專利名稱：從廢氣中捕集二氧化碳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從廢氣中捕集二氧化碳。2.相關(guān)技術(shù)將二氧化碳與其它輕氣體如氮氣分離對實現(xiàn)二氧化碳隔離來說是重要的。常規(guī)發(fā) 電廠的廢氣通常含有約4體積％至約14體積％的二氧化碳(CO2)。通常認(rèn)為，這種CO2是 加大溫室效應(yīng)和全球變暖的一個重要因素。因此，很明顯需要從廢氣中捕集CO2以得到可以 容易地運輸?shù)桨踩膬Υ娴攸c或其它應(yīng)用的CO2濃縮流的有效方法。已經(jīng)通過五種主要技 術(shù)從氣體流中捕集CO2 純氧燃燒(oxyfiring)，其中在燃燒前從空氣中分離出氧氣，得到基 本上純的CO2排放流；吸收，其中CO2選擇性吸收到液體溶劑中；膜，其中通過半透性塑料或 陶瓷膜分離CO2 ；吸附，其中通過吸附在特別設(shè)計的固體顆粒表面上來分離CO2 ；和低溫/高 壓工藝，其中通過使CO2冷凝實現(xiàn)分離。過去，證明從廢氣中捕集CO2的最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)是用胺溶液洗滌該廢氣以使CO2吸收 到該溶液中。這種技術(shù)對于從小規(guī)模廢氣和從特種工藝中捕集CO2的系統(tǒng)來說已經(jīng)達(dá)到了 商業(yè)化的操作狀態(tài)。但是，其應(yīng)用顯著降低了發(fā)電廠的總效率。另一類已經(jīng)受到廣泛注意的工藝是純氧燃燒系統(tǒng)，其使用氧氣(通常是在空氣分 離裝置(ASU)中制造的)代替空氣用于燃燒一次燃料。該氧氣常常與惰性氣體(如再循環(huán) 的廢氣)混合以使燃燒溫度保持在合適的水平下。純氧燃燒工藝產(chǎn)生含有CO2、水和O2作 為主要成分的廢氣；CO2濃度通常大于約70體積％。通常需要對該廢氣進(jìn)行處理以在將CO2 送去儲存之前從該廢氣中除去空氣污染物和不能冷凝的氣體(如氮氣)。簡要概述本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以由固定的電廠廢氣制備希望地純的、加壓的CO2流和幾 乎不含CO2的氮氣流。與純氧燃燒和其它已知技術(shù)相比，本發(fā)明提供改善的效率和減少的投 資成本。與純氧燃燒系統(tǒng)不同，本發(fā)明是對包含大量氮氣或其它輕氣體的廢氣進(jìn)行的。本 方法和系統(tǒng)采用低溫技術(shù)壓縮和冷卻二氧化碳以從廢氣流中獲得冷凝的二氧化碳。至少部 分基于相差異將冷凝的二氧化碳與氣態(tài)氮氣或其它輕氣體分離。部分通過使用經(jīng)冷卻分離 的輕氣體(例如氮氣)冷卻廢氣以使該方法和系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)的。以這種方式回收了冷卻廢氣 所需的一部分能量。能量效率和成本有效性優(yōu)點進(jìn)一步源于生成了無需蒸餾或使用其它昂 貴的純化步驟純化的基本上純凈的、固相CO2相，由此顯著減少運行成本與投資成本。最后， 對冷凝相CO2流進(jìn)行CO2壓縮，這與將氣態(tài)CO2壓縮至最終儲存或后繼使用所需的條件的運 行成本與投資成本相比是更加能量有效的。如下文更全面地描述的那樣，本發(fā)明包括用于 回收冷卻和壓縮廢氣所消耗的能量的幾種其它技術(shù)。在一種實施方案中，描述了從烴加工裝置的廢氣中有效分離二氧化碳的方法。該 方法包括，(i)從烴加工裝置的廢氣中除去水分和任選的污染物以獲得至少部分干燥的廢 氣；(ii)壓縮該至少部分干燥的廢氣以獲得壓縮氣體流，其中該壓縮氣體流包含二氧化碳；(iii)使用第一熱交換器將壓縮氣體流的溫度降至溫度T1 ;(iv)使用第二熱交換器或 利用第二熱交換器與該壓縮氣體流膨脹相結(jié)合將該壓縮氣體流的溫度降至溫度T2，其中T2 < T1，并且其中來自該壓縮氣體流的至少一部分二氧化碳冷凝，由此獲得固體或液體冷凝 相的二氧化碳組分和輕氣體組分；(ν)將冷凝相組分與輕氣體組分分離以獲得冷凝相流和 輕氣體流；和(vi)在第二熱交換器中使用至少一部分輕氣體流和任選的一部分冷凝相流。本發(fā)明也包括從烴加工裝置的廢氣中有效分離二氧化碳的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括與廢 氣管道流體連通的壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)構(gòu)造成接收廢氣并壓縮該廢氣以產(chǎn)生壓縮廢氣。第一 熱交換器構(gòu)造成使用第一冷卻劑來耗散來自壓縮氣體的熱以獲得部分冷卻的氣體流。第二 熱交換器具有冷卻劑室和廢氣室。廢氣室具有構(gòu)造成接收來自第一熱交換器下游的部分 冷卻氣體流的入口，并被構(gòu)造成將熱耗散到冷卻劑室以在第二廢氣室中產(chǎn)生冷的壓縮氣體 流。冷卻劑室構(gòu)造成接收來自第二廢氣室下游的冷的壓縮氣體流。并且，安置與第二熱交 換器流體連通的第三熱交換器或第一膨脹室，該第三熱交換器或第一膨脹室構(gòu)造成冷卻冷 的壓縮氣體流以產(chǎn)生冷凝的二氧化碳。在一種優(yōu)選的實施方案中，該方法包括在冷凝二氧化碳之前從廢氣中除去雜質(zhì)。 通過將廢氣冷卻和壓縮到為了使雜質(zhì)冷凝而不使二氧化碳冷凝所選擇的溫度和壓力，從廢 氣中經(jīng)濟(jì)地除去雜質(zhì)。隨后從系統(tǒng)中除去冷凝的雜質(zhì)。其后，使二氧化碳冷凝，并以基本上 純凈的二氧化碳流的形式分離。在一種實施方案中，在二氧化碳冷凝之前通過冷凝提取的雜質(zhì)包括但不限于S02、 NO2, HCl或Hg。因為廢氣被壓縮和冷卻以使二氧化碳冷凝，所以這些和其它雜質(zhì)的冷凝和 去除是非常經(jīng)濟(jì)的。根據(jù)廢氣水分含量，這些雜質(zhì)將形成酸、液體或固體，并基于這些相差 異可以從剩余的廢氣中分離。另外或作為替代方案，可以使用催化劑或溶劑吸收劑除去一種或多種雜質(zhì)?？梢?在壓力下對廢氣進(jìn)行催化處理以提高催化反應(yīng)或吸收的效率。例如，可以采用選擇性催化 還原技術(shù)(SCR)除去NOx組分。通過在高壓下進(jìn)行該反應(yīng)可以實現(xiàn)高效率。合適的壓力的 例子包括高于5psi，更優(yōu)選高于60psi，最優(yōu)選高于IOOpsi。在本發(fā)明的另一種實施方案中，該方法和系統(tǒng)包括儲存高壓的輕氣體流(例如， 氮氣或未處理的廢氣)。所儲存的高壓氣體提供了可用于發(fā)電的能源。在峰值電力需求期 間，所儲存的高壓氣體可以膨脹作功。因此，可以通過在渦輪機(jī)中使該氣體膨脹用來回收壓 縮氣體所需的一部分能量，以在電力需求高的期間發(fā)電。在一種實施方案中，壓縮所需的電力來自于發(fā)電廠或并網(wǎng)的間歇式能源或周期性 能源(例如但不限于風(fēng)車或非高峰時間的過剩發(fā)電廠容量)或其組合。能量存儲提高了系 統(tǒng)的盈利能力和效率，由此使該系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)相比更為經(jīng)濟(jì)且更有競爭力。在涉及可能高度可變的風(fēng)力發(fā)電的電網(wǎng)系統(tǒng)中(例如，在大多數(shù)具有風(fēng)力發(fā)電或 太陽能發(fā)電的電網(wǎng)系統(tǒng)中)，本發(fā)明的能量儲存機(jī)制提供了有效地管理電網(wǎng)并由此能夠提 高可再生容量的機(jī)制?；旧纤械碾娋W(wǎng)系統(tǒng)都涉及從峰值至低點具有很大差異的日常電力需求周期。 或者更為明顯地，通過將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到需求較低的時間并在高需求期間使用能量儲存進(jìn)行補(bǔ) 償，本文中描述的能量儲存特征有助于解決即便在碳捕集技術(shù)降低凈有效容量時滿足峰值 需求的系統(tǒng)性難題。該特征延緩或省去了構(gòu)建CO2減排用的新發(fā)電容量的需要。就壓縮代表用于CO2隔離的沉入成本和附加損失而言，能量儲存的有效效率和成本是渦輪機(jī)效率(通 常為85-95% )和壓力容器的成本。通過整合一種或多種方法，如去除雜質(zhì)和/或能量儲存，本文中所述方法的成本 效率可以與僅提供能量儲存或僅提供CO2捕集的替代系統(tǒng)充分競爭。由下列描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其它目的及特征將變得更加明顯， 或可以通過下文提出的本發(fā)明的實踐來認(rèn)識到。附圖簡述為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點與特征，將參照在附圖中描述的本發(fā)明 的具體實施方案對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。應(yīng)認(rèn)識到，這些圖僅僅描述本發(fā)明的說明性 實施方案，因此不應(yīng)認(rèn)為限制其范圍。將使用以下附圖更為具體和詳細(xì)地描述和解釋本發(fā) 明，其中

圖1示出本文中描述的一種實施方案的方法的方框圖；圖2示出CO2捕集系統(tǒng)的一部分的簡化流程圖；圖3示出兩級圖2的壓縮與膨脹系統(tǒng)；圖4示出圖2的流程圖的同流換熱式致冷與分離部分的例子；圖5示出在沒有膨脹渦輪機(jī)的情況下的圖3中所示具有級間同流換熱式冷卻的壓 縮工藝；圖6示出三種工作流體在簡單膨脹下各自的渦輪機(jī)中產(chǎn)生的功與轉(zhuǎn)移到工作流 體的熱的比例的比較；圖7顯示了 二氧化碳相圖；圖8示出二元CO2-N2熱力學(xué)數(shù)據(jù)和非理想預(yù)測，說明了混合物的非理想性質(zhì)和先 進(jìn)的熱力學(xué)模型捕捉這種非理想性的能力，并且還說明了由含有少于約15% CO2的廢氣形 成液相的不可能性。圖9示出在_55°C和平均129atm下的三相CO2-N2-O2圖，該圖說明了氧氣對相包線 的影響；圖10示出隨溫度與壓力變化的含14%二氧化碳、3%氧氣和雜質(zhì)的典型干廢氣的 霜點/凝固點，顯示從該氣相中除去指示量的CO2所需的工藝操作條件。圖11示出對于在300K槽中二氧化碳的濃度曲線的不同復(fù)雜性的三種解，其中所 示數(shù)值解按照本發(fā)明的計算方式；和圖12示出與本發(fā)明的方法相比，對于多種方法每避免一噸二氧化碳所估算的成 本。詳細(xì)描述I.緒論本發(fā)明的方法與系統(tǒng)由固定的電廠廢氣制造幾乎純凈的、加壓的CCV流和幾乎不 含CO2的輕氣體流。與純氧燃燒法和文獻(xiàn)中詳細(xì)記載的其它替代方案相比，本發(fā)明提供改善 的效率和降低的投資與運行成本。通過省去昂貴且能量密集的蒸餾或類似的純化步驟、用 相對廉價且能量有效的冷凝相CO2加壓替代昂貴且能量密集的CO2壓縮步驟、以高壓輕氣體 形式儲存能量和/或在加工裝置里減少用水量，采用本發(fā)明可以實現(xiàn)能量效率的改善。通 過這些相同的手段并通過去除雜質(zhì)(例如酸)、在不太苛刻的極限溫度下運行、能夠使用更廉價和范圍更廣的結(jié)構(gòu)材料，以及與較小的體積流量和較小的極限溫度范圍相關(guān)的較低成 本，可以減少投資與運行成本。圖1提供了本發(fā)明一種實施方案的示例性方法的概況。方法100包括接收來自烴 加工、燃燒、氣化或類似裝置的廢氣并除去水分以形成部分干燥的氣體流(步驟110)。將部 分干燥的氣體流壓縮至所需壓力并用第一熱交換器冷卻至第一溫度T1 (步驟120)。例如， 干燥的廢氣可以在一組壓縮機(jī)中壓縮，并采用級間熱交換器冷卻，該級間熱交換器采用空 氣或水使熱耗散。在步驟130中，從經(jīng)壓縮的廢氣中除去雜質(zhì)?？梢酝ㄟ^使雜質(zhì)冷凝并在冷凝二氧 化碳之前將冷凝的雜質(zhì)從氣體流中除去來除去雜質(zhì)。通常使雜質(zhì)在低于環(huán)境溫度、但高于 CO2冷凝溫度的溫度下冷凝?？梢允褂镁哂锌梢砸詡?cè)流形式除去冷凝雜質(zhì)的集成冷凝物分 離器的熱交換器除去一種或多種雜質(zhì)?？扇コ碾s質(zhì)的例子包括但不限于S02、N02、HC1或 Hg。在一種優(yōu)選的實施方案中，除去的雜質(zhì)是諸如酸或冷凝相硫化合物的可銷售產(chǎn) 品。在步驟140中，經(jīng)壓縮的廢氣隨后用第二熱交換器冷卻或優(yōu)選膨脹以達(dá)到溫度T2，在該 溫度下經(jīng)壓縮的廢氣中的二氧化碳冷凝以形成冷凝的CO2組分和輕氣體組分。非常有利的 是使該經(jīng)壓縮的氣體膨脹以達(dá)到CO2冷凝的最終溫度。膨脹使得大部分CO2在廢氣中而不 是在表面上冷凝，這有利于去除冷凝的CO2組分。在步驟150中，將冷凝的CO2組分與輕氣體組分分離，得到冷凝相CO2流和輕氣體 流。通常，冷凝的CO2組分是固體。在一種實施方案中，冷凝的CO2組分可以以固體形式從 熱交換器中除去。以固體形式從熱交換器中除去冷凝的CO2組分可以避免與加熱該熱交換 器相關(guān)的能量損失。如上所述，在一種優(yōu)選的實施方案中，使冷凝的氣體流膨脹以降低其溫度來冷凝 co2。在這種實施方案中，將經(jīng)壓縮的氣體流冷卻至接近二氧化碳的霜點，使得膨脹僅需要 幾度的溫度下降。這一步驟對促進(jìn)冷凝的CO2組分與輕氣體組分分離以及回收冷凝的CO2 組分來說可以是非常有利的，這是因為大部分二氧化碳將以懸浮形式冷凝。但是，一部分二 氧化碳將聚積在實施冷凝的容器或室的表面上。在本發(fā)明的一種實施方案中，室構(gòu)造成能 夠用機(jī)械裝置將固體從室的表面上除去。例如，除去固體CO2的機(jī)械裝置可以是刮擦滾筒 壁或其他內(nèi)表面的機(jī)械刮器。機(jī)械裝置可以是刮擦管壁和/或在所需方向上移動固體材料 的螺旋機(jī)構(gòu)。在一種實施方案中，機(jī)械裝置可以是收集固體CO2并隨后通過驅(qū)動電動機(jī)間 歇地?fù)u振的袋式過濾器或金屬絲網(wǎng)。在一種替代實施方案中，可以使用根據(jù)重量分離固體 CO2與輕氣體組分的旋風(fēng)分離器來過濾固體co2。袋式過濾器、搖振袋式過濾器的機(jī)制以及 旋風(fēng)分離器在本領(lǐng)域是已知的。在一種實施方案中，固體CO2組分冷凝在固體二氧化碳塊狀體上。該CO2塊狀體是 為冷凝的CO2組分提供在其上聚集的表面的大塊固體co2。在一種實施方案中，該塊狀體可 以形成輕氣體流通過的過濾器。前述手段是用于將冷凝的CO2組分與輕氣體組分分離的手段的例子。本發(fā)明的分離技術(shù)可以實現(xiàn)二氧化碳從廢氣中的高去除率。在一種實施方案中， 本發(fā)明去除了至少約95重量％，更優(yōu)選至少約98%，最優(yōu)選至少約99%的二氧化碳。本發(fā)明還包括一個或多個回收用于壓縮和冷卻廢氣的一部分能量的能量回收步驟160。在一種實施方案中，在第二熱交換器中使用輕氣體流以冷卻經(jīng)壓縮的氣體流(步驟 165)。此外，冷的冷凝二氧化碳流可用作第二冷卻劑以冷卻經(jīng)壓縮的廢氣(步驟170)。在 又一種實施方案中，為了能量儲存目的將一部分輕氣體組分保持在高壓下(步驟175)。在 最終步驟180中，可以將二氧化碳流隔離。隔離二氧化碳流通常包括壓縮冷凝相的二氧化 碳流。壓縮冷凝相的二氧化碳流所需的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓縮氣相二氧化碳所需的能量。本發(fā)明可應(yīng)用于任何烴加工裝置，包括使用煤、黑液、天然氣、油、生物質(zhì)、廢棄物、 石油焦、油頁巖、浙青砂以及其共混物或組合的那些裝置。II.用于從廢氣中分離CO2的系統(tǒng)圖2示出可用于實施本發(fā)明的一種實施方案的局部示意性系統(tǒng)。在該實施方案 中，說明了能量儲存能力。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，可以在無需高壓儲槽的情況下 實施本發(fā)明的許多實施方案。在圖2中所示的系統(tǒng)200中，來自加工裝置的含CO2的廢氣210通過冷凝熱交換 器215，冷凝熱交換器215同時冷卻并部分干燥氣體210。水分流220從系統(tǒng)中排出，將干 燥的廢氣225引入到包括級間冷卻的分級壓縮系統(tǒng)230中。壓縮的氣體流230可以被壓縮 到幾乎任何壓力，只要容器和壓縮機(jī)適于處理該壓力即可。例如該壓力可以是約Iatm至約 600atm。用于相對低壓系統(tǒng)的壓力的例子包括約Ipsi至約IOpsi、更優(yōu)選約2psi至約6psi 的壓力。對高壓儲存應(yīng)用來說，該壓力可以更高。例如該壓力可以是約IOatm至約600atm， 更優(yōu)選約20atm至約400atm。將高壓廢氣冷卻至低于在生產(chǎn)線中(in-line)或高壓儲槽245中的廢氣流的組成 下的CO2的露點/霜點。除去設(shè)計規(guī)定量的CO2之后的氣體組成決定最終溫度。也就是說， 設(shè)計用于去除90%的CO2的系統(tǒng)在含有10%起始CO2的廢氣的露點/霜點下運行。儲槽 245也提供靜止環(huán)境，其中CO2沉降到該槽的底部，提高局部分壓，這提高了露點/霜點并提 高了分離效率。在冷凝或冷凍并純化之后，液體CO2流265從工藝中流出，同時富含N2的流 250從槽的頂部流出。為了回收壓縮廢氣流時消耗的一部分能量，高壓氣體流250在渦輪機(jī) 255中膨脹以充分冷卻輕氣體流250。冷的輕氣體流260隨后在第二熱交換器中用于冷卻 廢氣(例如，對于所示能量儲存應(yīng)用，冷的輕氣體流可用于冷卻高壓儲槽245的底部，這有 助于收集CO2)。在一種實施方案中，膨脹的氣體可以積聚來自其它裝置工藝的廢熱、工藝熱或高 質(zhì)量熱，并通過輕氣體流的膨脹將其轉(zhuǎn)化為功。根據(jù)壓縮與膨脹的溫度和其它條件，渦輪機(jī) 255可以產(chǎn)生壓縮中所用的大部分或全部能量。在本發(fā)明的一種實施方案中，在如圖3所示的一系列緊密連接的壓縮與膨脹級中 發(fā)生氣體的壓縮與膨脹(例如，在圖2中稱為壓縮機(jī)230和渦輪機(jī)255)。在一種優(yōu)選的實 施方案中，壓縮機(jī)和渦輪機(jī)共用相同的軸(未顯示)以避免電與機(jī)械的低效率。為此，圖3 示出了沿公共軸線的壓縮機(jī)232與234和渦輪機(jī)256與258。雖然圖3對壓縮與膨脹各自 顯示了兩級，但是級數(shù)可以不同，并可以使用超過兩級。在低壓下運行或具有輔助致冷的系 統(tǒng)要求少至2-4級。但是，在某些實施方案中，對輔助致冷的動力與投資要求都超過了用于 直接冷卻選項的附加級的增量成本。如圖3所示，干燥的廢氣225進(jìn)入壓縮機(jī)232。干燥的廢氣225在其壓縮時升溫， 因為功與體積流量成比例并因此與溫度成比例，所以該溫?zé)岬臍怏w顯著降低了壓縮效率。
9在一定壓縮后，廢氣進(jìn)入熱交換器236，在此其在名義上被冷卻至其預(yù)壓縮溫度。在一或二 級處，壓力與溫度的組合足以冷凝基本上所有或部分酸組分，特別是S02、HCl和N02。根據(jù) 廢氣中的水分含量，酸可以形成冷凝相酸或硫組分。NO在冷凝前述酸的條件下通常不會冷 凝。這些冷凝雜質(zhì)的小的側(cè)流238顯示在圖3中。在其中固體CO2分離在高于環(huán)境壓力的壓力下進(jìn)行的實施方案中，來自工藝的富 氮流反向通過膨脹渦輪機(jī)256和258。這些渦輪機(jī)可以提供驅(qū)動壓縮機(jī)并輔助冷卻廢氣所 需的一部分動力，壓縮機(jī)產(chǎn)生的廢熱用于提高級之間的氮氣流溫度。當(dāng)?shù)獨庠诜欠逯敌枨?期間在壓力下儲存并在峰值需求期間釋放時，或當(dāng)?shù)獨饬髟谧罱K膨脹級之前加熱至遠(yuǎn)高于 環(huán)境溫度時，這種實施方案是最有益的。單個的、分級的裝置可以實施該膨脹/壓縮循環(huán)中 所需的所有工藝，圖3中顯示了其中的兩級。雖然已經(jīng)示出氮氣在熱交換器236和242處 冷卻壓縮氣體，但是本發(fā)明也包括其中沒有用氮氣冷卻級間熱交換器的實施方案。通常，在 使用氮氣前的至少一級用空氣或水冷卻。盡管沒有在圖3中顯示，但是冷凝的二氧化碳流也可以通過熱交換器236與242 以促進(jìn)廢氣的冷卻。返回的富含CO2的流通過同一組熱交換器中的分開的通道，并以與輕氣 體流260相同的方向流動。但是，CO2不會通過輕氣體渦輪機(jī)級，因為其在該工藝級以冷凝 相形式存在，并且其最終條件通常在相對高(> 70atm)的壓力下。二氧化碳的流動如圖5 所示。在逆流熱交換器中在廢氣與富氮氣流之間始終存在標(biāo)稱20-70°C的溫差。該差值 通常隨CO2收集效率的提高而增大。最終壓力和溫度取決于所需的收集效率和外部致冷的 存在。壓縮機(jī)/膨脹機(jī)組的目的在于以最低能量和投資成本使廢氣達(dá)到圖7中所示的霜點 條件。多相流體損壞一些渦輪機(jī)，從霜線到CO2去除的最終條件，需要謹(jǐn)慎的渦輪機(jī)設(shè)計或 替代工藝。如圖4所示，在外部冷卻的情況下，廢氣425進(jìn)入外部致冷室412，因為它不在直接 冷卻構(gòu)造中，所以用虛線表示。外部冷卻可以在沒有附加工藝步驟的情況下使氣體直接達(dá) 到霜點，或它們可以與氣體膨脹結(jié)合并實施一部分冷卻，而氣體膨脹實施其余冷卻。在渦輪機(jī)膨脹至霜點后，經(jīng)直接冷卻的氣體通過膨脹閥414(或適當(dāng)設(shè)計的渦輪 機(jī))，由此溫度和壓力從霜線降低到設(shè)計去除量的工作線。在該工藝中，單相流轉(zhuǎn)化為固 體-氣體形式，固體是基本上純凈的CO2，氣體主要是氮氣，通常含有一些殘余的氧氣和其它 輕氣體以及按照下述圖10中所示數(shù)據(jù)的可變量的氣態(tài)co2。圖10顯示了導(dǎo)致從煤基發(fā)電 廠排放的典型廢氣中除去所示部分CO2的壓力與溫度的組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到， 類似但數(shù)量上不同的運行目標(biāo)屬于其它方法，并可以采用已知的熱力學(xué)原理結(jié)合本公開的 教導(dǎo)來計算。盡管CO2在其分離的溫度和組成下形成固體，但是分離的實際結(jié)果是形成液體。固 體CO2在略微更溫暖(_55°C)的容器中融化，在此溫度下形成更容易處理的液體。冷的CO2 和N2通過膨脹和熱交換系統(tǒng)返回以減少冷卻廢氣所需的能量，N2最終排放到大氣中，CO2輸 送至最終儲存或應(yīng)用?？梢詫υ摲椒ㄟM(jìn)行幾處修改以降低成本和能耗。最顯著地，如果在大氣壓力下發(fā) 生分離，或在下述與節(jié)水計劃結(jié)合的鍋爐集成的情況下，圖3所示膨脹渦輪機(jī)是不必要的。 但是，保留熱交換器。這簡化了該工藝，減少了投資費用。該簡化的流程圖顯示在圖5中，其中分別顯示了 CO2和N2冷卻流510和512。如圖3中所示，單個的、分級的裝置可以執(zhí)行 該壓縮和熱交換工藝中所需的所有工藝，圖5中顯示了兩級。本發(fā)明的系統(tǒng)的一個優(yōu)點在于其可以以外掛改型技術(shù)或以集成技術(shù)安裝。外掛式 選項使該技術(shù)對現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備非常具有吸引力。在這種構(gòu)造中，需要對現(xiàn)有設(shè)備做最小的 改動。在煙道之前截取廢氣并在不改變上游系統(tǒng)的情況下使其通過該工藝。僅有的主要要 求是新設(shè)備(壓縮機(jī)和渦輪機(jī))應(yīng)有足夠的占地面積。III.去除雜質(zhì)如圖3所示，可以在冷凝二氧化碳并將其從廢氣中除去之前，在所需溫度和壓力 下通過冷凝諸如金屬和酸的雜質(zhì)，由此除去雜質(zhì)。該工藝中高壓和低溫的結(jié)合為在傳統(tǒng)的、 大氣壓力廢氣中無法采用的污染物處理提供了替代手段。在許多情況下，可以以遠(yuǎn)高于目 前設(shè)計的系統(tǒng)的效率除去污染物。特別地，采用所提出的方法，在沒有任何附加的投資和僅 有少量運行費用的情況下，SOx,HCl,NO2和Hg的去除效率接近100%。例如，用于冷卻冷凝 氣體流的熱交換器可以包括用于從系統(tǒng)中除去雜質(zhì)的冷凝物分離器。從系統(tǒng)中除去冷凝的 雜質(zhì)防止該雜質(zhì)被輸送到下游并與冷凝的二氧化碳混合，這隨后需要在單獨的工藝(例如 蒸餾)中將雜質(zhì)與二氧化碳分離，從而顯著增加了系統(tǒng)的成本。所有前述雜質(zhì)均在高于去除CO2的溫度和壓力下冷凝。在CO2霜點(即CO2開始 冷凝的點)的溫度下冷凝雜質(zhì)并將它們從系統(tǒng)中除去，殘留在氣相中的雜質(zhì)的濃度可以降 至幾個PPm(取決于壓力和水分含量)。在一種實施方案中，經(jīng)純化的冷凝氣體流(其包含 二氧化碳)中的雜質(zhì)濃度低于lOOppm，更優(yōu)選低于lOppm，最優(yōu)選低于lppm。因此，在無需 進(jìn)行蒸餾的情況下，二氧化碳流的純度可以具有上述范圍內(nèi)的純度?？梢砸砸后w或固體形式從該工藝中除去雜質(zhì)，其大多數(shù)具有商業(yè)價值。難以估計NO的結(jié)果，因為其還表現(xiàn)出明顯非理想化的行為，但不如其它雜質(zhì)易冷 凝。盡管如此，但是在高壓下，NO吸收和/或催化轉(zhuǎn)化比現(xiàn)有大氣壓系統(tǒng)更為有效且更為成 本有效。如果將用于污染處理的大部分投資成本轉(zhuǎn)而用于所提出的方法，其在任何情況下 都可以以高效率除去相同和另外的雜質(zhì)，則碳捕集和儲存的有效成本可以相應(yīng)地降低(例 如，降低30-40% ) ο本文中描述的方法與系統(tǒng)可以部分或全部替代其它氣體處理工藝，包括除汞、脫 硫、酸氣處理、NOx去除或其組合。此外，本文中描述的廢氣凈化可以僅需要微不足道的邊際 資本和運行費用。最為簡單但或許并非最佳的方法包括用CCV流捕集雜質(zhì)。但是，這產(chǎn)生 了酸性且可能具有腐蝕性的CO2流，這在壓力非常高的容器內(nèi)部并對后面的儲存或使用是 一個潛在的問題。作為替代方案，高壓液態(tài)水或其它吸收(附)劑在中壓下有效地除去大部分雜質(zhì)。 通過這種機(jī)制能夠在大多數(shù)物質(zhì)濃度方面實現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過90%的減少，消除或減少對現(xiàn)有或 新的脫硫設(shè)備、除汞、SCR和SNCRNOx還原技術(shù)和類似技術(shù)的需要。這些系統(tǒng)為發(fā)電廠中的 主要投資(通?？傆嫵^30%)，并構(gòu)成較小但顯著的附加效率損失。替代它們可以使所 提出的系統(tǒng)的投資與能源成本明顯更具有吸引力。IV.能量儲存加壓氣體是一種可能的能量儲存手段。通常，僅僅一部分廢氣流提供能量儲存，而 大部分廢氣流連續(xù)流經(jīng)該工藝。
儲槽的大小取決于所需能量儲存量和高壓設(shè)備的工程限制。多容器儲存系統(tǒng)，或 更為成本有效地需要單容器但仍提供儲存的系統(tǒng)(下文描述)提供能量儲存性能?？梢栽?任何系統(tǒng)壓力下進(jìn)行儲存，該系統(tǒng)壓力為從系統(tǒng)中的峰值壓力(以最小化儲存體積)至低 壓儲存(如果可以獲得天然且通常并非不可滲透的洞窟(洞穴、鹽丘、廢棄礦山等)的話)。 高壓儲存使槽體積最小化并通過早先討論的幾個工藝提高了 CO2分離，但是該高壓儲槽增 加了總投資成本。壓縮所需動力可以來自于發(fā)電廠和/或并網(wǎng)的間歇源，如風(fēng)車。該方法提供但是 不需要壓縮氣體的中間存儲作為儲能。渦輪機(jī)在高需求或高收益周期期間再生所儲存的動 力。這種能量儲存方案提高了盈利能力。在包括可能高度可變的風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電或 構(gòu)成對附加可再生容量的障礙的其它發(fā)電手段的電網(wǎng)系統(tǒng)中，例如在丹麥和其它具有大的 間歇式風(fēng)力來源的地區(qū)的情況下，這種能量儲存性能還提供了更為有效地管理電網(wǎng)并由此 能夠提高可再生風(fēng)容量的機(jī)制?；旧纤械碾娋W(wǎng)系統(tǒng)都包括從峰值至低點具有很大差值的日常動力需求周期。 或者更為明顯地，通過將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到需求較低的時間并在高需求期間使用能量儲備進(jìn)行補(bǔ) 償，該能量儲存特征有助于解決即便在碳捕集技術(shù)降低凈有效功率時滿足峰值需求的系統(tǒng) 性難題。這可能延遲或省去了構(gòu)建用于CO2減排的新發(fā)電容量的需要。就壓縮構(gòu)成用于 CO2隔離的沉入成本和附加損失而言，能量儲存的有效效率和成本是渦輪機(jī)效率(通常為 85-90% )和壓力容器的成本。本發(fā)明的一種實施方案的基本特征在于儲能和CO2捕集同時發(fā)生。在大多數(shù)情況 下，該方法的儲能效率和成本效率可以與僅提供儲能或僅提供CO2捕集的替代系統(tǒng)充分競 爭。由于可具體實施該方法以便以可能與通過替代手段實施的這些工藝中僅一項相當(dāng)?shù)哪?量和投資成本同時提供儲存和捕集，因此這種聯(lián)合方法與競爭的方法相比可以大大節(jié)省能 量、投資和運行成本。能量儲存問題在碳捕集和儲存(CCS)綜合論述中看似比通常公認(rèn)的嚴(yán)重。所有文 獻(xiàn)中充分記載的CCS系統(tǒng)消耗大量的電力，通常為電廠凈輸出的25-30%。因此，只是保持 目前的峰值容量，就需要附加的25-30%容量實施這些方法。由于幾乎所有供電商在峰值負(fù) 荷期間接近容量極限運行，因此CCS要求附加的25-30%的新容量或足夠的能量儲備以均 衡峰值負(fù)荷。這一問題影響了幾乎每一個實施CCS的電力系統(tǒng)。與CCS無關(guān)，預(yù)計的新電 力需求量和更有效的資本利用程度都得益于成本和能量有效的能量儲存。最后，某些區(qū)域 具有大的但間歇式的能量供給，如風(fēng)車和太陽能電池板。這些高度和快速改變的能源的管 理限制了它們能夠提供的可用能量的量。能量儲存幫助容納這些大但是高度可變的能量供 給。總而言之，這里提出的三個能量儲存問題是(1)通常與CCS相關(guān)的提高的峰值能量需 求；(2)通常導(dǎo)致提高資金有效性、系統(tǒng)效率和提高的能量需求的負(fù)載均衡；和(3)整合電 網(wǎng)中的風(fēng)車與其它不可調(diào)度的、高度可變的電源。建議的方法以兩種方式解決了上面描述的問題。最簡單的解決方案略微減輕了第 三個問題——電網(wǎng)中的風(fēng)車或其它大的但是間歇式的能源的影響——事實上沒有使用超 出強(qiáng)化電網(wǎng)和適當(dāng)?shù)匕惭b的壓縮機(jī)發(fā)動機(jī)之外的附加設(shè)備。局部發(fā)電廠或電網(wǎng)可以供給大 的壓縮-能量需求。在正常(無風(fēng))運行中，局部發(fā)電廠提供壓縮電力，這代表大的附加損 失。當(dāng)可以獲得額外的風(fēng)或其它間歇式能量時，其驅(qū)動壓縮機(jī)，減少了對發(fā)電廠的附加損失，并因此減少了煤/天然氣/油/生物質(zhì)的消耗。目前的發(fā)電廠不具有這么大的附加負(fù) 荷，也無法吸收來自風(fēng)車的能量起伏。許多替代的CCS技術(shù)(基本上所有的溶劑吸收系統(tǒng)) 使用熱形式的能量，其不能有效地由風(fēng)能來替代。但是，使用空氣分離裝置的這種和這些系 統(tǒng)可以有效地使用額外的風(fēng)能來驅(qū)動壓縮機(jī)并提供有用的電網(wǎng)管理選擇以吸收大量的額 外風(fēng)能并減少等量的鍋爐負(fù)荷。風(fēng)能源通常以與鍋爐可提供的相比短得多的時間變化。本發(fā)明的高能量儲存實施 方案可以有利地向這些系統(tǒng)提供負(fù)載均衡。在上述CO2分離工藝中使用的壓縮氣體代表可 能重要的能量儲存資源。由于所建議的方法壓縮用于CO2分離的氣體，因此僅有少量或沒 有與壓縮相關(guān)的附加效率下降或提高的負(fù)荷，并且能量儲存的有效效率變?yōu)闇u輪機(jī)效率， 而不是渦輪機(jī)和壓縮機(jī)的效率與其它系統(tǒng)損耗的乘積。從這個意義上說，與所建議的碳隔 離系統(tǒng)集成的壓縮氣體儲存以比現(xiàn)有的抽水儲存系統(tǒng)更高的效率提供能量儲存。存在與向壓縮氣體儲存提供容器和裝設(shè)閥門有關(guān)的附加資金成本。此類容器的具 體設(shè)計非常依賴于地點的具體細(xì)節(jié)。具有適于壓縮氣體的天然巖洞(鹽丘、礦井、洞穴等) 的地點可以提供相對大且廉價的儲存，但是通常在低壓下儲存。具有占地面積限制的地點 通常可以使用制造得高的高壓儲存槽。兩種系統(tǒng)都需要容量超過鍋爐滿負(fù)荷容量的氮氣渦 輪機(jī)系統(tǒng)，這是因為在峰值時刻鍋爐通常以滿負(fù)荷運行，能量儲存也將在最大負(fù)荷下運行。在一種優(yōu)選的實施方案中，確定儲存容器的尺寸并配置儲存容器以儲存至少約 0. 5小時、約1小時、約2小時或至少約4小時的滿負(fù)荷電廠產(chǎn)量。在一種實施方案中，可以 通過一系列相對高但是直徑(和壁厚)較小的儲存容器提供能量儲存。2小時100%容量 儲存量功能上相當(dāng)于約8小時的峰值容量。也就是說，如果儲存八小時的等量1/4滿負(fù)荷 電廠產(chǎn)量，則得到2小時全流量等價儲存。儲存的量足以容納大多數(shù)來自風(fēng)車的風(fēng)電涌和 電廠運行中的日循環(huán)。槽尺寸(或數(shù)量)隨儲存容量按比例提高。V.節(jié)水完全集成的裝置可以用鍋爐加熱加壓、富氮的流以提高電力輸出。被加熱至與典 型的蒸汽渦輪機(jī)入口溫度(標(biāo)稱600°C)相同的溫度的加壓氮氣流以約三倍于類似壓力下 從室溫被加熱至類似溫度的蒸汽的效率發(fā)電。再壓縮該氮氣將大大降低該效率至低于蒸 汽效率，但是在單程式基礎(chǔ)上，蒸汽遠(yuǎn)比蒸汽/水更有效，并且避免了與水相關(guān)的冷卻水負(fù) 荷。對于由氮氣渦輪機(jī)產(chǎn)生的這部分動力來說，這至少減少了 25-30%的發(fā)電所需冷卻水的 量。包括在壓力下分離CO2的該方法的實施方案產(chǎn)生加壓氮氣作為主要副產(chǎn)物。在外 掛式技術(shù)中，該氮氣用于熱交換和用于通過渦輪機(jī)發(fā)電。在完全集成的工藝中，可以更有效 地由該氮氣發(fā)電。具體而言，如圖3所示，可以通過與輸入的廢氣流熱交換將加壓氮氣降至 室溫。在通過渦輪機(jī)膨脹前，氮氣可以在鍋爐中進(jìn)一步加熱，例如加熱至可以與峰值蒸汽溫 度(例如500-600°C)相比的溫度。該氮氣然后通過渦輪機(jī)，發(fā)電并可能生成副產(chǎn)物冷卻氣 體流(取決于起始壓力)。圖6對三種工作流體的每一種比較了在渦輪機(jī)中產(chǎn)生的功與轉(zhuǎn)移到該工作流體 的熱的比例，假定均在300atm和25°C下開始并且各自在相同壓力下加熱至600°C，隨后通 過單級渦輪機(jī)(效率=75% )膨脹至大氣壓力。水/蒸汽循環(huán)具有30%的凈比例，并且 是不具有過熱或其它成熟技術(shù)的小規(guī)模朗肯循環(huán)系統(tǒng)的合理代表。相比之下，氮氣具有約
1390%的比例，是蒸汽的三倍。也就是說，以熱量的90%產(chǎn)生的電量輸入已加壓氣體流中。重 要地，這是一個開環(huán)系統(tǒng)，而不是循環(huán)比較。具體而言，再壓縮蒸汽/水循環(huán)的能量效率成 本可以忽略，這是因為該循環(huán)生成可以容易并有效地壓縮的水。但是，再壓縮任何氣體的能 量成本非常大，并會導(dǎo)致低于水的循環(huán)效率。氦數(shù)據(jù)表明，氦可以作為甚至更好的工作流 體，主要是因為它具有低且基本不變的熱容。由于廢氣中實際上不含氦，這在實踐中并非現(xiàn) 實的選擇，但是是用于說明輕氣體渦輪機(jī)優(yōu)點的有用的比較。如所示那樣，源自渦輪機(jī)的能 量比以熱形式進(jìn)入氦的能量更多。這強(qiáng)調(diào)了如下要點源自渦輪機(jī)的能量包括來自熱的能 量和來自初始壓縮的能量。這種輕氣體渦輪機(jī)的優(yōu)勢隨入口溫度升高而增加。在氮氣渦輪機(jī)中使用的高溫?zé)釡p少了轉(zhuǎn)移到蒸汽渦輪機(jī)的熱量。這通常僅僅在如 果效率優(yōu)勢大到足以證明第二渦輪機(jī)并在更精密的設(shè)計中作為第二過熱器裝置的附加成 本有道理的情況下才有意義。氮氣渦輪機(jī)不需要冷卻水，這是因為氮氣在該工藝結(jié)束時排放到大氣中。此外，由 于冷凝，氮氣系統(tǒng)不會面臨出口溫度的現(xiàn)實限制，因此出口氣體可以非常冷，這取決于入口 溫度與壓力。冷的出口氣體和對冷卻水的需求減少顯著地減少了蒸汽循環(huán)所需的水量，可 能減少25-30%。其它工藝可以采用這種技術(shù)以減少水需求量。具體地，空氣分離裝置(ASU)在該 工藝的某一階段普遍產(chǎn)生液氮。如目前所作那樣將該液氮加壓并使其通過ASU中的類似通 道獲得通常接近室溫但是處于高壓的流出物。這種高溫氮氣通過鍋爐減少了冷卻水的需求 量，并出于如上所述的相同原因和在類似程度上提高了效率。殘留在富氮流中的氧含量幾乎理想地適于在燃?xì)鉁u輪機(jī)中燃燒。從接近該工藝末 端的鍋爐預(yù)熱循環(huán)流出的壓縮的、預(yù)熱的富氮氣體非常適于燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒勝過惰性氮氣 渦輪機(jī)使用，在發(fā)電量方面具有相應(yīng)的大幅提高。但是，所得氣體中的CO2,雖然占相對小的 排放，但是如果必須捕集的話將需要附加的工藝步驟。VI.熱力學(xué)在本發(fā)明的方法的大部分過程中遇到的低溫和高壓導(dǎo)致高度非理想的熱化學(xué)行 為，特別是當(dāng)涉及CO2和幾種污染物一尤其是SO2時更是如此。在理想的近似值中，CO2摩 爾分?jǐn)?shù)乘以總壓力(分壓)與CO2蒸氣壓表現(xiàn)類似。也就是說，在理想體系中CO2通過冷凝 或冷凍形成兩個相，只要其分壓超過相同壓力下的CO2的蒸氣壓。圖7示出了對于寬的溫度(線性標(biāo)度)與壓力(對數(shù)標(biāo)度)范圍內(nèi)的理想行為的 CO2相圖。線分開了固體區(qū)、液體區(qū)和蒸氣區(qū)，并標(biāo)出了三相點和臨界點。 但是，在真實世界應(yīng)用中，廢氣不形成理想體系。在液體區(qū)，形成的液體是CO2和輕 氣體的混合物。更顯著地，在氮氣中具有14%的CO2，在任何溫度或壓力條件下都不形成液 體。二元CO2-N2體系的非理想熱力學(xué)表現(xiàn)出圖8中在0°C至_55°C (接近CO2三相點)的 三個溫度下的測量數(shù)據(jù)(Zermer and Dana 1963)。在每條曲線的蒸氣和液體分枝上的數(shù)據(jù) 代表在兩相中相應(yīng)的平衡結(jié)線的端點。 數(shù)據(jù)和預(yù)測在大多數(shù)區(qū)域中合理地吻合，并與理想預(yù)測相比體現(xiàn)出顯著改進(jìn)。 當(dāng)溫度降低時，兩相區(qū)域的大小增加。但是，降低溫度至明顯低于圖8中所示最低溫 度，-55°C，導(dǎo)致形成固體而不是液體C02。在氮氣(通常為廢氣)中CO2為標(biāo)稱14%時，在 任何溫度或壓力下都沒有形成液體，與圖7所示理想行為形成尖銳對比。也就是說，典型廢氣(14%C02)的霜點/露點線決不進(jìn)入液體_蒸氣區(qū)，與圖7中拉烏爾定律的估計值不同。 這種行為造成了一些操作困難，因為其需要固體處理。但是，形成固體體現(xiàn)了顯著的熱力學(xué) 和能量優(yōu)勢，因為形成的固體基本上不含氮氣或氧氣雜質(zhì)，并且無需經(jīng)歷隨后的蒸餾或類 似純化工藝。在空氣分離裝置中的液體蒸餾占最大的能量需要量，大多數(shù)與冷凝器冷卻相 關(guān)。稍后討論與固體處理相關(guān)的操作上的挑戰(zhàn)。壓縮的輕氣體除二氧化碳和氮氣之外還含有少量氧氣。氧氣含量改變(通常減 小)圖8所示的兩相區(qū)的大小。在平均壓力和溫度分別為129atm和-55°C的條件下的典型 三組分?jǐn)?shù)據(jù)顯示在圖9中。該圖的左側(cè)代表0%的O2并對應(yīng)于圖8中在129atm下的條件， 如可以通過檢查數(shù)據(jù)核實的那樣。提高O2濃度會降低形成兩相的組成范圍。但是，這種改 變并不過度復(fù)雜。也就是說，O2在這些條件下表現(xiàn)得與等量的額外氮氣表現(xiàn)得幾乎相同。 我們有在其它壓力和溫度下的另外的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有、但高級的熱力學(xué)模型可以精確地預(yù)測多 組分(例如N2-CO2-O2)體系的兩相區(qū)，并且上面所示的模型預(yù)測法合理地預(yù)測了該N2-CO2 體系的兩相區(qū)。但是，理想氣體和大多數(shù)非理想氣體熱力學(xué)模型提供對設(shè)計和運行具有很 大影響的這種行為的使人誤解的估計值。在對該分析重要的溫度與壓力條件下的包括含氮和含硫雜質(zhì)的典型廢氣的熱力 學(xué)數(shù)據(jù)在公開文獻(xiàn)中并不存在。但是，用于預(yù)測上述數(shù)據(jù)的類似熱力學(xué)模型可以用于估算 此類數(shù)據(jù)。與該工藝相關(guān)的此類數(shù)據(jù)的可用概述顯示在圖10中，其中示出含有14%的C02、 3%的O2和痕量(IOOppm)的HCl、NO和SO2的典型干廢氣的霜點(干冰形成)。還顯示了 從氣相中除去90%、95%和99%的CO2的相應(yīng)條件。標(biāo)記的點對應(yīng)于每條曲線上的峰值溫 度。為了實現(xiàn)任意的標(biāo)明的性能點(結(jié)霜，從氣相中除去95%的CO2等)，在分離點處過程 中的條件必須落在相應(yīng)線上的某處。如所示那樣，必須產(chǎn)生高壓和/或低溫以通過冷凝/凝華除去C02。曲線的標(biāo)記點 代表在這部分中的最高壓力。也就是說，超出這些點，需要更高的壓力和更低的溫度，這都 需要更多的能量。每條曲線直到該點的部分是在大多數(shù)應(yīng)用中該方法就其功能而言引人注 意的選項。氣體壓縮、冷卻和膨脹的過程通常提供圖10中所示的低溫。這可以包括閉環(huán)、通 常基于輕氣體的致冷系統(tǒng)，或可以包括不具有單獨致冷循環(huán)的廢氣的直接壓縮與膨脹。后 者具有無需產(chǎn)生附加溫差以便在熱交換器中驅(qū)動熱交換的優(yōu)點，但具有工作流體質(zhì)量較差 的缺點。任一工藝工作，但該討論假定廢氣的直接壓縮/膨脹?？傮w方案是將氣體壓縮和 冷卻至足夠的壓力，其隨后通過渦輪機(jī)膨脹，使該氣體接近霜點。該氣體隨后通常通過膨脹 閥或渦輪機(jī)進(jìn)一步膨脹，直到其達(dá)到圖10中對給定捕集分?jǐn)?shù)的標(biāo)稱顯示的溫度和壓力。根 據(jù)具體的廢氣組成，與圖10有關(guān)的圖可以變化。在外部冷卻的實施中，第二級熱交換器提 供所有冷卻而不是使用膨脹渦輪機(jī)或閥。臨界設(shè)計參數(shù)是從接近室溫的起始條件開始沿表 示所需去除效率的曲線達(dá)到某條件所需的最大壓力。圖10顯示了這種工藝較空氣分離和純氧燃燒的優(yōu)點。傳統(tǒng)的空氣分離裝置需要 更多冷卻，例如在Iatm下冷卻至-206°C至_183°C的溫度(比提出的工藝?yán)?0至60°C )。 此外，一組兩個或三個蒸餾塔各自再氣化和再冷凝氣體數(shù)次，并且產(chǎn)品CO2必須以氣體形式 再壓縮。所有三個注意事項都大大提高了系統(tǒng)的能量需求?？偰芰科胶庥绕涫窃诟骷墘嚎s與膨脹處入口氣體溫度、CO2去除程度以及廢氣具體組成的復(fù)雜函數(shù)。大多數(shù)替代CO2隔離工藝(胺/冷凍氨吸收、純氧燃料燃燒、吹氧氣化)具有發(fā)電 廠總發(fā)電量的約29%的電力需求。VII.稠密氣體沉降重力對濃度梯度的影響通常不包括在輸運方程中。二元MaxwelI-Stefan方程提 供了包括它們的一種手段。在其通式中，該方程描述了如下作為包括活度梯度、壓力梯度、 體積力差和溫度梯度的項的總和的總局部摩爾通量(不具有對流項)
權(quán)利要求
一種從烴加工裝置的廢氣中有效分離二氧化碳的方法，包括(i)從烴加工裝置的廢氣中除去水分以得到至少部分干燥的廢氣；(ii)壓縮所述至少部分干燥的廢氣以得到壓縮氣體流，其中所述壓縮氣體流包含二氧化碳；(iii)使用第一熱交換器將所述壓縮氣體流的溫度降至溫度T1；(iv)使用第二熱交換器或利用第二熱交換器與所述壓縮氣體流的膨脹相結(jié)合將所述壓縮氣體流的溫度降至第二溫度T2，其中T2＜T1，并且其中來自所述壓縮氣體流的二氧化碳的至少一部分冷凝，由此得到固體或液體冷凝相二氧化碳組分和輕氣體組分；(v)將所述冷凝相組分與所述輕氣體組分分離以產(chǎn)生冷凝相流和輕氣體流；和(vi)在所述第二熱交換器中使用至少一部分所述輕氣體流。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟(iv)中降低所述壓縮氣體流的溫度包括使所述 壓縮氣體流膨脹。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其中通過閥或渦輪機(jī)進(jìn)行所述壓縮氣體流的膨脹。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中T1為約0°C至約100°C。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中T2為約-175°C至約-100°C。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中用水和/或環(huán)境空氣冷卻所述第一熱交換器。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述壓縮氣體流包含酸組分，所述方法還包括在步驟 (iv)中冷凝至少一部分所述酸組分以形成冷凝相酸組分或硫化合物，其中在二氧化碳冷凝 前將所述冷凝相酸組分或硫化合物從所述壓縮氣體流中除去。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述廢氣包含至少10%的二氧化碳和至少10%的輕氣體。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述廢氣是來自煤燃燒或氣化工藝的排氣。
10.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述壓縮氣體流在至少5psi的壓力下。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中在至少約IOpsi的壓力下將所述輕氣體流壓縮并儲 存在容器中，并隨后膨脹以發(fā)電。
12.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述壓縮氣體流在至少約2psi的壓力下。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述輕氣體流儲存在容器中并隨后膨脹以發(fā)電，其 中發(fā)電并將電置于具有高電力需求時期和低電力需求時期的電網(wǎng)上，其中在低電力需求期 間儲存所述輕氣體流并在高電力需求期間膨脹發(fā)電。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其中使用由間歇式動力源驅(qū)動的壓縮機(jī)壓縮所述輕氣體流。
15.權(quán)利要求13所述的方法，其中所述間歇式動力源是風(fēng)源。
16.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述壓縮氣體流低于二氧化碳的三相點。
17.權(quán)利要求1所述的方法，其中通過使二氧化碳冷凝并從所述壓縮氣體流中沉淀出 來，將所述冷凝相二氧化碳組分與所述輕氣體組分分離。
18.權(quán)利要求1所述的方法，其中通過空氣動力分離、過濾、凝聚和/或通過使二氧化碳 冷凝在冷的表面上，將所述冷凝相二氧化碳組分與所述輕氣體組分分離。
19.權(quán)利要求18所述的方法，其中所述二氧化碳組分聚積在冷凍的二氧化碳的塊狀體上。
20.權(quán)利要求18所述的方法，其中所述二氧化碳組分聚積在絲網(wǎng)上。
21.權(quán)利要求1所述的方法，其中通過使二氧化碳組分沉淀在冷卻的滾筒上，將所述冷 凝相二氧化碳組分與所述輕氣體組分分離。
22.權(quán)利要求1所述的方法，其中通過使二氧化碳沉淀在所述第二熱交換器的表面上， 使所述冷凝相二氧化碳組分與所述輕氣體組分分離。
23.權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第二熱交換器的表面基本上不含鋁。
24.權(quán)利要求23所述的方法，還包括具有用于沉淀二氧化碳組分的第二冷卻表面的第 三熱交換器，使冷的壓縮氣體流以交替方式通過所述第一熱交換器并隨后通過所述第二熱 交換器，其中在所述冷的壓縮氣體流通過所述第二熱交換器的過程中將所述冷凝的二氧化 碳組分從所述第一熱交換器中除去。
25.一種從烴加工裝置的廢氣中有效分離二氧化碳的系統(tǒng)，包括廢氣管道，構(gòu)造成接收來自烴加工裝置的廢氣；與所述廢氣管道流體連通的壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)構(gòu)造成接收廢氣并壓縮所述廢氣以得 到壓縮廢氣；第一熱交換器，構(gòu)造成使用第一冷卻劑耗散來自所述壓縮氣體的熱以產(chǎn)生部分冷卻的 氣體流；第二熱交換器，其具有冷卻劑室和廢氣室，所述廢氣室具有構(gòu)造成接收來自所述第一 熱交換器下游的所述部分冷卻的氣體流的入口并構(gòu)造成將熱耗散到所述冷卻劑室中，由此 在第二廢氣室中產(chǎn)生冷的壓縮氣體流，其中所述冷卻劑室構(gòu)造成接收來自所述第二廢氣室 下游的所述冷的壓縮氣體流；和與所述第二熱交換器流體連通的第三熱交換器和/或第一膨脹室，所述第三熱交換器 和/或第一膨脹室構(gòu)造成冷卻所述冷的壓縮氣體流以產(chǎn)生冷凝的二氧化碳。
26.權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括第一膨脹室，并且所述第一膨脹室包 括膨脹閥。
27.權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括第一膨脹室，并且所述第一膨脹室包 括渦輪機(jī)。
28.權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述第二熱交換器與冷凝物分離器結(jié)合，并構(gòu)造成 冷凝雜質(zhì)組分并以側(cè)流形式將所述雜質(zhì)組分從所述第二熱交換器中除去，其中所述側(cè)流的 出口在冷凝的二氧化碳流出口的上游。
29.權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，還包括用于從所述冷的壓縮氣體流中分離固體二氧化碳 的裝置。
30.權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述裝置包括用于聚積固體二氧化碳的冷的表面， 所述固體二氧化碳在所述冷的壓縮氣體流膨脹過程中在所述第一膨脹室中冷凝。
31.權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中通過冷凍的CO2、與搖振機(jī)構(gòu)可操作地連接的絲網(wǎng)和 /或滾筒提供所述冷的表面。
32.權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，用于分離的裝置包括第二膨脹室和在所述第一和第二膨 脹室上游的氣流分配開關(guān)，其中所述氣流分配開關(guān)構(gòu)造為在所述第一膨脹室和所述第二膨 脹室之間切換廢氣流。
33.一種從烴加工裝置的廢氣中有效分離二氧化碳的方法，包括(i)從烴加工裝置的廢氣中除去水分以得到至少部分干燥的廢氣；(ii)壓縮所述至少部分干燥的廢氣以得到壓縮氣體流，其中所述壓縮氣體流包含二氧 化碳；(iii)使用第一熱交換器將所述壓縮氣體流的溫度降至溫度T1；(iv)使用第三熱交換器冷凝所述壓縮氣體流中的一種或多種雜質(zhì)，并從所述壓縮氣體 流中除去冷凝的雜質(zhì)以得到包含二氧化碳的純化的冷凝氣體流；(iv)使用第二熱交換器或利用第二熱交換器與所述壓縮氣體流的膨脹相結(jié)合將純化 的壓縮氣體流的溫度降至第二溫度T2，其中T2 < T1，并且其中來自所述純化的壓縮氣體流 的二氧化碳的至少一部分冷凝，由此產(chǎn)生純化的固體或液體冷凝相二氧化碳組分和輕氣體 組分；(ν)將所述冷凝相組分與所述輕氣體組分分離以產(chǎn)生冷凝相流和輕氣體流；和(vi)在所述第二熱交換器中使用至少一部分所述輕氣體流。
34.權(quán)利要求33所述的方法，其中所述一種或多種雜質(zhì)選自S02、N02、HC1或Hg。
35.權(quán)利要求33所述的方法，其中所述一種或多種雜質(zhì)各自在純化的冷凝廢氣中的濃 度低于lOOppm。
36.權(quán)利要求33所述的方法，其中所述一種或多種雜質(zhì)各自在純化的冷凝廢氣中的濃 度低于IOppmo
37.權(quán)利要求33所述的方法，其中所述一種或多種雜質(zhì)各自在純化的冷凝廢氣中的濃 度低于lppm。
全文摘要
從廢氣中捕集二氧化碳的方法，包括(i)從廢氣中除去水分以得到干燥的廢氣；(ii)壓縮該干燥的廢氣以得到壓縮氣體流；(iii)使用第一熱交換器將該壓縮氣體流的溫度降至溫度T1；(iv)使用第二熱交換器將該壓縮氣體流的溫度降至第二溫度T2，其中T2＜T1，并且來自該壓縮氣體流的二氧化碳的至少一部分冷凝，由此產(chǎn)生固體或液體冷凝相的二氧化碳組分和輕氣體組分；(v)將該冷凝相組分與該輕氣體組分分離以產(chǎn)生冷凝相流和輕氣體流；和(vi)在第二熱交換器中使用至少一部分冷凝相流和/或該輕氣體流。
文檔編號F25J3/06GK101939075SQ200880125555
公開日2011年1月5日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者拉里·L·巴克斯特 申請人:布萊阿姆青年大學(xué)