用于從燃燒氣體中集成式分離二氧化碳氣體的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于從燃燒氣體中集成式分離二氧化碳氣體的系統(tǒng)和方法
[0001]在先申請
[0002]本申請涉及申請日為2012年6月29日的、名稱為“用于燃燒氣體集成式吸附氣體分離的系統(tǒng)和方法”的在先PCT申請PCT/CA2012/050451，其內(nèi)容在此整體引作參考。本發(fā)明涉及在先提交的申請日為2011年8月26日的、名稱為“利用熱導性接觸器結(jié)構(gòu)吸附氣體分離方法”的PCT申請PCT/CA2011/050521，其內(nèi)容整體在此整體引作參考。本申請還涉及申請日為2010年2月26日的、名稱為“平行通道式流體接觸器結(jié)構(gòu)”的PCT申請PCT/CA2010/000251，其內(nèi)容整體在此也整體引作參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明整體涉及從燃燒氣體中集成式分離二氧化碳的方法和系統(tǒng)。具體來說，本發(fā)明涉及從燃燒氣體中集成式分離二氧化碳并將已分離的燃燒氣體循環(huán)到燃燒過程的方法以及實施該方法的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，變溫吸附方法用于多組分氣體混合物的吸附分離。許多傳統(tǒng)的變溫吸附方法用于在吸附材料上優(yōu)先吸附進料氣體混合物中一個組分，以將其從其余進料氣體混合物組分中分離，隨后再生所述吸附材料，以解吸所吸附的組分并允許所述吸附材料的循環(huán)利用。
[0005]—種適于分離氣體的工業(yè)方法包括燃燒方法，其中氧化劑和含碳燃料燃燒以產(chǎn)生機械能和副產(chǎn)物，例如熱和燃燒過程的煙道氣流。需要從燃燒過程中的煙道氣中分離一種或多種氣體組分，例如從化石燃料燃燒過程中的煙道氣混合物中移除和/或封存二氧化碳。在這樣的應用中，傳統(tǒng)的變溫吸附氣體分離系統(tǒng)的額外能耗和低效率通常導致這樣的變溫吸附氣體分離系統(tǒng)不理想地、低效地與化石燃料燃燒過程集成，導致不可接受的高投資、能量效率和/或氣體分離效率的降低和運營成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個目的在于，提供一種克服了現(xiàn)有技術(shù)的一些缺陷的、用于燃燒氣體的集成式吸附氣體分離方法。
[0007]在本發(fā)明的一個實施例中，提供一種集成式吸附氣體分離方法，用于分離源自燃料燃燒器的燃燒氣流的至少一部分，其中，所述燃燒氣流包括至少二氧化碳和水組分，所述方法包括以下步驟:
[0008](a)允許燃料流進入一燃料入口并允許氧化劑流進入所述燃料燃燒器的一氧化劑入口，以產(chǎn)生所述燃燒氣流；
[0009](b)允許所述燃燒氣流進入至少一吸附氣體分離系統(tǒng)，所述吸附氣體分離系統(tǒng)帶有多個吸附劑接觸器，每一吸附劑接觸器包括至少一用于吸附所述二氧化碳組分的吸附材料；
[0010](C)允許所述燃燒氣流進入至少一吸附劑接觸器的一入口 ；
[0011](d)在至少一所述吸附材料上吸附所述燃燒氣流的所述二氧化碳組分的至少一部分;
[0012](e)從至少一所述吸附劑接觸器的一出口回收一第一產(chǎn)品流，所述第一產(chǎn)品流相對所述燃燒氣流消耗了所述二氧化碳組分；
[0013](f)解吸在至少一所述吸附劑接觸器內(nèi)的至少一所述吸附材料上吸附的所述二氧化碳組分的一第一部分；
[0014](g)在至少一所述吸附劑接觸器的所述入口和出口中至少一個回收一第二產(chǎn)品流，所述第二產(chǎn)品流相對所述燃燒氣流富集了所述二氧化碳組分；
[0015](h)解吸吸附在至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳組分的一第二部分；
[0016](i)在至少一所述吸附劑接觸器的所述入口和出口中至少一個回收一第三產(chǎn)品流，所述第三產(chǎn)品流包括所述二氧化碳組分的所述第二部分；和
[0017](j)循環(huán)所述第三產(chǎn)品流的至少一部分到所述燃料燃燒器的氧化劑入口用于燃
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[0018]在所述集成式吸附氣體分離方法的一個優(yōu)選實施例中，除了解吸所述二氧化碳組分的一第二部分外，所述方法還包括允許一調(diào)節(jié)流進入至少一所述吸附劑接觸器。
[0019]在本發(fā)明的另一個實施例中，提供一種集成式吸附氣體分離系統(tǒng)，用于分離燃燒氣流的至少一部分，其中，所述燃燒氣流包括至少二氧化碳和水組分，所述系統(tǒng)包括:
[0020](a) 一原動機，其包括一氧化劑入口、一燃燒室和一廢氣出口，其在操作時產(chǎn)生所述燃燒氣流；
[0021](b) 一輔助熱交換器，其包括一流體連接的、輔助熱交換導管，所述輔助熱交換導管通過一流體連接的以接收一加熱流體流的加熱導管來接收和加熱一解吸流體流；
[0022](c) 一吸附氣體分離器，其包括至少一吸附劑接觸器，所述接觸器帶有一入口和一出口并包括至少一用來吸附所述二氧化碳組分的吸附材料；
[0023]其中，至少一所述吸附劑接觸器流體連接，將來自所述原動機的所述廢氣出口的所述燃燒氣流接收到至少一所述吸附劑接觸器的所述入口，并將所述二氧化碳組分的至少一部分吸附在至少一吸附材料上；和
[0024]其中，所述吸附劑接觸器流體連接，從所述輔助熱交換導管接收所述解吸流體流，以在至少一所述吸附材料上解吸所述二氧化碳組分的至少一部分，產(chǎn)生富集二氧化碳的產(chǎn)品流；和
[0025]其中，所述解吸流體流以高于焊接壓力不超過約2巴(bar)的壓力進料氣流進入所述輔助熱交換導管。
[0026]在本發(fā)明又一個實施例中，提供一種吸附氣體分離方法，用于分離氣流的至少一部分，其中，所述氣流包括至少二氧化碳和水組分，所述方法包括以下步驟:
[0027](a)允許所述氣流進入一具有多個吸附劑接觸器的吸附氣體分離系統(tǒng)；
[0028](b)允許所述氣流進入至少一所述吸附劑接觸器的一入口，所述吸附劑接觸器具有至少一吸附材料，用以吸附所述二氧化碳組分；
[0029](c)在所述至少一吸附材料吸附所述氣流的所述二氧化碳組分的至少一部分；
[0030](d)在至少一所述吸附劑接觸器的一出口回收一第一產(chǎn)品流，所述第一產(chǎn)品流相對于所述氣流消耗了所述二氧化碳組分；
[0031](e)中止所述氣流進入至少一具有至少一所述吸附材料的所述吸附劑接觸器的所述入口 ；
[0032](f)通過加熱至少一所述吸附材料來解吸在所述吸附劑接觸器內(nèi)的至少一所述吸附材料上吸附的所述二氧化碳組分的一第一部分；
[0033](g)在至少一所述吸附劑接觸器的所述入口和出口中至少一個回收一富集所述二氧化碳組分的一第二產(chǎn)品流；
[0034](h)解吸吸附在至少一所述吸附材料上的所述二氧化碳組分的一第二部分；和
[0035](i)在至少一所述吸附劑接觸器的所述入口和出口中至少一個回收一包括所述二氧化碳組分的一第三產(chǎn)品流；
[0036]其中，步驟(b)至步驟(i)在至少一所述吸附劑接觸器順序進行。
[0037]在本發(fā)明又一個實施例中，提供一種集成式吸附氣體分離方法，用于分離源自一集成式氣體分離系統(tǒng)的燃料燃燒器的燃燒氣流的至少一部分，所述集成式氣體分離系統(tǒng)包括所述燃料燃燒器和一氣體分離系統(tǒng)，其中，所述燃燒氣流包括至少二氧化碳和水組分，所述方法包括以下步驟:
[0038](a)允許燃料流進入一燃料入口并允許氧化劑流進入所述燃料燃燒器的一氧化劑入口，以產(chǎn)生所述燃燒氣流；
[0039](b)允許所述燃燒氣流進入所述氣體分離系統(tǒng)；
[0040](c)在所述氣體分離系統(tǒng)吸附所述燃燒氣流的所述二氧化碳組分的至少一部分；
[0041](d)在所述氣體分離系統(tǒng)內(nèi)回收一煙道氣流，所述煙道氣流相對所述燃燒氣流消耗了所述二氧化碳組分；
[0042](e)在所述氣體分離系統(tǒng)內(nèi)解吸所述二氧化碳組分的至少一第一部分；
[0043](f)至少周期性允許氧化劑流進入所述氣體分離系統(tǒng)，以形成混合的氧化劑流；和
[0044](g)從所述氣體分離系統(tǒng)至少周期性回收所述混合的氧化劑流，并至少周期性允許所述混合的氧化劑流的至少一部分進入所述燃料燃燒器的所述氧化劑入口 ；和
[0045]其中，在所述混合的氧化劑流中至少周期性回收基本上所有所述吸附的二氧化碳組分。
[0046]在本發(fā)明的又一實施例中，提供一種集成式吸附氣體分離系統(tǒng)，用于分離燃燒氣流的至少一部分，其中，所述燃燒氣流包括至少二氧化碳和水組分，所述系統(tǒng)包括:
[0047](a) 一燃料燃燒器，其包括一燃料入口、一氧化劑入口和一廢氣出口，其在操作時產(chǎn)生所述燃燒氣流；
[0048](b) 一氣體分離系統(tǒng)，其包括一燃燒氣體入口、一氧化劑入口、一煙道氣出口、一混合氣體出口和至少一吸附劑接觸器，所述吸附劑接觸器包括至少一吸附材料，所述氣體分離系統(tǒng)操作時通過在至少一所述吸附材料上吸附所述二氧化碳組分的至少一部分，來將所述二氧化碳組分從所述燃燒氣流中分離；
[0049](c) —燃燒氣體導管，其流體連接所述燃料燃燒器的所述廢氣出口和所述氣體分離系統(tǒng)的所述燃燒氣體入口 ；和
[0050](d) 一混合氣體導管，其流體連接所述氣體分離系統(tǒng)的所述混合氣體出口和所述燃料燃燒器的所述氧化劑入口，用于從所述吸附氣體分離系統(tǒng)中回收所述二氧化碳組分的基本上所有吸附部分。
【附圖說明】
[0051]現(xiàn)在參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的、用于燃燒氣體的集成式吸附氣體分離的系統(tǒng)和方法，附圖中:
[0052]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的一個集成式吸附氣體分離系統(tǒng)的示意圖，其包括一燃氣渦輪、一熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)、一蒸汽渦輪、一輔助熱交換器、一燃燒氣體冷卻器、一吸附氣體分離系統(tǒng)和一氣體壓縮系統(tǒng)。
[0053]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的一個集成式吸附氣體分離系統(tǒng)的示意圖，其包括一燃氣渦輪、一熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)、一蒸汽渦輪、一燃燒氣體冷卻器、一吸附氣體分離系統(tǒng)、一氣體壓縮系統(tǒng)和一集成到所述HRSG的輔助熱交換器。
[0054]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的、示例性的集成式二氧化碳氣體分離系統(tǒng)在各種操作點的各種計算機模擬曲線，其根據(jù)本發(fā)明的一個實施例實施示例性集成式二氧化碳氣體分離方法，其使用燃氣渦輪，所述燃氣渦輪采用天然氣作為燃料、空氣作為氧化劑并循環(huán)富集二氧化碳的氣流到所述燃氣渦輪。
[0055]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的、一個集成式吸附氣體分離系統(tǒng)的一個示意圖，其包括一燃料燃燒器和一氣體分離系統(tǒng)，用于分離所述燃料燃燒器產(chǎn)生的燃燒氣流的所述二氧化碳組分的至少一部分。
[0056]在整個附圖中，類似的附圖標記標明相應的部件。
【具體實施方式】
[0057]在本發(fā)明的一個實施例中，提供一種集成式二氧化碳氣體分離方法，用于從燃料燃燒器中分離燃燒氣流的至少一部分，其中所述燃燒氣流包括至少二氧化碳和水(包括水汽和/或蒸汽)組分。所述集成式二氧化碳氣體分離方法可以包括但不限于一吸附方法(例如下面詳述的利用吸附材料)、一化學吸收方法(例如利用基于胺類的溶劑)和/或一膜分離方法(例如利用分子篩或陶瓷膜)。而且，所述集成式二氧化碳氣體分離方法可以包括允許源自燃料燃燒器的燃燒氣流基本上全部進入一體分離裝置，或者允許源自燃料燃燒器的燃燒氣流的至少一部分進入一分離裝置。應當理解，在此公開和詳細描述的方法可以和任何適當?shù)囊阎趸挤蛛x過程和/或方法、任何適當?shù)囊阎趸挤蛛x裝置或系統(tǒng)一起使用，不限于在此根據(jù)多個示例性實施例描述的示例性吸附氣體分離方法，還包括例如使用其他的適當?shù)姆俏绞蕉趸挤蛛x過程、方法、裝置或系統(tǒng)。
[0058]在一個示例性實施例中，吸附氣體分離方法可以包括一變溫吸附方法(稱作“TSA”)，其中解吸吸附在吸附材料上的一燃燒氣體組分的至少一解吸步驟主要由加熱所述吸附材料來驅(qū)動。在一個替代實施例中，替代的解吸機制可以單獨使用，諸如用適當?shù)臎_洗流體來沖洗或置換沖洗，或者與解吸所述吸附組分的加熱結(jié)合使用?；蛘撸鑫綒怏w分離方法可以包括一變壓吸附方法(稱作“PSA”)，其中，解吸吸附在選擇性吸附二氧化碳的吸附材料上的一燃燒氣體組分的至少一解吸步驟主要由包括所述吸附材料的所述吸附劑接觸器的壓力變化驅(qū)動。在一個替代實施例中，替代的解吸機制可以單獨使用，諸如用適當?shù)臎_洗流體來沖洗或置換沖洗所述吸附材料，或者與解吸所述吸附的燃燒氣體組分的壓力變化結(jié)合使用。在又一個替代實施例中，所述吸附氣體分離方法可以包括一分壓變壓吸附方法(稱作“PPSA”)，其中，解吸吸附在吸附材料上的一燃燒氣體組分的至少一解吸步驟主要由包括所述吸附材料的所述吸附劑接觸器中的至少一吸附氣體組分的分壓或濃度的變化驅(qū)動。在又一個替代實施例中，替代的解吸機制可以單獨使用，諸如用加熱吸附材料或壓力變化，或者與解吸所述吸附的燃燒氣體組分的分壓變化結(jié)合使用。
[0059]在一個根據(jù)本發(fā)明的實施例中，所述燃料燃燒器可以包括任何適當類型的、主要使用環(huán)境空氣作為燃燒的氧化劑的燃料燃燒裝置。在其他實施例中，替代的氧化劑可以用于所述燃料燃燒器，例如但不限于添加氧氣的空氣或者或者氧氣濃度高于環(huán)境水平的空氣、基本上氧氣、消耗了氧氣的空氣、含有比環(huán)境空氣更少氧氣的氣流和循環(huán)的燃燒氣體。根據(jù)本發(fā)明的實施例，燃料反應物例如但不限于氣體燃料、液體燃料和/或固體燃料可以用于在所述燃料燃燒器燃燒。在一個特定實施例中，所述燃料燃燒器可以包括下組至少一個:渦輪燃料燃燒器諸如燃氣渦輪燃燒器、組合式燃氣渦輪燃燒器、輕質(zhì)烴燃燒器、液體燃料(例如燃油/煤油/柴油/汽油/噴氣燃料和其他的液體燃料)燃燒器、燃煤燃燒器(包括固態(tài)、粉末的、汽化的或其他形式的燃煤燃燒器，例如燃煤發(fā)電廠)、生物質(zhì)固態(tài)和/或液體燃料燃燒器、蒸汽發(fā)生器/鍋爐燃燒器和余熱加熱燃燒器(process heater combustor)(例如用于冶煉廠和/或工業(yè)過程來熱處理流體和/或氣體)。
[0060]在一個實施例中，所述集成式吸附氣體分離方法可以包括一允許燃料流進入一燃料入口并允許氧化劑流進入燃料燃燒器的氧化劑入口，以生成一燃燒氣流。所述方法隨后可以包括一吸附步驟，允許源自所述燃料燃燒器的、包括至少二氧化碳和水組分的所述燃燒氣流的至少一部分作為進料混合物進入一吸附氣體分離系統(tǒng)。所述燃燒氣流可以允許進入所述吸附氣體分離系統(tǒng)內(nèi)的、具有至少一吸附材料的至少一吸附劑接觸器的入口。所述方法隨后可以包括在所述吸附材料上吸附所述二氧化碳組分的至少一部分。所述方法還可以包括從所述吸附氣體分離系統(tǒng)