PL243099B1 - Zespół urządzeń do kriogenicznej separacji oraz sposób kriogenicznej separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych - Google Patents

Abstract

Zespół urządzeń do separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych, w szczególności z biogazu, wyposażony w sprężarkę (1), wstępny wymiennik (2) ciepła, rurociąg z trójdrożnym zaworem (3) doprowadzający gaz przemiennie do kriogenicznych wymienników (6, 17), oraz instalację odprowadzającą uzyskany ciekły dwutlenek węgla w postaci rurociągu (10) i równoległego rurociągu (9) odprowadzającego ciekły biometan, znamienny tym, że działające przemiennie co najmniej dwa równoległe kriogeniczne wymienniki (6, 17) zaopatrzone są każdy w co najmniej jeden wymiennik (5, 16) instalacji termosyfonowej oraz w co najmniej jeden parownik (7, 18) autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego, przy czym rzeczone wymienniki instalacji termosyfonowej (5, 16) w układzie zamkniętym połączone są szeregowo z wymiennikiem (12) instalacji termosyfonowej znajdującym się we wstępnym wymienniku ciepła (2), natomiast autokaskadowy układ obiegu czynnika chłodniczego zasilany jest sprężarką (24) połączoną po stronie tłocznej ze skraplaczem (25) zasilanym chłodniczym układem absorpcyjnym (29) oraz separatorem fazy (26), którego króciec parowy połączony jest poprzez wymiennik regeneracyjny (23) z zaworem  rozprężnym (28) i zaworem trójdrogowym (30) z parownikami (7, 18) autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego, zaś króciec cieczowy połączony jest poprzez zawór rozprężny (27) z wymiennikiem  regeneracyjnym (23) i zaworem trójdrogowym (22) z parownikami (7, 18) autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego. Przedmiotem zgłoszenia jest ponadto, sposób separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych, w szczególności z biogazu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół urządzeń oraz sposób kriogenicznej separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych, mający zastosowanie przy oczyszczaniu biogazu oraz gazów powstałych w procesie spalania węglowodorów.

Rozwój technologii wzbogacania biogazu do jakości gazu ziemnego może przynieść wymierne korzyści dla sektora energetycznego. Wdrożenie ulepszonych rozwiązań oczyszczania biogazu prowadzi do wzrostu wykorzystania odpadów pochodzenia organicznego jako istotnego źródła energii odnawialnej. Biometan powstały po uzdatnieniu biogazu stanowi pełnowartościowe paliwo gazowe z OZE. Jako efektywny i ekologiczny nośnik energii może zastąpić paliwa konwencjonalne w produkcji ciepła i energii elektrycznej. Zmniejszenie zależności od paliw kopalnych oraz redukcja emisji gazów cieplarnianych do atmosfery są istotnymi aspektami dzisiejszych czasów, a wszelkie działania powinny zmierzać do zabezpieczenia sektora energetycznego.

Biogaz otrzymywany jest w wyniku rozkładu materii organicznej w warunkach beztlenowych i zawiera w zależności od warunków prowadzenia fermentacji oraz zastosowanych substratów: 45-60% metanu, 35-55% dwutlenku węgla oraz 1-5% pary wodnej, siarkowodoru, azotu, tlenu i wodoru. Parametry surowego biogazu i zawartych w nim zanieczyszczeń różnią się w zależności od pochodzenia gazu biologicznego. Wyróżnia się trzy główne źródła jego pochodzenia: fermentacja odpadów produkcji rolnej, fermentacja osadów ściekowych oraz gaz wysypiskowy. Ze względu na duże stężenie dwutlenku węgla w mieszaninie, wartość opałowa nieoczyszczonego biogazu jest niska. Kluczowe jest, oprócz oczyszczenia biogazu z wszelkich innych zanieczyszczeń, usunięcie dwutlenku węgla ponieważ stanowi on obciążenie energetyczne dla surowego biogazu. Zwiększenie udziału metanu powoduje wzrost kaloryczności paliwa. Zanieczyszczenia występujące w biogazie uniemożliwiają jego bezpośrednie wykorzystanie bez wcześniejszego uzdatnienia. Obecnie, biogaz stosuje się głównie w kogeneracji spalając uzyskane paliwo gazowe w miejscu wytwarzania. Uzdatnianie ogranicza się wtedy do eliminacji siarkowodoru i pary wodnej. Usunięcie z biometanu dwutlenku węgla, tak aby zawartość metanu w produkcie końcowym sięgała 95%, powala na uzyskanie parametrów jakościowych dopuszczających na zatłaczanie wytworzonego biometanu do gazowej sieci dystrybucyjnej. Uszlachetniony, do parametrów gazu wysokometanowego biogaz, po skropleniu, może również zostać zmagazynowany w celu dalszego transportu i sprzedaży.

Obecnie stosowane technologie oczyszczania biogazu dzielą się na następujące typy: separacja membranowa, metody wykorzystujące procesy adsorpcji i absorpcji oraz separacja kriogeniczna.

Znany jest sposób uzdatniania biogazu z niepożądanych zanieczyszczeń z zastosowaniem separatora membranowego. Metoda polega na przepuszczeniu mieszaniny gazów przez warstwę wyk onaną ze specjalnego kompozytu. Materiał membrany charakteryzuje selektywna przepuszczalność dla określonych gazów. Rozdział CH4 i CO2 następuje w wyniku różnicy wielkości cząsteczek lub przez powinowactwo składników mieszaniny z materiałem membrany. Proces wykorzystuje różnicę potencjałów chemicznych po obu stronach przegrody. Stopień oczyszczenia biogazu zależy od typu zastosowanej membrany. W tej technologii występuje niski odzysk metanu, a duże ilości zanieczyszczonego CH4 zostają w strumieniu odpadowym instalacji.

Znana jest metoda uzdatniania biogazu poprzez absorpcję. W absorpcji fizycznej CO2 jest absorbowany przez rozpuszczalnik za pomocą płuczki wodnej przy wykorzystaniu różnicy rozpuszczalności zgodnie z Prawem Henry’ego. Dwutlenek węgla charakteryzuje się wielokrotnie większą rozpuszczalnością w wodzie niż metan. Proces przeprowadza się poprzez schładzanie i sprężanie biogazu, a następnie wprowadzenie gazu do kolumny z przeciwprądowym strumieniem rozpuszczalnika. Zwiększenie ciśnienia biogazu implikuje, wzrost jego rozpuszczalności celem osiągnięcia wysokiej efektywności procesu. W kolumnie odpędowej zachodzi regeneracja wody płuczącej. Większość CO2 i H2S powstałego w kolumnie odpędowej przechodzi do fazy gazowej i jest odpędzane z użyciem powietr za. W procesie absorpcji fizycznej powstają dwa strumienie odpadowe - powietrza odlotowego zawierającego CO2 i H2S oraz strumienia rozpuszczalnika. Procesy w tej technologii wymagają zastosowania dużej ilości rozpuszczalnika, którego zużycie można ograniczyć przeprowadzając proces pod wyższym ciśnieniem lub wykorzystać inne absorbenty w których rozpuszczalność adsorbowanych związków jest wyższa. Oprócz wody jako rozpuszczalniki mogą być wykorzystane również inne związki chemiczne organiczne bądź nieorganiczne. Proces z użyciem rozpuszczalników organicznych przebiega przy recyrkulacji rozpuszczalnika. W wyniku procesu, zawartość metanu w strumieniu odbieranym na szczycie kolumny wynosi do 94%.

W technologii absorpcji chemicznej dochodzi do kontaktu z cieczą absorbującą. Gazy przepuszczane są przez kolumnę absorpcyjną w przeciwprądzie. Absorpcja dwutlenku węgla odbywa się w wodnych roztworach aminy. Oprócz strumienia uzdatnionego biogazu kolumnę opuszcza roztwór aminowy. Po opuszczeniu kolumny rozpuszczalnik bogaty w dwutlenek węgla przepuszczany zostaje przez desorber, a uwolniony w procesie CO2 zostaje wyemitowany do atmosfery. Regeneracja roztworu wymaga dostarczenia dużej ilości ciepła (utrzymania temperatury procesu ponad 120°C). Stężenie metanu w otrzymanym gazie jest rzędu 90%.

Znana jest metoda uzdatniania biogazu poprzez adsorpcję, która polega na rozdziale metanu i dwutlenku węgla, przy wykorzystaniu fizycznego przyciągania i wiązania cząstek na powierzchni lub w mikroporach ciała stałego. Procesy adsorpcji dzieli się na fizyczne i chemiczne. Dobór odpowiednich warunków i rodzaju adsorbentu implikuje adsorpcję danego rodzaju cząsteczek na powierzchni ciała stałego. W celu efektywnego przebiegu procesu metan poddaje się adsorpcji w warunkach niskiej temperatury i wysokiego ciśnienia. Proces przebiega w cyklach adsorpcji cząsteczek oraz procesu odwrotnego - desorpcji, w której uwalniane są zatrzymane cząsteczki i następuje ich przejście w fazę gazową. Gaz doprowadzony do złoża stałego jest selektywnie zatrzymywany. Dwutlenek węgla pozostaje w warstwie stałej, a pozostałe gazy zostają przepuszczone. Ciągłość pracy zapewnia instalacja oparta na układzie kilku adsorberów - kolumn pracujących równolegle w określonej sekwencji. W technologii tej, wskazane są adsorbenty o wysokiej porowatości takie jak węgiel drzewny, glinki aktywowane, żel krzemionkowy, aktywowany tlenek glinu i krystaliczne zeolity glinokrzemianowe. Najbardziej powszechną metodą usuwania CO2 z biogazu jest adsorpcja z regeneracją poprzez zmianę ciśnienia PSA (ang. Pressure Swing Adsorption). W oparciu o technikę zmiennociśnieniową uzyskuje się produkt o zawartości metanu w granicach 96-97%. W metodzie zmiennotemperaturowej TSA (ang. Temperature Swing Adsorption) adsorbent regenerowany jest zmianą temperatury, poprzez ogrzewanie złoża. Ze względu na konieczność doprowadzenia dużej ilości ciepła do wystąpienia desorpcji, metoda wymaga dużego wkładu energetycznego. Regeneracja adsorbentu może również zachodzić na skutek przepuszczenia niskonapięciowego prądu elektrycznego ESA (ang. Electric Swing Adsorption), w procesie zachodzi podniesienie temperatury adsorbentu z wykorzystaniem prawa Joule'a. Podgrzewanie złoża jest szybsze i efektywniejsze niż w metodzie TSA (ang. Temperaure Swing Adsorption), gdzie dobór złoża o dobrych właściwościach przewodzenia prądu a jednocześnie dużych możliwościach adsorpcji CO2 przy niskim ciśnieniu cząstkowym jest niemożliwy. Metoda wykorzystująca proces adsorpcji, nie jest odpowiednia do zastosowania przy dużej koncentracji gazu w mieszaninie.

Znany jest kriogeniczny sposób oczyszczania biogazu z dwutlenku węgla, wykorzystujący zjawisko rozdziału fazowego między gazami w danych warunkach temperatury i ciśnienia. Dwutlenek węgla ulega wytrąceniu z mieszaniny gazowej, w postaci ciekłej lub stałej, w zależności od zastosowanej technologii procesu. Skroplenie CO2 wymaga znacznego obniżenia temperatury gazu lub jednoczesnego obniżenia temperatury i sprężenia gazu do wysokiego ciśnienia rzędu kilkudziesięciu bar. Realizacja procesu wytrącania CO2 w postaci stałej wymaga natomiast osiągnięcia dużo niższej temperatury gazu. Temperatura punktu potrójnego czystego CO2 wynosi -56,5°C, przy odpowiadającym ciśnieniu 5,2 bar. Przy niższym ciśnieniu dwutlenek węgla zmienia stan skupienia bezpośrednio z gazu w ciało stałe. W przypadku roztworu, osiągnięcie procesu zestalenia (resublimacji) jest ściśle związane z udziałem procentowym CO2 w mieszaninie. Resublimacja CO2 z roztworu CH4 i CO2 zachodzi poniżej temperatury równowagi fazowej wynoszącej około -60°C.

Wśród dostępnych na rynku technologii oczyszczania biogazu separacja kriogeniczna pozostaje w fazie badań i rozwoju.

Znany jest kriogeniczny sposób oczyszczania, gdzie wykorzystuje się zjawisko Joule’a-Thomsona, sprężając biogaz do wysokiego ciśnienia, tak aby przy jego rozprężaniu temperatura gazu osiągnęła temperaturę punktu zmiany fazy. Proces przebiega w warunkach bardzo niskiej temperatury, do -100°C oraz pod wysokim ciśnieniem dochodzącym do 40 bar. Zawarty w biogazie dwutlenek ulega skropleniu lub resublimacji, podczas gdy metan pozostaje w fazie gazowej. Proces kriogenicznej separacji przebiega kilkuetapowo. Surowy gaz przechodzi przez wstępny wymiennik ciepła, który schładza gaz do temperatury -70°C, przy wykorzystaniu wymiany ciepła z uzdatnionym już gazem o niskiej temperaturze. W następnym etapie gaz przepływa przez ciąg sprężarek i wymienników ciepła. Proces przejścia obniża temperaturę gazu i powoduje osiągnięcie ciśnienia około 40 bar tuż przed wejściem do kolumny destylacyjnej. Rozprężenie gazu w kolumnie destylacyjnej skutkuje znacznym obniżeniem tem peratury gazu i resublimacją dwutlenku węgla. Układ charakteryzuje się złożonością procesu, koniecznością zastosowania dużej liczby urządzeń oraz wysokich nakładów energii elektrycznej do pracy sprężarek. Metoda kriogeniczna powala na osiągnięcie dużej zawartości metanu wynoszącej nawet 99%.

Rozwiązanie polegające na kriogenicznym oczyszczaniu biogazu z dwutlenku węgla, wykorzystujące rozdział faz przy schłodzeniu do odpowiedniej temperatury przedstawione jest w opisie patentowym PL225854 B1. W opisie patentowym zaproponowano sposób oraz instalację w której usuwanie dwutlenku węgla zachodzi poprzez schłodzenie biogazu w wymienniku gaz - ciekły azot. Wieloetapowy proces składa się z początkowego podniesienia ciśnienia nieuzdatnionego biogazu do ciśnienia powyżej 1,5 MPa. Następnie gaz kierowany jest do wymiennika wstępnego gdzie przebiega jego schłodzenie, wymiana ciepła zachodzi z gazem wyjściowym z instalacji. Gaz przechodzi przez kolumnę wstępnego oczyszczania metodą chemiczną biogazu z wody i siarkowodoru. Górna część kolumny połączona jest z wymiennikiem gaz - ciekły azot, gdzie następuje faza właściwa procesu oczyszczania z CO2 i obniżenie temperatury biogazu do parametrów od -62°C do -72°C. W osiągniętych warunkach temperaturowych dwutlenek węgla i inne zanieczyszczania ulegają skropleniu. Ciekły azot użyty do proce su podawany jest ze zbiornika (dewar). Następnie biogaz przechodzi przez separator faz, rozdzielenie realizowane jest przy użyciu sit lub filtrów wewnętrznych uniemożliwiających przepływ fazy ciekłej, skroplony dwutlenek węgla pozostaje w dolnej jego części. W wymienniku, za pomocą gazu wlotowego z początkowej fazy procesu, oczyszczony gaz wylotowy zostaje ogrzany do temperatury powyżej 10°C. Produkt gazowy zostaje poddany kontroli składu i wzbogacony o gaz propan-butan podawany wtryskiem ze zbiornika LPG. Na końcu procesu następuje sprężanie gazu w celu jego przygotowania do wymaganego ciśnienia odbioru.

W opisie patentowym EP 1931612 B1 zaproponowano układ wykorzystujący schłodzenie strumienia gazu do temperatury zapewniającej kondensację CO2. W pierwszym etapie biogaz zostaje sprężony do ciśnienia 10 bar, a następnie schłodzony do temperatury -25°C. Po usunięciu z biogazu wody, siloksanów i innych zanieczyszczeń gaz przepuszcza się przez filtr koalescencyjny oraz przez katalizator, który usuwa wszelkie pozostałe zanieczyszczenia. Właściwe usunięcie dwutlenku węgla następuje w kolejnych dwóch krokach. Pierwszy etap schładzania gazu odbywa się do temperatury około -60°C, zapewniając częściowe wykroplenie CO2 z biogazu, obniżając zawartość dwutlenku węgla o 50%. Następnie temperatura obniżana jest do -65°C osiągając wartość, przy której zachodzi zestalanie dwutlenku węgla ze strumienia biogazu poddawanego obróbce. Drugi etap oczyszczania polega na usuwaniu dwutlenku węgla w postaci ciała stałego. Proces chłodzenia odbywa się za pomocą dwóch równoległych wymienników zbudowanych z potrójnej wężownicy. Ze względu na występujące w procesie zestalenie dwutlenku węgla konieczne jest zastosowanie dwóch kolumn, które działają naprzemiennie. Podczas odtajania jednej z kolumn następuje topnienie zestalonego dwutlenku węgla, podczas gdy w drugiej przebiega właściwy proces. Odprowadzony w tym etapie CO2 w postaci stałej, zostaje ogrzany w wymienniku wstępnym procesu, gdzie wymiana ciepła zachodzi z gazem wpływającym na początku procesu. Oba strumienie dwutlenku węgla wytrąconego w dwóch etapach oczyszczania, trafiają do zbiornika ciekłego CO2. Końcowa temperatura biogazu wynosi od -65°C do -80°C, w zależności od składu gazu.

Technologia wykorzystująca zjawisko zmiany stanu skupienia dwutlenku węgla ze stanu parowego w stały, a tym samym jego separację z mieszaniny gazów odlotowych z procesu spalania znana jest z opisu patentowego US007073348B2. Gaz chłodzony jest przy pomocy układu chłodniczego z wewnętrzną kaskadą. Dwutlenek węgla resublimuje z mieszaniny gazowej, a następnie jest odprowadzony i magazynowany w postaci ciekłej. Pierwszym etapem procesu jest wstępne schłodzenie gorących spalin w wodnym wymienniku napędzającym turbinę parową generatora, z temperatury 600°C do 50°C. Następnie spaliny przechodzą przez wymiennik, który obniża temperaturę mieszaniny do 40°C, gdzie odbywa się częściowa kondesacja wody. Kolejnym etapem jest trójetapowy proces chłodzenia gazu, zachodzący w parownikach urządzenia chłodniczego. W pierwszym parowniku temperatura czynnika w obiegu chłodniczym wynosi -5°C, a gaz zostaje schłodzony do temp 36,5°C, następnie przechodzi przez dehydrator w celu zapewnienia całkowitego osuszenia mieszaniny. W drugim skraplaczu gaz zostaje schłodzony do -20°C, gdzie odbiór ciepła zachodzi przez obieg chłodniczy w temperaturze -30°C. Między kolejnymi etapami zachodzi dodatkowe schłodzenie w przeciwprądzie między rurociągiem zasilającym trzeci wymiennik a rurociągiem wylotowym produktu gazowego azotu, temperatura gazu osiąga wartość -72°C. Ostatnim etapem jest przejście przez trzeci wymiennik i uzyskanie przez mieszaninę temperatury -80°C przy ciśnieniu 0,85 bar, lub -78,6°C przy ciśnieniu 1 bar (w zależności od dobranej technologii tłoczenia spalin przez układ). Resublimacja CO2 zachodzi na ściankach wymiennika przy temperaturze w parowniku równej -90°C. Dwa równoległe wymienniki działają sekwencyjnie. Przepływ czynnika chłodniczego przez wymiennik jest sterowany zaworem trójdrogowym i kierowany do wymiennika aktywnego, podczas gdy w drugim odbywa się proces odtajania wymiennika z zestalonego dwutlenku węgla. Zanim czynnik chłodniczy przepłynie przez zawór rozprężny do aktywnego parownika, strumień przebiega przez parownik nieaktywny w celu odzyskania ciepła topnienia w odmrażanym wymienniku. Przed przełączeniem biegu procesu przez drugi wymiennik, skumulowany na dnie komory ciekły dwutlenek węgla zostaje przetłoczony do magazynu czynnika. Pozostający po rozdzieleniu mieszaniny azot pozostający w górnej części wymiennika, zostaje uwolniony do atmosfery rurociągiem odprowadzającym. Obieg chłodniczy obsługujący układ, składa się z jednej sprężarki, układu dwóch skraplaczy, dwóch wymienników fazy ciecz - para, zbiornika separatora, skraplacza częściowego oraz trzech parowników, w których zachodzi trójstopniowy proces chłodzenia gazu oczyszczanego.

W zastrzeżeniu patentowym US006082133A przedstawiono rozwiązanie separacji dwutlenku węgla z mieszaniny gazów, zawierającej metan. Biogaz zostaje oczyszczony z dwutlenku węgla poprzez resublimację. Wstępne chłodzenie nieuzdatnionego gazu odbywa się w wymienniku rekuperacyjnym, wymiana ciepła zachodzi pomiędzy wlotowym biogazem oraz dwoma strumieniami wylotowymi: sublimującego CO2 oraz oczyszczonego metanu. Następnie gaz przechodzi przez zawór przełączający, który kieruje gaz do aktywnego wymiennika w celu oczyszczenia mieszaniny z CO2 poprzez jego resublimację na powierzchni wymiennika. Układ złożony jest z dwóch wymienników ciepła: aktywnego i regeneracyjnego. Przełączenie pomiędzy wymiennikami następuje, gdy jeden z wymienników zakończył cykl odtajania. W aktywnej komorze, po rozdzieleniu obu składników mieszaniny, następuje częściowe skroplenie metanu przy ciśnieniu około 14 bar, który następnie wpływa do wymiennika, w którym następuje zmiana jego stanu skupienia w gazowy w wymianie ciepła z obiegiem chłodniczym. Przed uwolnieniem z układu gotowego produktu gazowego, w wymienniku rekuperacyjnym następuje podgrzanie gazu do warunków zbliżonych do otoczenia, tak aby strumień gazu nie zawierał frakcji stałych. W wymienniku podlegającym odtajaniu następuje sublimacja zestalonego dwutlenku węgla, zakumulowanego na powierzchni wymiennika. Proces przebiega w warunkach ciśnienia zbliżonych do atmosferycznego oraz temperaturze -78°C. Obieg chłodniczy wymiennika powoduje dostarczenie ciepła przyspieszając proces sublimacji. Dwutlenek węgla w postaci gazowej opuszcza wymiennik po przejściu przez wymiennik regeneracyjny. Stężenie metanu w otrzymanym gazie wynosi około 98%.

Istotnym problemem nie podejmowanym w dotychczasowych rozwiązaniach jest efektywność układów, wzajemne współdziałanie jego elementów oraz czystość pozyskiwania separowanych gazów. Zastosowanie rozwiązania wedle wynalazku pozwala na zwiększenie efektywności energetycznej technologii kriogenicznej separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych poprzez zastosowanie grawitacyjnego termosyfonu w procesie odtajania wymienników ciepła i wykorzystanie odpadowego ciepła jako źródła energii do procesu separacji.

Zespół urządzeń do separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych, w szczególności z biogazu, wyposażony jest w sprężarkę, wstępny wymiennik ciepła, rurociąg z trójdrożnym zaworem doprowadzający gaz przemiennie do kriogenicznych wymienników, oraz instalację odprowadzającą uzyskany ciekły dwutlenek węgla w postaci rurociągu i równoległego rurociągu odprowadzającego ciekły biometan. Zespół ten charakteryzuje się tym, że działające przemiennie co najmniej dwa równoległe kriogeniczne wymienniki zaopatrzone są każdy w co najmniej jeden wymiennik instalacji termosyfonowej oraz w co najmniej jeden parownik autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego. Rzeczone wymienniki instalacji termosyfonowej w układzie zamkniętym połączone są szeregowo z wymiennikiem instalacji termosyfonowej znajdującym się we wstępnym wymienniku ciepła. Autokaskadowy układ obiegu czynnika chłodniczego zasilany jest sprężarką połączoną po stronie tłocznej ze skraplaczem zasilanym chłodniczym absorpcyjnym układem oraz separatorem fazy, którego króciec parowy połączony jest poprzez wymiennik regeneracyjny z zaworem rozprężnym i zaworem trójdrogowym z parownikami autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego, zaś króciec cieczowy połączony jest poprzez zawór rozprężny z wymiennikiem regeneracyjnym i zaworem trójdrogowym z parownikami autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego.

Korzystnie, rurociąg za wymiennikiem instalacji termosyfonowej znajdującym się we wstępnym wymienniku ciepła zaopatrzony jest w rozdzielczy zawór trójdrożny połączony z rurociągami doprowadzającymi czynnik do wymienników instalacji termosyfonowej kriogenicznych wymienników.

Korzystnie, rurociąg za jednym z wymienników instalacji termosyfonowej kriogenicznych wymienników zaopatrzony jest w rozdzielczy zawór trójdrożny połączony z rurociągami odprowadzającymi czynnik z jednego z rzeczonych przeciwnie połączonych wymienników instalacji termosyfonowej kriogenicznych wymienników oraz doprowadzający czynnik do wymiennika instalacji termosyfonowej znajdującego się we wstępnym wymienniku ciepła.

Korzystnie, skraplacz zasilany jest za pomocą zewnętrznego sprężarkowego lub absorpcyjnego układu chłodniczego.

Sposób separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych, w szczególności z biogazu, charakteryzuje się tym, że za pomocą sprężarki gaz spręża się korzystnie do ciśnienia 15 bar, następnie w wymienniku wstępnym przy udziale wymiennika instalacji syfonowej gaz jest korzystnie schładzany do temperatury -50°C. Wymiennik wstępny zasila się czynnikiem o niższym potencjale termodynamicznym przenoszonym z wymiennika regenerowanego. Schłodzony gaz kolejno za pomocą zaworu trójdrożnego kieruje się do aktywnego kriogenicznego wymiennika gdzie schładza się go do temperatury około -120°C przy korzystnym ciśnieniu 15 bar. Za pomocą parownika autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego dwutlenek węgla w kontakcie z powierzchnią wymiany ciepła po osiągnięciu temperatury równowagi fazowej ulega resublimacji na powierzchni rzeczonego parownika. Separację dwutlenku węgla w kriogenicznym wymienniku przeprowadza się w sposób ciągły aż do osiągnięcia akumulacji zestalonego dwutlenku węgla, powodującej spadek ciśnienia gazu przepływającego przez kriogeniczny wymiennik oraz spadku ciśnienia ssania w autokaskadowym układzie obiegu czynnika chłodniczego. Następnie za pomocą trójdrogowego zaworu strumień gazu kieruje się do kriogenicznego wymiennika gdzie schładza się go do temperatury około -120°C przy korzystnym ciśnieniu około 15 bar. Za pomocą parownika autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego dwutlenek węgla w kontakcie z powierzchnią wymiany ciepła po osiągnięciu temperatury równowagi fazowej ulega resublimacji na powierzchni rzeczonego parownika. Separację dwutlenku węgla i metanu w kriogenicznym wymienniku przeprowadza się w sposób ciągły aż do osiągnięcia akumulacji zestalonego dwutlenku węgla, powodującej spadek ciśnienia gazu w kriogenicznym wymienniku oraz spadku ciśnienia ssania w autokaskadowym układzie obiegu czynnika chłodniczego. Kriogeniczne wymienniki schładza się za pomocą autokaskadowego układu czynnika chłodzącego, w którym to czynnik chłodniczy spręża się za pomocą sprężarki następnie w skraplaczu część mieszaniny skrapla się przed wylotem do separatora fazy, w którym to rozdziela się frakcję gazową od frakcji ciekłej, przy czym frakcję gazową kieruje się do regeneracyjnego wymiennika, gdzie kontynuuje się proces skraplania, natomiast frakcję ciekłą z separatora fazy rozpręża się i frakcję ciekłą czynnika zmieszaną z frakcją częściowo odparowaną w kriogenicznym wymienniku kieruje się do regeneracyjnego wymiennika, zaś frakcję ciekłą skroploną w wymienniku regeneracyjnym kieruje się po rozprężeniu w zaworze rozprężnym przez rozdzielczy zawór trójdrogowy do jednego z kriogenicznych wymienników.

Korzystnie, warunkiem koniecznym do przełączenia trójdrożnego zaworu w celu odcięcia kriogenicznego wymiennika i skierowania przepływu strumienia gazu do kriogenicznego wymiennika jest zakończenie cyklu odtajania w podłączanym kriogenicznym wymienniku, odprowadzenie z układu skroplonego dwutlenku węgla o temperaturze -56°C i ciśnieniu 5,2 bar, oraz metanu o temperaturze -120°C i ciśnieniu 15 bar.

Korzystnie, odtajanie kriogenicznych wymienników przeprowadza się za pomocą grawitacyjnego termosyfonu.

Korzystnie, odtajanie wymienników przeprowadza się za pomocą grawitacyjnego termosyfonu zasilającego wymiennik czynnikiem o wyższym potencjale termodynamicznym przenoszonym z układu wymiennika wstępnego, oraz cyrkulacja czynnika w układzie odbywa się bez sprężarki wymuszającej obieg.

Korzystnie, chłodzenie wstępne we wstępnym wymienniku odbywa się za pomocą grawitacyjnego termosyfonu zasilającego tenże wymiennik czynnikiem o niższym potencjale termodynamicznym przenoszonym z odzyskanego ciepła topnienia CO2 procesu odtajania regenerowanego kriogenicznego wymiennika oraz że cyrkulacja czynnika w układzie odbywa się bez sprężarki wymuszającej obieg.

Korzystnie, kriogeniczne wymienniki działają naprzemiennie, gdzie zasilenie gazem sterowane jest sygnałem ciśnienia ssania po stronie układu chłodniczego lub wartością spadku ciśnienia gazu przepływającego przez wymiennik kriogeniczny.

Korzystnie, sprężarkę autokaskadowego układu czynnika chłodniczego zasila się co najmniej częściowo energią elektryczną uzyskaną w organicznym obiegu Rankine’a zasilanym w niskotemperaturowe ciepło odpadowe, w tym w ciepło oddawane w skraplaczu autokaskadowego urządzenia chłodniczego.

Korzystnie, jeżeli układ absorpcyjny jest zasilany średniotemperaturowym ciepłem odpadowym.

Przedmiot wynalazku został zaprezentowany w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat ideowy układu do oczyszczania gazów odpadowych, biogazu z dwutlenku węgla w procesie resublimacji wraz z zasilającym go autokaskadowym układem chłodniczym.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania wedle wynalazku możliwe jest uzyskanie końcowego produktu gazowego o parametrach gazu wysokometanowego, pozwalających na zatłaczanie wytworzonego biometanu do gazowej sieci dystrybucyjnej lub zmagazynowanie w postaci skroplonej celem jego transportu i sprzedaży. Proponowany układ może przyczyniać się do rozwoju rynku produkcji biogazu, przyrostu liczby biogazowi oraz wzrostu wykorzystywania paliw gazowych pochodzących z OZE w energetyce. Dodatkowo, układ pozwala na wysoce efektywne wychwytywanie CO2, oraz na otrzymanie produktu końcowego w postaci skroplonego dwutlenku węgla, który może zostać zmagazynowany i wykorzystany w, aplikacjach chłodniczych naprzeciw usuwaniu go do atmosfery. Ponadto, układ wykorzystuje do procesu odtajania instalację termosyfonową, ograniczając zużycie energii i poprawiając efektywność energetyczną technologii separacji kriogenicznej. Dodatkowo, zastosowanie zewnętrznego układ chłodniczego, powoduje wykorzystanie ciepła odpadowego znacznie ograniczając zużycie energii elektrycznej potrzebnej do osiągnięcia w układzie temperatury procesu kriogenicznego.

Zespół urządzeń do separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych, w szczególności z biogazu, wyposażony jest w sprężarkę 1, wstępny wymiennik 2 ciepła, rurociąg z trójdrożnym zaworem 3 doprowadzający gaz przemiennie do kriogenicznych wymienników 6, 17, oraz instalację odprowadzającą uzyskany ciekły dwutlenek węgla w postaci rurociągu 10 i równoległego rurociągu 9 odprowadzającego ciekły biometan. Działające przemiennie co najmniej dwa równoległe kriogeniczne wymienniki 6, 17 zaopatrzone są każdy w co najmniej jeden wymiennik 5, 16 instalacji termosyfonowej oraz w co najmniej jeden parownik 7, 18 autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego. Rzeczone wymienniki instalacji termosyfonowej 5, 16 w układzie zamkniętym połączone są szeregowo z wymiennikiem 12 instalacji termosyfonowej znajdującym się we wstępnym wymienniku ciepła 2. Autokaskadowy układ obiegu czynnika chłodniczego zasilany jest sprężarką 24 połączoną po stronie tłocznej ze skraplaczem 25 zasilanym chłodniczym układem absorpcyjnym 29 oraz separatorem fazy 26, którego króciec parowy połączony jest poprzez wymiennik regeneracyjny 23 z zaworem rozprężnym 28 i zaworem trójdrogowym 30 z parownikami 7, 18 autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego, zaś króciec cieczowy połączony jest poprzez zawór rozprężny 27 z wymiennikiem regeneracyjnym 23 i zaworem trójdrogowym 22 z parownikami 7, 18 autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego. Rurociąg 13 za wymiennikiem 12 instalacji termosyfonowej znajdującym się we wstępnym wymienniku ciepła 2 zaopatrzony jest w rozdzielczy zawór trójdrożny 14 połączony z rurociągami 15, 4 doprowadzającymi czynnik do wymienników 5, 16 instalacji termosyfonowej kriogenicznych wymienników 6, 17. Rurociąg 21 oraz rurociąg 8 za jednym z wymienników 5, 16 instalacji termosyfonowej kriogenicznych wymienników 6, 17 zaopatrzony jest w rozdzielczy zawór trójdrożny 11 połączony z rurociągami odprowadzającymi czynnik z jednego z rzeczonych przeciwnie połączonych wymienników 5, 16 instalacji termosyfonowej kriogenicznych wymienników 6, 17 oraz doprowadzający czynnik do wymiennika 12 instalacji termosyfonowej znajdującego się we wstępnym wymienniku ciepła 2. Skraplacz 25 zasilany jest za pomocą zewnętrznego sprężarkowego lub absorpcyjnego układu chłodniczego 29.

Sposób separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych, w szczególności z biogazu, charakteryzuje się tym, że za pomocą sprężarki 1 gaz spręża się do ciśnienia 15 bar, następnie w wymienniku wstępnym 2 przy udziale wymiennika 12 instalacji termosyfonowej gaz jest korzystnie schładzany do temperatury -50°C. Wymiennik wstępny 2 zasila się czynnikiem o niższym potencjale termodynamicznym przenoszonym z wymiennika regenerowanego 17, schłodzony gaz kolejno za pomocą zaworu trójdrożnego 3 kieruje się do aktywnego kriogenicznego wymiennika 6 gdzie schładza się go do temperatury około -120°C przy ciśnieniu 15 bar, za pomocą parownika 7 autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego dwutlenek węgla w kontakcie z powierzchnią wymiany ciepła po osiągnięciu temperatury równowagi fazowej ulega resublimacji na powierzchni rzeczonego parownika 7. Separację dwutlenku węgla w kriogenicznym wymienniku 6 przeprowadza się w sposób ciągły aż do osiągnięcia akumulacji zestalonego dwutlenku węgla, powodującej spadek ciśnienia gazu przepływającego przez kriogeniczny wymiennik 6 oraz spadku ciśnienia ssania w autokaskadowym układzie obiegu czynnika chłodniczego, następnie za pomocą trójdrogowego zaworu 3 strumień gazu kieruje się do kriogenicznego wymiennika 17 gdzie schładza się go do temperatury około -120°C przy korzystnym ciśnieniu około 15 bar, za pomocą parownika 18 autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego dwutlenek węgla w kontakcie z powierzchnią wymiany ciepła po osiągnięciu temperatury równowagi fazowej ulega resublimacji na powierzchni rzeczonego parownika 18. Separację dwutlenku węgla i metanu w kriogenicznym wymienniku 17 przeprowadza się w sposób ciągły aż do osiągnięcia akumulacji zestalonego dwutlenku węgla, powodującej spadek ciśnienia gazu w kriogenicznym wymienniku 17 oraz spadek ciśnienia ssania w autokaskadowym układzie obiegu czynnika chłodniczego, ponadto kriogeniczne wymienniki 6, 17 schładza się za pomocą autokaskadowego układu czynnika chłodniczego, w którym to czynnik chłodniczy spręża się za pomocą sprężarki 24 następnie w skraplaczu 25 część mieszaniny skrapla się przed wylotem do separatora fazy 26, w którym to rozdziela się frakcję gazową od frakcji ciekłej. Frakcję gazową kieruje się do regeneracyjnego wymiennika 23, gdzie kontynuuje się proces skraplania, natomiast frakcję ciekłą z separatora fazy 26 rozpręża się i frakcję ciekłą czynnika zmieszaną z frakcją częściowo odparowaną w kriogenicznym wymienniku 6, 17 kieruje się do regeneracyjnego wymiennika 23, zaś frakcję ciekłą skroploną w wymienniku regeneracyjnym kieruje się po rozprężeniu w zaworze rozprężnym 28 przez rozdzielczy zawór trójdrogowy 30 do jednego z kriogenicznych wymienników 6, 17 gdzie zachodzi właściwy efekt chłodniczy. Warunkiem koniecznym do przełączenia trójdrożnego zaworu 3 w celu odcięcia kriogenicznego wymiennika 6 i skierowania przepływu strumienia gazu do kriogenicznego wymiennika 17 jest zakończenie cyklu odtajania w podłączanym kriogenicznym wymienniku 17, odprowadzenie z układu skroplonego dwutlenku węgla o temperaturze -56°C i ciśnieniu 5,2 bar, oraz metanu o temperaturze -120°C i ciśnieniu 15 bar. Odtajanie kriogenicznych wymienników 6, 17 przeprowadza się za pomocą grawitacyjnego termosyfonu. Odtajanie wymienników przeprowadza się za pomocą grawitacyjnego termosyfonu zasilającego wymiennik czynnikiem o wyższym potencjale termodynamicznym przenoszonym z układu wymiennika wstępnego, oraz cyrkulacja czynnika w układzie odbywa się bez sprężarki wymuszającej obieg. Chłodzenie wstępne we wstępnym wymienniku 2 odbywa się za pomocą grawitacyjnego termosyfonu zasilającego tenże wymiennik czynnikiem o niższym potencjale termodynamicznym przenoszonym z odzyskanego ciepła topnienia CO2 procesu odtajania regenerowanego kriogenicznego wymiennika 6, 17, oraz że cyrkulacja czynnika w układzie odbywa się bez sprężarki wymuszającej obieg. Kriogeniczne wymienniki 6, 17 działają naprzemiennie poprzez zasilenie gazem, sterowane sygnałem ciśnienia ssania po stronie układu chłodniczego lub wartością spadku ciśnienia gazu przepływającego przez wymiennik kriogeniczny. Sprężarkę 24 autokaskadowego układu czynnika chłodniczego zasila się co najmniej częściowo energią elektryczną uzyskaną w organicznym obiegu Rankine’a zasilanym w niskotemperaturowe ciepło odpadowe, w tym w ciepło oddawane w skraplaczu 25 autokaskadowego urządzenia chłodniczego oraz układ absorpcyjny 29 zasilany jest średniotemperaturowym ciepłem odpadowym.

Claims (11)

1. Zespół urządzeń do separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych, w szczególności z biogazu, wyposażony w sprężarkę (1), wstępny wymiennik ciepła (2), rurociąg z trójdrożnym zaworem (3) doprowadzający gaz przemiennie do kriogenicznych wymienników (6, 17), oraz instalację odprowadzającą uzyskany ciekły dwutlenek węgla w postaci rurociągu (10) i równoległego rurociągu (9) odprowadzającego ciekły biometan, znamienny tym, że działające przemiennie co najmniej dwa równoległe kriogeniczne wymienniki (6, 17) zaopatrzone są każdy w co najmniej jeden wymiennik (5, 16) instalacji termosyfonowej oraz w co najmniej jeden parownik (7, 18) autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego, przy czym rzeczone wymienniki instalacji termosyfonowej (5, 16) w układzie zamkniętym połączone są szeregowo z wymiennikiem (12) instalacji termosyfonowej znajdującym się we wstępnym wymienniku ciepła (2), natomiast autokaskadowy układ obiegu czynnika chłodniczego zasilany jest sprężarką (24) połączoną po stronie tłocznej ze skraplaczem (25) zasilanym chłodniczym układem absorpcyjnym (29) oraz separatorem fazy (26), którego króciec parowy połączony jest poprzez wymiennik regeneracyjny (23) z zaworem rozprężnym (28) i zaworem trójdrogowym (30) z parownikami (7, 18) autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego, zaś króciec cieczowy połączony jest poprzez zawór rozprężny (27) z wymiennikiem regeneracyjnym (23) i zaworem trójdrogowym (22) z parownikami (7, 18) autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego.

2. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że rurociąg (13) za wymiennikiem (12) instalacji termosyfonowej znajdującym się we wstępnym wymienniku ciepła (2) zaopatrzony jest w rozdzielczy zawór trójdrożny (14) połączony z rurociągami (15, 4) doprowadzającymi czynnik do wymienników (5, 16) instalacji termosyfonowej kriogenicznych wymienników (6, 17).

3. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że rurociąg (21) oraz rurociąg (8) za jednym z wymienników (5, 16) instalacji termosyfonowej kriogenicznych wymienników (6, 17) zaopatrzony jest w rozdzielczy zawór trójdrożny (11) połączony z rurociągami odprowadzającymi czynnik z jednego z rzeczonych przeciwnie połączonych wymienników (5, 16) instalacji termosyfonowej kriogenicznych wymienników (6, 17) oraz doprowadzający czynnik do wymiennika (12) instalacji termosyfonowej znajdującego się we wstępnym wymienniku ciepła (2).

4. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że skraplacz (25) zasilany jest za pomocą zewnętrznego sprężarkowego lub absorpcyjnego układu chłodniczego (29).

5. Sposób separacji dwutlenku węgla z gazów odpadowych, w szczególności z biogazu, znamienny tym, że za pomocą sprężarki (1) gaz spręża się korzystnie do ciśnienia 15 bar, następnie w wymienniku wstępnym (2) przy udziale wymiennika (12) instalacji syfonowej gaz jest korzystnie schładzany do temperatury -50°C, przy czym wymiennik wstępny (2) zasila się czynnikiem o niższym potencjale termodynamicznym przenoszonym z wymiennika regenerowanego (17), schłodzony gaz kolejno za pomocą zaworu trójdrożnego (3) kieruje się do aktywnego kriogenicznego wymiennika (6) gdzie schładza się go do temperatury około -120°C przy korzystnym ciśnieniu 15 bar, za pomocą parownika (7) autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego dwutlenek węgla w kontakcie z powierzchnią wymiany ciepła po osiągnięciu temperatury równowagi fazowej ulega resublimacji na powierzchni rzeczonego parownika (7), przy czym separację dwutlenku węgla w kriogenicznym wymienniku (6) przeprowadza się w sposób ciągły aż do osiągnięcia akumulacji zestalonego dwutlenku węgla, powodującej spadek ciśnienia gazu przepływającego przez kriogeniczny wymiennik (6) oraz spadku ciśnienia ssania w autokaskadowym układzie obiegu czynnika chłodniczego, następnie za pomocą trójdrogowego zaworu (3) strumień gazu kieruje się do kriogenicznego wymiennika (17) gdzie schładza się go do temperatury około -120°C przy korzystnym ciśnieniu około 15 bar, za pomocą parownika (18) autokaskadowego układu obiegu czynnika chłodniczego dwutlenek węgla w kontakcie z powierzchnią wymiany ciepła po osiągnięciu temperatury równowagi fazowej ulega resublimacji na powierzchni rzeczonego parownika (18), przy czym separację dwutlenku węgla i metanu w kriogenicznym wymienniku (17) przeprowadza się w sposób ciągły aż do osiągnięcia akumulacji zestalonego dwutlenku węgla, powodującej spadek ciśnienia gazu w kriogenicznym wymienniku (17) oraz spadku ciśnienia ssania w autokaskadowym układzie obiegu czynnika chłodniczego, ponadto kriogeniczne wymienniki (6, 17) zasila się za pomocą autokaskadowego układu czynnika chłodniczego, w którym to czynnik chłodniczy spręża się za pomocą sprężarki (24) następnie w skraplaczu (25) część mieszaniny skrapla się przed wylotem do separatora fazy (26), w którym to rozdziela się frakcję gazową od frakcji ciekłej, przy czym frakcję gazową kieruje się do regeneracyjnego wymiennika (23), gdzie kontynuuje się proces skraplania, natomiast frakcję ciekłą z separatora fazy (26) rozpręża się i frakcję ciekłą czynnika zmieszaną z frakcją częściowo odparowaną w kriogenicznym wymienniku (6, 17) kieruje się do regeneracyjnego wymiennika (23), zaś frakcję ciekłą skroploną w wymienniku regeneracyjnym kieruje się po rozprężeniu w zaworze rozprężnym (28) przez rozdzielczy zawór trójdrogowy (30) do jednego z kriogenicznych wymienników (6, 17) gdzie zachodzi właściwy efekt chłodniczy.

6. Sposób, według zastrz. 5, znamienny tym, że warunkiem koniecznym do przełączenia trójdrożnego zaworu (3) w celu odcięcia kriogenicznego wymiennika (6) i skierowania przepływu strumienia gazu do kriogenicznego wymiennika (17) jest zakończenie cyklu odtajania w podłączanym kriogenicznym wymienniku (17), odprowadzenie z układu skroplonego dwutlenku węgla o temperaturze -56°C i ciśnieniu 5,2 bar, oraz metanu o temperaturze -120°C i ciśnieniu 15 bar.

7. Sposób, według zastrz. 5, znamienny tym, że odtajanie kriogenicznych wymienników (6, 17) przeprowadza się za pomocą grawitacyjnego termosyfonu.

PL 243099 Β1

8. Sposób, według zastrz. 5 oraz 7, znamienny tym, że proces odtajania wymienników przeprowadza się za pomocą grawitacyjnego termosyfonu zasilającego wymiennik czynnikiem o wyższym potencjale termodynamicznym przenoszonym z układu wymiennika wstępnego, oraz cyrkulacja czynnika w układzie odbywa się bez sprężarki wymuszającej obieg.

9. Sposób, według zastrz. 5, znamienny tym, że chłodzenie wstępne we wstępnym wymienniku (2) odbywa się za pomocą grawitacyjnego termosyfonu zasilającego tenże wymiennik czynnikiem o niższym potencjale termodynamicznym przenoszonym z odzyskanego ciepła topnienia CO2 procesu odtajania regenerowanego kriogenicznego wymiennika (6, 17), oraz że cyrkulacja czynnika w układzie odbywa się bez sprężarki wymuszającej obieg.

10. Sposób, według zastrz. 5, znamienny tym, że kriogeniczne wymienniki (6, 17) działają naprzemiennie, gdzie zasilenie gazem sterowane jest sygnałem ciśnienia ssania po stronie układu chłodniczego lub wartością spadku ciśnienia gazu przepływającego przez wymiennik kriogeniczny.

11. Sposób, według zastrz. 5, znamienny tym, że sprężarkę (24) autokaskadowego układu czynnika chłodniczego zasila się co najmniej częściowo energią elektryczną uzyskaną w organicznym obiegu Rankine’a zasilanym w niskotemperaturowe ciepło odpadowe, w tym w ciepło oddawane w skraplaczu (25) autokaskadowego urządzenia chłodniczego oraz układ absorpcyjny (29) zasilany jest średniotemperaturowym ciepłem odpadowym.