CN102596366A - 用于捕捉co2的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于通过主要沿气体流动方向将吸收液体（15、17、40）的液滴导入气流中以从气流（10）捕捉CO2的方法。依照本发明，借由吸收液体的液滴在捕捉阶段从气流捕捉CO2，其中，在捕捉阶段吸收液体的液滴是空气传播的，以足够高的速度将吸收液体的液滴导入气流以确保吸收液体的液滴内的内部循环，并且以5010E-6～50010E-6*m的范围内的沙得平均直径将吸收液体的液滴导入气流中。也公开了一种适用于执行所述方法的设备。

Description

用于捕捉CO2的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于从废气流中捕捉CO2的设备及其方法。
背景技术
在例如媒、油、气、泥炭、垃圾等的燃料燃烧中，在例如为那些与锅炉系统相连以为发电厂提供蒸汽的设备的燃烧设备中，产生了热处理气体（或废气）。这种废气在其他物质之外经常包含二氧化碳（CO2）。已经广泛认识到向大气中排放二氧化碳带来的不利环境效应，并且这导致了适用于从上述燃料的燃烧中产生的热处理气体中移除二氧化碳的工艺的发展。
从废气中移除CO2的传统方法将使用如图1所示的标准吸收-解吸工艺。在该工艺中，废气具有在间接或直接接触冷却器之前或之后由鼓风机产生的压力。随后，废气输送至吸收塔，在吸收塔中废气与向下流动的吸收剂逆流地接触。在柱的顶部，清洗区适用于基本采用水来移除跟随废气而源自CO2移除区的残余吸收剂。将源自吸收器底部的富含CO2吸收剂经由给予进入解吸塔之前的富吸收剂预加热的热回收热交换器而泵入解吸柱顶部。在解吸塔中，朝向塔上部运动的蒸气剥除了CO2。在顶部上方跟随CO2的水和吸收剂在解吸体顶部上方的冷凝器中回收。重沸器中形成了蒸气（vapour），从重沸器 贫CO2吸收剂经由热回收热交换器和冷却器而泵入吸收柱的顶部。
用于从废气中移除CO2的已知工艺涉及引起在废气中压力降低的设备。如果允许这种压力降低，将导致在发电设备或其他产生废气的设备的出口中形成压力加累积。这是不合需要的。在气轮机的例子中，这将导致在发电过程中效率降低。为了克服这个缺点，需要昂贵的废气鼓风机。
现有技术存在的另外问题在于，吸收塔和前述的废气冷却器是昂贵的设备。
标准CO2捕捉设备也需要大量面积以建立。WO00/74816公开了一种用于CO2捕捉的系统。可以设置该系统为水平通道，其中，废气在水平通道中与两个相邻区域中两种不同的吸收液体接触。包括筛网以避免液体从一个区域传输进入下一个区域。再生并且再核算该液体。
在Bandyopadhyay等人的论文“SO2喷射清洗中的临界水流喷雾器”（化学工程期刊（Chemical Engineering Journal） 139期，29-41页，2008年）中，得出的结论在于，SO2移除效率随着液体流率、液-气流率比、喷雾空气压、液滴速度的增大而增大。Srinivasan等人在论文“通过圆柱形喷射-物理吸收的受控中断而形成的液滴的质量转移”（化学工程科学（Chemical Engineering Science），43卷，12期，3141-3150页，1988年）中也得到了相同的结论。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于从废气气流中移除CO2的方法和设备，其中该方法提供了减小的压力损失，不取决于废气鼓风机的使用并且优选地比传统方法需要更少能量。此外，目的在于提供一种具有显著地更小占地面积的解决方案。目的也在于提供一种可以与新的高效解吸方法和设备集成的解决方案。
另一个目的在于提供一种可以有效地结合至利用了废气再循环的设备的系统和方法。
也有意于提供一种允许与用于移除气流内其他不需要化合物的预处理系统结合的系统。
借助于依照所附独立权利要求的系统和方法来实现上述目标和目的。在从属权利要求中描述了其他有利特征和实施例。
本发明涉及从废气中捕捉CO2，并且因此也称为后燃烧技术。本发明可用于与源自不同种类设施的气体连接。这些设施可包括循环燃气发电厂、燃媒发电厂、锅炉、水泥厂、精炼厂、吸热工艺的加热炉，吸热工艺例如天然气或包含CO2的废气类似源的蒸汽重整。
在几乎所有从废气中捕捉CO2的例子中都将需要长的排气通道以将气体从产生气体的设备输送至用于捕捉CO2的设备。很好地利用它并不涉及用于排气通道那么多的额外成本。
依照本发明的一个方面，通过在废气通道自身中将液滴喷射为气体从而提供了气体与液体之间足够的接触面积，因而消除了吸收塔。也可能通过在通道自身中的区域内执行相同的接触从而取代了通常在该吸收塔之前的直接接触冷却器。
本发明的目的在于利用废气通道的无论如何也需要的一部分以将废气传输至CO2捕捉设备。通常没有空间以将CO2捕捉设备背对背地建在发电设备旁。执行了本发明，消除了传统地DCC和吸收柱。这种利用表示了非常显著的成本节约。
通道预期是基本水平的，但是通道也可以具有0度与60度之间的角度。倾斜方向可以沿任何方向，并且倾斜方向可随着通道的路线而改变。通道也可一次或多次改变方向，从1至360度。
本发明既减少了资本成本又节省了能量。
依照本发明的一个实施例，喷嘴引导主要沿废气流动的方向的喷射，因此将气体沿着通道推动。源自液滴的更多转移在气体上的动能因此克服了通道中气压降低。这意味着上游通道可以工作在较低的绝对压力。这样的后果在于，与标准技术相比，来自上游气轮机（当可用时）的出口压力可工作在减小的压力下，并且在气轮机出口处的该减小的压力提高了气轮机效率，导致了产生更大的电能。
这减小了资本成本，节省了能量，并且甚至可能导致提高从气轮机产生的能量。
通过依照权利要求1的方法以及依照权利要求6的设备来实现这些和其他目标。其他优点和有益实施例描述在从属权利要求中。
附图说明
以下将参照附图详细描述本发明，其中：
图1说明了传统的吸收-解吸工艺；
图2说明了本发明实施例的流程图；
图3说明了实施例，其中，通道包括直接接触冷却以及清洗区；
图4说明了图3所示的用于CO2吸收工艺的操作和平衡线；
图5说明了具有集成的预处理区的实施例；
图6说明了具有废气再循环的实施例；以及
图7示出了显示了在气体中移动的液滴中得到的内部循环模型的相对速度的剖面图。
具体实施方式
图1示出了使用标准吸收-解吸工艺的用于从废气中移除CO2的传统方法。在该工艺中，废气P10在间接或直接接触冷却器P20之前（如所示）或之后由鼓风机P21增压。随后将废气输送至吸收塔P22，在吸收塔P22中废气与向下流动的吸收剂P40逆流接触。在柱的顶部，清洗区适用于基本采用水来移除跟随废气而从CO2移除区来的残余吸收剂。清洗液体P41从顶部进入并且进一步向下重提取作为P42。CO2耗尽的废气在顶部上方移除作为P12。将来自吸收器底部的富含CO2吸收剂P32经由给予进入解吸塔P30之前的富吸收剂P36预加热的热回收热交换器P28而泵入解吸柱P30的顶部。在解吸塔中，通过向塔上部移动的蒸汽来剥除CO2。在顶部上方跟随CO2的水和吸收剂在解吸器顶部上方的冷凝器P33中回收。蒸气形成在重沸器P31中，从重沸器贫CO2吸收剂P38经由热回收热交换器P28和冷却器P29而泵入吸收柱P22的顶部。提供蒸汽作为气流P61而至重沸器。隔离的CO2作为流P14离开。
图2说明了本发明实施例的主要流体流动。废气10在一端进入通道1。包括CO2吸收剂和稀释剂的吸收液体从喷嘴装置15喷入通道。主要沿废气流动方向并且以足够高速度而喷射吸收液体，以至少补偿在通道第一部分中的压力损失。吸收液体的液滴移动穿过废气气流并且从中吸收CO2。在通道的较低部分处的收集点23处向上游收集富含CO2的吸收液体。借由除雾器/液滴捕捉器的使用而收集液滴。富含CO2的吸收液体19经由泵34而泵入连接至解吸设备的管道32。解吸设备可以是如图1所示的传统解吸设备，或者可以是用于从吸收剂液体中解吸CO2的任何其他系统。在图2所示实施例中，废气继续向通道下游流动，并且从喷嘴装置17将第二吸收液体喷射为气体。主要沿废气的流动方向并且以足够高的速度喷射吸收液体，以至少补偿在通道的该第二部分中的压力损失。吸收液体的液滴移动穿过气体流并且从中吸收CO2。在通道底部的收集点24处向上游收集富含CO2的吸收液体。在点24处收集到的富含CO2的吸收液体经由泵16向上泵入喷嘴装置15。废气继续在通道中向下游流动，并且从喷嘴装置将贫吸收液体40喷射为气体。主要沿废气流动方向并且以足够高速度喷射吸收液体，以至少补偿在通道的该第三部分中的压力损失。吸收液体的液滴移动穿过废气气流并且从中吸收CO2。在通道的较低部分处的收集点25处向上游收集富含CO2的吸收液体。在点25处收集到的富含CO2的吸收液体经由泵18而向上泵入喷嘴装置17。CO2耗尽的废气在通道另一端作为流12离开。
通道可能是水平的，或者具有高达60度的角度。通道可能进一步包括一个或多个除雾器或类似装置以收集吸收液体的液滴。液滴将随后以足够高的速度导入以推动气流向前穿过除雾器。
图2说明了在废气通道中的交叉流动处理的基本结构。在该图中的喷嘴指向下方。但是，这仅是为了画图方便。意在指出喷嘴主要沿气流方向，但是其他结构也可以是可行的，例如指向多个方向的喷嘴阵列或群集。可给出更多示例。
可参照图3来描述本发明的一个实施例。废气进入通常没有处理设备的以150－250米通向传统CO2捕捉装置的废气通道。在此出于简便，一进入通道之后，废气在此，即为区域C，使用冷却水喷射以形成直接接触冷却器。除了可能的净化外，再循环冷却水。再循环经由泵和冷却器达到该流与喷射喷嘴（雾化喷嘴）中的压缩气体混合的点。在该区域形成的液滴收集在下游的液滴捕捉器中。
在另一实施例中，在通过喷射喷嘴排出之前使用泵将冷却水的压力增大至5－100bar，优选地在5－10bar范围。吸收剂液体也可以相同方式导入通道。
用于喷嘴喷射的气体在压缩机中压缩，所有使用雾化喷嘴的喷嘴组件共用该压缩机。在一个实施例中，吸入气是从DCC区域液滴捕捉器的通道下游方便地提取的废气。
已冷却的废气现在进入CO2吸收区域A1，A1同时并交叉流地接触经过吸收工艺的最富含CO2吸收剂溶液。经由喷嘴再次将液体喷入通道。在下游的液滴捕捉器中捕捉液体液滴。收集到的富吸收剂液体从A1区域泵入在此未进一步描述的解吸工艺。从区域A2泵入喷入区域A1的液体吸收剂，其中废气中CO2较少并且出口液体因此含有的CO2比从A1区域出来的更少。图4中显示了用于CO2移除工艺的操作和平衡线。A2区域也具有如区域A1中相同模式的气液接触。至区域A2的液体来自区域A3，其中在废气和液体中CO2含量是最低的。喷入区域A3的吸收剂液体是在再生条件下从解吸工艺回来的贫吸收剂。区域A3下游的液滴捕捉器有利地设计为比其他区域执行更严格的液滴捕捉，因为吸收剂的任何滑动将对于吸收剂回收区域W造成更高要求。
区域W的功能是基本清洗从区域A3出来的所有载有气体的吸收剂。这是通过经由泵和冷却器在区域上方基本循环水来实现的。对于再循环捕捉到的吸收剂的排放以及补充水流将方便地应用于再循环流体。清洗液体中自由吸收剂的浓度及其温度决定了从废气中移除吸收剂的可能性。这可能需要多于一个该清洗区域，并且可易于添加。
已发现的是，液滴喷雾沿着通道将气体推入不需要废气鼓风机的程度。
CO2吸收所需的级数与吸收剂流量之间存在平衡。原则上，如果循环足量液体一级就足够了，但是这将需要大量液体。两级或更多是可能的。在标准逆流吸收柱中，可能显示2至3平衡级就足够了。
依照一个实施例，本发明可与预处理区域和废气再循环组合。这些特征详细描述在图5和6中。
在图5中，显示了具有废气预处理的本发明一个实施例。这有关于燃媒电站以及多个工业设施，其中需要回收CO2。预处理可具有一个或多个任务。例如可以是海水清洗，利用海水的缓冲特性以从废气中吸收SO2。如果并未完成，SO2将不可逆地与用于捕捉CO2的碱性吸收剂反应，因此导致更大损耗。这种工艺也可净化废气中的颗粒。这些功能通常将要求位于煤燃烧的下游。从铝熔炉来的废气可能包含HF，并且将给出更多示例。在预处理区域中的流体再生例如可以是过滤器以容纳颗粒。在SO2吸收入海水的例子中，最佳做法是形成排放，其中SO2作为亚硫酸盐而用海水来输送，在海水中亚硫酸盐进而将氧化成硫酸盐，而硫酸盐是在海水中已经大量存在的物质。
预处理区域可如其他区域使用用于喷嘴和液滴捕捉器的相同技术。
在图6中，显示了与预处理区域集成并且与废气再循环（EGR）组合的本发明的一个实施例。使用ERG的优点在于废气流的体积大大减小，因此使得气流区域中截面面积减小以及废气中CO2含量提高，这减少了处理的资本成本。
图7是显示了在气体中移动的液滴构成的内部循环模式的相对速度的截面图。气体运动是沿水平方向，并且导致圆环状的环形流动，如已知为希尔涡流（Hill’s vortex）。内循环的起因是在液滴表面处由气体沿着表面移动形成的剪切力。已知的是，液滴移动穿过粘性流体，例如包括CO2的气流，由于周围流体是在界面处施加的剪切力，这将促使内部循环。边界层厚度的减小大大增强了热量和物质转移。与所谓的刚性液滴（也即没有或很少内部循环的液滴）相比，具有内部循环的液滴的转移系数至少为其2－4倍。
依照本发明的优选实施例，通过使用雾化喷嘴15、17和40将吸收剂液体例如胺导入或喷入通道1。包括包含CO2的气流的废气10以5－15m/s的速度穿过通道1。废气通道1的直径可能取决于发电厂、水泥厂或类似物产生的废气量，但是在大多数情况下将在3与10米之间。废气通道中的流动条件因此将很高湍流的，具有远大于100000的雷诺数。
吸收液体以30－120m/s的速度作为小液滴离开喷嘴15、17、40。预期的是，液滴离开喷嘴1－2秒后短时期内将是湍流的。吸收液体的液滴和废气之间的相对速度差造成了施加在液滴上的高剪切应力，这将有助于在液滴内维持内部循环并且可能在液滴内维持湍流条件。邻近喷嘴的区域中的质量转移因此将极其高。
填料床吸收器的主要缺点在于从CO2（气）向CO2（水溶）的质量转移的能力。质量转移速率取决于气体薄膜厚度和相应的扩散。这些再次取决于流率。在填料床吸收器中，将发生层流，这导致与湍流条件相比从CO2（气）向CO2（水溶）的质量转移大大降低。通道1中的高湍流以及液滴中的湍流/内部循环导致对于质量转移的阻抗大大降低。如与用于从废气10中吸收CO2的传统方法相比，由于薄膜厚度减小CO2从废气10向吸收液体的液滴的转移将更高，并且CO2（水溶）的转移不取决于扩散而是取决于对流。与吸收剂的反应将因此更快。
可以通过在一个或多个喷嘴之前改变吸收液体上的压力、或者通过改变吸收液体流经一个或多个喷嘴的速率而改变吸收液体的液滴的大小。一个或多个喷嘴的大小和形状也可以影响吸收液体的液滴的大小。平均气流速率和平均吸收液体的液滴速率之间的相对差也将影响液滴大小。如果当吸收液体离开吸收液体导引装置时，平均气流速度和平均吸收液体的液滴速度之间的速度比约大于3，优选在6－10范围内，这将有助于确保在导入CO2气流中的吸收液体的液滴速度中的内部循环，并且吸收液体的液滴的沙得（Sauter）平均直径保持相对较小，优选为50μm－500μm的量级。
吸收液体的液滴穿过通道1的驻留或飞行时间也是重要的。当吸收液体的液滴移动穿过废气通道时，液滴和废气之间的初始碰撞将有助于液滴的进一步雾化。同时，液滴上的剪切力/应力将有助于在液滴内维持内部循环。在吸收液体的液滴飞行的这初始阶段，CO2从废气至吸收液体的液滴的质量转移达到高峰。当吸收液体的液滴沿着管道1移动时，由于多次碰撞以及曳力（动能从液滴转移至废气），速度下降。此外，吸收液体的液滴也可由于合并而增大尺寸，进一步减小了它们的速度并且减小了有效液体表面积。由于与CO2（水溶）反应，吸收液体的液滴也开始饱和。结果，CO2从废气至吸收液体的液滴的质量转移开始减小。在吸收液体的液滴导入通道1和CO2从废气的完全减小的质量转移之间的该时间段，限定了气流中吸收液体的液滴的所需驻留或飞行时间，并且因此也有助于确定在例如由液滴捕捉器收集吸收液体之前的通道1的优选长度。有鉴于此，可以理解的是，通道中的任何障碍物，例如填料床吸收器的填料材料等，将仅缩短驻留或飞行时间，并且因此不利于CO2从废气至吸收液体的液滴的质量转移。此外，通道中的任何障碍物，例如填料材料等，可增大沿通道的压力损失，这需要优选地避免。
依照本发明，当吸收液体的液滴为空气传播，即悬浮在包含CO2的气流中时，发生CO2的吸收。这也可以称作捕捉阶段。该捕捉阶段发生在捕捉区域中。捕捉区域可以定位为吸收液体导入装置和吸收液体导入装置下游的吸收液体收集点之间的区域或体积。依照本发明，优选地，该捕捉区域或捕捉阶段中，没有可能导致吸收液体收集在障碍物中或上的例如填料材料或其他表面的障碍物。通过当吸收液体为空气传播或悬浮在气流中时提供CO2从气流至吸收液体的转移而得到了本发明的主要优点。但是，依照本发明可能的是，在捕捉区域之后提供进一步的包括填料床吸收器或某些其他捕捉装置的CO2捕捉级。例如，用于在吸收液体导入装置15、17、40的下游收集CO2饱和吸收液体的液滴的收集装置23可部分地包括填料床吸收器或某些其他捕捉装置。
依照本发明一个实施例，导入气流的吸收液体的温度在20℃至80℃范围内，优选地在20℃至50℃范围内。但是，这取决于所使用的吸收液体的种类，并且可能的是可利用具有其他温度范围的其他吸收液体。
需要理解的是，甚至当改变工艺的各种参数时可以得到本发明的优点。对于CO2从废气至吸收液体的液滴的质量转移有影响的参数包括：
－通道直径
－通道形状
－通道长度
－吸收液体的液滴的驻留或飞行时间
－通道表面
－喷嘴数目
－喷嘴布置
－喷嘴的形状和设计
－排出喷嘴之前吸收液体的液滴的压力
－吸收液体的液滴流过喷嘴的流率
－废气速度
－吸收液体的液滴速度
－废气和吸收液体的液滴之间的速度比
－吸收液体的液滴的温度
－废气的温度
－废气中CO2的浓度
－废气的流率
－吸收液体的浓度
－吸收液体的粘性
等等。
阅读了以上内容之后，本领域技术人员将能够依照以下权利要求实现本发明的益处，只要调整所列出的参数以使得：
－借由吸收液体的液滴在捕捉阶段从气流中捕捉CO2，其中吸收液体的液滴在捕捉阶段是空气传播的；
－以足够高的速度将吸收液体的液滴导入气流中以便确保吸收液体的液滴内的内部循环，以及
－以50μm－500μm范围内的沙得平均直径将吸收液体的液滴导入气流中。

Claims (19)

1.一种用于从气流中捕捉CO2的方法，包括以下步骤：
主要沿气体的流动方向将吸收液体的液滴导入气流中；
其特征在于以下步骤：
借由吸收液体的液滴在捕捉阶段从气流中捕捉CO2，其中，吸收液体的液滴在捕捉阶段是空气传播的；
以足够高的速度将吸收液体的液滴导入气流中以便确保在吸收液体的液滴内的内部循环；以及
提供导入气流中的吸收液体的液滴的沙得平均直径在50μm－500μm范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当吸收液体离开吸收液体导入装置时，平均气流速度和平均吸收液体的液滴速度之间的速度比大于3，优选地在6－10范围内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，导入气流的吸收液体的温度在20℃至80℃范围内，优选地在20℃至50℃范围内。
4.根据权利要求1－3所述的方法，其中，包括CO2的气流具有5－15m/s的速度，并且吸收液体的液滴具有30－120m/s的速度，气流速度和吸收液体的液滴速度大体上平行。
5.根据权利要求1－4所述的方法，其中，在吸收液体导入装置的下游收集富含CO2的吸收液体的液滴。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，以足够高的速度导入吸收液体的液滴以便使得气流穿过CO2捕捉阶段而不使用用于压缩气流的额外设备。
7.根据权利要求5－6所述的方法，其中，在吸收液体导入装置和CO2饱和吸收液体的液滴的收集之间没有中间物。
8.根据权利要求1－7所述的方法，其中，CO2气流为高湍流的。
9.一种用于从气流中捕捉CO2的设备，包括：
吸收液体导入装置（15、17、40），用于主要沿CO2气流（10）的流动方向导入吸收液体的液滴，
其特征在于：
设备包括捕捉区域，在捕捉区域中吸收液体的液滴从气流（10）捕捉CO2，其中吸收液体的液滴在整个捕捉区域中是空气传播的；
设备适用于以足够高的速度导入吸收液体的液滴以便确保吸收液体的液滴内的内部循环，以及
设备适用于提供具有在50μm－500μm范围内的沙得平均直径的吸收液体的液滴。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，以30－120m/s的速度将贫吸收液体的液滴导入CO2气流（10）。
11.根据权利要求9－10所述的设备，其中，CO2气流（10）具有5－15m/s的速度。
12.根据权利要求9－11所述的设备，包括收集装置（23），用于在吸收液体导入装置（15、17、40）和捕捉区域的下游收集CO2饱和吸收液体的液滴。
13.根据权利要求9所述的设备，其中，吸收液体导入装置（15、17、40）适用于以足够高的速度导入吸收液体的液滴以使得气流流过设备而不使用用于压缩气流（10）的额外设备。
14.根据权利要求12－13所述的设备，进一步包括，在吸收液体导入装置（15、17、40）和CO2饱和吸收液体的液滴的收集装置（23）之间没有中间物。
15.根据权利要求9－14所述的设备，包括用于导入CO2气流（10）的管道（1），其中，管道（1）具有吸收液体导入装置（15、17、40）和用于在吸收液体导入装置（15、17、40）下游收集吸收液体的液滴的收集装置（23），管道（1）限定了在吸收液体导入装置（15、17、40）与用于收集吸收液体的液滴的收集装置（23）之间的捕捉区域。
16.根据权利要求9－15所述的设备，其中，气流（10）是高湍流的。
17.根据权利要求9－16所述的设备，其中，当吸收液体离开吸收液体导入装置时，平均CO2气流速度与平均吸收液体的液滴速度的速度比大于3，优选地在6－10的范围内。
18.根据权利要求9－17所述的设备，其中，吸收液体导入装置（15、17、40）包括一个或多个喷嘴。
19.根据权利要求9－18所述的设备，其中，用于收集吸收液体的液滴的收集装置（23）包括液滴捕捉器和/或除雾器。
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