VII.1. Mục đích, ý nghĩa của phân xưởng
Trong giai đoạn hiện nay, vấn đề bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề đòi hỏi sự quan tâm của tất cả xã hội.Hiêu ứng nhà kính và tình hình nóng lên của trái đất do ảnh hưởng khói thải các nhà máy công nghiệp đang là mối lo ngại của người dân đến bầu khí quyển của trái đất.Và nguyên nhân của những vấn đề trên chính là nồng độ CO2 được thải ra từ các nhà máy công nghiệp.
Nhận thức được tác hại của CO2 đối với môi trường,ban lãnh đạo nhà máy đã tiến hành xây lắp cụm phân xưởng thu hồi CO2 từ khói thải của quá trình Refoming.Với cụm phân xưởng này, nhà máy đã góp phần bảo vệ môi trường đồng thời tận thu được một phần CO2 cho quá trình tổng hợp Ure, tăng thêm thu nhập cho nhà máy.
VII.2. Công nghệ chung của cụm thu hồi CO2
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)
Hình 23 : Công nghệ chung cụm thu hổi CO2
VII.2.1. 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 tỏa nhiệt, đồng thời để giảm lượng dung môi KS1 tiêu thụ, dòng khói thải trước khi vào tháp hấp thụ 10-T-1002 cần phải được làm nguội. Trong tháp 10-T-1001, dòng khói thải sẽ được 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 qua thiết 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 hồi CO2 bằng quạt 10-K-1001 được lắp đặt tại đầu ra của tháp làm nguội 10-T-1001. Khói thải này được xả trực tiếp ra ngoài qua ống khói 10SK2001 của xưởng NH3 trong trường hợp quạt 10-K-1001 bị sự cố. Vì vậy, nhà máy sẽ không bị ảnh hưởng trong trường hợp phân xưởng thu hồi CO2 bị sự cố.
VII.2.2. Công đoạn thu hồi CO2
Tháp hấp thụ CO2 10-T-1002 là một tháp hình trụ sử dụng đệm cấu trúc bên trong. Tháp này chia làm 02 phần chính: Phần dưới dùng để hấp thụ CO2 và phần trên dùng để rửa khói 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 bị hấp thụ CO2 10-T-1002. Khói thải sẽ đi lên trên đỉnh tháp qua các tầng đệm và tiếp xúc ngược chiều với dòng dung dịch nghèo CO2 từ trên xuống qua bề mặt đệm, tại đây 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 đến thiết 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 của tháp 10-T-1002. Khói thải sau khi xử lý được rửa bằng nước chứa dung môi, sau đó chúng được làm nguội hoàn toàn ở 10-E-1002 nhằm mục đích duy trì cân bằng nước trong hệ thống. Đoạn rửa ở phần trên của tháp bao gồm
đệm và các thiết bị tách sương. Khí đã xử lý sẽ được xả ra từ đỉnh tháp hấp thụ CO2 10-T-1002.
VII.2.3. Giải hấp
Thiết bị giải hấp 10-T-3001 có dạng hình trụ, bên trong sử dụng đệm cấu trúc. Tại đây dung 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 nghèo CO2 lấy từ đáy tháp giải hấp 10-T-1003 tại thiết bị trao đổi nhiệt 10-E-1003A/B. Dung môi giàu CO2 sau khi gia nhiệt được nạp liệu vào phần trên của tháp giải hấp, tại đây nó được tiếp xúc với dòng hơi stripping.
Dung môi giàu CO2 sẽ được phân tách bằng hơi trong 10-T-1003 và giải hấp để thành dung dịch nghèo. Hơi dùng trong thiết bị giải hấp 10-T-1003 được sản xuất từ reboiler 10-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 đỉnh tháp 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 tháp hấp thụ CO2 10-T-1002. Khoảng 10% khối lượng dung dịch nghèo CO2 này được đưa qua 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 chất không hòa tan.
VII.2.4. Công đoạn 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), phản ứng này sẽ hình thành muối bền nhiệt (HSS). Sự hình thành HSS sẽ làm tạo bọt trong dung dịch. Thiết bị tái sinh (Reclaimer) 10-E-1007 được sử dụng nhằm mục đích loại bỏ HSS tích tụ trong dung môi KS-1. Thiết bị tái sinh 10-E-1007 hoạt động như một tháp chưng 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 nhiệt HSS. 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 khỏi 10E1007 đến 10T1003. Các hợp chất còn lại được xem như là chất thải và được đưa đi xử lý.
VII.2.5. Hệ thống bồn chứa dung dịch hấp thụ KS-1
Bồn chứa dung dịch 10-TK-1001 dùng để chứa dung dịch KS-1 của phân xưởng thu hồi CO2 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 xả thải và dùng để bổ sung dịch KS-1.
VII.3. Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của cụm thu hồi CO2
VII.3.1. Ảnh hưởng của các tạp chất. a. SO2
Nếu SO2 được nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 10-T-1002 cùng với khói thải, SO2 sẽ phản ứng với dung dịch KS-1 và hình thành muối bền nhiệt (HSS). Dung dịch KS-1 đã phản ứng với SO2 sẽ được tách ra từ HSS và được thu hồi
trong công đoạn tái sinh. Tuy nhiên việc nạp liệu SO2 này sẽ làm tăng tần suất hoạt động của thiết bị tái sinh, làm tăng lượng dung dịch KS-1 tiêu thụ vì một phần của dung dịch KS-1 nạp liệu vào thiết bị Reclaimer 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 NO được đưa vào tháp hấp thụ, chỉ một lượng nhỏ bị hấp thụ vật lý, phần còn lại được đưa ra ngoài 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 dịch KS-1. Hơn nữa, NO sẽ bị hấp thụ vật lý bởi dung dịch KS-1 và phần nhỏ NO2 sẽ bị cuốn theo lượng CO2 thu hồi.
c. Oxi
Không giống như các amine, dung dịch KS-1 không bị ảnh hưởng bởi oxi khi nồng độ bằng nồng độ không khí. Do vậy, không cần đưa khí trơ vào các bồn chứa dung dịch hoặc các thiết bị tồn trữ khác. Tuy nhiên, muối bền nhiệt sẽ được hình thành khi dịch tiếp xúc 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, tăng lượng tiêu tốn dịch KS-1. Thêm vào đó, bụi sẽ làm tắc các bộ lọc.
VII.3.2. Sự hấp thụ CO2
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. - Nhiệt độ dòng khói thải nạp liệu vào tháp hấp thụ.
- Lưu lượng dòng khói thải và lưu lượng dịch KS-1 nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2
- Nồng độ dịch KS-1
- Năng lực hấp thụ CO2 của dịch nghèo KS-1
VII3..3. Cân bằng nước
Việc giữ cân bằng nước trong hệ thống là rất quan trọng để duy trì nồng độ KS-1. Cân bằng nước được duy trì tự động bằng việc kiểm soát nhiệt độ khí đầu vào và đầu ra của tháp hấp thụ 10-T-1002 để duy trì mức dịch KS-1 ổn định tại đáy tháp hấp thụ. Ví dụ: cân bằng nước được xác định bởi tổng lượng ẩm nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 cùng với khói thải, bao gồm ẩm đưa ra khỏi đỉnh tháp 10-T-1002 và ẩm bị lôi cuốn cùng với CO2 sản phẩm. Hơn nữa, tổng lượng ẩm nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 sẽ được kiểm soát bằng nhiệt độ nước làm mát khói thải đưa vào thiết bị làm nguội 10-T-1001 vì nhiệt độ của dòng khói thải được xác định bởi nhiệt độ của dòng nước làm mát. Lượng ẩm đưa ra khỏi đỉnh tháp 10-T-1002 cũng sẽ được kiểm soát giống như việc kiểm soát ẩm nạp liệu vào 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 dung dịch KS-1 sẽ bị loãng và ngược lại.
VII3..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 sự tỏa 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 hơi amine.
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 mục đích giảm nồng độ của KS-1 trong nước rửa. Đặc biệt, trong quá trình vận hành bình thường, 50% lượng nước hồi lưu này được đưa về đoạn rửa còn trong quá trình 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 môi trường. Vì thế, khi nhiệt độ nước làm mát thấp hơn bình thường trong mùa đông hoặc trong ca đêm, tiến hành điều chỉnh bằng cách giảm nhiệt độ khói thải tại đầu ra của đoạn rửa.
VII.3.5. Các biện pháp duy trì chất lượng dung dịch KS-1
Việc duy trì chất lượng dung dịch KS-1 tốt sẽ làm giảm lượng tiêu thụ phụ trợ và lượng tiêu thụ dung dịch KS-1 đồng thời đảm bảo quá trình vận hành ổn định. Các biện pháp 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 độ KS-1 sẽ giảm thấp. Vì vậy nồng độ này cần phải được kiểm tra, theo dõi thường xuyên 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 của dung môi và gây tạo bọt. Vì vậy khi hàm lượng muối bền nhiệt trong dung dịch KS-1 đạt đến giới hạn 2% cần phải đưa thiết bị tái sinh 10-E- 1007 vào hoạt động.
Phần dung dịch KS-1 nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 được đưa liên tục vào bộ lọc than hoạt tính để loại bỏ các tạp chất gây tạo bọt. Do vậy cần phải bảo dưỡng than hoạt 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 dung môi và sự tạo bọt càng tăng. Nếu hàm lượng sắt hòa tan đạt đến 10ppm, thiết bị tái sinh 10-E-1007 phải được khởi động. Nhưng về lý thuyết thì giá trị này sẽ không bao giờ đạt đến.
VII.3.6. Ăn mòn
Nguyên nhân chính của việc ăn mòn là do việc duy trì chất lượng dung dịch KS-1 kém và các 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 vị trí 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 tách nhanh 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.
VII.3.7. 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 bơm tuần hoàn, tăng hơi và tăng nước làm mát. Vì vậy tốc độ tuần hoàn nên được điều chỉnh tùy theo điều kiện vận hành.
Việc nạp liệu quá dư khói thải dẫn đến việc thất thoát dung dịch KS-1 tăng lên. Do vậy 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 sẽ giảm. Đồng thời nhiệt độ cao cũng sẽ làm tăng lượng mất mát dung dịch KS-1 do nhiệt độ của khói thải đã xử lý ra khỏi đỉnh tháp hấp thụ tăng theo để duy trì cân bằng 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 bị tái sinh 10-T-1003 giảm xuống. Nếu điều này ảnh hưởng lớn đến chi phí vận hành thì cần phải rửa thiết bị này.
VII.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 chủ yếu là monoethanol amin (MEA).MEA là dung môi bình thường được sản xuất và sử dụng sớm nhất với hơn 50 năm trong lĩnh vực hấp thụ CO2 cho các quá trình tách hay thu hồi 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 thường của phân xưởng.
Phương trình phản ứng cơ bản của quá trình hấp thụ CO2 bằng dịch KS-1 :