專利名稱：CO₂耗盡的煙氣的處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及二氧化碳從煙氣中的燃燒后捕集。在一個或多個方面，本發(fā)明涉及對(X)2更貧乏的煙氣進行的處理，該(X)2更貧乏的煙氣是從煙氣流中對(X)2的壓力吸收而產(chǎn)生的，例如使用與碳酸銨/碳酸氫銨平衡的氨溶液。在一個或多個其他方面，本發(fā)明涉及使用此類氨溶液在從煙氣流中吸收(X)2的過程中降低氨的釋放(稱為“氨逃逸”)。本發(fā)明對于從發(fā)電站的煙氣或從多種多樣的工業(yè)過程(包括鋼鐵廠、水泥窯、焙燒爐以及冶煉爐)的工藝氣體中對CO2進行燃燒后捕集具有特殊的(盡管當(dāng)然不是排它性的)應(yīng)用。
背景技術(shù)：
對于(X)2排放的固定源(如發(fā)電站)存在著迅速增長的壓力，以通過1)捕集從工藝中生成的CO2, 2)通過不同的地質(zhì)學(xué)手段儲存CO2來逐步減少溫室氣體(GHG)的排放。這涉及到將(X)2在一種超臨界或“液化的”狀態(tài)下注入深的含水層、煤層、或海底深海溝中，或?qū)O2作為固體化合物儲存。用于從發(fā)電站或燃燒裝置的煙氣中捕集(X)2的方法被稱作燃燒后捕集。在燃燒后捕集中，在吸收器中使用一種合適的溶劑優(yōu)先將煙氣中的CO2從氮氣和殘留氧氣中分離出來。然后在稱為汽提(或再生)的過程中將CO2從溶劑中去除，因此允許對該溶劑進行再使用。然后通過壓縮和冷卻將汽提過的(X)2液化，伴有適當(dāng)?shù)母稍锊襟E以防止水合物的生成。這種形式的燃燒后捕集對于多種固定的CO2源以及發(fā)電站(例如鋼鐵廠、水泥窯、 焙燒爐以及冶煉爐)是適用的。使用與碳酸銨和碳酸氫銨平衡的氨溶液作為對(X)2的吸收劑已經(jīng)認為相對于采用有機胺的系統(tǒng)(其中一乙醇胺(MEA)是一種熟知的(X)2吸收劑)是有利的·可以吸收SOx和NOx，其中有可能有利地將用過的溶劑溶液作為一種肥料(SOx 和NOx降解了胺溶劑)出售?！ぐ痹谄毡榈纳虡I(yè)使用中是一種低成本的化學(xué)品?！煔庵械难鯕獠粫到庠撊軇?但它確實會降解胺)。這樣一種方法所要求的全部能量推算為MEA系統(tǒng)所要求的40%左右。對于氨法，該溶劑溶液由銨根、碳酸根和碳酸氫根離子(與溶解的氨(水性的)保持平衡)、以及溶解的CO2(水的)構(gòu)成。在吸收器中，水和氨與CO2(水性的)起反應(yīng)而生成碳酸根、碳酸氫根或氨基甲酸根離子，其中該反應(yīng)通過施加能量而在汽提塔中逆向進行。 相關(guān)的水相反應(yīng)可以用以下總的方程式概述CO2 + H2O + NH3 ^ HCO3" + NH4+ (方程式 1)CO2 + 2NH3 ^ NH2COO" + NH4+ (方程式 2)HCO3" + NH3 Η CO32" + NH4+ (方程式 3)CO32" + H2O + CO2 η 2HC03"(方程式 4)應(yīng)該注意的是氨基甲酸根的形成是不希望的、并且具有高的反應(yīng)熱。但是，該反應(yīng)是可逆的、且并不具有顯著的沖擊。
離開吸收器的氣相中的自由氨的量與氨(水性的)的量是成比例的，這可以通過該溶液中其他物種的濃度、以及溫度而控制更高的溫度會增加氣相中的氨的量。著手氨溶液吸收劑的重要問題之一是氨從這個具有(X)2更貧乏的煙氣的吸收劑系統(tǒng)中的逃逸。國際專利公布WO 2006/02^85提出通過將煙氣冷卻至0°C-20°C并在此溫度范圍內(nèi)、優(yōu)選在0°C -10°C的范圍內(nèi)運行吸收階段來著手解決氨逃逸的問題。再生是通過提高來自吸收器的(X)2富集的溶液的壓力和溫度來進行的。(X)2的蒸氣壓很高，并且產(chǎn)生了具有低濃度的NH3和水蒸氣的加壓(X)2氣流。將該高壓(X)2氣流冷卻并洗滌以從該氣體中回收氨和水分。據(jù)報道，這種方法(被稱為冷氨法)會減小氨逃逸的程度，但需要可觀的能量用于制冷，特別是當(dāng)認為必須除去反應(yīng)熱(所涉及的碳酸根轉(zhuǎn)化為碳酸氫根的反應(yīng)是放熱的)以維持低溫時。本申請人的國際專利公布WO 2009/000025披露了一種方法，該方法通過在高于大氣壓的氣壓下完成(X)2的吸收、和/或通過在吸收之后與水(從中將氨溶解以便用于再循環(huán)返回至該溶劑系統(tǒng))接觸來冷卻該(X)2更貧乏的煙氣而減少氨逃逸。本發(fā)明在其一個或多個方面，目的是著手解決這個經(jīng)由(X)2更貧乏的煙氣的氨逃逸問題?？傮w上，在(X)2的燃燒后捕集的吸收步驟中使用壓力提供了兩個關(guān)鍵的益處·實質(zhì)性地減小了吸收器的尺寸，其中在煙氣的壓力與吸收柱的截面面積之間有直接的比例性。 增大了吸收的動力學(xué)，因為根據(jù)亨利定律，該溶液中的CO2 (水性的)的量與總的煙氣壓力是直接相關(guān)的。但是，這種途徑要求增大功率來驅(qū)動壓縮機、并且需要在壓縮氣體進入吸收器之前對其進行二次冷卻。更普遍地，對于所有(X)2后燃燒捕集系統(tǒng)的一個問題是系統(tǒng)的總的能量成本。披露內(nèi)容是已知的，例如W02000/057990、US 6,655, 150和US2008/0104958，其中使來自ω2分離器中的(X)2耗盡的氣體在例如一個渦輪中膨脹來為壓縮機、發(fā)電機或其他電廠提供動力。本發(fā)明在其一個或多個方面著手解決了這個問題、并且是這樣做的方式為在用于從煙氣中去除(X)2的基于氨的系統(tǒng)中是尤其有用的。在此并未承認在本說明書中的任何信息在優(yōu)先權(quán)日是公知常識、或者可以合理地預(yù)料本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)將其確定為、理解為、視為相關(guān)的或者將其以任何方式進行組合。發(fā)明_既述本發(fā)明在一個第一方面提供了用于從一種含(X)2的煙氣流中回收二氧化碳的方法，該方法包括以下步驟在高于大氣壓的一個氣壓下使該氣流與一個水性溶劑系統(tǒng)進行接觸來完成從該氣流中對(X)2的吸收，由此所述氣流變?yōu)橐粋€(X)2更貧乏的煙氣流；將包含所吸收的(X)2的這種溶劑從這個0)2更貧乏的煙氣流中分離出來，以形成一個(X)2富集的溶劑流；使所述(X)2更貧乏的煙氣流以一種方式膨脹，由此將該(X)2更貧乏的煙氣冷卻；并且
通過與所述冷卻的煙氣進行熱交換來冷卻一個或多個工藝氣流。這一個或多個工藝氣流可以包括該含CO2的煙氣流、以及一個CO2貧乏的再生的溶劑流，因為它被返回用于上述接觸步驟。這種膨脹可以在一個膨脹渦輪中進行，并且從這種膨脹中回收了能量。本發(fā)明的一個實施方案包括在所述膨脹的上游將所述(X)2更貧乏的煙氣預(yù)加熱， 以便在所述膨脹過程中得到增強的膨脹性功。這種預(yù)加熱可以如下進行，例如通過在所述接觸步驟的上游與煙氣進行熱交換，或者可替代地，通過用這些CO2更貧乏的煙氣中的殘余氧氣來使燃料燃燒。有利地，該水性溶劑系統(tǒng)是一種含有溶解的氨、以及銨、碳酸根以及碳酸氫根離子的水性溶劑系統(tǒng)，在這種情況下可以在所述膨脹之前使這些(X)2更貧乏的煙氣與從中將氨溶解的水進行接觸，優(yōu)選地用于將所溶解的氨再循環(huán)回到所述溶劑系統(tǒng)中，并且所述膨脹導(dǎo)致了殘余氨的進一步冷凝，優(yōu)選地也將殘余氨再循環(huán)到所述溶劑系統(tǒng)。CO2的吸收可能典型地是根據(jù)以上的方程式⑴至⑷。有利地，使煙氣流與水性溶劑系統(tǒng)接觸以及使(X)2更貧乏的煙氣流與水進行接觸的這些步驟是在一個常見容器(例如，一個塔式容器)中進行的。該塔式容器中的壓力優(yōu)選是在100至3000kPa(l至30巴)的范圍內(nèi)，最優(yōu)選是在500_1500kPa(5至15巴)的范圍內(nèi)。典型地，該方法包括另外的步驟通過對溶劑流施加熱量以將CO2解吸收而從該 CO2富集的溶劑流中將(X)2解吸收。這個現(xiàn)在(X)2貧乏的溶劑流可以方便地被再循環(huán)至所述溶劑系統(tǒng)中。典型地，將從(X)2富集的溶劑流中解吸收的(X)2進行壓縮、冷卻并液化以便儲存。本發(fā)明在其第一方面進一步提供了用于從一種含(X)2的煙氣流中回收二氧化碳的裝備，該裝備包括一個吸收器段，用于在高于大氣壓的一個氣壓下使該氣流與一個水性溶劑系統(tǒng)進行接觸來完成從所述氣流中對(X)2的吸收，由此所述氣流變?yōu)橐粋€(X)2更貧乏的煙氣流，并且用于將含有所吸收的(X)2的這種溶劑與該(X)2更貧乏的煙氣流分離以形成一個(X)2富集的溶劑流；氣體膨脹裝置，用于使所述CO2更貧乏的煙氣流以一種方式膨脹，由此將這些CO2 更貧乏的煙氣冷卻；以及用于通過與所述冷卻的煙氣進行熱交換來冷卻一個或多個工藝氣流的裝置。優(yōu)選存在一個冷卻器用于將該含(X)2的煙氣流在它進入吸收器段之前進行冷卻。 上述的用于冷卻一個或多個工藝氣流的裝置可以包括這個冷卻器、和/或可以包括用于將一個(X)2貧乏的再生溶劑流在它被返回至上述吸收器段時進行冷卻的熱交換聯(lián)接。該氣體膨脹裝置可以包括一個膨脹渦輪。本發(fā)明的一個實施方案有利地可以包括用于在所述膨脹的上游將所述(X)2更貧乏的煙氣進行預(yù)加熱的裝置，以便在所述膨脹過程中得到增強的膨脹性功。這種預(yù)加熱裝置可以是或可以包括例如一個用于在所述吸收器段的上游與煙氣進行間接熱交換的熱交換器、或者替代地用于使用這些(X)2耗盡的煙氣中的殘余氧氣來使燃料燃燒的裝置。有利地，該水性溶劑系統(tǒng)是一種含有溶解的氨、以及銨、碳酸根以及碳酸氫根離子的水性溶劑系統(tǒng)，在這種情況下可以提供一種裝置，通過這種裝置使這些(X)2更貧乏的煙氣與從中將氨溶解的水接觸，優(yōu)選地用于將所溶解的氨再循環(huán)回到所述溶劑系統(tǒng)中，并且所述膨脹導(dǎo)致了殘余氨的進一步冷凝，提供了將該殘余氨再循環(huán)到所述溶劑系統(tǒng)中的裝置。優(yōu)選地，該用于冷卻一個或多個工藝氣流的裝置包括一個熱交換聯(lián)接，該熱交換聯(lián)接是用于將所述用于接觸這些(X)2更貧乏的煙氣從而由此溶解氨的水進行冷卻。在本發(fā)明的一個第二方面，含有顯著量的硫和/或氮的氧化物的一部分原始煙氣 (來自吸收器之前)旁路通過該(X)2吸收器段并且在該吸收器以及第一次水洗之后與該CO2 更貧乏的煙氣進行混合、并且允許它進行反應(yīng)。這之后可以是在這些CO2更貧乏的煙氣被釋放到大氣中之前進行進一步水洗。本發(fā)明在其第二方面提供了用于從一種含(X)2的煙氣中回收二氧化碳的方法，該方法包括使該氣流與含有溶解的氨、以及銨、碳酸根和碳酸氫根離子的一種水性溶劑系統(tǒng)接觸以便完成從該氣流中對(X)2的吸收，由此所述氣流變?yōu)橐粋€(X)2更貧乏的煙氣流；將含有所吸收的(X)2 (作為碳酸根、碳酸氫根和CO2iatl))的該溶劑與該(X)2更貧乏的煙氣流分離而形成一個(X)2和/或碳酸氫根富集的溶劑流；使所述(X)2更貧乏的煙氣與從中將氨溶解的水接觸，優(yōu)選地用于將所溶解的氨再循環(huán)回到所述溶劑系統(tǒng)中；此后使該CO2更貧乏的煙氣與 CO2富集的煙氣的一個子流進行接觸，該子流包含足夠的硫和/或氮的氧化物而與該(X)2更貧乏的煙氣中的一部分氨進行反應(yīng)；并且從這些(X)2更貧乏的煙氣中回收所述反應(yīng)的產(chǎn)物。與子流的所述接觸的條件可以是這樣的，即使得所述反應(yīng)的產(chǎn)物包括亞硫酸銨、 硫酸銨、亞硝酸銨以及硝酸銨中的一種或多種。本發(fā)明在其第二方面還提供了用于從一種含(X)2的煙氣中回收二氧化碳的裝備， 該裝備包括一個吸收器段，用于使該氣流與含有溶解的氨、以及銨、碳酸根和碳酸氫根離子的一種水性溶劑系統(tǒng)接觸以便完成從該氣流中對(X)2的吸收，由此所述氣流變?yōu)橐粋€CO2 更貧乏的煙氣流，并且用于將含有所吸收的CO2的該溶劑與該CO2更貧乏的煙氣流分離而形成一個(X)2和/或碳酸氫根富集的溶劑流，由此所述氣流變?yōu)橐粋€(X)2更貧乏的煙氣流；第一接觸裝置，用于使所述(X)2更貧乏的煙氣與從中將氨溶解的水接觸，優(yōu)選地用于將該氨再循環(huán)回到所述溶劑系統(tǒng)中；第二接觸裝置，用于使該(X)2更貧乏的煙氣與(X)2富集的煙氣的一個子流進行接觸，該子流包含足夠的硫和/或氮的氧化物而與所述(X)2更貧乏的煙氣中的一部分氨進行反應(yīng)；以及用于從這些(X)2更貧乏的煙氣中回收所述反應(yīng)的產(chǎn)物的裝置。該第二接觸裝置可以包括一個在該第一接觸裝置下游的接觸室、以及用于將該子流從吸收器段的上游傳送至該接觸室的一個旁通管。該水性溶劑系統(tǒng)的溫度優(yōu)選是大于15°C，更優(yōu)選大于20°C，并且最優(yōu)選在20°C至 50°C的范圍內(nèi)。在25°C至45°C范圍內(nèi)的溫度是合適的。若要求的話，將煙氣流在與溶劑系統(tǒng)接觸之前進行冷卻，例如冷卻至約40°C。有利地，使該煙氣流與水性溶劑系統(tǒng)接觸以及使(X)2更貧乏的煙氣流與水進行接觸的這些步驟是在一個常見容器(例如，一個塔式容器)中進行的。該塔式容器中的壓力優(yōu)選是在100至3000kPa(l至30巴)的范圍內(nèi)，最優(yōu)選是在500_1500kPa(5至15巴)的范圍內(nèi)。有利地，所述對(X)2的吸收是通過所選擇的酶類的存在而進行催化的，以促進在溶液中吸收(X)2而形成碳酸氫根的速率。一種合適的此種酶是碳酸酐酶。
使用酶來促進在溶液中(X)2轉(zhuǎn)化為碳酸氫根的速率的一個替代方案是使用無機的路易斯堿，諸如砷酸鹽(AsO43-)或磷酸鹽(Po/—)。酶或路易斯堿(促進劑)可以在低濃度下在液體溶劑中被循環(huán)或支撐在固體結(jié)構(gòu)上，該溶劑溶液和含(X)2的氣體從該固體結(jié)構(gòu)上流過。在后者的情況下，支撐材料的表面已經(jīng)被化學(xué)改性，這樣，酶或路易斯堿牢固地附著， 并且被配置為使(X)2的氣-液轉(zhuǎn)移最大化。對于這種固體支撐物的選項，酶或路易斯酸以及其支撐物的類型和構(gòu)型可以是多種多樣的，以適應(yīng)含CO2氣體的組成、溶劑的局部加載、以及局部的溫度和壓力條件的變化。本發(fā)明還擴展至結(jié)合本發(fā)明的這兩方面的方法和裝備。附圖簡要說明現(xiàn)在將參照附圖僅僅以舉例方式來進一步描述本發(fā)明，在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的一個優(yōu)選實施方案的(X)2燃燒后捕集(PCC)設(shè)備圖，該設(shè)備利用了一種基于氨的溶劑系統(tǒng)；圖2和圖3是圖1中所描繪的PCC設(shè)備的變體；并且圖4是結(jié)合了本發(fā)明的第二方面的一個實施方案的PCC設(shè)備的一個進一步的變體。發(fā)明實施方案的說明泵取CO2貧乏的溶劑溶液并噴灑在吸收器段11的頂部13，該吸收器段是處于一個塔式容器15的下部中的一個填充柱14的形式。該溶液環(huán)繞并且向下流經(jīng)柱14的填充材料，同時這些(X)2富集的煙氣8通過壓縮設(shè)備6被壓縮，此后(若需要的話)在9處被冷卻 (例如冷卻至約40°C )，并且然后在16處被引至該吸收器的底部。這些壓縮并冷卻后的煙氣向上通過該填充材料并由此與包括這個向下流經(jīng)該填充材料的溶劑溶液的該溶劑系統(tǒng)進行接觸。CO2被轉(zhuǎn)移到該溶劑溶液中，這是優(yōu)選地通過與適當(dāng)添加的酶或一種路易斯堿的相互作用而得到增強的一個過程。壓縮機設(shè)備6可以包括一個適合于將相對高體積的氣體壓縮至30巴的一個氣體渦輪壓縮機。在這種情況下，認為在柱14中大約10巴的氣壓將獲得令人滿意的結(jié)果。一種堿(如氨/銨離子)的存在維持了一種堿性的吸收劑溶液pH以保持溶解的 C02*HC037C032_離子。氨還可以與溶解的CO2直接反應(yīng)而生成氨基甲酸酯。在足夠高的濃度下，碳酸氫根/碳酸根離子也可以作為銨鹽從溶液中沉淀出，從而產(chǎn)生一種淤漿，這允許更多的(X)2通過所加載的溶劑系統(tǒng)而轉(zhuǎn)移。在吸收柱14的頂部17處，CO2更貧乏的氣體離開了該過程，而(X)2富集的溶液(包含氨基甲酸根、碳酸根和碳酸氫根)從容器15的底部在20處經(jīng)管線35被提取出而用于進一步處理。氨逃逸通過使這些(X)2更貧乏的出口氣體在將它們通向一個煙@ 27之前經(jīng)受一系列的進一步處理而得到改進。第一個處理是在塔式容器15上部的一個滌氣器22中用頂置式噴霧器39進行的水洗。另外一個裝有適當(dāng)填充材料的小柱子沈輔助了接觸。水(例如，在0°C -10°C下)溶解了來自(X)2更貧乏的煙氣的氨，并在一個塔板系統(tǒng)觀中被收集用于通過一個泵四經(jīng)由一個冷卻裝置31進行再循環(huán)。一定比例的加載有再循環(huán)的氨的沖洗用水23通過管道23a被再循環(huán)至吸收器段中19處的溶劑系統(tǒng)中。在實質(zhì)性高于大氣壓下離開吸收器滌氣器22的這些加壓的(X)2更貧乏的煙氣在一個膨脹渦輪40 (或能夠提取工作能量的類似裝置)中以一種受控的方式被膨脹，由此這些氣體得到進一步冷卻并且另外殘余的氨從這些氣體中冷凝出來。然后來自渦輪40的膨脹的煙氣在一個填充的滌氣器50中被水洗從而在通過煙囪 27被排放至大氣中之前溶解了冷凝的氨，優(yōu)選是在高于露點的溫度下。這個最后的氣體清潔步驟中的水通過泵53并且經(jīng)由冷卻器M被再循環(huán)，如在52處所指示的，直到該氨達到了用于再循環(huán)至吸收器系統(tǒng)中的顯著濃度?？商娲兀梢杂欣貙⒂眠^的溶液與來自該吸收器中并且用作肥料組分的用過的溶液進行混合。雖然(X)2吸收之后煙氣中的大多數(shù)游離氨將典型地在并入容器15頂部之中的初級滌氣器(冷水洗滌)22中被除去，但添加了膨脹器40和相關(guān)聯(lián)的滌氣器50使之能夠得到額外的靈活性·冷水的溫度可以更高，由此實質(zhì)性地降低所要求的冷卻能量以及水洗滌區(qū)段的尺寸?！ぐ碧右莸牧靠梢酝ㄟ^優(yōu)化總體的吸收器后煙氣處理來控制?！び脙蓚€水洗階段比在單獨用冷水洗滌時有可能在排放至大氣的CO2貧乏的氣體中得到更低的氨濃度。這種吸收器后煙氣構(gòu)型的兩個特征增強了所展示的PCC設(shè)備的總體能量利用。將膨脹器渦輪40偶聯(lián)至一個發(fā)電機42上，由此在該渦輪處來自氣體膨脹的工作能量被回收用于發(fā)電，同時滌氣器50下游的一個熱交換器70允許通過與冷的(X)2更貧乏的煙氣進行熱交換來冷卻另一個工藝氣流。兩個這樣的其他工藝氣流是進入的(X)2富集的煙氣流8和滌氣器22中的再循環(huán)的負載有氨的洗滌水這些“冷狀態(tài)”的轉(zhuǎn)移通過虛線71、72來指示， 在圖1中分別到達9、31。在渦輪40處的回收能量可能在吸收器14的上游或下游的一個處理步驟中被利用，或者是更直接地通過熱交換或者不夠直接地通過發(fā)電機42所產(chǎn)生的電能。這個概念的一個特別有利的應(yīng)用是利用發(fā)電機42所產(chǎn)生的電能來運行壓縮機6的馬達44，如圖1中的虛線45所指示。在容器15的底部20所提取的富含碳酸氫根的溶劑溶液經(jīng)由管線35被傳送用于在一個汽提塔或吸收劑再生階段(在這種情況下是一個填充柱30)進行加熱，以便釋放CO2 用于儲存或其他化學(xué)應(yīng)用。所回收的CO2貧乏的溶劑溶液34通過再沸器33以及管道32被再循環(huán)返回至吸收柱14的頂部13 必要時在途中將它冷卻，這是通過在36處與管線35中的(X)2富集的溶劑流進行熱交換，并且通過一個第二冷卻器37 (它可以與線73所指示的熱交換器70是熱交換連通的)進行。所回收的(X)2氣流38典型地在60處通過被壓縮、冷卻以及液化而進行處理以用于儲存。當(dāng)然應(yīng)認識到，柱14、26、30可以各自包括一個或多個吸收塔或汽提塔。此外，在一個單獨的柱14、沈或30之內(nèi)，完全有可能存在多個級。還應(yīng)理解到，盡管已將圖1的PCC 設(shè)備描述為采用了一種基于氨的溶劑系統(tǒng)，但也可以采用其他溶劑，具體地例如胺或MEA。 在此類情況下，當(dāng)該溶劑的蒸氣壓相對較低時，將不要求另外的水洗滌50，并且也許是水洗滌階段22。圖2中通過前面有“2”的類似參考號指示了相對于圖1類似的部件，它描繪了圖1 的PCC設(shè)備的一種變更方案，其中來自吸收器滌氣器222的加壓氣體在膨脹渦輪MO(即， 一種間接加熱的膨脹器)中被膨脹之前經(jīng)過了預(yù)加熱(80)。該預(yù)加熱器80可以有利地使用低等級的熱量，例如來自進入該吸收器之前的煙氣。通過將這些加壓氣體預(yù)加熱，有可能在渦輪240處得到增大的膨脹性功。通過優(yōu)化吸收器214的操作壓力和預(yù)加熱的量、以及如何將該捕集過程與主過程(host process)(例如，粉煤發(fā)電廠)進行熱整合，將有可能把用于該捕集過程的總體能耗減到最小并且將來自發(fā)電廠的電力輸出最大化。圖3中通過前面有“3 “的類似參考號指示了相對于圖1類似的部件，它描繪了圖 2的PCC設(shè)備的一種替代方案，其中，利用了該(X)2更貧乏的煙氣中的殘余氧來允許這些氣體在膨脹渦輪340中被膨脹之前將它們在一個燃燒器90中通過燃料燃燒而直接加熱。燃燒器90和渦輪340可以整合為一個點火式膨脹器。再次地，通過將這些加壓氣體預(yù)加熱， 有可能得到增大的膨脹性功。通過優(yōu)化該吸收器的操作壓力和預(yù)加熱的量、以及如何將該捕集過程與保存過程(例如，粉煤發(fā)電廠)進行熱整合，將有可能把用于該捕集過程的總體能耗減到最小并且將來自發(fā)電廠的電力輸出最大化。這個實施方案使用了燃氣中的殘余氧 (對于煤鍋爐是按體積計3%左右而對于氣體渦輪是 % )，取決于該煙氣的來源以及所去除的(X)2的量，該殘余氧在吸收器314中去除大部分(X)2之后將顯著增大。取決于該點火式膨脹器中使用的燃料的量，將有可能通過在渦輪之后、在煙囪327 處排放至大氣中之前使用一個熱交換器370來回收熱量或提供一種冷卻源。圖4中通過前面有“4”的類似參考號指示了相對于圖1類似的部件，它描繪了結(jié)合本發(fā)明的第二方面的一個實施方案的一種PCC設(shè)備。在這種情況下，省略了渦輪40和發(fā)電機42 (但在此強調(diào)它們可以在一個另外的變體中保持)并且離開吸收器滌氣器422的(X)2更貧乏的煙氣在逃逸控制反應(yīng)器500的一個室502中進行反應(yīng)，其中原始的(X)2富集的煙氣流的一個子流408在吸收器411上游的505 處被提取并且經(jīng)由一個旁通管508被傳送至反應(yīng)器500中。這個子流典型地包含氮的氧化物和/或硫的氧化物，它們通過與氨反應(yīng)以形成以上指出的銨化合物而實質(zhì)性地降低了游離氨的量。為了確保形成這些銨化合物，向該逃逸控制反應(yīng)器中添加過量的原始煙氣，范圍為原始煙氣的-10% (精確的量取決于該煙氣中SOx和NOx的具體濃度)。雖然這將會輕微提高排放至大氣的氣體中CO2的量，但這可以通過吸收器中為滿足CO2排放目標(biāo)所要求的增大的(X)2吸收來進行補償。然后來自逃逸控制反應(yīng)器500的清潔過的煙氣在一個填充的滌氣器450中被水洗從而在通過煙 427被排放至大氣中之前去除銨鹽。這個最后的氣體清潔步驟中的水通過泵453并且經(jīng)由冷卻器妨4被再循環(huán)，如在452處所指示的，直到這些銨鹽達到了一個顯著濃度，其中該用過的溶液有利的是與來自該吸收器的、并且用作肥料組分的用過的溶液進行混合。雖然(X)2吸收之后煙氣中的大多數(shù)游離氨將典型地在并入容器415頂部之中的初級滌氣器(冷水洗滌)422中被除去，但添加逃逸控制反應(yīng)器500和相關(guān)聯(lián)的滌氣器450使之能夠得到額外的靈活性·冷水的溫度可以更高，由此實質(zhì)性地降低所要求的冷卻能量以及水洗滌區(qū)段的尺寸。·氨逃逸的量可以通過優(yōu)化總體的吸收器后煙氣處理來控制。 與單獨使用常規(guī)的冷水洗滌相比，有可能在排放至大氣的(X)2貧乏的氣體中得到更低的氨濃度。
應(yīng)理解的是渦輪40和發(fā)電機42、預(yù)加熱器80、以及燃燒器90中的任何一個或多個可以結(jié)合到圖4的設(shè)備中，優(yōu)選是在反應(yīng)器500的下游。
權(quán)利要求
1.一種從含有(X)2的煙氣流中回收二氧化碳的方法，包括以下步驟使該氣流在高于大氣壓的氣壓下與一種水性溶劑系統(tǒng)接觸，以完成從該氣流中對CO2 的吸收，由此所述氣流變?yōu)橐粋€(X)2更貧乏的煙氣流；將該含有所吸收的(X)2的溶劑與該(X)2更貧乏的煙氣流分離以形成一個(X)2富集的溶劑流；使所述(X)2更貧乏的煙氣流以一種方式膨脹，由此這些(X)2更貧乏的煙氣被冷卻；并且通過與所述冷卻的煙氣進行熱交換來冷卻一個或多個工藝氣流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一個或多個工藝氣流包括所述含有ω2的煙氣流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述一個或多個工藝氣流包括一個(X)2貧乏的再生的溶劑流，因為它被返回用于所述接觸步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中，所述膨脹是在一個膨脹渦輪中進行的并且來自該膨脹的能量被回收。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，包括在所述膨脹的上游將所述(X)2貧乏的煙氣進行預(yù)加熱，以便在所述膨脹的過程中得到增強的膨脹功。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中，該水性溶劑系統(tǒng)是含有溶解的氨、 以及銨、碳酸根和碳酸氫根離子的一種水性溶劑系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，使這些(X)2更貧乏的煙氣在所述膨脹之前與水接觸，使水從中將氨溶解。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述一個或多個工藝氣流包括用于接觸這些CO2 更貧乏的煙氣以從中將氨溶解的所述水。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，使該煙氣流與該水性溶劑系統(tǒng)接觸以及使這些(X)2更貧乏的煙氣與水接觸的步驟是在一個普通容器中進行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8、或9所述的方法，包括在使所述(X)2更貧乏的煙氣與從中將氨溶解的水進行接觸之后，然后使這些(X)2更貧乏的煙氣與(X)2富集的煙氣的一個子流接觸， 該子流包含足夠的硫和/或氮的氧化物從而與所述(X)2更貧乏的煙氣中的一定比例的氨進行反應(yīng)；并且從這些(X)2更貧乏的煙氣中回收所述反應(yīng)的產(chǎn)物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述與所述子流的接觸的條件是使得所述反應(yīng)的產(chǎn)物包括亞硫酸銨、硫酸銨、亞硝酸銨以及硝酸銨中的一種或多種。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的方法，其中，該水性溶劑系統(tǒng)的溫度是大于 15°C。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的方法，包括將該含有(X)2的煙氣流在使之與該溶劑系統(tǒng)接觸之前進行冷卻。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的方法，進一步包括通過向該溶劑流施加熱量以脫附(X)2而從該(X)2富集的溶劑流中脫附C02。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的方法，進一步包括從該(X)2更貧乏的煙氣流的膨脹中回收能量、并且利用所述能量來發(fā)電或?qū)⑵溆迷谒霾襟E的上游或下游的一個工藝步驟中。
16.一種從含有CO2的煙氣流中回收二氧化碳的方法，包括使該氣流與一種含有溶解的氨、以及銨、碳酸根和碳酸氫根離子的水性溶劑系統(tǒng)接觸， 以完成從該氣流中對(X)2的吸收，由此所述氣流變?yōu)橐粋€(X)2更貧乏的煙氣流；將該含有所吸收的(X)2 (作為碳酸根、碳酸氫根以及CO2-))的溶劑與該(X)2更貧乏的煙氣流分離以形成一個CO2和/或碳酸氫根富集的溶劑流；使所述CO2-更貧乏的煙氣與從中將氨溶解的水接觸，該溶解的氨可以被再循環(huán)回所述溶劑系統(tǒng)中。此后使該(X)2更貧乏的煙氣與(X)2富集的煙氣的一個子流接觸，該子流包含足夠的硫和 /或氮的氧化物從而與所述(X)2更貧乏的煙氣中的一定比例的氨進行反應(yīng)；并且從這些CO2 更貧乏的煙氣中回收所述反應(yīng)的產(chǎn)物。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述與所述子流的接觸的條件是使得所述反應(yīng)的產(chǎn)物包括亞硫酸銨、硫酸銨、亞硝酸銨以及硝酸銨中的一種或多種。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，進一步包括通過向該溶劑流施加熱量以脫附 CO2而從該(X)2富集的溶劑流中脫附C02。
19.根據(jù)權(quán)利要求16、17或18所述的方法，其中，該水性溶劑系統(tǒng)的溫度是大于15°C。
20.根據(jù)權(quán)利要求16至19中任一項所述的方法，包括將該含有(X)2的煙氣流在使之與該溶劑系統(tǒng)接觸之前進行冷卻。
21.根據(jù)權(quán)利要求16至20中任一項所述的方法，其中，使該煙氣流與該水性溶劑系統(tǒng)接觸以及使這些(X)2更貧乏的煙氣與水接觸的步驟是在一個普通容器中進行的。
22.一種用于從含有(X)2的煙氣流中回收二氧化碳的裝備，包括一個吸收器段，用于使該氣流在大于大氣壓的氣壓下與一種水性溶劑系統(tǒng)接觸，以完成從所述氣流中對(X)2的吸收，由此所述氣流變?yōu)橐粋€(X)2更貧乏的煙氣流，并且用于將該含有該吸收的(X)2的溶劑與該(X)2更貧乏的煙氣流分離以形成一個(X)2富集的溶劑流；氣體膨脹裝置，用于使所述(X)2更貧乏的煙氣流以一種方式膨脹，由此這些(X)2更貧乏的煙氣被冷卻；以及用于通過與所述冷卻的煙氣進行熱交換來冷卻一個或多個工藝氣流的裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝備，包括一個冷卻器，該冷卻器是用于將該含有(X)2的煙氣流在它進入所述吸收器段之前進行冷卻。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝備，其中，所述用于冷卻一個或多個工藝氣流的裝置包括所述冷卻器。
25.根據(jù)權(quán)利要求22、23或?qū)λ龅难b備，其中，所述用于冷卻一個或多個工藝氣流的裝置包括熱交換聯(lián)接，該熱交換聯(lián)接用于將一個CO2貧乏的再生的溶劑流在它被返回所述吸收器段時對其進行冷卻。
26.根據(jù)權(quán)利要求22至25中任一項所述的裝備，其中，所述氣體膨脹裝置包括一個膨脹渦輪。
27.根據(jù)權(quán)利要求22至沈中任一項所述的裝備，包括用于在所述膨脹的上游將所述 CO2更貧乏的煙氣進行預(yù)加熱的裝置，以便在所述膨脹過程中得到增強的膨脹功。
28.根據(jù)權(quán)利要求22至27中任一項所述的裝備，其中，該水性溶劑系統(tǒng)是含有溶解的氨、以及銨、碳酸根和碳酸氫根離子的一種水性溶劑系統(tǒng)，并且提供了第一接觸裝置，通過該裝置這些(X)2更貧乏的煙氣與從中將氨溶解的水接觸，并且所述膨脹導(dǎo)致了殘余氨的進一步冷凝，提供了將殘余氨進行再循環(huán)的裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的裝備，其中，所述用于冷卻一個或多個工藝氣流的裝置包括用于對所述水進行冷卻的一種熱交換聯(lián)接，該水用于接觸這些(X)2更貧乏的煙氣從而由此溶解氨。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀或四所述的裝備，其中，所述吸收器段以及所述第一接觸裝置是由一個普通容器提供的，通過該第一接觸裝置使CO2更貧乏的煙氣與水進行接觸。
31.根據(jù)權(quán)利要求27、觀或四所述的裝備，進一步包括第二接觸裝置，該第二接觸裝置用于使該(X)2更貧乏的煙氣與(X)2富集的煙氣的一個子流進行接觸，該子流包含足夠的硫和/或氮的氧化物從而與所述(X)2更貧乏的煙氣中的一定比例的氨進行反應(yīng)；以及用于從這些(X)2更貧乏的煙氣中回收所述反應(yīng)的產(chǎn)物的裝置。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝備，其中，所述第二接觸裝置包括在所述第一接觸裝置下游的一個接觸室、以及用于將所述子流從所述吸收器段的上游傳送至所述接觸室的一個旁通管。
33.根據(jù)權(quán)利要求22至32中任一項所述的裝備，其中，所述膨脹裝置被構(gòu)型為由此從該膨脹中回收能量，并且其中提供了用于利用所述能量來發(fā)電或用在所述吸收器段的上游或下游的一個工藝步驟中的裝置。
34.一種用于從含有CO2的煙氣流中回收二氧化碳的裝備，包括一個吸收器段，用于使該氣流與含有溶解的氨、以及銨、碳酸根和碳酸氫根離子的一種水性溶劑系統(tǒng)接觸，以完成從所述氣流中對(X)2的吸收，由此所述氣流變?yōu)橐粋€(X)2更貧乏的煙氣流；并且用于將該含有所吸收的CO2的溶劑與該CO2更貧乏的煙氣流分離以形成一個 CO2和/或碳酸氫根富集的溶劑流，由此所述氣流變?yōu)橐粋€(X)2更貧乏的煙氣流；第一接觸裝置，用于使所述(X)2更貧乏的煙氣與從中將氨溶解的水接觸；第二接觸裝置，用于使這些(X)2更貧乏的煙氣與(X)2富集的煙氣的一個子流進行接觸， 該子流包含足夠的硫和/或氮的氧化物從而與所述(X)2更貧乏的煙氣中的一定比例的氨進行反應(yīng)；以及用于從這些(X)2更貧乏的煙氣中回收所述反應(yīng)的產(chǎn)物的裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝備，其中，所述第二接觸裝置包括在所述第一接觸裝置下游的一個接觸室、以及用于將所述子流從所述吸收器段的上游傳送至所述接觸室的一個旁通管。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或25所述的裝備，進一步包括用于將該溶解的氨再循環(huán)返回至該溶劑系統(tǒng)的裝置。
全文摘要
用于從含有CO2的煙氣流中回收二氧化碳的一種方法，包括以下步驟使該氣流在大于大氣壓的氣壓下與一種水性溶劑系統(tǒng)接觸，以完成從該氣流中對CO2的吸收，由此該氣流變?yōu)橐粋€CO2更貧乏的煙氣流；并且將該含有吸收的CO2的溶劑與該CO2更貧乏的煙氣流分離以形成一個CO2富集的溶劑流。使該CO2更貧乏的煙氣流以一種方式膨脹，由此這些CO2更貧乏的煙氣被冷卻，并且通過與這些冷卻的煙氣進行熱交換來冷卻一個或多個工藝氣流。在一方面，該水性溶劑系統(tǒng)包含溶解的氨、以及銨、碳酸根和碳酸氫根離子，以完成從該氣流中對CO2的吸收，由此該氣流變?yōu)橐粋€CO2更貧乏的煙氣流。在這種情況下，使這些CO2更貧乏的煙氣與從中將氨溶解的水接觸，可以將溶解的氨再循環(huán)返回至該溶劑系統(tǒng)中，并且此后使這些CO2更貧乏的煙氣與CO2富集的煙氣的一個子流進行接觸，該子流包含足夠的硫和/或氮的氧化物從而與這些CO2更貧乏的煙氣中一定比例的氨進行反應(yīng)。從這些CO2更貧乏的煙氣中回收該反應(yīng)的產(chǎn)物。還披露了用于進行這些方法的裝備。
文檔編號F01K25/14GK102170957SQ200980139074
公開日2011年8月31日 申請日期2009年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日
發(fā)明者路易斯·威伯利 申請人:聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織