Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА, ОБЪЕДИНЕННОГО С УСТАНОВКОЙ ОБРАБОТКИ АМИНАМИ, С УЛУЧШЕННЫМ БАЛАНСОМ CO2

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области улавливания диоксида углерода (CO₂), выбрасываемого отходящими газами, образующимися при регенерации установок каталитического крекинга (сокращенно обозначенных FCC).

Улавливание CO₂ представляет собой существенный аспект в борьбе с парниковым эффектом, в отношении которого CO₂ является одним из ответственных факторов. Для ограничения феномена потепления климата диоксид углерода улавливают из отходящих дымовых газов с целью помещения в подземный резервуар. Выбросы диоксида углерода большей частью возникают вследствие промышленной деятельности, что в среднем по миру составляет 60%, из которых 40% обусловлены отходящими дымовыми газами теплоэлектростанций при производстве электроэнергии.

На нефтеперерабатывающих предприятиях установка каталитического крекинга в псевдоожиженном слое (FCC) может рассматриваться как один из наиболее крупных источников выбросов CO₂, обусловливающих около 20% выбросов, при этом другие источники представляют собой разные печи для подогрева или перегонки. В отношении уменьшения выбросов CO₂ нефтеперерабатывающего предприятия представляется ясным, что FCC является предпочтительной целью.

В настоящем изобретении предлагается решение, в котором используется известная технология улавливания, называемая улавливанием аминами, но при этом улучшается избыточный в существенной степени баланс энергоресурсов в виде пара HP (высокого давления) и BP (низкого давления) интегрированного способа "FCC/установка улавливания аминами" благодаря разумному выбору приводов двух технологических компрессоров и глубокой рекуперации энергии. Таким образом, разработан интегрированный способ "FCC/установка улавливания аминами" с очень низкими и даже "отрицательными" выбросами CO₂. Таким образом, речь идет о способе квотирования выбросов CO₂.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

В предшествующем уровне техники описан интегрированный способ "FCC/установка обработки аминами", в котором все количество или часть отходящих газов от регенерации подают на установку обработки аминами. Установка каталитического крекинга оснащена внешним теплообменником, в котором в качестве горячего потока используют часть катализатора, отбираемого в зоне регенерации, а тепло, необходимое для установки обработки аминами, полностью поступает с паром, образующимся в упомянутом внешнем теплообменнике. В предшествующем уровне техники количество пара, образующегося в технологическом процессе, является недостаточным для обработки всего потока отходящих газов FCC.

Так, например, в патенте FR 2 939 693 описан интегрированный способ улавливания CO₂, поступающего по меньшей мере с частью отходящих газов, выходящих из зоны регенерации установки каталитического крекинга (обозначенной FCC), с использованием установки обработки аминами (обозначенной AMN) упомянутых отходящих газов, причем установка каталитического крекинга оснащена внешним теплообменником, в котором в качестве горячего потока используют часть катализатора, отбираемого в зоне регенерации, а тепло, необходимое для регенерации амина на установке обработки аминами, полностью поступает от установки каталитического крекинга за счет использования пара, образующегося в упомянутом внешнем теплообменнике.

В рамках настоящего изобретения внешний теплообменник обозначен как CCE.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

На фигуре 1, соответствующей предшествующему уровню техники, представлена схема использования HP пара, генерируемого установкой FCC, и показаны 3 основных варианта его использования:

a) в турбине, приводящей во вращение компрессор крекинг-газов (WGC);

b) в турбине, приводящей во вращение воздуходувку подачи воздуха регенерации (MAB);

c) для регенерации амина на установке обработки аминами (AMN). Избыток пара в предшествующем уровне техники почти отсутствует. Турбины, использованные в предшествующем уровне техники, представляют собой турбины полной конденсации.

На фигуре 2, соответствующей настоящему изобретению, представлена схема использования пара HP, образующегося на установке FCC, и показано его использование b) в турбине, приводящей во вращение воздуходувку подачи воздуха для регенерации (MAB), причем турбина по настоящему изобретению представляет собой турбину с противодавлением, что позволяет высвобождать поток пара BP, который обеспечивает регенерацию амина на установке обработки аминами (AMN). В данном случае соответственно настоящему изобретению приведение в движение компрессора крекинг-газов (WGC) обеспечивается электродвигателем.

На фигуре 3, соответствующей настоящему изобретению, представлена схема использования пара HP, образующегося на установке каталитического крекинга, в случае варианта, когда пар HP используют:

a) в турбине, приводящей во вращение компрессор крекинг-газов (WGC);

b) в турбине, приводящей во вращение воздуходувку подачи воздуха регенерации (MAB);

причем обе турбины представляют собой турбины с противодавлением, что позволяет высвобождать поток пара BP, который, как и в предыдущем случае, обеспечивает регенерацию амина на установке обработки аминами (AMN).

ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение можно определить как интегрированный способ улавливания CO₂, выбрасываемого отходящими газами, выходящими из зоны регенерации установки каталитического крекинга (FCC), на которой обрабатывают углеводородную фракцию типа вакуумного дистиллята или остатка от атмосферной перегонки, с использованием установки обработки аминами (AMN) упомянутых отходящих газов для удаления CO₂, то есть как способ, в котором пар HP, образующийся главным образом при охлаждении отходящих газов от регенерации, используют для обеспечения или привода воздуходувки подачи воздуха регенерации (MAB) установки FCC посредством первой турбины с противодавлением, или привода компрессора крекинг-газов (WGC) посредством второй турбины с противодавлением, причем образующийся пар BP используют для обеспечения регенерации амина на установке обработки аминами (AMN), при этом избыток пара HP и BP пересчитывается в снижение выбросов CO₂.

В некоторых случаях в связи с возможным образованием кокса (определяемого понятием "углерод Конрадсона") установку FCC оснащают внешним теплообменником (CCE), при этом пар HP, образующийся главным образом при охлаждении отходящих газов регенерации, используют для обеспечения или привода воздуходувки подачи воздуха регенерации (MAB) установки FCC посредством первой турбины с противодавлением, или привода компрессора крекинг-газов (WGC) посредством второй турбины с противодавлением, причем образующийся пар BP используют для обеспечения регенерации амина на установке обработки аминами (AMN), при этом избыток пара HP и BP пересчитывается в снижение выбросов CO₂.

Союз "либо" следует понимать в широком смысле, означающем, что в рамках настоящего изобретения возможны 3 варианта осуществления:

1) пар HP используют для привода воздуходувки подачи воздуха регенерации посредством турбины с противодавлением, а привод компрессора крекинг-газов обеспечивается электродвигателем;

2) пар HP используют для привода компрессора крекинг-газов посредством турбины с противодавлением, а привод воздуходувки подачи воздуха регенерации обеспечивается электродвигателем;

3) пар HP используют для привода воздуходувки подачи воздуха регенерации посредством первой турбины с противодавлением и для привода компрессора крекинг-газов посредством второй турбины с противодавлением.

В третьем варианте интегрированного способа улавливания CO₂, выбрасываемого отходящими газами, выходящими из зоны регенерации установки каталитического крекинга (FCC) по настоящему изобретению, пар HP, образующийся главным образом при охлаждении отходящих газов регенерации, используют, с одной стороны, для обеспечения привода воздуходувки подачи воздуха регенерации (MAB) посредством первой турбины с противодавлением, а с другой стороны, для обеспечения привода компрессора крекинг-газов (WGC) посредством второй турбины с противодавлением, причем избыток пара HP и BP пересчитывается в снижение выбросов CO₂.

По сравнению с предшествующим уровнем техники наиболее близок в описанном патенте FR 2 939 693 интегрированный способ по настоящему изобретению, который представляет собой его улучшение, позволяет обеспечивать существенно более значительное снижение выбросов CO₂, как показано в приведенных далее примерах. В случае, когда установку FCC оснащают турбиной-детандером (называемой также экспандером), работающей на отходящих газах регенерации и позволяющей производить электроэнергию, снижение выбросов CO₂ еще более увеличивается.

Таким образом, соответственно настоящему изобретению в интегрированном способе улавливания CO₂, выбрасываемого отходящими газами, выходящими из зоны регенерации установки FCC, используется установка каталитического крекинга, работающая преимущественно в особенно тяжелых условиях, то есть:

- установка с реактором с восходящим потоком ("riser") при соотношении C/O в интервале от 2 до 20 и предпочтительно в интервале от 4 до 15 и при температуре на выходе из реактора в интервале от 450 до 650°C и предпочтительно в интервале от 470 до 620°C;

- установка с реактором с нисходящим потоком ("downer") при соотношении C/O в интервале от 10 до 50 и предпочтительно в интервале от 10 до 30 и при температуре на выходе из реактора в интервале от 480 до 650°C и предпочтительно в интервале от 520 до 620°C.

В интегрированном способе улавливания CO₂, выбрасываемого отходящими газами, выходящими из зоны регенерации установки каталитического крекинга (FCC), по настоящему изобретению используется установка обработки аминами, в которой используют амин, выбранный из следующей группы: MEA (моноэтаноламин), DEA (диэтаноламин), MDEA (диметилэтаноламин), DIPA (диизопропиламин), DGA (дигликольамин), диамины, пиперазин, гидроксиэтилпиперазин. Предпочтительно амин выбирают из подгруппы: MEA (моноэтаноламин), DEA (диэтаноламин), MDEA (диметилэтаноламин).

Более предпочтительно на установке обработки аминами используют MEA (моноэтаноламин). Предпочтительной альтернативой является использование тетраметилгексан-1,6-диамина, традиционно обозначаемого TMHDA.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, настоящее изобретение может рассматриваться как улучшение интегрированного способа "FCC/обработка отходящих газов от регенерации на установке обработки аминами", описанного в патенте FR 2939693, в том смысле, что интегрированный способ "FCC/установка обработки аминами" по настоящему изобретению дает избыток пара и/или электроэнергии, обеспечивая при этом обработку всего потока отходящих газов от установки FCC на установке обработки аминами.

Согласно наиболее близкому решению предшествующего уровня техники (представленному в упомянутом патенте) на установке обработки аминами с балансом пара, в надлежащей степени достаточным для обеспечения регенерации амина, могла быть обработана только часть отходящих газов от регенерации.

Иначе говоря, интегрированный способ "FCC/установка обработки аминами" по настоящему изобретению позволяет обрабатывать весь поток отходящих газов от регенерации установки FCC, высвобождая избыток пара, который пересчитывается в снижение выбросов CO₂.

Интегрированный способ "FCC/установка обработки аминами" требует большого количества электрической или тепловой энергии:

- для регенерации амина после поглощения CO₂;

- для привода воздуходувки подачи воздуха (MAB), которая сжимает воздух, необходимый для регенерации катализатора, от атмосферного давления до давления в одном или нескольких регенераторах (от 2 до 5 бар абс.);

- для привода компрессора крекинг-газов (WGC), который сжимает газообразный поток, уходящий из верхней части колонны основного фракционирования, приблизительно с 1-2 бар абс. до приблизительно 15-20 бар абс. (1 бар=10⁵ паскаль);

- для обеспечения инжекции пара на уровне реактора с восходящим потоком и для очистки катализатора в реакционной зоне.

Регенерацию амина в общем случае осуществляют при нагревании паром низкого давления (обозначенного BP).

Два компрессора установки FCC, то есть компрессор крекинг-газов (WGC) и воздуходувка подачи воздуха регенерации (MAB), могут приводиться в движение турбинами полной конденсации или электродвигателями. Согласно предшествующему уровню техники эти два компрессора приводятся в движение механически паровыми турбинами полной конденсации.

В турбины полной конденсации в общем случае поступает пар высокого давления и выходит пар с давлением меньше атмосферного, причем разрежение обеспечивают конденсатором. На выходе из конденсатора получают конденсаты с температурой приблизительно ниже 50°C. В случае использования турбины полной конденсации энтальпия образования паров воды некоторым образом "теряется" в конденсаторе.

Существуют также так называемые турбины с противодавлением, в которые в общем случае поступает пар высокого давления и выходит пар среднего давления (MP) или низкого давления (BP).

Паром MP или BP, выходящим из турбины с противодавлением, за счет его конденсации можно подогревать или выпаривать другую жидкость. В отличие от турбины полной конденсации энтальпия образования паров воды не теряется, а используется для подогрева или выпаривания жидкости.

Наконец, два упомянутые ранее компрессора также могут приводиться в движение электродвигателем. В рамках настоящего изобретения с целью лучшего использования доступного пара MP или BP используют по меньшей мере одну турбину с противодавлением для обеспечения привода компрессоров крекинг-газов (WGC) и/или привода воздуходувки подачи воздуха регенерации (MAB).

В случае, когда используют только одну турбину с противодавлением для обеспечения привода одного из двух компрессоров, другой компрессор приводится в движение электродвигателем.

Интегрированный способ "FCC/установка обработки аминами" позволяет производить пар HP и электрическую энергию на нескольких уровнях:

- производство пара с различными значениями давления и, главным образом, высокого давления за счет охлаждения отходящих газов, образующихся в одном или нескольких регенераторах и в печи сжигания CO в случае ее наличия;

- производство пара или горячей воды на уровне основного фракционирования за счет циркулирующих потоков флегмы;

- производство пара и более часто пара HP на уровне внешнего теплообменника (CCE), причем тепло вносится катализатором, отбираемым в одной или нескольких точках зоны регенерации установки FCC;

- производство электроэнергии на уровне турбины-детандера в случае, когда данная турбина приводится в движение отходящими газами, выходящими из первой ступени регенерации с целью производства электроэнергии. Как будет показано далее, это производство электроэнергии может быть пересчитано в снижение выбросов CO₂.

Способ по настоящему изобретению имеет избыточный в существенной степени баланс энергоресурсов, в частности пара BP, благодаря разумному выбору приводов двух технологических компрессоров и наличию турбины-детандера.

В способе по настоящему изобретению используют первую турбину с противодавлением для привода воздуходувки подачи воздуха (в турбину поступает пар HP и высвобождается пар BP), а в предпочтительном варианте используют вторую турбину с противодавлением для привода компрессора крекинг-газов (WGC).

Таким образом, получают избыточный в существенной степени баланс общих энергоресурсов (электроэнергии и пара) интегрированного способа "FCC/установка обработки аминами отходящих газов от регенерации", что пересчитывается в конечном счете в снижение выбросов CO₂.

Выбор привода компрессора крекинг-газов (турбины с противодавлением или электродвигателя) зависит от вида энергоресурсов, которые требуется иметь в большом избытке (например, пар высокого или низкого давления).

На практике, электроэнергия, генерируемая турбиной-детандером, в общем случае превышает потребность двигателя для привода компрессора крекинг-газов и потребность электрических насосов и технологических конденсаторов с воздушным охлаждением.

Аналогичным образом, количество пара, образующегося при охлаждении отходящих газов от регенерации, горячего катализатора во внешнем теплообменнике (обозначенного CCE) и отходящих потоков основного фракционирования, превышает потребность в паре способа по настоящему изобретению.

Это обстоятельство обязано тому, что пар HP, подаваемый в турбину с противодавлением, которая приводит в движение воздуходувку подачи воздуха (MAB), преобразуется в пар BP, прямо приемлемый для использования при регенерации амина.

Преобразование пара HP в пар BP, позволяющий регенерировать амин, еще более повышается в случае, когда используют вторую турбину с противодавлением для привода компрессора крекинг-газов (WGC), что представляет собой предпочтительный вариант настоящего изобретения.

Избыток энергии в способе по настоящему изобретению, связанном с улавливанием CO₂ отходящих газов FCC с целью его изъятия, ведет к тому, что баланс CO₂ интегрированного способа может быть отрицательным. Таким образом, речь идет о снижении выбросов CO₂, а не о выбросах CO₂ способа.

Баланс CO₂ интегрированного способа "FCC/установка улавливания аминами" включает в себя не только CO₂, присутствующий в отходящих газах, выбрасываемых в атмосферу, но также и CO₂, образующийся как следствие потребления или производства энергоресурсов, таких как электроэнергия или пар, в пределах технологического процесса.

На практике, если в технологическом процессе потребляется электроэнергия, то к балансу CO₂ необходимо прибавлять выбросы, образующиеся при получении этой электроэнергии, даже если эти выбросы осуществляются в другом месте.

И наоборот, в случае, когда в технологическом процессе имеется избыток электроэнергии, то избыток электроэнергии пересчитывается в снижение выбросов CO₂.

В расчет принимаются три газа с парниковым эффектом (GES): CO₂, CH₄ и N₂O, которые представляют собой основные агенты интенсификации парникового эффекта и являются наиболее присущими изученным системам. Потоки, соответствующие GES, суммируют в эквиваленте CO₂ (референтный газ для индикатора воздействия, характеризующего вклад системы в парниковый эффект), выраженном в пересчете на эквивалентную массу CO₂ (обозначенную далее CO₂-эквивалент).

Пересчет для каждого из этих трех газов в CO₂-эквивалент основан на коэффициентах, называемых потенциалами глобального потепления (PRG) и определяющих относительный вклад в потепление климата выброса 1 г каждого из газов, обусловливающих парниковый эффект, по сравнению с выбросом 1 г CO₂ в течение определенного периода времени (наиболее часто используемый период времени составляет 100 лет).

Потребление (или производство) энергоресурсов пересчитывают в выбросы (или снижение выбросов) CO₂, используя понятие коэффициента выброса, поясненного далее.

Например, коэффициент выброса 100 г CO₂-эквивалента/МДж для электроэнергии означает, что производство 1 МДж электроэнергии вызывает выброс, эквивалентный 100 г CO₂.

Важно отметить, что эти коэффициенты в отношении репрезентативности связаны с географическими особенностями и текущими данными и могут в значительной степени варьировать в зависимости от рассматриваемой географической зоны или актуальных данных (в зависимости от способа производства или разных расстояний при транспортировке, или также от развития технологии в рассматриваемый период).

Сравнительный пример, приведенный далее, позволит лучше понять применение этих понятий.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР

В данном примере рассматривается установка каталитического крекинга (FCC) гидрообработанного остатка от атмосферной перегонки, объединенная с установкой обработки аминами отходящих газов регенерации, выходящих из установки FCC, с целью улавливания CO₂.

Пример является сравнительным в том смысле, что в нем сравнивается баланс энергоресурсов (пара и электроэнергии) согласно интегрированному способу предшествующего уровня техники, соответственно описанному в патенте FR 2939693, и согласно интегрированному способу по настоящему изобретению.

Затем осуществляют пересчет баланса энергоресурсов в снижение выбросов CO₂ по методике с коэффициентами выбросов, описанной ранее.

Рабочие характеристики и основные параметры установки FCC и установки обработки аминами (AMN) представлены в таблице 1, приведенной далее.

В таблице 2, приведенной далее, представлен баланс энергоресурсов (электроэнергии в МВт и пара в т/ч):

- согласно предшествующему уровню техники;

- согласно настоящему изобретению, в котором воздуходувка подачи воздуха для регенерации (MAB) приводится в движение турбиной с противодавлением (причем привод компрессора крекинг-газов (WGC) обеспечивается электродвигателем);

- согласно настоящему изобретению в случае варианта, когда компрессор крекинг-газов (WGC) также приводится в движение турбиной с противодавлением.

Знак "-" перед количеством энергоресурсов соответствует производству энергоресурсов, а знак "+" соответствует потреблению энергоресурсов.

Согласно предшествующему уровню техники избыточный пар HP расширяли и охлаждали перед использованием в качестве пара BP на установке обработки аминами.

Соответственно таблице 2 баланс пара согласно предшествующему уровню техники почти равен нулю (-6 т/ч), тогда как баланс по настоящему изобретению является избыточным в существенной степени (-145 т/ч).

Для получения этих значений суммировали итоговые количества пара HP и BP, после чего выяснилось, что значение -145 т/ч получается для обоих вариантов по настоящему изобретению.

В таблице 3, приведенной далее, осуществлен пересчет балансов энергоресурсов из таблицы 2 в баланс CO₂, причем знак "-" перед количеством CO₂ соответствует снижению выбросов CO₂, а знак "+" соответствует выбросам CO₂.

Количество CO₂, выбрасываемого в атмосферу на выходе из установки обработки аминами, является одинаковым как согласно предшествующему уровню техники, так и согласно настоящему изобретению. Однако в конечном счете баланс CO₂ по настоящему изобретению (-9,5 т CO₂-эквивалента/ч) меньше, чем в способе согласно предшествующему уровню техники.

Это еще более заметно в предпочтительном варианте настоящего изобретения, в котором снижение выбросов CO₂ составляет -11,6 т CO₂-эквивалента/ч.

В действительности, снижение выбросов CO₂, обусловленное избытком пара HP и BP, было получено путем пересчета избытка пара с использованием коэффициента, называемого коэффициентом выброса для пара.

Этот коэффициент выброса для пара позволяет пересчитывать выбросы GES при производстве и транспортировке пара. Значительный избыток пара по настоящему изобретению объясняется выбором приводов компрессоров установки FCC посредством турбин с противодавлением. Таким образом, в варианте с использованием двух турбин с противодавлением имеет место еще более высокий избыток.