og utførelsesformer er nevnt i de underordnede krav.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører C02-gjenvrmring fra avgass. Den foreliggende oppfinnelse kan anvendes i forbindelse med gasser som kommer fra forskjellige typer av inm*etninger. Disse innretninger kunne være kombinert syklusgassdrevne kraft-anlegg, kjeler, sementfabrikker, raffinerier, oppvarmingsovner for endotermiske prosesser slik som en dampomdanning av naturgass eller lignende kilder av røykgass som inneholder CO2.

En lang avgasskanal vil behøves i praktisk talt alle tilfeller av CCVfangst fra avgassen for transportering av gassen fra anlegget som genererer gassen til anlegget for fangst av CO2. Å sette dette i god bruk involverer ikke ekstra kostnader for avgasskanalen som sådan.

I henhold til ett aspekt ved den foreliggende oppfinnelse blir det nødvendige kontakt-areal mellom gass og væske tilveiebrakt ved å sprøyte små væskedråper inn i gassen i selve avgasskanalen, for således å emninere absorpsjonstårnet. Direktekontaktkjøleren som normalt er foregående dette tårn, kan også erstattes ved å gjøre den samme kontakt-damielse i en seksjon i selve kanalen.

Utnyttelse av en del av avgasskanal som behøves uansett for å transportere avgassen til C02-fangstanlegget. Det er ikke normalt plass til å bygge CC>2-fangstanlegget vegg-i-vegg med kraftanlegget. Ved å gjøre dette blir den konvensjonelle DCC og absorpsjons-kolonne eliminert. Denne utnyttelse representerer en meget betydelig kostnadsbespar-else.

Kanalen forventes å være hovedsakelig horisontal, men den kunne ha en vinkel mellom 0° og 60°. Retningen av helningen kan gå den ene eller annen vei, og retningen av helningen kan endre seg langs kanalens bane. Kanalen kan også endre retning, fra 1 til 180 grader.

Den foreliggende oppfinnelse reduserer både kapitalkostnader og sparer energi.

Ifølge én utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse dirigerer dyser spruten i strømriingsretningen av avgassen, hvorved gassen skyves langs i kanalen. Den kinetiske energi som således påføres gassen mer enn overvinner gasstrykkfallet i kanalen. Dette betyr at oppstrørnskanalen eller kanalene kan opereres ved et lavere absoluttrykk. En konsekvens av dette er at utgangstrykket fra oppstrømsgassturbmen (når det er aktuelt) kan operere ved et redusert trykk sammenlignet med den vanlige teknologi, og dette reduserte trykk ved gassturbinutgangen øker gassturbinens virkningsgrad, hvilket fører til større kraftproduksjon.

Det reduserer kapitalkostnaden, sparer energi og kan endog føre til økt energiproduksjon fra gassturbinen.

Den foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet i nærmere detalj med henvisning til de vedlagte figurer, der: Fig. 1 viser en konvensjonell absorpsjonsutskillingsprosess; Fig. 2 viser et flytskjema for en utførelsesform ifølge den foreliggende oppfinnelse; Fig. 3 viser en utførelsesform der kanalen innbefatter direkte kontaktkjøling og en vaskeseksjon; Fig. 4 viser drifts- og likevektslinjene for C02-absorpsjonsprosessen vist på fig. 3;

Fig. 5 viser en utførelsesform med en integrert forutbehandlingsseksjon; og

Fig. 6 viser utførelsesformen med avgassresirlculering.

Fig. 1 viser en konvensjonell fremgangsmåte for å fjerne CO2fra avgass ved å anvende en vanlig absorpsjonsutstillingsprosess. I denne prosess får gassen P10 sirt trykk forøkt ved hjelp av en vifte P21 enten før (som vist) eller etter en indirekte eller direkte kontaktkjøler P20. Gassen blir så matet til et absorpsjonstårn P22, der gassen bringes motstrøms i kontakt med en absorbent P40 som strømmer nedad. I toppen av kolonnen er en vaskeseksjon montert for å fjerne, hovedsakelig med vann, rester av absorbent som følger gassen fra C02-fjerningsseksjonen. Vaskevæsken P41 innføres ved toppen og trekkes ut lenger nede som P42. Den CCVutarmede gass fjernes over toppen som P12. Absorbenten, som er rik i CO2P32 fra absorbererbunnen pumpes til toppen av utskillhigskolonnen P30 via en varmegjenvinningsvarmeveksler P28 som gjør den rike absorbent P36 fomtoppvarmet før den går inn i utskHlingståmetP30.1 utskillingstårnet blir nevnte CO2strippet ved hjelp av damp som beveger seg opp i tårnet. Vann og absorbent som følger CO2over toppen gjenvinnes i kondensator P33 over utskillertoppen. Damp dannes i kokeren P31 hvorfra absorbenten, som er mager med hensyn til CO2P38 pumpes via vannegjenvuiningsvarnieveksleren P28 og en kjøler P29 til toppen av absorpsjonskolonnen P22. Damp tilføres kokeren som strøm P61. Den isolerte CO2forlater som strøm P14. Fig. 2 illustrerer hovedfluidsfrømmer i en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse. Avgass 10 går inn i kanalen 1 ved én ende. Absorpsjonsvæske omfattende en CC>2-absorbent og et fortyninngsmiddel sprøytes inn i kanalen fra en dyseinrjretning 15. Absorpsjonsvæsken sprøytes hovedsakelig i strøimiingsretningen for avgassen og med en hastighet som er stor nok til i det minste å kompensere for trykktapet i den første delen av kanalen. De små dråpene av absorpsjonsvæske faller gjennom gasstrømmen og absorberer CO2fra denne. Den CCVrike absorpsjonsvæsken oppsamles oppstrøms ved et oppsamlingspunkt 23 ved den nedre del av kanalen. De så dråpene oppsamles ved bruken av en tålcefjemer/smådråpefanger. Den CC>2-rike absorpsjonsvæsken 19 pumpes via pumpe 43 inn i føring 32 som er forbundet med et utskillingsanlegg. Utskillingsanlegget kan være et tradisjonelt utskillingsanlegg som vist på fig. 1, eller det kan være et hvilket som helst annet system for å utstille CO2fra en absorbentvæske. I utførelsesformen som er vist på fig. 2 fortsetter avgassen nedstrøms i kanalen og en andre absorpsjonsvæske sprøytes inn i gassen fra en dysenmetning 17. Absorpsjonsvæsken sprøytes hovedsakelig i strørnrrnigsretningen for avgassen og med en hastighet som er stor nok til i det minste å kompensere for trykktap i denne andre del av kanalen. De små dråpene av absorpsjonsvæske faller gjennom gassfrømmen og absorberer CO2fra denne. Den CCtø-rike absorpsjonsvæsken oppsamles oppstrøms ved oppsamlingspunkt 24 ved bunnen av kanalen. Den CCVrike absorpsjonsvæsken oppsamlet ved punkt 24 pumpes via pumpe 16 opp til dysernmetningen 15. Avgassen fortsetter nedstrøms i kanalen og mager absorpsjonsvæske 40 sprøytes inn i gass fra dyseanordningen 1. Absorpsjonsvæsken sprøytes hovedsakelig i strømningsretningen for avgassen og med en hastighet som er stor nok til i det minste å kompensere for trykktapet i denne tredje del av kanalen. De små dråpene av absorpsjonsvæske faller gjennom gasstrømmen og absorberer CO2fra denne. Den CCfe-rike absorpsjonsvæsken oppsamles oppstrøms ved oppsamlingspunkt 25 ved en nedre del av kanalen. Den CO2-rike absorpsjonsvæsken oppsamlet ved punkt 25 pumpes via pumpe 18 opp til dyseanoniningen 17. Den CCVutarmede avgass forlater kanalen ved den andre enden som strøm 12.

Kanalen kan være horisontal eller ha en vinkel inntil 60 grader. Kanalen kan dessuten innbefatte én eller flere tåkefjernere eller lignende anordninger for å oppsamle de små dråpene av absorpsjonsvæske. De små dråpene vil så bh introdusert ved en hastighet som er stor nok til å skyve gasstrømmen fremover gjennom tåkefjernerne.

Fig. 2 viser den grunnleggende konfigurasjon av en tveiTStrømningsbehandling i avgasskanalen. Dysene i denne figur peker nedad. Dette er imidlertid kun for tegnings-bekvemmelighet. Hensikten er å la dysene peke i retningen av gasstrømmen.

Én utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse kan beskrives med henvisning til fig. 3. Avgassen går inn i avgasskanalen som normalt ville være tom for prosessutstyr for de 150-250 meter som leder som det konvensjonelle CCVfangsanlegg. Ved et passende punkt kort etter innføringen av gassen er her, i seksjon C, sprøytet med kjølende vann til å danne en direktekontaktkjøler. Det kjølende vann resirkuleres bortsett fra en mulig rensing. Resirkuleringen skjer via pumpe og kjøler til et punkt der denne strøm blandes med komprimert gass i sprøytedyser (forstøvningsdyser). De små dråpene som skapes i denne seksjon oppsamles i nedstrømssmådråpefangeme.

I en annen utførelsesform blir trykket for kjølevannet økt til 5-100 bar, fortrinnsvis i området 5-10 bar, med en pumpe før det går ut gjennom sprøytedysene. Den absorberende væske kan også innføres til kanalen på den samme måten.

Gassen for dysen som sprøyter komprimeres i en kompressor som er felles for alle dysebatterier som anvender forstøvnitigsdyser. I én utførelsesform er sugegassen avgass som hensiktsmessig ekstraheres fra kanalen nedstrøms for DCC-seksjonens smådråpe-fangere.

Den avkjølte avgass går nå inn i CCh-absorpsjonsseksjonen Al, der gassen bringes i kontakt samtidig og tverrstrømsmessig med den CCVrikeste absorbentoppløsning som passerer gjennom absorpsjonsprosessen. Væsken blir igjen sprøytet inn i kanalen via dyser. De små væskedråpene fanges i nedsfrømssmådråpefangeme. Den rike absorbentvæsken som er oppsamlet pumpes fra Al-seksjonen til utskillmgsprosessen som ikke er ytterligere beskrevet hei". Den flytende absorbent som sprøytes inn i seksjon Al pumpes fra seksjon A2 hvor det er mindre CO2i gassen og utløpsvæsken er således mindre rik på CO2enn det som kommer ut av Al-seksjonen. Drifts- og likevektslinjene for CO2-fjerningsprosessen er vist på fig. 4. Også A2-seksjonen har gassvæskekontakt som følger det samme mønsteret som i seksjon Al. Væsken til seksjon A2 kommer fra seksjon A3, der C02-nivåene er de laveste i både gassen og væsken. Absorbentvæsken som sprøytes inn i seksjon A3 er den magre absorbent som kommer tilbake fra utsldlliiigsprosessen i en regenerert tilstand. Smådråpefangeme nedstrøms i seksjon A3 ville på gunstig måte bli utformet til å foreta en mer rigid smådråpefangst enn de andre seksjonene, ettersom eventuelt slipp av absorbent vil sette et større krav til absorbentgjeiivimiingsseksjonen W.

Funksjonen av seksjon W er å vaske hovedsakelig all absorbent som føres med gassen fra seksjon A3 ut. Dette oppnås ved å sirkulere hovedsakelig vann over seksjonen via en pumpe og en kjøler. En utskilling for å resirkulere fanget absorbent og en tilsatt vann-strøm kunne anvendes som hensiktsmessig for resnkulerin<g>sstrørnmen. Potentialet for å fjerne absorbent fra avgassen bestemmes av konsentrasjonen av fri absorbent i vaskevæsken, og dens temperatur. Der kan finnes et behov for mer enn én slik vaskeseksjon, og som kan lett tilføyes.

Det er blitt funnet at smådråpesprøytingene skyver gassen langs kanalen i den utsfrekning at ingen avgassvifte behøves.

Antallet av triiin som behøves for C02-absorpsjon er en avveiing mot absorbent-sfa-ømning. I prinsippet ville ett trinn være nok dersom tilstrekkelig væske ble sirkulert, men dette ville bety en mengde av væske. To uinn eller flere er tenkelige. I den vanlige motstrømsabsorpsjonssøyle kan det vises at 2 til 3 likevektstrinn ville være tilstrekkelig.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse blir kanalintegrert behandling (CIT = Channel Integrated Treatment) kombinert med en forbehandlingsseksjon og en resirkiilerhig av avgass. Disse trekk er beskrevet i nærmere detalj i fig. 5 og 6.

Fig. 5: CIT-konseptet er her vist utvidet med avgassforbehandling. Dette er relevant for kulldrevne kraftstasjoner og et utvalg av industrielle arrangementer der CO2-gjenvinnhig behøves, Forbehandlingen kunne ha én eller flare oppgaver. Den kunne for eksempel være en sjøvannsvask der bivfringsegeiiskaper for sjøvann utnyttes til å absorbere SO2fra avgassen. Dersom dette ikke ble gjort, ville SO2reagere irreversibelt med den alkaliske absorbent som anvendes til å fange CO2, hvilket således fører til et større forbruk. En slik prosess kunne også skrubbe gassen med hensyn til partikler. Begge disse funksjoner ville typisk kreves nedstrøms for kufibrenning. Fra en alummiumssmelter kan gassen inneholde HF, og flere eksempler kunne gis. Fluidregenereringen i forbeliandlingsseksjonen kunne for eksempel være et filter til å inneholde partikler. I tilfellet av SCVabsorpsjon i sjøvann, ville det beste handlingsforløp være å ha en utskiller der SO2røfledes med sjøvann som sulfitt som i sin tur ville bli oksidert til sulfat i sjøvannet, en substans som er allerede i sjøvann i mengder.

Forbehandlingsseksjonen ville logisk anvende de samme teknologier for dyser og smådråpefaiigere som de andre seksjonene.

Fig. 6: Nevnte CIT er vist integrert med en forbehandlingsseksjon og kombinert med en avgassresirkulering (EGR = Exhaust Gas Recycle). Fordelen med å anvende en EGR er at den volmnetriske avgassfrømning vesentlig reduseres, hvorved muliggjøres en reduksjon av tverrsnittsarealet i gassfrømningsseksjonene, hvilket reduserer kapitalkostnadene ved behandling.

Claims

1. Fremgangsmåte for å fange CO2fra en gasstrøm, omfattende trinnene: • å sprøyte små dråper av en absorpsjonsvæske inn i gasstrømmen i gassens strømiiingsretning, og • oppsamle de små dråpene nedstrøms, karakterisert vedat de små dråpene introduseres med en hastighet som er stor nok til å tvinge gasstrømmen gjennom C02-fangningsprosessen uten noe vesentlig trykktap.

2. Anordning for å fange CO2fra en gasstrøm, omfattende: • dyse eller dyser for å sprøyte små dråper av en absorpsjonsvæske imi i gasstrømmen i gassens steøimiingsretning, og • middel for å oppsamle de små dråpene nedstrøms, karakterisert vedat dysen eller dysene introduserer små dråper som har en hastighet som er høy nok til å tvinge gasstrømmen gjennom CO2-fangirhigsprosessen uten noe vesentlig trykktap.