專(zhuān)利名稱(chēng)：CO₂去除過(guò)程中借助于半透膜的痕量組分去除的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過(guò)使氣體流與循環(huán)的含氨溶液流接觸，使得二氧化碳在所述含氨溶液中被吸收而從氣體流去除二氧化碳(CO2)的系統(tǒng)和方法。更具體地講，本發(fā)明涉及用于從氣體流去除CO2的基于冷凍氨的工藝和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在諸如煤、石油、泥炭、廢棄物等的燃料在諸如與用于向發(fā)電設(shè)備提供蒸汽的鍋爐系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的燃燒設(shè)備的燃燒設(shè)備中的燃燒過(guò)程中，生成熱過(guò)程氣體(或煙氣)。這樣的煙氣除了其他以外將常常包含二氧化碳(CO2)。將二氧化碳釋放到大氣中的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)已廣為人知，并且已導(dǎo)致適于從在上述燃料的燃燒中生成的熱過(guò)程氣體去除二氧化碳的工藝的發(fā)展。此前公開(kāi)的一種這樣的系統(tǒng)和工藝是用于從燃燒后煙氣流中去除CO2的單級(jí)冷凍氨基系統(tǒng)和工藝。已知的冷凍氨基系統(tǒng)和工藝(CAP)提供了用于從諸如例如燃燒后煙氣流的氣體流中捕獲和去除CO2的相對(duì)低成本的手段。這樣的系統(tǒng)和工藝的一個(gè)示例此前已在名稱(chēng)為“Ultra Cleaning of Combustion Gas Including the Removal of CO2，，的公開(kāi)的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)WO 2006/022885中公開(kāi)。WO 2006/022885公開(kāi)了一種用于從煙氣去除二氧化碳的方法，該方法包括在CO2吸收器中借助于含氨溶液或漿液從冷卻至低于環(huán)境溫度的溫度(優(yōu)選地在0°C和20°C之間，更優(yōu)選地在0°C和10°C之間)的煙氣捕獲二氧化碳。CO2被處于(TC和20°C之間、更優(yōu)選地在0°C和10°C之間的溫度下的吸收器中的含氨溶液吸收，之后，含氨溶液在高溫高壓下在再生器中再生，以允許CO2作為高純度的氣體二氧化碳逸出含氨溶液。在WO 2006/022885中描述的工藝中，再生的含氨溶液可在CO2吸收過(guò)程中被重復(fù)使用，從而形成含氨溶液的循環(huán)流。如WO 2006/0228 85中描述的冷凍氨工藝中的問(wèn)題在于，例如作為引入的煙氣流中的水分進(jìn)入含氨溶液循環(huán)流的水積聚在含氨溶液中。這種積聚的水用來(lái)稀釋含氨溶液，從而降低含氨溶液從煙氣流“捕獲” CO2的能力。此外，如WO 2006/022885中描述的冷凍氨工藝中的另一個(gè)問(wèn)題在于，在冷凍氨工藝中捕獲的痕量組分(即，除二氧化碳、氨水和相應(yīng)的離子/鹽之外的組分)可積聚。此前，循環(huán)含氨溶液中的水和痕量組分的量已通過(guò)例如去除“流出物(bleed)流”中的含氨溶液的一部分和通過(guò)以添加新鮮氨方式補(bǔ)償含氨溶液的稀釋而調(diào)整。“流出物流”中的含氨溶液必須接著被處置，并且必須提供新鮮氨，這導(dǎo)致增加的成本和環(huán)境問(wèn)題。另一個(gè)解決方案是包括蒸發(fā)器(以下稱(chēng)為附屬汽提塔(stripper))，其蒸發(fā)事實(shí)上所有的二氧化碳、大部分氨和顯著量的水。蒸發(fā)的化合物在過(guò)程中重復(fù)使用。附屬汽提塔需要非常大的熱輸入以蒸發(fā)水，例如，為了使痕量組分的量翻倍，必須蒸發(fā)大約50%的水，這使附屬汽提塔成為主要的熱用戶(hù)。此外，它需要冷卻塔頂(overhead)流。根據(jù)附屬汽提塔的操作壓力，該熱量可(部分地)在較低能級(jí)下重復(fù)使用或者必須通過(guò)外部冷卻排掉。由于介質(zhì)和尤其是在增加的濃度下的痕量組分表現(xiàn)出的腐蝕性質(zhì)(這被附屬汽提塔操作時(shí)所處的高溫加劇)，高等級(jí)不銹鋼或其它耐腐蝕構(gòu)造材料需要用于附屬汽提塔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是減少或防止用于從氣體流去除二氧化碳(CO2)的基于冷凍氨的系統(tǒng)和工藝的含氨溶液中痕量組分的積聚。本發(fā)明的另一個(gè)目的是在對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有增加的能量要求或能量要求較低的情況下減少或防止基于冷凍氨的系統(tǒng)和工藝的含氨溶液中痕量組分的積聚。例如用于從由功率設(shè)備的鍋爐單元所產(chǎn)生的氣體去除CO2的工業(yè)氣體凈化系統(tǒng)的構(gòu)造和操作與高的投資和運(yùn)營(yíng)成本相關(guān)聯(lián)。本文所述的方面基于本發(fā)明的以下認(rèn)識(shí):在用于從煙氣去除CO2的冷凍氨工藝中，通過(guò)使用膜分離步驟可實(shí)現(xiàn)顯著的工藝改進(jìn)和運(yùn)營(yíng)成本降低。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，膜分離步驟可有利地代替用于從水和較輕型鍋爐分離痕量組分的常規(guī)地使用的附屬汽提塔或作為其補(bǔ)充而使用。根據(jù)本文所示的方面，提供了一種用于通過(guò)使氣體流與循環(huán)含氨溶液流接觸使得CO2被吸收在所述含氨溶液中而從氣體流去除二氧化碳(CO2)的系統(tǒng)，
其特征在于，該系統(tǒng)包括膜凈化器，所述膜凈化器具有第一和第二隔室，其中所述第一和第二隔室由半透膜分離。含氨溶液通 常是含水的，并且可由例如水、氨、二氧化碳以及它們的衍生物構(gòu)成。此外，含氨溶液在實(shí)踐中還將包含在CO2去除工藝期間在含氨溶液中引入和積聚的不同量的痕量組分。含氨溶液中的痕量組分可大體上包括與CO2去除工藝不直接相關(guān)的所有組分，即，除了水、氨、二氧化碳以及它們的衍生物之外的所有組分?？纱嬖谟诤比芤褐械陌焙投趸嫉难苌锏氖纠ㄤ@離子、碳酸氫鹽離子、碳酸鹽離子和/或氨基甲酸鹽離子。本公開(kāi)中的痕量組分的示例包括但不限于金屬離子、氯、硫酸鹽和/或硝酸鹽。在一個(gè)實(shí)施例中，半透膜被選擇為可滲透水和/或氨和/或銨離子且不可滲透金屬離子、氯化物、硫酸鹽和/或硝酸鹽。膜凈化器的第一隔室可構(gòu)造成從系統(tǒng)接納循環(huán)溶液的至少一部分，使得溶液與半透膜接觸。膜凈化器的第二隔室可構(gòu)造成通過(guò)半透膜接納來(lái)自第一隔室的循環(huán)溶液的滲透物。膜凈化器的第二隔室可有利地構(gòu)造成將循環(huán)溶液的滲透物返回至系統(tǒng)，例如返回至從其中接納滲透物的循環(huán)溶液。相比先前用來(lái)控制痕量組分和/或水的量的流出物流或附屬汽提塔，如本文所述的膜凈化器的使用具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，膜凈化器的能量要求非常低并且主要與將進(jìn)料流泵送至凈化器有關(guān)。避免了間歇?dú)怏w產(chǎn)物流，例如由附屬汽提塔產(chǎn)生的那些。由于不需要加熱，不需要熱聯(lián)合(integration)來(lái)使運(yùn)營(yíng)更經(jīng)濟(jì)。沒(méi)有公用系統(tǒng)(蒸汽、冷卻等)的獨(dú)立操作是可能的。此外，膜凈化器允許在諸如汽提塔底部(bottom)、水洗底部和貧溶液的不同進(jìn)料溶液之間的切換。相比附屬汽提塔，膜凈化器需要顯著更少的設(shè)備和公用系統(tǒng)連接。膜凈化器具有占有面積減少和更低的投資成本的潛力。例如，用于工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)膜(在約1X0.1m的卷模塊中的7.6m2的膜面積)將能夠凈化約3001/hr。由于低操作溫度(可能為環(huán)境溫度)，與例如在汽提塔中的更高溫度相關(guān)聯(lián)的腐蝕問(wèn)題顯著減少。此外，例如由硫酸鹽分解形成的硫化合物的不期望汽提是不可能的。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括構(gòu)造成使用含氨溶液從氣體流吸收CO2的捕獲分段和構(gòu)造成從含氨溶液去除CO2的再生分段。捕獲分段可包括CO2吸收器，其構(gòu)造成接納含CO2的氣體流并使該氣體流與含氨溶液流接觸以形成富CO2的含氨溶液流，并且再生分段可包括再生器，其構(gòu)造成從CO2吸收器接納富CO2的含氨溶液流，并且使CO2與含氨溶液分離以形成貧CO2的含氨溶液流，并且將所述貧CO2的含氨溶液流返回至CO2吸收器。添加到或形成于含氨溶液中的一些組分不通過(guò)再生器或不通過(guò)在CO2吸收器中的蒸發(fā)去除，并且可在溶液中積聚。這樣的組分在本文中被稱(chēng)為“痕量組分”。這樣的痕量組分的示例包括但不限于金屬離子、氯、硫酸鹽和/或硝酸鹽。痕量組分的積聚可引起各種問(wèn)題，包括但不限于增加的腐蝕、結(jié)垢和沉積物以及含氨溶液的失活。在各種實(shí)施例中，冷凍氨系統(tǒng)和工藝也可包括“水洗”步驟，該步驟對(duì)于去除離開(kāi)CO2吸收器的氣體流中存在的氨和其它痕量組分有效。水洗步驟通常包括使離開(kāi)CO2吸收器的氣體流與通常為水或稀釋水溶液的洗滌溶液在合適的吸收器容器中接觸。這樣的水洗分段是現(xiàn)有技術(shù)公知的。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)包括構(gòu)造成使用洗滌溶液從氣體流吸收氨的氨吸收器和構(gòu)造成從洗滌溶液去除氨的氨汽提塔。氨吸收器可構(gòu)造成從CO2吸收器接納消耗掉CO2的氣體流并且使氣體流與洗滌溶液流接觸，使得氨被吸收在所述洗滌溶液流中，并且氨汽提塔可構(gòu)造成從氨吸收器接納包含吸收的氨的洗滌溶液并從洗滌溶液去除氨。當(dāng)氨已在氨汽提塔中被去除時(shí)，可將洗滌溶液送回以便在氨吸收器中重復(fù)使用。添加到或形成于洗滌溶液中的一些組分不通過(guò)氨汽提塔或不通過(guò)在氨吸收器中的蒸發(fā)去除，并且可在溶液中積聚。這樣的組分在本文中被稱(chēng)為“痕量組分”。這樣的痕量組分的示例包括但不限于金屬離子、氯、硫酸鹽和/或硝酸鹽。痕量組分的積聚可引起各種問(wèn)題，包括但不限于增加的腐蝕、結(jié)垢和沉積物。膜凈化器可有利地在C O2去除系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)還包括用于從已在CO2吸收器中處理的氣體流去除殘余氨的水洗步驟。在膜凈化器中凈化的循環(huán)溶液可選自捕獲或再生分段的循環(huán)含氨溶液和水洗分段的循環(huán)洗滌溶液。在一個(gè)實(shí)施例中，循環(huán)溶液為捕獲或再生分段的循環(huán)含氨溶液。在另一個(gè)實(shí)施例中，循環(huán)溶液為循環(huán)洗滌溶液。根據(jù)本文中所示的其它方面，提供了一種用于通過(guò)使氣體流與循環(huán)含氨溶液流接觸使得CO2在所述含氨溶液被吸收而從氣體流去除二氧化碳(CO2)的方法，所述方法包括使用半透膜將痕量組分從循環(huán)溶液分離的步驟。根據(jù)本文中所示方面的方法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于針對(duì)上述系統(tǒng)闡述的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，用于去除二氧化碳的方法包括:
a)使含氨溶液流與含CO2的氣體流接觸以形成富CO2的含氨溶液流；
b)從步驟a)的富CO2的含氨溶液流去除CO2中的至少一部分，以形成貧CO2的含氨溶液流；
c)將步驟b)中形成的貧CO2的含氨溶液中的至少一部分再循環(huán)至步驟a)，并且由以下步驟來(lái)表征:
d)使用半透膜將痕量組分從循環(huán)含氨溶液分離。在一個(gè)實(shí)施例中，還包括水洗步驟，該方法還可包括:
al)使洗滌溶液流與含氨的氣體流接觸，以形成富氨的洗滌溶液流；
bl)從步驟al)的富氨的洗滌溶液流去除氨中的至少一部分，以形成貧氨的洗滌溶液流；以及
Cl)將步驟bl)中形成的貧氨的洗滌溶液中的至少一部分再循環(huán)至步驟al)，并且由以下步驟來(lái)表征:
dl)使用半透膜將痕量組分從循環(huán)洗滌溶液分離。根據(jù)本文中所示的其它方面，提供了具有第一和第二隔室的膜凈化器在用于使用循環(huán)含氨溶液去除二氧化碳(CO2)的方法或系統(tǒng)中用于減少循環(huán)溶液流的痕量組分和/或水含量的用途，其中所述第一和第二隔室由半透膜分離。使用膜凈化器減少根據(jù)本文所示方面的系統(tǒng)或工藝中的水和/或痕量組分含量的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于針對(duì)上述系統(tǒng)和方法闡述的優(yōu)點(diǎn)。在上述方面中的任一個(gè)的實(shí)施例中，用于通過(guò)使氣體流接觸循環(huán)含氨溶液使得CO2在所述含氨溶液中被吸收而從氣體流去除CO2的所述方法或系統(tǒng)可以是用于從氣體流去除CO2的基于冷凍氨的方法或系統(tǒng)。WO 2006/022885公開(kāi)了用于從煙氣去除二氧化碳的一種這樣的冷凍氨方法和系統(tǒng)，該方法包括在CO2吸收器中借助于含氨溶液或漿液從冷卻至低于環(huán)境溫度的溫度(優(yōu)選在0°C和20°C之間，更優(yōu)選地在0°C和10°C之間)的煙氣捕獲二氧化碳。CO2被處于(TC和20°C之間、更優(yōu)選地在0°C和10°C之間的溫度下的吸收器中的含氨溶液吸收，之后，含氨溶液在高溫高壓下在再生器中再生，以允許CO2作為高純度的氣體二氧化碳逸出含氨溶液。本發(fā)明的另外的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將從說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中顯而易見(jiàn)。以上描述的特征和其它特征將通過(guò)下列附圖和詳細(xì)描述舉例說(shuō)明。


參照附圖可更好地理解本發(fā)明的許多方面。附圖為示例性實(shí)施例，其中類(lèi)似的元件編號(hào)類(lèi)似。圖1是大體上描繪氣體清潔系統(tǒng)的示例的示意圖。圖2是大體上描繪膜凈化器的示意圖。圖3a和圖3b大體上描繪包括膜凈化器的氣體凈化系統(tǒng)的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式此處將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。CO2去除系統(tǒng)可大體上形成用于清潔由例如在功率發(fā)生設(shè)備的蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)中使用的鍋爐系統(tǒng)的燃燒室排放的煙氣的氣體清潔系統(tǒng)的一部分。氣體清潔系統(tǒng)可包括除塵系統(tǒng)和構(gòu)造成用于去除來(lái)自煙氣的顆粒和其它污染物的滌氣器(scrubber)系統(tǒng)。CO2去除系統(tǒng)構(gòu)造成在將清潔的煙氣流排放至排氣煙囪(或備選地額外的處理)之前從煙氣流FG去除C02。CO2去除系統(tǒng)還構(gòu)造成輸出從煙氣流FG去除的C02。參照?qǐng)D1，0)2去除系統(tǒng)I包括用于從煙氣流FG捕獲和去除CO2的捕獲分段2和用于再生用來(lái)從煙氣流去除CO2的含氨溶液的再生分段3。在該實(shí)施例中，CO2捕獲分段2為基于冷凍氨的CO2捕獲分段。在用于CO2去除的基于冷凍氨的系統(tǒng)/方法中， 提供了 CO2吸收器4，其中吸收劑含氨溶液(含氨溶液)與含CO2的煙氣流(FG)接觸。已知的基于冷凍氨的CO2去除方法和系統(tǒng)的示例在WO 2006/022885中有所描述。WO 2006/022885公開(kāi)了一種用于從煙氣去除二氧化碳的方法，該方法包括在CO2吸收器中借助于含氨溶液或漿液從冷卻至低于環(huán)境溫度的溫度(優(yōu)選在0°C和20°C之間，更優(yōu)選地在0°C和10°C之間)的煙氣捕獲二氧化碳。CO2被處于0°C和20°C之間、更優(yōu)選地在0°C和10°C之間的溫度下的吸收器中的含氨溶液吸收，之后，含氨溶液在高溫高壓下在再生器中再生，以允許CO2作為高純度的氣體二氧化碳逸出含氨溶液。含氨溶液通常是含水的，并且可由例如水、氨、二氧化碳以及它們的衍生物構(gòu)成?？纱嬖谟诤比芤褐械陌焙投趸嫉难苌锏氖纠ㄤ@離子、碳酸氫根離子、碳酸根離子和/或氨基甲酸根離子。含氨溶液還可包括用于提高由含氨溶液對(duì)CO2的捕獲中涉及的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的促進(jìn)劑。例如，促進(jìn)劑可包括胺(例如哌嗪)或酶(例如，碳酸酐酶或其類(lèi)似物)，其可以呈溶液形式或固定在固體或半固體表面上。CO2吸收器4構(gòu)造成接納源自例如燃燒化石燃料的鍋爐(未示出)的燃燒室的煙氣流(FG)。它還構(gòu)造成接納來(lái)自再生器5的貧含氨溶液源。貧含氨溶液經(jīng)由液體分配系統(tǒng)引入CO2吸收器4，同時(shí)煙氣流FG還經(jīng)由煙氣入口被CO2吸收器接納。含氨溶液經(jīng)由氣-液接觸裝置(以下稱(chēng)為質(zhì)量傳遞裝置MTD)與煙氣流接觸，氣-液接觸裝置用于質(zhì)量傳遞并且位于CO2吸收器4中且在煙氣流從其進(jìn)口經(jīng)由入口行進(jìn)至CO2吸收器出口的路徑內(nèi)。MTD可以是例如一個(gè)或多個(gè)公知的結(jié)構(gòu)化或隨機(jī)的填充材料或它們的組合?！┰贑O2吸收器4中與煙氣流接觸,含氨溶液就用來(lái)從煙氣流吸收CO2,從而使含氨溶液“富含”CO2 (富溶液)。富含氨溶液繼續(xù)向下流過(guò)MTD，且然后收集在CO2吸收器的底部中。CO2吸收器中收集的富溶液可被冷卻和經(jīng)由液體導(dǎo)管6和液體分配系統(tǒng)直接再循環(huán)至CO2吸收器4的頂部以用于從氣體流捕獲更多的C 02，從而導(dǎo)致具有更高濃度的被吸收CO2的富含氨溶液。CO2吸收器中收集的富溶液中的至少一部分被送至再生分段3以用于再生。為了將富含氨溶液轉(zhuǎn)化為適于在CO2吸收器中重復(fù)使用的“貧”含氨溶液，富含氨溶液中的至少一部分在包括再生器5的再生分段3中被再生。在該再生器中，含氨溶液被處理以釋放從煙氣流吸收的C02。從含氨溶液釋放的CO2可接著被輸出以?xún)?chǔ)存或用于其它預(yù)定的用途/目的。一旦從含氨溶液中釋放CO2，含氨溶液就被稱(chēng)作是“貧”的。貧含氨溶液然后再次準(zhǔn)備從煙氣流吸收CO2,并且可經(jīng)由液體導(dǎo)管7被導(dǎo)向回CO2吸收器4。再生器5構(gòu)造成經(jīng)由液體導(dǎo)管8接納來(lái)自捕獲分段的富溶液進(jìn)料，并且在CO2已從富溶液分離后將貧溶液進(jìn)料返回至捕獲分段。分離的CO2經(jīng)由氣體出口離開(kāi)再生器。再生器還可包括質(zhì)量傳遞裝置(MTD)，該裝置有利于在進(jìn)料至再生器的富溶液與例如借助于重沸器在再生器中產(chǎn)生的蒸氣之間的熱量和質(zhì)量傳遞。在再生過(guò)程期間，富含氨溶液被加壓和加熱，使得溶液中包含的CO2與含氨溶液分離。再生過(guò)程通常包括例如使用高壓泵9將再生器中的壓力升高至2-150巴、優(yōu)選地10-30巴的范圍以及將含氨溶液的溫度升高至50-200°C、優(yōu)選地100-150°C的范圍。在這些條件下，吸收的CO2幾乎全部從含氨溶液中釋放為氣相。氣相也可包括可被濃縮和返回至捕獲分段以用于捕獲更多CO2的氨的一小部分(氨泄漏)。貧含氨溶液被收集在再生器5的底部中。熱交換器10可構(gòu)造成使用來(lái)自再生器5的熱貧含氨溶液來(lái)加熱來(lái)自CO2吸收器4的富含氨溶液。如上所述，含氨溶液在捕獲分段2和再生分段3之間流通以便形成循環(huán)。循環(huán)溶液的組成可在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中變化。隨著含氨溶液從氣體流吸收co2，CO2及其衍生物的濃度在CO2吸收器中增加，并且隨著CO2從含氨溶液中分離，該濃度在再生器中再次減小。隨著一些氨被蒸發(fā)掉和被氣體流從CO2吸收器帶走，氨的濃度可減小。添加到或形成于含氨溶液中的一些組分不通過(guò)再生器或不通過(guò)在CO2吸收器中的蒸發(fā)去除，并且可在溶液中積聚。這樣的組分在本文中被稱(chēng)為“痕量組分”。這樣的痕量組分的示例包括但不限于金屬離子、氯、硫酸鹽和/或硝酸鹽。痕量組分的積聚可引起各種問(wèn)題，包括但不限于增加的腐蝕、結(jié)垢和沉積物以及含氨溶液的鈍化。另外，隨氣體流進(jìn)入系統(tǒng)的水蒸氣也可積聚在含氨溶液中。為了保持含氨溶液的效力，有必要從含氨溶液去除本來(lái)將積聚在系統(tǒng)中并降低含氨溶液的吸收能力的水。此前，循環(huán)含氨溶液中的水和痕量組分的量通常已通過(guò)去除“流出物流”中的含氨溶液的一部分和通過(guò)以添加新鮮氨方式補(bǔ)償含氨溶液的稀釋而調(diào)整?！傲鞒鑫锪鳌敝械暮比芤罕仨毥又惶幹茫⑶冶仨毺峁┬迈r的氨，這導(dǎo)致增加的成本。調(diào)整循環(huán)含氨溶液中水的量的此前的嘗試還包括引入用來(lái)分離氨與水并從系統(tǒng)中去除水的汽提塔。雖然可行，但汽提塔可增加系統(tǒng)的總的能量要求和投資成本。在吸收CO2 之后，來(lái)自含氨溶液的痕量的氨保留在氣體流中。這些污染物必須在單獨(dú)的工序中從氣體流中去除。CO2去除系統(tǒng)I可因此可選地還包括水洗分段，其用于去除離開(kāi)CO2吸收器4的氣體流中存在的氨。圖1中示意性地示出了水洗分段的示例。水洗分段11通常包括吸收器12 (本文稱(chēng)之為氨吸收器)和汽提塔13 (本文稱(chēng)之為氨汽提塔)。在水洗工藝期間，洗滌溶液流在氨吸收器12和氨汽提塔13之間循環(huán)。水洗步驟的洗滌溶液可由水或水溶液組成。洗滌溶液應(yīng)適于從氣體流吸收氨并且應(yīng)優(yōu)選地不包含或包含低濃度的氨或銨。洗滌溶液可優(yōu)選地具有中性至微酸性的pH值。此夕卜，洗滌溶液在實(shí)踐中還將包含在氨去除工藝期間在洗滌溶液中引入和積聚的不同量的痕量組分。洗滌溶液中的痕量組分可大體上包括與氨去除工藝不直接相關(guān)的所有組分，即，除了水、氨、二氧化碳以及它們的衍生物之外的所有組分?？纱嬖谟诤比芤褐械陌焙投趸嫉难苌锏氖纠ㄤ@離子、碳酸氫根離子、碳酸根離子和/或氨基甲酸根離子。本公開(kāi)中的痕量組分的示例包括但不限于金屬離子、氯、硫酸鹽和/或硝酸鹽。氨和銨的濃度在洗滌溶液中通常比在含氨溶液中顯著低。在氨吸收器12中，來(lái)自CO2吸收器的消耗掉CO2的氣體流與洗滌溶液流接觸，使得氨在所述洗滌溶液流中被吸收。在氨吸收器中使用的洗滌溶液中的至少一部分被抽出并經(jīng)由液體導(dǎo)管14進(jìn)料至氨汽提塔13。在氨汽提塔13中，包含氨的氣相與洗滌溶液分離并且經(jīng)由氣體導(dǎo)管15從水洗分段中去除。除了氨之外，來(lái)自氨汽提塔13的氣相還可包含水蒸氣、CO2和其它低沸點(diǎn)污染物。包含氨的分離的氣相可返回至CO2去除系統(tǒng)的含氨溶液,例如返回至再生器5以最小化從系統(tǒng)的氨損耗。氨已從其中分離的洗滌溶液被經(jīng)由液體導(dǎo)管16再循環(huán)至氨吸收器12以用于從氣體流中捕獲更多的氨。洗滌溶液在氨吸收器12和氨汽提塔13之間流通以便形成循環(huán)。循環(huán)洗滌溶液的組成可在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中變化。隨著洗滌溶液從氣體流中吸收氨，氨及其衍生物的濃度在氨吸收器12中增加，并且隨著氨從洗滌溶液中被分離，該濃度在氨汽提塔13中再次減小。添加到或形成于洗滌溶液中的一些組分不通過(guò)氨汽提塔去除，并且可在溶液中積聚。這樣的組分在本文中被稱(chēng)為“痕量組分”。這樣的痕量組分的示例包括但不限于金屬離子、氯、硫酸鹽和/或硝酸鹽。痕量組分的積聚可引起各種問(wèn)題，包括但不限于增加的腐蝕、結(jié)垢和沉積物。如上所述，在CO2去除系統(tǒng)中的循環(huán)溶液流中的痕量組分和/或水的積聚存在問(wèn)題。根據(jù)本公開(kāi)，CO2去除系統(tǒng)還包括膜凈化器，其用于從系統(tǒng)中的循環(huán)溶液中去除痕量組分和/或水。圖2中示意性地描繪了膜凈化器。膜凈化器17通?？砂ǖ谝桓羰?8和第二隔室19，其中所述第一和第二隔室由半透膜20分離。這樣的膜凈化器例如在水凈化和水脫鹽的領(lǐng)域中被廣泛采用。膜凈化器可例如被構(gòu)造用于交叉流或閉塞端操作中，但通常優(yōu)選交叉流構(gòu)型，因?yàn)樵摌?gòu)型允許凈化器的連續(xù)操作?？缮藤?gòu)獲得用于各種用途的各種各樣的膜凈化器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)例如所需的選擇性、流量和PH以及溫度條件為具體應(yīng)用選擇合適的膜凈化器。膜凈化器可布置成與CO2去除系統(tǒng)的循環(huán)溶液液體連接，使得包含痕量組分的溶液被運(yùn)送至第一隔室18并由其接納，并且使得包含減少量的痕量組分的凈化的溶液被返回至CO2去除系統(tǒng)的循環(huán)溶液。溶液可例如借助于CO2去除系統(tǒng)的內(nèi)部壓力被動(dòng)地或者例如借助于泵主動(dòng)地供應(yīng)至膜凈化器。被膜凈化器接納的循環(huán)溶液的量可根據(jù)膜凈化器的容量和具體CO2去除系統(tǒng)中痕量組分和/或水去除的需求而大范圍地變化。也稱(chēng)為選擇性滲透膜、部分滲透膜或差異性滲透膜的半透膜是一種將允許某些分子或離子通過(guò)擴(kuò)散而穿過(guò)它的膜。通過(guò)速率取決于任一側(cè)上的分子或溶質(zhì)的壓力、濃度和溫度以及膜對(duì)每種溶質(zhì)的 滲透率。根據(jù)膜和溶質(zhì)，滲透率可取決于溶質(zhì)粒度(size)、溶解度、性質(zhì)或化學(xué)性。如何將膜構(gòu)造成能選擇其滲透率將決定速率和滲透率。半透膜可以是合成的并可包括有機(jī)或無(wú)機(jī)材料，包括諸如金屬或陶瓷、同質(zhì)薄膜(聚合物)、異質(zhì)固體(聚合物混合物、混合玻璃)的固體和液體。在分離工業(yè)中商業(yè)上使用最多的合成膜由聚合結(jié)構(gòu)制成。膜合成中最常見(jiàn)的聚合物為醋酸纖維素、硝酸鹽、以及，酯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰亞胺、聚乙烯和聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯。在反滲透中使用的膜常常由聚酰亞胺或聚酰胺制成，選擇這些材料主要是由于其對(duì)水的滲透性和對(duì)包括鹽離子和不能被過(guò)濾的其它分子的各種溶解雜質(zhì)的相對(duì)不可滲透性。已發(fā)現(xiàn)聚酰胺和聚酰亞胺基膜可用于膜凈化器中以根據(jù)本文中所述的各種方面使用。半透膜可以以薄膜復(fù)合膜的形式提供。薄膜復(fù)合膜通常為兩層或更多層材料的薄膜。在一個(gè)實(shí)施例中，半透膜包含聚酰胺或聚酰亞胺。在一個(gè)實(shí)施例中，半透膜為薄膜復(fù)合膜。在一個(gè)更具體的實(shí)施例中，半透膜為聚酰胺或聚酰亞胺基薄膜復(fù)合膜。可提及的適用于本文所述方面的半透膜的具體示例為由Dow Chemical Company提供的商標(biāo)為FILMTEC(TM)的一系列膜。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)半透膜尤其適用于包含氨或銨的水溶液，因?yàn)榭蓾B透水的膜常常也呈現(xiàn)出對(duì)氨和/或銨的滲透性。因此，本文所述系統(tǒng)的膜凈化器允許從系統(tǒng)中去除積聚的痕量組分，同時(shí)最小化氨從系統(tǒng)的損失。
膜凈化器通常包括第一和第二隔室，其中所述第一和第二隔室由半透膜分離。第一隔室可構(gòu)造成從系統(tǒng)接納溶液并使溶液與半透膜接觸。膜凈化器的第二隔室構(gòu)造成通過(guò)半透膜接納來(lái)自第一隔室的溶液的滲透物。第一隔室中的所得溶液被稱(chēng)為滲余物，第二隔室中的所得溶液被稱(chēng)為滲透物。滲透物可有利地在冷凍氨工藝中重復(fù)使用。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，膜凈化器的第二隔室還構(gòu)造成將滲透物返回至從中接納滲透物的循環(huán)溶液流。其中雜質(zhì)已濃縮的滲余物通常從系統(tǒng)中被去除和丟棄。然而，根據(jù)滲余物的實(shí)際組成，可考慮進(jìn)一步的處理。例如，根據(jù)例如硫酸鹽和氯離子的濃度可需要通過(guò)注堿或通過(guò)在工藝中的重復(fù)使用例如利用氨的中和作用。備選地，滲余物可在對(duì)雜質(zhì)較不敏感的系統(tǒng)的部分中被重復(fù)使用。在一些實(shí)施例中，膜凈化器還可包括再循環(huán)回路，其構(gòu)造成將離開(kāi)第一隔室的滲余物的一部分返回并與進(jìn)入第一隔室的溶液結(jié)合以用于在膜凈化器中的額外處理。這樣的再循環(huán)回路可包括連接第一隔室的出口與第一隔室的入口的液體導(dǎo)管以及用于控制將被再循環(huán)的滲余物的量的流量調(diào)節(jié)裝置。在圖3a中示意性地描繪的一個(gè)實(shí)施例中，膜凈化器17在系統(tǒng)的CO2捕獲分段2中被實(shí)現(xiàn)。在該實(shí)施例中，膜凈化器構(gòu)造成接納在CO2吸收器4和再生器5之間循環(huán)的含氨溶液的至少一部分。含氨溶液可以是經(jīng)由液體導(dǎo)管7a從液體導(dǎo)管7接納的“貧”含氨溶液。膜凈化器17構(gòu)造成接納進(jìn)入第一隔室18的溶液，使得溶液與半透膜20接觸。半透膜可以是聚酰胺或聚酰亞胺基薄膜復(fù)合膜，例如FILMTEC (TM)膜。水、氨和銨離子至少部分地通過(guò)膜擴(kuò)散，而諸如金屬離子、氯、硫酸鹽和/或硝酸鹽的較大離子不穿過(guò)膜。主要為水、氨和銨離子的滲透物被收集在第二隔室19中并且例如在再生器5的底部處或經(jīng)由液體導(dǎo)管7b在液體導(dǎo)管7中返回至循環(huán)含氨溶液。包含濃縮的痕量組分的滲余物被丟棄或在工藝中重復(fù)使用?？蛇x地，膜凈化器還可包括再循環(huán)回路，其構(gòu)造成將離開(kāi)第一隔室18的滲余物的一部分返回并與進(jìn)入第一 隔室18的溶液結(jié)合以用于在膜凈化器中額外處理。這樣的再循環(huán)回路可包括連接第一隔室的出口與第一隔室的入口的液體導(dǎo)管21以及用于控制將被再循環(huán)的滲余物的量的流量調(diào)節(jié)裝置22。在圖3b中示意性地描繪的一個(gè)實(shí)施例中，膜凈化器17在系統(tǒng)的水洗分段11中被實(shí)現(xiàn)。在該實(shí)施例中，膜凈化器構(gòu)造成接納在氨吸收器12和氨汽提塔13之間循環(huán)的洗滌溶液的至少一部分。洗滌溶液可以是從氨汽提塔的底部或經(jīng)由液體導(dǎo)管16a從液體導(dǎo)管16接納的洗滌溶液。膜凈化器17構(gòu)造成接納進(jìn)入第一隔室18的洗滌溶液，使得溶液與半透膜20接觸。半透膜可以是聚酰胺或聚酰亞胺基薄膜復(fù)合膜，例如FILMTEC (TM)膜。水、氨和銨離子至少部分地通過(guò)膜擴(kuò)散，而諸如金屬離子、氯、硫酸鹽和/或硝酸鹽的較大離子不穿過(guò)膜。主要是水的滲透物被收集在第二隔室中并且例如在氨汽提塔的底部處或經(jīng)由液體導(dǎo)管16b在洗滌溶液導(dǎo)管中返回至循環(huán)洗滌溶液。包含濃縮的痕量組分的滲余物被丟棄?？蛇x地，膜凈化器還可包括再循環(huán)回路，其構(gòu)造成將離開(kāi)第一隔室18的滲余物的一部分返回并與進(jìn)入第一隔室18的溶液結(jié)合以用于在膜凈化器中額外處理。這樣的再循環(huán)回路可包括連接第一隔室的出口與第一隔室的入口的液體導(dǎo)管21，以及用于控制將再循環(huán)的滲余物的量的流量調(diào)節(jié)裝置22。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
膜凈化器的能量要求非常低并且主要與泵送進(jìn)料流有關(guān)。避免了間歇的氣體產(chǎn)物流。由于不需要加熱，不需要熱聯(lián)合使得運(yùn)營(yíng)更經(jīng)濟(jì)。沒(méi)有公用系統(tǒng)(蒸汽、冷卻等)的獨(dú)立操作是可能的。此外，膜凈化器允許在諸如汽提塔底部、水洗底部和貧溶液的不同進(jìn)料溶液之間的切換。相比附屬汽提塔，膜凈化器需要顯著少的設(shè)備和公用系統(tǒng)接頭。膜凈化器具有占有面積減少和更低的投資成本的潛力。例如，用于工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)膜(在約1X0.1m的卷模塊中的7.6m2的膜面積)將能夠凈化約3001/hr。由于低操作溫度(可能為環(huán)境溫度)，與例如在汽提塔中的更高溫度相關(guān)聯(lián)的腐蝕問(wèn)題顯著減少。此外，例如由硫酸鹽分解形成的硫化合物的不期望汽提是不可能的。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明的上述實(shí)施例，特別是任何“優(yōu)選”實(shí)施例，僅僅是具體實(shí)施的可能的例子，僅僅為了清楚了解本發(fā)明的原理而被闡述。在大致不脫離本發(fā)明的精神和原理的情況下，可對(duì)本發(fā)明的上述(多個(gè))實(shí)施例做出許多變型和修改。所有此類(lèi)修改和變型意圖在本公開(kāi)和本發(fā) 明的范圍內(nèi)包括在本文中且受所附權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種用于通過(guò)使氣體流與循環(huán)含氨溶液流接觸使得二氧化碳(CO2)在所述含氨溶液中被吸收而從所述氣體流去除CO2的系統(tǒng)(I)， 其特征在于，所述系統(tǒng)包括膜凈化器(15)，所述膜凈化器具有第一隔室(16)和第二隔室(17)，其中，所述第一隔室和第二隔室由半透膜(18)分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括: 捕獲分段(2)，其構(gòu)造成使用含氨溶液從所述氣體流吸收CO2 ;以及 再生分段(3)，其構(gòu)造成從所述含氨溶液去除C02。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述捕獲分段包括CO2吸收器(4)，所述CO2吸收器(4)構(gòu)造成接納含CO2的氣體流并使所述氣體流接觸含氨溶液流以形成富CO2的含氨溶液流；以及 所述再生分段，其包括再生器(5)，所述再生器(5)構(gòu)造成從所述CO2吸收器接納富CO2的含氨溶液流，并 且將CO2從所述含氨溶液分離以形成貧CO2的含氨溶液流，并且將所述貧CO2的含氨溶液流返回至所述CO2吸收器。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括水洗分段(11)，以用于通過(guò)使所述氣體流接觸循環(huán)洗滌溶液流使得氨在所述洗滌溶液中被吸收而從所述氣體流去除氨，所述系統(tǒng)包括: 氨吸收器(12)，其構(gòu)造成使用洗滌溶液從所述氣體流吸收氨；以及 氨汽提塔(13)，其構(gòu)造成從所述洗滌溶液去除氨。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氨吸收器構(gòu)造成從所述CO2吸收器接納消耗掉CO2的氣體流并使所述氣體流接觸洗滌溶液流使得氨在所述洗滌溶液流中被吸收；并且 所述氨汽提塔構(gòu)造成從所述氨吸收器接納包含吸收的氨的洗滌溶液并從所述洗滌溶液去除氨。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膜凈化器的第一隔室構(gòu)造成從所述系統(tǒng)接納循環(huán)溶液中的至少一部分，使得所述溶液接觸所述半透膜。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述循環(huán)溶液選自所述捕獲或再生分段的循環(huán)含氨溶液和所述水洗分段的循環(huán)洗滌溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述循環(huán)溶液為所述捕獲或再生分段的循環(huán)含氨溶液。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述循環(huán)溶液為所述循環(huán)洗滌溶液。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膜凈化器的第二隔室構(gòu)造成通過(guò)所述半透膜從所述第一隔室接納所述循環(huán)溶液的滲透物。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膜凈化器的第二隔室構(gòu)造成將所述循環(huán)溶液的滲透物返回至所述系統(tǒng)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膜凈化器的第二隔室構(gòu)造成將所述循環(huán)溶液的滲透物返回至從中接納所述滲透物的循環(huán)溶液。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述半透膜可滲透水和/或氨和/或銨離子并且不可滲透金屬離子、氯化物、硫酸鹽和/或硝酸鹽。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述半透膜包含聚酰胺或聚酰亞胺。
15.一種用于通過(guò)使氣體流與循環(huán)含氨溶液流接觸使得二氧化碳(CO2)在所述含氨溶液中被吸收而從所述氣體流去除CO2的方法，所述方法包括以下步驟: 使用半透膜將痕量組分從循環(huán)溶液分離。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，包括: a)使含氨溶液流與含CO2的氣體流接觸以形成富CO2的含氨溶液流； b)從步驟a)的所述富CO2的含氨溶液流去除所述CO2中的至少一部分，以形成貧CO2的含氨溶液流； c)將步驟b)中形成的所述貧CO2的含氨溶液中的至少一部分再循環(huán)至步驟a)，并且由以下步驟來(lái)表征: d)使用半透膜將痕量組分從所述循環(huán)含氨溶液分離。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，包括: al)使洗滌溶液流與含氨的氣體流接觸，以形成富氨的洗滌溶液流； bl)從步驟al)的所述富氨的洗滌溶液流去除所述氨中的至少一部分，以形成貧氨的洗滌溶液流；以及 Cl)將步驟bl)中形成的所述貧氨的洗滌溶液中的至少一部分再循環(huán)至步驟al)，并且由以下步驟來(lái)表征: dl)使用半透膜將痕量組分從所述循環(huán)洗滌溶液分離。
18.具有第一和第二隔室的膜凈化器在用于使用循環(huán)含氨溶液去除二氧化碳(CO2)的方法或系統(tǒng)中用于減少循環(huán)溶液流的痕量組分和/或水含量的用途，其中，所述第一和第二隔室由半透膜分離。
全文摘要
一種用于通過(guò)使氣體流與循環(huán)含氨溶液流接觸使得二氧化碳(CO2)在所述含氨溶液中被吸收而從該氣體流去除CO2的系統(tǒng)(1)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括膜凈化器(17)，所述膜凈化器具有第一隔室(18)和第二隔室(19)，其中所述第一和第二隔室由半透膜(20)分離，一種用于通過(guò)使氣體流與循環(huán)含氨溶液流接觸使得二氧化碳(CO2)在所述含氨溶液中被吸收而從該氣體流去除CO2的方法，所述方法包括使用半透膜將痕量組分從循環(huán)溶液分離的步驟，以及具有第一和第二隔室的膜凈化器在用于使用循環(huán)含氨溶液去除二氧化碳(CO2)的方法或系統(tǒng)中用于減少循環(huán)溶液流的痕量組分和/或水含量的用途，其中所述第一和第二隔室由半透膜分離。
文檔編號(hào)B01D53/96GK103228340SQ201180056425
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月23日
發(fā)明者J.K.博克曼, M.科赫 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司