CN101678268A - 使用混合铵/碱溶液从烟道气流中除去二氧化碳 - Google Patents

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Abstract

一种通过用铵和碱金属碳酸盐如碳酸钠和/或碳酸钾的混合物从气流中洗涤掉二氧化碳来从气流中除去二氧化碳的方法。使用混合碱金属碳酸盐溶液作为CO2洗涤溶液提供了在仍保持高CO2水合率的同时获得低再生能量和低氨挥发性的机会。

Description

使用混合铵/碱溶液从烟道气流中除去二氧化碳
技术领域
本发明涉及用于从烟道气流中除去二氧化碳的方法和装置。
背景技术
CO2的碱性洗涤是许多年前就已知的一种方法。专利描述了氨、钠和钾溶液至少一定程度吸收CO2的能力。这些专利表明，NH3比钾和钠对应物更有效，且具有较低的再生成本。使用氨溶液的问题是氨的挥发性和在方法的吸收和再生步骤过程中发生的氨损失的可能性。因此需要具有低再生能量和低氨挥发性的CO2洗涤溶液。
发明内容
本发明是一种方法，其满足了对具有低再生能量和低氨挥发性的CO2洗涤溶液的需求。本发明是一种通过用铵和钠碳酸盐的混合物或铵和钾碳酸盐的混合物从气流中洗涤出CO2而从该气流中除去CO2的方法。混合碱溶液利用了使用氨来获得高CO2水合率和使用钠或钾来获得高生产能力的益处。为了获得相同的洗涤速率，在单一碱溶液中需要具有高氨蒸气压或低CO2生产能力的溶液。使用铵和其他碱金属碳酸盐如碳酸钠和/或碳酸钾的混合物作为CO2洗涤溶液提供了在仍保持高CO2水合率的同时获得低再生能量和低氨挥发性的机会。参考以下说明、权利要求和附图将会更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。
附图说明
图1是根据本发明的一种方法的示意图。
具体实施方式
本发明是通过使用铵和其他碱金属碳酸盐化合物如碳酸钠和/或碳酸钾的混合物从气流中洗涤出CO2来从该气流中除去CO2的方法。
在该方法中起作用的吸收/再生方程式是：
Figure G200880014466XD00021
在吸收方法中，CO2气体和水蒸汽被吸收到碳酸盐溶液中形成碳酸氢盐。预计CO2的水合是该方法的速率限制步骤。氢氧化物和氨二者增加了CO2的水合率。然而，将该溶液的pH增高到其中存在氢氧化物用于CO2洗涤的情形，将会需要大量添加碱如NaOH或KOH。在其中CO2水合是快速的且CO2的生产能力高得足以是经济的条件下操作碳酸铵溶液，将该方法带入其中氨蒸气压是大的且难以控制的情形。因此，氨与其他碱如钾或钠的混合物用于使该溶液对CO2的吸收能力最大化，在洗涤方法过程中保持高CO2水合率，且使氨挥发性和从该吸收方法中的释放最小化。一旦该吸附溶液被CO2饱和，它就必需进行再生。如反应1的逆过程所示，该溶液通过加热该溶液以释放CO2来再生。
再生能量对于该方法的经济性是非常重要的。反应能量的评价表明，方程式(1)的能量消耗是相同的，不论使用Na+、K+或NH4 +。然而，为了以快速CO2吸收的方式操作Na+或K+体系，还将会需要再生碱。因为NaOH和KOH均是强碱，所以用于回收的能量消耗很可能限制Na+或K+类似物的应用性。用于溶解NaOH和KOH的#Hrxn分别等于-44.5kJ/mol和-57.5kJ/mol。然而，在NH3存在于溶液中时，仍然可获得高CO2水合率，且因为NH3是弱碱，溶解能量是5kJ/mol，使得氨在混合碱溶液中再生成为该方法中经济上可行的。
需要具有低再生能量和低氨挥发性的溶液。使用铵和其他碱金属碳酸盐的混合物作为CO2洗涤溶液，提供了在仍保持高CO2水合率的同时获得低再生能量和低氨挥发性的机会。
转到图1，洗涤塔被分为两个部分202和204。为了更有效地除去CO2，从烟道气流202中除去SO2和NOx。优选的除去SO2和NOx的方法是通过类似于美国专利第6,605,263号和第6,936,231号中所述的氨洗涤溶液，其中烟道气在进入传质段之前被冷却到饱和，206。在传质段208中，使用pH控制的硫酸铵溶液除去SO2和NOx。最后，使用如湿静电沉淀器210的设备除去气溶胶或颗粒。一旦从烟道气流中除去SO2和NOx，在CO2捕获段212中捕获二氧化碳。
在CO2捕获段使用的溶液是碳酸钾和碳酸铵的混合物或碳酸钠和碳酸铵的混合物218。该溶液通过CO2传质段，从烟道气流中除去CO2并产生碳酸盐/碳酸氢盐溶液。然后通过在高温下加热220，释放CO2、NH3和H2O，而将该混合碱金属碳酸氢盐溶液再生。CO2与NH3和H2O分离222，并且是能够进一步加工以产生易螯合CO2流的基本上纯的CO2流。NH3和H2O返回到再生的碳酸钾溶液中，并重新供给至洗涤器中。
实验显示了，存在可接受的碳酸盐/碳酸氢盐溶液的浓度和酸度范围以进行本发明的方法。已经发现，可接受的碳酸盐/碳酸氢盐浓度范围是5-20wt％，铵是0.1-3wt％以及碱金属是4-25wt％。该溶液将具有8.5和12之间的pH。
实验还显示了碳酸盐/碳酸氢盐溶液的浓度和酸度的最佳范围。最佳的碳酸盐/碳酸氢盐浓度是7-8wt％，最佳的铵浓度是0.20-0.25wt％以及最佳的钾浓度是7-8wt％。最佳的pH范围是10和10.5之间。
使用混合碱系统的一些优点包括：
1.对于与碳酸铵溶液相比具有相同生产能力的溶液，具有较低的氨蒸气压。
2.较高的CO2水合率，因此与碳酸钠或碳酸钾洗涤溶液相比，需要较少的传质设备。
3.与碳酸铵溶液相比，对于既定pH能够采用较高的碳酸盐浓度，改善了该溶液的生产能力。
虽然本文描述了本发明的优选实施方案，但以上描述仅仅是举例性的。本文所公开的发明的进一步的改造将会被相关领域技术人员想到，并且所有这些改造被视为是在如所附的权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种从气流中除去CO2的方法，所述方法使NH3损失和再生能量最小化，仍保持高CO2去除率，所述方法包括：
提供包括CO2的烟道气流；
提供还包括铵和至少一种碱金属的碳酸盐/碳酸氢盐溶液；
将CO2从所述烟道气流中吸收到所述碳酸盐/碳酸氢盐溶液中，从而产生另外的碳酸盐/碳酸氢盐；以及
通过加热所述溶液以释放CO2来再生所述碳酸盐/碳酸氢盐溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述碱金属是钠或钾。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳酸盐/碳酸氢盐溶液具有5-20wt％浓度的碳酸盐/碳酸氢盐、0.1-3wt％浓度的铵和4-25wt％浓度的碱金属。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述碳酸盐/碳酸氢盐溶液的pH是在8.5和12之间。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述碳酸盐/碳酸氢盐溶液具有7-8wt％浓度的碳酸盐/碳酸氢盐，0.20-0.25wt％浓度的铵和7-8wt％浓度的钾。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述碳酸盐/碳酸氢盐溶液的pH更优选是在10和10.5之间。
7.根据权利要求3所述的方法，还包括控制所述碳酸盐/碳酸氢盐溶液中的铵浓度以补偿从所述方法中损失的氨蒸气的步骤。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括提供用于从所述烟道气流中吸收CO2的CO2传质段的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括在CO2吸收步骤之前除去在所述烟道气流中存在的SO2、颗粒物质和任何气溶胶的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中除去颗粒物质和任何气溶胶是用湿静电沉淀器进行的。
11.根据权利要求1所述的方法，其中再生步骤除了CO2以外还从碳酸盐/础酸氢盐溶液中释放NH3和H2O。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括将所释放的NH3和H2O返回到所述碳酸盐/碳酸氢盐溶液的步骤。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括从所释放的NH3和H2O中分离CO2的步骤。
14.一种用于从气流中除去CO2的洗涤塔装置，其使NH3损失和再生能量最小化，仍保持高CO2去除率，所述装置包括：
铵捕获段；
CO2捕获段；
湿静电沉淀器段；以及
传质段。
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