Gázabszorpció. Környezetbarát és katalitikus folyamatok Nagy Tibor

Átírás

1 Gázabszorpció Környezetbarát és katalitikus folyamatok 2016

2 Főbb témakörök Gázabszorpció bevezetés, főbb területek, típusok, ellenáramú, egyenáramú stb. CO 2 leválasztás Főbb befolyásoló paraméterek Félüzemi rendszerek Félüzemi rendszerek modell vizsgálata

3 Gázabszorpció Gázabszorpció során gáz komponenseket választunk el egymástól úgy hogy az elválasztott komponens a folyadék fázisba kerül. Az oldószer folyadék: abszorbens Készülék neve: abszorber Fizikai: gázkomponens oldódik az abszorbensben aminek a korlátja a beálló fázis egyensúly Henry törvény :P A =H*x A Kémiai (reaktív): magyar könyvekben: kemiszorpció/kemoszorpció, angolul reactive absorption, abszorbeált gáz és az abszorbens között kémiai reakció. Hibrid: fizikai és reaktív abszorpció keveréke speciális abszorbensekkel.

4 Fizikai és reaktív abszorpció Oldott anyag Abszorbens Abszorpció aceton víz fizikai akrilnitril víz fizikai ammónia víz fizikai etanol víz fizikai formaldehid víz fizikai sósav víz fizikai hidrogénfluorid víz fizikai kéndioxid víz fizikai kéntrioxid víz fizikai benzol, toluol szénhidrogének (olaj) fizikai butadién szénhidrogének (olaj) fizikai propán, bután szénhidrogének (olaj) fizikai naftalin szénhidrogének (olaj) fizikai széndioxid NaOH (víz) irreverzibilis reaktív sósav NaOH (víz) irreverzibilis reaktív hidrogén- fluorid NaOH (víz) irreverzibilis reaktív kéksav NaOH (víz) irreverzibilis reaktív hidrogén-szulfid NaOH (víz) irreverzibilis reaktív klór víz reverzibilis reaktív CO 2 és H 2 S MEA+DEA reverzibilis reaktív CO 2 és H 2 S DEG+TEG reverzibilis reaktív

5 Ellenáramú abszorpció Több fokozat, hatékonyabb leválasztás

6 Minimális abszorbens mennyiség Elméleti határ Gyakorlatban a két szélső állapot: elárasztás (flooding) (több fajta), csanotrnázásodás (channeling)

7 Egyenáramú abszorpció Ritka alkalmazás Nincs minimális L/G arány (rugalmas működtetés)

8 Abszorberek: Töltött oszlop Előnyök: Kis nyomásesés Kis átmérő Habzó rendszerekre alkalmas Egyszerű szerkezet. Megfelelő töltettel korrózió álló. Csökkenti visszakeveredés képest permetezni oszlopokat. Jobb anyagátadás mint permetező kolonna. Hátrányok: Folyadékcsatornák kialakulása Nagy és kis L/G arányok problémások Nagy viszkozitású folyadékokra alkalmatlan Anyagátadási felület megtartásához folyamatosan kell nedvesíteni a töltetet

9 Abszorberek: Permetező oszlop Előnyök: Kis nyomásesés. Csak egy szakasz. Hátrányok: Nagy szivattyúzási költség. Gáz áramban köd képződés Kis anyagátadási tényező. Alacsony tartózkodási idő. Visszakeveredés. Csepp összeállás.

10 Abszorberek: tányéros oszlop Előnyök: A tányérokon hatékonyabb az anyagátadás mint az ellenáramú töltött kolonnáknál. Költséghatékony kis és nagy L/G munkapontoknál. Szilárd fázis jelenléte sem okoz problémát. Hátrányok: Nagy nyomásesés. Dugulás, eltömődés is előfordulhat.

11 További abszorberek Ellenáramú: folyadékfilmes felületi abszorber buborékoltató oszlop Egyenáramú: venturi mosó sugárfúvókás mosó vezetőcsöves sugárfúvókás mosó gáz buborékoltató abszorber

12 Egyszerű abszorber - deszorber rendszer

13 Deszorpció, abszorbens regenerálás Levegős sztrippelés Rektifikálás TSA Nyomás változtatás PSA

14 Abszorber-deszorber rendszer valójában Abszorber hűtés Abszorbens betáp megosztás/ elvétel Cseppleválasztás Többlépcsős deszorpciós nyomás Hőszívattyús deszorpciós elrendezés RPB abszorpció

15 CO 2 leválasztás Füstgázok Erőművi füstgázok Vasgyártási torokgáz Cementgyár füstgáz Ammónia gyártás, szintézis gáz Olajfinomítói ipari gázok Bio gázok Földgáz Stb.

16 Füstgázok Mitől függ az összetétel és változik-e az összetétel. Égetés típusa, munkapontok, légfelesleg, környzetváltozás (tél/nyár) Berendezés Gazdasági megfontolások, környezetvédelmi kritériumok.

17 Földgáz [1] Rojey A., Jaffaret C., Cornot-Gandolphe S., Durand B., Jullian S., Valais M., ÉditionsTechnip, Paris. [2] De Guido G., Master Thesis, Politecnico di Milano, Milano, Italy. [3] Parker M. E., Northrop P. S., Valencia J. A., Foglesong R. E., Duncan W. T., Energy Proced. 4,

18

19 Beágyazott abszorber-deszorber rendszer

20 Csővégi abszorber deszorber rendszer

21 Kereskedelmi forgalomban lévő rendszerek

22 Reaktív abszorpció bemutató

23 Permetező félüzemi abszorber deszorber rendszer Maximális gázáram: 150 Nm 3 /h Deszorber oszlop Pall- gyűrű rendezetlen töltet Magasság H = 3.5 m Belső átmérő d i =0.27 m Villamos fűtés 3 db PP permetező oszlop Magasság H = 5 m Belső átmérő d i =0.37 m

24 P&I diagram, Permetező kolonnás CO 2 leválasztó

25 hőmérséklet, C Példa: hőmérséklet mintavételezés : : : : : : :48

26 hőmérséklet, C Példa: hőmérséklet mintavételezés : : : : : : :48

27 hőmérséklet, C Példa: hőmérséklet mintavételezés : : : : : : :48

28 hőmérséklet, C Példa: hőmérséklet mintavételezés : : : : : : :48

29 Félüzemi abszorber-deszorber rendszer Flue gas source Natural gas burner Vol% CO2 Burner stage 1 (dry) CO2 content in the flue gas Burner stage Vol% CO2 (dry) Burner stage 2 + CO 2 recycle and CO 2 makeup Vol% CO2 by gas bottles (dry) Flue gas flow rate kg/h Solvent flow rate kg/h Inner diameter of absorber, desorber and washing 125 mm sections Type of paing in the absorber BX 500 Total height of packing in the absorber 4.25 m Type of packing in the desorber BX 500 Total height of packing in the desorber 2.55 m Type of packing in the washing sections of the Mellapak 250.Y absorber / desorber Total height of packing in the washing sections of the 0.42 m absorber / desorber

30 P&I diagram, félüzemi CO 2 abszorber-deszorber rendszerről

31 Folyamat modell Fázis egyensúly Entalpia Reakció kinetika Reaktív abszorpció Folyadék dinamika Anyag átadás Kémiai adatbázis Reakciók: Egyensúlyi (termodinamikai) modell: Elektrolit NRTL, enrtl modell (ASPEN software) Anyagátadási modell: Rate based sebesség kontrollált, nem-egyensúlyi modell az egységeket elhagyó áramok (gőz/gáz folyadék) nincsenek egyensúlyban összetételüket, mennyiségüket anyagátadási, hőátadási egyenletek alapján, a kolonna belső geometriájának pontos ismeretében számítjuk

32 Modell verifikálás, rate based, két gázösszetételre Abszorber (töltött oszlop, SULZER BX) profilok CO 2 parciális nyomás(pco 2 ) Kis CO 2 parciális nyomású füstgáz ~55 mbar (földgáz tüzelés) Nagy CO 2 parciális nyomású füstgáz ~100 mbar Füstgáz tömegáram ~79 kg/h ~79 kg/h Füstgáz belépő hőmérséklet ~46 C ~46 C Abszorbens tömegáram kg/h kg/h Leválasztási fok, ψ ~90% ~90%

33 Munkapontok és optimális munkapont Rögzített leválasztási fok Abszorbens mennyiség vált. (L/G) Reg. Hő után állítás α=megkötött CO 2 /abszorbens mennyiség

34 Vizsgált füstgázok és biogáz Tartalom, m/m H 2 O O 2 N 2 CO 2 CH 4 Teszt gáz földgáz tüzelés - Teszt gáz magasabb CO 2 tartalom - Biomassza Feketekőszén Feketekőszén CCGT Kombinált ciklus gázturbina+gőzturbina - Barnaszén Biogáz Energiaforrás kiesésse Megujuló energia alkalmazása Co-firing (vegyes tüzelés) Kazánteljesítmény változás.

35 Optimális abszorbens mennyiség folyadék/gáz arány; L/G 1. eset, 55 kg/h, CO 2 leválasztási fok = 90% 2. eset, 90 MJ/h, CO 2 leválasztási fok = 90%

36 1. eset, 55 kg/h, CO 2 leválasztási fok = 90% 2. eset, 90 MJ/h, CO 2 leválasztási fok = 90%

37 L/G - Energiahordozó fűtőértéke

38 CO 2 emisszió mérleg Deszorber CO 2 eq Leválasztott CO 2 Leválasztott, CO 2 Fűtés, CO 2 eq

39 CO2 leválasztási fok (Ψ) Deszorber CO 2 eq Leválasztott CO 2 (Fölgázból) 1. eset: 55 kg/h 2. eset: 90 MJ/h

40 Következtetések Energiahordozó váltás esetén optimális L/G arány változik, ha a leválasztandó CO 2 mennyisége nő, L is nő, ha a leválasztandó CO 2 mennyisége nő, deszorberben közlendő hő, deszorber páraárama is nő, kisebb LHV energiahordozó növekvő L.

41 A CO 2 leválasztóban az üzemzavar elkerülésére Ha energiahordozót kell váltani L, G és deszorber páraáram fűtés megváltoznak, ezek az abszorber és deszorber áramlási viszonyait (hidrodinamika) lényegesen megváltoztatják, eltolják az optimumból, o lehetőleg azonos LHV értékűt válasszunk o tartalék CO 2 leválasztó üzem megfontolandó

42 Ha a CO 2 leválasztó erőműhez kapcsolódik befolyásolhatja annak működését, ha az üzemeltetés kedvezőtlenül változik. (Rosszabb tüzelőanyagra kell áttérni, CO 2 leválasztó nem kellően megtervezett.) CO 2 leválasztás fokát is meg lehet változtatni, hogy az erőmű üzemeltetése ne változzon. CO 2 mérleg megmutatta, hogy lehetőleg megújuló, nagy hidrogén tartalmú magas fűtőértékű tüzelőanyagot kell alkalmazni CO 2 leválasztáshoz, ahhoz hogy a CO 2 leválasztás környezetterhelése minimális legyen.

43 Összefoglalás Abszorpció egy széles körben alkalmazott művelet az iparban Megvalósítását az adott körülmények adják ezért sok féle abszorber típus létezik Ha regenerálható az abszorbens akkor abszorber-deszorber rendszer (körfolyamat) CO 2 abszorpciós félüzemi rendszerek az alapjai a folyamatmodelleknek Modell verifikálással győződünk meg a modell minőségéről Modellezéssel/ prediktív szimulációval gyorsan, olcsón juthatunk következtetésre