Разработка технологических схем улавливания СО 2 в

Федеральное агентство по науке и инновациям
______________________________________________________
Разработка технологических способов выделения
СО2 из генераторного газа газификационных
установок, предназначенных для
энерготехнологической переработки угля, с
применением прямоточных аппаратах вихревого
типа с последующей утилизацией или захоронением
Государственный контракт от 14 июня 2007 г. № 02.516.11.6040
в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям
развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»
Докладчик: Шамсутдинов Эмиль Василович
Казанский научный центр РАН
1
Цель работы:
Разработка технологических схем улавливания
СО2
в
высокоэффективных
полых
и
многоступенчатых
вихревых
аппаратах
из
генераторного газа, полученного в результате
газификации твердого топлива, и отходящих газов
энергетических установок с ГТУ и ПГУ его
использующих, с последующим выделением,
утилизацией и захоронением СО2.
Разработка модельных образцов установок,
проведение теоретических и экспериментальных
исследований.
2
Краткий перечень выполненных работ
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
IX.
Исследование процесса газификации твердого топлива
Исследование способов поглощения СО2 из газов и выделения в
концентрированном виде
Моделирование двухфазного закрученного потока в аппаратах
вихревого типа
Экспериментальные исследования эффективности полых
вихревых аппаратов при поглощении СО2 из газов раствором
моноэтаноламина
Исследование способов утилизации СО2.
Разработка технологической схемы утилизации СО2 в
производстве метанола с использование катализаторов – оксидов
металлов
Разработка технологической схемы утилизации СО2 в
производстве бикарбоната аммония
Оценка возможностей реализации способов утилизации и
захоронения СО2 в зависимости от региональных и техникоэкономических условий
Исследование возможности захоронения СО2 в угольных
месторождениях
3
I. Исследование процесса газификации
твердого топлива
• исследовано влияние режимных факторов –
температуры и давления;
• проведен термодинамический анализ способов
газификации;
• разработана методика расчета технологических
схем;
• разработаны высокоэффективные
технологические схемы газификации угля.
4
Методика расчета технологических схем
сжигания и газификации твердого топлива
• I. Определение целевых продуктов, которые
необходимо получить в процессе газификации.
• II. Оценка имеющегося твердого топлива, его
свойств и характеристик.
• III. Выбор типа газогенераторного процесса.
• IV. Расчет системы предварительной
подготовки топлива.
• V. Расчет газогенератора.
• VI. Оценка термодинамической эффективности
системы с газификацией твердого топлива.
5
22
15
21
17
14
16
вода
20
слив
19
18
в 5,8
25
24
газ
воздух
23
в атмосф еру
вода
вода
из 18
из 18
5
4
вода
26
8
CO2 на утилизацию
7
6
уголь
пар
9
1
2
3
13
известь
зола
12
11
10
Принципиальная схема газификации угля в кипящем слое с последующим дожиганием
топлива: 1 – газогенератор; 2 – дожигатель; 3 – охладитель; 4 – пылеуловитель; 5 –
пылеуловитель; 6 – эжектор; 7 – эжектор; 8 - пылеуловитель; 9 – эжектор; 10 – вентилятор; 11 –
вентилятор; 12 – точка разделения; 13 – сборник золы; 14 – теплообменник; 15 – вентилятор; 16
– точка разделения; 17 – скруббер; 18 – точка разделения; 19 – котел; 20 – воздухоподогреватель;
6
21 – точка разделения; 22 – точка разделения; 23 – вентилятор; 24 – точка разделения; 25 – точка
смешения; 26 - блок очистки дымовых газов от СО
W zz 
W
Wzz гр  b(r  r гр )  c(r  r гр ) n
W
Wвх
III. Моделирование двухфазного закрученного
потока в аппаратах вихревого типа
Для геометрических параметров вихревого аппарата и
соответствующих им скоростей получены зависимости
W   W  max
W z  W z гр
 r  ro
W z  W z гр 
 r гр  r o
n
L

r o  0,27  0,25 m

 Gm 
2r r
2
r  r
2
r гр  0,7
r  ro
r гр  r o

 r  r гр
  W z max 

r r
гр

 z
1
 W z max
1  1 

W z гр

 r гр  r o

 r z  r гр

n

 r  ro
  W z гр  z

r r
o

 гр
 r  r гр

 r  r
гр
 z




n
0,91


L



r z  0,871  0,1 m


G
m



W z гр  0,95  A 0,6
W z max  1,2  A
 0, 6 

1  0,18 Lm

Gm 


0, 2




где r0 – относительный радиус зоны обратного тока; Lm – расход жидкости; Gm – расход газа; rz – относительный радиус
периферийной зоны аппарата; Wz гр – относительная осевая скорость газа на границе приосевой и периферийной зоны
Wz max – максимальная относительная осевая скорость; W - относительная окружная скорость газа; А - коэффициен
7
крутки завихрителя
IV. Экспериментальные исследования
эффективности полых вихревых
аппаратов при поглощении СО2
из газов раствором моноэтаноламина
• Разработка методики проведения экспериментальных
исследований процесса тепло- и массообмена в прямоточных
аппаратах различных типов. Модернизация экспериментальной
установки;
• Экспериментальные исследования эффективности полых
вихревых аппаратов при поглощении СО2 из газов раствором
моноэтаноламина;
• Экспериментальные исследования эффективности контактных
элементов при абсорбции СО2 раствором моноэтаноламина;
• Экспериментальные исследования эффективности контактных
элементов при десорбции СО2 водяным паром из раствора
моноэтаноламина;
• Исследования дисперсного состава капель жидкости и
гидродинамических параметров течения закрученной пленки в
полом вихревом аппарате.
8
Экспериментальная установка
9
Г
Г
А
3
Ж
2
А Б
Б А
А
2
Б-Б
5
1
3
Массообменный вихревой аппарат:
1 – корпус; 2 – завихритель; 3 – ороситель; 4 –
отверстия оросителя; 5 – лопасти завихрителя
10
E
E
y
y
1
1
0,8
2
0,5
2
3
0,6
3
0,4
4
0,2
0,1
4
0,4
0,3
0,2
1,0
1,5
2,0
L /G
m
m
Зависимость эффективности
контактного элемента от
соотношения расходов жидкости и газа
при различных степенях
карбонизации раствора в процессе
абсорбции:
Wвх = 30 м/с; yн = 0,15 моль. дол.; : 1 –
0,1; 2 – 0,15; 3 – 0,2; 4 – 0,3. (сплошная
линия- расчет; точки – эксперимент)
1,0
1,5
2,0
L /G
m
m
Зависимость эффективности
контактного элемента от
соотношения расходов жидкости и
газа при различных начальных
концентрациях СО2 в газе в
процессе абсорбции:
Wвх = 30 м/с = 0,15;. yн , моль.
дол.: 1 – 0,05; 2 – 0,1; 3 – 0,15; 4 –
0,2. (сплошная линия- расчет;
точки – эксперимент)
11
V. Исследование способов утилизации СО2
СО2
ПРОИЗВОДСТВО
МЕТАНОЛА
ПРОИЗВОДСТВО
КАРБАМИДА
ПРОИЗВОДСТВО
СОДЫ
ПРОИЗВОДСТВО
УГЛЕАММИАКАТНЫХ
УДОБРЕНИЙ
ПРОИЗВОДСТВО
ПОЛИКАРБОНАТА
12
Принципиальная схема технологической схемы процесса очистки газа и
утилизации выделенного углекислого газа в виде метанола
13
Принципиальная схема аминовой очистки секции 200
14
Технологическая схема получения метанола в трехфазной системе на
основе утилизации углекислого газа:
К400/1, К400/2 – компрессоры; Н400/1, Н400/2 – насосы; Р400/1 –
реактор кипящего слоя;Т400/1, Т400/2, Т400/3 – теплообменники; С400/1
– сепаратор; Кс400/1 – котел-утилизатор (кожухотрубчатый
теплообменник)
15
VII. Разработка технологической схемы
утилизации СО2 в производстве
бикарбоната аммония
Технологическая схема получения бикарбоната аммония на основе утилизации
углекислого газа: Е400/1 – накопитель; А400/1 – вихревой абсорбер; С400/1 –
сборник; Т400/1, Т400/2 – теплообменники; Р400/1 – реактор; Г400/1 –
гидроциклон; Ц400/1 – центрифуга; Г400/1 – газодувка; Н400/1, Н400/2 – насосы
16
VIII. Оценка возможностей реализации способов
утилизации и захоронения СО2 в
зависимости от региональных и техникоэкономических условий
Региональные и технико-экономические условия:
• - обеспеченность топливно-энергетическими
ресурсами;
• - уровень развития энергетики;
• - уровень развития основных отраслей
промышленности;
• - наличие трубопроводного транспорта;
• - эмиссия СО2.
17
Распределение регионов по группам:
1 группа - промышленно-развитые регионы с высоким
уровнем эмиссии СО2 (Москва и Московская область,
Санкт-Петербург и Ленинградская область, Тульская,
Самарская, Челябинская области);
2 группа - регионы с высоким уровнем развития отдельных
отраслей промышленности и средним уровнем эмиссии
СО2 (Свердловская, Рязанская, Астраханская области);
3 группа - регионы с высоким уровнем добычи
углеводородного сырья и средним уровнем эмиссии СО2
(Кемеровская, Тюменская Тюменская области, Республики
Татарстан и Башкортостан);
4 группа - регионы приморской зоны независимо от уровня
эмиссии СО2.(Калининградская, Сахалинская области,
Хабаровский и Приморский край.
18
Оценка экономических затрат на реализацию
способов утилизации и захоронения СО2
Зависимость стоимости транспортировки от расстояния:
1- трубопровод в открытом море, 2- трубопровод на прибрежной
территории, 3- затраты при использовании судна
19
Оценка экономических затрат на реализацию
способов утилизации и захоронения СО2
• Геологическое хранение - в нефтяных и газовых
месторождениях стоимость приблизительно
составляет от 0,5 до 8 $ на тонну вводимого CO2;
дополнительно учитывается контроль затрат, который
составляет 0,1-0,3 $ за тонну CO2;
• Захоронение в водоносные слои в открытом море стоимость прибрежного захоронения составляет 1-7
евро за тонну, в нейтральных водах - 3-13 евро за тонну
CO2;
• Преобразование в минералы - стоимость влажного
насыщения силикатов оливина приблизительно 50-100
$ на тонну CO2.
20
Зависимость стоимости транспортировки от
расстояния:
1- трубопровод в открытом море, 2- трубопровод на прибрежной
территории, 3- затраты при использовании судна
21
Вытеснение нефти оторочкой углекислого газа из
обводненного пласта
22
IX. Исследование возможности захоронения
СО2 в угольных месторождениях
Скважина для нагнетания СО2 в
метансодержащем угольном
пласте: 1 – пласт; 2 – скважина; 3 труба; 4 – обсадная колонна; 5 трещина
23
Основные выводы:
1. Требования технического задания и календарного плана выполнены
полностью
2. Разработаны модели и проведено численное исследование объемов
выхода СО2 при газификации твердого топлива, гидродинамики
двухфазного потока и процессов тепломассообмена в полых
вихревых аппаратах при абсорбции и десорбции диоксида углерода:
- в зависимости от температуры и давления проведения процесса газификации
возможно обеспечить содержание СО2 не более 15%. Более однородное
распределение температур достигается созданием монодисперсного кипящего
слоя за счет гранулирования топлива, что позволяет увеличить скорость потока
реакционной смеси в 2-3 раза и обеспечить термодинамическую эффективность
технологической схемы более 40%;
- выявлены зависимости влияния режимных и геометрических параметров на
эффективность вихревых аппаратов.
3. Разработаны и созданы экспериментальные установки. Проведены
экспериментальные исследования для определения степени
адекватности математических моделей при концентрации СО2 в
газах 7-20%:
- эффективность абсорбции СО2 достигала 0,8, десорбции – 0,95 при увеличении
скорости газа в 2 раза по сравнению с традиционными насадочными аппаратами,
снижении металлоемкости на 30%, гидравлического сопротивления – на 40%.
24
4. Проведено сопоставление результатов эксперимента с результатами
теоретических исследований, показавшее их удовлетворительное
качественное и количественное согласование (погрешность результатов
составляет от 15 до 20%). Затраты на удаления СО2 в вихревых
аппаратах составили около 380 руб. за 1 т СО2.
5. Разработаны технологические схемы утилизации СО2 при
производстве метанола и бикарбоната аммония.
6. Проведен сравнительный анализ и дано технико-экономическое
обоснование способов утилизации и захоронения СО2 с оценкой
экологических по сравнению с прогнозируемым «парниковым»
эффектом.
7. Разработано ТЗ на изготовление вихревых аппаратов для абсорбции
и десорбции СО2.
8. Достижение индикаторов
- общее количество публикаций по теме проекта – 9/45, в т.ч. в отечественных
научных журналах – 22, в сборниках конференций – 23;
- общее количество патентов по теме проекта – 2/2 + 1 положительное решение о
рассмотрении заявки на изобретение;
- количество защищенных диссертаций – 2/2.
25
Предложения по использованию полученных
результатов
- Проведение ОКР по созданию абсорбционнодесорбционных установок для ТЭС на основе
вихревых аппаратов
- Разработка технологических схем подачи СО2 к
нефтяным месторождениям для повышения
нефтеотдачи пластов высоковязких нефтей и битумов в
сочетании с методами волнового воздействия на пласт
- Разработка технологических схем подачи СО2 к
угольным месторождениям с целью десорбции из них
метана, последующего его сбора и использования
26
Спасибо за внимание!
27