專利名稱：從燃燒廢氣中分離出CO₂的方法和裝置的制作方法
從燃燒廢氣中分離出CO2的方法和裝置本發(fā)明涉及從燃燒廢氣中分離出CO2的方法和裝置。本發(fā)明尤其涉及從燃燒廢氣 中分離出CO2的方法和裝置，所述燃燒廢氣通過在燃燒室內(nèi)借助作為氧化劑的空氣燃燒含 碳的燃料或廢料而產(chǎn)生。 —Optimization in PostcombustionCO2-Capture by means of Repowering and ReversibleCarbonation/Calcination Cycle，，，Luis M. Romeo等人，ENDESA，西班牙，第8屆溫室氣體控制技術(shù)國際會(huì)議，Trondheim, 2006年6 月，挪威是已知的。在這種已知的方法中，將大部分在燃燒廢氣中含有的CO2借助在燃燒氣體的流動(dòng) 方向上看在所述燃燒室下游布置的碳酸鹽-循環(huán)-系統(tǒng)(“CarbonateLooping System" 或者“Reversible Carbonation/Calcination Cycle”)分離出來，并且輸送到其它處理過 程。為了分離出CO2而使用吸著劑CaO，即氧化鈣或者生石灰，并在所述碳酸鹽-循環(huán)-系 統(tǒng)內(nèi)以循環(huán)方式運(yùn)行。將在溫度為900 950°C的煅燒爐內(nèi)產(chǎn)生或生成氧化鈣CaO，以該溫 度經(jīng)連接煅燒爐與碳酸化器的管道輸送到碳酸化器。在碳酸化器中(從燃燒室將含有CO2 的燃燒廢氣導(dǎo)入到該碳酸化器中，且所述碳酸化器具有循環(huán)的流化床)所述吸著劑CaO在 約650°C溫度下與燃燒廢氣中所含的大部分CO2結(jié)合生成碳酸鈣CaC03。將從碳酸化器中流 出的固體_/氣體混合物輸送到分離器，在該分離器中使固體物質(zhì)從燃燒廢氣中分離。將減 少了 CO2的燃燒廢氣通過任選地存在的處理裝置排入大氣，并且將主要含有CaCO3、但還含 有灰分、CaSO4和CaO的固體物質(zhì)通過管道輸送到煅燒爐。在煅燒爐內(nèi)將CaCO3煅燒溫度為 900 950°C的條件下對(duì)進(jìn)行焙燒或煅燒，并在該過程中產(chǎn)生固態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物。固態(tài)產(chǎn)物主 要具有從CaCO3再生的CaO，氣態(tài)產(chǎn)物主要具有CO2和水。由于煅燒過程以吸熱反應(yīng)方式進(jìn) 行，必須將熱量引入到煅燒爐之中，以便提供所需的煅燒溫度或反應(yīng)溫度。這通過在煅燒爐 中的補(bǔ)充燃燒而進(jìn)行，在該補(bǔ)充燃燒中將煤借助氧化介質(zhì)或者氧化劑O2燃燒，并由此將熱 量引入到用循環(huán)的流化床形成的煅燒爐中。為了在煅燒爐內(nèi)產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物不會(huì)被例如氮 氣稀釋，并因此使分離出CO2變得困難，必須強(qiáng)制性地使用O2替代空氣作為氧化劑用于補(bǔ)充 燃燒。將具有約900°C的產(chǎn)物熱量的CaO作為吸著劑從煅燒爐輸送到碳酸化器。將具有同 樣的產(chǎn)物熱量的、主要含有CO2的氣體產(chǎn)物由煅燒爐排出，并將所述CO2輸送到其它處理過 程，在這種情況下冷卻、縮并運(yùn)送到儲(chǔ)存裝置中。上述方法是連續(xù)進(jìn)行的。這種已知的方法或者已知的裝置的缺點(diǎn)在于這種方法或者這種裝置的效率損失 為約3%。這種效率損失主要?dú)w因于煅燒爐，所述煅燒爐設(shè)有補(bǔ)充燃燒，并由此被燒熱，在該 補(bǔ)充燃燒中使用工業(yè)純氧作為氧化劑或氧化介質(zhì)來燃燒燃料或者煤。在此，在煅燒爐中用 作氧化劑的氧的制備帶來高的能量消耗，該能量消耗造成整個(gè)裝置約3%的效率損失?，F(xiàn)在，本發(fā)明的目的在于提供一種從燃燒廢氣中分離出CO2的方法，所述燃燒廢氣 通過借助作為氧化劑的空氣在燃燒室中燃燒含碳燃料或者廢料而產(chǎn)生，該方法避免了上述 缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的尤其在于提供一種從燃燒廢氣中分離出CO2的方法，所述燃燒廢氣通 過借助作為氧化劑的空氣在燃燒室中燃燒含碳燃料或者廢料而產(chǎn)生，在該方法中減少了或 可完全放棄煅燒爐對(duì)補(bǔ)充燃燒的需求和由此對(duì)氧的需求。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出從燃燒廢氣中分離出CO2的裝置，所述燃燒廢氣通過借助作為氧化劑的空氣在燃燒室中燃燒 含碳燃料或者廢料而產(chǎn)生。上述目的根據(jù)權(quán)利要求1的特征的方法以及根據(jù)權(quán)利要求11的特征的裝置得以 實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利具體實(shí)施方案由從屬權(quán)利要求獲知。 通過本發(fā)明的技術(shù)方案提供了從燃燒廢氣中分離出CO2的方法和裝置，所述廢氣 通過借助作為氧化劑的空氣在燃燒室中燃燒含碳燃料或者廢料而產(chǎn)生，這種方法或裝置具 有下述優(yōu)點(diǎn)-大大減少直至完全消除了用于運(yùn)行煅燒爐的補(bǔ)充燃燒需求和由此對(duì)氧的需求-通過減少或者消除對(duì)氧的需求，減少或者消除了用于制備氧的高能量消耗，并大 大減少了由于制備氧而出現(xiàn)的整個(gè)裝置的效率損失。本發(fā)明的一種有利具體實(shí)施方案設(shè)計(jì)，將經(jīng)加熱的且含有吸著劑的固體物料流 (F2)用作外熱源，并且在固體物料流(F2)進(jìn)入到碳酸化器中之前提取其所含熱量的一部 分。由此降低了在煅燒爐中的補(bǔ)充燃燒速率，并因此降低了對(duì)工業(yè)氧氣的需求。因此，用于 制備氧的能量消耗和由此效率損失降低。在本發(fā)明的有利具體實(shí)施方案中，將從煅燒爐流出的、經(jīng)加熱的且含有CO2的氣體 物料流(G2)用作外熱源，并且在其它的熱端處理(WSrmeseitigenBehandlimg)之前提取 其所含熱量的一部分。通過這種措施降低了煅燒爐中的補(bǔ)充燃燒速率，并由此降低了工業(yè) 氧氣的需求。因此減少了用于制備氧氣的能量消耗，并由此降低了效率損失。在本發(fā)明的有利具體實(shí)施方案中，將一種外部熱源用作外熱源，所述外部熱源的 溫度高于在碳酸化器中主導(dǎo)的工作溫度，并且提取所述外部熱源所含熱量的至少一部分。 如上文已經(jīng)所述的那樣，由此同樣降低了在所述煅燒爐中的補(bǔ)充燃燒率，并因此降低了對(duì) 工業(yè)氧氣的需求。因此，降低了用于制備氧氣的能量消耗并由此降低了效率損失。本發(fā)明的一個(gè)有利的具體實(shí)施方案設(shè)計(jì)，將天然材料或者合成材料用作吸著劑。 天然吸著劑可廉價(jià)地獲得，并且可毫無問題地清除或者繼續(xù)使用。合成材料可以具有較高 的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性。因此，降低了所需的循環(huán)量以及新鮮吸著劑的量。本發(fā)明的另一個(gè)有利的具體實(shí)施方案設(shè)計(jì)，將CaO用作吸著劑。石灰石形式的CaO 可廉價(jià)地獲得，并且可以毫無問題地進(jìn)行清除或者繼續(xù)使用。本發(fā)明的一個(gè)有利的具體實(shí)施方案設(shè)計(jì)，以交流換熱或者回流換熱方式進(jìn)行熱交 換。通過這種措施使得將常規(guī)的且可靠的熱交換器用于所需的熱交換成為可能。在本發(fā)明的有利的具體實(shí)施方案中，借助載熱介質(zhì)進(jìn)行熱轉(zhuǎn)移，所述載熱介質(zhì)具 有有利的熱力學(xué)性能。通過這種措施，需要的待循環(huán)的質(zhì)量流量更小，由此可以將泵功率保 持在低水平。同樣熱交換器的結(jié)構(gòu)尺寸、管道截面等更小。本發(fā)明的一個(gè)有利的具體實(shí)施方案設(shè)計(jì)，將氦或者鈉用作載熱介質(zhì)。這些載熱介 質(zhì)具有有利的熱力學(xué)性能與上文所述的優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明的符合目的的具體實(shí)施方案中，將化石燃料或生物質(zhì)或廢料或前述物質(zhì) 的混合物用于在煅燒爐中的補(bǔ)充燃燒。通過這種措施可以將燃料成本以及運(yùn)行成本保持在 低水平。以下將根據(jù)附圖和說明，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)解釋。
附圖顯示

圖1圖解地描述了用于從燃燒廢氣中分離出CO2的裝置或者在燃燒室(后燃燒) 下游的碳酸鹽-循環(huán)-系統(tǒng)(Carbonate Looping System)圖1圖解地顯示了用于從燃燒廢氣中分離出CO2的裝置或者碳酸鹽_循環(huán)_系統(tǒng) 2 (Carbonate Looping System)。在燃燒廢氣的流動(dòng)方向上布置在燃燒室1 (后燃燒)的下 游的碳酸鹽_循環(huán)_系統(tǒng)2包括具有分離器6以及熱交換器16的碳酸化器3，具有補(bǔ)充 燃燒5和分離器7的煅燒爐4，熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)8或熱交換器11，熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)9或一個(gè)熱交換器 12以及與在圖中沒有繪出的外部熱源連通的熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)10或者熱交換器13。此外，在分 離器6、7下游設(shè)計(jì)有熱交換器-設(shè)備17、18以用來冷卻氣體。將從燃燒室1排出的且含有CO2的燃燒廢氣Gl (所述廢氣通過借助作為氧化劑 的空氣在燃燒室1中燃燒含碳燃料或者廢料而產(chǎn)生)經(jīng)管道14和鼓風(fēng)機(jī)15輸送到碳酸 鹽-循環(huán)-系統(tǒng)2的碳酸化器3。為了分離出燃燒廢氣Gl中所含的大部分C02，使用吸著 劑CaO，即氧化鈣或者生石灰，并且使其在碳酸鹽_循環(huán)-系統(tǒng)2內(nèi)以循環(huán)方式運(yùn)行。將在 溫度T煅燒為900 950°C的煅燒爐4中產(chǎn)生或者再生的氧化鈣CaO，以該溫度借助管道23、 24從煅燒爐4輸送到碳酸化器3。在具有循環(huán)流化床的碳酸化器3中，吸著劑CaO在溫度T炭酸化器約650°C下與燃燒 廢氣Gl中所含的大部分CO2結(jié)合生成碳酸鈣CaC03。將從碳酸化器3排出的固體/氣體混 合物經(jīng)管道20輸送到分離器6，并在所述分離器6中從燃燒廢氣中分離出固體物質(zhì)。將減 少了 CO2的燃燒廢氣經(jīng)管道21、煙囪19或者類似物排入大氣，其中在排出到大氣中之前還 可以借助熱交換器17從減少了 CO2的燃燒廢氣中提取熱量。將主要含有碳酸鹽CaCO3、但 還含有灰分、CaSO4以及CaO的固體物質(zhì)以碳酸鹽-固體物料流Fl的形式經(jīng)管道22輸送到 煅燒爐4。在煅燒爐4中，將CaCO3在900 950°C的煅燒溫度Ts燒下焙燒或煅燒，并由此產(chǎn) 生固態(tài)產(chǎn)物和氣態(tài)產(chǎn)物。固態(tài)產(chǎn)物主要包括從CaCO3再生的CaO或者吸著劑，氣態(tài)產(chǎn)物主 要包含CO2和水。由于煅燒以吸熱反應(yīng)的形式進(jìn)行，必須將熱量引入到煅燒爐4中，以便提 供所需的煅燒溫度或反應(yīng)溫度1 貞。這通過在煅燒爐4中的補(bǔ)充燃燒5進(jìn)行，其中利用氧 化介質(zhì)或者氧化劑O2使煤燃燒，并且由此將熱量Qz引入到配備有循環(huán)的流化床的煅燒爐4 中。為了使得煅燒爐4內(nèi)產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物不被例如氮?dú)庀♂?，從而使得分離出CO2變得困 難，必須強(qiáng)制性地使用O2替代空氣作為氧化劑用于補(bǔ)充燃燒。使作為固態(tài)產(chǎn)物的再生的吸 著劑CaO以及主要含有CO2的氣態(tài)產(chǎn)物帶著約900°C的產(chǎn)物熱量從煅燒爐4排出，并且經(jīng) 管道23輸送到分離器7，并在分離器7中將吸著劑或者固態(tài)產(chǎn)物從氣體中分離。從分離器 7出發(fā)，將約900°C的熱吸著劑以固體物料流F2的形式經(jīng)管道24輸送到碳酸化器3。將約 900°C的熱且主要含有CO2的氣態(tài)產(chǎn)物以氣態(tài)物料流G2的形式從分離器7排出，并經(jīng)管道 25將其輸送到其它處理過程，其中可以將CO2例如冷卻、壓縮并運(yùn)送到儲(chǔ)存裝置中。例如可 以將熱交換器18用于冷卻。上述方法連續(xù)地進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明，部分或者完全替代借助補(bǔ)充燃燒5產(chǎn)生的熱量輸送Qz，該熱量輸送用 于在煅燒爐4內(nèi)維持煅燒溫度Tig^,其中從一個(gè)或多個(gè)熱源提取熱量，并通過借助熱交換器 11、12、13的間接的熱交換，或者通過借助熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)8、9、10的熱轉(zhuǎn)移，在含有碳酸鹽的碳 酸鹽_固體物料流Fl進(jìn)入到煅燒爐4之前或者在煅燒爐4內(nèi)將該熱量輸送給含有碳酸鹽的碳酸鹽-固體物料流F1。圖1示例性地顯示了從三個(gè)熱源并借助熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)8、9、10提 取熱量，其中熱量的一部分從含有吸著劑的并經(jīng)管道24引導(dǎo)的吸著劑-固體物料流F2提 取，熱量的另一部分從含有CO2的并經(jīng)管道25引導(dǎo)的氣態(tài)物料流G2提取，且熱量的再一部 分從未繪出的外部熱源提取。在此，所述外部熱源的溫度高于在碳酸化器3中主導(dǎo)的工作 溫度Tffiim^也可以僅使用所示熱源中的兩個(gè)或者一個(gè)來替代示例性描述的H個(gè)熱源，以 便部分或者完全地替代借助補(bǔ)充燃燒5產(chǎn)生的熱量輸送Qz，該熱量輸送用于在煅燒爐4內(nèi) 維持煅燒溫度1 貞。還可以用熱交換器11、12、13來替代熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)8、9、10，或者在一個(gè) 熱源上使用熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，并且在另一個(gè)熱源上使用熱交換器。例如可以將來自燃燒室1的 熱燃燒廢氣或未繪出的外部裝置的熱介質(zhì)用作外部熱源。通過根據(jù)本發(fā)明的來自一個(gè)或多個(gè)熱源并用于在煅燒爐4 內(nèi)維持煅燒溫度Ti^的 熱量輸送和由此部分或完全被替代的借助補(bǔ)充燃燒5的熱量輸送Qz，可以節(jié)省大部分或者 完全省去用于在補(bǔ)充燃燒5中燃燒煤的氧氣_或者O2需求(以工業(yè)氣體形式)。因此可大 大減少用于制備氧氣的能量消耗，和由此出現(xiàn)的所述裝置的效率損失。除了示例性地作為吸著劑所提到的CaO之外，還可以使用天然材料或合成材料， 它們?cè)谔妓峄?中進(jìn)行碳酸化時(shí)形成碳酸鹽。這些材料例如可以是白云石、石灰石或者 經(jīng)過預(yù)處理的天然吸著劑。為熱交換設(shè)計(jì)的熱交換器11、12、13可以在它們的功能方面以再生或者回收的方 式構(gòu)成。此外，為熱交換設(shè)計(jì)的熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)8、9、10具有載熱介質(zhì)，所述載熱介質(zhì)具有良好 熱力學(xué)特性，例如具有很高的熱容Cp。優(yōu)選將氦或者鈉用作載熱介質(zhì)。附圖標(biāo)記列表1燃燒室2 碳酸鹽-循環(huán)-系統(tǒng)(Carbonate looping system)3碳酸化器4煅燒爐5補(bǔ)充燃燒6分離器(固體)7分離器(固體)8熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)9熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)10熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)11熱交換器12熱交換器13熱交換器14 管道15鼓風(fēng)機(jī)16熱交換器17熱交換器18熱交換器19 煙囪
20 管道21 管 道22 管道23 管道24 管道25 管道
權(quán)利要求
從燃燒廢氣中分離出CO2的方法，所述燃燒廢氣通過在燃燒室內(nèi)借助作為氧化劑的空氣燃燒含碳的燃料或廢料而產(chǎn)生，其中所述方法包括以下步驟將含有CO2的且從燃燒室引出的燃燒廢氣流(G1)導(dǎo)入到具有至少一個(gè)碳酸化器和煅燒爐的碳酸鹽 循環(huán) 系統(tǒng)的碳酸化器中，在該系統(tǒng)中使能形成碳酸鹽的吸著劑以循環(huán)方式運(yùn)行，其中所述吸著劑在碳酸化器中與燃燒廢氣流(G1)中的CO2結(jié)合生成碳酸鹽，將該碳酸鹽作為碳酸鹽 固體物料流(F1)輸送到煅燒爐，并在熱量輸送(Qz)下借助利用氧氣作為氧化劑的補(bǔ)充燃燒在碳酸鹽特定的煅燒溫度(T煅燒)下焙燒，并在該過程中形成再生的吸著劑和主要含有CO2的氣體，其中將含有熱量的、再生的吸著劑作為吸著劑 固體物料流(F2)輸送到碳酸化器以用于將CO2碳酸化，并且將含有熱量的氣體作為氣體物料流(G2)輸送到其它處理過程，其特征在于，部分或者完全替代借助補(bǔ)充燃燒產(chǎn)生的用來維持煅燒溫度(T煅燒)的熱量輸送(Qz)，其中從一個(gè)或多個(gè)熱源提取熱量，并通過間接熱交換或者通過熱轉(zhuǎn)移，在碳酸鹽 固體物料流(F1)進(jìn)入到煅燒爐中之前或者在煅燒爐內(nèi)將該熱量輸送給碳酸鹽 固體物料流(F1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將經(jīng)加熱的吸著劑_固體物料流(F2)用 作熱源，并且在吸著劑-固體物料流(F2)進(jìn)入到所述碳酸化器之前提取其所含的熱量的一 部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將從煅燒爐下游的分離器流出的且經(jīng)加 熱的氣體物料流(G2)用作熱源，并且在其它熱端處理之前提取其所含的熱量的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將外部熱源用作熱源，所述外部熱源具有 比碳酸化器中主導(dǎo)的運(yùn)行溫度Osim^更高的溫度，并且提取所述外部熱源含有的熱量的 至少一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用天然或者合成材料作為吸著劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用CaO作為吸著劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以再生或回收方式進(jìn)行熱交換。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，借助具有有利的熱力學(xué)性能的載熱介質(zhì) 進(jìn)行熱轉(zhuǎn)移。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，使用氦或者鈉作為載熱介質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將化石燃料、生物質(zhì)、廢料或者前述物質(zhì) 的混合物用于煅燒爐內(nèi)的補(bǔ)充燃燒。
11.用于從燃燒廢氣中分離出CO2的裝置，所述燃燒廢氣通過在燃燒室(1)中借助作為 氧化劑的空氣燃燒含碳的燃料或廢料而產(chǎn)生，該裝置包括在燃燒廢氣(Gl)的流動(dòng)方向上看在燃燒室(1)下游布置的、且具有至少一個(gè)碳酸化器 (3)以及煅燒爐(4)的碳酸鹽-循環(huán)-系統(tǒng)(2)，在所述碳酸鹽-循環(huán)-系統(tǒng)(2)中使能形 成碳酸鹽的吸著劑以循環(huán)方式運(yùn)行，其中所述吸著劑在碳酸化器(3)中與燃燒廢氣流(Gl) 中的CO2結(jié)合生成碳酸鹽，將該碳酸鹽作為碳酸鹽-固體物料流(Fl)輸送到煅燒爐(4)，并 在熱量輸送(Qz)下借助利用氧氣作為氧化劑的補(bǔ)充燃燒(5)在碳酸鹽特定的煅燒溫度(Tis 下焙燒，并在該過程中形成再生的吸著劑和主要含有CO2的氣體，其中將含有熱量的、再 生的吸著劑以吸著劑-固體物料流(F2)的形式輸送到碳酸化器(3)以用于將CO2碳酸化， 并且將含有熱量的氣體作為氣體物料流(G2)輸送到其它處理過程，用于從一個(gè)或者多個(gè)熱源分別提取熱量，并且在碳酸鹽-固體物料流(Fl)進(jìn)入到煅燒 爐(4)之前或者在煅燒爐(4)內(nèi)將該熱量輸送到碳酸鹽-固體物料流(Fl)中的至少一個(gè)熱 轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(8，9，10)或者為間接熱交換而構(gòu)造的熱交換器(11，12，13)，其中所述熱量輸送 部分或者完全替代借助補(bǔ)充燃燒(5)所產(chǎn)生的用于維持煅燒溫度(T·。的熱量輸送(Qz)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，在管道(24)中輸送的吸著劑-固體物 料流(F2)可用作熱源。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，在管道(25)中輸送的氣體物料流(G2) 可用作熱源。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，外部熱源可用作熱源。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，熱交換器(11，12，13)是以交流換熱 型_或者回流換熱型_熱交換器的形式構(gòu)造的。
全文摘要
本發(fā)明涉及從燃燒廢氣中分離出CO2的方法，所述燃燒廢氣通過在燃燒室內(nèi)借助作為氧化劑的空氣燃燒含碳的燃料或廢料而產(chǎn)生，其中所述方法包括以下步驟。
文檔編號(hào)B01D53/62GK101987277SQ20091025307
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日
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