Gázabszorpció Környezetbarát és katalitikus folyamatok 2016
Nagy Tibor
Főbb témakörök • Gázabszorpció bevezetés, főbb területek, típusok, ellenáramú, egyenáramú stb. • CO2 leválasztás • Főbb befolyásoló paraméterek • Félüzemi rendszerek • Félüzemi rendszerek modell vizsgálata
Nagy Tibor
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 :PA =H*xA • 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. Nagy Tibor
Fizikai és reaktív abszorpció Oldott anyag aceton akrilnitril ammónia etanol formaldehid sósav hidrogénfluorid kéndioxid kéntrioxid
Abszorbens víz víz víz víz víz víz víz víz víz
Abszorpció fizikai fizikai fizikai fizikai fizikai fizikai fizikai fizikai 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
CO2 és H2 S
MEA+DEA
reverzibilis reaktív
CO2 és H2 S
DEG+TEG
reverzibilis reaktív
Nagy Tibor
Ellenáramú abszorpció • Több fokozat, hatékonyabb leválasztás
Nagy Tibor
Minimális abszorbens mennyiség • Elméleti határ • Gyakorlatban a két szélső állapot: elárasztás (flooding) (több fajta), csanotrnázásodás (channeling)
Nagy Tibor
Egyenáramú abszorpció
Nagy Tibor
• Ritka alkalmazás • Nincs minimális L/G arány (rugalmas működtetés)
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 Nagy Tibor
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.
Nagy Tibor
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.
Nagy Tibor
További abszorberek • Ellenáramú: • folyadékfilmes • felületi abszorber • buborékoltató oszlop
• Egyenáramú: • • • •
venturi mosó sugárfúvókás mosó vezetőcsöves sugárfúvókás mosó gáz buborékoltató abszorber Nagy Tibor
Egyszerű abszorber - deszorber rendszer
Nagy Tibor
Deszorpció, abszorbens regenerálás • Levegős sztrippelés • Rektifikálás TSA • Nyomás változtatás PSA
Nagy Tibor
Abszorber-deszorber rendszer valójában • Abszorber hűtés • Abszorbens betáp megosztás/ elvétel • Cseppleválasztás • Többlépcsős deszorpciós nyomás • Hőszívattyús deszorpciós elrendezés • RPB abszorpció
Nagy Tibor
CO2 leválasztás • Füstgázok • • • •
Erőművi füstgázok Vasgyártási torokgáz Cementgyár füstgáz Ammónia gyártás, szintézis gáz
• Olajfinomítói ipari gázok • Bio gázok • Földgáz Stb…. Nagy Tibor
Füstgázok • Mitől függ az összetétel és változik-e az összetétel. • Égetés típusa, munkapontok, légfelesleg, környzetváltozás (tél/nyár) • Berendezés • Gazdasági megfontolások, környezetvédelmi kritériumok.
Nagy Tibor
Földgáz
[1] Rojey A., Jaffaret C., Cornot-Gandolphe S., Durand B., Jullian S., Valais M., 1994. ÉditionsTechnip, Paris. [2] De Guido G., 2011. Master Thesis, Politecnico di Milano, Milano, Italy.
[3] Parker M. E., Northrop P. S., Valencia J. A., Foglesong R. E., Duncan W. T., 2011. Energy Proced. 4, 5455-5470.
Nagy Tibor
Nagy Tibor
Beágyazott abszorber-deszorber rendszer
Nagy Tibor
Csővégi abszorber deszorber rendszer
Nagy Tibor
Kereskedelmi forgalomban lévő rendszerek
Nagy Tibor
Reaktív abszorpció bemutató
Nagy Tibor
Permetező félüzemi abszorber – deszorber rendszer • Maximális gázáram: 150 Nm3/h • Deszorber oszlop • • • •
Pall- gyűrű rendezetlen töltet Magasság H = 3.5 m Belső átmérő di =0.27 m Villamos fűtés
• 3 db PP permetező oszlop • Magasság H = 5 m • Belső átmérő di =0.37 m
Nagy Tibor
P&I diagram, Permetező kolonnás CO2 leválasztó
Nagy Tibor
Példa: hőmérséklet mintavételezés -1 40
39.8
39.6
hőmérséklet, °C
39.4
39.2
39
38.8
38.6
38.4
38.2 2013.10.17 15:21
2013.10.17 15:36
2013.10.17 15:50
2013.10.17 16:04
Nagy Tibor
2013.10.17 16:19
2013.10.17 16:33
2013.10.17 16:48
Példa: hőmérséklet mintavételezés -2 71
70
hőmérséklet, °C
69
68
67
66
65
64 2013.10.17 15:21
2013.10.17 15:36
2013.10.17 15:50
2013.10.17 16:04
Nagy Tibor
2013.10.17 16:19
2013.10.17 16:33
2013.10.17 16:48
Példa: hőmérséklet mintavételezés -3 115 114.5
114
hőmérséklet, °C
113.5 113
112.5 112
111.5 111 110.5
110 2013.10.17 15:21
2013.10.17 15:36
2013.10.17 15:50
2013.10.17 16:04
Nagy Tibor
2013.10.17 16:19
2013.10.17 16:33
2013.10.17 16:48
Példa: hőmérséklet mintavételezés - 4 117.8
117.6
hőmérséklet, °C
117.4
117.2
117
116.8
116.6
116.4 2013.10.17 15:21
2013.10.17 15:36
2013.10.17 15:50
2013.10.17 16:04
Nagy Tibor
2013.10.17 16:19
2013.10.17 16:33
2013.10.17 16:48
Félüzemi abszorber-deszorber rendszer Flue gas source
CO2 content in the flue gas
Flue gas flow rate Solvent flow rate Inner diameter of absorber, desorber and washing sections Type of paing in the absorber Total height of packing in the absorber Type of packing in the desorber Total height of packing in the desorber Type of packing in the washing sections of the absorber / desorber Total height of packing in the washing sections of the absorber / desorber
Nagy Tibor
Natural gas burner 3.0 – 4.2 Vol% CO2 (dry) Burner stage 1 4.8 – 6.0 Vol% CO2 (dry) Burner stage 2 Burner stage 2 + CO2 recycle and CO2 makeup 10 – 14 Vol% CO2 (dry) by gas bottles 30 – 100 kg/h 20 – 350 kg/h 125 mm
BX 500 4.25 m BX 500 2.55 m Mellapak 250.Y
0.42 m
P&I diagram, félüzemi CO2 abszorber-deszorber rendszerről
Nagy Tibor
Folyamat modell Reakció kinetika Fázis egyensúly
Reaktív
Reakciók: Anyag átadás
abszorpció
Kémiai adatbázis
Entalpia
Folyadék dinamika
Egyensúlyi (termodinamikai) modell: Elektrolit NRTL, eNRTL modell (ASPEN software)
Anyagátadási modell:
2015.11.20
„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
Nagy Tibor
Modell verifikálás, „rate based”, két gázösszetételre Abszorber (töltött oszlop, SULZER BX) profilok
Kis CO2 parciális nyomású füstgáz CO2 parciális nyomás(pCO2 ) Füstgáz tömegáram Füstgáz belépő hőmérséklet Abszorbens tömegáram Leválasztási fok, ψ
Nagy CO2 parciális nyomású füstgáz
~55 mbar (földgáz tüzelés)
~100 mbar
~79 kg/h
~79 kg/h
~46°C
~46°C
50-200 kg/h
120-280 kg/h
~90%
~90% Nagy Tibor
Munkapontok és optimális munkapont • • •
Rögzített leválasztási fok Abszorbens mennyiség vált. (L/G) Reg. Hő után állítás
α=megkötött CO2/abszorbens mennyiség Nagy Tibor
Vizsgált füstgázok és biogáz Tartalom, m/m Teszt gáz 1 földgáz tüzelés Teszt gáz 2 magasabb CO2 tartalom Biomassza Feketekőszén 1 Feketekőszén 2 CCGT Kombinált ciklus gázturbina+gőzturbina Barnaszén Biogáz
• • • •
H2O
O2
N2
CO2
0.061
0.12
0.737
0.082
0.062
0.105
0.687
0.147
0.089 0.009 0.074
0.031 0.679 0.048 0.737 0.0371 0.683
0.199 0.261 0.204
0.052
0.142
0.06
0.161 0.001
0.745
0.0335 0.614 0.005 -
0.19 0.377
CH4 -
0.617
Energiaforrás kiesésse Megujuló energia alkalmazása Co-firing (vegyes tüzelés) Kazánteljesítmény változás.
Nagy Tibor
Optimális abszorbens mennyiség folyadék/gáz arány; L/G 1. eset, 55 kg/h, CO2 leválasztási fok = 90%
2. eset, 90 MJ/h, CO2 leválasztási fok = 90%
Nagy Tibor
1. eset, 55 kg/h, CO2 leválasztási fok = 90%
2. eset, 90 MJ/h, CO2 leválasztási fok = 90%
Nagy Tibor
L/G - Energiahordozó fűtőértéke
Nagy Tibor
CO2 emisszió mérleg
Leválasztott, CO2
Deszorber CO2eq Leválasztott CO2
Fűtés, CO2eq
Nagy Tibor
CO2 leválasztási fok (Ψ) Deszorber CO2eq Leválasztott CO2
1. eset: 55 kg/h
(Fölgázból)
2. eset: 90 MJ/h
Nagy Tibor
Következtetések Energiahordozó váltás esetén • optimális L/G arány változik, • ha a leválasztandó CO2 mennyisége nő, L is nő, • ha a leválasztandó CO2 mennyisége nő, deszorberben közlendő hő, deszorber páraárama is nő, • kisebb LHV energiahordozó növekvő L.
Nagy Tibor
A CO2 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 CO2 leválasztó üzem megfontolandó
Nagy Tibor
• Ha a CO2 leválasztó erőműhez kapcsolódik befolyásolhatja annak működését, ha az üzemeltetés kedvezőtlenül változik. (Rosszabb tüzelőanyagra kell áttérni, CO2 leválasztó nem kellően megtervezett.) • CO2 leválasztás fokát is meg lehet változtatni, hogy az erőmű üzemeltetése ne változzon.
• CO2 mérleg megmutatta, hogy lehetőleg megújuló, nagy hidrogén tartalmú magas fűtőértékű tüzelőanyagot kell alkalmazni CO2 leválasztáshoz, ahhoz hogy a CO2 leválasztás környezetterhelése minimális legyen. Nagy Tibor
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) • CO2 abszorpciós félüzemi rendszerek az alapjai a folyamatmodelleknek • Modell verifikálással győződünk meg a modell minőségéről • Modellezéssel/ prediktív szimulációval gyorsan, olcsón juthatunk következtetésre Nagy Tibor
