Công nghệ thu hồi CO2 từ khói thải

Công nghệ thu hồi CO2 từ khói thải

I.1 Khái niệm quá trình hấp thụ

Hấp thụ : Là quá trình xảy ra khi một cấu tử pha khí khuếch tán vào pha lỏng do sự tiếp

xúc giữa hai pha khí và lỏng

- Khí được hấp thụ gọi là chất hấp thụ

- Chất lỏng hấp thụ gọi là dung môi hấp thụ

Mục đích của quá trình là hòa tan một hay nhiều cấu tử khí vào trong dung môi tạo nên dung dịch các cấu tử trong chất lỏng.Quá trình yêu cầu sự truyền chất từ pha khí vào pha lỏng.Nếu quá trinh xảy ra ngược lại, nghĩa là có sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí ta có quá trình nhả khí.Nguyên lý của hai quá trình là giống nhau

Trong công nghiệp hóa chất, hấp thụ được dùng để :

1) Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí

2) Làm sạch pha khí

3) Tách hỗn hợp thành các cấu tử riêng biệt

4) Tạo thành một dung dịch sản phẩm

Quá trình hấp thụ bao gồm hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học

- Hấp thụ vật lý : Dựa trên cơ sở là khả năng hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng

- Hấp thụ hóa học : Giữa cấu tử trong pha khí và pha lỏng xảy ra phản ứng hóa học.Các quá trình xử lý khí với mục đích tách cấu tử khí ra khỏi hỗn hợp thì lựa chọn dung môi phù hợp phụ thuộc vào các yếu tố sau :

* Độ hòa tan tốt, có tính chọn lọc cao cấu tử cần tách.

* Độ nhớ dung môi càng bé thì trở lực càng nhỏ và thuận lợi cho quá trình chuyển khối

* Nhiệt dung riêng bé sẽ tiêu tốn ít nhiệt lượng cho quá trình hoàn nguyên dung môi

* Nhiệt độ sôi khác xa so với nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan để có thể dễ dàng tách hoàn toàn cấu tử hòa tan ra khỏi dung môi

* Nhiệt độ đóng rắn thấp để không làm tắc thiết bị

* Dung môi ít bay hơi, không độc hại với người, dung môi dễ kiếm, rẻ tiền và không ăn mòn thiết bị

I.2 Cơ sở lý thuyết

I.2.1 Cân bằng pha

Định luật Herry : Thành phần cân bằng của các pha trong hệ khí – dung dịch lỏng hòa

tan khí đối với khí lý tưởng có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ giới hạn của nó được xác định theo nhiệt độ Herry :

P = Ψ x (1)

Nghĩa là áp suất riêng phần của khí trên bề mặt thoáng chất lỏng tỷ lệ với phần mol của

nó hòa tan trong dung dịch.

Trong phương trình trên : x - Là nồng độ phần mol của khí hòa tan trong dung dịch;

P – Áp suất riêng phần của khí bên trên bề mặt thoáng chất

lỏng

Ψ – Hằng số Herry

Ψ phụ thuộc vào tính chất của khí và của chất lỏng cũng nhiệt độ và đơn vị áp suất.Nếu nhiệt độ tăng lên thì ψ tăng lên, khả năng hòa tan của khí trong dung dịch giảm

Nếu ta gọi y* i là nồng độ cấu tử i cân bằng khi dung dịch có nồng độ là xi và áp suất chung của hỗn hợp là P thì ta có :

Pi = y* i P Thay vào phương trình (1) ta có :

y* i P = Ψ xi → y * i = (Ψ/P) xi → y * = m.xi

m = Ψ/P gọi là hằng số không thứ nguyên

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa y* i và xi theo định luật Herry chỉ đúng với chất khí và thường được ứng dụng để tính toán quá trình hấp thụ khí

Hình 1 : Đường cân bằng pha của hệ khí – lỏngĐối với khí lý tưởng thì đường biểu diễn phương trình trên là đường thẳng, đối khí thực thì hằng số Herry còn phụ thuộc vào nồng độ của và đường biểu diễn lúc này là đường cong.Nếu khí thực có nồng độ không lớn lắm và độ hòa tan của nó trong chất lỏng kém thì đường biểu diễn phương trình có thể coi là đường thẳng

I.2.2 Các phương trình cơ bản của quá trình hấp thụ

I.2.2.1 Phương trình cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật liệu có dạng :

GYYĐ + GXXĐ = GXXC + GYYC Trong đó :

GX : Lượng khí trơ không đồi khi vận hành (kmol/h)

GY : Lượng dung môi không đổi khi vận hành (kmol/h)

YĐ , YC : Nồng độ đầu và cuối của pha khí (kmol/kmol khí trơ)

XĐ, XC :Nồng độ đầu và cuối của cấu tử cần hấp thụ trong pha lỏng

(kmol/kmol dung dịch)Phương trình cân bằng vật liệu đối với một khoảng thể tích thiết bị tính từ một tiết diện bất kì đến phần trên thiết bị :

GX ( Y - YC ) = GY ( X - XĐ )

Từ phương trình trên ta rút ra phương trình đường làm việc của thiết bị hấp thụ như sau :

Y = (GY/ GX) X - (GY/ GX) XĐPhương trình đường làm việc của tháp hấp thụ có dạng đường thẳng

Y = A.X + BLượng dung môi tiêu tốn lý thuyết tính theo công thức sau :

GY = GX ( YĐ - YC )/ ( XC - XĐ )Xác định lượng dung môi tối thiểu dùng để hấp thụ với giả thiết nồng độ chất hấp thụ đạt đến nồng độ cân bằng, tức là XC = XCb

GYmin = GX ( YĐ - YC )/ ( XCb – XĐ )

Trong thực tế quá trình hấp thụ không bao giờ đạt đến cân bằng giữa các pha, nghĩa là nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng độ thực tế vì vậy lượng dung môi hấp thụ cần thiết luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu.Thông thường lượng dung môi thực tế được lấy hơn 20% so với lượng dung môi tối thiểu.

I.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước thiết bị trong quá trình hấp thụ

Bây giờ ta xét mối quan hệ giữa lượng dung môi tiêu thụ với kích thước thiết bị dựa vào phương trình chuyển khối cơ bản :

G = Ky.F.ΔYtb

Trong điều kiện làm việc nhất định thì lượng khí bị hấp thụ Gtk là không đổi và có thể coi

hệ số chuyển khối Kv là không đổi.Như vậy bề mặt F chỉ thay đổi tương ứng với sự thay đổi của ΔYtb sao cho tích số ( F.ΔYtb) là không đổi

Bề mặt F quyết định kích thước thiết bị, do đó khi F thay đổi thì kích thước thiết bị thay đổi theo Ta có thể khảo sát sự thay đổi của động lực chuyển khối trung bình ΔYtb trên đồthị Y-X.Rõ ràng khi YĐ, YC và XĐ không đổi thì giá trị nồng độ cuối của dung môi quyết định động lực trung bình của quá trình, điểm cuối của đường làm việc chỉ được dịch chuyển từ điểm A đến A4

Ví dụ : Điểm A4 nằm gần sát đường cân bằng lúc đó độ dốc của đường làm việc thấp nhấttương ứng với động lực trung bình thấp nhất (Y-Ycb giảm).Như vậy để tích số ( F.ΔYtb) không đổi thì F phải tăng lên đạt giá trị lớn nhất.Nhìn vào đồ thị ta thấy nếu đường làm việc càng tiến gần về phía trục tung tức là độ dốc đường làm việc tăng lên, động lực trungbình càng tăng thì khi đó bề mặt tiếp xúc F giảm.

Với α là góc nghiêng giữa đường làm việc với trục hoành

Ta có : tgα = GY/GXNên ta thấy lượng dung môi hấp thụ thay đổi theo tỷ lệ thuận với độ dốc đường làm việc nên khi giá trị góc nghiêng nhỏ nhất ( αmin ở A4 ) thì lượng dung môi tiêu tốn là nhỏ nhất Ngược lại, giá trị góc nghiêng lớn nhất (α ≈ 900 ở A) thì lượng dung môi tiêu tốn là lớn nhất

Vậy bề mặt F tỷ lệ nghịch với động lực trung bình ΔYtb, và do đó tỷ lệ nghịch với lượng dung môi tiêu tốn

Đường OA và OA4 là hai đượng giới hạn Nếu chọn lượng dung môi ít nhất thì thiết bị sẽ

có chiều cao lớn, nhưng nếu chọn lượng dung môi quá lớn để giảm bề mặt tiếp xúc F thì không có hiệu quả kinh tế (nồng độ dung môi quá loãng).Vì vậy cần lựa chọn lượng dung môi thích hợp để vừa đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế.I.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ

a Ảnh hưởng của áp suất :

Khi áp suất tăng, áp suất riêng phần của cấu tử hấp thụ sẽ tăng dẫn đến động lực của quá trình hấp và quá trình hấp thụ tốt hơn

Hình 2 : Ảnh hưởng của áp suất : P1>P2>P3>P4

b Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng thì đông lực cân bằng giảm xuống, đường cân bằng dịch chuyển gần vềphía đường làm việc dẫn đến động lực hấp thụ giảm, khả năng hấp thụ kém hơn

Hình 3 : Ảnh hưởng của nhiệt độ : t1<t2<t3

II. CÁC LOẠI THIẾT BỊ HẤP THỤ

Thiết bị hấp thụ là các thiết bị thực hiện quá trình hấp thụ.Các thiết bị hấp thụ

có cấu tạo đa dạng nhưng phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây :

- Có bề mặt tiếp xúc pha lớn, năng suất cao và khả năng làm mát tốt

- Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt, vận hành và sửa chữa

- Vật liệu chế tạo thiết bị không bị ăn mòn và giá cả hợp lý.

Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo và hoạt động của thiết bị hấp thụ ta có : Thiết bị hấp thụ bề

mặt, thiết bị hấp thụ chảy màng, thiết bị hấp thụ kiểu phun, thiết bị hấp thụ cơ học, thiết

bị hấp thụ bằng đệm.

II.1 Thiết bị hấp thụ chảy màng

Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt vật rắn thường là thẳng đứng.Bề mặt vật rắn có thể là ống, tấm song song hoặc là đệm tấm

- Thiết bị chảy màng loại ống :

Có cấu tạo tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm, gồm có ống tạo màng được giữ vào hai vỉ ống ở hai đầu, khoảng không giữa ống và vỏ dùng để tách khi cần thiết.Chất lỏng chảy thành màng theo thành ống từ trên xuống, dòng khí (hơi) đi theo không gian trong màng chất lỏng từ dưới lên

Nguyên lý làm việc : Chất lỏng hấp thụ từ trên đỉnh tháp đi vào các ống, nhờ cấu tạo các ống cao hơn mực chất lỏng vào nên chất lỏng chảy thành màng bên trong ống và đi xuống dưới.Hỗn hợp khí đi từ dưới lên tiếp xúc với màng chất lỏng và xảy ra quá trình hấp thụ.Bề mặt hấp thụ coi như bằng tổng bề mặt trong của các ống.Khí trơ được đưa ra ngoài ở trên đỉnh thiết bị

Hình 4 : Thiết bị hấp thụ màng kiểu ống

- Thiết bị hấp thụ màng kiểu tấm :

Trong thiết bị có các bản thẳng đứng song song với nhau, chất lỏng đi từ trên xuống chảythành màng trên các tấm, chất khí đi từ dưới lên ngược chiều

- Thủy động lực học trong thiết bị dạng màng :

+ Khi Re (Chuẩn số Reynol) < 300 =>> Chảy màng với bề mặt pha nhẵn trơn+ Khi 300 < Re < 1600 =>> Chảy màng bắt đầu có gợn sóng

+ Khi Re > 1600 =>> Chế độ chảy rối

Khi có dòng khí chuyển động ngược chiều sẽ ảnh hướng lớn đến chế độ chảy của màng.Khi đó lực ma sát giữa khí và lỏng khiến sự cản trở của dòng khí mạnh dẫn đến bề dày màng tăng lên, trở lực dòng khí tăng.Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí sẽ dẫn đến cân bằng giữa trọng lực của màng lỏng và lực ma sát dẫn đến chế độ sặc.Khi tốc độ vượt quá tốc độ sặc sẽ làm kéo theo chất lỏng theo pha khí ra ngoài.

- Năng suất tính theo pha lỏng nhỏ

- Cấu tạo phức tạp, khi vận hành dễ bị sặc

+ Ứng dụng :

- Trong phòng thí nghiệm

- Trường hợp hấp thụ với năng suất thấp

- Trong những hệ thống cần trở lực thấp (Hệ thống hút chân không )

II.2 Thiết bị hấp thụ kiểu phun

Thiết bị hấp thụ loại này có thân hình trụ đứng, bên trong có lắp nhiều vòi phun.Các vòi phun được bố trí xem kẽ, cách nhau một khoảng để tạo mưa đều khắp không gian trong tháp

Hỗn hợp khí được cấp vào đáy tháp rồi đi ra ở đỉnh tháp.Bề mặt tiếp xúc pha chính là tổng bề mặt các hạt lỏng nên có giá trị lớn.Dung dịch gồm chất hấp thụ và chất bị hấp thụ

đi ra ở đáy tháp, để chất khí không phun ra ngoài theo dung dịch cần có khóa thủy lực.+ Ưu điểm :

- Cấu tạo đơn giản

- Trở lực đối với dòng khí là rất nhỏ nên tiết kiệm được năng lượng cho quạt thổi khí.

- Thường được dùng cho quá trình hấp thụ các chất khí hòa tan mạnh trong dung môi hấp thụ

+ Nhược điểm :

- Không phù hợp với những hỗn hợp khí khó hòa tan

Hình 5 : Tháp hấp thụ kiểu phun II.3 Tháp đệm

Tháp đệm là tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn.Trong tháp người ta đổ đầy đệm, được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ hóa học để hấp thụ, chưng cất và làm lạnh

Đệm là những vật liệu rắn có hình dạng và kích thước giống nhau được đổ vào bên trongtháp, để tạo độ xốp, tăng diện tích tiếp xúc giữa pha khí và lỏng.

Các loại đệm phổ biến :

- Đệm vòng ( Kích thước từ 10-100 mm )

- Đệm hạt (Kích thước từ 20-100 mm)

- Đệm xoắn (Đường kính vòng xoắn từ 3-8 mm)

Yêu cầu chung đối với tất cả các loại đệm :

- Bề mặt riêng lớn ( Tổng diệc tích bề mặt đệm tính toán cho 1 m3 tầng đệm,đơn vị là m2/m3)

- Thể tích tự do lớn

- Khối lượng riêng bé

- Bền về mặt hóa học, cơ học và bền nhiệt

Tuy nhiên trong thực tế không phải loại đệm nào cũng thỏa mãn được những yêu cầu trênnên căn cứ vào điều kiện để lựa chọn loại đệm cho phù hợp

Cấu tạo tháp đệm và các loại đệm thường dùng :

Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa ta có chế độ chảy xoáy và quá trình chuyển khối được xác định bằng khuếch tán đối lưu.Đến một giới hạn nào đó của vận tốc khí sẽ xảy ra

hiện tượng đảo pha.Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí trở thành pha phân tán.Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi là vận tốc đảo pha.Khí sục vào lỏng tạo nên hiện tượng sủi bọt, chế độ làm việc lúc này là chế độ sủi bọt.Nếu vận tốc khí tiếp túc tăng thì xảy ra hiện tượng lỏng cuốn theo khí ra ngoài.Ở chế

độ sủi bọt vận tốc chuyển khối tăng nhanh đồng thời trở lực cũng tăng nhanh

Hình 7 : Chế độ làm việc tháp đệm

I-II : Chế độ quá độII-III : Chế độ chảy xoáyIII-IV : Chế độ sủi bọtIV-V : Chất lỏng bị cuốn theo khí ra ngoài

PHẦN II : CÔNG NGHỆ CỤM THU HỔI CO 2 TỪ KHÓI THẢI

I. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CỤM THU HỒI CO 2 TỪ KHÓI THẢI

Dòng khói thải flue gas với áp suất -0,002 barg từ lò đốt refoming được đưa sang thiết bị làm mát 10-T1001, tại đây khói thải được làm mát tới nhiệt độ 42oC bằng dòng nước làm mát đi từ trên đỉnh tháp xuống.Dòng nước làm mát được bơm tuần hoàn bằng bơm 10-P1001 và được duy trì nhiệt độ làm mát bằng thiết bị trao đổi nhiệt 10-E1001

Khói thải sau khi làm mát được hút qua thiết bị hấp thụ T1002 bằng quạt hút K1001.Tại thiết bị hấp thụ, dòng khói thải đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với dòng dung dịch KS-1 đi từ trên xuống, CO2 được hấp thụ vào KS-1 ở áp suất thường.Sau khi ra khỏi đoạn hấp thụ, khói thải đi vào đoạn rửa phía trên, tại đây khói thải được làm mát và thải

10-ra ngoài không khí

Dòng dịch KS-1 giàu CO2 được bơm 10-P1003 A/B bơm vào tháp giải hấp 10-T1003 saukhi được gia nhiệt bằng dòng dịch nghèo CO2 đi ra từ đáy tháp giải hấp

Trong tháp giải hấp 10-T1003, CO 2 được tách ra khỏi dịch KS-1 đi ra khỏi đỉnh

tháp.Dòng dung dịch KS-1 nghèo CO2 được bơm 10-P1005 tuần hoàn trở lại tháp hấp thụ

Dòng hơi ra khỏi tháp giải hấp được làm lạnh bởi thiết bị 10-E1004 sau đó đi vào thiết bịtách pha 10-V1001.Tại đây khí CO2 tinh khiết được đưa sang phân xưởng tổng hợp Ure.Dòng nước ngưng tụ được bơm 10-P1004 A/B bơm tuần hoàn lại hệ thống như sau : Khi hệ thống hoạt động bình thường thì 50% nước được tuần hoàn về đoạn rửa của thiết

bị hấp thụ, 50% được đưa về thiết bị giải hấp.Trường hợp vận hành thiết bị tái sinh E1007, 30-40% nước được tuần hoàn về đoạn rửa, 30-40% được đưa đến thiết bị tái sinhdung môi, còn lại được tuần hoàn về tháp giải hấp

10-Dòng dung môi KS-1 nghèo CO2 sau khi ra khỏi đáy thiết bị giải hấp được trao đổi nhiệt với dòng KS-1 giàu CO2 vào tháp sau đó được đưa trở lại đỉnh đoạn hấp thụ của 10-T1002.Khoảng 10% dịch KS-1 được đưa qua bộ lọc 10-FL1002 để lọc dầu và tạp chất

hòa tan, bộ lọc 10-FL1001 và 10-FL1003 được lắp trước và sau 10-FL1002 để lọc các tạpchất không hòa tan.

Reboiler của thiết bị giải hấp được cung cấp nhiệt bằng dòng hơi thấp áp, duy trì nhiệt độ của đáy tháp giải hấp ở 117oC

Thiết bị tái sinh dung môi 10-E1007 hoạt động gián đoạn, được cung cấp nhiệt bằng dòng hơi cao áp có áp suất 38 barg , hoạt động như một thiết bị chưng cất đơn giản gián đoạn.Hơi nước và KS-1 có nhiệt độ sôi thấp hơn bay hơi trước, các tạp chất và các hợp chất muối bền nhiệt được giữ lại trong thiết bị và được tháo ra sau khi kết thúc công đoạntái sinh

II. MÔ TẢ CÔNG NGHỆ

Cụm thu hồi CO2 bao gồm 03 công đoạn chính:

- Làm nguội khói thải (flue gas)

- Thu hồi CO2

- Giải hấp (tái sinh dung môi)

II.1.Công đoạn làm nguội khói thải

Thiết bị làm nguội khói thải 10-T-1001 là một tháp hình trụ với đệm cấu trúc bên trong

Vì nhiệt độ khói thải ra khỏi 10-H-2001 rất cao, phản ứng hấp thụ CO2 là phản ứng tỏanhiệt, đồng thời để giảm lượng dung môi KS1 tiêu thụ, dòng khói thải trước khi vào tháphấp thụ 10-T-1002 cần phải được làm nguội Trong tháp 10-T-1001, dòng khói thải sẽđược làm nguội bằng cách tiếp xúc trực tiếp với dòng nước tuần hoàn từ đỉnh tháp 10-T-

1001 trước khi đưa vào tháp hấp thụ CO2, dòng nước tuần hoàn này được làm nguội quathiết bị làm nguội nước làm mát khói thải 10-E-1001.

Khói thải được lấy ra từ ống khói thải của 10H2001 và được đưa đến phân xưởng thu hồiCO2 bằng quạt 10-K-1001 được lắp đặt tại đầu ra của tháp làm nguội 10-T-1001 Khóithải này được xả trực tiếp ra ngoài qua ống khói 10SK2001 của xưởng NH3 trong trườnghợp quạt 10-K-1001 bị sự cố Vì vậy, nhà máy sẽ không bị ảnh hưởng trong trường hợpphân xưởng thu hồi CO2 bị sự cố

II.2 Công đoạn thu hồi CO2

Tháp hấp thụ CO2 10-T-1002 là một tháp hình trụ sử dụng đệm cấu trúc bên trong Thápnày chia làm 02 phần chính: Phần dưới dùng để hấp thụ CO2 và phần trên dùng để rửakhói thải đã qua xử lý

a Hấp thụ CO2

Khói thải sau khi làm nguội trong thiết bị 10-T-1001 sẽ được nạp liệu vào đáy thiết bịhấp thụ CO2 10-T-1002 Khói thải sẽ đi lên trên đỉnh tháp qua các tầng đệm và tiếpxúc ngược chiều với dòng dung dịch nghèo CO2 từ trên xuống qua bề mặt đệm, tạiđây CO2 trong dòng khói thải sẽ bị hấp thụ bởi dung dịch trên

Dòng dung dịch giàu CO2 từ đáy tháp 10-T-1002 được bơm 10-P-1003 A/B đưa đếnthiết bị trao đổi nhiệt 10-E-1003 A/B trước khi đến tháp giải hấp 10-T-1003

b Đoạn rửa

Dòng khói thải từ phân đoạn hấp thụ CO2 di chuyển lên trên vào phân đoạn rửa củatháp 10-T-1002 Khói thải sau khi xử lý được rửa bằng nước chứa dung môi, sau đóchúng được làm nguội hoàn toàn ở 10-E-1002 nhằm mục đích duy trì cân bằng nướctrong hệ thống Đoạn rửa ở phần trên của tháp bao gồm đệm và các thiết bị táchsương Khí đã xử lý sẽ được xả ra từ đỉnh tháp hấp thụ CO2 10-T-1002

II.3 Giải hấp

Thiết bị giải hấp 10-T-3001 có dạng hình trụ, bên trong sử dụng đệm cấu trúc Tại đâydung môi giàu CO2 bị phân tách bằng hơi và CO2 được lấy ra khỏi dòng dịch.

Dung môi giàu CO2 từ đáy tháp hấp thụ 10-T-1002 được gia nhiệt bằng dung dịch nghèoCO2 lấy từ đáy tháp giải hấp 10-T-1003 tại thiết bị trao đổi nhiệt 10-E-1003A/B Dungmôi giàu CO2 sau khi gia nhiệt được nạp liệu vào phần trên của tháp giải hấp, tại đây nóđược tiếp xúc với dòng hơi stripping

Dung môi giàu CO2 sẽ được phân tách bằng hơi trong 10-T-1003 và giải hấp để thànhdung dịch nghèo Hơi dùng trong thiết bị giải hấp 10-T-1003 được sản xuất từ reboiler10-E-1005, thiết bị này sử dụng hơi thấp áp để đun sôi dịch nghèo CO2

Hơi qua đỉnh 10-T-1003 sẽ được làm nguội đến 450C qua thiết bị ngưng tụ 10-E-1004.Nước bị ngưng tụ từ bình hồi lưu tuần hoàn 10-V-1001 một phần sẽ được đưa đến đỉnhtháp 10-T-1003 qua bơm hồi lưu tuần hoàn 10-P-1004A/B

Dung dịch nghèo CO2 ra khỏi đáy của 10-T-1003 sẽ được làm nguội đến 400C bởi thiết

bị trao đổi nhiệt 10-E-1003A/B và thiết bị làm lạnh 10-E-1006 trước khi đưa vào tháphấp thụ CO2 10-T-1002 Khoảng 10% khối lượng dung dịch nghèo CO2 này được đưaqua bộ lọc bằng than hoạt tính 10-FL-1002 để tách dầu và tạp chất hòa tan, các bộ lọc 10-FL-1001 và 10-FL-1003 được đặt trước và sau 10-FL-1002 dùng để tách các tạp chấtkhông hòa tan

II.4 Dung môi hấp thụ KS-1

Dung dịch hấp thụ CO2 là dung dịch có tên bản quyền là KS-1 có thành phần chủyếu là monoethanol amin (MEA).MEA là dung môi bình thường được sản xuất và sửdụng sớm nhất với hơn 50 năm trong lĩnh vực hấp thụ CO2 cho các quá trình tách hay thuhồi với mục đích sản xuất nước giải khát hoặc nước đá khô

Công thức phân tử MEA :

HO-CH2-CH2-NH2

Hiện nay, nhà máy sử dụng dung môi KS-1 70% trong quá trình vận hành bình thườngcủa phân xưởng.

Phương trình phản ứng cơ bản của quá trình hấp thụ CO2 bằng dịch KS-1 :

2 R-NH2 + CO2  R-NH3+ + R-NH-COO R-NH2 + CO2 + H2O  R-NH3 + HCO3-

-Để đảm bảo khả năng hấp thụ CO2 của dịch KS-1 ổn định, chúng ta cần chú ý tới việc duy trì nồng độ KS-1 đồng thời đảm bảo chất lượng dung dịch.Kiểm tra và duy trì các yếu tố ảnh hưởng tới chât lượng KS-1 trong giới hạn cho phép bao gồm các yếu tố như sau :

- Nồng độ CO2 trong dịch KS-1 nghèo

- Nhiệt độ dịch KS-1 trong quá trình vận hành

- Hàm lượng muối bền nhiệt (HHS) trong dung dịch ( < 2 %)

- Hàm lượng sắt hòa tan ( giới hạn 10%)

Nếu hàm lượng muối bền nhiệt và hàm lượng sắt hòa tan trong dung dịch KS-1 vượt quá giới hạn cho phép, hay cường độ tạo bọt trong tháp hấp thụ CO2 tăng lên thì tiến hành khởi động thiết bị tái sinh dung môi 10-E1007.Kết hợp với bộ lọc 10-FL1002, 10-

FL1001, 10-FL1003 để đảm bảo chất lượng của dung môi KS-1

II.5 Tái sinh dung môi (Vận hành gián đoạn)

SOx và NO2 phản ứng với dung môi KS-1 trong tháp hấp thụ CO2 (10-T-1002), phảnứng này sẽ hình thành muối bền nhiệt (HSS) Sự hình thành HSS sẽ làm tạo bọt trongdung dịch Thiết bị tái sinh (Reclaimer) 10-E-1007 được sử dụng nhằm mục đích loại bỏHSS tích tụ trong dung môi KS-1 Thiết bị tái sinh 10-E-1007 hoạt động như một thápchưng cất gián đoạn đơn giản Khi hàm lượng HSS trong dung môi đạt đến giới hạn tối

đa, 10-E-1007 được khởi động để gia nhiệt cho dung môi với NaOH và nước hồi lưu.Một phần NO2 và SOx trong thành phần của HSS sẽ phản ứng với NaOH trong 10E1007.Phản ứng này sẽ tạo muối và giải phóng một phần dung môi KS-1 từ muối bền nhiệtHSS Muối sinh ra, NaOH thừa và các sản phẩm khác có nhiệt độ sôi cao hơn dung môi

KS-1 Vì vậy, khi được cấp nhiệt dung môi KS-1 và nước sẽ hóa hơi trước và đi ra khỏi10E1007 đến 10T1003 Các hợp chất còn lại được xem như là chất thải và được đưa đi

xử lý

II.6 Hệ thống bồn chứa dung dịch KS-1

Bồn chứa dung dịch 10-TK-1001 dùng để chứa dung dịch KS-1 của phân xưởng thu hồiCO2 trong thời gian phân xưởng ngừng hoạt động

Bồn chứa 10-TK-1002 được sử dụng nhằm mục đích thu hồi dung dịch KS-1 sau khi xảthải và dùng để bổ sung dịch KS-1

III. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình hoạt động của phân

xưởng thu hồi CO 2

III.1 Ảnh hưởng của tạp chất

a. SO2

Nếu SO2 được nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 10-T-1002 cùng với khói thải, SO2 sẽphản ứng với dung dịch KS-1 và hình thành muối bền nhiệt (HSS) Dung dịch KS-1 đãphản ứng với SO2 sẽ được tách ra từ HSS và được thu hồi trong công đoạn tái sinh Tuynhiên việc nạp liệu SO2 này sẽ làm tăng tần suất hoạt động của thiết bị tái sinh, làm tănglượng dung dịch KS-1 tiêu thụ vì một phần của dung dịch KS-1 nạp liệu vào thiết bịReclaimer 10-E-1007 sẽ được đưa ra ngoài phân xưởng để xử lý

b. NOx

Thành phần của khói thải bao gồm các oxit Nito nhưng chủ yếu là NO và NO2 Khi NOđược đưa vào tháp hấp thụ, chỉ một lượng nhỏ bị hấp thụ vật lý, phần còn lại được đưa rangoài qua đỉnh tháp hấp thụ CO2 Mặt khác, phần NO2 phản ứng với dung dịch KS-1 tạo

ra muối bền nhiệt Do đó, NO2 đi vào tháp hấp thụ sẽ làm tăng lượng tiêu tốn dung dịchKS-1 Hơn nữa, NO sẽ bị hấp thụ vật lý bởi dung dịch KS-1 và phần nhỏ NO2 sẽ bị cuốntheo lượng CO2 thu hồi

c. Oxi

Không giống như các amine, dung dịch KS-1 không bị ảnh hưởng bởi oxi khi nồng độbằng nồng độ không khí Do vậy, không cần đưa khí trơ vào các bồn chứa dung dịchhoặc các thiết bị tồn trữ khác Tuy nhiên, muối bền nhiệt sẽ được hình thành khi dịch tiếpxúc với O2 ở tháp hấp thụ CO2 trong thời gian dài.

d. Bụi

Việc tích tụ bụi trong dung dịch KS-1 có thể gây ra các vấn đề như tạo bọt, ăn mòn, tănglượng tiêu tốn dịch KS-1 Thêm vào đó, bụi sẽ làm tắc các bộ lọc

III.2 Sự hấp thụ CO 2

Hiệu suất hấp thụ CO2 sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

- Nồng độ CO2 trong dòng khói thải nạp liệu và trong tháp hấp thụ :

Nồng độ CO2 trong khói thải ảnh hướng tới năng suất thu hồi của quá trình.Nếu nồng độCO2 trong khói thải quá thấp thì cụm phân xưởng không hoạt động đúng với năng suấtthiết kế, vì vậy cần theo dõi nồng đọ CO2 để có thể điều chỉnh thông số năng suất

- Nhiệt độ dòng khói thải nạp liệu vào tháp hấp thụ :

Nhiệt độ dòng khói thải quá cao dẫn đến quá trình hấp thụ kém, khả năng thất thoát châthấp thụ tăng lên

- Hiệu suất tiếp xúc lỏng-hơi :

Trong quá trình hấp thụ, hiệu suất tiếp xúc lỏng hơi càng tăng thì khả năng hấp thụ củadung môi càng cao và ngược lại

- Lưu lượng dòng khói thải và lưu lượng dịch KS-1 nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2

III.3 Cân bằng nước

Việc giữ cân bằng nước trong hệ thống là rất quan trọng để duy trì nồng độ KS-1 Cânbằng nước được duy trì tự động bằng việc kiểm soát nhiệt độ khí đầu vào và đầu ra củatháp hấp thụ 10-T-1002 để duy trì mức dịch KS-1 ổn định tại đáy tháp hấp thụ Ví dụ: cânbằng nước được xác định bởi tổng lượng ẩm nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 cùng vớikhói thải, bao gồm ẩm đưa ra khỏi đỉnh tháp 10-T-1002 và ẩm bị lôi cuốn cùng với CO2sản phẩm Hơn nữa, tổng lượng ẩm nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 sẽ được kiểm soátbằng nhiệt độ nước làm mát khói thải đưa vào thiết bị làm nguội 10-T-1001 vì nhiệt độcủa dòng khói thải được xác định bởi nhiệt độ của dòng nước làm mát Lượng ẩm đưa rakhỏi đỉnh tháp 10-T-1002 cũng sẽ được kiểm soát giống như việc kiểm soát ẩm nạp liệuvào tháp hấp thụ

Khi nhiệt độ dòng khói thải nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 cao hơn nhiệt độ khói thải đã

xử lý ra khỏi đỉnh tháp hấp thụ, mức dung dịch ở đáy tháp 10-T-1002 sẽ tăng lên và dungdịch KS-1 sẽ bị loãng và ngược lại

III.4 Đoạn rửa của tháp hấp thụ CO2.

Mục đích chính của đoạn rửa trong tháp hấp thụ CO2 là để thu hồi ẩm được tạo ra do sựtỏa nhiệt của phản ứng hấp thụ CO2 và hơi amine Nồng độ KS-1 trong nước rửa và nhiệt

độ khói thải đã xử lý tại đầu ra của đoạn rửa ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất thu hồi hơiamine

Có 2 cách hạn chế hiệu quả việc thoát amine như sau:

Một phần nước hồi lưu được đưa vào đoạn rửa của tháp hấp thụ CO2 nhằm mụcđích giảm nồng độ của KS-1 trong nước rửa Đặc biệt, trong quá trình vận hànhbình thường, 50% lượng nước hồi lưu này được đưa về đoạn rửa còn trong quátrình vận hành ở chế độ tái sinh thì đưa khoảng 30-40% lượng hồi lưu

• Giảm nhiệt độ đầu ra tại đoạn rửa của tháp hấp thụ

Giảm nhiệt đầu vào khí khói thải sẽ tốt trong việc hạn chế thoát dịch KS-1 ra môitrường Vì thế, khi nhiệt độ nước làm mát thấp hơn bình thường trong mùa đônghoặc trong ca đêm, tiến hành điều chỉnh bằng cách giảm nhiệt độ khói thải tại đầu

ra của đoạn rửa

III.5 Duy trì chất lượng dung môi hấp thụ KS1

Việc duy trì chất lượng dung dịch KS-1 tốt sẽ làm giảm lượng tiêu thụ phụ trợ và lượngtiêu thụ dung dịch KS-1 đồng thời đảm bảo quá trình vận hành ổn định

- Theo dõi nồng độ CO2 trong dịch KS1 để đảm bảo khả năng hấp thụ được tốtnhất.Nếu nồng độ CO2 quá cao dẫn đến khả năng hấp thụ của KS1 giảmxuống.Nồng độ CO2 trong KS1 vào tháp hấp thụ được điều chỉnh bởi quá trình giảihấp tại 10-T-1003

- Để giảm tốc độ thoái hóa của dịch KS1, nhiệt độ KS1 tại đáy tháp giải hấp

10-T-1003 được giữ ở dưới giá trị cài đặt nhưng phải lớn hơn 1100C để đảm bảo hiệusuất của quá trình giải hấp.Nhiệt độ của dung dịch KS-1 trong thiết bị tái sinh 10-T-1003 sẽ được điều chỉnh bởi áp suất của thiết bị tái sinh

Các yếu tố chính cần kiểm soát để đảm bảo chất lượng dung dịch KS-1 tốt nhất:

a. Kiểm soát nồng độ KS-1

Khi tăng tốc độ tuần hoàn dung dịch KS-1 thì lượng tiêu thụ hơi lớn, do đó nồng độKS-1 sẽ giảm thấp Vì vậy nồng độ này cần phải được kiểm tra, theo dõi thườngxuyên và được bổ sung khi cần

b. Kiểm soát hàm lượng muối bền nhiệt.

Khi hàm lượng muối bền nhiệt (HSS) cao sẽ làm tăng tốc độ suy giảm chất lượng củadung môi và gây tạo bọt Vì vậy khi hàm lượng muối bền nhiệt trong dung dịch KS-1đạt đến giới hạn 2% cần phải đưa thiết bị tái sinh 10-E-1007 vào hoạt động

c. Loại bỏ các yếu tố tạo bọt

Phần dung dịch KS-1 nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 được đưa liên tục vào bộ lọcthan hoạt tính để loại bỏ các tạp chất gây tạo bọt Do vậy cần phải bảo dưỡng thanhoạt tính thường xuyên.

d. Kiểm soát hàm lượng sắt hòa tan

Khi hàm lượng sắt hòa tan và lượng HSS cao, sự suy giảm chất lượng của dungmôi và sự tạo bọt càng tăng Nếu hàm lượng sắt hòa tan đạt đến 10ppm, thiết bị táisinh 10-E-1007 phải được khởi động Nhưng về lý thuyết thì giá trị này sẽ khôngbao giờ đạt đến

III.6 Ăn mòn

Nguyên nhân chính của việc ăn mòn là do việc duy trì chất lượng dung dịch KS-1 kém vàcác nguyên nhân khác do vật liệu chế tạo thiết bị

Các vị trí trong thiết bị nên sử dụng thép không rỉ để chống ăn mòn:

• Các bề mặt tiếp xúc với khí hoặc lỏng có tính acid Tuy nhiên ở những vịtrí tiếp xúc với KS-1 có thể sử dụng thép carbon

• Các vị trí mà ở đó quá trình tách nhanh (fushing) xảy ra Quá trình táchnhanh xảy ra khi CO2 thoát ra khỏi dung dịch do tăng nhiệt hoặc giảm áp

• Các vị trí trong đường ống có vận tốc dòng chảy lớn

III.7 Vận hành đảm bảo hiệu quả kinh tế

Để vận hành hệ thống một cách kinh tế nhất cần xem xét các yếu tố sau:

• Điều chỉnh tốc độ tuần hoàn dung dịch KS-1

Lưu lượng tuần hoàn dung dịch KS-1 lớn sẽ làm tăng lượng điện tiêu thụ cho bơmtuần hoàn, tăng hơi và tăng nước làm mát Vì vậy tốc độ tuần hoàn nên được điềuchỉnh tùy theo điều kiện vận hành

• Điều chỉnh việc nạp liệu khói thải

Việc nạp liệu quá dư khói thải dẫn đến việc thất thoát dung dịch KS-1 tăng lên Dovậy cần phải điều chỉnh lượng nạp liệu này theo điều kiện vận hành

• Làm mát khói thải

Nhiệt độ dòng khói thải vào tháp hấp thụ CO2 cao thì hiệu suất hấp thụ CO2 sẽgiảm Đồng thời nhiệt độ cao cũng sẽ làm tăng lượng mất mát dung dịch KS-1 donhiệt độ của khói thải đã xử lý ra khỏi đỉnh tháp hấp thụ tăng theo để duy trì cânbằng nước

• Làm sạch trao đổi nhiệt tấm đấu nối với thiết bị giải hấp 10-T-1003.

Khi các tấm trao đổi nhiệt của thiết bị 10-E-1003A/B bị bẩn, hiệu suất truyền nhiệt

sẽ giảm và lượng hơi tiêu thụ tăng lên do nhiệt độ của dung dịch KS-1vào thiết bịtái sinh 10-T-1003 giảm xuống Nếu điều này ảnh hưởng lớn đến chi phí vận hànhthì cần phải rửa thiết bị này

IV. KHỞI ĐỘNG VÀ NGỪNG MÁY

IV.1 Các điều kiện trước khi khởi động

Nguyên liệu và các nguồn phụ trợ sau phải sẵn sàng:

• Hệ thống điện và điều khiển

• Khói thải từ Primary Reformer

• Tất cả các van điều khiển đang ở vị trí đóng và phải được kiểm tra hành trình Tất cả các bộ điều khiển ở chế độ manual, tất cả các orifices đã được lắp đặt, tất cả các đường ống/thiết bị đã được làm sạch và thử kín

IV.2 Các bước chuẩn bị cho việc khởi động lần đầu tiên

IV.2.1 Nạp dịch KS-1 lần đầu

- Nạp dung môi KS-1 70% vào bồn chứa dung dịch 10-TK-1002 Trong trường hợp khởi động lại, bổ sung thêm dung môi KS-1 70% sau khi kiểm tra nồng độ KS-1

- Nạp nước khử khoáng đến 10-TK-1002 để điều chỉnh nồng độ KS-1

- Khởi động bơm P-1006 để tuần hoàn dung dịch KS-1 giữa hai bồn chứa TK-1001 và 10-TK-1002 nhằm hòa trộn dung môi KS-1 và nước theo tỷ lệ tương ứng Trong trường hợp khởi động lại, nếu không cần bổ sung dung dịch KS-1thì cũng không cần chạy tuần hoàn dịch như trên

10 Điều chỉnh khối lượng và nồng độ dịch KS-1 bằng cách tiến hành các bước 1 và 2 trong suốt quá trình chạy tuần hoàn

- Ngừng tuần hoàn khi khối lượng và nồng độ dịch KS-1 đạt yêu cầu

- Điền dung dịch KS-1 trực tiếp vào 10-T-1002 và điền vào 10-T-1003 thông qua đầu hút của bơm 10-P-1003A/B bằng bơm 10-P-1006 cho đến khi mức của đáy tháp hấp thụ 10-T-1002 và mức đáy thiết bị tái sinh 10-T-1003 đạt mức H.L.L

IV.2.2 Điền nước khử khoáng

• Công đoạn làm mát khói thải tại thiết bị làm nguội 10-T-1001

Nạp nước khử khoáng vào đáy 10-T-1001đến mức H.L.L, sau đó mở van trên đường tuần hoàn để đưa nước khử khoáng vào hệ thống đường ống

• Bình hồi lưu (10-V-1001)

Điền nước khử khoáng vào 10-V-1001 đến mức H.L.L từ đầu hút của bơm hồi lưu 10-P-1004A/B

• Bình chứa steam condensate (10-V-1002)

Điền nước khử khoáng vào bình 10-V-1002 đến mức H.L.L từ đầu hút của bơm tuần hoàn steam condensate 10-P-1008A/B

• Đoạn rửa thứ nhất và đoạn rửa thứ 2 của tháp hấp thụ CO2 (10-T-1002)

Điền nước khử khoáng vào đĩa chimney đến mức N.L.L từ đầu hút của bơm nước rửa tuần hoàn đoạn 1 (10-P-1002A/B) và bơm nước rửa tuần hoàn đoạn

hai (10-P-1007A/B) Sau đó, mở van trên đường tuần hoàn để điền nước khử khoáng vào đường ống và thiết bị làm mát nước rửa (10-E-1002).

IV.2.3 Đưa nước làm mát vào các thiết bị

Đưa nước làm mát vào thiết bị làm mát 1001, thiết bị làm nguội nước

10-E-1002, thiết bị ngưng tụ 10-E-1004, thiết bị làm mát dịch nghèo KS-1 10-E-1006 và thiết bị làm mát nước thải 10-E-1008

• Mở nhỏ valve vent không khí và valve đầu vào để đưa nước làm mát vào các thiết bị

• Đóng valve vent ngay lập tức sau khi có lỏng chảy ra ở đường vent

• Mở valve vào và ra của mỗi thiết bị trao đổi nhiệt

• Mở van drain bên phía dòng công nghệ để kiểm tra rò rỉ

IV.3 KHỞI ĐỘNG

IV.3.1 Chạy tuần hoàn hệ thống

a. Cụm làm nguội khói thải (10-T-1001)

• Đảm bảo các valve đầu xả và valve điều khiển lưu lượng dòng tối thiểu của bơm nước làm nguội khói thải 10-P-1001A/B đóng

• Khởi động bơm 10-P-1001A/B Ngay lập tức mở van lưu lượng dòng tối thiểu của bơm 10-P-1001A/B

• Mở dần valve đầu xả của bơm 10-P-1001A/B để ngăn mức nước làm mát trongtháp 10-T-1001 không giảm dưới L.L.L và dòng điện của bơm không vượt quá giá trị thiết kế Đưa nước khử khoáng đến 10-T-1001 để mức lỏng trong tháp đạt mức N.L.L nếu cần thiết

• Cài đặt valve điều khiển mức 10-T-1001 ở chế độ tự động (auto mode) và điều chỉnh điểm cài đặt (set point) đến mức N.L.L

• Đóng valve điều khiển lưu lượng dòng tối thiểu của bơm 10-P-1001A/B

b. Bình hồi lưu 10-V-1001

• Đảm bảo valve đầu xả và valve điều khiển lưu lượng dòng tối thiểu của bơm hồi lưu của thiết bị tái sinh 10-P-1004 đang ở trạng thái đóng