CN102083512A - 二氧化碳回收 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于从含有CO2的气体流中分离二氧化碳(CO2)的方法和系统，所述气体流包括水蒸汽和另外杂质，例如，氮气、氧气、硫氧化物、氮氧化物和汞。通过使CO2气体进料流经受变温吸附步骤来捕获CO2。变温吸附步骤包括吸附步骤，该吸附步骤用于产生基本上干燥的耗尽了二氧化碳气流，和吸附再生步骤，该吸附再生步骤包括加热吸附床以便生成基本上不含水蒸汽的二氧化碳气流。在CO2捕获之前，通过变压吸附、变温吸附、膜分离或吸附从含有CO2的气体流中可选择性地去除湿气。

Description

二氧化碳回收
相关申请的交叉引用
1.本申请要求于2008年4月7日在美国专利商标局提交的标题为“二氧化碳回收的方法”的临时专利申请61/123,259的权益。
2.以下专利申请全文并入本文：于2009年4月7日在美国专利商标局提交的标题为“二氧化碳回收”的非临时专利申请12/419,513。
背景技术
本文公开的方法和系统涉及从燃烧源例如电厂的烟道气中捕获二氧化碳(CO2)并且使CO2用于封存或其他用途。
温室气体例如CO2的排放，如果不加以抑制，可能潜在地影响气候环境。化石燃料例如煤和天然气转换为能量是温室气体排放的来源。可通过各种方法例如增加燃烧过程的效率和使用可再生能源例如风和太阳来减少温室气体的排放，但是，在燃烧前过程中或燃烧后过程中不在温室气体排放的来源处捕获大部分温室气体，则不能达到稳定温室气体水平所需要的温室气体排放的减少。来自电厂的烟道气或其他物流例如来自炼油厂的烟道气的CO2的燃烧后捕获涉及使用溶剂，通常是胺，该溶剂使用一部分在燃烧过程中产生的蒸汽来再生。CO2的燃烧前捕获涉及燃料与空气或氧气并在随后与蒸汽发生化学反应以产生二氧化碳和氢气的混合物。通过CO2捕获过程从该物流中去除二氧化碳，氢气可用作发电燃料。如果氧气用于燃烧，则生成主要含有二氧化碳的烟道气，二氧化碳可容易地分离以用于封存。
如Ciferno所讨论的，由Ciferno，J.，著有的“从现有的燃煤电厂中捕集二氧化碳的可行性研究”，该论文出现在第六届碳捕获和封存年会，Pittsburgh，PA，2007年5月。燃烧后捕获CO2导致发电的绝对效率降低9％-11％，以及燃煤电厂的相对效率降低约28％-30％。一项2007年5月的NETL报道的“碳封存技术路线和项目策划-2007”，美国DOE国家能源技术实验室(NETL)，2007年5月)表明，将用于CO2分离和封存的资金和运行成本考虑在内，用于现有的电厂的发电成本增加60-100％。来自电厂的净功率输出也降低了30％或更多。目前正在寻找显著地降低与燃烧后CO2捕获相关的功率和资金损失的方法。对于燃烧后捕获，能源部(DOE)的目标是90％CO2捕获的电费的增加小于35％。
处理燃烧后CO2捕获的多数研究使用胺或基于氨的吸附方法以从烟道气中去除二氧化碳。基于吸附的方法具有缺点，例如大量的资金需求。最好的基于胺的吸附剂例如受阻胺和胺混合物的能量需求在750-900Kcal/kg捕获的CO2(1,350-1,620Btu/lb)的范围内。此外，由于在酸性气体和氧气的存在下，胺和氨溶液的腐蚀性，基于胺的方法需要使用专业钢铁设备和有关的资本投资。该没备表示显著的资金成本。
与基于胺的系统相反，在各种沸石和基于碳的吸附剂上的吸附CO2的热量范围在140-240kcal/kg或252-432Btu/lb之间(Valenzuela，D.P.and A.L Myers，“吸附平衡数据手册，”Prentice Hall，Englewood Cliffs，NJ，1989.)，该热量范围大约是基于胺的系统的吸附热量的约五分之一。当提供高二氧化碳产量和高回收率时，能够利用低吸附热量的实际吸附系统不能满足需要。
变温吸附系统已经被广泛用于例如空气干、天然气干燥和在空气的低温蒸馏之前去除水和CO2等的应用。这些系统通常去除小于2％的杂质，并且含有杂质的再生出口物流的纯度不高。而且，典型的变温吸附方法具有大约4-12小时的吸附时间。由于烟道气中进料CO2浓度在10-12％之间，这些吸附时间将需要非常大的吸附床。例如，假设12重量％的工作能力(吸附和再生步骤之间的能力差异)、约660kgs/m3的吸附密度和4小时的吸附时间，每天处理1000吨进料中的CO2的工厂将需要约8000m3(5.3×106千克)的吸附剂，该尺寸使系统对于从燃烧源中捕获二氧化碳是不实用的。
本文公开的方法和系统提供了利用基于变温和变压吸附循环的方法以有效地捕获CO2的解决方案。
发明内容
提供该内容以便用在本发明的具体实施方式中进一步描述的简化的形式介绍构思的选择。该内容的目的不是为了鉴定要求保护的主题的关键的或本质的发明构思，也不是用于测定要求保护的主题的范围。
本文公开的方法和系统介绍了以上陈述的对从含有水蒸汽和另外的杂质的气体流中分离二氧化碳(CO2)的需要。本文公开的方法和系统利用基于变温和变压吸附循环的方法捕获CO2。气体是来自燃煤电厂，燃烧天然气电厂，或炼油厂的烟道气。
通过使CO2气流经受变温吸附步骤产生高纯度CO2，即含有不超过约10％(体积)杂质的CO2。变温吸附步骤包括用于产生基本上干燥的耗尽了CO2的气流的吸附步骤，和包含加热吸附床以产生基本上不含水蒸汽的CO2流的吸附再生步骤。在吸附再生步骤中，将变温吸附步骤中的温度增加至约80℃至300℃。变温吸附过程的持续时间在约2分钟至60分钟范围内。
一般在介于10℃和80℃之间的温度和约1.07至40.0bar范围内的绝对压力下，在气相中进行吸附。CO2的浓度在约3％至60％(体积)范围内。
优选地从含有CO2的气流中去除的杂质选自包含，例如氮气、氧气、烃类、氮氧化物、硫氧化物、汞、和氩气的组。在包含吸附材料的床内进行吸附，该吸附材料优选地吸附气流中的CO2或与气流中的CO2反应。
在一个实施方式中，在CO2吸附之前去除包含，例如，湿气、烃类、氮氧化物、硫氧化物和汞的杂质。湿气的去除使用例如变压吸附、变温吸附、膜分离和吸附进行。变压吸附过程的持续时间在约4分钟至约60分钟范围内，变温吸附过程的持续时间在约1小时至12.0小时范围内。将湿气去除步骤中的湿气含量降低至露点-40℃或以下。吸附剂，例如，活性炭，炭分子筛，沸石例如4A、5A、13X、NaY和CaX，金属有机骨架化合物，天然沸石，改性天然沸石和合成沸石，改性活性炭，柱撑粘土等用于CO2吸附。来自CO2吸附段的耗尽了CO2的气流用于湿气吸附系统的再生。
在另一个实施方式中，将含有湿气的进料直接送至CO2吸附系统，其中，通过活性炭或者通过与在多微孔支撑物上支撑的碳酸钠和碳酸钾、胺或离子液体发生化学反应去除来自进料的CO2。
在这两个实施方式中，含有CO2的材料通过直接或间接的热传递再生以产生高纯度的CO2流。进一步的CO2去除通过加热之后的床抽真空进行。通过膜法、蒸馏法、吸附法、或吸气法去除包含例如氮气、氧气、氩气、氮氧化物、硫氧化物和湿气的杂质从而进一步纯化产生的CO2。纯化的CO2部分可用作CO2分离系统中的冲洗。本发明公开的方法和系统对于从CO2流中去除约80％或更高含量(体积)的杂质是有效的。
附图说明
当结合附图阅读时，前述内容以及本发明的以下具体实施方式得到更好的理解。为了说明本发明的目的，在附图中显示了本发明的示例性结构。但是，本发明不限于本文所公开的具体方法和装置。
图1示出了用于从含有CO2的进料流中回收高纯度CO2的二氧化碳(CO2)分离系统的总体示意图；
图2A-2D示例性地示出了CO2分离系统的各种构造，其中，在第一分离单元中可选择性地去除湿气，接着在第二分离单元中通过化学反应或吸附捕获CO2；
图3示例性地示出了湿气吸附系统的构造，其中，通过变压和变温吸附的组合去除水分和另外的杂质，例如烃类、硫氧化物或氮氧化物、和汞；
图4示例性地示出了CO2分离系统的构造，其中，通过吸附或化学反应从进料流中去除CO2并通过从CO2分离系统中回收的蒸汽、热水或干燥气流直接或间接地加热来回收CO2。
具体实施方式
图1示出了用于从含有CO2的进料流中回收高纯度CO2的二氧化碳(CO2)分离系统80的总体示意图。在过程5中生成CO2，过程5可以是燃烧过程或其他产生CO2的过程。如果过程5是燃烧过程，那么在燃烧过程中可选择性地使用富氧物流10以提高燃烧效率并且增加由燃烧产生的CO2的浓度。使用过程5中产生的热量，蒸汽能够产生为物流15。一部分物流15可被当作物流20并用于随后描述的CO2分离系统80中。物流15的剩余部分作为物流25移去并且可用于其他目的，例如用于发电或用于在单元30中生产合成气。物流35，即单元30中的低压物流或热水，在CO2分离系统80中使用或者送至单元5用于产生蒸汽。经线45可将单元30中产生的部分电功率发送至CO2分离系统80。剩余的电功率通过线50可提供给终端用户，例如工业和住宅消费者。含CO2的物流例如烟道气作为物流55离开过程5。
在去除微粒之后，可选择性地将物流55送至进料调节单元60以去除杂质例如氮和硫的氧化物以及汞。如果需要，通过单元60之后的风扇或鼓风机65升高含有以残留的硫和氮氧化物、汞、氮气、氧气和氩气为主要杂质的物流55的压力。如果含有CO2的物流来自化工厂或炼油厂或来自燃烧前过程，则含有CO2的物流可能包含另外的杂质，例如氢气、烃类和一氧化碳。对于燃煤电厂或燃烧天然气电厂，通常将烟道气的压力升高至约1.07bara至1.34bara之间。对于在化学或工业过程中产生的CO2流，物流的压力可能高于1.07-1.34bara并且可能不必升高。在用空气或氧气气化燃料的气化过程中，含有CO2的物流的压力可以是几个大气压并且将不必升高。在氧化燃烧过程中，烟道气可以循环至燃烧系统以便增加CO2的浓度。在去除氮氧化物、硫氧化物和汞，并且压缩之后，在CO2捕获之前，通常将含有CO2的物流冷却至接近环境温度和60℃之间。图1未显示烟道气冷却单元。许多电厂具有用于去除微粒、氮氧化物和硫氧化物的系统。该系统可能包括选择性催化还原(SCR)氮氧化物、用于微粒的静电沉淀器和用于硫氧化物的湿式除尘器。如果物流55来自例如部分氧化过程或重整过程，则去除微粒、氮氧化物和硫氧化物可能不是必须的。
含有CO2的物流作为物流70离开单元65并进入CO2分离系统80。CO2分离系统80包含至少一个床，该床带有通过吸附或化学反应从进料流中去除CO2的材料。床的压力在约1.07bara至约40bara绝对压力的范围内。根据CO2捕获使用的材料，CO2分离系统80可包含用于去除进料流中的其他组分，例如湿气、残留的硫氧化物、氮氧化物和汞的附加单元。如果在多微孔支撑物上的材料例如活性炭、或碳酸钾、胺或离子液体用于去除CO2，则进料流70中的湿气可以不必去除，并且离开CO2分离系统80的耗尽了CO2的物流85将包含大部分物流70中包含的湿气。在这种情况下，可排出物流85。然而，如果材料例如沸石用于通过吸附来捕获CO2，则在CO2吸附之前，必须去除进料流70中的湿气，并且耗尽了CO2的物流85是相对干燥的。在此情况下，部分或所有的物流85、物流95可被用于再生湿气吸附系统79。
通过解吸CO2来回收CO2分离系统80中捕获的CO2。用于CO2解吸的能源可由物流20、物流35或由物流45表征的电流来提供。其他外部热源和电流也可用于再生CO2分离系统80中的材料。如果材料能够处理吸附剂或反应剂，那么吸附剂或反应剂通过物流或冷凝物可直接接触。CO2分离系统80中的材料也可通过干燥的耗尽了CO2的物流85再生，物流85采用蒸汽、热水或电流加热。如果吸附剂材料不耐水，则必须通过蒸汽或热水间接地加热吸附床。通常，CO2分离系统80中的蒸汽吸附材料和CO2吸附材料的再生平行进行以便确保离开CO2分离系统80的CO2是干燥的。除了加热以外，真空泵也可以用于去除CO2分离系统80中的CO2。图1中将用于再生的物流描述为物流90。通常在CO2分离段去除了超过80％的杂质。
解吸的CO2通过线105离开CO2分离系统80并被送至CO2纯化系统125。可以使用任选的真空泵110以便促进从CO2分离系统80中回收CO2。部分CO2产物作为物流100进入真空泵110并在离开真空泵110之后加入到物流105中。物流105和离开真空泵110的物流组合以形成CO2产物物流，该CO2产物物流作为物流120进入CO2纯化系统125。在再生过程中产生的CO2产物物流120的纯度取决于进料CO2浓度，但通常高于90％。在纯化之前，可选择性地将该物流120压缩至介于1.1bara与200bara之间的压力。CO2纯化系统125可以是，例如蒸馏系统、膜系统、变压或变温吸附系统或吸气系统以便从CO2中去除少量的杂质例如氮气、氧气、氮氧化物和硫氧化物。而且，如果离开CO2分离系统80的CO2流是湿的，湿气也要去除。纯化的CO2作为物流130从CO2纯化系统125离开。物流135，其是物流120、物流115、或物流130的一小部分，可被用于净化CO2分离系统80中的惰性气体。该物流135作为物流145进入CO2分离系统80。纯化的CO2产物作为物流140离开CO2纯化系统125，并可用于食品或饮料应用、工业应用、提高油或气体回收和封存。在这些应用之前，CO2产物物流140必须被压缩、液化或者压缩和液化都进行。
图2A-2D示例性地示出了CO2分离系统80的各种构造，其中，在第一分离单元中可选择性地去除水分，接着在第二分离单元中通过化学反应或吸附捕获CO2。
在图2A中，在湿气的存在下，潮湿的CO2流70穿过吸附CO2或者与CO2反应的材料床。吸附或化学反应系统包含至少两个床，其中至少一个床从进料流中去除CO2，而至少一个床在任何给定时间经受再生。如在随后关于图4所公开的，附加的床可以用于其他步骤，例如冷却、加压、冲洗和抽真空。使用相对纯的CO2流145可进行冲洗步骤。如图1所示，CO2产物物流作为物流105和作为另外的可选择的物流100离开CO2分离系统80。
在图2B中，潮湿的CO2流70穿过膜干燥机71，其中去除进料流中的湿气。干燥的进料流72送至吸附或反应床81，其中去除进料中的CO2，干燥的耗尽了CO2的物流85离开CO2分离系统80。当吸附CO2时，至少另外一个床81使用物流90进行再生。如在图2A的情况下，附加的床可以用于其他步骤，例如冷却、加压、冲洗和抽真空。部分或所有的物流85被认为是物流95并用于净化膜干燥机71中渗入的湿气。负荷湿气的物流作为物流73离开膜干燥机71。任选的真空泵74可用于增加穿过膜的驱动力和促进湿气的去除，负载湿气的物流作为物流75离开真空泵74。
在图2C中，潮湿的CO2流70穿过吸附系统76，其中通过吸附剂例如乙二醇去除进料流中的湿气。用于去除湿气的床一般包含废弃的或结构化的包装，用于在进料和吸附剂相之间传递质量，物流将通常以逆流方向流动。离开吸附系统76的干燥的进料物流72被送至CO2吸附床81，其中去除进料中的CO2，干燥的耗尽了CO2的物流85离开CO2分离系统80。当吸附CO2时，至少一个另外的床81正在使用物流90经受再生。附加的床可以用于其他步骤，例如冷却、加压、冲洗和抽真空。部分或所有的耗尽了CO2的物流，即物流85，被认为是物流95，在热交换器或加热器96中加热，并作为物流97经过吸附系统76以便再生负载湿气的溶剂物流77。负载湿气的溶剂也可以通过在具有物流的热交换器(未示出)中的逆流热交换来再生。再生的溶剂物流78被送至吸附系统76，用于去除湿气。通过具有蒸汽或冷凝物的热交换可加热物流95，或者可以使用电能直接加热物流95。负载湿气的物流作为物流75离开吸附系统76。
在图2D中，潮湿的CO2流70通过湿气吸附系统76，其中通过吸附剂例如活性氧化铝、硅胶或分子筛从进料流中去除湿气。离开湿气吸附系统79的干燥的进料物流72被送至CO2吸附床81，其中从进料中去除CO2，干燥的耗尽了CO2的物流85离开CO2分离系统80。当在一个或多个CO2吸附床81内去除CO2时，至少一个其他的CO2吸附床81采用物流90经受再生。附加的床可以用于其他步骤，例如冷却、加压、冲洗和抽真空。部分或所有的物流85被认为是物流95，在热交换器或加热器96中可选择性地加热，并用于在湿气吸附系统79中再生湿气吸附床。如果在湿气吸附床再生之前加热物流95，则可通过利用物流或热水的热交换加热物流95。还可以使用电能直接加热物流95。负载湿气的物流作为物流73离开湿气吸附系统79。任选的真空泵74可用于提供附加的驱动力用于去除湿气，之后负载湿气的物流作为物流75离开真空泵74。
湿气吸附系统79通常包含多个湿气吸附床，用于去除湿气以及其他杂质例如能够阻碍CO2吸附床81中CO2的吸收的重烃。湿气吸附系统79中的湿气吸附床还可以设计成用于去除进料中的一些硫氧化物、氮氧化物和汞杂质。对于湿气去除，一般在变压、变温、或变真空模式中操作湿气吸附系统79中的湿气吸附床。对于变压或变真空吸附，在吸附过程中将保持水吸附的热量，在减压下物流95将解吸湿气。当可能单独通过变压吸附去除湿气时，有必要使用变温吸附用于解吸其他杂质例如重烃、硫氧化物、氮氧化物和汞。这可在包含三个或多个床的循环中进行并在下面进行描述。
图3示例性地示出了湿气吸附系统79的构造，其中，通过变压和变温吸附的组合去除湿气和另外的杂质，例如烃类、硫氧化物或氮氧化物、和汞。图3示出了用于去除湿气和其他杂质的三个床变压和变温吸附系统；然而，湿气和痕量杂质的去除过程不限于三个床的系统。如果不需要去除杂质例如硫氧化物和烃类，可以使用在变压吸附(PSA)、变真空吸附(VSA)、或变温吸附(TSA)模式中的两个床操作。而且，当系统在PSA和TSA或VSA和TSA模式中操作时，有超过两个床可用于PSA或VAS操作，超过一个床可用于TSA操作。在湿气吸附系统79中湿气吸附床的数量不是该操作过程的关键。在图3的系统中，潮湿的进料作为物流70分别通过阀门200、210和220进入湿气吸附系统79。这些阀门200、210和220分别控制进料气体流入容器230、235和240。容器230、235和240各自具有第一吸附层230a、235a和240a，第一吸附层230a、235a和240a包含吸附剂例如活性氧化铝、硅胶或分子筛例如3A、4A、5A和13X沸石，用于去除湿气。位于吸附层230a、235a和240a之上的容器230、235和240中的分别是可选择的吸附层230b、235b和240b，可选择的吸附层230b、235b和240b包含选择性的用于烃类、氮和硫氧化物、和汞的吸附剂。吸附剂例如活性炭，沸石例如13X，和浸渍的氧化铝可用于吸附这些杂质。改性活性炭和硅酸盐可用于去除汞杂质。选择容器230、235和240中的吸附剂以使CO2的吸附最小化从而使CO2吸附床81中CO2的回收最大化。优选的用于去除湿气的吸附剂是3A和4A沸石、活性氧化铝、硅胶、以及活性氧化铝与沸石3A和4A的混合物。
用阀门245、260和275将容器230、235和240的出口端分别与排放线连接。根据经受吸附的床，干燥的含有CO2的物流作为物流72通过这些阀门245之一离开湿气吸附系统79并被送至CO2分离系统80。来自CO2分离系统80的净化物流95用于再生湿气吸附床。对于PSA或VSA模式的再生，净化气体95通过阀门290进入，然后通过阀门250、265和280中的一个，并作为物流73通过相应的阀门205、215和225离开湿气吸附系统79。如果使用任选的真空泵74，之后净化气体作为物流75离开湿气吸附系统79。对于TSA模式的再生，净化气体95在加热器或热交换器96中加热，并通过开口阀门255、270和285中的一个进入容器230、235和240，并且通过相应的阀门205、215和225离开湿气吸附系统79。如果不使用真空泵74，则净化气体95作为物流73离开湿气吸附系统79。如果使用真空泵74，则净化气体95作为物流75离开湿气吸附系统79。在正常操作中，预期通过PSA或VSA再生其中的一个容器，以及通过TSA再生另一个容器。
如图中所示，如果需要，优选地单个容器中包含多个吸附层，尽管每个吸附层可能包含在个别的容器中。PSA阶段的每个完整循环的持续时间是，最多数分钟，通常是4-60分钟，而热再生的持续时间一般是约1-12小时；因此，在任何单相过程中，PSA或VSA模式中的两个容器将经受多个PSA或VSA循环，而第三个容器经受单独的热再生步骤。为了说明的目的，假设采用在吸附步骤中加压至大气压以上，在床再生阶段减压至大气压或以下来进行PSA或VSA过程。经受热再生的容器中的压力为或接近大气压力。
以下描述的过程包括三个阶段：第一阶段，其中容器230和235最初以交替PSA或VSA循环的方式操作，容器240中的吸附剂经受热再生；第二阶段，其中容器235和240以交替PSA或VSA循环的方式操作，而容器230中的吸附剂经受热再生；和第三阶段，其中容器230和240以交替PSA或VSA循环的方式操作，而容器235中的吸附剂经受热再生。
在该过程第一阶段的开始阶段1，容器230或235中的一个，例如容器230在吸附模式下而另一个容器在再生模式下。随着容器230在吸附模式下开始，潮湿进料70通过开口阀门200进入床并通过开口阀门245离开床。在吸附开始之前，通过阀门200对容器230加压至吸附压力。当进料70通过容器230时，基本上所有的水蒸汽、烃类、硫氧化物、汞和一些氮氧化物都被除去。离开湿气吸附系统79的气体流的露点通常在-40℃以下，更优选地在-60℃以下。对于床235的再生，部分净化气体95通过开口阀门290和265进入，收集来自吸附床235的湿气并通过阀门215离开。尽管不必要，但净化气体可能在其用于PSA或VSA过程之前加热。进入湿气吸附系统79的净化气体的剩余部分在加热器或热交换器中96加热，随后流经容器240中的吸附层240a和240b。当加热的净化气体经过容器240中的吸附层240a和240b时，该净化气体解吸来自不同吸附层的残留湿气、烃类、氮和硫氧化物、和汞，该不同吸附层在该容器240中已经逐步建立，在前的PSA或VSA阶段在该容器240中进行。再生气体与解吸的杂质一起通过开口阀门225离开容器240。在基于物流72中的湿气浓度和床前面的保留热量的一定时间，通常为4至60分钟之后，容器230开始经受再生，而容器235开始去除湿气和其他杂质。容器230和235处于PSA或VSA操作之下持续数小时或数天的时间，通常为8-96小时，而在部分该时间内，加热再生容器240。热再生的温度通常在100℃和300℃之间的范围，但根据材料可更高或更低。在热再生过程中去除的杂质例如氮和硫氧化物可送至现有的氮和硫去除系统，以便进一步减少这些杂质。
当PSA或VSA循环在容器230和235中进行时，比水蒸汽更强烈地被吸附的各种杂质例如硫氧化物和汞积聚在这些容器中，因为在变压或变真空吸附的净化步骤中这些杂质未被去除。当这些成分在一层或多层的积聚达到威胁到对气体纯化过程产生不利影响的点时，终止该过程的第一阶段并开始第二阶段。
在该过程的第二阶段中，容器235和240处于交替的PSA或VSA服务中，容器230中的吸附剂经受热再生。在该过程这一阶段的开始阶段1，容器235或240中的一个，例如容器235在吸附模式下而另一个容器在再生模式下。随着容器235在吸附模式中的开始，潮湿进料70通过开口阀门210进入床，并通过开口阀门260离开床，并在过程中得到纯化。在吸附开始之前，通过阀门210对容器235加压至吸附压力。对于床240的再生，部分净化气体95通过开口阀门290和280进入，收集来自吸附床240的湿气并通过开口阀门225离开。进入湿气吸附系统79的净化气体的其余部分在加热器或热交换器96中加热，随后流经容器230中的吸附层230a和230b并解吸来自不同吸附层的残留水分、烃类、氮和硫氧化物、和汞，该不同吸附层在该容器230中已经逐步建立，在前的PSA或VSA阶段在该容器230中进行。再生气体与解吸的杂质一起通过开口阀门205离开容器230。在基于物流72中的湿气浓度和容器前面的保留热量的一定时间之后，容器235开始经受再生，而容器240则开始去除湿气和其他杂质。容器235和240处于交替的PSA或VSA操作之下持续数小时或数天的时间，而在部分该时间内，加热再生容器230。
当PSA或VSA循环在容器235和240中进行时，比水蒸汽更强烈地被吸附的各种杂质积聚在容器235和240中。当这些成分在一层或多层的积聚达到威胁到对气体纯化过程产生不利影响的点时，终止该过程的第二阶段并开始第三阶段。
在该过程的第三阶段期间，容器230和240处于PSA或VSA服务下，容器235中的吸附剂接受热再生。第三阶段的操作与第一阶段和第二阶段的操作相似。在完成所有三个阶段之后，该过程从第一阶段再次开始，在循环方式中重复所有三个阶段。
与PSA或VSA床相同，CO2吸附或反应床(图4中的床A至E)也经受循环过程以便提供连续的操作和也使CO2回收最大化。这些床包含一种或多种相比烟道气的其他主要成分，即氧气、氮气和氩气，对CO2具有显著选择性的材料。可用于从烟道气中捕获CO2的一些材料包括，例如活性炭，碳分子筛，沸石例如4A、5A、13X、NaY和CaX，金属骨架化合物，天然沸石，改性天然沸石和合成沸石，改性活性炭，柱撑粘土和反应吸附剂例如在多微孔支撑物上支撑的碳酸钠和碳酸钾、胺或离子液体。
图4中示出的CO2捕获段中的各种床通常经受吸附、均衡、用CO2产物冲洗、加热、用抽真空加热、冷却和再加压的步骤。根据材料和处理条件，可以使用这些步骤的不同组合以便使CO2回收最大化。而且，在一些循环中，一些步骤例如床冷却可以删除。在CO2吸附床81的操作过程中，在进入CO2捕获段中的任何硫氧化物杂质均可能被去除，因为大多数吸附剂对硫氧化物的亲和力高于CO2。由于大多数吸附剂对CO2的亲和力高于氮氧化物，该段进料中的大部分氮氧化物将进入离开CO2分离系统80的耗尽了CO2的物流85中。对于通过化学反应去除CO2，例如用支撑的碳酸盐或胺，一些氮气和硫氧化物也可能通过化学反应而被去除。
图4示例性地示出了CO2分离系统80的构造，其中，通过吸附或化学反应从进料流中去除CO2并通过从CO2分离系统80中回收的蒸汽、热水或干燥的物流直接或间接地加热来回收CO2。图4示意地示出了5个床的CO2捕获过程。在该循环中，CO2进料步骤和CO2生产步骤是连续的。虽然用5个床过程示出了CO2捕获，但CO2捕获过程不限于5个床。尽管需要至少两个床以便在相同时间进行CO2捕获和生产，但该过程可使用少于5个床或大于5个床。如图4所示，在任何给定时间内，当一个床使用吸附或反应从进料中去除CO2时，另一个床经受均衡和加压步骤，第三个床当被加热时生产CO2，第四个床在加热和抽真空步骤中生产CO2，第五个床经受CO2冲洗和均衡步骤。可以使用与该循环相似的其他循环，在加热步骤之后省略步骤例如CO2冲洗，和添加步骤例如床冷却。可以从底部、顶部或底部和顶部进行均衡。也可以使用进料从底部或使用耗尽了CO2的物流从顶部进行加压。
CO2捕获过程的每个单个步骤可能需要大约2-60分钟以便使该过程的生产率最大化。表1中给出了使用图4的五个床构造的典型循环。
吸附器A至E的进料通常在约10和80℃之间的温度和约1.07bara和40bara之间的压力下，以及约20℃和60℃范围内的温度下。对于来自电厂或炼油厂的烟道气中的CO2捕获，压力在约1.07bara和1.34bara范围内。再生温度在约80℃和300℃范围内，更典型地在约80C-150℃范围内。来自燃烧天然气电厂的进料气体中CO2的浓度为约3％，来自燃煤电厂的进料气体中CO2的浓度为约12％，来自各种化学过程的进料气体中CO2的浓度多达60％。在初始启动CO2分离之前，可将吸附器A至E中的床加热至高于300℃的温度以便去除其中所包含的任何残留湿气。为了去除在正常操作过程中积聚的杂质，还可进行高温再生。
使用表I的步骤1和2示出了各种阀门的操作。在用于床A的步骤1和2中，进料气体72通过开口阀门302进入床内，CO2被捕获在床内，而耗尽了CO2的物流作为物流85通过开口阀门312离开床。在步骤1中，床B和E通过开口阀门340和430接受压力均衡。在步骤2中，使用床A通过开口阀门320和350对床B进行加压。在步骤1和2中，通过在真空下加热来再生床C，并开启阀门366。在进入真空泵110之前，高纯度CO2产物作为物流100离开。在步骤1和2中，通过加热再生床D，开启阀门398和408并且产物CO2作为物流105离开。在步骤2中，用产物CO2流145冲洗床E，该物流145通过开口阀门424进入床E内，通过开口阀门434离开。步骤3至10中各阀门的操作与步骤1和2中的操作相似。一旦完成所有的步骤，在步骤1开始连续地重复该循环。
表I
CO2捕获过程的典型循环顺序
如表1所示，CO2捕集和再生过程中的各步骤显著快于通常的变温吸附过程，这些步骤在通常的变温吸附过程中需要大约数小时。对于耐受湿气的吸附剂和反应剂，可通过用物流直接加热床来实现快速加热，尽管必须在该操作之后进行净化以去除蒸汽、以及然后必须冷却床。对于不耐受湿气的吸附剂或反应剂，例如沸石，采用蒸汽直接加热不是一种选择，并且采用干燥的气体加热太慢。对于这些情况，必须对床进行间接加热。一种此种构造是壳体和管构造，其中吸附剂或反应剂包含在小径管中，加热介质在循环的再生部分过程中在壳体侧上流动。使用蒸汽或热水作为加热介质，可获得约80℃-300℃的再生温度。利用电厂产生的电流的加热液体或水蒸汽流也可用于再生。替代构造包括壳体侧上的吸附材料和管侧上加热或冷却液体。允许间接加热的另一构造是板和框架构造，其中吸附剂包含在交替平行通道中，加热的液体在交替平行通道中流动。蒸汽或加热的液体可用作加热介质。对于壳体和管构造与平板和框架构造，在CO2去除步骤中可以使用冷流体以便去除吸附的热量或化学反应的热量。冷流体还可以用于床冷却步骤。对于改造应用，使用热水或低压蒸汽作为再生介质是较为容易的，因为这使得对电厂的蒸汽循环的破坏最小化并且容易改造。除了垂直床之外，水平床和径向床均可用于进行该循环。而且，如果需要，可以将壳体和管构造或者平板和框架构造与水平床或者径向床一起用于热交换。
在循环的加热部分和抽真空部分过程中产生的CO2通常具有高于90％的纯度。如之前所讨论的，将该物流压缩并送至CO2纯化厂。如果使用膜进行CO2纯化，则允许一少部分的CO2流渗透膜以生成更高纯度的CO2流，该CO2流用作CO2分离系统80中的冲洗流。其余的物流可进一步压缩，用于提高油回收、工业应用或用于CO2封存。如果吸气法用于CO2纯化，那么通过与吸气剂的反应去除杂质例如氧气和硫氧化物，纯化的CO2流可进一步压缩，并用于各种应用。如果蒸馏法用于CO2纯化，那么作为底部产品产生CO2，不可冷凝物作为蒸馏柱的柱顶被去除。部分通过蒸馏产生的CO2可用于在CO2捕获段提供净化；其余部分被泵送到更高压力区，用于各种应用例如提高油回收或封存。通过膜或吸附法可进一步纯化不可冷凝物流以便回收额外量的CO2。
实施例1
从Aldrich公司商购获得8×12筛目尺寸(约1.5mm)的5A沸石并且载于两个18mm直径的吸附床内。吸附剂的总重量为约500g。在11标准升/分钟的流速和1.34bara的压力下，用氮平衡的含有约12.5％CO2的进料流(以便模仿来自燃煤电厂的烟道气)通过这些床。标准条件是指21.1℃和1bara。在30℃下，用含有水/乙二醇混合物的夹套冷却吸附床。在100℃下，用含有水/乙二醇混合物的夹套加热再生床。用红外CO2分析仪分析耗尽了CO2的物流和CO2产物的浓度。表II示出了该过程的循环。在加热之后，在抽真空步骤中，使床抽真空至压力为约0.25bara。由于这些工艺条件，获得了平均99.8％的CO2纯度和平均85.8％的CO2回收率。
表II.两个床CO2捕获工艺循环
Figure BPA00001251828800191
实施例2
在不同的吸附温度下运行实施例1的过程。其他工艺条件，即进料压力、进料CO2浓度、和吸附材料与实施例1中的相同。而且，用红外CO2分析仪分析耗尽了CO2的物流和CO2产物流的浓度。采用了表II的工艺循环。对于20℃的进料温度，获得了平均99.0％的CO2纯度和平均88％的CO2回收率。对于40℃的进料温度，获得了平均99.2％的CO2纯度和平均84％的CO2回收率。
实施例3
采用从Aldrich公司商购获得的8×12筛目尺寸(约1.5mm)的13X沸石运行实施例1的过程。进料压力和进料CO2浓度与实施例1中的相同并且使用表II的工艺循环。而且，用红外CO2分析仪分析耗尽了CO2的物流和CO2产物流的浓度。对于20℃的进料温度，获得了平均98.5％的CO2纯度和平均87％的CO2回收率。对于30℃的进料温度，获得了平均98.5％的CO2纯度和平均78％的CO2回收率。
实施例4
使用了含有实施例1中的5A的床(总重量约500g)，该床具有用氮平衡的含有约3.4％CO2的进料流，以便模仿来自燃烧天然气电厂的烟道气。在17标准升/分钟的总流速下，使进料通过这些床。在20℃下，用含有水/乙二醇混合物的夹套冷却吸附床。采用了表II中的工艺循环。在100℃下，用含有水/乙二醇混合物的夹套加热再生床。用红外CO2分析仪分析耗尽了CO2的物流和CO2产物的浓度。对于这些工艺条件，获得了平均91％的CO2纯度和平均86％的CO2回收率。该实施例的结果表明，本发明的方法能够为含有非常低水平的二氧化碳物流，例如来自燃烧天然气电厂的物流提供合理的纯度和回收率。
对比实施例1
采用实施例1中的5A沸石以便获得无任何热再生的变真空吸附过程的结果。在1.34bara和30℃下，进料包含12.8％的CO2。在再生步骤中，对床抽真空至压力为0.25bara。吸附和再生步骤均在30℃进行。工艺循环包括吸附、均衡、用纯CO2冲洗、抽真空、均衡和加压步骤。
对于5.5标准升/分钟的进料流和4分钟的吸附时间、0.5分钟的均衡时间、1.0分钟的冲洗时间、4.0分钟的抽真空时间和0.5分钟的加压时间，获得了平均81.6％的CO2纯度和平均25.4％的CO2回收率。降低进料流至2.2标准升/分钟，使平均纯度降低至53％，平均回收率降低至26％。对于进料流为5.5标准升/分钟和更快的循环(2分钟吸附、0.25分钟均衡、0.5分钟冲洗、2分钟抽真空和0.25分钟加压)，获得了平均59.4％的CO2纯度和平均43.9％的CO2回收率。
该实施例的结果与实施例1的结果相比较表明，不进行床的热再生时，关于CO2回收率和CO2纯度两方面的性能均显著较差。
实施例5
将从Alcoa商购获得的F-200活性氧化铝(1.5mm大小)载于实施例1的床内。吸附剂的总重量为约300g。在总流速为10标准升/分钟和压力1.34bara下，将在25℃下用水饱和的并且用氮平衡的含有约12.5％CO2的进料流通过这些床。该循环包括5分钟的吸附时间、4.5分钟的净化时间和分别为0.25分钟的加压和解压时间，并且设计成保留床内水吸附的大部分热量。在降低压力至约大气压之后，将离开吸附床的干燥产品用于净化。在5天的时间里，连续地监测离开床的产品流的露点，并且产品湿气浓度保持在百万分之一(ppm)以下。
该实施例说明了在一定条件下，可将CO2分离的进料流干燥至非常低的湿气水平以便提高CO2分离段中CO2的回收率。在其中CO2吸附之前去除湿气的工艺中净化气体是来自CO2吸附段的耗尽了CO2的物流。
这些实施例的结果表明，本文公开的方法可用于从各种工艺物流中以高纯度和高回收率回收CO2。对该方法的能量消耗的估计表明，该方法用于捕获CO2需要的能量是基于胺的CO2捕获需要的能量的约一半。
本文公开的用于CO2捕获的方法和系统提供了许多优势。该方法可用于改造应用以及新的工厂。电厂用于改造应用所需要的修改显著地小于基于胺的CO2捕获所需要的修改。该方法适用于燃煤和燃烧天然气电厂。该方法还适用于其他物流，例如含有二氧化碳的炼油厂物流和化学过程的物流。与吸附方法不同，其中进料中的氮和硫氧化物(NOX和SOX)能够与溶剂发生不可逆反应并且需要去除至约10ppm水平以下，进料中的NOX和SOX对吸附剂无不良影响。与基于吸附的方法(其中氧气降解胺溶剂)不同，进料中的氧气对吸附剂无影响。该方法提供了在CO2压缩和液化之前消除干燥步骤的干燥的CO2产物，以及与其相关的功率和资金成本。
尽管结合具体实例描述了本文的系统和方法，但本发明的范围不限于此。例如，含有CO2的进料气体可来自其他过程，例如燃烧天然气电厂或煤气化厂。
已经提供的上述实例仅用于解释的目的并且决不能解释为本文公开的本发明方法和系统的限制。尽管已经结合各种实施例描述了本发明，但应理解本文使用的词语是描述和说明的词语，而不是限制的词语。此外，尽管结合具体装置、材料和实施例本文已经对本发明进行了描述，但本发明无意于被局限于本文公开的具体内容；而且，本发明延伸至所有功能上等同的结构、方法和用途，例如在所附权利要求书的范围之内。具有该说明书的教导优势的本领域技术人员，在不脱离本发明各方面的范围和精神下可能进行多种修改和改变。

Claims (23)

1.一种用于从含有水蒸汽和另外杂质的气体流中分离二氧化碳的方法，包括进行以下步骤一次或多次：
使所述气体流经受第一个湿气去除步骤，其中，采用选自由变压吸附、变温吸附、膜分离和吸附组成的组的方法去除基本上所有的来自气体流中的气体的湿气；和
使基本上不含水蒸汽的气体经受第二个变温吸附步骤，其中，所述第二个变温吸附步骤在含有吸附剂的床内进行，其中所述第二个变温吸附步骤包括吸附步骤，所述吸附步骤用于产生基本上干燥的耗尽了二氧化碳的流，和吸附再生步骤，所述吸附再生步骤包括加热所述吸附床以便产生基本上不含水蒸汽的二氧化碳的流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体流的压力在约1.07至约40bara范围内，所述二氧化碳浓度在约3体积％至60体积％范围内，以及气体温度在约10℃至80℃范围内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一个湿气去除步骤中所述变压吸附过程的持续时间在约4分钟至约60分钟范围内，并且在第一个湿气去除步骤中所述变温吸附过程的持续时间在约1小时至12.0小时范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述吸附再生步骤中第二个变温吸附步骤中的温度升高至约80℃至300℃范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二个变温吸附步骤的持续时间在约2分钟至60分钟范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体是来自燃煤电厂、燃烧天然气电厂和炼油厂中的一个的烟道气。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一个湿气去除步骤中使用的吸附剂选自包括活性氧化铝、硅胶、和包含3A、4A、5A和13X沸石的分子筛的组。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一个湿气去除步骤中的湿气含量被降低至露点-40℃或以下。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二个变温吸附步骤中使用的所述吸附剂选自活性炭，碳分子筛，4A、5A、13X、NaY和CaX沸石，金属有机骨架化合物，天然沸石，改性天然沸石和合成沸石，改性活性炭和柱撑粘土。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二个变温吸附步骤中产生的所述基本上不含水蒸汽的二氧化碳的流的纯度为90％或更高。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述来自第二个变温吸附步骤的基本上干燥的耗尽了二氧化碳的流用于再生所述第一个湿气去除步骤中的吸附剂的其中之一，并且用于为膜干燥步骤提供驱动力。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述吸附再生步骤包括用气体流直接加热吸附床或者使用蒸汽或热流体在热交换器构造中间接加热吸附床。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在床加热之后的床抽真空以便回收额外量的二氧化碳。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二个变温吸附步骤进一步包括床均衡、床加压、床减压和床冷却的步骤。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，在第二个变温吸附步骤的进料中的杂质包括烃类、氧气、氮气、氩气和氮氧化物。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一个湿气去除步骤中从气体流中去除选自包含烃类、氮氧化物、硫氧化物和汞的组的所述另外杂质。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，用于去除烃类、氮氧化物、硫氧化物和汞的吸附剂选自活性炭、13X沸石、浸渍的氧化铝、改性活性炭和硅酸盐。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述湿气和另外杂质去除过程包括一种系统，所述系统包含平行布置的第一吸附段、第二吸附段和第三吸附段，每个第一吸附段、第二吸附段和第三吸附段包括含有湿气去除吸附剂的第一区和含有一种或多种吸附剂的第二区，所述一种或多种吸附剂用于去除选自烃类、氮氧化物、硫氧化物和汞的杂质，所述方法包括进行以下步骤一次或多次：
使所述气体经受循环变压吸附过程，包括在第一吸附段和第二吸附段中交替吸附步骤和吸附再生步骤，从而基本上去除了所有来自气体的水蒸汽，而通过加热吸附剂从所述第三吸附段的所述第一区和所述第二区中的吸附剂中解吸水蒸汽和其他杂质；
使所述气体经受循环变压吸附过程，包括在第一吸附段和第三吸附段中交替吸附步骤和吸附再生步骤，从而基本上去除了所有来自气体的水蒸汽，而通过加热吸附剂，从所述第二吸附段的所述第一区和所述第二区中的吸附剂中解吸水蒸汽和其他杂质；和
使所述气体经受循环变压吸附过程，包括在第二吸附段和第三吸附段中交替吸附步骤和吸附再生步骤，从而基本上去除了所有来自气体的水蒸汽，而通过加热吸附剂，从所述第一吸附段的所述第一区和所述第二区中的吸附剂中解吸水蒸汽和其他杂质。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述吸附剂加热步骤在约80℃-300℃范围内的温度下进行。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述包含水蒸汽和另外杂质的气体流被直接送至第二变温吸附步骤，而不需要首先去除湿气和另外杂质，其中所述第二个变温吸附步骤包括吸附步骤，所述吸附步骤用于产生耗尽了二氧化碳的流，和吸附再生步骤，所述吸附步骤包括加热吸附床以便生成基本上纯的二氧化碳流。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述用于第二个变温吸附步骤的吸附剂选自多微孔支撑物上的活性炭、或碳酸盐、胺或离子液体。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，通过膜法、蒸馏法、吸附法和吸气法中的一个来进一步纯化所述二氧化碳流，以便去除包括氮气、氧气、氩气、氮氧化物、硫氧化物和湿气的杂质。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述纯化的二氧化碳用于在二氧化碳分离系统中提供高纯度冲洗。
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