CN102245279B - 碳捕获和封存的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

捕获和封存二氧化碳的系统和方法，所述方法包括：将基本非水性的溶剂和碱混合，以使所述溶剂和碱形成溶剂悬浮液，将水和含有二氧化碳的废气与所述溶剂悬浮液混合，以发生反应，所述反应生成碳酸盐、水并放出热量。

Description

碳捕获和封存的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请请求申请日为2008年10月8日提交的申请号为12/247902的美国专利申请的优先权，这些在先申请的全部内容以引文方式并入本专利申请。
技术领域
本发明涉及碳捕获和封存的系统和方法。
背景技术
如果要控制或削减二氧化碳(CO2)的排放所导致的气候变化，二氧化碳(CO2)的捕获和封存就需要得到明显地改善。由燃烧和工业过程产生的、尤其是电厂废气中的CO2可能是最大的单一温室气体排放源。大部分已有的碳捕获和封存方法采取两步法。首先，需要寻找一种从废气或其他气体排放源中分离出CO2的方法。这些方法可以包括将CO2捕获在液体溶剂、固体沸石或各种膜中。然而，捕获介质需要在不将CO2排放到大气中的情况下获得再生，而且使用标准的物理分离方法是难以实现的。
第二步是通过将CO2气体或液体植入到地下地质构造或深海层中。然而，处置这样的CO2需要非常特殊的地质构造，而且这些构造通常不存在于在CO2的排放地点。因此，运输大大增加了成本和难度。除此之外，CO2是否能够被长期封存在地下还不得而知。因为通常CO2只占大量废气的小部分，而且通过处理大量的气流来回收其中小部分的CO2是浪费且昂贵的，所以这样的两步法也是不经济的。
另一种捕获和封存CO2的方法包括开采、粉碎和将岩石运输到排放地点，在那里粉碎的岩石用来吸收CO2。但这需要大量的热量和很大的压力。开采岩石所需的量输入、环境保护费用以及将岩石运入和运出CO2排放源的费用，以及使粉碎的岩石接受和吸收CO2的量消耗都非常高。
其他捕获CO2的方法包括使用胺或碱的水溶液等液体的化学吸收方法、在适当的溶液中的物理吸收方法及膜分离的方法。所有这些方法都有在不释放CO2的情况下需要再生吸收介质的问题。其他的捕获方法例如物理吸附和低温分离的方法都需要大量的热量或压力形式的量。
一些CO2捕获方法是使CO2(或由水和CO2形成的碳酸)和碱的水溶液发生反应生成碳酸盐。但是，这种方法的显著缺点是：该方法中，碳酸盐以水溶液的形式存在，因此需要另外的耗能处理以将固体和水分离，或该方法产生量的、重质的、潮湿的、水泥状的浆状物，这需要采用耗能的干燥方法和机械系统以控制获得的干燥后的产物的尺寸、外形和重量。
尽管存在一些用来从环境空气中捕获并封存CO2的检测技术，但这样的技术不适用于从电厂排放的CO2，这是因为环境空气和废气中的CO2的浓度差异很大。环境空气中含有浓度约为0.03％-0.04％的CO2，而废气中含有浓度为3.0％或更高的CO2。从如此大量的环境空气中除去极少量的CO2不如从废气等气流中捕获和封存大量的CO2可行且富有成效，其中在废气中的CO2更浓。
因此，存在一种适用于工业化规模并且完整和持久的商业化可行的碳捕获和封存方法的需求。具体而言，存在一种不需要使用复杂且耗能的再生捕获介质、并且不会产生对耗能的干燥方法和另外的捕获后处理过程中的重质且潮湿的终产物的碳捕获系统的需求。还存在一种能够在CO2排放地点永久封存CO2的碳捕获和封存方法的需求。总体来说，存在一种成本低、耗能少并且能够永久封存CO2的碳捕获和封存系统的需求。
发明内容
本发明在其多个实施方案中提供了一种很大程度上克服了现有的碳捕获和封存方法的缺陷的化学方法，通过本发明所提供的方法，以碳酸形式存在的二氧化碳和碱发生反应，生成水和能够从溶液中沉淀出来的无水的且易除去的碳酸盐。通过在地面上处理所得的碳酸盐实现二氧化碳的封存。使用这种方法能够以相对低的成本捕获和封存工业化规模的CO2。本发明的实施方案还实现了永久性的且量消耗相对低的就地捕获和封存CO2量。
在本发明的一个实施方案中，提供了一种被称为威登的(Vandor’s)碳捕获和封存循环法(VCCS)的用于捕获和封存二氧化碳的方法，其中通过基本非水性的溶剂与碱混合，以使所述溶剂和碱形成溶剂悬浮液。可以在任意适宜的混合容器中进行所述混合步骤。所述基本非水性的溶剂优选为醇，并且在一个最优选的实施方案中为甲醇。因此，所述碱和甲醇反应生成甲醇盐，所述甲醇盐还可能含有溶剂化的金属氢氧化物。将水和含有二氧化碳的废气与所述溶剂悬浮液混合以发生反应，所述反应生成碳酸盐、水并放出热量。在本文中术语“溶剂”和“非水性的溶剂”可以互换使用，以表示能够溶解某些大量碱而且促使在典型的酸碱反应中生成的任意盐沉淀的任意基本非水性的溶剂。所述非水性的溶剂中含有少于50％的水，并且最优选含有少于10％的水。
所述气体优选为来自电厂的废气，但也可以为来自任意工业过程的任意类型的含有CO2的废气。所述气体中还可以含有氮气(N2)。在本文中使用术语“废气”表示任意的含有二氧化碳和氮气或空气的废气流，所述废气来自电厂的通气道，包括煤燃烧、天然气燃烧、油燃烧和填埋气(LFG)燃烧或厌氧消化池(ADG)燃烧的电厂或来自任意的工业生产过程，包括但不限于烧窑中制水泥、玻璃、钢铁、橡胶、纸张或其他材料的生产过程、乙醇的生产过程和来自任意的废气和工业废气的组合。
在一个实施方案中，将灰末引入所述溶剂中，并且所述碱是所述灰末的组成成分。如本文中所使用的那样，使用“灰末”表示来自任意来源(包括来自煤燃烧、木材燃烧和其他生物质燃烧)的飞灰、底灰和所有类型的含碱灰末其他。
所述碳捕获和封存的化学方法包括将水和含有二氧化碳的废气与悬浮在所述溶剂中的碱(优选为甲醇盐)混合，发生反应，生成大量的固体碳酸盐、水并放出热量。在所述反应中还生成少量的碳酸，并且所述碳酸和所述碱快速反应。可以在任何适宜的容器中进行所述反应。在一个优选的实施方案中，使碳酸盐从溶液中沉淀出来并将其从容器中除去。优选通过机械的方式除去沉淀的碳酸盐，通过使用螺旋钻或其他适合的机械装置其他除去固体而不允许任何液体从相同的位置流出容器。通过提供适量废热(low-grade heat)蒸发碳酸盐中残留的甲醇。
在反应容器中由所述反应生成的水和所述溶剂形成溶液，并且所述方法还包括除去由水和溶剂形成的溶液并将所述水与所述溶剂分离。所述水和溶剂分离后，将被分离的溶剂和所述碱再混合，以使所述溶剂和碱再次形成能够用于进一步捕获碳的溶剂悬浮液。使被分离的水返回到反应容器中的溶剂悬浮液中，在所述容器中，所述被分离的水与所述废气和甲醇盐继续反应。在一个优选的实施方案中，采用在低温干燥容器中冷却由水和溶剂形成的溶液的方法，使水与所述溶剂分离。当所述溶液被冷却时，水基本沉降至所述低温干燥容器的底部，而所述溶剂基本上升至所述低温干燥容器的顶部。在某些实施方案中，部分碳酸盐将伴随由水和溶剂形成的溶液运动，从而在所述低温干燥容器中从所述溶液中沉淀出来。可以使用过滤器将较大的固体留在反应容器中，阻止那些较大的固体在所述低温干燥容器中移动。
采用加热由水和溶剂形成的溶液以至少部分蒸发所述溶剂的方式，可以使用热蒸馏容器使剩余的水与所述溶剂分离。使用部分真空机从所述蒸馏装置中抽出溶剂蒸气，然后通过冷却将所述溶剂蒸气冷凝成适合在碳捕获和封存反应中重新利用的液体。
本发明的实施方案包括用来自废气中的氮气以为碳捕获和封存过程提供冷量的方法。所述方法可以包括使氮气液化和从被液化的氮气中回收制冷源。然后将回收的制冷源用于冷却所述溶剂并为所述溶剂的再生步骤提供冷量。使用氮气冷却的方法提高了本发明实施方案的能源利用率。
在一个优选的实施方案中，废气还包含氮气并且通过三种方式对所述氮气加以利用。在所述溶剂的再生过程中，将第一部分氮气用来制冷，将第二部分氮气用来增强电厂的电力输出，将第三部分氮气出售给厂外的消费者。首先将全部氮气压缩。对于用于制冷的那部分氮气而言，制冷源为热交换器提供制冷剂，并且使所述氮气在所述热交换器中冷却以使所述氮气基本液化。在将基本被液化的氮气用泵加压输送到发电循环中以增强作为废气源的电厂的电力输出之后，可以从所述基本被液化的氮气中回收制冷源。如下所讨论的那样，被回收的制冷源用来为低温溶剂的除去过程(使所述溶剂与水分离)提供冷量。
可以将第二部分氮气用来增强电厂的电力输出。在一个优选的方案中，将所述基本被液化的氮气的第一部分压缩并加热。将被加热压缩的氮气导入电厂的蒸汽循环中用来增强电厂的电力输出。可以将所述基本被液化的氮气的第二部分储存在储存装置中。将所述基本被液化的氮气用泵加压。然后通过热气体膨胀器将其蒸发导入用来增强电厂的电力输出。将所述液化氮气的第三部分出售给厂外的消费者，用作多种用途，包括作为制冷剂和作为流体以提高油和气体的回收率。在一个优选的方案中，通过除去液氩将所述被液化的氮气进一步精制，其中液氩占被回收的氮气流体积的约0.9％，并且所述液氩也是可以在市场中销售的高附加值产品。
本发明的实施方案包括碳捕获和封存系统，所述系统包括碳捕获装置和溶剂再生装置。所述碳捕获装置包括混合容器和至少一个反应容器，并且还可以包括一个与所述反应容器流体连接的溶剂冷凝器。在所述混合容器中，碱与基本非水性的溶剂混合形成悬浮液。在一个实施方案中，将灰末引入所述溶剂中，所述碱是灰末的组成成分。所述非水性的溶剂优选为醇，并且在最优选的实施方案中为甲醇。这样，所述碱和甲醇在所述反应容器中发生反应生成甲醇盐和可能的某些金属氢氧化物。还可能生成少量的碳酸二甲酯(DMC)，但是在碱性条件下，所述碳酸二甲酯快速分解了。
所述反应容器与所述混合容器为流体连接，从而通过第一输入端使所述反应容器获得来自所述混合容器的由碱和基本非水性的溶剂形成的悬浮液。还可以通过第二输入端使所述反应容器获得含热和二氧化碳的废气，以及通过第三输入端获得水，从而在所述反应容器中生成了碳酸、碳酸盐、水并放出热量。更具体而言，在所述反应容器中，二氧化碳、水和反应生成的少量碳酸与该容器中的碱发生反应，生成了碳酸盐、水并放出热量。所述废气中也含有氮气。在某些实施方案中，碳捕获装置还包括与所述反应容器流体连接的溶剂冷凝器，在所述冷凝器中通过制冷源冷凝流出的流体中的溶剂部分，所述流体中大部分是氮气。
所述溶剂再生装置与所述反应容器流体连接并且包括至少一个热量交换器、与所述热量交换器流体连接的低温干燥容器和与所述低温干燥容器流体连接的热蒸馏容器。所述溶剂再生装置优选具有多个热量交换器，从而实施多个中间热量回收步骤，以加热进入所述热蒸馏器中的主要为水的流体，并冷却选出所述热蒸馏容器的甲醇蒸气。
使在反应中所生成的碳酸盐从溶液中沉淀出来并将其从反应容器中除去。所述碳捕获装置还可以包括螺旋钻或其他其他适合的装置以将从所述反应容器中除去沉淀的碳酸盐。在所述反应容器中，由所述反应生成的水和所述溶剂形成溶液，并且从反应容器中除去所述由水和溶剂形成的溶液并将其引入所述溶剂再生装置中。通过所述溶剂再生装置使水与所述溶剂分离，使被分离的溶剂返回至所述混合容器中与碱重新混合形成溶剂悬浮液。同时使被分离的水返回至所述反应容器中继续反应。
在某些实施方案中，有小部分碳酸盐(例如以体积计小于10％)保留在所述溶剂中并通过所述溶剂再生装置随溶剂悬浮液移动。当选取的碱为CaO时，所述由水和溶剂形成的溶液中不含任何碳酸盐。当选取的碱为KH时，部分碳酸盐将与水和溶剂形成溶液。所述小部分碳酸盐将从所述溶剂悬浮液中沉淀出来，同时使所述碳酸盐与水分离。首先，所述分离过程使用低温干燥容器，在该容器中使由水和溶剂形成的溶液冷却，从而使水基本沉降至所述低温干燥容器的底部，并且所述溶剂基本上升至低温干燥容器的顶部。部分(或者在更高耗能的模式中，全部)分离过程使用热蒸馏容器，在该容器中，加热由水和溶剂形成的溶液，采用部分真空机从热蒸馏容器中抽出溶剂蒸气，并使所述溶剂蒸气冷凝。
某些实施方案中可以包括氮气液化装置，所述装置使废气中所含的氮气基本液化，并从所述基本被液化的氮气中回收制冷源。从氮气中回收的制冷源可以用来冷却溶剂并为溶剂再生装置提供冷量。将液氮的部分通过低温泵加压后在高压下送到再生装置中。通过所述溶剂再生装置加热基本被液化的氮气的第一部分并将加热的氮气导入电厂的蒸汽系统中用来增强电厂的电力输出。通过储存装置储存基本被液化的氮气的第二部分，释放所述基本被液化的氮气的第二部分并将其导入到热气体膨胀器中用来增强电厂的电力输出。
本发明的实施方案包括分离废气(包含CO2、相对大部分的N2和很小部分的氩气)中的化学成分的方法，包括：将基本非水性的溶剂和碱混合以使所述溶剂和碱形成溶剂悬浮液。将水和含有二氧化碳和氮气的废气引入所述溶剂悬浮液中。所述溶剂悬浮液中的碱与所述水和所述废气中二氧化碳接触，从而发生一系列快速化学反应。所述反应生成碳酸盐、水并放出热量，同时未反应的主要为氮气的部分以气体的形式逸出所述反应容器，且所述气体中伴有少量被蒸发的溶剂蒸气。
主要为氮气的流体在溶剂冷凝器中冷却，从而液化少量返回至甲醇和碱的混合容器中的溶剂部分。通过压缩和冷却所述氮气液化其余的主要为氮气的流体。在一个优选的实施方案中，从所述基本液化的氮气回收制冷源并将其用于为使水与溶剂分离提供冷量。首先通过用低温液体泵加压压缩用于冷却的氮气部分，然后在溶剂再生装置中用回收的热量将所述氮气部分加热。然后将氮气引入电厂的蒸汽循环中或引入装有电机的热气体膨胀器中用来增强电厂的电力输出。储存所述基本被液化的氮气的第二部分，然后通过热气体膨胀器蒸发导入用来增强电厂的电力输出。将所述基本被液化的氮气的第三部分出售给厂外的消费者。
因此，可以看出本发明提供了一种安全且低成本的大规模原地捕获和封存二氧化碳的化学方法，其中二氧化碳以碳酸的形式和溶液中的碱反应生成碳酸盐、水并放出热量。通过阅读以下本发明的详细描述并参考附图，可以理解本发明的上述特征和其他其他，在附图中相同的附图标记表示相同的部件。
附图说明
基于以下详细的描述并结合附图，本发明的前述内容和其他目的将变得显而易见的，在附图中：
图1是根据本发明的碳捕获和封存系统的一个实施方案的工艺流程图；
图2是根据本发明的溶剂再生装置的一个实施方案的工艺流程图；
图3是根据本发明并与电厂连接的碳捕获和封存系统的一个实施方案的流程图；
图4是根据本发明的氮气液化装置的一个实施方案的工艺流程图。
具体实施方式
在下面的段落中，通过实例的方式并参考附图具体描述本发明的实施方案，附图没有按比例绘制，并且示出的部件并不一定与其他的部件按比例绘制。在所有描述中，所示出的实施方案和实例应该理解为示例，而不是对本发明的限定。如本文中所使用的那样，“本发明”指本文中所描述的本发明的实施方案及其等同方案中的任意一个方案。更进一步而言，对本申请文件中对本发明的多个方面的引用不表示所有要求保护的实施方案或方法中必须包括被引用的方面。其他应当认为引用的温度、压力、密度和其他参数是本发明的实施方案中具代表性和说明性的性能，并且实施方案可以在这样的参数的较宽范围下操作。应该注意的是附图中没有显示设备的每个细节，也没有显示不同流体的压力、温度和流速。
通过本发明的不同实施方案制得的气体、液体和固体产物的实例并不是全面的。本发明实施方案中产生的一些少量产物(包括那些暂时生成然后溶解的产物)，在下文中将不予详细的讨论，但应理解为包括在本发明的保护范围内。并不是所有生成热的点都将在下文中提到，但应理解为在本发明的实施方案中产生的所有有价值的热量都可能用于热量回收和潜在的用途，因此减少了过程中所需的能量输入的总量。
图1示出了本发明的一个实施方案的两个主要的子系统，碳捕获装置100和溶剂再生装置200。碳捕获装置100包括反应容器101和混合容器102，并优选包括溶剂冷凝器103。在本文中将结合图2详细描述溶剂再生装置200。示出的系统可以用在任意电厂和任意类型的废气中，并且尤其适合于较好地捕获和封存来自燃煤电厂的废气中的二氧化碳。来自电机的废气，例如填埋地点(LFG)产生的废气温度接近900℉。然而，大部分这样的电机驱动系统不包含热量回收部件，对于本发明系统和方法的实施方案而言，所述废气的废热量是重要的能量来源。
碳捕获和封存的化学方法包括使CO2、水以及部分暂时生成的(少量)碳酸14与悬浮在甲醇盐5中的碱2接触和，以发生反应生成沉淀的碳酸盐6、水-甲醇溶液10并放出热量。首先，将负载有CO2的废气1和水4引入甲醇盐5中，使两种流体同时且各自地进入反应容器101中。通过这样的各自进料可以完全控制两种流体的流速，并且可以通过调节水流4以反映废气中所包含的任意微量的水蒸气。通过第一输入端阀113(优选为输入阀)使反应容器101获得来自混合容器102的由碱2和基本非水性的溶剂12组成的甲醇盐悬浮液5。通过第二输入端111使反应容器101获得废气1，并通过第三输入端112获得水，输入端111和112均优选为输入阀。CO2和水(以及少量暂时生成的碳酸14)与包含在甲醇盐5中的碱2之间迅速反应(有时少于1秒)，将气体CO2全部转化为固体碳酸盐和副产物水并放出热量。
在一个优选的实施方案中，使碳酸盐6从溶液中沉淀出来，并使用螺旋钻104或任意其他适合机械除去碳酸盐的装置或系统通过机械方式将所述碳酸盐从反应容器101中除去。在某些实施方案中，留在反应装置101中的上至约10％的体积的水-甲醇溶液10中包含悬浮的碳酸盐，所述碳酸盐不会沉降到所述反应容器的底部，但是将在甲醇的再生过程中从溶液中沉淀出来。由酸和碱的反应所生成的水与所述溶剂形成溶液。通过过滤器114除去所述水-溶剂的溶液10，这防止了较大的固体从反应容器中流出，这种较大的固体将沉降到反应容器的底部并通过机械的方式除去所述固体。所述方法还包括从反应容器101中除去水-溶剂的溶液10，并使水与溶剂分离。在那些水-溶剂的溶液10中含有碳酸盐的实施方案中，碳酸盐和水一起分离出来。在反映反应的最优温度的加热温度下，在接近反应容器101顶部处抽出由水和甲醇形成的溶液10，这会使反应所需的时间缩到最短。
作为起始步骤，碱2和溶剂12在混合容器102中混合形成悬浮液5。本领域已知的多种碱中的任意碱都可以选来中和废气中的CO2反应，生成与所述碱相对应的碳酸盐。所述碱可以是强碱或弱碱，并且可以包括粉末形状的氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)这样的常规碱，或氢化物，例如氢化镁、氢化钾或氢化钠(MgH、KH、NaH)，或无水氨，或在飞灰(和底灰)中发现的氧化钙(CaO)，氧化钙是燃煤或生物质电厂和锅炉的另一种副产物，或其他其他任何天然或合成的可以与CO2发生反应的适合的碱。
本发明的实施方案的一个优点是可用于实现工业化大规模的碳捕获和封存。通过在所有尺寸的装置中应用本文所描述的系统和方法，可以使用多种碱，反应生成与所述碱相对应的碳酸盐。下面示例性地列出了每一种碱的化学符号和所述碱与CO2反应生成的碳酸盐以及每一种碳酸盐的化学符号：
氨(无水)，NH3→碳酸铵，(NH4)2CO3
氢化锂，LiH→碳酸锂，Li2CO3
氢氧化锂，LiOH→碳酸锂，Li2CO3
氢化镁，MgH2→碳酸镁，MgCO3
氢氧化镁，Mg(OH)2→碳酸镁，MgCO3
氢化钾，KH→碳酸钾，K2CO3
氢氧化钾，KOH→碳酸钾，K2CO3
氢化钠，NaH→碳酸钠，Na2CO3
氢氧化钠，NaOH→碳酸钠，Na2CO3
一个实施方案是采用氢化钾(KH)，可能与其他其他碱组合使用。MgH2和灰末可以与KH组合使用，以提高CO2的捕获率。钾、钠、镁的氢化物(KH、NaH和MgH2)的价格低于它们各自的氢氧化物(KOH、NaOH、Mg[OH]2)，而且单位氢化物比氢氧化物获得更多的碳酸盐，所以使用氢化物更经济。碱的这种组合使用将需要多个混合容器和多个反应容器。使用某些氢化物时还可能生成副产物—部分氢气。例如，对于溶解在甲醇中的每两磅氢化物而言，NaH将生成约930L的氢气，而KH将生成约560L的氢气。不排放这样的H2流，而将其作为燃料用在本发明实施方案的几处可能的位置中的某一处。例如，可以直接将H2流送到电厂的燃烧室中，或在辅助加热器中燃烧，为用于增强电力输出的N2流提供额外的热量。碱的选取和生成的碳酸盐取决于这些碳酸盐的市场，以及与碳酸盐的价值相比，所述碱的相对成本。
优选的实施方案是使用飞灰中的碱，在将废气排放到大气中之前，从燃煤和生物质电厂或燃煤和生物质锅炉中的废气中回收这种细粉末。类似地，底灰来自于未与废气同行的煤或生物质的剩余物，是一种用途有待探索的产物，但其仍是重要的废物流。下面对灰末的讨论包括具有类似的化学成分的飞灰和底灰以及来自任意其他来源的所有其他的碱性灰末。
大部分燃煤电厂中所产生的灰末是没用的。其中的大多数被运去填埋处理，或用于其他其他低附加值的应用。来自褐煤(一种广泛使用的煤)的灰末含有15-40％的SiO2(沙子)、20-25％的Al2O3(氧化铝)、4-15％的Fe2O3(氧化铁)和15-40％的CaO(氧化钙)和上至5％的未燃烧的碳。次烟煤产生含有较少量的CaO(5-30％)的飞灰，所述飞灰也可以作为碱源，但需要更大量的灰末以产生相同的效果。优选当所述灰末悬浮在甲醇中时，通过磁力的方式除去氧化铁，这将有助于浓缩甲醇盐中CaO的量，生成了另一种有价值的副产物(氧化铁)，并通过除去相对重的铁，减少了最终负载有碳酸盐的固体产物的重量和运输成本。飞灰中所含的CaO与人们可以购买的石灰是同一种碱，但在本文中，所述飞灰是包含在碳酸钙中的煤燃烧后的副产物。因此，可以从灰末中获得CaO，并且额外所释放出来的CO2没有超出电厂通常的排放量。相比之下，购买制造的CaO会增加这个过程中碳的产生量，因为制造CaO会导致大量CO2的排放。
所述碳捕获和封存方法的一个实施方案是将灰末和含CO2的废气1置于甲醇12中，基本限制了反应容器101中水的量。这样使得反应生成更加干燥和更易控制(关于大小和构型)的终产物。在这个优选的实施方案中，所述终产物是尺寸一致的颗粒，需要很少或不需要干燥后再粉碎，生成适合的农用石灰替代物，同时使这个过程所需的能量输入量降至最小。
所述玻璃状的灰末可以受益于使微小灰末颗粒粉碎的快速冷却过程，从而促进了灰末中的碱与通过流体1和4输送到反应容器中的CO2和水的反应。所述快速冷却过程优选包括首先加热灰末、然后在被深度冷却的甲醇中使所述灰末冷却，从而粉碎了每一粒微小灰末的玻璃状珠子。如果反应发生在热的甲醇中(有可能的话)，则灰末流的粉碎可能首先发生在一个容器里，然后在独立的反应容器中使甲醇加灰末的溶液和热甲醇混合。在所述快速冷却过程之前加热灰末所需要的热量可能来自多个所述过程中的热回收点中的一个。
优选地，酸和碱(base)的反应发生在含有碱(alkali)的主体液体或溶液形式的碱(base)中，并且，当将CO2和水引入负载有碱(alkaline)的溶剂中时，所述反应使碱(base)与所述CO2和生成的水(还有少量暂时生成的碳酸)之间容易接触。因此，优选的实施方案使用基本非水性的溶剂以控制反应。通过从反应容器101的顶部抽出水-甲醇溶液10，以和反应生成水的同样的速率，并用同样体积的富(即基本不含水)甲醇盐代替水-甲醇溶液10来实现上述方案。流入反应容器中的水的量取决于废气中水含量和先前通入废气时可能滞留在甲醇溶液中的水的量。
另外，需要从反应容器101中快速抽出酸和碱反应所生成的产物水，以防止甲醇盐5水解。大部分干燥的废气1鼓泡穿过甲醇盐5，并加入适量的水(流体4)，使CO2和碱发生反应，并暂时生成少量的碳酸14，所述碳酸还可以通过溶剂12与溶液5中的碱2发生反应。优选地，在足够的压力下使废气1进入反应容器101，例如，约16.5磅/平方英寸(绝对值)，从而使废气1穿过主体甲醇盐5上升，并使所述废气中未反应的部分(主要为N2)作为主要含有N2和甲醇蒸气的流体8流出反应容器101甲醇蒸气，在冷凝器103中通过冷凝回收所述流体8。考虑到沿废气预冷却路线的压力降，在本发明中，希望获得约17磅/平方英寸(绝对值)的废气。
在一个优选的实施方案中，基本非水性的溶液是醇，并且最优选为甲醇。然而，也可以使用任意其他合适的非水性的溶剂，所述溶剂能够使大量的碱溶解在其中，并且能够迫使典型的酸和碱反应所生成的任意盐沉淀出来。乙醇是某种程度上价格较高的备选方案，如果例如所述方法被用于捕获和封存在乙醇工厂中产生的CO2，则也可以采用乙醇用来。那样的话，接近批发价格的乙醇是可行的，并且补充的乙醇不需要任何运送。使用所述溶剂的目的是使酸和碱的反应在基本无水的液体中发生，从而避免形成盐水或悬浮在水中的碳酸盐，以及避免终产物中含有大量必须除去的水。
碱2与甲醇溶剂12混合生成甲醇盐5，所述甲醇盐是甲醇和任意适合的碱的氢化物或氢氧化物，其中所述碱存在于悬浮溶液中。下面是一种碱(KH，或氢化钾)和甲醇混合的基本化学方程式的一个实例：2KH+MeOH生成2MeOK+H2。当将某些碱引入甲醇中时，可以使所述甲醇盐制冷以回收并反作用于反应中可能放出的热量。甲醇盐的制冷程度的选择取决于选择哪种碱以及哪种碳酸盐将成为反应的终产物，以及通过所选择的用于控制反应容器101的温度的方法，从而可以限制反应容器中甲醇的汽化。
在混合容器102中将碱2和室温的甲醇混合，两种化合物反应放出热量，并生成甲醇盐5的离子溶液，其中可能包含溶剂化的金属氢氧化物。可以回收存在于获得的溶液中的反应热并将其用于加热流程中的其他部分，所述反应热通常在约225℉到300℉之间其他。应当注意的是，在混合容器102中还可以生成部分碳酸二甲酯(DMC)，但是其接着被分解。在热量被回收之后，将甲醇盐5输送至反应容器101中以控制流进的水流4和大部分干燥的废气1，所述废气1鼓泡穿过甲醇盐5。在反应容器101中的甲醇盐5的流速和从反应容器101到低温干燥容器202(经由第一热量交换器201)再到热蒸馏柱205的水-甲醇溶液10的流量将取决于废气1和废气中CO2的含量。其次，严格限制流速，从而绝对不让多于约10％的水进入反应容器中，因为具有较大湿含量的甲醇盐介质将使所述碳酸盐不容易沉降。
使甲醇盐5进入引入了废气流1和水4的反应容器101中。某些实施方案可以采用串联的多个反应容器以使废气持续流动。优选的反应容器的高度约为40英尺，并且可以由不锈钢或适合的被涂覆的碳钢或任意其他耐酸、碱、水和热腐蚀的材料制成。反应容器101与混合容器102流体连接，以使碱-溶剂的悬浮液(本文是指甲醇盐)，通过第一输入端进入反应容器中。如本文中所详细讨论的那样，废气流1通过第二输入端进入反应容器101中，并且在与甲醇再生相关的热蒸馏步骤中放出部分热量。可以将反应容器中的化学反应流程概括为下面的方程式：
在上述(1)中的第一步是二氧化碳气体在基本非水性的溶剂中的物理溶解。所述溶解是可逆的，用双向箭头所示。(1)中的第二步是通过与水或碱形成少量自由(碳酸，H2CO3)形式的碳酸盐或碳酸盐离子来捕获CO2。离子的形成依赖于溶液的碱性。反应是快速的，实际上是瞬时的。从容器中除去作为沉淀至底部的金属盐(例如碳酸钙或碳酸钾)的碳酸盐离子，从而使反应继续进行。溶液的碱性和金属碳酸盐在溶剂中的溶解度决定了碳酸盐的形成和沉淀速率。因此，通过控制溶剂的碱性以及不同流体的温度、压力和流速可以优化反应的实际操作，并与选择的碳酸盐产物的溶解度相关。
优选地，酸-碱反应所生成的水应当不超过反应容器中甲醇体积的约10％。通过不断地从反应容器中抽出水-溶剂的溶液10来实现对水的控制，并用纯的再生甲醇替代被抽出的水。下面将详细讨论溶剂再生过程。
碱2和碳酸14反应生成碳酸盐6，所述碳酸盐沉淀至反应容器101的底部，并通过螺旋钻104或任意其他可以机械地除去沉淀的碳酸盐的装置或系统除去所述碳酸盐。如果使用KH作为碱，碳酸盐6的某些成分将有可能留在甲醇溶液中，并伴随水-甲醇溶液10流出，然后在低温干燥的过程中沉淀出来。可以通过从本方法的其他地方回收的热量干燥被除去的材料，生成细粉末或丸粒。沉降至反应容器101底部的碳酸盐6可以携带少量的甲醇，但优选不含水。反应使水-甲醇溶液产物10在反应容器101中上升，同时沉淀的碳酸盐6将落入底部。
因此，反应容器的设计利用了上升的液体和废气流以及沉降的碳酸盐。例如，使甲醇盐5和冷却的废气1进入反应容器101的底部附近，同时从顶部附近抽出较热的水-甲醇溶液10，伴随着惰性气体(N2，并且在某些情况下为O2)进入氮气液化装置中的后续处理步骤，图3中示出了氮气液化装置300，图4中示出了更多细节。使任何随碳酸盐流出反应容器101的甲醇(以水-甲醇溶液10的形式)蒸发。将无水的碳酸盐输送至终端用户用作肥料、石灰的替代物以及用于矿山复垦、道路填埋或其他工业用途上。包含在废气流中的大部分氮的酸性氧化物也将与甲醇盐中的碱发生反应，生成各种含氮的盐，所述盐包括但不限于氮化物，从而减少了电厂的排放量。
由碳酸14和碱2反应生成的碳酸盐6取决于选择的碱。一种可能是碳酸钙，它可以作为农用肥料、或炼钢、探油、尿布和制玻璃中石灰的替代物。另一种可能的产物是碳酸镁，它可以作为含镁石灰石的替代物用作肥料，避免了浸灰，从而在石灰生产过程中通过减少CO2的排放量避免CO2的排放。碳酸钾是另一种可以用作肥料并也可避免浸灰的可能产物。当金属在纯氮气中燃烧时，本发明的实施方案中其他可能的终产物可以包括氮化硅(SiN4)、氮化钙(Ca3N2)或氮化镁(Mg3N2)。从液氮产物流中分离出氩气(作为液氩)是尤其引人注目的，这是因为如果在LN2生产环路中包含冷的蒸馏柱，废气中约1％的氩气将产生高附加值的液氩流。
随着从废气1中除去CO2并以化学方法将所述CO2转化为碳酸盐6，废气中剩余的部分主要为氮气。含有氮气和部分甲醇的流体8从反应容器101的顶部流出。反应越热，就会逸出更多的被蒸发的甲醇蒸气和N2气。高于150℉的反应温度会导致太多的甲醇和N2流出所述容器。因此，需要控制反应热。例如，可以对进入到反应容器101中的甲醇流体5进行预冷却。可选地，可以通过悬置在所述容器顶部附近的热交换器对反应容器101的内部进行冷却，例如，用冷N2流体9冷却反应容器中的液体以使其中的甲醇保持被冷凝的(液体)状态，使剩余的N2蒸气运动至氮气液化装置300中进行液化。优选地，可以使反应达到接近150℉的温度，允许部分甲醇蒸发，但是在所述甲醇流出反应容器101之后立刻在溶剂冷凝器103中对所述甲醇进行回收。
在反应容器中控制温度的方法可以包括冷却流入的流体(甲醇盐、水等)和/或通过内部热交换器冷却反应容器中的液体，和/或所述两种技术的组合。图1中未示出这些方案。那些熟悉这类热控制系统的技术人员会选择一种优选的方法。过热力学计算优化反应速率来确定需要将反应容器温度冷却至低于150℉的程度，但不应导致过多的甲醇从反应容器中蒸发。
流出溶剂冷凝器103的流体是主要为N2的废气7，但是根据废气的来源，所述流体也可以包含氩气和少量的O2。如下文所讨论的那样，在对N2流7进行液化之前，在分子筛305(示于图4)中除去痕量的水或CO2(百万分率)。可以对大部分N2进行低成本的压缩和冷却，由此采用本领域公知的方法液化得到相对高纯度的液氮(LN2)，但是成本低于标准的空气分离工厂的制造成本。如图3和图4所示，通过氮气液化装置300实现这样的过程。
参考图2，示出了溶剂再生装置200的更多细节。溶剂再生装置200与反应容器101流体连接，所述装置包括第一热交换器201、与所述第一热交换器流体连接的低温干燥容器202以及与所述第一热交换器流体连接的的热蒸馏容器205。可以使用本文中所描述的其他的热交换器。将水-甲醇溶液10输送至第一热交换器201中，其中通过和已经用泵(采用低温泵，未示出)加至高压的液氮9进行热交换，对所述水-甲醇溶液进行深度冷却，所述高压可以为例如800磅/平方英寸(绝对值)或如下文所讨论的适合于起到增强功率作用的任意其他压力。然后将被深度冷却的水-甲醇溶液10输送至低温干燥容器202中，其中所包含的当前几乎冻结的水(含有少量甲醇的水的“雪泥”)沉降到低温干燥容器202的底部，从低温干燥容器202的底部212抽出主要为水的流体11，并且从所述容器的顶部211抽出主要为甲醇的流体。如果将KH作为碱使用，部分碳酸盐将在低温干燥容器202中沉淀出来。
在某些实施方案中，水-甲醇流体10中携带碳酸盐，所述碳酸盐存在于甲醇溶液中。所述固体沉淀至低温干燥容器202的底部212并通过机械手段将所述固体从容器底部除去，从容器212的较高点除去主要为水的水-甲醇流体11。当流体11和12在循环中运动时，都不能携带任何固体。
接下来，主要为水的流体11流动到第二热交换器203中进行加热，所述第二热交换器优选为环境空气热交换器。其他的热源可以包括各种携带热量的流体，例如图1中流出溶剂冷凝器103之后的流体7。这样的选择可以在N2流到达氮气液化装置300中进行液化之前对所述N2流进行预冷却。来自第二热交换器203的主要为水的流体进入第三热交换器204，其中通过从热蒸馏器205中抽出的甲醇蒸气3进一步加热所述N2流。为了清楚起见，示出的第三热交换器204直接位于第二热交换器203和蒸馏柱205之间。所述过程完整的工业化版本可能将第三热交换器204置于蒸馏柱205的上方，流通过控制阀207使得回流溶剂在重力作用下落入蒸馏柱中。可选地，采用小型泵使回流的流体从204运动至205。
在第三热交换器204中使用的甲醇蒸气3的温度优选为约150℉和更高，基本为纯的甲醇蒸气。可以从热蒸馏容器205中回收水，并且当N2流流出第一热交换器201时，在N2流流向电厂400中起到增强电力作用的过程中，用所述回收的水加热N2流，所述电厂为首先产生废气、然后为氮气液化装置300提供电源的电力循环。这时候的甲醇流为蒸气，通过主要为水的流11使所述甲醇流冷凝为液体，将被回收的甲醇12送回到混合容器102中以供其他的甲醇盐的生产。获得的甲醇盐悬浮液可以包含部分水。
从低温干燥容器202的顶部除去作为无水甲醇的流体12并使所述流体，通过第一热交换器201返回(回收其冷量)，然后加入至流出第三热交换器204返回的流体中，同时将汇合的主要为甲醇的流体12输送至混合容器102中。返回的流体12(主要为无水甲醇)流过第一热交换器201，以帮助液N2冷却来自反应容器101的水-甲醇流体10。
在热蒸馏容器205中加热从低温干燥容器202流出并经第二热交换器203和第三热交换器204中加热的主要为水的流体11，排出所述流体中少量的甲醇蒸气并且使纯水从热蒸馏容器205的底部流出。所述蒸馏的热源是热的废气41，所述废气流过位于热蒸馏容器205底部的再沸器206。所述热的废气在这一步中释放出其大部分的热量，但其仍然具有足够的余热可以被回收，以供其他地方的使用。如图1所示，将从热蒸馏容器205流出的大部分被回收的水4输送至反应容器101中，以使废气中的CO2能够形成碳酸14。在任意生成的额外的水流出热蒸馏容器205之后，可以通过一层或多层活性炭过滤输送所述水，使所述水成为饮用水。可选地，可以将多余的回收水作为补充水源输送到电厂的蒸汽循环中，以代替蒸汽循环中所消耗的水。来自天然气燃烧电厂的废气中具有更高的水含量，需要从热蒸馏容器205中回收的待返回到反应容器101中与废气中的CO2形成碳酸的水4更少。
低压甲醇蒸气3从热蒸馏容器205的顶部(即蒸馏柱)选出。所述蒸气的热量用来预热将被输送至热蒸馏容器205的冷(主要为水)流体11所述热交换使甲醇蒸气3被冷凝。将一部分冷凝的甲醇流作为回流气流送回至热蒸馏容器205的顶部，这有助于使所述冷凝的甲醇流下方的主要为水的混合物中的甲醇蒸发。优选的是，被送回至热蒸馏容器205顶部的那部分冷凝的甲醇流体部分占所述流体的约10％。在回流路线中示出了阀门207被设置在所述流体进入容器的入口之前。
液N2流9流过第一热交换器201，使水-甲醇流体10深度冷却(至约-50和-80℉之间)。流过第一热交换器201的液氮9的流速控制被蒸发的液氮(现在是N2)的出口温度。在一个优选的实施方案中，被蒸发的N2是足够冷的，以在溶剂冷凝器103中用作制冷剂，在该冷凝器中使包含在从反应容器101流出的主要是N2的流体中的甲醇冷凝(参见图1)。所述N2的侧环路有助于使从反应容器101流出的流体8中的甲醇冷凝，在所述N2的侧环路中重新加入流出第一热交换器201的高压N2流中，并且将所述N2流送回到基础电力输出循环中起到增强电力的作用。溶剂冷凝器103回收了从第一热交换器201流出的N2和甲醇流体8的热量，并将所述热量传递给从第一热交换器201流出的冷的N2侧流9，所述侧流9将在其流向电力循环的过程中重新加入到总N2流7中。这使得在容器中的酸碱反应在最热的条件下发生，产生被传递至N2流7的有价值的废热，并示出了所述废热重新加入到从热交换器201流出的总N2流中。通过溶剂冷凝器103的N2流7的冷却，在所述N2流7流向子系统300进行液化的过程中，通过冷却从溶剂冷凝器103流出的N2流7对从201向子系统400流动的N2流进行加热。
应当注意的是，可以采用多种方式蒸发反应容器101抽出的水-甲醇溶液10，包括加热(例如废气的热量)、通过从热蒸馏容器205中抽出甲醇蒸气的部分真空设备增加热量或通过蒸气重新压缩的方法。然而，所有这些方法所需的热量都大于从废气中可获得的热量。相反地，本发明通过“预蒸馏”湿的甲醇流体并深度冷却水-甲醇溶液10，从而使得更多的水流到容器的底部，并且采用上述方法中的任意一种方法或上述方法的组合进一步蒸馏饱和的甲醇流。
图2中所示出的一个优选的实施方案取决于以液N2形式储存的非峰值能量以实现水-甲醇溶液10的蒸馏(再生)。所述冷蒸馏步骤产生主要为水的流体，通过加热蒸馏所述流体中剩余的甲醇。如果相对于甲醇的比例，水的比例很高，与被输送至热蒸馏容器205的主要为水的流体11的情况相同，所述优选的两步(冷法和热法)再生过程需要很少的热量就可以实现水-甲醇溶液10的蒸馏。当本发明的实施方案包含制冷源时，则甲醇再生需要的净能量比较少，这是因为较宽的温度范围(在蒸馏过程中的热端和冷端之间)可以回收大量的热量和冷量。另外，液N2的制造将产生大量的低成本制冷源。应当注意的是，图2没有显示可以优化该过程效率的每一个可能的热量回收步骤并且只显示了一个控制阀。其他的阀门、计量器、传感器、仪器和泵都未显示。
图3示出了碳捕获和封存方法和包含多个子系统的系统的实施方案，所述实施方案包括从流进和流出电厂的流体以及所述子系统之间的流体。所述子系统包括碳捕获装置100、溶剂再生装置200、氮气液化装置300和发电装置400。其中最后的部分可以包括燃煤和生物质蒸汽循环、以天然气作为燃料的联合循环、填埋气体燃烧或厌氧消化池燃烧工厂和其他以烃作为燃料的排放CO2的发电系统。
在氮气液化装置300中生产LN2。在一个实例中，在一个500兆瓦的燃煤电厂中每天约生产30000吨的LN2流体。所述每天30000吨LN2中包括约0.9％的有价值的氩气，并且可以使LN2与所述氩气分离，用于创造收入。在一个优选的实施方案中，将所述LN2分为三部分。将第一部分LN2作为高附加值产品出售给厂外终端用户，可用作制冷源以及作为产品应用到油和气领域中，以使上述原料向井套管(以及向上)运动。
如图2所示，采用第二部分LN2通过低温干燥的方法使所述甲醇再生。使通过热量交换蒸发之后的相同的N2作为高压流体进入电厂的蒸汽循环中，通过蒸汽涡轮机增加质量流量，或将所述N2输送至装有电机的独立的热气体膨胀器中，这样从而在不使用其他燃料的情况下使电力输出提高了6.5％。通过首先用泵为LN2加压获得高压的N2流，并且如图2中所示和本文所讨论的那样，通过各种回收热量的步骤使高压流体吸热。
通过本发明的实施方案所提供的用于加热高压N2蒸气的热源包括：如图1所示，从反应容器101中流出并流向其再生过程的热的水-溶剂的溶液10，其中在热交换器201中的N2流9和水-溶剂的溶液流10之间发生热量交换；如图1所示，从反应容器101中流出的热的N2，其中通过溶剂冷凝器103中的含有甲醇的N2流8对N2流9进行加热；在热蒸馏柱205中在废气1放出其部分热量后，废气1中剩余的热量；从热蒸馏柱205回收的水4中所包含的热量；在混合容器102中制造甲醇盐5的过程中，由被选择的碱2和甲醇12之间的离子反应所产生的热量；电力循环中蒸汽的冷凝，通常在冷却塔中进行所述冷凝并用冷的N2流代替所述冷却塔；以及在燃烧天然气的联合循环电厂中，从使用冷的N2作为冷却流体冷却从大气中进入并流到气体涡轮机的过程中所吸收的热量。
将日产LN2中的第三部分LN2储存在一个或更多的低温储存槽307中，并在峰值电力需求的期间内释放所述LN2以进一步增强电力生产循环。通过首先用泵(优选使用低温泵)对LN2进行加压，使得储存的能量得到释放，其中，然后用来自所述过程中其他地方的废热蒸发所述LN2，然后通过装有电机的热气体膨胀器输送高压热N2流。所述电力的输出使峰值期间内的电力输出增加约5％，与在一天中的剩余时间内所产生的6.5％的电力增加相结合，使在电力最有价值的峰值输出期间内产生约11％的总的电力输出增加。在非峰值用电的晚上使用LN2增强电力的实施方案是优选的，而且用于将来的电力释放的LN2的储存形成公用事业电力储存模式，障碍物而不需要电池、飞轮调速轮或压缩空气洞穴储存系统。
这种在峰值电力需求的期间内进行输出的储存和释放的模式，形成电力储存机制，所述机制转化了在CO2捕获过程中作为副产物产生的低成本的液氮并将所述被回收的氮气流转化成高附加值的峰值期间的电能。将热的高压氮气转化成电能的装有电机的热气体膨胀器与转化在甲醇再生过程中被加热的第一部分氮气的热气体膨胀器可以是相同的膨胀器。
已经使氮气流7与最初用来燃烧电厂400所使用的燃料的空气(用空气中的O2燃烧燃料)分离，并且也已经使氮气流7与来自于所述燃料在空气中燃烧所产生的废气中所包含的CO2分离。可以通过分子筛305除去从反应容器101流出的氮气流8中剩余的任意痕量的水和CO2，所述分子筛优选包含沸石。所述N2中的水和CO2的含量明显低于环境空气中的水和CO2的含量，因此需要较小的分子筛吸收器，或者一种比较不经常再生的分子筛吸收器。
参考图4，示出了氮气液化装置300的更多细节。图4示出了使用独立的N2环路作为制冷剂的N2液化过程，在低温热交换器306中所述环路使从碳捕获装置100流出的N2流冷却将。在多个阶段中，首先将N2流7压缩至合适的压力，如约80磅/平方英寸(绝对值)，以多阶段压缩机302为代表，所述压缩机由通过驱动轴309连接到压缩机的电机301驱动。在一个或多个中间冷却器或二次冷却器303中对热量进行回收之后，被压缩的N2流过分子筛305。图4显示了在热交换器(中间冷却器和二次冷却器)中回收压缩热量的多个地点，所述回收热量可用来为碳捕获和封存过程的其他部分提供热量。将压缩的N2流输送至低温热交换器306中，其中通过与用9表示的制冷剂N2流进行热交换将所述压缩的N2流冷却到-280℉。所述冷却过程使所述流体主要形成液相，通过设置在低温热交换器306和储存装置307之间的减/控压阀207输送，所述储存装置优选为低温液体储存槽，其中储存最终制得的LN2。
通过阀门204减压，使得大于90％的深度冷却的N29以液体形式流入储存槽，所述流体中小于10％的流体闪蒸为高浓度的冷的(约-280℉)蒸气35。使所述蒸气部分(闪蒸气体)选出储存槽并将其作为用于冷却流入的N2流的主热交换器中的少部分制冷源使用。在将所述蒸气的冷量传递至流入的流体后，通过与其他流体(未示于图4中)进行热交换进一步加热闪蒸流体35，将所述闪蒸流体作为吹扫气体输送至分子筛305中以除去分子筛中捕获的水和CO2，然后通过出端308排放至大气中。被排放的流体是温和的，因为其中主要包含N2(空气中的主要成分)以及少量的水和CO2。
用于液化所述N2流的主制冷环路也采用干燥N2(或干燥空气或任意其他适合的流体)作为制冷剂，但是不将所述冷却剂流体与待液化的N2流混合。如下文所描述的那样，所述独立的制冷环路包括多个压缩阶段和多个膨胀阶段(全部在一个轴309上或分别在两个或更多个轴上)，其中由电机301驱动压缩机阶段302，并且使膨胀器阶段304起到促进制冷的作用。所显示的用于不同阶段压缩机和膨胀器的单轴配置只是这种低温制冷系统的一个示例性的例子。本领域的专业人员可以设计具有多个轴以及压缩和膨胀位置函数上的变量的排布。
将中间冷却器和二次冷却器303中回收的压缩热量提供给其他地方使用，所述压缩机阶段采用从低温热交换器306中流出的低压“热的”制冷剂(已经使流入的N2流深度冷却)，并在压缩的多个阶段中使所述制冷剂流体升至高压(例如，约800磅/平方英寸(绝对值))。然后在多阶段膨胀器304中使接近室温的高压制冷剂分阶段膨胀。所述膨胀使所述制冷剂冷却到约-300℉，但是将所述制冷剂的压力降低到约80磅/平方英寸(绝对值)。在热交换器306中采用约-300℉的制冷剂将约50℉的N2流冷却到约-280℉。反过来，如上文所描述的那样，流入的N2流7将所述制冷剂加热到约40℉，需要在连续的环路中通过膨胀重新压缩和冷却所述N2流。除了上文中所提到的那些可能的变化形式之外，本文所描述的循环可以具有变化形式。例如，在不同的阶段中可以将流入的N2压缩到更高的压力，产生了不同比例的可闪蒸进入LN2储存槽的液体，并产生不同量的可回收的压缩热量。通过压缩废热和其他来自本发明的实施方案中的废热源驱动的吸附冷却器可以对N2流进行预冷却。
在燃烧天然气的联合循环电厂中类似的电力增强是可能的，但有如下区别：相对于所述CO2流，所述N2流占废气流中较大的部分，这是因为燃烧天然气的电厂中产生的CO2较少；并且可以首先输送冷的N2以冷却气体涡轮机中流入的空气，然后，一旦所述N2被加热，可以输送所述N2以从本发明的实施方案中的废热源中提取更多热量，然后将所述N2输送至联合循环中的蒸汽部分。
在N2流压缩机以及在制冷剂流压缩机中，所述液化循环需要将电力输入到电机301中，同时需要为各种泵、装置和阀门输入少量电力。然而，基本可以通过本文所描述描述的电力增强来补偿所述电力需求，并且所述电力需要超过了来自碳酸盐、液氮和液氩的销售、回收的H2和可能从灰末中回收的氧化铁以及任意其他从与废气分离的N2流中制得的副产物的补偿。在某些实施方案中，可能仅在非峰值电力需求期间内实现LN2的液化过程，用低附加值的能量产生足够的LN2用于甲醇再生和电力增强的序列中，并且额外的LN2用于厂外的销售。如果系统中包括冷蒸馏柱(未示于图4中)，那么可以从所述LN2中分离出液氩，从而产生另外有价值的流体。
因此，可见本发明提供了碳捕获和封存的系统和方法。应当理解的是，前述的配置和特殊的部件或化合物中的任意一种都可以与前述实施方案中的任意系统交换使用。尽管在上文中描述了本发明优选的实施方案，但是对于本领域的专业人员来说，可以进行不偏离本发明的各种变化和修改是显而易见的。本发明所附的权利要求书旨在覆盖所有这些落入本发明的实际宗旨和保护范围内的变化形式和修改方案。

Claims (24)

1.一种捕获或封存二氧化碳的方法，所述方法包括：
将非水性的溶剂和碱混合，以使所述溶剂和碱形成溶剂悬浮液，所述非水性的溶剂中含有少于50%的水；
将水和含有二氧化碳的废气与所述溶剂悬浮液混合在反应容器中，以发生反应，所述反应生成碳酸盐、水并放出热量，其中所述反应生成的水与所述溶剂形成溶液，所述反应生成的碳酸盐不含水且易于从所述溶液中除去，
所述生成的碳酸盐从所述溶液中沉淀出来，并且携带着少量所述溶剂沉降至所述反应容器的底部。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括如下步骤：
除去由所述水和溶剂形成的溶液；
使所述水与所述溶剂分离；
使被分离的溶剂和所述碱重新混合，以使所述溶剂和碱形成溶剂悬浮液；以及
使被分离的水返回至所述溶剂悬浮液中继续反应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过机械的方式除去所述沉淀的碳酸盐。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶剂为醇。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述醇为甲醇。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述碱和所述甲醇反应生成甲醇盐。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将灰末引入所述溶剂中，其中所述碱是灰末的组成成分。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使所述水与所述溶剂分离的过程包括冷却由水和溶剂形成的溶液，以使所述水基本落到低温干燥容器的底部，并且使所述溶剂基本上升到所述低温干燥容器的顶部。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使所述水与所述溶剂分离的过程包括如下步骤：加热由水和溶剂形成的溶液，通过部分真空设备从热蒸馏容器中抽出溶剂蒸气，然后使所述溶剂蒸气冷凝。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废气还包含氮气，所述方法进一步包括：
压缩氮气；
为热交换器提供制冷剂；以及
在热交换器中使氮气冷却，以使氮气基本液化。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
从所述基本被液化的氮气中回收制冷源；
利用回收的制冷源为所述水与所述溶剂的分离提供冷量。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
压缩所述基本被液化的氮气的第一部分；
加热所述基本被液化的氮气的第一部分；
将被加热压缩的氮气引入电厂的蒸汽循环中，以增强电厂的电力输出。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
储存所述基本被液化的氮气的第二部分；
为所述基本被液化的氮气加压；
使所述被加压的基本被液化的氮气蒸发；以及
通过热气体膨胀器引入加压蒸发的氮气以增强电厂的电力输出。
14.一种碳捕获和封存的系统，所述系统包括：
碳捕获装置，所述装置包括混合容器和至少一个反应容器，其中碱和非水性的溶剂在所述混合容器中混合以形成悬浮液，所述非水性的溶剂中含有少于50%的水，所述反应容器与所述混合容器流体连接以使所述反应容器通过第一输入端获得来自所述混合容器的所述由碱和溶剂形成的悬浮液，通过第二输入端获得含有二氧化碳的废气并通过第三输入端获得水，从而在所述反应容器中生成碳酸、碳酸盐、水并放出热量；以及
与所述反应容器流体连接的溶剂再生装置，所述溶剂再生装置包括至少一个热交换器、与所述至少一个热交换器流体连接的低温干燥容器和与所述低温干燥容器流体连接的热蒸馏容器；所述至少一个热交换器与所述反应容器相连，用于冷却来自所述反应容器的、所述溶剂与水的混合物；所述低温干燥容器用于将部分溶剂与水分离；所述热蒸馏容器用于将剩余部分的溶剂与水分离；
生成的水与所述溶剂形成溶液，生成的碳酸盐不含水且易于从所述溶液中除去，
所述生成的碳酸盐从所述溶液中沉淀出来，并且携带着少量所述溶剂沉降至所述反应容器的底部；其中
将上述分离得到的溶剂回收到混合容器中，将上述分离得到的水回收到所述反应容器的所述第三输入端。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述碳捕获装置还包括与所述反应容器流体连接的溶剂冷凝器。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述碳捕获装置还包括用于从所述反应容器中除去所述沉淀的碳酸盐的机械装置。
17.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述溶剂为甲醇，并且所述碱和所述甲醇反应生成甲醇盐。
18.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述水和所述溶剂在反应容器中形成溶液；
从反应容器中除去所述由水和溶剂形成的溶液，并将所述溶液引入所述溶剂再生装置中；
通过所述溶剂再生装置使所述水与所述溶剂分离；
使被分离的溶剂返回至所述混合容器中；
使被分离的水返回至所述反应容器中继续反应。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，采用所述溶剂再生装置通过冷却由水和溶剂形成的溶液使所述水与所述溶剂分离，以使所述水基本落到所述低温干燥容器的底部，并使所述溶剂基本上升到所述低温干燥容器的顶部。
20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，采用所述溶剂再生装置通过加热由水和溶剂形成的溶液使所述水与所述溶剂分离，通过部分真空设备从热蒸馏容器中抽出溶剂蒸气，然后使所述溶剂蒸气冷凝。
21.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，将灰末引入所述溶剂中，并且所述碱是灰末的组成成分。
22.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述废气还包含氮气，所述系统进一步包括：
基本使氮气液化并从所述基本被液化的氮气中回收制冷源的氮气液化装置；
其中被回收的制冷源用于为所述溶剂再生装置提供冷量。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，通过所述溶剂再生装置加热基本被液化的氮气的第一部分，然后将加热的氮气引入电厂的蒸汽循环中，以增强电厂的电力输出；
其中通过储存装置储存基本被液化的氮气的第二部分，并释放所述基本被液化的氮气的第二部分，然后通过热气体膨胀器引入所述基本被液化的氮气的第二部分以增强电厂的电力输出。
24.一种分离废气中的化学成分的方法，所述方法包括：
将非水性的溶剂与碱混合，以使所述溶剂和碱形成溶剂悬浮液，所述非水性的溶剂中含有少于50%的水；
将水和含有二氧化碳的废气引入所述溶剂悬浮液中；
使所述溶剂悬浮液中的碱与所述水和所述废气中的二氧化碳接触，以发生反应，所述反应迅速生成碳酸盐、水并放出热量，生成的水与所述溶剂形成溶液，生成的碳酸盐不含水且易于从所述溶液中除去，并从溶液中沉淀出来。
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