CN101325995A - 从气流中脱除二氧化碳的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于这样的认识：可以将还含有水蒸气的工业气流的二氧化碳组分进行处理，以使用可从水蒸气组分中得到的潜热和/或显热中的任何一种以帮助将二氧化碳与气流中其余成份分开。例如，由燃烧褐煤、黑煤或天然气的发电厂所产生的烟道气本身含有有用量的能量，这些能量按照本发明可以产生动力。按照本发明特别优选的形式，通过与吸收介质直接接触，也可将氮和硫成份如SO_x和NO_x、H₂S和其它含氮化合物从气流中脱除，并用来生产副产物如肥料。

Description

从气流中脱除二氧化碳的装置和方法

发明背景

本发明涉及为了减少二氧化碳向环境的排放而从工业气流和排放物中脱除二氧化碳的装置和方法。

近150年来，大气中二氧化碳的浓度已从280ppm上升到370ppm，主要来自特别是用于发电厂和运输的化石燃料的用量的增加。然而，对消费者来说要迅速转变为通过使用替代的可再生能源来满足所有能源需求则成本很高、破坏经济性且目前在技术上不切实际。

需要减少二氧化碳的排放以使大气中二氧化碳浓度稳定并从长远来看降低大气中二氧化碳的浓度。用于显著降低大型二氧化碳排放装置如燃煤发电厂、水泥厂、气体处理设备和铁冶炼厂的排放量的有前景的技术包括从工艺气流中分离和捕集二氧化碳、压缩二氧化碳并随后以防止二氧化碳泄漏到大气的方式储存二氧化碳。

在食品和化学工业中从气流中捕集二氧化碳来生产富含二氧化碳的气流已经实践了一些时间。例如，天然气生产厂已经定期将二氧化碳与然后经由管道输送给用户的烃气体分离开。

简而言之，目前用于从气流中分离二氧化碳的技术包括：

●用物理溶剂例如甲醇和化学溶剂例如单乙醇胺(MEA)来吸收二氧化碳；

●用各种膜从气体中分离二氧化碳；

●将二氧化碳吸收到沸石和其它固体上；和

●低温分离。

这些方法可应用于多种工业气流。但是，当前可得的方法对从二氧化碳浓度低的大体积低压工业气流例如常规燃煤或燃气发电厂的烟道气中脱除二氧化碳并不特别有效。特别地，由发电厂产生的大量烟道气需要大量资本投资来处置这些烟道气，这看起来是一个主要障碍。另一个困难是将需要大量的能量来使二氧化碳从烟道气中分离后从溶剂或固体吸收介质中释放出来，所述大量的能量约为煤发电厂总生产量的30-40％。此外，例如膜分离之类的技术仍没有被充分放大到可用于在燃煤发电厂规模下捕集二氧化碳的水平。

因此本发明的目标是提供从工业气流中脱除二氧化碳的可供选择的方法和装置。

发明概述

本发明基于这样的认识：通过使用工业气流中水蒸气冷凝的显热和/或潜热形式的能量而使所述气流的二氧化碳组分可与气流的其余组分分离。例如，由燃烧褐煤或黑煤的发电厂所产生的烟道气本身含有有用量的水蒸气显热和潜热形式的能量，这些能量按照本发明可以产生动力。

具体地，按照本发明，提供了从处理装置的气流中脱除二氧化碳的方法，所述气流包括水蒸气和二氧化碳，和所述方法包括如下步骤：

a)通过使所述气流与吸收介质接触来从所述气流中提取二氧化碳；

b)使二氧化碳从所述吸收介质中挥发，以生成富含二氧化碳的产物料流；和

c)通过冷凝水蒸气而从气流中获得能量，并使用冷凝潜热作为热源来加热所述吸收介质来帮助二氧化碳按步骤b)进行挥发。

优选步骤c)还包括使用来自所述气流的显热作为热源来加热吸收介质。

按照本发明，还提供了从处理装置的气流中脱除二氧化碳的方法，所述气流包括水蒸气和二氧化碳，和所述方法包括如下步骤：

a)通过使所述气流与吸收介质接触来从所述气流中提取二氧化碳；

b)使二氧化碳从所述吸收介质中挥发，以生成富含二氧化碳的产物料流；和

c)以来自所述气流的显热形式从所述气流中获得能量，并使用所述能量作为热源来加热所述吸收介质以帮助二氧化碳按照步骤b)进行挥发。

优选的特特征在于前一段落中的步骤c)中还包括通过冷凝水蒸气而从气流中获得能量，并使用该冷凝潜热作为热源来帮助二氧化碳按照步骤b)进行挥发。

使用水蒸气的冷凝潜热和来自气流的显热作为热源来帮助二氧化碳从吸收介质中挥发的好处是使二氧化碳从所述气流中分离出来所需的外来能量最少化。

除非上下文中另有要求，否则本说明书全文中的术语“热量”是指以下二者之一或二者的结合：气流中水蒸气的冷凝潜热或是包括气流中水蒸气显热在内的气流的显热。

可以理解，本发明的步骤a)、b)和c)可以同时、相继或连续地在处理装置内适当设计的一个或多个设备项目中进行。但是，优选步骤a)在吸收塔内进行和步骤b)在处理装置的解吸塔内进行。

优选所述方法包括将吸收介质再循环的步骤，由此使步骤b)中已挥发出二氧化碳的吸收介质再用于按步骤a)与所述气流进行接触。

优选将步骤b)所产生的富含二氧化碳的气流进一步处理或储存，以避免泄漏到大气中。

优选步骤c)包括冷凝潜热或在步骤a)过程中和按步骤b)将二氧化碳从吸收介质中挥发出来之前传递给吸收介质的显热。适宜地，步骤b)在解吸塔内进行且在吸收介质进料至解吸塔之前向其传递潜热和显热。此外，可在按步骤b)挥发二氧化碳过程中向吸收介质传递能量。

优选地，步骤c)包括通过以下任一或组合途经向吸收介质传热：

●直接传热，其中冷凝水蒸气直接与吸收介质在吸收塔内接触；和

●间接传热，其中来自冷凝水蒸气的热经由一种或多种中间传热介质传递给吸收介质。

直接传热

优选地，通过在步骤a)中将含水蒸气的气流与吸收介质接触或混合来进行直接热量传递。换句话说，在此情形下，使用包括全部或部分水蒸气冷凝潜热或显热在内的气流中的热能和按步骤a)从气流中提取出二氧化碳适宜地在吸收塔内同时发生。

因此，通过将气流与吸收介质直接接触而使气流中的显热传递到吸收介质属于本发明的范围。该直接热量传递可通过许多其它方式发生，例如在将气流进料至吸收塔之前使其与吸收介质混合。例如，吸收介质与气流可在分离气流中的固体或其它杂质的旋风分离器中或任何其它并流或逆流的气液接触设备中进行接触。

还优选将吸收介质料流从吸收塔排出并经由热交换器网路返回或再循环到吸收塔，所述热交换器网路向吸收介质传热以帮助按步骤b)进行的挥发。

还优选将从吸收塔排出的所述吸收介质料流分成两股支流，其中一股支流经热交换器网路再循环或返回到吸收塔，和另一股支流按步骤b)进行挥发。在此情形下，在步骤a)中热量直接从气流传递到吸收介质，且吸收塔的整体操作温度至少部分受到从吸收塔取出的、被冷却并返回至吸收塔的一部分吸收介质料流的控制或操控。

为了将此热量用于从吸收介质中挥发二氧化碳，优选经由热交换器网路向一股或多股从解吸塔取出的吸收介质的侧流传热，或向位于解吸塔底部的加热吸收介质的再沸器供热。

优选热交换器网路是热泵，所述热泵包括含有传热介质例如水蒸气的闭合环路、两个或多个作为一个或多个冷凝器操作的热交换器和作为一个或多个蒸发器操作的其它热交换器，和用于对所述传热介质加压的压缩机和相关处理设备。在需要多个压缩机段的情形下，相关处理设备例如可包括一个或多个用来使传热介质冷却到工作温度的中间冷却器。热泵也可作为整体热集成策略的一部分与其它热源和散热器进行热集成。

在发生直接传热的情形下，吸收塔的操作温度可部分通过采用将吸收介质的支流冷却并再循环到吸收塔的方法来控制。但是，使用热泵或热交换器网路本身并不是直接传热的例子，而是可用来支持或促进直接传热应用的技术。

间接传热

间接传热包括在气流和吸收介质为脱除二氧化碳而接触或混合之前，不直接接触而从气流传热。优选在按步骤b)处理吸收介质之前将热量从气流传递至富含二氧化碳的吸收介质料流。

可在一段法或两段法中将热量传递至吸收介质。在一段法的情形下，通过热交换器将热量从气流传递到从吸收塔送至解吸塔的富含二氧化碳的吸收介质料流，然后按步骤b)从中挥发出二氧化碳。在按两段法传热的情形下，经由第一热交换器将热量从气流传递至从解吸塔送至吸收塔的贫二氧化碳的吸收介质料流，并经由第二热交换器将热量从贫二氧化碳的吸收介质料流传递至富含二氧化碳的料流，之后按步骤b)从中挥发出二氧化碳。采用一段或两段法将热量最终传递到吸收介质以帮助二氧化碳按步骤b)从吸收介质中挥发。

也有可能使用以上所述的热泵来促进向吸收介质的传热，以帮助二氧化碳按步骤c)进行挥发。

在另一个实施例中，有可能气流通过延伸穿过解吸塔底部的密闭通道而送入。该通道可按照能避免气流与吸收介质在解吸塔内混合但允许从气流向吸收介质传热的管、板或任何其它结构布局来定义。

冷凝水蒸气与吸收介质之间发生间接传热的实例是水蒸气和吸收介质位于热交换器的两侧。特别地，优选本发明的步骤c)包括将气流送入热交换器的一侧，在那里水蒸气被冷凝并将热量传递给从热交换器另一侧送入的吸收介质。

而且，甚至更优选步骤c)包括在吸收介质已经在步骤a)中与气流接触之后向吸收介质传热。

除了使用潜热和显热作为热源向吸收介质传热外，本发明所属技术领域的技术人员将认识到吸收介质的温度也可因二氧化碳与吸收介质间的反应热而升高。但是，要正视的是，由反应热所引起的吸收介质的任何温度变化与吸收介质因气流供热而产生的温度变化相比是相对微小的。

优选步骤b)包括降低富含二氧化碳的吸收介质所经受的操作压力，以使二氧化碳从吸收介质中闪蒸出去。

甚至更优选在比步骤a)的实施压力低的操作压力下实施步骤b)，所述步骤a)包括从所述气流中提取二氧化碳。

甚至更优选解吸塔配有真空以使解吸塔能在低于大气压的压力下操作。

优选吸收介质是含碱金属碳酸盐例如碳酸钾或碳酸钠的溶液且可包括或可不包括用来增强吸收动力学的活化剂或促进剂。碱金属碳酸盐溶液展现了使它们在低压下按步骤c)进行挥发的情形(例如从发电厂烟道气中燃后捕集二氧化碳的情形)下有益的特性。而且，活性组分的低挥发度允许在升高的温度下进行处理，这允许潜热和高温显热两种形式的热都被用作能量源，从合成气料流中燃前捕集二氧化碳就是实例。

或者，吸收介质可以是含有氮化合物如氨基酸和胺类如单乙醇胺(MEA)作为主要吸收剂的溶液。此外，吸收介质也可包括一种或多种补充所述氮化合物的常规活化剂或促进剂。

当吸收介质是含有碳酸钾的溶液形式时，所述提取可在比使用常规物理或化学溶剂的现有技术更高的温度条件下操作。除碱金属碳酸盐之外的一些常规溶剂所面临的障碍是活性组分的挥发度。正如本说明书后面详细所述，吸收介质中的钾或任何其它碱性矿物还能与氮化合物以及各种含硫化合物如硫化氢和SO_x反应，和因此可从所述工艺装置中省去用来脱除SO_x和NO_x和其它含硫或含氮化合物的上游工艺。

我们发现，吸收塔和特别是解吸塔的具体操作温度和压力对可从气流传递到吸收介质的可用热量的量有很大影响。最佳操作条件可最终取决于与工艺装置中所含的其它单元操作的热集成考虑。本发明可用于包括工业气流处理在内的广泛用途。以上提到的发电厂烟道气是这类气流的实例，且烟道气可更广义地被描述为燃烧后气流。本发明也可用于从合成气料流(例如煤炭气化过程所生成的那些)中脱除二氧化碳。气化过程包括燃料的部分氧化，并且可用空气、氧气或富氧空气中的任一种来实施以生成可燃的合成气料流。

为了从合成气料流中提取出大批的碳，使其经过水煤气转化反应，该水煤气转化反应将任何残留的碳或一氧化碳转化为二氧化碳以在燃烧或进一步处理之前分离。

在工业意义上，合成气料流通常被称为燃前气流，且下面将描述本发明有关燃后气流和燃前气流的细节。

燃后气流

在燃后气流例如来自发电厂的低压烟道气的情形下，优选按步骤c)吸收介质的温度升高0-60℃。

在吸收介质处于溶剂溶液形式的情形下，优选贫二氧化碳且进料至吸收塔以实施步骤a)的溶剂溶液的温度为40-70℃，和适宜地为55-60℃。

优选富含二氧化碳且进料至解吸塔以实施步骤c)的溶剂溶液的起始温度为55-90℃，和适宜地为60-85℃。

在吸收介质是含有碱金属碳酸盐、优选碳酸钾的溶液且吸收介质的温度落在上述范围内的情形下，碳酸钾的浓度优选为20-40％(以重量计)。最后，吸收介质的活性组分例如碳酸钾的浓度将基于该物质在工艺操作温度下的溶解度。

优选在100-150kPa绝压、适宜地约为100kPa(1巴)的压力下实施步骤a)中的二氧化碳提取。

优选在5-60kPa绝压、适宜地约为30kPa(0.3巴)的压力下实施步骤b)中的二氧化碳挥发。

燃前气流

气化工艺可在很宽的压力范围下操作，一般为2000-6500kPa，和因此离开水煤气转化反应器的合成气料流的温度可在很宽范围内变动，一般为250-400℃。提取操作参数将根据氧化方法而变化。

离开水煤气转化反应器的热合成气料流进行常规冷却，以便在低温脱除段脱除二氧化碳。以常规方式将移出的热集成到发电厂的能量循环中。

在吸收介质是含有碱金属碳酸盐且优选碳酸钾的溶液的形式的情形下，本发明能使燃前气流中的高温高压水蒸气提供热量，并因此帮助从吸收介质中脱除二氧化碳。

换句话说，在所述气流例如是燃前合成气的情形下，按本发明二氧化碳在吸收塔中的吸收可在大大高于常规方法的温度和压力下实施。

这样做有几个好处：

●本方法从使用水蒸气作为热源以帮助二氧化碳的脱除中获益。

●潜在地允许合成气发生器中更好的热集成，因此可节省操作和投资成本。

●允许对装置例如汽化器做以前因吸收段的流体低温限制而不可能的改进。

●允许操控发生提取和挥发步骤的吸收塔和解吸塔周围的水平衡。

●允许操控吸收塔周围的水平衡。

在所述气流是燃前气流的情形下，优选在1000-8000kPa、优选2500-6500kPa绝对压力下实施步骤a)中的二氧化碳提取。

优选在100-4500kPa、优选300-4000kPa绝对压力下实施步骤b)中的二氧化碳的挥发。

要理解的是，进料至吸收塔的富含二氧化碳的气流的温度和压力在很大程度上将根据上游操作而变化。而且，进入和离开吸收塔的溶剂或吸收介质的温度也将取决于上游操作、所期望的离开吸收塔的水分压和整个装置的能量集成。解吸塔操作条件除了受限于所需的二氧化碳脱除外还将取决于整个装置的能量集成。提供给产物气体压缩机的二氧化碳的压力将因此而改变并可为二氧化碳捕集的总成本提供其它益处。例如，进料至吸收塔的气体温度可不限于可能的温度，可以为45至几百度。类似地，进料至吸收塔的溶剂溶液可为45至几百摄氏度。

当所述吸收介质是贫二氧化碳的溶液形式且进料至吸收塔以实施步骤a)时，进料至吸收塔的溶液的起始温度优选为80-250℃，适宜地为120-230℃。

当所述吸收介质是溶液形式且同时进行步骤a)和c)时，所述富含二氧化碳的溶液的温度为110-280℃。

在吸收介质是含碱金属碳酸盐、优选碳酸钾的溶液且吸收介质的温度落在处理燃前气流所涉及的范围内的情形下，碳酸钾的浓度优选为30-60％(以重量计)。最后，吸收介质的活性组分例如碳酸钾的浓度将基于该物质的溶解度和工艺操作温度。

不管待处理的气流是燃前还是燃后气流，当该气流含有硫和/或氮成份且吸收介质是碳酸钾形式时，优选步骤a)还包括从该气流中提取含硫和/或含氮化合物。

还优选所述方法包括排出产物料流，所述产物料流包括钾或任何其它碱性矿物以及硫成份和氮成份的任一种或组合。而且，按照本发明，提供了含有钾以及硫和氮的任一种或组合的物质，它就是或者说产自前面一段所提到的产物料流。

要理解的是，可进一步处理产物料流和得到的物质以生产有价值的产品如农肥。

按照本发明，还提供了用来从气流中脱除二氧化碳的装置，所述装置包括：

a)通过所述气流的吸收塔，其中当所述气流通过该吸收塔时，通过接触吸收介质从所述气流中提取二氧化碳，以使得从该吸收塔排出的气流是相对贫二氧化碳的；和

b)解吸塔，将已在所述吸收塔中加载二氧化碳的吸收介质送入到该解吸塔中，和其中二氧化碳在该解吸塔中从所述吸收介质中挥发，

和因此所述气流还包括水蒸气，和在该装置的操作过程中，所述气流中的水蒸气在如下情形中的任一种或组合下冷凝：i)在所述气流进料至吸收塔之前或ii)当所述气流通过吸收塔时，且水蒸气的冷凝提供了热源，该热源允许向吸收介质直接或间接传热以帮助二氧化碳的挥发。

按照本发明，还提供了用来从气流中脱除二氧化碳的装置，所述装置包括：

a)通过所述气流的吸收塔，其中当所述气流通过该吸收塔时，通过接触吸收介质从所述气流中提取二氧化碳，以使得从该吸收塔排出的气流是相对贫二氧化碳的；和

b)解吸塔，将已在所述吸收塔中加载二氧化碳的吸收介质送入到该解吸塔中，和其中二氧化碳在该解吸塔中从所述吸收介质中挥发，

和因此在所述装置的操作过程中，将来自气流显热形式的热能直接或间接传递给吸收介质以帮助二氧化碳在该解吸塔中挥发。

在向吸收介质直接传热以控制或操控吸收塔的操作温度的情形下，优选将吸收介质料流从吸收塔排出，并在已经将热量传递给吸收介质例如解吸塔中的吸收介质以帮助二氧化碳从该吸收介质挥发之后，返回或再循环到吸收塔。该装置优选包括用于传热以帮助二氧化碳挥发的热泵。优选该热泵是在上面标题为“直接传热”中所描述的热泵。

在将水蒸气间接传递到吸收介质的情形下，该装置优选还包括热交换器，且优选将含有水蒸气的气流进料至该热交换器的一侧，在那里水蒸气发生冷凝，而吸收介质进料至该热交换器的另一侧。

所述吸收塔和解吸塔优选在上述与本发明的方法相关的操作参数的任一种或组合下进行操作。

更具体地，就吸收塔和解吸塔的操作压力而言，优选解吸塔的操作压力低于吸收塔的操作压力。本发明的这个方面所提供的优点是当进料至解吸塔中时，一定量的二氧化碳将自发地从吸收介质中闪蒸出来。

在所述气流是燃后气流如燃煤发电厂的烟道气的情形下，吸收塔的操作压力优选为100-150kPa绝压，且操作在真空条件下的解吸塔的操作压力为5-60kPa绝压。

在所述气流是燃前气流的情形下，吸收塔的操作压力优选为2500-6500kPa绝压，且解吸塔的操作压力为300-4000kPa绝压。

而且，如上面本发明的方法的相关描述，当所述气流包括含氮化合物和含硫化合物且吸收介质是碱金属碳酸盐、适宜地为碳酸钾形式时，优选在吸收塔中将所述含氮化合物或含硫化合物从气体中提取出来。然后可将包括含氮和含硫的碱金属盐的产物料流沉淀并从装置中排出。所提供的优点在于，特地打算用来脱除含氮和含硫化合物的额外的上游单元操作可成为多余。

本发明的装置还可包括上述本发明的方法的特点的任何一种或组合，包括：

●吸收塔和解吸塔的具体的操作温度和压力范围；

●用来脱除颗粒物的旋风分离器或其它并流或逆流气液接触器，将所述气流和吸收介质进料到其中并进行接触以使得它们之间可直接传热；

●在向吸收介质直接传热过程中，从所述气流中吸收包括含硫和含氮化合物的杂质；和

●热交换器网路，包括用来从所述气流向吸收介质直接和间接传热的热交换器和/或热泵。

附图简述

现在将参照附图描述本发明，其中：

图1是图解说明按本发明实施方案的工艺的三个步骤的框图。

图2是按照用于实施图1所示工艺的优选实施方案的基本流程图。

图3和5是用于处理燃煤发电厂烟道气形式的燃后气流的流程图的实例，这些流程图包括从烟道气向溶剂溶液的间接显热传递。

图4和6是提供图3和5所示料流的热力学性质和组成的表。

图7和9是用于处理燃煤发电厂烟道气形式的燃后气流的流程图的实例，这些流程图包括直接向溶剂溶液传递烟道气的显热和烟道气中水蒸气的冷凝潜热；和

图8和10是提供图7和9所示料流的热力学性质和组成的表。

图11是用于处理例如由鼓风气化装置所产生的燃前气流的流程图的实例，这些流程图包括直接向溶剂溶液传递所述气流的显热和水蒸气的冷凝潜热；和

图12提供了图13所示料流的热力学性质和组成。

发明详述

图2所示的流程图和图3、5、7、9、11和13所示的实施例流程图包括许多相同或基本等同的特征，为简便起见，这些特征将仅参照图2来描述。

正如下文更详细地解释的，图中所示的优选实施方案和实施例不可能孤立存在且实际上是采用例如夹点分析技术(pinch Analysis)集成到处理装置例如燃煤或燃气发电厂、水泥厂或天然气生产厂或任何其它二氧化碳工业源中的。但是，出于描述本发明的目的，图中所示的工艺现在将参照图中所示的流程图进行描述。

参照图2，优选的实施方案包括将含二氧化碳的气流、适宜是发电厂的低压烟道气如实线10所示进料至吸收塔11底部。吸收塔11适于使该气流和吸收介质间的接触最大化，且例如可以是填料塔，含塔板的塔或其它任何气/液接触设备。将优选为碳酸钾溶液形式的吸收介质作为料流15进料至吸收塔11的顶部，并按与气流逆流流动的方式在塔内向下流动。吸收介质从气流中提取二氧化碳，并将基本上不含二氧化碳的产物气流12从吸收塔11的顶部排出。取决于产物气流12的预期目的，可将气流12按需要进一步处理和/或排放到大气中。无论如何，吸收塔11的目的都是减少气流中二氧化碳的含量，并因此减少排放到大气的二氧化碳总量。

富含二氧化碳的溶剂溶液料流13从吸收塔11的底部排出并进料至解吸塔14的顶部，在那里二氧化碳从溶剂溶液中挥发，和贫二氧化碳的溶剂溶液料流15从解吸塔14的底部排出并再循环到吸收塔11，在那里它再次与气流接触。从图2可见，可使用热交换器在料流13和15间传热。具体地，为了帮助二氧化碳在解吸塔15中挥发，可以从贫二氧化碳的料流15向富含二氧化碳的料流13传热。

富含二氧化碳的产物气流17从解吸塔14的顶部排出并在回流热交换器20中冷却，在回流热交换器20中水被冷凝以形成水产物料流25。然后将冷却的气流进料至多级压缩机18a和18b，所述多级压缩机可被设计用来在解吸塔14中造成真空。水产物料流25可以部分或全部返回到包括吸收塔11和解吸塔14的所述装置中。将水返回所述装置或从所述装置中取出的速率将取决于多个装置操作因素，包括料流10的水蒸气在吸收塔11中的冷凝速率。

解吸塔14的底部也可包括常规的再沸器21，它向溶剂溶液供热以使溶剂溶液中残留的二氧化碳挥发。

按照本发明的优选实施方案，将工艺气流中的水蒸气保留并冷凝，以使冷凝潜热用作热源来直接或间接向溶剂溶液传热或直接向解吸塔传热，以减少必须由再沸器21提供的能量。此外，正如下面参照实施例的更详细解释，也可通过有或没有水蒸气冷凝的直接或间接方法从气流向溶剂溶液传热。在直接向溶剂溶液传递潜热的情形下，水蒸气在吸收塔11中冷凝且冷凝的水蒸气与溶剂溶液一起从吸收塔11排出。在至少部分热是间接传递到溶剂溶液的情形下，含二氧化碳和水蒸气的气流10被分流或改变方向，以便通过冷凝器热交换器22的一侧，如虚线23所示，和富含二氧化碳的溶剂溶液料流13也被分流或改变方向，并从冷凝器22的另一侧进料，如虚线24所示，然后进料至解吸塔14。

尽管图2未示出，但本发明所属领域技术人员将理解，也可从吸收塔11或解吸塔14取出一股或多股侧线料流，并取决于整体热集成选择，与其它适当料流进行热交换。

在气流10是黑煤或褐煤或是煤气燃烧所产生的烟道气的情形下，要正视的是，吸收溶液将在45-60℃的温度下进料至吸收塔11，和气流中的水蒸气将在吸收塔11中冷凝，这可使吸收溶液的温度优选升高至少25℃。换句话说，从解吸塔排出的富含二氧化碳的吸收溶液料流13的温度可为55-90℃。

而且，为进一步减少为使二氧化碳从吸收溶液中挥发所必须由再沸器提供的能量的量，优选解吸塔14在操作压力低于吸收塔11的操作压力下进行操作。更具体地，在进料至吸收塔11的气流是燃烧褐煤、黑煤或煤气的发电厂所产生的烟道气时，优选吸收塔11的操作压力为100-150kPa绝压，和解吸塔14的操作压力为5-60kPa绝压。

本发明基于这样的认识：工艺气流的水蒸气组分和显热可加以利用以减少必须由解吸塔14的再沸器21所提供的能量的总量。按照常规方法，通常要在上游处理操作中将水蒸气从工艺气流中脱除或冷凝。例如，常用的实践是，在涤气操作过程中从燃煤发电厂所产生的烟道气中脱除水蒸气，以在经由烟筒排放之前提取对环境有害的SO_x和NO_x成份。

但是，使用碳酸钾溶剂溶液而不是常规的胺溶剂的优点之一是碳酸钾除了与二氧化碳反应外还与硫化氢、SO_x、NO_x和其它氮成份反应，从而减少甚至消除用于从气流中脱除硫化氢、SO_x、NO_x或氮化合物的常规涤气段的需要。因此，如果进料至吸收塔11的气流含有硫和/或氮反应性成份且溶剂是碳酸钾形式，为避免装置中积累硫和氮，可将副产物料流排出，且可向装置中加入新鲜补充的碳酸钾或氢氧化钾。

含有钾和硫或钾的任一种或组合的副产物料流可被进一步处理以生产有价值的物质例如肥料。

实施例

下列实施例涉及包括使用未助活化的碳酸钾溶剂的流程图。但是，正如上文所解释的，吸收介质可含有活性组分的任一种或组合，所述活性组分包括但不限于碱金属碳酸盐、氨基酸和胺，其中活性组分可以是助活化的或未助活化的，这些也属于本发明的范围。

实施例3和4

图3所示的流程图类似于图2所示的流程图，并包括吸收塔、解吸塔和再沸器以及若干专为处置来自褐煤燃烧发电厂的烟道气的其它单元操作，例如风机。概括而言，将已在直接接触冷却器(DCC)(它实质上是用来脱除冷凝水的气液分离罐)和热交换器HX1A中预处理的标为FGAS4的烟道气流进料至吸收塔。处理后的贫二氧化碳的烟道气作为料流TFGAS从吸收塔排出，和将贫二氧化碳的溶剂料流作为料流SOL1进料至吸收塔，和富含二氧化碳的溶剂料流作为料流SOL2进料至吸收塔。富含二氧化碳的料流SOL4经节流阀进料至解吸塔，和贫二氧化碳的料流SOL5经热交换器HX1A、HX1和HX3返回吸收塔。富含二氧化碳的料流作为料流CCO2从解吸塔排出。

图3是经由热交换器HX1A和HX1来使用烟道气中的显热加热加载的溶剂料流(即SOL2)的实施例。从图4可见，烟道气的温度从185℃下降到92℃，然后在于吸收塔中进行处理之前将烟道气进料至DCC单元以使残留水从烟道气中冷凝。将料流FGAS1直接进料至DDC的情形与绕过热交换器HX1A的情形进行比较，再沸器的负荷约为4.02MJ/kg捕集的二氧化碳。相比之下，按图3所示的方式使用可得的热量，再沸器的热负荷可减少到约3.91MJ/kg捕集的二氧化碳。

图4所提供的料流组成没有包括杂质如含硫化合物的细节。实际上，未处理的烟道气料流将包括150到几千ppm的含硫化合物。过去，脱除硫化合物需要包括烟道气脱硫装置，该装置将从烟道气料流中基本脱除水蒸气组分。按本发明的方式脱硫可利用所述水蒸气且可免去或减少对此类设备的需求。

在此例中，所选溶剂是碳酸钾，且其盐包括在图4中的料流组成中。尽管使用碱金属碳酸盐以外的其它物质可能失去脱硫的益处，但先前述及的其它溶剂同样可用来实现所述溶剂的功能。

此外，就图3所示流程图的操作而言，控制清洗水或从流程中排水的速率很重要，这由经由料流MKUPH20向吸收塔所提供的水量、经由料流FGASH、料流CCO2H1、料流CCO2W1和CCO2W所排出的水量来操控。

图5和6

图5所示的流程图基本与图3所示的流程图相同，不同之处是如虚线HSTREAM1所示，将热交换器HX1A布置成向再沸器供热而不是向贫二氧化碳的溶剂溶液料流SOL2供热。可以以任何方式实现如HSTREAM1所指出的向再沸器传递热负荷，例如在交换器HX1A与再沸器之间传输流体。HSTREAM1所提供的能量等于0.54MJ/kg捕集的二氧化碳，和再沸器的热负荷QREB＝3.48MJ/kg捕集的二氧化碳。即比图3所示流程中的再沸器减少了0.43MJ/kg捕集的二氧化碳。

图7和8

图7所示的流程图基本与图2所示的流程图相同，不同之处是没有热交换器。具体地，此流程是通过使两股料流在吸收塔中接触的方式从烟道气向溶剂溶液直接传递冷凝潜热和显热的实施例。在操作过程中，烟道气FGAS2在170℃下进入吸收塔，并作为料流TFGAS在约68.6℃下从吸收塔排出。向溶剂溶液传热使溶剂温度从55℃升到78.5℃。将富含二氧化碳的溶剂溶液在78.5℃下直接进料至在0.3巴减压下操作的解吸塔中。

再沸器的热负荷QREB＝5.8MJ/kg捕集的二氧化碳。

图9和10

在显热和潜热在吸收塔中直接从烟道气FGAS2传递至溶剂溶液的意义上，图9所示的流程图类似于图7所示的流程图。此外，为了进一步增强烟道气中的热的利用和控制吸收塔的操作温度，将吸收塔排出的富含二氧化碳的料流SOL3分成两股料流SOL4和SOL5，SOL4先经由热交换器HX1冷却然后返回吸收塔，SOL5先经由热交换器HX2加热然后进料至解吸塔。热交换器HX1形成可用来补充解吸塔再沸器热负荷的热泵布局的一部分，且其中热交换器HX1和HX4分别起到蒸发器和冷凝器的作用。包括所述热泵的料流的热力学性质在内的热泵布局的详情示于图12。虽然图9中所示的热泵包括代表蒸发器和冷凝器的单一的压缩机和单一的热交换器，但应知道，可能需要多个蒸发器或冷凝器，和整个压缩机的温度曲线可能需要实施带有中间冷却的多段压缩步骤。

图11和12

图13的流程图是如下工艺的实施例：在吸收塔中将包括来自进料气流的潜热和显热在内的热能传递给溶剂溶液，以此来减少解吸塔的再沸器热负荷并控制由吸收塔排出的气体(即料流TFGAS)中的含水量。

以FGAS表示的进料气流是合成气料流例如由鼓风气化装置所产生的料流。下游处理优选减少气流中二氧化碳的含量并控制水的分压。

图11是这样的实施例，其中将可在升高的压力和温度下得到的且含有约15％(质量)饱和水蒸气的料流FGAS进料至吸收塔，以使至少部分水蒸气组分在吸收塔中冷凝。简单分析一下图12所提供的数值，约185.1吨/小时的水蒸气经由料流FGAS进入吸收塔，并在88.7吨/小时的速率下作为气相料流TFGAS离开吸收塔。这等于是向溶剂传递了大量热能，并是将穿过吸收塔的溶剂的温度升高30℃的主要原因，参见图12中的料流SOL1和SOL2。水蒸气在吸收塔冷凝与解吸塔在较低操作压力下进行操作相结合使得由水蒸气中得到的热能最终能用于帮助二氧化碳在解吸塔中从溶剂中挥发。

通过控制贫溶剂料流SOL1的温度，可以控制脱水量，以达到所需能量和气流中水分压的目标。

图12所提供的料流组成没有包括某些组分如硫的具体数值，实际上，FGAS料流将包括100至几千ppm的硫化合物以及氮化合物。

在此例中，所选溶剂是碳酸钾，且其盐包括在图12中的料流组成中。碳酸钾或任何其它非挥发性溶剂如碳酸钠可同等地用于不同程度地脱除二氧化碳、硫化合物和氮化合物。

此外，就图12所示流程图的操作而言，控制清洗水或排放水的速率很重要，和这关系到水蒸气从FGAS料流中冷凝的速率。在图11所提供的流程图的情形下，清洗水或排放水的速率是由贫溶剂料流的温度控制的，此温度高于我们已知的任何其它先前操作，这是本方法的独特之处。

在本实施例中，按照该实施例使用来自FGAS料流中的水蒸气使再沸器的热负荷减少到2.68MJ/kg捕集的CO₂。这些装置的能量集成高度依赖于各自的工艺条件且变动很大。

本发明所属领域的技术人员将知道，可以对上述优选实施方案进行许多改进和变动，而不背离本发明的主旨和范围。

例如，根据处理装置例如燃煤发电厂的总的热需求，有可能的是，来自下列任一个或多个其它来源的热量也可以用来进一步减少必须由吸收溶液的再沸器21(图2中)提供的能量的总量：

●来自回流冷凝器20(图2中)的能量；

●来自多级压缩机中间冷却器19(图2中)的能量；

●贫溶剂冷却器；和

●当将优选的实施方案集成到发电厂中时，其它可得的能量源，例如为补充动力来运行二氧化碳捕集装置所需要的基础电厂或其它辅助电厂的锅炉进水。

能量集成将考虑所有热源和散热器，并优选采用例如夹点技术实现最小能量系统。

Claims (55)

1.从处理装置的气流中脱除二氧化碳的方法，所述气流包括水蒸气和二氧化碳，所述方法包括如下步骤：

a)通过使所述气流与吸收介质接触来从所述气流中提取二氧化碳；

b)使二氧化碳从所述吸收介质中挥发，以生成富含二氧化碳的产物料流；和

c)通过冷凝水蒸气而从所述气流中获得能量，并使用冷凝的水蒸气的冷凝潜热作为热源来加热所述吸收介质来帮助二氧化碳按步骤b)进行挥发。

2.权利要求1的方法，其中步骤c)还包括使用所述气流的显热作为热源来加热所述吸收介质。

3.从处理装置的气流中脱除二氧化碳的方法，所述气流包括水蒸气和二氧化碳，所述方法包括如下步骤：

a)通过使所述气流与吸收介质接触来从所述气流中提取二氧化碳；

b)使二氧化碳从所述吸收介质中挥发，以生成富含二氧化碳的产物料流；和

c)以来自所述气流的显热形式从所述气流中获得能量，并使用所述能量作为热源来加热所述吸收介质以帮助二氧化碳按照步骤b)进行挥发。

4.权利要求3的方法，其中步骤c)包括通过冷凝水蒸气从所述气流中获得能量，并使用冷凝潜热作为热源来帮助二氧化碳按照步骤b)进行挥发。

5.权利要求1-4的任一项的方法，其中步骤c)包括先向所述吸收介质传热，然后按步骤b)将二氧化碳从所述吸收介质中挥发出来。

6.权利要求1-5的任一项的方法，其中步骤b)在解吸塔内进行且在将所述吸收介质进料至解吸塔之前向所述吸收介质传热。

7.权利要求1-6的任一项的方法，其中步骤c)包括通过将所述气流直接与所述吸收介质接触的直接传热来向所述吸收介质传热。

8.权利要求7的方法，其中所述气流与所述吸收介质在吸收塔或其它任何容器如旋风分离器内混合。

9.权利要求7的方法，其中吸收介质料流从实施步骤a)的吸收塔排出并经热交换器网返回或再循环到所述吸收塔，所述热交换器网向吸收介质传热以帮助二氧化碳按照步骤b)进行挥发。

10.权利要求9的方法，其中从所述吸收塔排出的所述吸收介质料流被分成两股支流，其中一股支流经由所述热交换器网路再循环或返回到所述吸收塔，和另一股支流按步骤b)进行挥发。

11.权利要求9或10的方法，其中经由热交换器网向一或多股自解吸塔取出的吸收介质的侧流传热，或向位于解吸塔底部的加热吸收介质的再沸器供热。

12.权利要求9到11的任一项的方法，其中所述交换器网是热泵，所述热泵包括含有传热介质的闭合环路、两个或多于两个作为一个或多个冷凝器和一个或多个蒸发器操作的热交换器和用于对所述传热介质加压的压缩机。

13.权利要求1-12的任一项的方法，其中步骤c)包括通过经由一种或多种中间传热介质向所述吸收介质传热的间接传热来向所述吸收介质传热。

14.权利要求13的方法，其中通过热交换器将热量从所述气流传递到从所述吸收塔送至所述解吸塔的富含二氧化碳的吸收介质料流。

15.权利要求13的方法，其中经由第一热交换器将热量从所述气流传递至从所述解吸塔送至所述吸收塔的贫二氧化碳的吸收介质料流，和经由第二热交换器将热量从已在第一热交换器中加热的贫二氧化碳的吸收介质料流传递至进料至所述吸收塔的富含二氧化碳的料流。

16.权利要求1-15的任一项的方法，其中所述吸收介质是含有氨基酸、碱金属碳酸盐或胺的任何一种或组合的溶液。

17.权利要求1-16的任一项的方法，其中步骤c)包括将所述吸收介质的温度升高0-55℃。

18.权利要求1-17的任一项的方法，其中步骤b)包括降低富含二氧化碳的吸收介质所经受的操作压力，以使二氧化碳从所述吸收介质中闪蒸出去。

19.权利要求1-18的任一项的方法，其中在比步骤a)的实施压力低的操作压力下实施步骤b)，所述步骤a)包括从所述气流中提取二氧化碳。

20.权利要求1-19的任一项的方法，其中步骤b)处于低于大气压的压力下。

21.权利要求1-20的任一项的方法，其中所述吸收介质是溶液形式且当贫二氧化碳并进料至吸收塔以实施步骤a)时，所述溶液的起始温度为40-70℃。

22.权利要求21的方法，其中所述吸收介质的温度为55-60℃。

23.权利要求21或22的方法，其中所述吸收介质是溶液形式且当富含二氧化碳并进料至解吸塔以实施步骤c)时，所述溶液的起始温度为55-90℃。

24.权利要求23的方法，其中所述吸收介质的温度为60-85℃。

25.权利要求21-24的方法，其中在100-150kPa绝压压力下实施步骤a)中的二氧化碳提取过程。

26.权利要求25的方法，其中所述压力约为100kPa绝压(1巴)。

27.权利要求21-26的任一项的方法，其中在5-60kPa绝对压力下实施步骤b)中的二氧化碳的挥发。

28.权利要求27的方法，其中所述压力约为30kPa(0.3巴)。

29.权利要求1-28的任一项的方法，其中所述吸收介质是以重量计含有20-40％的碳酸钾的溶剂溶液。

30.权利要求1-19的任一项的方法，其中在1000-8000kPa绝对压力(10-80巴)下实施步骤a)中的二氧化碳的提取。

31.权利要求1-19的任一项的方法，其中在2500-6500kPa绝对压力(25-65巴)下实施步骤a)中的二氧化碳的提取。

32.权利要求1-19的任一项的方法，其中在100-4500kPa绝对压力(1-45巴)下实施步骤b)中的二氧化碳的挥发。

33.权利要求1-19的任一项的方法，其中在300-4000kPa绝对压力(3-40巴)下实施步骤b)中的二氧化碳的挥发。

34.权利要求30-33的任一项的方法，其中所述吸收介质是溶液形式且当贫二氧化碳并进料至吸收塔以实施步骤a)时，所述溶液的起始温度为80-250℃。

35.权利要求34的方法，其中所述溶液的起始温度为120-230℃。

36.权利要求30-35的任一项的方法，其中所述吸收介质是溶液形式且所述溶液已经同时经过步骤a)和c)，所述溶液的温度为110-280℃。

37.权利要求30-36的任一项的方法，其中所述吸收介质是以重量计含有30-60％的碳酸钾的溶剂溶液。

38.权利要求1-37的任一项的方法，其中所述方法包括将所述吸收介质再循环的步骤，由此使步骤b)中已挥发出二氧化碳的吸收介质按照步骤a)再用于与所述气流接触。

39.权利要求1-38的任一项的方法，其中当所述气流含有硫和/或氮成份且所述吸收介质是溶剂溶液时，步骤a)还包括从所述气流中提取含硫和/或含氮化合物。

40.权利要求39的方法，其中所述方法包括排出产物料流，所述产物料流包括硫成份和氮成份的任何一种或组合。

41.从气流中脱除二氧化碳的装置，所述装置包括：

a)通过所述气流的吸收塔，其中当所述气流通过所述吸收塔时，通过接触吸收介质从所述气流中提取二氧化碳，以使得从所述吸收塔排出的气流是相对贫二氧化碳的；和

b)解吸塔，将已在所述吸收塔中加载二氧化碳的吸收介质送入到所述解吸塔中，和其中二氧化碳在所述解吸塔中从所述吸收介质中挥发出去，

而且由此所述气流还包括水蒸气，和在所述装置的操作过程中，所述气流中的水蒸气在如下情况的任何一种或组合中被冷凝：i)在所述气流进料至所述吸收塔之前或ii)当所述气流通过所述吸收塔时，和水蒸气的冷凝提供了热源，所述热源允许向所述吸收介质直接或间接传热以帮助二氧化碳的挥发。

42.从气流中脱除二氧化碳的装置，所述装置包括：

a)通过所述气流的吸收塔，其中当所述气流通过所述吸收塔时，通过接触吸收介质从所述气流中提取二氧化碳，以使得从所述吸收塔排出的气流是相对贫二氧化碳的；和

b)解吸塔，将已在所述吸收塔中加载二氧化碳的吸收介质送入到所述解吸塔中，和其中二氧化碳在所述解吸塔中从所述吸收介质中挥发出去，

而且由此在所述装置的操作过程中，将来自所述气流的显热形式的热能直接或间接传递给所述吸收介质以帮助二氧化碳在所述解吸塔中的挥发。

43.权利要求41或42的装置，其中所述装置包括用来将固体与所述气流分开的旋风分离器或任何其它使所述气流与吸收介质在其中接触的直接并流接触设备。

44.权利要求41-43的任一项的装置，其中包括含硫和含氮化合物在内的杂质在所述气流与吸收介质的直接接触过程中被所述吸收介质吸收。

45.权利要求41-44的任一项的装置，其中所述解吸塔在低于所述吸收塔的操作压力的压力下操作。

46.权利要求41-45的任一项的装置，其中所述装置包括热泵，所述热泵包括含有传热介质的闭合环路、两个或多于两个作为一个或多个冷凝器和一个或多个蒸发器操作的热交换器和用于对所述传热介质加压的压缩机。

47.权利要求41-46的任一项的装置，其中所述吸收塔的操作压力为100-150kPa绝压。

48.权利要求47的装置，其中所述操作压力约为100kPa绝压。

49.权利要求41-47的任一项的装置，其中所述解吸塔的操作压力为5-60kPa绝压。

50.权利要求49的装置，其中所述操作压力约为30kPa绝压。

51.权利要求41-46的任一项的装置，其中所述吸收塔的操作压力为1000-8000kPa绝压。

52.权利要求41-46的任一项的装置，其中所述吸收塔的操作压力为2500-6500kPa绝压。

53.权利要求41-46的任一项的装置，其中所述解吸塔的操作压力为100-4500kPa绝压。

54.权利要求41-46的任一项的装置，其中所述解吸塔的操作压力为300-4000kPa绝压。

55.实施权利要求1-40的任一项所述的方法的装置，所述装置包括使所述气流与所述吸收介质接触的吸收塔和使二氧化碳从所述吸收介质挥发出去的解吸塔。

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