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用于净化工艺设备的被亚硝胺污染的产物的装置和方法.pdf

  • 上传人:Y94****206
  • 文档编号:4786660
  • 上传时间:2018-11-13
  • 格式:PDF
  • 页数:9
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201280007137.9

    申请日:

    2012.01.17

    公开号:

    CN103338837A

    公开日:

    2013.10.02

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情:

    授权|||实质审查的生效IPC(主分类):B01D 53/14申请日:20120117|||公开

    IPC分类号:

    B01D53/14; B08B7/00

    主分类号:

    B01D53/14

    申请人:

    西门子公司

    发明人:

    B.费希尔; R.乔; R.施耐德; E.J.M.吉林; E.L.V.戈瑟; J.H.厄巴纳斯

    地址:

    德国慕尼黑

    优先权:

    2011.01.31 EP 11152679.4

    专利代理机构:

    北京市柳沈律师事务所 11105

    代理人:

    贾静环

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    内容摘要

    本发明涉及一种用于净化来自工艺设备(2)的被亚硝胺污染的产物(1)的方法(4)。将被污染的产物(1)加热到温度T,亚硝胺在该温度T被热破坏。在此,温度T高于在工艺设备(2)中的最大温度,并被保持一个停留时间t。本发明此外还涉及一种用于对来自CO2捕集设备的被亚硝胺污染的产物(1)进行再生的设备(7)。

    权利要求书

    权利要求书
    1.   一种用于净化来自工艺设备(2)的被亚硝胺污染的产物(1)的方法(4),在该方法中,将被污染的产物(1)加热到温度T,亚硝胺在该温度T被热破坏,其中,温度T高于工艺设备(2)中的最大温度,以及在该方法中,在温度T保持停留时间t。

    2.   按权利要求1所述的方法,其中,将温度T调节为120℃~360℃。

    3.   按权利要求1或2所述的方法,其中,将停留时间t调节为2~1600分钟。

    4.   按权利要求1至3中任一项所述的方法,其中,在净化前将碱(5)输送给被污染的产物,从而将被污染的产物的pH值调节为8~14。

    5.   按权利要求4所述的方法,其中,作为碱(5)输入的是氢氧化钾KOH。

    6.   按权利要求1至5中任一项所述的方法,其中,从污染的产物(1)中基本上除去二氧化碳。

    7.   按权利要求1至6中任一项所述的方法,其中,被污染的产物(1)为从燃烧矿物燃料的电厂设备的CO2捕集过程(6)提取的溶剂(3),以及其中被污染的溶剂(3)至少含有在CO2捕集过程(6)中形成的该浓度的亚硝胺。

    8.   按权利要求1至6中任一项所述的方法,其中,被污染的产物(1)为被亚硝胺污染的副产物,其中该副产物在再处理来自CO2捕集过程(6)的被氮氧化物NOX和/或硫氧化物SOX污染的溶剂时形成。

    9.   按权利要求7或8所述的方法,其中,从CO2捕集过程(6)中成批地提取以及处理被污染的产物(1)。

    10.   按权利要求9所述的方法,其中,成批处理在这样的时间范围内实施:在该时间范围内燃烧矿物燃料的电厂设备具有小于额定功率的功率。

    11.   按权利要求7至10中任一项所述的方法,其中,溶剂(3)是水溶液并含有氨基酸盐。

    12.   一种用于对来自CO2捕集设备(8)的被亚硝胺污染的产物(1)进行再生的设备(7),其包括吸收器(9)和解吸器(10),它们通过用于负载的溶剂的管路(11)和用于经再生的溶剂的管路(12)这样相互连接:使得在吸收器(9)和解吸器(10)之间形成溶剂回路(13),其中,热反应器(14)连接至溶剂回路(13)的一个管路(11、12)。

    13.   按权利要求12所述的设备(7),其中,热反应器(14)连接在用于经再生的溶剂的管路(12)上,从而可将基本上不含二氧化碳的溶剂输送给热反应器(14)。

    14.   按权利要求12或13所述的设备(7),其中,可以将来自蒸汽发电厂的蒸汽经过蒸汽输入管路(16)输送给热反应器(14)。

    15.   按权利要求12至14中任一项所述的设备(7),其中,热反应器(14)具有用于碱(5)的输入管路(15)。

    16.   按权利要求12至15中任一项所述的设备(7),其中,热反应器(14)导出地连接在解吸器(10)上,从而可以将清除了亚硝胺的溶剂(3)输送给解吸器(10)。

    说明书

    说明书用于净化工艺设备的被亚硝胺污染的产物的装置和方法
    在用于产生电能的燃烧矿物燃料的电厂设备中,由于燃烧矿物燃料而产生了含二氧化碳的烟气。为了避免或减少二氧化碳排放,必须将二氧化碳从烟气中分离出来。为了将二氧化碳从混合气中分离出来,通常已知各种办法。尤其是为了在燃烧过程之后将二氧化碳从烟气中分离而使用吸收‑解吸方法。在此,大规模地用吸收液将二氧化碳(CO2)从烟气中洗出(CO2捕集过程)。
    常用的化学溶剂,例如单乙醇胺(MEA),表现出了对二氧化碳(CO2)的良好选择性以及很高的容量。但胺类溶剂也不可逆地结合酸性的烟气次要成分(热稳定盐)和其它分解产物(降解产物)如形式为亚硫酸盐和硫酸盐的二氧化硫SO2或三氧化硫SO3,并且因此在过程期间越来越妨碍溶剂的有效性。为了处理这个问题,在基于氨基酸的溶剂中存在通过蒸馏进行处理的可能性。溶剂在此被加热,因而易挥发的胺蒸发以及通过冷凝回收且由此与很难煮沸的污物分离。
    在CO2捕集过程中,由于胺与氮氧化物NOX的化合而产生了一个极为严重的问题。即使烟气中氮氧化物NOX的浓度较小,胺与氮氧化物NOX也直接或通过副反应形成了让有机体致癌的亚硝胺(Nitrosamin)。这种亚硝胺具有极小的蒸汽压,因此它通过烟气被夹带排入大气。
    亚硝胺处在公众的高度关注下,因为它们(特别是烹制不当时)可能出现在食物中并且大多被视为会致癌。因此亚硝胺与带有胺类溶剂的CO2捕集设备的运行安全相关。因此,在CO2捕集过程中使亚硝胺浓度最小化对该技术在公众中的接纳度很重要。
    优选在酸性条件下(pH<7)形成亚硝胺。但是也在强碱性条件下形成亚硝胺。由此在CO2捕集过程中随时间富集了高浓度的亚硝胺。亚硝胺的一个特殊的特性是其较小的热稳定性,人们例如在分析方法中利用这一特性且取代亚硝胺本身而检测其在高度加热时的典型的分解产物。不过对溶剂热处理以破坏亚硝胺却不可行,因为洗涤活性的胺在所使用的溶剂中同样不是热稳定的,并且同样会由于热处理而被破坏。但这一点一定要避免。
    在蒸馏净化胺类溶剂或溶剂产物以便与降解产物分离时,亚硝胺也带来了一些困难。蒸馏通常在150℃的温度下发生。易挥发的胺此时在蒸发器中蒸发以及干扰性的残留物则作为蒸发残留物被分离。不过基于亚硝胺的较高的分子量,始终有一部分亚硝胺根据其各自的蒸汽压残留在蒸发残留物中,因为亚硝胺表现出了比相应的胺更小的蒸汽压。蒸发残留物因此包含份额明显的亚硝胺以及必须耗费成本地对其加以清除。经净化的溶剂中同样残留有亚硝胺。
    在使用氨基酸盐作为溶剂中的活性洗涤物质时,用蒸发来清除溶剂中的降解产物的方法就行不通,因为氨基酸盐没有表现出明显的蒸汽压。不过在此可以通过结晶使溶剂再生。但亚硝胺也对再生过程起不利影响并且此外还给副产物加上了负担,副产物因此必须耗费成本地作为特殊废物清除。虽然在使用氨基酸盐时通过经清洁的烟气排除了亚硝胺的排放,但将亚硝胺减小到尽可能少的程度仍十分有利。
    已知的是,迄今为止,无论在工艺技术中还是电厂技术或CO2捕集技术中都没有能在不破坏溶剂的活性氨基酸盐或不产生含亚硝胺的残留物或副产物的情况下将亚硝胺从溶剂或溶剂产物中清除的方法。
    因此本发明所要解决的技术问题是,提供一种方法,通过该方法可以将亚硝胺从产物、尤其是含胺类活性物质的溶剂中有效地清除,而不会破坏胺,以及不需要耗费成本地清除降解产物。此外还避免了现有技术的缺陷。本发明所要解决的技术问题还在于,提供一种设备,在该设备上可以实施按本发明的方法。
    本发明的针对方法的技术问题通过权利要求1的技术方案解决。
    因此在用于净化来自工艺设备(Prozessanlage)的被亚硝胺污染的产物的方法中,将被污染的产物加热到温度T,在该温度下亚硝胺被热破坏。这个温度T要高于工艺设备中的最高温度以及被保持一个停留时间t。
    在此,本发明利用了亚硝胺的有限的热稳定性,从而通过加热破坏亚硝胺。即使对技术人员而言,这一点也不是首先就可想到的。因为在一些亚硝胺从该温度起就有效地受到热破坏的温度下,也发生了对CO2洗涤所需的活性氨基酸的损害。
    为了不损害氨基酸,按照本发明选择这样一个温度,在该温度下,虽然实现了对亚硝胺的热破坏,但氨基酸作为活性物质被尽量保持不受损害。不过这个温度可以较低,因而被污染的溶剂必须保持与该温度对应的一个停留时间,从而能尽量全面地破坏亚硝胺。此外,温度的高低以及与之相关的所需的停留时间t,在此与溶解在溶剂中的胺相关。适用的胺例如是烷醇胺、氨基酸或氨基酸盐。
    本发明的核心尤其是这样的认识,即,对亚硝胺的热破坏可以用来净化被亚硝胺污染的溶剂。通过有利地选择温度T和停留时间t,可以调节亚硝胺的分解和胺的获得之间的最佳比例。
    通过本发明在工艺过程中破坏了亚硝胺,因此实现了使通过烟气排出的亚硝胺最小化。因为避免了耗费地清除亚硝胺,所以按本发明的教导在内部破坏亚硝胺的工艺设备可以在无需耗费成本地清除含亚硝胺的溶剂或副产物的情况下运行。首要的就是通过本发明降低处理含亚硝胺的溶剂的特殊措施的费用。
    在120℃至360℃之间的温度T特别有效地发生了热破坏。温度T的高低在此取决于所使用的氨基酸。根据温度T有利地选择在2分钟至1600分钟之间的停留时间t,其中,更长的停留时间当然也是可以的。热处理优选发生在封闭容器中以及过压下。
    在所述方法的一种有利的扩展设计中,在净化之前将碱输送给被亚硝胺污染的产物,从而被污染的产物的pH值调节到在8至14之间。这种扩展设计基于这样的认识,即,随着pH值的上升,一些氨基酸相对加热是非常稳定的。由此可以提高温度T以及减少停留时间t,这导致了方法的加速。氢氧化钾KOH适合作为强碱用来有利地提高pH值。因为在CO2捕集过程中,必须也分离形式为K2SO4的SOX。由此使该过程不断地减少钾。通过随K2SO4清除钾的程度添加氢氧化钾KOH,可以一方面保持钾的浓度以及此外还提高pH值。
    相反,一些氨基酸随着pH值的升高相对加热尤其稳定的事实,则意味着,为所述方法使用的被亚硝胺污染的产物优选在工艺设备的一个具有较高pH值的部位上被提取。因此,优选为方法使用一种不含酸以及尤其尽量不含二氧化碳的产物。
    在所述方法的一种有利的应用中,受污染的产物是一种溶剂,其从燃烧矿物燃料的电厂设备的CO2捕集过程中提取,其中,受污染的溶剂至少含有在CO2捕集过程中形成的该浓度的亚硝胺。所述方法在此优选平行于CO2捕集过程发生。因此,从CO2捕集过程分支出恒定的溶剂流,并按照所述方法被净化。
    作为备选,所述方法也用在副产物的再处理中。受污染的产物然后涉及一种被亚硝胺污染的副产物,副产物例如在再处理(再生,回收)氮氧化物NOX和/或硫氧化物SOX时由来自CO2捕集过程的被污染的溶剂形成。副产物在此通常用亚硝胺浓缩或饱和。所述方法也可以使用在其它用于破坏亚硝胺的再处理工艺中。在足够的停留时间之后,将基本不含亚硝胺的副产物冷却并可用传统方式清除。对副产物进行热处理还大大简化了操作。
    所述方法在另一种有利的应用中也可以以这样一种方式被运行,即,成批地提取和处理受污染的产物。由此与CO2捕集过程分离地控制净化过程。这首先在净化以及CO2捕集过程不在同一地点发生时是有利的。当净化过程在一个燃烧矿物燃料的电厂设备提供小于额定功率的功率的时间范围内执行时,成批的处理也是有利的。例如,当电厂设备在夜间被要求较小的功率以及因而有未经利用的功率储备可供其使用时,也是这样的情况。现在不需要的功率可以用于净化过程。
    业已证实特别有利的是在作为溶剂的水溶液中使用氨基酸盐作为活性洗涤物质。氨基酸盐不具有明显的蒸汽压以及因而有利地适用于烟气洗涤。
    本发明的针对装置的技术问题通过权利要求12的特征解决。
    用于再生来自二氧化碳分离装置的被亚硝胺污染的产物的装置,在此包括吸收器和解吸器,如它们在当前的CO2捕集过程中使用的那样。吸收器和解吸器通过用于负载的溶剂的管路以及用于经再生的溶剂的管路相互连接。通过这些管路形成了在吸收器和解吸器之间的溶剂回路。按照本发明,现在将热反应器连接到溶剂回路的其中一条管路上,按权利要求1所述的方法可以在该热反应器上实施。热反应器优选是一种压力容器,其内可以将温度调节在120℃至360℃之间。
    热反应器优选连接在用于经再生的溶剂的管路上,从而可以将基本不含二氧化碳的溶剂输送给热反应器。用于经再生的溶剂的管路在下端部上,亦即在解吸器的槽上离开解吸器。在此仅从经再生的溶剂中提取侧流。由此不会对CO2捕集设备有太大影响。
    在二氧化碳分离装置的一种有利的设计方案中,热反应器具有蒸汽输送管路,从而可以输送来自蒸汽发电厂的蒸汽产生过程的蒸汽用于加热该热反应器。因此,热反应器被一起集成在电厂设备中。
    热反应器此外还理想地具有输送管路,通过该输送管路可以将碱输送给热反应器。
    尤其有利地,热反应器导出性连接在解吸器上,因而可以将清除了亚硝胺的溶剂输送给解吸器。然后,可以将在亚硝胺热处理之后存在的热能释放到解吸器中,并进一步有助于气提(Strippen)。
    接下来借助附图详细阐释本发明的一些实施例。附图中:
    图1是用于用工艺设备净化被亚硝胺污染的产物的过程线路图;
    图2是表示亚硝胺和氨基酸的典型的分解率的图;
    图3是带有已连接的热反应器的CO2捕集设备;
    图4是示例性地形成稳定的亚硝胺化合物的反应图;
    图5是示例性地热处理稳定的亚硝胺化合物的反应图。
    图1在过程线路图中示出了用于用工艺设备2净化被亚硝胺污染的产物的方法4。被亚硝胺污染的产物1从例如可以从是CO2捕集过程6的工艺设备2中导出以及输送给净化方法4。产物例如是用于将二氧化碳从CO2捕集过程6中湿化学洗出的洗涤剂,该洗涤剂优选是一种具有氨基酸作为活性洗涤物质的溶剂。
    在方法4中,包含在被污染的产物1中的亚硝胺受到热破坏。热处理的反应产物对有机体的健康无碍。为了加热被污染的产物1,方法4规定了输入热流17。被污染的产物1由此被加热到温度T,该温度高于被污染的产物在工艺设备中承受的温度。
    业已表明,在120℃以上的温度就能有效地破坏亚硝胺。随着温度的上升,这个过程被加速。因为包含在被污染的产物1中的氨基酸的热稳定性有限,所以无法被自由地选择温度T。因此,必须根据使用的氨基酸来选择温度T,在该温度下还不会损害氨基酸,但已足够造成对亚硝胺的有效的破坏。
    使用氨基酸盐作为活性洗涤物质被证实尤为有效,因为氨基酸盐在高的pH值下相对加热尤为稳定。为了提高pH值,该方法规定输入碱5。在pH值为8以及更高时,就已经证实能极大地提高热稳定性。在方法1中,通过添加碱5优选调节一个尽可能高的在11和14之间的pH值。在这个pH值下,可以在使用氨基酸盐类的溶剂时将温度T调节在200至300℃之间,而不会使氨基酸盐受损。
    在被污染的产物所加热到的温度T保持一个停留时间t。这个停留时间t对应这样一个时间,在该时间后,污物、亦即亚硝胺被基本上热破坏掉。现在经净化的产物18可以如图1所示那样再次被引回工艺设备。图中没有示出备选的清除或其它进一步的处理。
    图2中在示意图中示出了不同pH值下亚硝胺20和氨基酸盐19的典型的分解率。左坐标轴表示每升溶剂中以摩尔表示的氨基酸的量S。右坐标轴则说明同样以mol/L为单位的亚硝胺的量NA。横坐标表示停留时间t。在此研究被亚硝胺污染的溶剂与作为活性添加剂的氨基酸盐的特性。还研究在不同的pH‑浓度下的溶剂。曲线A至D表示在不同pH值下的分解率。曲线A与大于12的pH值对应。曲线B与为11的pH值对应,C与为10的pH值对应以及D与为9的pH值对应。
    图2表明,亚硝胺20在不同的pH值A、B、C和D下的分解率几乎相同。反之,氨基酸盐19的分解率则取决于pH值。可以看到,随着pH值的下降,分解率上升。氨基酸盐19的分解率在pH值大于12(曲线A)时表明几乎没有分解率。氨基酸盐19作为洗涤活性物质被尽量保留在溶剂中。在pH值为11(曲线B)时已经发生了氨基酸盐19的可证实的分解,这种分解随着停留时间t渐增明显损害了溶剂。在相应的停留时间t中当pH值更低时,对氨基酸盐19的损害更强烈。因此曲线C(pH值为10)和曲线D(pH值为9)通过氨基酸盐的19的分解表明了对溶剂的巨大的损害。
    图3中示出了带有已连接的热反应器4的CO2捕集设备8。CO2捕集设备8基本上由吸收器9和解吸器10以及用于负载的溶剂的管路11和用于经再生的溶剂的管路12构成,这两条管路共同形成了用于溶剂的溶剂回路13。交叉流式热交换器21被接入该溶剂回路,热量通过该交叉流式热交换器可以从经再生的溶剂传递给经加载的溶剂11。在此未示出的是其它用于加热或冷却溶剂流的热交换器,它们被进一步相宜地使用在溶剂回路13的不同部位上。还未示出与说明本发明无关的一些附加部件,如泵、测量传感器或控制和调节装置。
    将例如来自燃烧矿物燃料的电厂设备的含CO2的烟气25输送给吸收器下部区域中。这种烟气25除了CO2外还包含一些化合物,如N2、O2、SOX和NOX,它们被引入CO2捕集设备8。在吸收器9的上部区域中,基本上没有CO2的烟气26被导出,烟气26除了其它烟气成分外还含有N2和O2。
    在吸收器9中,CO2通过溶剂被湿化学地洗出。为了提高溶剂的容量,在溶剂中溶解有胺(氨基酸或氨基酸盐)。胺在溶剂中和来自烟气的NOX形成了亚硝胺。该负载的且被亚硝胺污染的溶剂通过管路11导入解吸器10的上部区域。在解吸器10中,在输入例如形式为热蒸汽的热量的情况下,溶剂被气提或CO2被从溶剂煮出。在解吸器10的头部上导出由气态的CO2和汽化的蒸汽构成的负荷蒸汽。在下部区域中则通过管路12导出现在基本上不含CO2的、但仍被亚硝胺污染的溶剂。
    热反应器14通过输入管路22连接在管路12上。热能29可以通过蒸汽输入管路16输送给热反应器14。碱5可以通过管路15输送给热反应器14。通过在针对停留时间t的经调整的温度T下加热溶剂,基本上热破坏了溶剂中的亚硝胺,并将其分解成对有机体无碍的产物。通过将热反应器与解吸器10连接起来的输出管路23,可以将经再生的以及尽可能没有亚硝胺污物的溶剂引回给解吸器。通过将在热反应器14中处理的溶剂引回给解吸器10,可以再次从用于解吸的过加热的溶剂中获得热量。作为备选,热反应器14也可以接在管路12中或与管路12并联。
    可以分别将一个调节阀24接入输入管路22和输出管路23,热反应器14可以通过它们与溶剂回路13脱开。由此可以成批地处理溶剂。
    图4是示例性地形成由仲胺和二氧化氮构成的稳定亚硝胺化合物的反应图解。胺可以是烷醇胺、氨基酸或氨基酸盐。所形成的亚硝胺化合物在CO2捕集过程的条件下是稳定的。R可以代表芳基或羟基。R′可以是芳基、烷基或带有相应的阳离子的去质子化的酸。
    在图5现在示出了按本发明热处理稳定的亚硝胺化合物的反应图。由仲氨酸形成的稳定亚硝胺化合物通过输入热量而分解成对人体无害的产物。

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    用于 净化 工艺设备 被亚硝胺 污染 产物 装置 方法
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